大學(xué)《材科基礎(chǔ)》第十章：原子擴散題庫及答案

1、第十章 原子擴散1、 簡要說明影響溶質(zhì)原子在晶體中擴散的因素。答： 影響擴散的因素主要有溫度，溫度越高，擴散越快；晶體缺陷如界面、晶界位錯容易擴散；不同致密度的晶體結(jié)構(gòu)溶質(zhì)原子擴散速度不一樣，低致密度的晶體中溶質(zhì)原子擴散快，各向異性也影響溶質(zhì)原子擴散；在間隙固溶體中溶質(zhì)原子擴散容易；擴散原子性質(zhì)與基體金屬性質(zhì)差別越大，擴散越容易；一般溶質(zhì)原子濃度越高，擴散越快；加入其它組元與溶質(zhì)原子形成化合物阻礙其擴散。2、Ni板與Ta板中有0.05mm厚MgO板作為阻擋層，1400時Ni通過MgO向Ta中擴散，此時Ni在MgO中的擴散系數(shù)為D=91012cm2/s，Ni的點陣常數(shù)為3.6108cm。問每秒鐘

2、通過MgO阻擋層在22cm2的面積上擴散的Ni數(shù)目，并求出要擴散走1mm厚的Ni層需要的時間。答：Ni為fcc結(jié)構(gòu)，一個晶胞中的原子個數(shù)為4，依題意有：在Ni/MgO界面鎳板一側(cè)的Ni的濃度CNi為100%，每cm3中Ni原子個數(shù)為：NNi/MgO=(4原子/晶胞)/(3.6108cm3)=8.571022原子/cm3，在Ta/MgO界面Ta板一側(cè)的Ni的濃度0%，這種擴散屬于穩(wěn)態(tài)擴散，可以利用菲克第一定律求解。故濃度梯度為dc/dx（08.571022原子/cm3）/（0.05cm）1.711024原子/（cm3.cm），則Ni原子通過MgO層的擴散通量：JD（dc/dx）=91012cm2

3、/s(1.711024原子/（cm3.cm）)=1.541013Ni原子/（cm2.s)每秒鐘在22cm2的面積上通過MgO層擴散的Ni原子總數(shù)N為NJ面積1.541013Ni原子/（cm2.s)4cm2=6.161013Ni原子/s。每秒鐘從界面擴散走的Ni原子體積，故V（6.161013Ni原子/s）/（8.571022原子/cm3）0.72109cm3/s，用厚度d表示在該面積中每秒擴散的Ni原子為dV/面積（0.72109cm3/s）/（22cm2）1.81010cm/s，也就是說要將1mm厚的Ni層擴散掉，所需時間t為：t（1mm）/（1.81010cm/s）556000秒154小時

4、。3、對含碳0.1齒輪氣體滲碳強化，滲碳氣氛含碳1.2，在齒輪表層下0.2cm處碳含量為0.45%時齒輪達到最佳性能。已知鐵為FCC結(jié)構(gòu)，C在Fe中的D00.23，激活能Q32900cal/mol，誤差函數(shù)如表101。1）試設(shè)計最佳滲碳工藝；2）在滲碳溫度不變，在1000時滲碳，要將滲碳厚度增加1倍，即要求在其表面下0.4cm處滲碳后碳含量為0.45%所需滲碳時間。表101 與erf()的對應(yīng)值erf()erf()erf()0.00.00000.70.67781.40.95230.10.11250.80.74211.50.96610.20.22270.90.79691.60.97630.30.

5、32861.00.82471.70.98380.40.42841.10.88021.80.98910.50.52051.20.91031.90.99280.60.60391.30.93402.00.9953答：1）滲碳情況符合菲克第二定律的特殊解的應(yīng)用條件，可以利用菲克第二定律進行解決。菲克第二定律特殊解公式：其中依題意有Cs1.2，C0=0.1，Cx=0.45，x=0.2。帶入上式，則有，即：從表101可以得出誤差函數(shù)值，有，Dt(0.1/0.71)2=0.0198cm2。任何滿足Dt0.0198cm2關(guān)系的工藝均可，由于擴散與溫度、時間有關(guān)，D=D0exp(-Q/RT)，帶入C在Fe中的D

6、00.23，激活能Q32900cal/mol，D=0.23exp(-32900cal/mol/1.987（cal/mol.K）T)=0.23exp(-16558/T)，因此由Dt(0.1/0.71)2=0.0198cm2，滲碳時間與滲碳溫度的關(guān)系為：故可以列出一些典型的滲碳溫度與時間如下：T900=1173K，則t=116174s=32.3h；T1000=1273K，則t=36360s=10.7h；T1100=1373K，則t=14880s=4.13h；T1200=1473K，則t=6560s=1.82h?？梢愿鶕?jù)上述溫度與時間的關(guān)系，考慮合金相變和加熱爐、生產(chǎn)效率進行合理選擇，一般以1000

7、左右較為合適。2）在滲碳溫度和其它條件不變的情況下，要求滲碳深度增加一倍，由1）可知有關(guān)系存在，可以解得t42.7h；4 一塊厚度10毫米，含碳量0.77%的鋼在強脫碳氣氛中加熱到800，然后緩慢冷卻，試指出試樣從表面到心部的組織分布。答：由于反應(yīng)擴散的原因，試樣中不能出現(xiàn)兩相區(qū)，故試樣從表面到心部的組織最外層為相，靠里層為相，心部不受脫碳影響為相和相。5 一塊用作承載重物的低碳鋼板，為提高其表面硬度采用表面滲碳，試分析：1) 滲碳為什么在g-Fe中進行而不在a-Fe中進行，即滲碳溫度選擇要高于727e ，為什么？滲碳溫度高于1100e 會出現(xiàn)什么問題？答：1）滲碳在g-Fe中進行而不在a-F

8、e中進行，滲碳溫度要高于727e ，是因為a-Fe中最大碳溶解度（質(zhì)量分數(shù)）為0.0218，對于碳含量大于0.0218的鋼鐵，滲碳時零件中碳濃度梯度為0，滲碳無法進行；而且由于溫度低，擴散系數(shù)小，滲碳緩慢。在g-Fe中進行則可獲得較高的表層碳濃度梯度，溫度也高，可使?jié)B碳順利進行。2）滲碳溫度高于1100e 會使鋼板的晶粒長大，降低其機械性能。6 銅-鋅基單相固溶體進行均勻化處理，試討論如下問題：1) 在有限時間內(nèi)能否使枝晶偏析完全消失？2) 將此合金均勻化退火前進行冷加工，對均勻化過程是加速還是無影響？說明理由。答：1）在有限的時間內(nèi)不可能使枝晶偏析完全消失，2）冷加工可以促進均勻化過程；經(jīng)過冷加工后枝晶被破碎，縮短了枝晶間距。7 原子擴散在材料中的應(yīng)用答： 原子擴散在材料中的影響包括晶體凝固時形核、長大；合金的成分過冷；成分均勻化，包晶反應(yīng)非平衡凝固時保留高溫組織的特點，固態(tài)相變時的形核，晶界形核、晶界運動、晶界偏聚、高溫蠕變，氧化，焊接，化學(xué)熱處理（滲C、N等），粉末冶金，涂層等各方面。8 何謂上坡擴散，舉兩個實