中南大学材料科学基础题库及答案扩散

第十章原子扩散1、简要说明影响溶质原子在晶体中扩散的因素。答：影响扩散的因素主要有温度，温度越高，扩散越快；晶体缺陷如界面、晶界位错容易扩散；不同致密度的晶体结构溶质原子扩散速度不一样，低致密度的晶体中溶质原子扩散快，各向异性也影响溶质原子扩散；在间隙固溶体中溶质原子扩散容易；扩散原子性质与基体金属性质差别越大，扩散越容易；一般溶质原子浓度越高，扩散越快；加入其它组元与溶质原子形成化合物阻碍其扩散。2、 Ni板与Ta板中有0.05mm厚MgO板作为阻挡层，1400°C时Ni+通过MgO向Ta中扩散，此时Ni+在MgO中的扩散系数为D=9X10-i2cm2/s,Ni的点阵常数为3・6X10-8cm。问每秒钟通过MgO阻挡层在2X2cm2的面积上扩散的Ni+数目，并求出要扩散走1mm厚的Ni层需要的时间。答：Ni为fee结构，一个晶胞中的原子个数为4,依题意有：在Ni/MgO界面镍板一侧的Ni的浓度CNi为100%，每cm3中Ni原子个数为：NNi/Mo=(4原子/晶胞)/(3.6X10-8em3)=8.57X1022原子/cm3,在Ta/MgO界面Ta板一侧的Ni的浓度0%,这种扩散属于稳态扩散，可以利用菲克第一定律求解。故浓度梯度为dc/dx=(0-8.57X1022原子/cm3)/(0.05cm)=—1.71X1024原子/(cm3.cm),则Ni原子通过MgO层的扩散通量：J=—D(dc/dx)=—9X10—12cm2/sX(—1.71X1024原子/(cm3.cm))=1.54X1013Ni原子/(cm2.s)每秒钟在2X2cm2的面积上通过MgO层扩散的Ni原子总数N为N=JX面积=[1.54X1013Ni原子/(cm2.s)]X4cm2=6.16X1013Ni原子/s。NV 扩散走的原子N每秒钟从界面扩散走的Ni原子体积 总原子数，故V=(6.16X1013Ni原子/s)/(8.57X1022原子/cm3)=0.72X10-9cm3/s,用厚度d表示在该面积中每秒扩散的Ni原子为d=V/面积=(0.72X10-9cm3/s)/(2X2cm2)=1.8X10-10cm/s,也就是说要将1mm厚的Ni层扩散掉，所需时间t为：t=(1mm)/(1.8X10-1Ocm/s)=556000秒=154小时。3、 对含碳0.1%齿轮气体渗碳强化，渗碳气氛含碳1.2%,在齿轮表层下0.2cm处碳含量为0.45%时齿轮达到最佳性能。已知铁为FCC结构，C在Fe中的D°=0・23，激活能Q=32900cal/mo1,误差函数如表10—1。试设计最佳渗碳工艺；在渗碳温度不变，在1000C时渗碳，要将渗碳厚度增加1倍，即要求在其表面下0.4cm处渗碳后碳含量为0.45%所需渗碳时间。xx表10—12丫Dt与erf(2$Dt)的对应值xxxxxx2乜Dterf(2Dt)2jD7erf(2丿Dt)2jD7erf(2Dt)0.00.00000.70.67781.40.95230.10.11250.80.74211.50.96610.20.22270.90.79691.60.97630.30.32861.00.82471.70.98380.40.42841.10.88021.80.98910.50.52051.20.91031.90.9928

0.60.60391.30.93402.00.9953答：1）渗碳情况符合菲克第二定律的特殊解的应用条件，可以利用菲克第二定律进行解决。C-Cf（X）sX=erf（菲克第二定律特殊解公式：cs-Co D其中依题意有C=1.2,C=0.1,C=0.45,x=0.2。s 0 x<4Dt、Dt1.2-0.45=ef（当二） erf（-°^）=<4Dt、Dt带入上式，则有1.2-0.1 <4Dt,即：少^DL=0.71从表10-1可以得出误差函数值，有vDt ,Dt=（0.1/0.71）2=0.0198cm2。任何满足Dt=0.0198cm2关系的工艺均可，由于扩散与温度、时间有关，D=D0exp(-Q/RT),带入C在Fe中的D0=0.23，激活能Q=32900cal/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,渗碳时间与渗碳温度的关系为0.0198(cm20.0198(cm2)D(cm2.s)0.0861-16588,exP(T)故可以列出一些典型的渗碳温度与时间如下T=900°C=1173K,则t=116174s=32.3h；T=1000°C=1273K,则t=36360s=10.7h；T=1100C=1373K,则t=14880s=4.13h；T=1200C=1473K,则t=6560s=1.82h。可以根据上述温度与时间的关系,考虑合金相变和加热炉、生产效率进行合理选择,一般以1000C左右较为合适。2）在渗碳温度和其它条件不变的情况下,要求渗碳深度增加一倍,由 1）可知有关系1.2-0.451.2-0.451.2-0.10.4、丽存在，可以解得t=42.7h；一块厚度10毫米，含碳量0.77%的钢在强脱碳气氛中加热到800°C，然后缓慢冷却，试指出试样从表面到心部的组织分布。答：由于反应扩散的原因，试样中不能出现两相区，故试样从表面到心部的组织最外层为a相，靠里层为Y相，心部不受脱碳影响为a相和y相。一块用作承载重物的低碳钢板,为提高其表面硬度采用表面渗碳,试分析：1） 渗碳为什么在丫-Fe中进行而不在a-Fe中进行，即渗碳温度选择要高于727s,为什么？2） 渗碳温度咼于1100s会出现什么问题？答：1）渗碳在y-Fe中进行而不在a-Fe中进行，渗碳温度要高于727s，是因为a-Fe中最大碳溶解度（质量分数）为0.0218％,对于碳含量大于0.0218％的钢铁,渗碳时零件中碳浓度梯度为0,渗碳无法进行；而且由于温度低，扩散系数小，渗碳缓慢。在y-Fe中进行则可获得较高的表层碳浓度梯度，温度也高，可使渗碳顺利进行。2）渗碳温度高于1100s会使钢板的晶粒长大，降低其机械性能。铜-锌基单相固溶体进行均匀化处理，试讨论如下问题：1） 在有限时间内能否使枝晶偏析完全消失？2） 将此合金均匀化退火前进行冷加工，对均匀化过程是加速还是无影响？说明理由。答：1）在有限的时间内不可能使枝晶偏析完全消失，2）冷加工可以促进均匀化过程；经过冷加工后枝晶被破碎，缩短了枝晶间距。原子扩散在材料中的应用答：原子扩散在材料中的影响包括晶体凝固时形核、长大；合金的成分过冷；成分均匀化，包晶反应非平衡凝固时保留高温组织的特点，固态相变时的形核，晶界形核、晶界运动、晶界偏聚、高温蠕变，氧化，焊接，化学热处理（渗C、N等），粉末冶金