【2017年整理】十原子扩散.doc

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。 2、Ni板与Ta板中有0.05mm厚MgO板作为阻挡层，1400℃时Ni＋通过MgO向Ta中扩散，此时Ni＋在MgO中的扩散系数为D=9×10－12cm2/s，Ni的点阵常数为3.6×10－8cm。问每秒钟通过MgO阻挡层在2×2cm2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。 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D0＝0.23，激活能Q＝32900cal/mol，误差函数如表10－1。 1）试设计最佳渗碳工艺； 2）在渗碳温度不变，在1000℃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。 表10－1 与erf()的对应值 erf() erf() erf() 0.0 0.0000 0.7 0.6778 1.4 0.9523 0.1 0.1125 0.8 0.7421 1.5 0.9661 0.2 0.2227 0.9 0.7969 1.6 0.9763 0.3 0.3286 1.0 0.8247 1.7 0.9838 0.4 0.4284 1.1 0.8802 1.8 0.9891 0.5 0.5205 1.2 0.9103 1.9 0.9928 0.6 0.6039 1.3 0.9340 2.0 0.9953 4 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℃，然后缓慢冷却，试指出试样从表面到心部的组织分布。 5 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g-Fe中进行而不在a-Fe中进行，即渗碳温度选择要高于727e ，为什么？ 渗碳温度高于1100e 会出现什么问题？ 6 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。 7 原子扩散在材料中的应用 8 何谓上坡扩散，举两个实例说明金属中上坡扩散现象。 9、简述固溶体合金的扩散机制 第十章 原子扩散 1 简答： 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 解答：Ni为fcc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/MgO=(4原子/晶胞)/(3.6×10－8cm3)=8.57×1022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＝（0－8.57×1022原子/cm3）/（0.05cm）＝－1.71×1024原子/（cm3.cm）， 则Ni原子通过MgO层的扩散通量： J＝－D（dc/dx）=－9×10－12cm2/s×(－1.71×1024原子/（cm3.cm）) =1.54×1013Ni原子/（cm2.s) 每秒钟在2×2cm2的面积上通过MgO层扩散的Ni原子总数N为 N＝J×面积＝[1.54×1013Ni原子/（cm2.s)]×4cm2=6.16×1013Ni原子/s。 每秒钟从界面扩散走的Ni原子体积，故 V＝（6.16×1013Ni原子/s）/（8.57×1022原子/cm3）＝0.72×10－9cm3/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＝（0.72×10－9cm3/s）/（2×2cm2）＝1.8×10－10cm/s， 也就是说要将1mm厚的Ni层扩散掉，所需时间t为： t＝（1mm）/（1.8×10－10cm/s）＝556000秒＝154小时。 3 解答：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。 菲克第二定律特殊解公式： 其中依题意有Cs＝1.2，C0=0.1，Cx=0.45，x=0.2。 带入上式，则有，即： 从表10－1可以得出误差函数值，有，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