材料科学基础扩散题库及答案

　　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 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。
　　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
　　添加图片注释，不超过 140 字（可选）
　　，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、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。
　　编辑切换为居中
　　添加图片注释，不超过 140 字（可选）
　　编辑切换为居中
　　添加图片注释，不超过 140 字（可选）
　　编辑切换为居中
　　添加图片注释，不超过 140 字（可选）
　　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。
　　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α相，靠里层为γ相，心部不受脱碳影响为α相和γ相。
　　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？
　　答： 1）渗碳在g-Fe中进行而不在a-Fe中进行，渗碳温度要高于727e ，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g-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1100e 会使钢板的晶粒长大，降低其机械性能。
　　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。
　　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。
　　7 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，涂层等各方面。
　　8 何谓上坡扩散，举两个实例说明金属中上坡扩散现象。
　　答： 上坡扩散是扩散过程中扩散元素从低浓度向高浓度出扩散；如各种溶质原子气团的形成和共析反应产物的形成均为上坡扩散。
　　9、简述固溶体合金的扩散机制
　　答： 间隙固溶体中溶质原子在间隙中发生间隙扩散，在置换式固溶体中发生原子与空位交换实现扩散的空位机制。