原子扩散习题与答案

第十章原子扩散本章主要内容：扩散第一定律扩散第二定律，第二定律的解及应用实例柯肯达尔效应扩散的微观机理：扩散机制，高扩散率通道扩散热力学：驱动力，反应扩散影响扩散的因素扩散的应用实例1填空1扩散系数的单位是_____________________________________________，扩散系数D的物理意义是__________________________________。2上坡扩散是指_______________________________________________，反应扩散是指______________________________________________。3扩散系数与温度之间关系的表达式为_____________________________________。4三元系的扩散层中不可能出现_____________________混合区。5空位扩散需具备的条件是（1）_________________，（2）______________。间隙扩散需具备的条件是_________________________。6互扩散系数D______________________________________。7置换式固溶体晶内扩散的主要机制是_____________，而间隙固溶体晶内扩散的主要机制是_________________。8扩散驱动力_____________________，再结晶驱动力_______________________，晶粒长大驱动力_______________________。9扩散第一定律表达式____________________________，扩散第二定律表达式___________________________。10扩散通量J的单位是____________________。2判断1金属的自扩散激活能等于（）A空位形成能和迁移激活能的总和B空位的形成能C空位的迁移能2晶界扩散比晶内扩散速率（）A大B小C相等3固溶体中扩散的驱动力是___________。A温度梯度B组元的浓度梯度C组元的化学势剃度4扩散通量J的大小，是指单位时间内通过任何截面的流量。（）5氮在奥氏体中溶解度大，表明氮在奥氏体中扩散速度比铁素体中快。（）6如图1（AB二元相图），有一合金III，从T1温度淬火至室温，然后再加热至T2温度时效，在时效时所产生的扩散过程，其()A2G/C20B2G/C2=0C2G/C207上坡扩散J与dc/dx方向（）：A一致，B相反，C垂直8扩散系数D只决定于晶体结构。（）9氮在奥氏体中溶解度大，表明氮在奥氏体中扩散速度比在铁素体中快。（）10扩散永远是由高浓度向低浓度方向进行。（）11反应扩散只受反应速度控制。（）12可以说扩散定律实际上只有一个。（）13扩散通量J的大小，是指单位时间内通过任何截面的流量。（）14扩散第一定律仅适用于稳态扩散。（）15扩散激活能越大，扩散速度越快。（）16只要合金中存在浓度梯度就一定会发生扩散。（）17纯铁在渗碳过程的扩散中，铁原子的扩散是不可忽略的。（）18间隙溶质原子的扩散系数，低于置换溶质原子的扩散系数。（）3名词扩散通道，反应扩散，克肯达尔效应，间隙扩散，扩散激活能化学势梯度，扩散通量，上坡扩散和下坡扩散，扩散系数4问答1简要说明影响扩散系数的因素。2已知碳在奥氏体中扩散系数D=2×10-5exp(-140×103/RT)m2/s，问1计算在927℃时碳在奥氏体中的扩散系数。2在９２７时使试样1mm处深度处碳浓度达到０.５％所需时间。已知试样为纯铁，R=8.314J/mol.k，由相图知在９２７时碳在奥氏体中最大溶解度为１.３％，误差函数如表X/2√Dt与erf(x/2√Dt)的对应值X/2√Dterf(x/2√Dt)X/2√Dterf(x/2√Dt)X/2√Dterf(x/2√Dt)0.00.00000.70.67781.40.95230.10.11250.80.74211.50.96610.20.22270.90.79691.60.97630.30.32861.00.82471.70.98380.40.42841.10.88021.80.9891IIIT2T1图10.50.52051.20.91031.90.99280.60.60391.30.93402.00.99533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？为什么？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。4原子扩散在材料中的应用（晶体凝固时形核、长大；合金的成分过冷；成分均匀化，包晶组织的特点，固态相变时的形核（晶界形核、晶界运动、晶界平直、晶界偏聚、马氏体转变、高温蠕变），氧化，焊接，化学热处理（渗C、N等），粉末冶金，涂层。）5对0.1%C的钢进行渗碳，渗碳时钢件表面碳浓度保持为1.2%C，若要求在其表面下2mm处渗碳后碳含量为0.45%，已知D=2×10-11m2/s，R=8.314J/mol.k，求（1）渗碳所需时间（2）要将渗碳厚度增加1倍，问渗碳时间需延长多少？X/2√Dt与erf(x/2√Dt)的对应值X/2√Dterf(x/2√Dt)X/2√Dterf(x/2√Dt)X/2√Dterf(x/2√Dt)0.00.00000.70.67781.40.95230.10.11250.80.74211.50.96610.20.22270.90.79691.60.97630.30.32861.00.82471.70.98380.40.42841.10.88021.80.98910.50.52051.20.91031.90.99280.60.60391.30.93402.00.99536.如Fe-O相图（图2）所示，将纯Fe置于炉内加热将被氧化，由图试回答：试画出画出示意图，1铁—氧于1000反应扩散后可生成哪些相？2绘出纯Fe板由外向里在温度1000℃扩散过程中扩散层的组织与氧浓度分布曲线。3如要氧化层中不出现FeO，其加热温度控制在多少度。4.预测其显微组织图中有几种不同相及界面。图2图37纯铁于850℃渗碳时，在渗碳层组织中为何不形成+两相区？8碳在-Fe中扩散时，Do=2.0×10-5cm2/sec，Q=140×103J/mol，R=8.314J/mol.k，试计算出927℃时碳在铁中的扩散系数。9把一块纯铁放在N（氮）原子供应充分的炉中，加热到T1温度进行渗N，经长时间保温后出炉冷却。试根据Fe-N相图（见图3）绘出铁的表层组织和N的浓度分布示意图。10Ni溶于-Fe，Pb不溶于-Fe，铁制品能否在较高温度下镀Ni或镀Pb？为什么？11碳在-Fe中的扩散系数D927=16.1×10-12m2/s，D870=7.99×10-12m2/s，渗碳层的厚度和浓度一定，在927渗碳时需要10小时，试计算在870时渗碳时需要多少时间？12一块厚度为d的薄板，在T1温度下两侧的浓度分别保持为C1和C0（C1C0）当扩散达到平衡后绘出a，b，c三条件下的C-X曲线，并回答问题da扩散系数为常数；b扩散系数随浓度增加而增加；c扩散系数随浓度增加而减小；d求情况a距离高浓度一侧d/3处的浓度。14讨论锌在铜中形成的固溶体的均匀化1已知Zn在Cu中扩散时D0=2.1x10-5m2/s，Q=171x103J/mol，求815时Zn在Cu中的扩散系数；2若最大成分偏差为５％Zn，含Zn最低区与最高区的距离为0.1mm，试用方程式C=Cmsin(Z/l)exp(2Dt/l2)计算815均匀化退火使最大成分偏差降至１％Zn所需时间；3铸造Cu-Zn均匀化退火前冷加工对均匀化过程有无影响？为什么？15试举出材料扩散的途径有哪些？16提出一种测定扩散系数D的方法。17将一块纯铁和一块共析钢(C=0.77%)对接固紧置于真空电炉740下长时保温，试绘出成分变化曲线及组织图，并解释之。18将钢板浸入450熔融锌中进行镀锌。1根据Fe-Zn相图指出450下镀层由外至里包括哪几个单相区，画出Zn%-距离曲线。2450时镀层中是否存在两相区？为什么？20在互扩散实验中，已知扩散时间t_200小时，标界移动量l_0.0144cm，互扩散系数D=10-7cm2/s，成分---距离曲线在标界面上斜率=2.0。A组元的原子百分浓度NA=0.4，求A和B两组元的扩散系数。21说明扩散规律在冶金生产过程及热处理工艺中具体应用。22渗碳为什么在-Fe中进行而不在-Fe中进行。23在870和927，两种温度渗碳时，试解决如下问题：1．计算碳在两种温度下在奥氏体中扩散系数的差值。2．870渗碳需用多长时间才能获得927渗碳10小时的渗碳厚度。24一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．渗碳温度选择低于727行否？为什么？2．渗碳温度高于1100会出现什么问题？25一置换式固溶体合金其空位迁移能为11KJ/mol，空位形成能为6KJ/mol，问：（1）在1100K的扩散系数与从1100K急冷却到800K时的扩散系数的比值是多大？（2）从1100K缓慢冷却到800K的扩散系数的比值多大。26何谓上坡扩散，举两个实例说明金属中上坡扩散现象。27已知铜在铝中扩散时DO=0.8×10-5m2/s，其扩散激活能Q=136×103J/mol.K，试计算27和527时扩散系数，并用所得数据讨论温度对扩散系数的影响。28纯Fe装入渗碳炉内进行渗碳1加热至740保温一定时间后，画出渗碳层碳含量的分布曲线。2将该渗件取出放入真空炉内重新加热至740并长时保温，达到平衡，画出其碳含量分布曲线。3在真空炉中升温至，长时保温，试画出达到平衡时碳含量分布曲线。29碳在奥氏体中扩散系数，可近似的用下式计算：D=-2×10-5exp[-140×103/RT]m2/s，R=8.31J/mol.K1．求927下渗碳层深度（由表面含碳量为0.5%处）由1mm增至2mm，时间需要增加多少倍？2．若给定时间要使渗碳层深度由1mm增加至2mm，需从927增加多高温度？30一块存在枝晶偏析的合金锭，锯成尺寸相同的两块试样，其中一块经塑性变形后，厚度为原来的6/10，随后两试样同时加热均匀化处理，试分析：（1）均匀化前冷变形对均匀化过程有无影响，理由何在？（2）如果由影响，当经塑性变形试样浓度波动振幅下降为原来的1/10时，计算另一试样深度振幅下降了多少？31有一置换式固溶体合金，其扩散激活能为11KJ/mol，空位形成能为6KJ/mol，问：1在1100K的扩散系数与从1100急剧冷却到800K的瞬时扩散系数的比值多大？2在1100K扩散系数与从1100缓慢冷却到800K后的扩散系数的比值多大？32一钢锭，其中存在锰偏析，为使其成分偏析振幅降低到1%，所需均匀化退火时间为l=0.4672/d，为缩短均匀化时间，试问：（1）铸造过程（2）均匀化前的变形（3）均匀化温度等方面，分析如何缩短均匀化时间。33根据Fe-C相图问：1画出纯Fe在800渗碳时渗碳铁棒成分—距离示意曲线。2若渗碳温度低于727能否达到渗碳目的，为什么？33一块厚度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，试画出试样从表面到心部的组织示意图。2000年上海交通大学博士考试题1.晶体滑移面上有一个位错环，在其柏氏矢量方向加切应力τ，问位错环要在晶体中稳定其最小半径为多少？2.冷加工金属中的位错密度为1010/cm2,设单位长度位错的能量为10-3erg/cm,晶界能为500erg/cm2,晶界二侧位错密度为1010/cm2及0。求金属在加热时在结晶的临界晶粒尺寸。3.面心立方金属单晶体沿[001]拉伸可有几个等效滑移系？沿[111]拉伸可有几个等效滑移系？并具体写出各滑移系的指数。4.已知三合金P(70%A,20%B,10