材料科学基础第3章课后习题答案（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

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，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。

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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。

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