正文描述:《第十章 原子扩散》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、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
2、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()0.00.00000.70.67781.40.95230.10.11250.80.74211.50.96610.20.22270.90.79691.60.97630.30.32861.00.82471.70.98380.40.42841.10.88021.80.98910.50.52051.20.91031.90.99280.60.60391.30.93402.00.99534一块厚度10毫米,含
3、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?2)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
4、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
5、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
6、)/(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.
7、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:故可以
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