第十章 原子扩散

《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