《材料科学基础》第四章固体中原子即分子的运动
1.名词:
扩散扩散互扩散扩散系数互扩散系数扩散激活能扩散通量上坡扩散间隙扩散空位扩散原子迁移界面扩散表面扩散柯肯达尔效应反应扩散稳态扩散
2.设有一条内径为30mm的厚壁管道，被厚度为0.1mm的铁膜隔开，通过管子的一端向管内输入氮气，以保持膜片一侧氮气浓度为1200mol/m)而另一侧的
I气浓度为100 mol/m3,如在700C下测得通过管道的氮气流量为2.8xl0-8mol/s,
求此时氮气在铁中的扩散系数。
解：通过管道中铁膜的氮气通量为
J = J* ‘°——=4.4x 10 "mol/(m'・s)
jx (0.03)2
膜片两侧氮浓度梯度为：一萱二'2()()-l()() = U x]0_7m〃〃秫
Ax 0.0001
据Fick's First Law : J = -D^- n。= ------------ -- = 4xl0-,,m2Is
ox Ac / Ax
3.有一-硅单晶片，厚0.5mm,其一端面上每10’个硅原子包含两个像原子，另一个端面经处理后含镣的浓度增高。试求在该面上每个硅原子须包含儿个像原子，才能使浓度梯度成为2xl°26atoms/m3,硅的点阵常数为0.5407nm。
4. 950°C下对纯铁进行渗碳，并希望在0.1mm的深度得到Wi(C)=0.9%的碳含量。
假设表面碳含量保持在IA/2(C)=1.20%,扩散系数为D -Fe=1010m2/s,计算为达
到此要求至少要渗碳多少时间。
5.在-•个富碳的环境中对钢进行渗碳，可以硬化钢的表面。己知在1000°C下进行这种渗碳热处理,距离钢的表面l-2mm处，碳含量从x= 5%减到x=4%。
估计在近表面区域进入钢的碳原子的流人量J (atoms/m2s)o (y・Fe在1000°C的密度为7.63g/cm',碳在y-Fe • | •的扩散系数D o=2.0xl0'5m2/s,激活能Q= 142kJ/mol)o
£> = 2X10-11 折
公
8.为什么钢铁零件渗碳温度
般要选择在Y ・Fe 相区中进行？若不在Y 相区进
6.有两种激活能分别为Qi = 83.7kJ/mol 和Q2 = 251kJ/mol 的扩散反应。观察在温 度从25°C 升高到600°C 时对这两种扩散的影响，并对结果进行评述。
7.对碳的质量分数为0.1%的钢进行渗碳，渗碳时钢件表面碳的质量分数保持为
1.2% ,要求在其表面以下2mm 处碳的质量分数为0.45% ,若
,求渗碳所需的时间，若想将渗碳厚度增加一倍，需多少
渗碳时间?
行会有什么结果? 答：因a-Fe 中的最大碳熔解度(质量分数)只有0.0218% ,对于含碳质量分数大 于0.0218%的钢铁在渗碳时零件中的碳浓度梯度为零，渗碳无法进行，即使是 纯铁，在a 相区渗碳时铁中浓度梯度很小，在表也不能获得高含碳层；另外，由 于温度低，扩散系数也很小，渗碳过程极慢，没有实际意义。v-Fe 中的碳 度高，渗碳时在表层可获得较高的碳浓度梯度使渗碳顺利进行。
N £> _ b
9.指明菲克第二定律 众 3 的适用条件。
1。.己知铜在铝中扩散时，久=0-g 】0**, 2=136X193"
计算27°C 及527°C 时的扩散系数，并用所得数据讨论温度对扩散系数的影响。
11. 一块含0.1%C 的碳钢在930C 渗碳，渗到0.05cm 的地方碳的浓度达到0.45%o 在t>0的全部时间，渗碳气氛保持表面成分为1% ,假设
=2.0xl05exp(-140000/RT) (m 2/s),
(a) 计算渗碳时间；
(b) 若将渗层加深一倍，则需多长时间？
(c) 若规定0.3%C 作为渗碳层厚度的量度，则在930°C 渗碳10小时的渗层厚度为 870°C 渗碳10小时的多少倍?
12.设纯格和纯铁组成扩散偶，扩散lh 后,Matan 。平面移动T 1.52xl0 3cmo 已知摩
尔分数x C r=0.478时，=126/m（z为扩散距离），互扩散系数=1.43xlO 9 m2/s,试求Matano面的移动速度和铭、铁的本征扩散系数D Cr, D Fe（实验测得Mata面移动距离的平方与扩散时间之比为常数）。
13.根据实际测定IgD和i的关系图，计算单晶体银和多晶体银在低于700 °C 温度范围的扩散激活能，并说明二者扩散激活能差异的原因.
