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中南大学材料科学基础题库及答案扩散

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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。

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，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。 表10－1 与erf()的对应值

erf() erf() erf()

0.0 0.0000 0.7 0.6778 1.4 0.9523

0.1 0.1125 0.8 0.7421 1.5 0.9661

0.2 0.2227 0.9 0.7969 1.6 0.9763

0.3 0.3286 1.0 0.8247 1.7 0.9838

0.4 0.4284 1.1 0.8802 1.8 0.9891

0.5 0.5205 1.2 0.9103 1.9 0.9928 总原子数扩散走的原子NNVDtx2Dtx2Dtx2Dtx2Dtx2Dtx2Dtx2Dtx20.6 0.6039

1.3 0.9340 2.0 0.9953

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=0.0198cm2。

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： 故可以列出一些典型的渗碳温度与时间如下：

T＝900℃=1173K，则t=116174s=32.3h；

T＝1000℃=1273K，则t=36360s=10.7h；

T＝1100℃=1373K，则t=14880s=4.13h；

T＝1200℃=1473K，则t=6560s=1.82h。

可以根据上述温度与时间的关系，考虑合金相变和加热炉、生产效率进行合理选择，一般以1000℃左右较为合适。

2）在渗碳温度和其它条件不变的情况下，要求渗碳深度增加一倍，由1）可知有关系存在，可以解得t＝42.7h；

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-Fe中进行而不在-Fe中进行，即渗碳温度选择要高于727 ，为什么？

2) 渗碳温度高于1100 会出现什么问题？

答：1）渗碳在-Fe中进行而不在-Fe中进行，渗碳温度要高于727 ，是因为-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-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1100 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。 ）（DtXerfCCCCSXS40）（Dterf42.01.02.145.02.168.0)Dt 1.0( erf71.0Dt 1.0) T16588-exp(0861.0) .s (cm D )cm(0198.0t22）（Dterf44.01.02.145.02.1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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湖南大学《材料科学基础》考研核心题库及答案

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Test of Fundamentals of Materials Science

材料科学基础试题库

湖南大学材料科学与工程学院

2 一、填空题

0001.烧结过程的主要传质机制有_____、_____、_____ 、_____，当烧结分别进行四种传质时，颈部增长x/r与时间t的关系分别是_____、_____、_____ 、_____。

0002.晶体的对称要素中点对称要素种类有_____、_____、_____ 、_____ ，含有平移操作的对称要素种类有_____ 、_____ 。

0003.晶族、晶系、对称型、结晶学单形、几何单形、布拉菲格子、空间群的数目分别是 _____、_____ 、_____ 、_____ 、_____ 、_____ 。

0004.晶体有两种理想形态，分别是 _____和 _____。

0005.晶体是指内部质点 排列的固体。

0006.以NaCl晶胞中（001）面心的一个球（Cl-离子）为例，属于这个球的八面体空隙数为 ，所以属于这个球的四面体空隙数为 。

0007.与非晶体比较晶体具有自限性、 、 、 、 和稳定性。

0008.一个立方晶系晶胞中，一晶面在晶轴X、Y、Z上的截距分别为2a、1/2a 、2/3a，其晶面的晶面指数是 。

0009.固体表面粗糙度直接影响液固湿润性，当真实接触角θ 时，粗糙度越大，表面接触角 ，就越容易湿润；当θ ，则粗糙度 ，越不利于湿润。

0010.硼酸盐玻璃中，随着Na2O（R2O）含量的增加，桥氧数 ，热膨胀系数逐渐下降。当Na2O含量达到15%—16%时，桥氧又开始 ，热膨胀系数重新上升，这种反常现象就是硼反常现象。

2013中南大学远教马克思概论基础题库及答案(两套)

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1 一. 单选题 （共40题,共40分）

1. 空想社会主义“提供了启发工人觉悟的极为宝贵的材料”，但不具备( ) （1分）

A.科学的品格

B.实践的力量

C.现实的意义

D.科学的和实践的品格

★标准答案：D

☆考生答案：

★考生得分：0 分 评语：

2. 人类社会发展的一般规律是( ) （1分）

A.生产方式内部的矛盾规律

B.生产力和生产关系、经济基础和上层建筑之间的矛盾运动规律

C.社会存在和社会意识的矛盾规律

D.物质生产和精神生产的矛盾规律

★标准答案：B

☆考生答案：

★考生得分：0 分 评语：

3. 恩格斯认为，全部哲学、特别是近代哲学的重大的基本问题是( ) （1分）

A.哲学与人类生存活动之间的内在联系问题

B.人与周围世界的基本联系问题

C.思维和存在的关系问题

D.关于人的本质问题 2

★标准答案：C

☆考生答案：

★考生得分：0 分 评语：

4. 人类进入21世纪，英国广播公司在全球范围内进行“千年思想家”网评，名列榜首的是( ) （1分）

A.马克思

B.爱因斯坦

C.达尔文

D.牛顿

★标准答案：A

☆考生答案：

★考生得分：0 分 评语：

5. 美国波音747客机的600万个零部件由美国及另外6个国家的1200

多家企业提供，这是( ) （1分）

A.商品国际化的表现

B.生产全球化的表现

C.贸易全球化的表现

D.资本全球化的表现

★标准答案：B

☆考生答案：

★考生得分：0 分 评语：

6. 资本主义进入到垄断阶段后垄断和竞争的关系是( ) （1分）

A.垄断消灭了竞争 3 B.垄断凌驾于竞争之上与之并存

C.竞争凌驾于垄断之上

D.垄断缓和了竞争

★标准答案：B

☆考生答案：

材料科学基础扩散题库及答案

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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，故

V＝（6.16×1013Ni原子/s）/（8.57×1022原子/cm3）＝0.72×10－9cm3/s，

(中南大学)材料科学基础真题2003年_真题-无答案

(中南大学)材料科学基础真题2003年_真题-无答案

(中南大学)材料科学基础真题2003年

(总分150,考试时间90分钟)

填空

1. FCC结构的密排方向是______，密排面是______，密排面的堆垛顺序是______，致密度为______，配位数是______，晶胞中原子数为______，把原子视为半径为r的刚性球时，原子的半径和点阵常数a的关系为______。

2. 形成有序固溶体的必要条件是：______、______、______。

3. 无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是：强度和硬度______，塑性______，导电性______。

4. Fe-Fe3C相图中含碳量小于______为钢，大于______为铸铁；铁碳合金室温平衡组织均由______和______两个基本相组成；奥氏体其晶体结构是______，合金平衡结晶时，奥氏体的最大含碳量是______；珠光体的含碳量是______；莱氏体的含碳量为______；在常温下，亚共析钢的平衡组织是______，过共析钢的平衡组织是______；Fe3CⅠ是从______中析出的，Fe3CⅡ是从______中析出的，Fe3CⅢ是从______中析出的，它们的含碳量为______。

5. 下图为简单立方点阵晶胞，其中ABC面的面指数是______，A的晶向指数是______。

6. 下图是A-B-C三元系成分三角形的一部分，其中X合金的成分是______。

简答

1. 晶带和晶带轴；

2. 柱状晶和等轴晶；

3. 包析反应和共析反应；

4. 割阶和扭折；

5. 冷加工与热加工。

论述题

1. 1．试根据凝固理论，分析通常铸锭组织的特点。

2．根据冷却速度对金属组织的影响，现要获得非晶，亚稳相，请指出其凝固时如何控制。

3．试说明在正温度梯度下为什么固溶体合金凝固时可以呈树枝状方式成长，而纯金属则得不到树枝状晶。

2. Al-Cu相图的局部如图所示。