《材料科學基礎》第四章習習題

1、材料科學基礎第四章 固體中原子即分子的運動1.名詞:擴散 自擴散 互擴散 擴散系數(shù) 互擴散系數(shù) 擴散激活能 擴散通量 上坡擴散 間隙擴散 空位擴散 原子遷移 界面擴散 表面擴散 柯肯達爾效應 反應擴散 穩(wěn)態(tài)擴散 2. 設有一條內徑為30mm的厚壁管道，被厚度為的鐵膜隔開，通過管子的一端向管內輸入氮氣，以保持膜片一側氮氣濃度為1200mol/m3，而另一側的氮氣濃度為100 mol/m3，如在700下測得通過管道的氮氣流量為×10-8mol/s，求此時氮氣在鐵中的擴散系數(shù)。 解：通過管道中鐵膜的氮氣通量為 膜片兩側氮濃度梯度為：據(jù)Ficks First Law： 3. 有一硅單晶片，厚

2、，其一端面上每107個硅原子包含兩個鎵原子，另一個端面經(jīng)處理后含鎵的濃度增高。試求在該面上每107個硅原子須包含幾個鎵原子，才能使?jié)舛忍荻瘸蔀?×1026 atoms/m3，硅的點陣常數(shù)為。 4. 950下對純鐵進行滲碳，并希望在的深度得到w1(C)=%的碳含量。假設表面碳含量保持在w2(C)=%，擴散系數(shù) 為DFe=10-10m2/s，計算為達到此要求至少要滲碳多少時間。5. 在一個富碳的環(huán)境中對鋼進行滲碳，可以硬化鋼的表面。已知在1000下進行這種滲碳熱處理，距離鋼的表面1-2mm處，碳含量從x 5減到x4。估計在近表面區(qū)域進入鋼的碳原子的流人量J（atoms/m2s）。(-Fe

3、在1000的密度為cm3，碳在-Fe中的擴散系數(shù)Do×10-5 m2/s，激活能Q142kJ/mol)。6. 有兩種激活能分別為Q1mol和Q2251kJ/mol的擴散反應。觀察在溫度從25升高到600時對這兩種擴散的影響，并對結果進行評述。 7. 對碳的質量分數(shù)為%的鋼進行滲碳，滲碳時鋼件表面碳的質量分數(shù)保持為%，要求在其表面以下2mm處碳的質量分數(shù)為%，若 ，求滲碳所需的時間，若想將滲碳厚度增加一倍，需多少滲碳時間8. 為什么鋼鐵零件滲碳溫度一般要選擇在-Fe相區(qū)中進行若不在相區(qū)進行會有什么結果 答：因-Fe中的最大碳熔解度(質量分數(shù))只有，對于含碳質量分數(shù)大于的鋼鐵在滲碳時零件

4、中的碳濃度梯度為零，滲碳無法進行，即使是純鐵，在相區(qū)滲碳時鐵中濃度梯度很小，在表也不能獲得高含碳層；另外，由于溫度低，擴散系數(shù)也很小，滲碳過程極慢，沒有實際意義。-Fe中的碳固溶度高，滲碳時在表層可獲得較高的碳濃度梯度使?jié)B碳順利進行。9.指明菲克第二定律的適用條件。 10. 已知銅在鋁中擴散時，, ,計算27及527時的擴散系數(shù)，并用所得數(shù)據(jù)討論溫度對擴散系數(shù)的影響。11. 一塊含%C的碳鋼在930滲碳，滲到的地方碳的濃度達到%。在t>0的全部時間，滲碳氣氛保持表面成分為1%，假設 =×10-5exp(-140000/RT) (m2/s)，(a) 計算滲碳時間；(b) 若將滲層加深一倍，則需多長時間(c) 若規(guī)定%C作為滲碳層厚度的量度，則在930滲碳10小時的滲層厚度為870滲碳10小時的多少倍 12. 設純鉻和純鐵組成擴散偶，擴散1h后，Matano平面移動了×10-3cm。已知摩爾分數(shù)xCr時， 126/m(z為擴散距離)，互擴散系數(shù) ×10-9 m2/s，試求Matano面的移動速度和鉻、鐵的本征擴散系數(shù)DCr，DFe (實驗測得Mata面移動距離的平方與擴散時間之比