《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 自扩散 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/m3，而另一侧的氮气浓度为100 mol/m3，如在700℃下测得通过管道的氮气流量为2.8×10-8mol/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
J2.810444.4104mol/(m2s)
(0.03)2 膜片两侧氮浓度梯度为：c12001001.1107mol/m x0.0001cJ据Fick’s First Law： JDD41011m2/s
xc/x
3. 有一硅单晶片，厚0.5mm，其一端面上每107个硅原子包含两个镓原子，另一个端面经处理后含镓的浓度增高。试求在该面上每107个硅原子须包含几个镓原子，才能使浓度梯度成为2×1026 atoms/m3，硅的点阵常数为0.5407nm。
4. 950℃下对纯铁进行渗碳，并希望在0.1mm的深度得到w1(C)=0.9%的碳含量。假设表面碳含量保持在w2(C)=1.20%，扩散系数 为Dɤ−Fe=10-10m2/s，计算为达到此要求至少要渗碳多少时间。
5. 在一个富碳的环境中对钢进行渗碳，可以硬化钢的表面。已知在1000℃下进行这种渗碳热处理，距离钢的表面1-2mm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）。(γ-Fe在1000℃的密度为7.63g/cm3，碳在γ-Fe中的扩散系数Do＝2.0×10-5 m2/s，激活能Q＝142kJ/mol)。
6. 有两种激活能分别为Q1＝83.7kJ/mol和Q2＝251kJ/mol的扩散反应。观察在温度从25℃升高到600℃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？
8. 为什么钢铁零件渗碳温度一般要选择在γ-Fe相区中进行？若不在γ相区进行会有什么结果？
答：因α-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α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。γ-Fe中的碳固溶度高，渗碳时在表层可获得较高的碳浓度梯度使渗碳顺利进行。
9.指明菲克第二定律
10. 已知铜在铝中扩散时，
,
,
的适用条件。
计算27℃及527℃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930℃渗碳，渗到0.05cm的地方碳的浓度达到0.45%。在t>0的全部时间，渗碳气氛保持表面成分为1%，假设 =2.0×10-5exp(-140000/RT) (m2/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℃渗碳10小时的渗层厚度为870℃渗碳10小时的多少倍？
12. 设纯铬和纯铁组成扩散偶，扩散1h后，Matano平面移动了1.52×10-3cm。已知摩尔分数xCr＝0.478时， ＝126/m(z为扩散距离)，互扩散系数 ＝1.43×10-9 m2/s，试求Matano面的移动速度和铬、铁的本征扩散系数DCr，DFe (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lg D和 T 的关系图，计算单晶体银和多晶体银在低于700 ℃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.
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