第四章-扩散

第四章--扩散

1．在恒定源条件下820℃时，钢经1小时的渗碳，可得到一定厚度的表面渗碳层，若在同样条件下．要得到两倍厚度的渗碳层需要几个小时?

2．在不稳定扩散条件下800℃时，在钢中渗碳100分钟可得到合适厚度的渗碳层，若在1000℃时要得到同样厚度的渗碳层，需要多少时间（D 0=2.4×10-12m 2／

sec ：D 1000℃=3×10-11m 2／sec ）?

4．在制造硅半导体器体中，常使硼扩散到硅单品中，若在1600K 温度下．保持硼在硅单品表面的浓度恒定(恒定源半无限扩散)，要求距表面10-3cm 深度处硼的浓度是表面浓度的一半，问需要多长时间（已知D1600℃=8×10-12cm 2/sec ；当5.02=Dt x

erfc 时，5

.02≈Dt x ）？

5．Zn2+在ZnS 中扩散时，563℃时的扩散系数为3×10-14cm2/sec;450℃时的扩散系数为1.0×10-14cm2/sec ，求：

1）扩散的活化能和D 0；

2）750℃时的扩散系数。

6．实验册的不同温度下碳在钛中的扩散系数分别为2×10-9cm2/s(736℃)、5×10-9cm2/s(782℃)、1.3×10-8cm2/s(838℃)。

a)请判断该实验结果是否符合)exp(0RT G D D ∆-=，

b)请计算扩散活化能（J/mol ℃），并求出在500℃时的扩散系数。

7．在某种材料中，某种粒子的晶界扩散系数与体积扩散系数分别为Dgb=2.00×10-10exp （-19100/T ）和Dv=1.00×10-4exp(-38200/T)，是求晶界扩散系数和温度扩散系数分别在什么温度范围内占优势？

8. 能否说扩散定律实际上只要一个，而不是两个？

9. 要想在800℃下使通过α－Fe 箔的氢气通气量为2×10-8mol/(m 2·s),铁箔两侧氢浓度分别为3×10-6mol/m 3和8×10-8 mol/m 3，若D=2.2×10-6m 2/s,试确定：

（1） 所需浓度梯度；

（2） 所需铁箔厚度。

10. 在硅晶体表明沉积一层硼膜，再在1200℃下保温使硼向硅晶体中扩散，已知其浓度分布曲线为

)4ex p(2),(2

Dt x DT M

t x c -=π

若M=5×1010mol/m2,D=4×10-9m2/s;求距表明8μm处硼浓度达到1.7×1010 mol/m3所需要的时间。

11. 若将钢在870℃下渗碳，欲获得与927℃下渗碳10h相同的渗层厚度需多少

时间（忽略927℃和870℃下碳的溶解度差异）？若两个温度下都渗10h，渗层厚度相差多少？

12. Cu－Al组成的互扩散偶发生扩散时，标志面会向哪个方向移动？

14. 将一根高碳钢长棒与纯铁棒对焊起来组成扩散偶，试分析其浓度分布曲线随时间的变化规律。

15. 为什么钢铁零件渗碳温度一般要选择γ相区中进行？若不在γ相区进行会有

什么结果？

16. 指出以下概念中的错误。

（1）如果固溶体中不存在扩散流，则说明原子没有扩散。

（2）因固体原子每次跳动方向是随机的，所以在没有任何扩散情况下扩散通量为零。

（3）晶界上原子排列混乱，不存在空位，所以空位机制扩散的原子在晶界处无法扩散。

（4）间隙固溶体中溶质浓度越高，则溶质所占的间隙越多，供扩散的空余间隙越少，即z值越小，导致扩散系数下降。

（5）体心立方比面心立方的配位数要小，故由

2

6

1

fzPa

D

关系式可见，α

－Fe中原子扩散系数要小于γ－Fe中的扩散系数。

14. 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？

15. 有两种激活能分别为E1=83.7KJ/mol和E2=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，并对结果作出评述。

16. 回答以下问题

1）扩散过程一定需要有浓度梯度存在吗？扩散一定是原子从浓度高处向浓度低处流动吗？

2）原始成分w(C)=0.2%的碳钢，在950°C 渗碳气氛中渗碳，距表面0.5mm 处碳浓度达到w(C)=0.8%需要保温多长时间？（在此温度碳的扩散系

数为-11 m2/s，工件尺寸比0.5mm 大得多，工件可视为

无限大）

3）在500°C 和600°C 下Cu 在Al 中的扩散系数分别为-14 m2/s 和-13 m2/s。问在600°C 扩散获得与500°C 扩散10

小时大约相同的效果，应该保温多长时间？

4）Kirkendall 效应说明什么问题？为什么Kirkendall 效应能间接证明扩散机制是原子与空位换位机制？

5）为什么换发生上坡扩散？在什么条件下会发生上坡扩散？

6）扩散系数近似看作与浓度无关时，扩散方程通常有哪几种解？它们各自使用的条件是什么？

7）说明间隙原子扩散与置换原子扩散的扩散激活能含义的区别。

8）为什么刚从高温淬火到某一低温的金属的扩散系数要比原来放置在此温度的金属的扩散系数大很多？

9）为什么多晶体的扩散系数比单晶体的扩散系数大？它们之间的差异在低温大些还是在高温时大些？为什么？

10）离子晶体中扩散有哪些不同与金属晶体扩散的特点？