原子扩散习题与答案汇编

第十章原子扩散

本章主要内容：

扩散第一定律

扩散第二定律，第二定律的解及应用实例

柯肯达尔效应

扩散的微观机理：扩散机制，高扩散率通道

扩散热力学：驱动力，反应扩散

影响扩散的因素

扩散的应用实例

1 填空

1 扩散系数的单位是_____________________________________________，扩散系数D的物理意义是__________________________________。

2 上坡扩散是指_______________________________________________，反应扩散是指______________________________________________。

3 扩散系数与温度之间关系的表达式为_____________________________________。

4 三元系的扩散层中不可能出现_____________________混合区。

5 空位扩散需具备的条件是（1）_________________，（2）______________。间隙扩散需具备的条件是_________________________。

6 互扩散系数D______________________________________。

7 置换式固溶体晶内扩散的主要机制是_____________，而间隙固溶体晶内扩散的主要机制是_________________。

8 扩散驱动力_____________________，再结晶驱动力_______________________，晶粒长大驱动力_______________________。

9 扩散第一定律表达式____________________________，扩散第二定律表达式___________________________。

10 扩散通量J的单位是____________________。

2 判断

1 金属的自扩散激活能等于（）

A空位形成能和迁移激活能的总和 B 空位的形成能C空位的迁移能

2 晶界扩散比晶内扩散速率（）

A 大

B 小

C 相等

3 固溶体中扩散的驱动力是___________。

A温度梯度B组元的浓度梯度C组元的化学势剃度

4 扩散通量J的大小，是指单位时间内通过任何截面的流量。（）

5 氮在奥氏体中溶解度大，表明氮在奥氏体中扩散速度比铁素体中快。（）

6 如图1（AB二元相图），有一合金III ，从T1温度淬火至室温，然后再加热至T2温度时效，在时效时所产生的扩散过程，其( )

A ∂2G/∂C2>0

B ∂2G/∂C2=0

C ∂2G/∂C2<0

7 上坡扩散J 与dc/dx 方向（ ）：A 一致， B 相反， C 垂直 8 扩散系数D 只决定于晶体结构。（ ）

9 氮在奥氏体中溶解度大，表明氮在奥氏体中扩散速度比在铁素体中快。（ ） 10 扩散永远是由高浓度向低浓度方向进行。（ ） 11 反应扩散只受反应速度控制。（ ） 12 可以说扩散定律实际上只有一个。（ ）

13 扩散通量J 的大小，是指单位时间内通过任何截面的流量。（ ） 14 扩散第一定律仅适用于稳态扩散。（ ） 15 扩散激活能越大，扩散速度越快。（ ）

16 只要合金中存在浓度梯度就一定会发生扩散。（ ）

17 纯铁在渗碳过程的扩散中，铁原子的扩散是不可忽略的。（ ） 18 间隙溶质原子的扩散系数，低于置换溶质原子的扩散系数。（ ） 3 名词

扩散通道，反应扩散，克肯达尔效应，间隙扩散，扩散激活能 化学势梯度，扩散通量，上坡扩散和下坡扩散，扩散系数

4 问答

1 简要说明影响扩散系数的因素。

2 已知碳在奥氏体中扩散系数D=2×10-5exp(-140×103/RT)m 2/s ，问

1 计算在927℃时碳在奥氏体中的扩散系数。

2 在９２７ε 时使试样1mm 处深度处碳浓度达到０.５％所需时间。

已知试样为纯铁，R=8.314J/mol.k ，由相图知在９２７ε 时碳在奥氏体中最大溶解度为１.３％，误差函数如表

X/2√Dt 与erf(x/2√Dt)的对应值

X/2√Dt erf(x/2√Dt) X/2√Dt erf(x/2√Dt) X/2√Dt erf(x/2√Dt)

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

III

T2

T1

图1

0.5

0.5205 1.2 0.9103 1.9 0.9928

0.6 0.6039 1.3 0.9340 2.0 0.9953

3 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？为什么？

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。

4 原子扩散在材料中的应用

（晶体凝固时形核、长大；合金的成分过冷；成分均匀化，包晶组织的特点，固态相变时的形核（晶界形核、晶界运动、晶界平直、晶界偏聚、马氏体转变、高温蠕变），氧化，焊接，化学热处理（渗C、N等），粉末冶金，涂层。）

5 对0.1%C的钢进行渗碳，渗碳时钢件表面碳浓度保持为1.2%C，若要求在其表面下2mm 处渗碳后碳含量为0.45%，已知D=2×10-11m2/s，R=8.314J/mol.k，求

（1）渗碳所需时间

（2）要将渗碳厚度增加1倍，问渗碳时间需延长多少？

X/2√Dt与erf(x/2√Dt)的对应值

X/2√Dt erf(x/2√Dt) X/2√Dt erf(x/2√Dt) X/2√Dt erf(x/2√Dt)

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

0.6 0.6039 1.3 0.9340 2.0 0.9953

示意图，

1 铁—氧于1000 反应扩散后可生成哪些相？

2 绘出纯Fe板由外向里在温度1000℃扩散过程中扩散层的组织与氧浓度分布曲线。

3如要氧化层中不出现FeO，其加热温度控制在多少度。

4. 预测其显微组织图中有几种不同相及界面。

图2

图3