材科基考点强化(第5讲 扩散).docx

主要考点考点 1：菲克第一定律考点 2：菲克第二定律考点 3：影响扩散速率的因素考点 4：扩散机制考点 5：上坡扩散考点 6：反应扩散考点 7：柯肯达尔效应考点 8：综合考点 1：菲克第一定律例 1 （名词解释）：稳态扩散例 2 ：写出菲克第一定律的数学表达式，并注明表达式中各参量的含义及单位例 3 ：扩散第一定律的应用条件是什么？对于浓度梯度随时间变化的情况，能否应用用扩散第一定 律？答：扩散第一定律应用条件为稳态扩散，即质量浓度不随时间而变化非稳态扩散情况下通常也可 应用扩散第一定律，但必须进行修正使之大致符合直线的情况下才可使用考点 2：菲克第二定律例1：考虑扩散系数为常量的半无限的一维扩散，保持扩散源的浓度为C不变；保持扩散介质中扩 2散物质的初始浓度为C，且均匀分布这时扩散介质中扩散物质的浓度随扩散时间和扩散距离的变 1化可用下式来表示（ ）A．C(x, t )= ；21 - expB．C (x, t )= C + (C11-C )11 - exp丄1112珅Dt丿」C．C (x, t )=C - C C - C1 2 + 1 2221 - exp亠11< 2 JDt 丿］w = 1.0%，并将工件中碳浓度为w = 0.4%处至表面的距离x定义为渗碳层深度。

已知渗碳1h 后, CC渗碳层深度为0.12mm,若要求渗碳层深度达到0.48mm,计算共需渗碳多长时间例2：已知碳在丫-Fe中的扩散常数D = 2.0x 10-5 m2/s，扩散激活能Q = 140x 103j/mol，要想得到与 在927°C时渗碳10h的相同厚度，则在870°C渗碳需要多长时间？（忽略不同温度下碳在丫-Fe中溶解 度的不同）xerf(x)xerf(x)xerf(x)001.00.84272.00.99530.20.2271.20.91032.20.99810.40.42841.40.95232.40.99930.60.60391.60.97632.60.99980.80.74211.80.98912.80.9999例3：生产中，在930C对20号钢零件进行气体渗碳，渗碳碳势为1.2%，零件的技术要求是渗碳层 含碳量不低于0.6%1）渗碳2h后，估算渗碳层的深度？ （2）若要求渗碳层的深度达到0.5mm, 渗碳时间应为多少小时？（930°C时碳在丫-Fe中的扩散系数为16x 10-12m2/s ）例4：碳质量分数w = 0.2%的低碳钢工件在920C进行表面气体渗碳，工件表面碳浓度始终保持为 C材料科学基础知识精要与真题详解例5：为改善钛合金的切削加工性能，研制了一种新加工工艺：渗氢处理 +机械加工+脱氢处理。

已 知某钛合金构件在800°C真空脱氢1小时其距表面0.05mm处的性能符合规定要求为进一步降低该 构件的热处理变形，拟将该合金构件在700C处理，问处理多少时间在距表面0.1mm处将达到上述 相同规定要求？并分析氢在钛合金中的扩散能力设氢在该钛合金的扩散激活能为16.62KJ/mol,扩 散常数 D0=8x 10—icm2/s考点 3：影响扩散速率的因素例 1（名词解释）：扩散激活能例 2（解释名词）：扩散系数例 3： “升高温度将加快原子的扩散，其原因主要是温度的升高降低了扩散激活能 ”试问此判断正确 与否，为什么？例 4：杂质掺杂从哪几个方面影响扩散系数？例 5：固态金属中原子扩散的最快路径是（ ）A. 晶内扩散 B.晶界扩散C •位错扩散 D •表面扩散例 6：扩散系数与温度的关系式是 在高温阶段和低温阶段，扩散系数较大的是 例 7：碳在铁素体及奥氏体中的扩散系数为什么存在很大的区别？例 8：常通过向钢的表层深入某些原子来改善钢的表面性能，试问若分别向钢的表层渗入碳原子和 铬原子，在相同的试渗工艺下，哪一种原子的渗入深度更大，为什么？例 9：有两块化学成分相同的固溶体合金，一块未经塑性变形，一块经过了冷塑性变形。

试问溶质 原子在那一块合金中的扩散更为容易，为什么？例10： （1）已知Zn在Cu中扩散时，扩散系数D = 2.1 x 10-5m2/s ,激活能Q = 1.7 x 105J/mol,求820C 时在中的扩散系数；（2）讨论影响金属材料扩散的因素考点 4：扩散机制例：在铁的晶体中固溶有碳原子和镍原子，问在同一温度下，碳原子和镍原子各以什么机制进行扩 散，为什么？其中哪一种原子具有更大的扩散系数，为什么？考点 5：上坡扩散例 1（名词解释）：上坡扩散例 2：上坡扩散产生的原因分析考点 6：反应扩散例 1（名词解释）：反应扩散例2：碳质量分数为0.1%的低碳钢工件，置于碳质量分数为1.2%的渗碳气氛中，在920C下进行渗 碳，通常渗碳数小时后即可达到工艺要求1）画出：①渗碳结束时；②渗碳结束后缓慢冷却至室 温时，这两种情况下工件表层至心部平衡组织示意图；（2）试说明在渗碳温度不变的前提下，要使 工件达到相同的渗碳层深度，可采取哪些措施减少渗碳时间？例3：纯铁在950C渗碳，表面浓度达到0.9%C，缓慢冷却后，重新加热到800C继续渗碳，试列出: （1）达到800C时，工件表面到心部的组织分布区域示意图；（2）在800C长时间渗碳后（碳气氛为1.5%C）,工件表面到心部的组织分布区域示意图，并解释组织形成的原因；（3）在800C长时间 渗碳后缓慢冷却至室温的组织分布区域示意图。

例4：纯铁试样在800C进行气体渗碳，已知表层已出现新相Y，设与a相平衡的y相的碳浓度为C2, 与Fe3C平衡的y相的碳浓度为C3,与Y相平衡的a相的碳浓度为C1，若渗碳t小时，试画出渗碳温 度下的碳浓度分布曲线及试样由表面至心部的组织示意图；若渗碳后缓冷，请画出室温下的组织示 意图考点 7：柯肯达尔效应例 1：置换扩散与间隙扩散的扩散系数有何不同？在扩散偶中，如果是间隙扩散，是否会发生柯肯达尔效应？为什么？例2：在柯肯达尔扩散实验中，一个二元系统，A组元的原子百分比浓度为0.4,两个组元的实际扩 散系数分别为D = 10-7cm2/s和D = 9 x 10—8cm2/s，在标志界面处A组元的成份随距离的变化率为AB2.0cm-1，则互扩散系数及标志移动速度分布为（ ）A. 9.6 x 10-8cm2/s 和 2 x 10-8cm/sB. 9.6 x 10 -8 cm2/s 和 1 x 10-8 cm/sC. 9.4 x 10-8cm2/s 和 2x 10-8cm/s例3：如图所示，由A组元棒和B组元棒焊接成的扩散偶，并在焊缝处用Mo丝做标记，在773K 扩散足够的时间，试问：（1）标记在焊接面何侧？（2）扩散中的空位最终聚集在何侧？已知 A 组 元在B组元构成的晶体中的扩散常数（D。

和激活能（Q）分别为2.1 x 10-5m2/s，1.7x 105j/mol ； 而B组元在A组元构成的晶体中的扩散常数（D0）和激活能（Q）分别为0.8x 10-5m2/s ,1.4x 105J/molA组元 ::E组元标记面（•）考点 8：综合例 1：下列有关固体中扩散的说法中，正确的是（ ）A•原子扩散的驱动力是存在着浓度梯度B. 空位扩散是指间隙固溶体中的溶质原子从一个间隙跳到另一个间隙C. 晶界上点阵畸变较大，因而原子迁移阻力较大，所以比晶内的扩散系数要小D. 成分均匀的材料中也存在着扩散解析： A 中驱动力应为化学势梯队，因此错 B 中的解释是间隙扩散机制，不是空位扩散机制，因 此错C中晶界上扩散系数要比晶内更大，因此错例2:在870下渗碳比927°C渗碳淬火变形小，可得到较细的晶粒碳在 丫-Fe中的扩散系数D = 2.0 x 10-5m2/s，激活能 Q = 140kJ/mol，R 二 8.314J/K.mol请计算：（1） 870C 下和 927C 下碳 0在丫-Fe中的扩散系数；（2）在870C得到与927C渗碳10h相同结果所需时间？（3）若规定0.3%C 作为渗碳层厚度的量度，在927C渗碳10h，其渗碳层厚度为870C渗碳10h的多少倍？例3：对含有0.1%C的钢进行表面渗碳增强处理，渗碳时将钢置于浓度为1.2%C的气氛中，在高温 下通过扩散达到进入钢材体内的目的。

为了获得最佳应用性能，在钢表面以下0.2cm处必须达到浓 度为0.45%C，扩散激活能为32900cal/mole，气体常数R = 1.987cal/（mol - K）若该钢材的扩散常数 D0为0.115cm2/s试求：（1） 1100C时的扩散系数；（2）扩散所需时间与扩散温度的函数关系；（3） 分解计算800C、900C、1000C、1100C和1200C温度下所需的扩散时间并以此作出扩散时间与温 度之间的关系简图误差函数表，B与erf（0）的对应值卩01234567890.70.67780.68470.69140.69810.70470.71120.71750.72380.73000.7361。