材料固态相变与扩散.docx
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材料固态相变与扩散》研究生学位课习题与参考解答1、解释下列名词： 自扩散：是在纯金属中的原子或固溶体中的溶质原子由一个平衡位置迁移到另一个平衡位置的单纯由 热运动引起的扩散现象化学扩散： 间隙扩散：间隙扩散是扩散原子在点阵的间隙位置之间跳迁而导致的扩散间隙固溶体中溶质原子半 径较小，间隙位置数目较多，易发生间隙扩散置换扩散：置换扩散以原子跳动到邻近空位的方式进行，因此认为置换扩散也应该是通过单独跳动机 制进行的它与间隙扩散的区别在于跳动是通过空位进行的，即扩散机制是一种空位扩散机制互扩散：是溶质原子和溶剂原子同时存在迁移的扩散严格来讲，大部分合金系统的原子扩散都是互 扩散晶界扩散：熔化的钎料原子沿着母材金属的结晶晶界的扩散现象晶界扩散所需要的激活能比体 扩散小，因此，在温度较低时，往往只有晶界扩散发生而且，越是晶界多的金属，越易于焊接，焊 接的机械强度也就越高上坡扩散：原子扩散的驱动力是化学位在一般情况下，总是从浓度高处向浓度低处扩散，这叫顺扩 散，但有时也会发生从浓度低处向浓度高处扩散的现象，成为逆扩散，即上坡扩散2、什么叫原子扩散和反应扩散 ?原子扩散是一种原子在某金属基体点阵中移动的扩散。
在扩散过程中并不产生新相，也称为固溶体扩 散扩散物质在溶剂中的最大浓度不超过固溶体在扩散温度下的极限浓度，原子扩散有自扩散，异扩散和 互扩散三类扩散过程不仅会导致固溶体的形成和固溶体成分的改变，而且还会导致相的多形性转变或化合物的形 成这种通过扩散而形成新相的现象称为反应扩散，也叫相变扩散3、什么叫界面控制和扩散控制?试述扩散的台阶机制 ?［简要解答］ 生长速度基本上与原子的扩散速率无关，这样的生长过程称为界面控制相的生长或溶解 为原子扩散速率所控制的扩散过程称为扩散控制如图，a相和0相共格，在DE、FG处，由于是共格关系，原子不易停留，界面活动性低，而在台阶 的端面CD、EF处，缺陷比较多，原子比较容易吸附因此，a相的生长是界面间接移动随着CD、EF 的向右移动，一层又一层，在客观上也使a相的界面向上方推移，从而使a相生长这就是台阶生长机制， 当然这种生长方式要慢得多D E台怖-I动a f g图 台阶生长机制4、扩散的驱动力是什么?什么是扩散热力学因子 ?驱动力类型主要有化学自由能，应变自由能和界面自由能化学自由能是指一个相没有应变区，自由 能随温度的变化比较大；应变自由能是指由短或长范围的引起的自由能增量；界面自由能是相界面或晶界 处原子的额外自由能。
在实际情况中，有些状态是包含了各种自由能，是难以完全分开的自然界事物变 化都遵循最小自由能原理，其途径都遵循最小耗能原理原子运动也总是力图使系统的能量降低，即使暂 时还未具备转变的条件，但转变的潜在趋势是存在的而且也遵循最小耗能原理或最小阻力原理扩散热力学因子： 1 C (r) 2 -Vln & =—C (a) RT - ra5、 显微结构的不稳定性主要是由哪些因素造成的 ?显微组织结构的稳定性是在一定条件下相对稳定的程度显微组织的不稳定性需要有激活能和驱动力 这激活能可由热起伏和能量起伏提供；驱动力的类型主要由化学自由能、应变自由能和界面自由能不稳 定的因素是随环境条件而变化的例如，晶粒大小事影响组织稳定性的因素之一，在室温时，晶粒细小能 提高材料性能；而在高温时，细小的晶粒相对来说是不稳定的，会长大6、 什么是Gibbs-Thomson效应?写出其表达式在第二相析出量基本达到平衡态后，将发生第二相的长大粗化和释放过剩界面能的物理过程，该过程 是由于小质点具有较高溶解度引起的小质点的表面积与体积之比较大，相对来说是不稳定的，有溶解的 趋势，而系统中的大质点则会长大描述这个过程的是著名的Gibbs-Thomson效应，其表达式为：7、什么是 Ostwald Ripening Process? 写出描述其过程的表达式，总结其过程规律 ?当母相大致达到平衡浓度后，析出相以界面能为驱动力缓慢长大的过程为奥斯特瓦德熟化过程(Ostwalddr 2bDV C (a) (1 1)—= m a 1 ———r=，厶r/dt=O.②当质点半径r
当r>2r时，质点的长大速率dr/dt逐渐 降低⑤在长大过程中，当r增大时，所有析出粒子的长大速率dr/dt均降低⑥温度的影响是比较复杂的, 表达式中的分子上有扩散系数D,分母上有温度的直接作用，两者的作用是相反的综合效果往往是温度 提高，可增加粒子的长大速率⑦体系过程刚开始时r稍大于r的质点，它们的长大速率小于体系中粒子 的平均长大速率，所以这样的质点8、在1127°C某碳氢气体被通入到一低碳钢管(管长lm,管内径8 mm,外径12 mm)管外保持为纯 氢气氛，有可能使管外表面的碳活度降低到最低限度假设在碳氢气体中的碳活度是很高的，以致于在气 氛中有固体颗粒碳已知：在1127C时，碳的扩散系数为D = 6X 10-6 cm2/s试计算通碳氢气体100小时后, 会有多少碳扩散到管的外面来？［简要解答］ 该题是二维稳态扩散，可应用公式：dmdtC — C=—2兀-1 - D 2 i-ln(r / r )21现已知：l=100cm, r］=0・8cm, r2=1・2cm, C2=0, t=36x104s・ 应该注意：左右两边的量纲单位要统一已知条件中的单位要换算2~2__98+ —2.5 7.8=0.15( g / cm 3)(C的密度为2.5g/cm3 ,Fe的密度7・8 g/cm3)将已知条件代入公式得到：M = 2 x 3.1416 x 100 x 6 x 10-6 x ( 0.15 / ln1.5 ) x 36 x 104 彩502 (g) 答：100小时后，将有约502 g的碳扩散到管外来。
9、有一容器，其外层是低碳钢，里层为不锈钢里层的厚度是外层的 1/100现容器内充有氢气已 知：在试验温度下，低碳钢为a相，不锈钢为Y相；在这温度下氢气在a、Y两相界面处的重量百分浓度 分别为Ca =0.00028%，Cy=0.00045% ；并假设在试验温度下，Da=100 Dy试问哪一层对阻止氢气的向外 扩散起了决定性作用 ?［简要解答］这是两相系统中的稳态扩散问题，且该两层厚度与扩散物质H无关1 dm a — a所以有：_ x = 1 2—A dt la • f a ly - f YD a D Y扩散物质的流量主要决定于具有最大l • f /D值的那个相，即这个相对扩散物质具有最大的阻力，所以 在只要计算比较两个相的l • f /D值，就可以知道了因为la = 1001 y， Da = 100Dy因为a = f • c，对外层低碳钢：la • f a I00lY • ai lY • aiD a 100 D Y • C a D Y10.00028对里层不锈钢：l Y • f Y l Y • a i l Y • a iDY DY • CY DY10.00045所以，外层低碳钢/里层不锈钢 =1 1 0.00045 1 厂= =1.610.00028 • 0.00045 0.00028由Fe-C相图知，1400K时C在奥氏体中最大固溶度为2% (质量分数),因此，外层低碳钢对阻止氢气的向外扩散起了决定性作用。
10、某低合金过共析钢(含0.9%C)被加热到800°C，形成了奥氏体组织，然后被快速冷却至1也温度以 下保温，直到完全转变成珠光体组织因为是过共析钢，所以在珠光体转变前有自由渗碳体析出，会沿着 晶界析出一层厚的渗碳体，损害钢的性能已知：在550C、650C珠光体转变完成时间分别为10秒和10 分钟试计算在550C转变的危害性大，还是650C时转变的危害性大？［简要解答］用晶界薄膜沉淀公式，在两温度下比较它们的12的值：12(550C，10s) D (Ax )2 • t D (AW )2 • t1 =——1 1 4 = ―1 1 4l2 650C, 600s) D (Ax )2 • t D (AW )2 • t2 2 2 2 2 2 2取D = 0.372exp(—148000/RT)公式计算D值由Fe-C相图查得：650°C时， WY / cem = 0.6% ； 550C时,Wy / cem = 0.4% D 0・372exp1 =D2(148000 )8.314 x 823 丿(0.372exp —148000 厂0.096阳伴丄f 090—040 ]2598.314 x 923 丿106001200= 0.096 x 25 x12 92由此可知：650C时转变要比550C时转变危害性大。
11、一种没有合金化的具有粗大片状石墨的灰口铸铁，以相当缓慢的冷却速率通过A1温度发现其组 织特点为：金属基体相主要是珠光体，但是每一片石墨都被一层先共析铁素体包围假设通过试验已经知 道，需要作为珠光体形核核心的渗碳体，直到710C还不可能形成，另一方面，铁素体却很容易形核，如果 冷却速率为1K / min取C的扩散系数为：Da=0.02exp（-Q / RT）， Q=20000 cal / mol计算一下会形成多厚的铁素体层作为近似计算，可认为是在中间温度区间的一个等温反应过程如果是球状石墨周围形成了所谓的牛眼状铁素体（如图），在放大500 倍条件下，经测量铁素体平均厚度为6.5mm，在以上条件下，试估算其冷却速率［简要解答］用新相在原两旧相间形成长大（书2.30式），根据题目改变符号有:dla D a - Ax adt (X y — X ay ) -1T 2 D a - Ax a・•・12二 -1 (x y — x ay)等温温度T取(723+710)/2 = 717;因为速度V为1K / min，所以等温时间t = AT/V = (723-710) / 1 = 13min取：Axa =0.025,xy =0.85,xay=0・025。
这里分子、分母都有浓度，所以可直接用质量分数代入就可 经计算Da = 0.74X10-6 cm2/s将有关数据代入公式得：1 二 0.0059cm2 x 0.74 x 10-6 x 0.°25 x 13 x0.85 - 0.025对于如图所示的牛眼状铁素体，经测量牛眼状铁素体环形厚度为6.5mm,放大500倍，所以实际厚为0.013mm求冷却速率，先需求得时间to （图的倍数已不正确了）,t = 37.7st _ (0.85 - 0.025) x 0.00132 2 x 0.74 x 10-6 x 0.025:、 V = AT / t = 13 / 37.7 = 0.345 K / s = 20.7 K / min如采用原题片状铁素体的条件，采用球状长大相公式，求平均扩散距离R2 :—[Ax a ]1/6 : f 0.025 )R _ 对2Dat -_+' 2 x 0.74 x 10-6 x 13 x 60 -2V x P。
