第十章原子擴散
1、 簡要說明影響溶質原子在晶體中擴散的因素。
答： 影響擴散的因素主要有溫度，溫度越高，擴散越快；晶體缺陷如介面、晶界位錯容易擴散；不同致密度的晶體結構溶質原子擴散速度不一樣，低致密度的晶體中溶質原子擴散快，各向異性也影響溶質原子擴散；在間隙固溶體中溶質原子擴散容易；擴散原子性質與基體金屬性質差別越大，擴散越容易；一般溶質原子濃度越高，擴散越快；加入其它組元與溶質原子形成化合物阻礙其擴散。
2、ni板與ta板中有0.05mm厚mgo板作為阻擋層，1400℃時ni＋通過mgo向ta中擴散，此時ni＋在mgo中的擴散係數為d=9×10－12cm2/s，ni的點陣常數為3.6×10－8cm。
問每秒鐘通過mgo阻擋層在2×2cm2的面積上擴散的ni＋數目，並求出要擴散走1mm厚的ni層需要的時間。
答：ni為fcc結構，乙個晶胞中的原子個數為4，依題意有：
在ni/mgo介面鎳板一側的ni的濃度cni為100%，每cm3中ni原子個數為：
nni/mgo=(4原子/晶胞)/(3.6×10－8cm3)=8.57×1022原子/cm3，
在ta/mgo介面ta板一側的ni的濃度0%，這種擴散屬於穩態擴散，可以利用菲克第一定律求解。
故濃度梯度為dc/dx＝（0－8.57×1022原子/cm3）/（0.05cm）＝－1.71×1024原子/（
則ni原子通過mgo層的擴散通量：
j＝－d（dc/dx）=－9×10－12cm2/s×(－1.71×1024原子/（
=1.54×1013ni原子/（
每秒鐘在2×2cm2的面積上通過mgo層擴散的ni原子總數n為
n＝j×面積＝[1.54×1013ni原子/（原子/s。
每秒鐘從介面擴散走的ni原子體積，故
v＝（6.16×1013ni原子/s）/（8.57×1022原子/cm3）＝0.72×10－9cm3/s，
用厚度d表示在該面積中每秒擴散的ni原子為
d＝v/面積＝（0.72×10－9cm3/s）/（2×2cm2）＝1.8×10－10cm/s，
也就是說要將1mm厚的ni層擴散掉，所需時間t為：
t＝（1mm）/（1.8×10－10cm/s）＝556000秒＝154小時。
3、對含碳0.1％齒輪氣體滲碳強化，滲碳氣氛含碳1.2％，在齒輪表層下0.
2cm處碳含量為0.45%時齒輪達到最佳效能。已知鐵為fcc結構，c在fe中的d0＝0.
23，啟用能q＝32900cal/mol，誤差函式如表10－1。
1）試設計最佳滲碳工藝；
2）在滲碳溫度不變，在1000℃時滲碳，要將滲碳厚度增加1倍，即要求在其表面下0.4cm處滲碳後碳含量為0.45%所需滲碳時間。
表10－1 與erf()的對應值
答：1）滲碳情況符合菲克第二定律的特殊解的應用條件，可以利用菲克第二定律進行解決。
菲克第二定律特殊解公式：
其中依題意有cs＝1.2，c0=0.1，cx=0.45，x=0.2。
帶入上式，則有，即：
從表10－1可以得出誤差函式值，有，dt＝(0.1/0.71)2=0.0198cm2。
任何滿足dt＝0.0198cm2關係的工藝均可，由於擴散與溫度、時間有關，
d=d0exp(-q/rt)，帶入c在fe中的d0＝0.23，啟用能q＝32900cal/mol，
d=0.23exp(-32900cal/mol/1.987（cal/
因此由dt＝(0.1/0.71)2=0.0198cm2，滲碳時間與滲碳溫度的關係為：
故可以列出一些典型的滲碳溫度與時間如下：
t＝900℃=1173k，則t=116174s=32.3h；
t＝1000℃=1273k，則t=36360s=10.7h；
t＝1100℃=1373k，則t=14880s=4.13h；
t＝1200℃=1473k，則t=6560s=1.82h。
可以根據上述溫度與時間的關係，考慮合金相變和加熱爐、生產效率進行合理選擇，一般以1000℃左右較為合適。
2）在滲碳溫度和其它條件不變的情況下，要求滲碳深度增加一倍，由1）可知有關係存在，可以解得t＝42.7h；
4 一塊厚度10公釐，含碳量0.77%的鋼在強脫碳氣氛中加熱到800℃，然後緩慢冷卻，試指出試樣從表面到心部的組織分布。
答：由於反應擴散的原因，試樣中不能出現兩相區，故試樣從表面到心部的組織最外層為α相，靠里層為γ相，心部不受脫碳影響為α相和γ相。
5 一塊用作承載重物的低碳鋼板，為提高其表面硬度採用表面滲碳，試分析：
1) 滲碳為什麼在-fe中進行而不在-fe中進行，即滲碳溫度選擇要高於727 ，為什麼？
2) 滲碳溫度高於1100 會出現什麼問題？
答：1）滲碳在-fe中進行而不在-fe中進行，滲碳溫度要高於727 ，是因為-fe中最大碳溶解度（質量分數）為0.0218％，對於碳含量大於0.
0218％的鋼鐵，滲碳時零件中碳濃度梯度為0，滲碳無法進行；而且由於溫度低，擴散係數小，滲碳緩慢。在-fe中進行則可獲得較高的表層碳濃度梯度，溫度也高，可使滲碳順利進行。
2）滲碳溫度高於1100 會使鋼板的晶粒長大，降低其機械效能。
6 銅-鋅基單相固溶體進行均勻化處理，試討論如下問題：
1) 在有限時間內能否使枝晶偏析完全消失？
2) 將此合金均勻化退火前進行冷加工，對均勻化過程是加速還是無影響？說明理由。
答：1）在有限的時間內不可能使枝晶偏析完全消失，
2）冷加工可以促進均勻化過程；經過冷加工後枝晶被破碎，縮短了枝晶間距。
7 原子擴散在材料中的應用
答： 原子擴散在材料中的影響包括晶體凝固時形核、長大；合金的成分過冷；成分均勻化，包晶反應非平衡凝固時保留高溫組織的特點，固態相變時的形核，晶界形核、晶界運動、晶界偏聚、高溫蠕變，氧化，焊接，化學熱處理（滲c、n等），粉末冶金，塗層等各方面。
8 何謂上坡擴散，舉兩個例項說明金屬中上坡擴散現象。
答：上坡擴散是擴散過程中擴散元素從低濃度向高濃度出擴散；如各種溶質原子氣團的形成和共析反應產物的形成均為上坡擴散。
9、簡述固溶體合金的擴散機制
答：間隙固溶體中溶質原子在間隙中發生間隙擴散，在置換式固溶體中發生原子與空位交換實現擴散的空位機制。
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