4 材料科学基础习题库-第4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=2.4×10m /sec :D 1000℃=3×10m /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℃=8×10cm /sec;当-122-122-112erfc x 2Dt =0. 5x
时,2Dt ≈0. 5)?
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D =D 0exp(-∆G ) RT ,
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/(m2·s), 铁箔两侧氢浓度分别为3×10-6mol/m3和8×10-8 mol/m3,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
-x 2
c (x , t ) =) 4Dt 2DT M
若M=5×1010mol/m2,D=4×10-9m 2/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。
1fzPa 2
6关系(5) 体心立方比面心立方的配位数要小,故由D
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?
11)影响扩散系数的主要因素有哪些?
17. 一块厚钢板,w(C)=0.1%,在930℃渗碳,表面碳浓度保持w(C)=1%,设扩散系数为常数,D=0.738exp[-158.98(kJ/mol)/RT](cm2⋅s-1)。(1)问距表面0.05cm 处碳浓度w(C)升至0.45%所需要的时间。(2)若在距表面0.1cm 处获得同样的浓度(0.45%)所需时间又是多少? 导出在扩散系数为常数时,在同一温度下渗入距离和时间关系的一般表达式。(3)问要在什么温度下渗碳才能在上题求出距表面 0.05cm 处获得碳浓度 w(C)为 0.45%所需要的相同时间内使距表面 0.1cm 处获得 0.45%的碳浓度?
18. α-Fe 薄板中含有一定量的氢,均匀分布。在20℃下脱氢。设表面浓度为零,若薄板厚度为10mm ,问把全部氢的90%除掉要多长时间? 氢在α-Fe 中的扩散系数:D0=0.0011cm2/s-1,Q=11.53kJ/mol-1。除了用解析解外,设计一个程序,用计算机求解,对比所得结果。