厦门理工材料考题1

固体中原子及分子的运动

一、

填空题

1、菲克第一定律J??D?C 中，J为 ，D为 。 ?x2、上坡扩散是指 ，扩散的驱动力是 。 4、扩散系数与扩散激活能和扩散温度的关系表达式是 。

7、上坡扩散是指扩散原子从 向 的扩散，产生上坡扩散的原因是合金系中存在着 。

8、扩散第一定律只适用于 条件，第一定律所表达的基本含义是：在 条件下，只要浓度梯度存在就会有扩散发生，而且扩散通量与浓度梯度成 变化。扩散流动方向是由 浓度向 浓度，此过程中扩散的驱动力是 。 9、固体中原子的扩散必须具备的条件是 。 10、固体质点扩散的推动力是________。

二、判断题

1、一般来说，在相同的温度下在铁中渗碳速度比在铁中渗铬的速度快。 （ ） 2、晶体结构对扩散有一定的影响，在致密度较大的晶体结构中，原子的扩散系数较大。（ ） 3、原子扩散不可能从浓度低的区域向浓度高的区域扩散。 （ ） 4、菲克第一定律适用于稳态扩散，菲克第二定律只适用于非稳态扩散。 （ ）

5、冷变形金属中存在大量的空位、位错等晶体缺陷，这些缺陷阻碍原子的移动，减缓扩散过程。 （ ）

6、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。（ ） 8、渗碳处理常常在钢的奥氏体区域进行，是因为奥氏体的激活能比铁素体的激活能大，相同温度下奥氏体的扩散系数大比铁素体扩散系数大。 （ ）

9、晶体结构对扩散有一定的影响，在致密度较大的晶体结构中，原子的扩散系数较大（ ） 10、扩散温度越高，越有利于扩散进行。

14、通常晶体中原子的扩散激活能越高，其扩散系数越大，扩散速度越快。（） 15、扩散的推动力是浓度梯度，所有扩散系统中，物质都是由高浓度处向低浓度处扩散。（ ） 16、逆扩散的推动力是浓度梯度.（ ）

17、浓度差会引起扩散，扩散总是从高浓度处向低浓度处进行 。（ ） 三、选择题

1、以下关于固体材料中的影响原子扩散的因素叙述中，不正确的是 。

A、温度是影响扩散速率的最主要因素，温度越高，扩散进行得越快 B、原子结合键能越大，扩散激活能越高，扩散越快

C、晶体点阵的致密度越高，扩散系数越小，912?C时碳原子在?铁中的扩散系数比在?铁中的大。

D、原子沿晶界、表面、位错等晶体缺陷扩散速度较完整的晶体点阵内扩散快。在温度较低时，通常由于在完整晶体点阵内的扩散速度较慢，因此，沿晶体缺陷的短路扩散更为明显。

2、影响扩散系数的变化有多种因素，以下论述中正确的是 。

A、溶剂原子的熔点越高，原子键结合力大，扩散系数越小 B、溶质原子在元素周期表中离溶剂原子越近，扩散系数越大 C、相同温度下，?-铁的自扩散系数大于?-铁的自扩散系数 D、温度越高，扩散系数越小

3、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 4、铁可在某一相同的温度下渗碳或渗铬，一般来说 。

A、渗碳速度比渗铬快 B、渗铬速度比渗碳快 C、渗碳速度与渗铬差不多 D、不好说 5、原子扩散过程的驱动力是 。

A、组元的浓度梯度 B、扩散的时间

C、扩散的温度 D、组元的化学势梯度

6、冷变形使金属中产生大量的空位、位错等晶体缺陷，对置换固溶体中的扩散过程而言，这些缺陷的存在将导致 。

A、阻碍原子的移动，减慢扩散过程 B、对扩散过程无影响 C、有时会加速扩散，有时会减弱扩散 D、加速原子的扩散过程 7、在柯肯达尔效应实验中，标记漂移主要原因是扩散偶中 _____。

A、两组元的原子尺寸不同 B、仅一组元的扩散 C、两组元的扩散速率不同 D、标记物元素的扩散 8、在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为 _____。

A、原子互换机制； B、间隙机制；C、空位机制；D、换位机制 9、在扩散系数的热力学关系中，?1????ln?i?lnNi??称为扩散系数的热力学因子。在非理想混合?体系中：当扩散系数的热力学因子>0时，扩散结果使溶质 ；当扩散系数的热力学因子<0，扩散结果使溶质 。

A、发生偏聚；B、浓度不改变；C、浓度趋于均匀

10、在稳态扩散中，任一点的________不随时间变化。 A.温度；B.浓度梯度；C.密度；D.浓度 11、固体材料中原子扩散的驱动力是________。

A.浓度梯度；B.温度梯度；C.化学势梯度；D.活度

12、在间隙固溶体中，溶质原子的扩散方式一般为________。 A.间隙机制；B.原子互换机制；C.空位机制；D.置换机制 13、在柯肯达尔效应中，惰性标记移动的主要原因是________。

A.两组元的原子半径不同；B.两组元的扩散速度不同；C.仅一组元扩散；D.两组元中的空位浓度不同

14、通常情况下，间隙扩散的激活能要比空位扩散的激活能________。 A.一样；B.相等；C.小；D.大

15、Fick第一定律中的负号表示扩散方向与浓度降低方向________。 A.垂直；B.一致；C.相反；D.可逆 四、论述题

1、原子扩散在材料中的应用

2、何谓上坡扩散，举两个实例说明金属中上坡扩散现象。 3、简述固溶体合金的扩散机制

4、简要说明影响溶质原子在晶体中扩散的因素。

6、对含碳0.1％齿轮气体渗碳强化，渗碳气氛含碳1.2％，在齿轮表层下0.2cm处碳含量为0.45%时齿轮达到最佳性能。已知铁为FCC结构，C在Fe中的D0＝0.23，激活能Q＝32900cal/mol，误差函数如表10－1。 1）试设计最佳渗碳工艺；

2）在渗碳温度不变，在1000℃时渗碳，要将渗碳厚度增加1倍，即要求在其表面下0.4cm处渗碳后碳含量为0.45%所需渗碳时间。

xxerf(2Dt) 0.0000 0.1125 0.2227 0.3286 0.4284 0.5205 xxerf(2Dt) 0.6778 0.7421 0.7969 0.8247 0.8802 0.9103 表10－1 2Dt与erf(2Dt)的对应值 x2Dt 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 x2Dt 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 x2Dt 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 xerf(2Dt) 0.9523 0.9661 0.9763 0.9838 0.9891 0.9928 0.6 0.6039 1.3 0.9340 2.0 0.9953 8、一块用作承载重物的低碳钢板，为提高其表面硬度采用表面渗碳，试分析： 1) 渗碳为什么在?-Fe中进行而不在?-Fe中进行，即渗碳温度选择要高于727? ，为什么？ 2) 渗碳温度高于1100? 会出现什么问题？ 10、何谓合金扩散过程中的科肯达尔效应，科肯达尔实验结果给人们哪些启示？指出其在实践中的意义。

11、菲克第二定律的解之一是误差函数解，C?A?Berf?x?2Dt???，它可用于纯铁的渗碳?过程。已知渗碳1小时后达到某一特定浓度的渗碳层厚度为0.5mm，问再继续渗碳8小时后，相同浓度的渗碳层厚度是多少。

13、含碳0.1%的碳钢在930度渗碳，3小时渗碳层厚度为0.4mm，某人欲获得0.8mm的渗碳层，计划用6小时，该人的计划是否正确，为什么？

14、欲将一批齿轮进行渗碳，每炉装500件。在900度渗10小时可以达到规定的深度。假定在900度渗碳每炉每小时生产成本为1000元，而在1000度渗碳为1500元。问在哪一温度渗碳成本较低？已知Q=32900cal/mol，R=1.987cal。

15、影响晶态固体中原子扩散的因素有哪些？并加以简单说明。

16、简单说明原子扩散对材料的影响；举两个实例说明金属中的上坡扩散现象。 19、为什么渗碳选择930度附近的γ-Fe中？

21、有一硅单晶片，厚0.5mm，其一端面上每107个硅原子包含两个镓原子，另一个端面经处理后含镓的浓度增高。试求在该面上每107个硅原子需包含几个镓原子，才能使浓度梯度成为2×1026原子/m3.m 硅的点阵常数为0.5407nm。

22、在一个富碳的环境中对钢进行渗碳，可以硬化钢的表面。已知在1000℃下进行这种渗碳热处理，距离钢的表面1mm处到2mm处，碳含量从5at%减到4at%。估计在近表面区域进入钢的碳原子的流入量J(atoms/m2s)。（γ-Fe在1000℃的密度为7.63g/cm3，碳在γ-Fe中的扩散常数D0=2.0×10-5m2/s,激活能Q=142kJ/mol）。

23、为研究稳态条件下间隙原子在面心立方金属中的扩散情况，在厚0.25mm的金属薄膜的一个端面（面积1000mm2）保持对应温度下的饱和间隙原子，另一端面为间隙原子为零。测得下列数据： 温度（K） 薄膜中间隙原子的溶解度间隙原子通过薄膜的速率（kg/m3） （g/s） 1223 0.0025 14．4 1136 0.0014 19．6 计算在这两个温度下的扩散系数和间隙原子在面心立方金属中扩散的激活能。 24、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

?DC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？

25、含0.85%C的普碳钢加热到900℃在空气中保温1小时后外层碳浓度降到零。 (a) 推导脱碳扩散方程的解，假定t>0时，x=0处，ρ=0。

?DC(b) 假如要求零件外层的碳浓度为0.8%，表面应车去多少深度？（=1.1×10-7cm2/s）

26、在950℃下对纯铁进行渗碳，并希望在0.1mm的深度得到0.9wt%的碳含量。假设表面

碳含量保持在1.20wt% ，扩散系数Dγ-Fe=10-10m2/s。计算为达到此要求至少要渗碳多少时间。 27、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。 28、碳在α-Ti中的扩散速率在以下温度被确定： 测量温度 扩散系数D（m2/s） 2×10-13 736℃ 5×10-13 782℃ 1.3×10-12 835℃ (a) 试确定公式D=D0exp(-Q/RT)是否适用；若适用，则计算出扩散常数D0和激活能Q。 （b）试求出500℃下的扩散速率。

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