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清华大学材料科学基础练习题答案

发布时间: 2023-02-13 08:29:08

Ⅰ 清华大学<材料科学基础>潘金生 PDF电子书 习题答案PDF

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Ⅷ 材料科学基础扩散题库及答案

1、 简要说明影响溶质原子在晶体中扩散的因素。

答: 影响扩散的因素主要有温度,温度越高,扩散越快;晶体缺陷如界面、晶界位错容易扩散;不同致密度的晶体结构溶质原子扩散速度不一样,低致密度的晶体中溶质原子扩散快,各向异性也影响溶质原子扩散;在间隙固溶体中溶质原子扩散容易;扩散原子性质与基体金属性质差别越大,扩散越容易;一般溶质原子浓度越高,扩散越快;加入其它组元与溶质原子形成化合物阻碍其扩散。

2、Ni板与Ta板中有0.05mm厚MgO板作为阻挡层,1400 时Ni 通过MgO向Ta中扩散,此时Ni 在MgO中的扩散系数为D=9 10-12cm2/s,Ni的点阵常数为3.6 10-8cm。问每秒钟通过MgO阻挡层在2 2cm2的面积上扩散的Ni 数目,并求出要扩散走1mm厚的Ni层需要的时间。

答: Ni为fcc结构,一个晶胞中的原子个数为4,依题意有:

在Ni/MgO界面镍板一侧的Ni的浓度CNi为100%,每cm3中Ni原子个数为:

NNi/MgO=(4原子/晶胞)/(3.6 10-8cm3)=8.57 1022原子/cm3,

在Ta/MgO界面Ta板一侧的Ni的浓度0%,这种扩散属于稳态扩散,可以利用菲克第一定律求解。

故浓度梯度为dc/dx (0-8.57 1022原子/cm3)/(0.05cm) -1.71 1024原子/(cm3.cm),

则Ni原子通过MgO层的扩散通量:

J -D(dc/dx)=-9 10-12cm2/s (-1.71 1024原子/(cm3.cm))

=1.54 1013Ni原子/(cm2.s)

每秒钟在2 2cm2的面积上通过MgO层扩散的Ni原子总数N为

N J 面积 [1.54 1013Ni原子/(cm2.s)] 4cm2=6.16 1013Ni原子/s。

每秒钟从界面扩散走的Ni原子体积

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,故

V (6.16 1013Ni原子/s)/(8.57 1022原子/cm3) 0.72 10-9cm3/s,

用厚度d表示在该面积中每秒扩散的Ni原子为

d V/面积 (0.72 10-9cm3/s)/(2 2cm2) 1.8 10-10cm/s,

也就是说要将1mm厚的Ni层扩散掉,所需时间t为:

t (1mm)/(1.8 10-10cm/s) 556000秒 154小时。

3、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。

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4 一块厚度10毫米,含碳量0.77%的钢在强脱碳气氛中加热到800 ,然后缓慢冷却,试指出试样从表面到心部的组织分布。

答: 由于反应扩散的原因,试样中不能出现两相区,故试样从表面到心部的组织最外层为α相,靠里层为γ相,心部不受脱碳影响为α相和γ相。

5 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g-Fe中进行而不在a-Fe中进行,即渗碳温度选择要高于727e ,为什么?

渗碳温度高于1100e 会出现什么问题?

答: 1)渗碳在g-Fe中进行而不在a-Fe中进行,渗碳温度要高于727e ,是因为a-Fe中最大碳溶解度(质量分数)为0.0218%,对于碳含量大于0.0218%的钢铁,渗碳时零件中碳浓度梯度为0,渗碳无法进行;而且由于温度低,扩散系数小,渗碳缓慢。在g-Fe中进行则可获得较高的表层碳浓度梯度,温度也高,可使渗碳顺利进行。

2)渗碳温度高于1100e 会使钢板的晶粒长大,降低其机械性能。

6 铜-锌基单相固溶体进行均匀化处理,试讨论如下问题:

1) 在有限时间内能否使枝晶偏析完全消失?

2) 将此合金均匀化退火前进行冷加工,对均匀化过程是加速还是无影响?说明理由。

答: 1)在有限的时间内不可能使枝晶偏析完全消失,

2)冷加工可以促进均匀化过程;经过冷加工后枝晶被破碎,缩短了枝晶间距。

7 原子扩散在材料中的应用

答: 原子扩散在材料中的影响包括晶体凝固时形核、长大;合金的成分过冷;成分均匀化,包晶反应非平衡凝固时保留高温组织的特点,固态相变时的形核,晶界形核、晶界运动、晶界偏聚、高温蠕变,氧化,焊接,化学热处理(渗C、N等),粉末冶金,涂层等各方面。

8 何谓上坡扩散,举两个实例说明金属中上坡扩散现象。

答: 上坡扩散是扩散过程中扩散元素从低浓度向高浓度出扩散;如各种溶质原子气团的形成和共析反应产物的形成均为上坡扩散。

9、简述固溶体合金的扩散机制

答: 间隙固溶体中溶质原子在间隙中发生间隙扩散,在置换式固溶体中发生原子与空位交换实现扩散的空位机制。

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