- KALKULATOR (Som ikke kan kommunisere med andre) - SKRIVE- og TEGNESAKER

Transkript

1 LØSNINGSFORSLAG! EKSAMEN EMNENAVN: MATERIALLÆRE EMNENUMMER: TEK2091 EKSAMENSDATO: 14. desember 2017 TID: 3 timer: KL KL EMNEANSVARLIG: Henning Johnsen ANTALL SIDER UTLEVERT: 5 TILLATTE HJELPEMIDLER: - KALKULATOR (Som ikke kn kommunisere med ndre) - SKRIVE- og TEGNESAKER INNFØRING MED PENN. Ved innlevering skilles hvit og gul besvrelse og legges i hvert sitt omslg. Oppgvetekst, kldd og blå kopi beholder kndidten. Husk kndidtnummer på lle rk.

2 NB! Deloppgvene ) og b) teller like mye NB! OPPGAVE 1 Løsningsforslg Aluminium-legeringer er ofte lterntive mterilvlg til stål. 1) Forklr hvordn luminium og stål (jern) er bygd opp på tomnivå i fst tilstnd. Smmenlign luminium med vnlig stål for følgende egenskper: Egenvekt (tetthet), smeltetempertur, vrmeledningsevne, elstisitetsmodul, lengdeutvidelse, kilopris, formbrhet, korrosjonsbestndighet, utmttingsfsthet og sprøbruddfre. (Bruk forholdstll hvis mulig. Sett stål =1) Atomene i metller er ordnet i et 3-dimmensjonlt mønster, en gitterstruktur. Aluminium hr kubisk fltesentrert gitterstruktur (fse centered cubic structure). Kubisk fltesentrert enhetscelle i luminium (og i stål). Sidekntene = b = c. Stål () hr ved lve temperturer og opp til c C kubisk romsentrert gitterstruktur (body centered cubic structure). Mellom c. c C og C hr kubisk fltesentrert gitterstruktur og mellom c. c C og smelte tempertur C igjen kubisk romsentrert gitterstruktur. Kubisk romsentrert enhetscelle i stål (jern). Sidekntene = b = c. egenskp forhold Al : stål Vekt (tetthet) 1 : 3 Smeltetempertur 1 : 2 Vrmeledningsevne 4 : 1 Elstisitetsmodul 1 : 3 Lengdeutvidelseskoeffisient 2 : 1 Kilopris 3 : 1 Formbrhet br : ikke så br Korrosjonsbestndighet br : ikke så br Utmttingsfsthet ikke utmttingsgrense : utmttingsgrense Sprøbruddfre seigt uvh. v temp. : sprøtt kldt og seigt vrmt NTNU i Gjøvik side 2

3 OPPGAVE 1, forts. 1b) Noen Aluminiumlegeringer kn herdes ved legering og vrmebehndling. Hv klles denne herdemetoden? Hvilke betingelser må være tilfredsstilt for t en legering skl kunne herdes? Forklr herdeprosessen trinn for trinn. Herdemetoden klles utfellingsherding (også klt prtikkelstyrking eller utfellingsstyrking). To betingelser må være tilfredsstilt: 1. Løseligheten i fst tilstnd må være større ved høg enn ved lv tempertur. Eksempel på en slik legering er Al-Culegeringer. Fsedigrmmet viser t Cu er fult løselig i Al i legeringer opp til c. 5-6%. Alt Cu er løst i Al ved temperturer over c C. 2 Ved vrmebehndling (utfellingsherding) må det utfelles en hrd koherent (hel eller delvis) utfelling. Det utvikles et spenningsfelt i et område i gitteret. Disloksjonsbevegelsene blokkeres og dette fører til høyere fsthetsegenskper som høyere flytegrense og bruddfsthet. Herdeprosessen foregår i to trinn: I Innherding (homogenisering) Prosessen: - Oppvrming til tempertur hvor legeringen omdnnes til α-blndkrystller. - Holdetid for diffusjon så α-blndkrystller får tid til å dnnes. - Hurtig vkjøling til værelsestempertur for å bevre lt som α-blndkrystller. II Utherding Prosess: - Kldutherding Utherding ved værelsestempertur over lng tid. eller - Vrmutherding Utherding ved oppvrming og holdetid til tempertur vhengig v type legering. Ved utherding skjer det en utfelling v fremmedfse. Kunsten er å stoppe denne prosessen før koherensen brytes. Dette for å hindre overldret tilstnd. NTNU i Gjøvik side 3

4 OPPGAVE 2 Løsningsforslg Et veldig mye brukt komposittmterile er glssfiberrmert plst. 2) Hv er et komposittmterile (definisjon)? Det er vnlig å dele inn komposittmterilene i undergrupper. Hvilke undergrupper v kompositter deler vi opp i? I hvilke gruppe finner vi den mye brukte kompositten glssfiberrmert plst? Kompositt kommer fr det ltinske ordet compositus, som betyr å sette smmen. Kompositter består v minst to eller flere fysisk forskjellige fser. Hver fse gir sitt krkteristiske bidrg til mterilets egenskper. Kompositter lges ved å sette smmen elementer fr flere mterilgrupper. Det er nturlig å dele komposittmterilene inn i 3 undergrupper: Undergrupper v komposittmterilene. Metll-mtriks kompositter betegnes MMC (= Metl Mtrix Composites). Anvendelsesområder for MMC: Kerm-mtriks-kompositter betegnes CMC (= Cermic Mtrix Composites). Plst mtriks kompositter betegnes PMC (= Plst Mtrix Composite). Plstbserte kompositter er de viktigste og mest vnlige. Her finner vi glssfiberrmert plst som består v en plst mtrix forsterket v glss som er en kerm. NTNU i Gjøvik side 4

5 OPPGAVE 2, forts. 2b) Bruk glssfiberrmert plst som eksempel og forklr hvordn kompositter er bygd opp? Hvordn er komposittenes egenskper vhengig v hvordn de er bygd opp? En v komponentene dnner grunnmssen, mtriks. Den er som regel smmenhengende. Den ndre komponenten, ofte en forsterker, kn være fiber fordelt i mtriks som: () Dispergert (finfordelt) (b) Gjennomgående (kontinuerlige) (c) Lminert (sndwich) Skjemtisk fremstilling v ulike former for tofsestruktur. Kompositter er kompromisser mellom kostnder, styrke, duktilitet, temperturbestndighet og miljøbelstende fktorer. Komponentenes dårlige egenskper bringes også inn i kombinsjonen. Resulttet er et mterile med middelverdi v egenskpene. Spennings - tøyningskurve for fiber, kompositt og mtriks. NTNU i Gjøvik side 5

6 OPPGAVE 2b), forts. Egenskpene er vhengig v: - volumndeler i de fsene som inngår. - form, størrelse, orientering og fordeling v fsendelene (strukturgeometrien). Skjemtisk oppbygning v høyfste kompositter. Skjemtisk fremstilling v strekkfsthet og tøyningsforhold v høyfste kompositter med fiber plssert prllelt med strekkretning og fiber plssert i smme retning (unidireksjonlt) normlt på strekkretningen. Komposittene kn få høyere bruddseighet enn de respektive komponentene. Glss og epoksy er nokså sprø, men glssfiberforsterket epoksy hr høy bruddseighet. NTNU i Gjøvik side 6

7 OPPGAVE 3 Løsningsforslg Figuren i under viser fsedigrmmet for jern () - krbon (C). Fsedigrmmet for jern () - krbon (C). 3) Hv mener vi med Eutektikum og Eutektoid i fsedigrmmet? Hv er et Eutektoid stål og hvordn er Eutektoid stål bygd opp på krystll- (korn-) nivå? Eutektoid betyr «ligner på Eutektikum». I Eutektikum skjer det en endring fr smelte til fst tilstnd Ledeburitt som består v fsene Austenitt og Cementitt. I Eutektoid skjer det en strukturendring i fst tilstnd fr Austenitt til Perlitt som består v fsene rritt og Cementitt. Eutektoid stål er et stål med Eutektoid smmensetning, Perlitt og et C-innhold på 0,76% (0,8%). Perlitt er bygd opp v fsene rritt ( ) og Cementitt (Jernkrbid, 3C). Disse fsene ligger dskilt i Perlittkrystllene (kornene) som lgvise lmeller. NTNU i Gjøvik side 7

8 OPPGAVE 3, forts. 3b) Et stål med 1,0% C vrmes skte fr romtempertur til det smelter. Forklr kort hv som skjer med dette stålet under oppvrmingen. Oppvrming v stål med 1,0% C: - Ved romtempertur og opp til 723 o C A1 består stålet v strukturbestnddelene rritt ( ) og Perlitt (P). Perlitt består v fsene rritt ( ) og Cementitt (jernkrbid 3C). - Ved 723 o C dnner Perlitt Austenitt ( ). Stålet betår nå v Austenitt og Cementitt. Cementitt går grdvis over til Austenitt ved videre oppvrming. - Ved C. 800 o C er ll Cementitt omvndlet til Austenitt med C-innhold = 1,0%. Ved videre oppvrming forblir stålet Austenittisk. - Ved C o C begynner Austenitt å smelte. - Ved C o C hr ll Austenitt, og stålet, blitt til smelte. OPPGAVE 4 Løsningsforslg Tbellen under viser størrelsen på jern-tomene i stål vhengig v krystllstruktur smt største mellomrom mellom jern-tomene i rritt og Austenitt. Atom: Krystllstruktur: Rdius (Å): Mellomrom r(å) rritt, 1,24 0,36 Austenitt, 1,29 0,53 C 0,71 - Tbell. Figuren under viser mulige mellomrom og posisjoner for krbon i enhetscellene i stål. 2 2 R r 4 R r Sentrum v største mellomrom (rdius r) i enhetscellene for stål. 4) Forklr løselighet v C i fsen Austenitt og smmenlign med løselighet v C i fsen rritt. Størrelsen på mellomrommene i Austenitt og rritt er mindre enn størrelsen til krbon. Austenitt, rγ = 0,53Å < rc = 0,71Å. Dette fører til lv oppløselighet Cmks = 2,06% (fr fsedigrm). Størrelsen på mellomrommene i rritt er end mindre, rα = 0,36Å < rc = 0,71Å. Løseligheten er c. 100 gnger større i Austenitt, Cmks = 2,06%, enn i rritt, Cmks = 0,02% (fr fsedigrm). NTNU i Gjøvik side 8

9 OPPGAVE 5 Løsningsforslg Figurene til høyre viser IT- og CT-digrmmet for et legert stål (type 4340). 5) Hv viser et fse-digrm, et IT-digrm og et CTdigrm for en legering? Fsedigrmmer: Viser strukturelementer og fser til en legering ved forskjellige temperturer og legeringssmmensetninger. Digrmmet gjelder kun ved lngsom vkjøling (i vnlig luft). Viser Likevektstrukturer som rritt, Austenitt, Cementitt, Perlitt. IT digrm Isotherm Temperture Trnsformtion: Viser omvndling v Austenitt ved konstnt tempertur. Viser Ikke likevektstrukturer, Binitt og Mrtensitt og likevektstrukturer. CT digrm Continous Cooling Trnsformtion: Viser omvndling v Austenitt ved forskjellig kontinuerlig vkjøling. Viser Ikke likevektstrukturer, Binitt og Mrtensitt og likevektstrukturer. 5b) Seks like stålprøver vrmes opp til C og holdes ved denne temperturen til de får en fullstendig og homogen ustenittisk struktur. Prøvene 1 til 6 vkjøles så på forskjellig vis. Bestem endelig mikrostruktur til stålprøvene som ble utstt for følgende tid tempertur behndlinger: 1 Rsk kjøling til C, holder i 10timer, deretter vkjøling til romtempertur. 10timer = 10x60x60 = 36000s Gir: rritt + Perlitt 2 Rsk kjøling til C, holder på denne temperturen i 28timer, rskt kjøling til C, holdt på denne temperturen i 3timer, deretter vkjøling til romtempertur. 28timer = 28x60x60= s 3timer = 3x60x60 = 10800s Gir: 50% Perlitt + 50% Binitt 3 Rsk kjøling til C, holdt på denne temperturen i 3timer, deretter vkjøling til romtempertur. 3timer = 3x60x60 = 10800s Gir: Binitt 4 Avkjøling til romtempertur med 0,015 0 C/s. Gir: Mrtensitt + rritt + Perlitt + Binitt 5 Avkjøling til romtempertur med 4,0 0 C/s. Gir: Mrtensitt + Binitt 6 Avkjøling til romtempertur med kritisk vkjølingshstighet. Gir: Mrtensitt IT-digrm for et legert stål (type 4340). CT-digrm for et legert stål (type 4340) Henning Johnsen NTNU i Gjøvik side 9