E K S A M E N. MATERIALER OG BEARBEIDING Fagkode: ITE 1553

Transkript

1 side 1 av 4 HØGSKOLEN I NARVIK Institutt for bygnings- drifts- og konstruksjonsteknologi Studieretning: Industriteknikk E K S A M E N I MATERIALER OG BEARBEIDING Fagkode: ITE 1553 Tid: kl Tillatte hjelpemidler: Kalkulator/regnemaskin med tekstlagringsmuligheter ikke tillatt. Følgende lærebøker er tillatt: Corneliussen, R.G.: Tilvirkningsteknikk Grøndalen: Materiallære HiN-Kompendium: Måleteknikk Eksamen består av 6 oppgaver og 4 nummererte sider inkl. denne. Det er 5 sider vedlegg. Vurderingen baseres på følgende som til sammen avgjør eksamenskarakteren: 1) De 6 oppgavene har varierende omfang. Dette er angitt med en indikerende prosentverdi. 2) Helheten i besvarelsen vurderes i forhold til emnespesifikk karakterbeskrivelse Dette innebærer at besvarelsen ikke må være feil eller blank på vesentlige hovedtema i faget innenfor det utvalget som det spørres om. Faglærer: Roar Andreassen

2 side 2 av 4 Oppgave 1 (30 %) Svar kort på følgende spørsmål. Materialvalg a) Du skal lage en grov konstruksjon der komponentene delvis må tvinges sammen med anvendelse av kraft. Hvorfor bør du normalt velge et metall? b) Nevn de 3 (evt. 4) andre hovedgruppene av materialer. c) En komponent av et keram og en komponent av et polymermaterial (plast) belastes til 60% av det de tåler før de får brudd. Nevn en vesentlig forskjell i oppførselen til disse to materialene når de belastes over tid Krystallstrukturer d) Tegn en skisse av atomplasseringen i (110) planet i fcc. e) Betrakt et krystall av metall som stive kuler som ligger mot hverandre. i) Vis hvordan du kan beregne pakningstettheten i krystallstrukturen fcc. ii) Hva blir pakningstettheten til hcp? Herding av metaller f) Under seigherding av karbonstål er første trinn å få frem en hard martensitt. i) Hvilken krystallstruktur har martensitt? ii) Hvilken herdemekanisme er virksom? g) Forklar hvilken herdemekanisme som er virksom når en utherdbar aluminiumlegering er ferdig herdet. h) To kvaliteter av kobberrør behandles på ulik måte. Kvalitet A kaldbearbeides til veggtykkelse 0,8 mm (kaldtrekking). Kvalitet B bearbeides til veggtykkelse 1,2 mm hvoretter det glødes til 700 C i inert atmosfære. i) I hvilken av de to rørkvalitetene har materialet den høyeste hardheten? ii) Hvilken herdemekanisme er virksom? Polymermaterialer i) Ved å ta utgangspunkt i den kjemiske bindingsstrukturen, kan man dele inn plastmaterialene i to hovedtyper. i) Hvilke er det? ii) Hva er det som skiller måten de kjemiske bindingene foreligger på i de to plasttypene? j) Ved å overskride glassomvandlingstemperaturen for en plast endrer de mekaniske egenskapene seg. i) Hva skjer med E-modulen? ii) Hva er årsaken til det som skjer?

3 side 3 av 4 Sammenføyning k) Ved sveising av relativt tykke stålplater eller metallplater skjæres det vekk litt metall slik at man får en fuge som skal fylles opp med tilsatsmetall. Det er viktig at tilsatsmetallet har korrekt legeringsinnhold i forhold til platene som sammenføyes. På hvilken måte kontrollerer man den kjemiske sammensetningen av tilsatsmetallet ved i) pulverdekket buesveising og ii) ved metalltrådsveising under inert gassdekke (MIG)? l) Beskriv noen kjennetegn for en sveis fra plasmasveising i forhold til en sveis fra sveising med gassdekke og inert elektrode (TIG). Oppgave 2 (20 %) Ved strekkprøving av et metall fant man verdier som vises på kurvene Figur 4 i vedlegget. Den ene figuren viser hele prøvingsforløpet frem til brudd. Den andre viser området ved små tøyninger. Forklar gjerne hvordan du leser av for å svare på spørsmålene. a) Hva er materialets bruddspenning, R m? b) Hva er materialets flytespenning angitt som R p02? c) Hva er materialets E-modul? d) Måleområdet på prøvestaven forlenget seg fra 50 mm til 56 mm. Hva er bruddtøyningen? Oppgave 3 (15 %) Betrakt det vedlagte fasediagrammet for aluminium-silisium, Al-Si, og besvar spørsmålene: a) Angi temperatur og sammensetning ved det eutektiske punktet. b) Hvilke faser forekommer i legeringen Al 6% Si ved 600 C? c) Hvor mange masseprosent eutektikum er det i en Al 6% Si legering?

4 side 4 av 4 Oppgave 4 (10 %) En trykktank blir undersøkt for korrosjonsangrep. Man finner defekter som tilsvarer en gjennomgående sprekk midt i en plate på 18 mm (ekvivalentsprekklengde). Tanken er opprinnelig dimensjonert slik at tillatt strekkspenning er 60 % av materialets strekkfasthet. Materialets har følgende egenskaper: Strekkfasthet 960 MPa, bruddseighet K = 110 MPa m. c a) Vis ved regning at det er ikke nødvendig å stenge av eller å redusere trykket umiddelbart. b) Det antas at størrelsen på den dimensjonerende sprekken (ekvivalentsprekklengden) vokser lineært med tida. Det er kjent fra erfaring at slike tanker varer 2 år når de brukes ved 135 C og i 3 år når de brukes ved 130 C. Tanken i oppgave 4a) har hele tida vært brukt ved 135 C. Bruk prinsippet om kumulativ skade (Miners prinsipp) og estimer (vurder) gjenværende levetid når driftstemperaturen settes ned til 130 C i 16 timer hvert døgn, mens den er 135 C i 8 timer hvert døgn. (Bruk tallene direkte, evt. usikkerhetsvurderinger ligger utenfor denne oppgaven). Oppgave 5 (10%) Vi har et finkornet ulegert karbonstål med 0,6 % karbon. Hvor stor akseldimensjon kan herdes i vann med omrøring slik at overflaten får en hardhet på minst 50 Rockwell? Bruk kurvene i vedlegget. Oppgave 6 (15 %) Ved dreiing av en aksel skal det avvirkes et kutt med kuttedyp 4 mm. Diameteren før kuttet er 122 mm. a) Hva blir diameteren etter kuttet? Det blir benyttet skjærehastighet v = 160 m/min, kuttets lengde er L = 800 mm. Sponslankheten er G = 10 og innstillingsvinkelen er κ = 90. b) Hva skal turtallet være og hvor lang tid tar dette kuttet? Akselen fremstilles i et material med følgende egenskaper ved dreiing: Standard 2 skjæremotstand ks11 = 2200 N/mm og spontykkelseseksponent z = 0, 28. c) Beregn nødvendig nettoeffekt på spindelen i dreiebenken med de oppgitte data. Enden av akselen skal monteres i et hull med diameter 80 mm. Toleransekravet er H5 (IT5, beliggenhet "H"). d) Finn øvre og nedre grensemål for hullets diameter. Bruk opplysninger i vedlegget

5 1 av 5 Formler mm. Krystallografi Miller-indeks (hele tall). h1 For atomplan: (xyz). For plangruppe: {xyz}. Formendringsforhold: ϕ h = ln h Bruddmekanikk Spenningskonsentrasjon i kjerv a σ lokal = σ + σ 2r Spenningsintensitetsfaktor K =σ π a Hurtig brudd ved K > K Utmatting Miners prinsipp for kumulativ skade k ni = 1 i= 1 Ni Paris lov for sprekkvekst da = C( K ) m dn K = Φ σ πa σ = σ makx σ min c Ludwik s materialmodell: 0 σ= Kε σ : spenning r: radius a: sprekkdyp n, N: antall sykler Q enhetsenergi R = 8,3 J/K mol t: tid l: lengdemål L, : u L0 prøvelengde deformert og ikke deformert =============================== Sponende bearbeiding, dreiing Sponareal: A= a s [mm 2 ] b a Slankhet: G = = h s 2 sin κ Sponbredde: b = l = a sin κ [mm] n Diffusjon Diffusivitet D Diffusjonsstrøm = 0 D e Q RT j = dc dx D t D Diffisjonskonstant = 2 konst l Elastiske og plastiske deformasjoner l Små tøyninger: ε = l Hooke s lov: σ = E ε Nominell spenning, nominell tøyning: F L σ N =, ε N = A0 L0 Sann spenning, sann tøyning: σ=σ N(1 +ε N), ε= ln( ε N + 1) Bruddforlengelse (%) Lu L0 A = 100% L 0 Hovedskjærekraft: Fh = ks A [N] ks 11 Spesifikk skjærekraft: ks = [N/mm 2 ] z h Skjærehastighet: πdn v = [m/min], (mm, min -1 ) 1000 Motoreffekt: Fh v Pm = [kw], (N, m/min) η 2 s Ruhet ved dreiing: Rmaks = 8r Økonomisk utslitingstid 1 K 1 v Tøk = tv + n Km L Inngrepstid: t = n s a: kuttedyp [mm] s: mating [mm/omdr] κ : innstillingsvinkel η: virkningsgrad d: diameter [mm] L: lengde [mm] K : verktøykostnad. K : maskinkostnad v n : turtall v m t : eggvarighet

6 2 av 5 Figur 1. Avkjølingshastighet for rundstål. Kurver: S = Surface (overflate), ¾ -Radius, Midt Radius, C = center. Figur 2. Resultatet av jominy-prøver for noen amerikanske stål "Gran size" (#) betyr kornstørrelse, angitt som ASTM-nummer. #8 er finkornet.

7 3 av 5 Figur 3. Fasediagram for aluminium silisium. Den maksimale løseligheten er også angitt.

8 4 av 5 Figur 4 Kurver fra strekkprøving av metall, oppgave 2.

9 5 av 5 Eksempler på toleransebeliggenheter for ISOtoleranser (NS-EN 286-1). Klaringspasninger. h (og H) går inn til null-linjen. e, f og g har øvre (negativt) avvik fra nullinje. (Tabeller ikke vedlagt) G har nedre (positivt) avvik. (Tabell ikke vedlagt).