NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR MATERIALTEKNOLOGI LØSNINGSFORSLAG

Transkript

1 NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR MATERIALTEKNOLOGI Oppgave 1 LØSNINGSFORSLAG Eksamen i TMT 4185 Materialteknologi Fredag 18. desember 2009 Tid: (a) (b) Karakteristiske linjer i fasediagrammet er: uidus, solidus, solvus, og eutektisk temperatur Vektstangregelen: Bør definere alle størrelser og så skrive vektstangen inn i fasediagrammet. Svaret bør være gitt som: C0 C Wsol C C der W W = 1. sol W C sol C sol 0 Csol C En fullgod besvarelse krever gode skisser av mikrostrukturutviklingen med tilhørende forklaring. Ved 723 o C transformerer resten til perlitt ( + Fe 3 C). Ved 700 o C er volumfraksjonen av hhv. ferritt og Fe 3 C lik: V f og (6,67 0,2) (6,67 0,02)7,9 (6,67 0,2) (0,2 0,02) (6,67 0,02)7,9 (6,67 0,02)7,7 V Fe f 3 C 1 0,98 0,02 0,98 Siden tettheten til ferritt og Fe 3 C er tilnærmet den samme, kan det aksepteres at denne forskjellen neglisjeres dersom det føres et resonnement for at dette er rimelig. Det henvises til forelesningsnotater eller lærebok (se Kap. 10 i Callister).

2 Oppgave 2 a) I atomgitteret til metallene finnes punktfeil, linjefeil og flatefeil. Forklar to eksempler for hver av disse feiltypene. Hvilken viktig mekansime i metallene avhenger av linjefeilene? Svar: Punktfeil: Interstitielle Substitusjonelle vakansar Linjefeil: Kantdislokasjon Skruedislokasjon Miksa dislokasjonar Bevegelse av dislokasjonene er nødvendig for plastisk deformasjon. Flatefeil: Korngrenser Tvillinggrenser Stablefeil Se boka for meir detaljer b) Nevn tre faktorer som gjør diffusjonen hurtig i et materiale. To gummiballonger fylles med gass og er omgitt av luft. Den ene fylles med Helium. Helium er mye lettere enn luft og diffunderer raskere enn luft i gummi. Den andre fylles med svovelhexafluorid (SF6). Dette er en gass som er seks ganger tyngre enn luft og som har vanskeligere enn luft for å diffundere i gummi. Argumenter ut fra din kvalitative forståelse av diffusjon hva som vil skje med ballongene. Svar: Hurtigere diffusjon: Høyere temperatur Store fremmedatom Åpne krystallstrukturer Andre-ordens bindinger Materialer med lav tetthet Stor konsentrasjonsgradient Gassen vil diffundere ut gjennom ballongveggen samtidig som lufta vil diffundere inn. I Helium er diffusjonen av Helium ut raskere enn lufta inn og ballongen krymper. Med ein ballong fylt med svovelhexafluorid er diffusjonen av lufta inn raskest og ballongen blåser derfor seg selv opp.

3 Oppgave 2 (d) Her er Al (aluminium) et metall og en god leder, mens både Si (silisium) og Ge (germanium) er halvledermaterialer. Gode ledere (metaller) er karakterisert ved et halvfullt ledningsbånd hvor elektroner beveger seg lett i et ytre elektriske felt. Valenselektronene er ikke knyttet til bindinger mellom bestemte atomer, men ligger i en sjø av elektroner som flyter lett mellom atomene. I halvledere og isolatorer er ledningsbåndet adskilt fra et fullt valensbånd med et energigap av varierende størrelse. I halvledere (intrinsikke) er dette energigapet såpass lite (~ ev) at ved normale temperaturer eksiteres (termiske eksitasjon) en viss fraksjon opp i ledningsbåndet og gir en moderat bidrag til elektrisk ledning. Halvledere kan også dopes med gitte fremmedatomer (ekstrinsikke halvledere) til å gi nye energinivåer (donor eller akseptornivå) som reduserer energigapet så mye at ledningsevnen øker dramatisk (flere størrelsesordner). Forskjellen på Si og Ge er størrelsen på energigapet, henholdsvis 1.11 ev og 0.67 ev, og siden ledningsevnen s exp( - forklarer 2 kt ) dette (kvalitativt) den store forskjellen i ledningsevne mellom Si og Ge. Disse problemstillingene er diskutert nærmere i Kap. 18 i læreboka; Callister Fra Tabell 1 ser vi at ledningsevnen i aluminium ved romtemperatur (25 0 C) er 3.77 x m -1 E g Fra Tabell 1 ser vi også at Al har tre elektroner i ledningsbåndet (3s 2 3p 1 ). Det er oppgitt at Al har fcc struktur med 4 atomer per enhetscelle, og en gitterparameter a = Å. Antall ladningsbærere (elektroner i ledningsbåndet) per volumenhet er da gitt ved: (3 elektr. per atom)(4 atomer per celle) n= = 1.8 x10 el/ m ( m) Ledningsevnen er gitt 29 3 s= nq m. Elektronmobiliteten blir dermed: 7-1 s 3.77x10 ( Wm) m= = = 1.3x10 mv s nq 1.8x10 m x1.6x10 C Husk! ( C= As; V = AW ( Wm) 1 m m = = ) -3 m As AW s Vs

4 Oppgave 3 (a) Oppgave 3b Elastic deformation: Stage 1: Elongation of amorphous chains Stage 2: Increase in crystallite thickness Plastic deformation Stage 3: Tilting of lamellar chain folds Stage 4: Separation of crystalline block segments Stage 5: Orientation of block segments and chains

5 See fig in Callister Oppgave 3c The corrosion graph shows passivation at moderate negative potential and an active area at more negative potential. The solution 1 corrodes faster due to a higher current density. Current density is proportional to corrosion rate. Oppgave 3d Thermal tempering of glass is made by heating the glass above the glass transition but below the softening temperature and cooling to room temperature in a jet of air. Results in compressive stress in the surface. This stress prevents cracks from propagating. See page 475 and fig in Callister.