MATERIALLÆRE for INGENIØRER

Transkript

1 Høgskolen i Gjøvik LØSNINGSFORSLAG! EKSAMEN EMNENAVN: MATERIALLÆRE for INGENIØRER EMNENUMMER: TEK2011 EKSAMENSDATO: 11. desember 2013 KLASSE: 13HBIMAS og 12HBIMAS-F TID: 3 timer: KL KL EMNEANSVARLIG: Henning Johansen ANTALL SIDER UTLEVERT: 5 TILLATTE HJELPEMIDLER: - KALKULATOR - SKRIVE- og TEGNESAKER INNFØRING MED PENN, evt. trykkblyant som gir gjennomslag. Ved innlevering skilles hvit og gul besvarelse og legges i hvert sitt omslag. Oppgavetekst, kladd og blå kopi beholder kandidaten. Husk kandidatnummer på alle ark.

2 NB! Deloppgavene a) og b) teller like mye NB! OPPGAVE 1 Blandkrystaller kan oppstå på to prinsipielt forskjellige måter. 1a) Hvilke to måter er dette? Tegn figurer, forklar og gi eksempler. Blandkrystaller: 1) Addisjonsløsning 2) Substitusjonsløsning 1) Addisjonsløsning (mellomromsløsning) - Komponent B i mellomromsposisjon i gitter A - rb << ra B - Eks.: H, N, C og B i Fe 2) Substitusjonsløsning - Komponent A og B erstatter hverandre i gitter A - rb ra (maks. forskjell 15 %) - Komponent A og B har samme gitterstruktur B - Eks.: Cu - Ni, Fe - Mn, Ag - Au Høgskolen i Gjøvik side 2

3 OPPGAVE 2 Figuren til høyre viser spenning- tøynings kurven fra et strekkforsøk. Spenning - tøyningsdiagram fra strekkforsøk. Tøyning e 2a) Forklar kort diagrammet. Definer hva som er materialets flytegrense, strekkfasthet og bruddforlengelse. Hvor stor er materialets flytegrense, strekkfasthet og bruddforlengelse? Diagrammet: x-aksen angir prøvestavens deformasjon, relative forlengelse i %. Den relative forlengelse gitt av: L L 0 100% L0 hvor L0 = opprinnelig målelengden L = målelengden ved belastning y-aksen angir nominell spenning (nominell fordi den tar utgangspunkt i stavens opprinnelige tverrsnitt, S0). F R S 0 hvor F = kraft S0 = opprinnelige tverrsnitt Flytegrensen = Re = 250N/mm 2 Angir nominell spenning (nominell fordi den tar utgangspunkt i stavens opprinnelige tverrsnitt, S 0 ) hvor glidning mellom atomplan med høyeste skjærspenning setter inn. Vi tenker ikke her på lokal glidning innen enkelte korn, men en glidning som forplanter seg fra korn til korn i et større volum av materialet. Fe R e S0 hvor F = kraft S0 = opprinnelige tverrsnitt Flytegrensen angir overgangen fra elastisk til plastisk deformasjon. Høgskolen i Gjøvik side 3

4 OPPGAVE 2a), forts. Strekkfastheten = Rm = 420N/mm 2 Definert som den nominelle spenning ved maksimal last. Fm R m S 0 Bruddforlengelsen = δ5 = 22% Den relative forlengelse gitt av: Lu L % L0 hvor L0 = opprinnelig målelengden Lu = målelengden etter brudd Lu måles ved å legge de to delene av prøvestykket sammen etter at brudd er oppstått, og δ5 betegner forlengelsen av avlastet stav. I det plastiske området gjelder at Ln1 e opp til maksimal last. 2b) Beregn sann tøyning ved 10% varig forlengelse av strekkstaven. Nominell tøyning, e, er gitt av følgende formel: L L0 L e 1 L0 L0 Hvor: L = prøvestavens målelengde under belastning L0 = den opprinnelige målelengde I dette forsøket blir e = 12% for en tøyning som tilsvarer 10% varig forlengelse av målelengden. Se Sann tøyning,, er gitt av: ln1 e ln 1 0,12 0,113 11,3 % Høgskolen i Gjøvik side 4

5 OPPGAVE 3 Figuren under viser fasediagrammet for jern (Fe) - karbon (C). 3a) Forklar kort hva som skjer med en Fe-C legering med 1,2 % C når den avkjøles fra smelte til værelsestemperatur C, -kim dannes i smelte C, alt størknet til C, Fe3C utskilles fra C, resterende med C = 0,8% danner Perlitt - under C, består av Perlitt + Fe3C Fasediagrammet for jern (Fe) - karbon (C). 3b) Beregn mengden (vekt - %) av ferritt og cementitt som er til stede i perlitt. Perlitt må inneholde C = 0,8%. Vi bruker hevarmloven. 1 0, 8 0, 02 Fe C 6, 67 0, Fe3C % 0, 8 0, , 67 0, 8 0 0, 8 0, 02 6, 67 0, 8 6, 67 0, 8 6, 67 0, 02 6, 67 0, 8 6, 67 0, 8 x100% 88, 3% 6, 67 0, 02 Fe C , 3 11, 7% 3 Høgskolen i Gjøvik side 5

6 OPPGAVE 4 Et stål med 0,5% C og 0,8% Mn skal varmebehandles (isoterm omdannelse) til en hardhet HRC 23. Se figur under. 4a) Beskriv varmebehandlingen trinn for trinn. I-T diagram for stål med 0,5% C og 0,8% Mn. 1. Austenittiser ved C + ( C) = C C. Holdetid ca. 1h. Mikrostrukturen er 100% austenitt. 2. Bråkjøl (f.eks. i saltbad) til C. Holdetid minimum 5s. Ferrittdannelsen starter etter ca. 1s fra den ustabile austenitten. Etter ca. 1,5s starter perlittdannelsen. Austenitten er fullstendig omdannet til ferritt og perlitt etter 5s. 3. Avkjøl i luft til værelsestemperatur. Mikrostrukturen forblir ferritt + perlitt. Stålet varmes opp til C og holdes ved denne temperaturen i en time. Stålet blir så bråkjølt til C og holdt der i 50s. Stålet blir videre bråkjølt til C og holdt der i 20s. Til slutt bråkjøles til værelsestemperatur. 4b) Hvordan blir stålets endelige mikrostruktur? Forklar. 1. Etter 1h ved C dannes 100% austenitt. 2. Ferrittdannelsen starter etter 20s ved C fra den ustabile austenitten. Etter 50s inneholder stålet bare ferritt og ustabil austenitt. 3. Med en gang etter bråkjøling til C består stålet fremdeles av ferritt og austenitt. Bainittdannelsen starter etter 3s. Etter 20s inneholder stålet ferritt, bainitt og fortsatt noe ustabil austenitt. 4. Etter bråkjøling til værelsestemperatur vil den gjenværende austenitten krysse Ms og Mf temperaturen, og omdannes til martensitt. Den endelige mikrostrukturen består av ferritt, bainitt og noe martensitt. Høgskolen i Gjøvik side 6

7 OPPGAVE 5 Aluminium er det mest utbredte metall i naturen og produksjonen av aluminium har hatt en kraftig vekst de siste hundre årene. 5a) Hvordan er aluminium bygd opp på atomnivå. Tegn enhetscelle. Hva kjennetegner materialer som har samme oppbygging som aluminium? Hvilke tre metoder benyttes for herding / styrking av aluminium-legeringer? Aluminium er et krystallinsk materiale som andre metaller. Atomene er ordnet i et 3-dimmensjonalt mønster, en gitterstruktur. Aluminium har kubisk flatesentrert gitterstruktur (fase centered cubic structure). Kubisk flatesentrert enhetscelle i aluminium. Sidekantene a = b = c. Alle materialer med kubisk flatesentrert gitterstruktur, som Al, er lette å bearbeide plastisk (forme). Enhetscellen inneholder flere plan med tettest mulig atompakning (sammenlignet med for eksempel stål med kubisk romsentrert gitterstruktur). Materialer med kubisk flatesentrert gitterstruktur er også frie for sprøbruddproblemer. Aluminiumlegeringer kan herdes på forskjellige måter, avhengig av legeringsinnhold. Herdemetodene kan deles i tre typer: 1. Herding ved kaldbearbeiding 2. Herding ved legering 3. Herding ved legering og varmebehandling Høgskolen i Gjøvik side 7

8 OPPGAVE 5, forts. Legeringen aluminium - kobber kan herdes etter en av disse metodene. 5b) Beskriv kort denne metoden. Hvilke betingelser som må være tilfredsstilt og hvordan herdeprosessen foregår. Fasediagram for Al - Cu. 3. Herding ved legering og varmebehandling Størst styrke får de legeringene som kan herdes ved varmebehandling. Herdemetoden kalles utfellingsherding (også kalt partikkelstyrking eller utfellingsstyrking). To betingelser må være tilfredsstilt: 1. Løseligheten i fast tilstand må være større ved høg enn ved lav temperatur. Eksempel på en slik legering er Al-Cu-legeringer. Fasediagrammet viser at Cu er fult løselig i Al i legeringer opp til ca. 5-6%. Alt Cu er løst i Al ved temperaturer over ca C. 2 Ved varmebehandling (utfellingsherding) må det utfelles en hard koherent (hel eller delvis) utfelling. Det utvikles et spenningsfelt i et område i gitteret. Dislokasjonsbevegelsene blokkeres og dette fører til høyere fasthetsegenskaper som høyere flytegrense og bruddfasthet. Herdeprosessen foregår i to trinn: I Innherding (homogenisering) Prosessen: - Oppvarming til temperatur hvor legeringen omdannes til α-blandkrystaller. For eksempelet med en Al- 4% Cu-legering til ca C. - Holdetid for diffusjon så α-blandkrystaller får tid til å dannes. - Hurtig avkjøling til værelsestemperatur for å bevare alt som α-blandkrystaller. II Utherding Prosess: - Kaldutherding Utherding ved værelsestemperatur over lang tid. eller - Varmutherding Utherding ved oppvarming og holdetid til temperatur avhengig av type legering. Ved utherding skjer det en utfelling av fremmedfase. Kunsten er å stoppe denne prosessen før koherensen brytes. Dette for å hindre overaldret tilstand. Høgskolen i Gjøvik side 8

9 OPPGAVE 6 Kompositter erstatter eller supplerer i dag de konvensjonelle materialene. 6a) Forklar kort hva vi mener med komposittmaterialer. Hvordan er kompositter bygd opp og hva slags materiale får vi når vi lager en kompositt? Hvilke undergrupper av kompositter har vi? Kompositt kommer fra det latinske ordet compositus, som betyr å sette sammen. Kompositter består av minst to eller flere fysisk forskjellige faser. Hver fase gir sitt karakteristiske bidrag til materialets egenskaper. Kompositter lages ved å sette sammen elementer fra flere materialgrupper. En av komponentene danner grunnmassen, matriks. Den er som regel sammenhengende. Den andre komponenten (ofte en forsterker) kan være fiber fordelt i matriks som: (a) Dispergert (finfordelt) (b) Gjennomgående (kontinuerlige) (c) Laminert (sandwich) Skjematisk fremstiling av ulike former for tofasestruktur. Høgskolen i Gjøvik side 9

10 OPPGAVE 6a), forts. Kompositter er kompromisser mellom kostnader, styrke, duktilitet, temperaturbestandighet og miljøbelastende faktorer. Komponentenes dårlige egenskaper bringes også inn i kombinasjonen. Resultatet er et materiale med middelverdi av egenskapene. Spennings - tøyningskurve for fiber, kompositt og matriks. Det er naturlig å dele komposittmaterialene inn i 3 undergrupper: Undergrupper av komposittmaterialene. Metall-matriks kompositter betegnes MMC (= Metal Matrix Composites). Anvendelsesområder for MMC: Keram-matriks-kompositter betegnes CMC (= Ceramic Matrix Composites). Plast matriks kompositter betegnes PMC (= Plast Matrix Composite). Plastbaserte kompositter er de viktigste og mest vanlige Henning Johansen Høgskolen i Gjøvik side 10