a) Hvordan skiller de mekaniske egenskapene seg fra hverandre for materialgruppene keramer og glasser, metaller og polymermaterialer?

Transkript

1 ILI Tekst m. løsn. side 1 v 7 RA/ MATERIALER OG BEARBEIDING Fgkode: ILI 1458 Tid: kl Tilltte hjelpemidler: Klkultor med tomt minne. Lærebøkene: Corneliussen, R.G.: Tilvirkningsteknikk og Grøndlen, Ø.: Mterillære. HiN-kompendium: Verkstedteknisk måleteknikk (ING011) Eksmen består v 4 oppgver og 7 nummererte sider inkl. denne. Det er sider 3 vedlegg. Vurderingen foregår i følgende to trinn som til smmen vgjør den endelige krkteren: 1) De 4 oppgvene tillegges lik vekt 2) Helheten i besvrelsen vurderes i forhold til fgspesifikk krkterbeskrivelse Fglærer: Ror Andressen Oppgve 1 Svr kort på følgende spørsmål. ) Hvordn skiller de mekniske egenskpene seg fr hverndre for mterilgruppene kermer og glsser, metller og polymermteriler? Kermer og glsser er lltid sprø. Metller kn være duktile og dermed seige, og er det som oftest i brukstilstnden. Polymermteriler kn være sprø eller seige, de hr ofte utpregede viskoelstiske egenskper. b) Nevn eksempler på hvordn komposittmteriler får gunstigere egenskper enn komponentene som inngår. Glssfiberrmert plst (økt styrke). Gummiprtikkelrmert plst (blir seigere). Metllmtriks kompositter (økt sigemotstnd) osv. c) Kubiske krystller kn bygges opp på forskjellig måte. i) Forklr kort, evt. med skisse, hv som skiller krystllstrukturene fcc og bcc. Metller kn bl. h fcc- eller bcc-struktur. ii) Hvordn påvirker det et metlls mekniske egenskper om det hr fcc- eller bccstruktur? i) fcc: tomsenter på kube-sidene. bcc: tomsenter i kubens senter. ii) fcc metllene kn være svært duktile. d) Tegn en skisse v tomplsseringen i (100) plnet i fcc.

2 ILI Tekst m. løsn. side 2 v 7 RA/ e) En stålprøve og en sinkprøve glttpoleres og betrktes i mikroskopet. Det benyttes polrisert lys (og kryssede polristorer). Hvordn fremtrer korn og korngrenser? Sink er optisk nisotrop (hcp) og får vrierende lysstyrke lt etter den krystllogrfiske orienteringen, derved kn de skilles fr hverndre uten t prøven må etses. f) Krbonstål herdes som kjent ved ustenittisering og etterfølgende bråkjøling. i) Hvilken herdemeknisme er det som virker? ii) Hv er konsekvensen v å øke krboninnholdet fr 0,15% til 0,45%? i) Oppløsningsherding (interstisielt løst krbon i mrtensitt). ii) hrdheten øker. g) Ved å overskride en bestemt tempertur løses de vn der Wlske bindingene i et polymermteril. i) Hv klles denne temperturen? ii) Hv er den mest krkteristiske endringen i mekniske egenskper? i) Glssomvndlingstemperturen, T g. ii) E-modulen vtr merkbrt over et lite temperturintervll. h) Elstomerer (gummi) og herdeplster hr visse molekylære likheter. Hv er forskjellen i molekylstruktur og hvordn påvirker det de mekniske egenskpene? Begge hr (kovlente) kryssbindinger. Herdeplster hr mnge og elstomerer svært få (herdeplster nvendes i glsstilstnd, dvs. ved temperturer under sin T g. Elstomerer nvendes i myk tilstnd, dvs. over sin T g ) i) Aluminiumlegeringer kn (bl.) støpes i sndform eller ved presstøping. Hv krkteriserer de to metodene mht. produktivitet, nøyktighet og verktøykostnder? Sndstøping: billig formmteril, tr noe tid å bygge, egner seg for mindre serier v støp med en viss størrelse og kompleksitet (kjerner etc. Presstøping: Kostbrt verktøy, kort syklustid, egner seg for store serier v støp med modert størrelse. j) En pln metllplte skl formes til et sirkulærsymmetrisk hullegeme ( rund ting f.eks. kopp, beger, lmpeskjerm). Nevn noen berbeidingsmetoder som kn være ktuelle. Trekking og dyptrekking (som også kn lge ndre hullegemer), trykking (som lltid gir sirkulærsylindriske legemer).

3 ILI Tekst m. løsn. side 3 v 7 RA/ k) Plne plter v forskjellige mteriler skl deles opp i rbeidsstykker med komplisert geometri. Mn kn benytte meknisk oppdeling (klipping etc.), termisk skjæring eller vnnstråleskjæring (med og uten brsiv). Hv kn kort sies om oppdelingsmetodenes egnethet og rbeidsstykkenes kntkvlitet, dersom plten består v i) luminium ii) kevlrrmert epoxy og iii) polypropylen. i) Aluminium: Meknisk oppdeling så som klipping og stnsing er OK og meget hurtig, men det blir plstiske deformsjoner i kntene. Termisk skjæring er OK (unnttt gsscetylen), men det blir vrmepåvirkning og smeltede knter. Vnnskjæring er br når det brukes brsiv (men lngsom). ii) kevlrrmert epoxy: meknisk oppdeling gir dårlige knter (frynsing), Termisk skjæring kn brukes, men gir brente knter (ikke smeltede!), Vnnskjæring er br når det brukes brsiv. iii) polypropylen: Meknisk oppdeling er br og meget rsk, men det blir nedklemte knter. Termisk skjæring er OK, men ikke nturlig førstevlg. Vnnskjæring er meget velegnet og reltivt hurtig. l) Hvilke komponenter inngår i utstyret når stålplter skl sveises med buesveising med dekkede elektroder (MMA, pinnesveising )? Hvordn brukes utstyret? Sveiseomformer (trnsformtor), elektriske ledninger, elektrodeholder/håndtk med innstt elektrode, beskyttelsesutstyr. En leder kobles til eletrodeholder, den ndre til rbeidstykket. Buen tennes ved kontrollert berøring v rbeidsstykket med elektrodens metlliske indre. m) Ved sveising v metll er (bl.) følgende forhold viktig: Beskyttelse v smeltebd og metll mot luftens oksygen. Korrekt legeringsinnhold i sveisemetllet. Forklr hvordn disse to forholdene ivrets ved i) pulverdekket buesveising (SAW) og gssveising med inert elektrode (TIG). i) SAW: et pulver drysses over sveisen, det inneholder kjemiske komponenter som inngår i sveismetllet, det utvikler gss og smelter, begge deler beskytter vsettet mot oksygen. ii) TIG: En beskyttelsesgss spyles over det vrme rbeidsstykket og smeltebd og beskytter mot oksygen. Legeringskomponentene er i grunnmetllet eller må tilsettes vi tilstsmetll (tråd). n) Ved sponende berbeiding kn mn bl. møte følgende ord, forklr kort hv de betyr: i) sponbryter, ii) vlsefres, iii) brotsj. i) en knt på skjæret som bøyer/brekker sponet. ii) en fres som hr rotsjonskse prllelt med berbeidet flte, gir meget pln og gltt overflte. iii) et lngsomtskjærende krbonstålverktøy til finberbeiding v hull. o) Hvilke typer plstprodukter kn fremstilles med i) en ekstruder, ii) ved rotsjonsstøping iii) vkuumforming. i) profiler v termoplst i kontinuerlig lengder. ii) stykkgods i termoplst med overveiende rotsjonssymmetrisk form. iii) hovedskelig større stykkgods med vtrppende hulform, termoplst, herdeplst eller fiberkompositt med vevd rmering.

4 ILI Tekst m. løsn. side 4 v 7 RA/ p) En sylindrisk tnk skl fremstilles v glssfiberrmert plst. Nevn minst to fremstilingsmåter og gi en kort krkteristikk v de oppnådde mekniske egenskpene. 1) Filmentvikling med impregnert eller dyppet fibertråd. 2) håndopplegg v vevde, impregnerte mtter på form. Stor styrke og styring v styrkeretningene kn oppnås med disse metodene. 3) Sprøyting v hogget fiber og hrpiks på form. Produktet blir vesentlig svkere, lik styrke i lle retninger i lmintplnet. q) Nevn et pr eksempler på fste måleverktøy og et pr eksempler på visende måleverktøy. Fste: tolker, pssbiter mm. Visende: Mikrometer, måleur mm. Oppgve 2 Ved strekkprøving v et metll fnt mn følgende verdier for spenning og tøyning: σ [MP] ε [%] 0,05 0,1 0,2 0,5 1 2 ) Tegn et tydelig digrm som viser spenning som funksjon v tøyning. σε ( ) σ( e i ) MP ε 100, e i 100 % b) Finn E-modulen for metllet. 208 Tllsett i lineært område: E = σ = = MP=104 GP ε 0,002 c) En vnlig brukt verdi for flytespenning er R p02, dvs. spenning ved 0,2% plstisk tøyning. Les v denne. Leser v c 450 MP (heltrukken strek)

5 ILI Tekst m. løsn. side 5 v 7 RA/ d) En 5 meter lng stng i dette mterilet belstes med 465 MP. i) Hvor lng er den under belstning? Så vlstes den så det ikke virker noen belstning på den. ii) Hvor lng er den nå? Oppgi svrene med 1 mm nøyktighet. i) Leser v 465 MP (stiplet) gir εtot 1, 5% (interpolsjon ε tot = 1, 46% ). L= L0 ( 1+ε tot ) = 5 ( 1+ 0,015) = 5,075 m σ 465 ii) ε plst =εtot ε elst =εtot = 0,015 = 0,011 E L = ,011 = 5,055 m ( ) e) Betrkt det vedlgte fsedigrmmet for Al-Li. i) Hvilke strukturbestnddeler inngår i en Al-Li legering med 6 msse% Li? ii) Hvor mnge msse% eutektikum dnnes det i en slik legering? i) Fsene α og β. (β er AlLi d det er 50 tom% Li). Strukturbestnddelene er α og α-β eutektikum. 100% eut. ii) Leser v eutektisk konsentrsjon 8% Li. Mks. løselighet 4%. Interpolerer: Det er % = 50% α-β eutektikum % Li Oppgve 3 ) Et høytrykksrør i titn er dimensjonert slik t den mksimle spenningen i rørveggen er 60% v bruddspenningen, R, for mterilet. m Det skl tolereres t det forekommer defekter som tilsvrer en gjennomgående sprekk på 100 mm (ekvivlentsprekkstørrelse). D 1 t 1 12 Det blir benyttet en legering med bruddspenning bruddseighet, K c, for mterilet? R m = Mksiml spenning iht. dimensjonering: % = 330 MP Krv: 2= 100 mm = 50 mm = 0,05 m Krv til mteril: K > K =σ π = 330 π 0,05 = 131 MP m c 550 MP. Hv er krvet til

6 ILI Tekst m. løsn. side 6 v 7 RA/ b) En sykkelrmme v titn utsettes for vekslende belstninger. Forsøk viser t legeringen tåler følgende utmttingspåkjenning: Spenning, σ [MP] Antll lstvekslinger til brudd, N f 6 i) Dersom en sykkelrmme hr vært utstt for 310 lstvekslinger ved 425 MP hvor mnge lstvekslinger vil den d tåle ved 517 MP? ii) Mn ønsker å bruke de oppgitte dt til å estimere spenningen som gir 6 utmtting ved 10 lstvekslinger. Benytt uttrykket σ N f = C til å regne ut denne spenningsverdien. og C er konstnter som kn fstlegges ved å bruke verdiene i tbellen. i) ii) nrest + = 1 n lstvekslinger 7 5 rest = ( ) 5 ( ) = C ln ln10 = ln C = C ln ln10 = ln C 0, ln10 = 0 = 0, 0426 ln C = ln , 0426 ln10 C = 844 0,0426 Dermed σ = 844 og utmttingsspenning som gir brudd ved N f 844 σ= = 469 MP 6 ( 10 ) 0, : c) En ksel i seigherdingstål AISI 4140 skl herdes i olje. Benytt vedlgte kurver til å fstlegge den største dimeteren kselen kn h når mn søker å oppnå en Rockwell hrdhet på minst HRC = 50 gjennom hele tykkelsen. HR C = 50 og AISI 4140 på figur 2 gir D qe = 18 mm. D = 18 mm og C-kurve på figur 1b) gir Br dim. 55 mm qe Oppgve 4 En ksel skl fremstilles ved dreiing. Oppgitte formler og mterildt skl benyttes til å fstlegge forskjellige dt for berbeidingen. Mterildt: 2 ks11 = 2200 N/mm, z = 0,24 Dreiebenk og verktøy: Tilgjengelig nettoeffekt 20 kw, nbeflt skjærehstighet 150 m/min Instillingsvinkel κ = 90

7 ILI Tekst m. løsn. side 7 v 7 RA/ ) Velg / bestem kuttedyp for et grovkutt slik t minst 80% v tilgjengelig effekt utnyttes. Det forutsettes t skjærekrften lene ikke er begrensende. Sponet skl h en slnkhet på 10. Ved utprøving v tll fås f.eks. (når κ = 90 ) kuttedyp = 5,5 mm, som gir mting 5,5 s = = = 0,55 mm. Ved κ = 90 fås spontykkelse h= s = 0,55 mm og G 10 ks ks = = = 2539 N/mm og F z 0,24 h = ks A= ,55 5,5 = 7682 N h 0,55 Fh v Effekt ved skjærehst. v = 150 m/s : Pnetto = = 19,2 kw, som er nært nok effektgrensen. Altså: = 5,5 mm s = 0,55 mm/omdr. oppfyller både krvet til sponslnkhet og ønsket om å utnytte effekten. b) Under et kutt hr berbeidet flte følgende mål: dimeter 120 mm, lengde 400 mm. Hv er inngrepstid for dette kuttet? v n = = = 398 omdr./min πd π 120 L 400 t = = = 1,83 minutt ns 398 0,55 c) Under finberbeiding benyttes et skjærstål med neserdius 0,7 mm. Mtingen er nå 0,15 mm/omdr. Hv blir ruhetsverdien R? R mx 2 2 s 0,15 = = = 4 µ m 8r 8 0,7 Ved dreiing: R 1 Rmx = 1 µ m 4 d) Ferdige ksler v denne typen skl h dimeter 110 mm med generell tolernse f, fin. Akslene skl kontrolleres med en tolernsehketolk. Hvilke mål skl vstnden mellom knstene være justert til? Figur 2.3, side 20 i kompendium (NS-ISO ) tolernse f og bsismål 30,120 ][mm] gir ± 0,15 mm. Gå-knstene justeres til ,15 = 110,15 mm Stopp-knstene justeres til ,15 = ,85 mm

8 ILI Vedlegg 1 v 3 RA Formler mm. Krystllogrfi Miller-indeks for tompln: (xyz), for plngruppe: {xyz}. Bruddmeknikk Spenningskonsentrsjon i kjerv σ lokl = σ + σ 2r Spenningsintensitetsfktor K = σ π Hurtig brudd ved K > K Utmtting Miners prinsipp for kumultiv skde k ni = 1 i= 1 Ni Pris lov for sprekkvekst d = C( K ) m dn K = Φ σ π σ = σ mkx σ min Diffusjon Diffusivitet D Diffusjonsstrøm = 0 D e c Q RT j = dc dx D t D Diffisjonskonstnt = 2 konst l Elstiske og plstiske deformsjoner l Små tøyninger: ε = l Hooke s lov: σ = E ε Nominell spenning, tøyning: F l σ N =, ε N = A0 l0 Snn spenning, tøyning: σ=σ (1 +ε ), ε= ln( ε + 1) N N N h1 Formendringsforhold: ϕ h = ln h0 Ludwik s mterilmodell: σ= Kε σ : spenning r: rdius : sprekkdyp n, N: ntll sykler Q enhetsenergi R = 8,3 J/K mol t: tid l: lengdemål =============================== Sponende berbeiding, dreiing Sponrel: A= s [mm 2 ] b Slnkhet: G = = h s 2 sin κ Sponbredde: b = L= sin κ [mm] Hovedskjærekrft: Fh = ks A [N] ks 11 Spesifikk skjærekrft: ks = [N/mm 2 ] z h Skjærehstighet: πdn v = [m/min], (mm, min -1 ) 1000 Motoreffekt: Fh v Pm = [kw], (N, m/min) η 2 s Ruhet ved dreiing: Rmks = 8r Økonomisk utslitingstid 1 K 1 v Tøk = tv + n Km L Inngrepstid: t = n s : kuttedyp [mm] s: mting [mm/omdr] κ : innstillingsvinkel η: virkningsgrd d: dimeter [mm] L: lengde [mm] K : verktøykostnd. K : mskinkostnd v t : eggvrighet v m n

9 ILI Vedlegg 2 v 3 RA Figur 1. Avkjølingshstighet for rundstål. Kurver: S = Surfce (overflte), ¾ -Rdius, Midt Rdius, C = center. Figur 2. Resulttet v jominy-prøver for noen meriknske stål

10 ILI Vedlegg 3 v 3 RA Figur 3. Fsedigrm for luminium litium legeringer