Eksamen i TMT 4185 Materialteknologi Tirsdag 12. desember 2006 Tid:

Transkript

1 Side 1 av 10 NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR MATERIALTEKNOLOGI Faglig kontakt under eksamen: Jarle Hjelen (oppgave 1 og 2 ) tel Lars Arnberg (oppgave 3) tel Eksamen i TMT 4185 Materialteknologi Tirsdag 12. desember 2006 Tid: Hjelpemidler: D: Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt / No printed or written material allowed. Bestemt, enkel kalkulator tillatt /Speciic calculator allowed Oppgaven legges ved besvarelsen. Sensurrist: Vedlegg/Appendices: *) Vedlegg med noen konstanter og ormler /Some constants and ormulas. *) CCT-diagram Oppgavesettet består av 3 oppgaver. Hver oppgave er delt i 4 (a,b,c,d). Hver enkelt av de totalt 12 deloppgavene teller i utgangspunktet likt ved bedømmelsen. /The exam consists o 3 exercises, each exercise is splitted into 4 parts (a,b,c,d) with a total o 12. Every part amounts equally in the evaluation. Husk å merke alle ark i besvarelsen med studentnummer /Remember to label all paper sheets with your student number!

2 Side 2 av 10 Oppgave 1 a) Blant aluminiumlegeringene skiller man mellom utherdbare (heat-treatable) og ikke utherdbare (non heat-treatable) legeringer. /Among the aluminium alloys we distiguish between heat-treatable and non heat treatable alloys. Forklar kort /explain briely: i) hva menes med utherdbare legeringer? /what does heat-treatable alloys mean? ii) hvilken betingelse som må være oppylt or at legeringen skal være utherdbar?/ which condition has to be ullilled to make the alloy heat-treatable? iii) varmebehandlingsprosedyre / procedure o heat treatment iv) herdemekanismen (mikronivå) / hardening mechanism (micro level) b) Figuren over viser en del av asediagrammet til Cu-Zn systemet. Hvilke aser er tilstede i områdene A,B,C,D,E og F? En legering med sammensetning 74 w% Zn og 26 w% Cu avkjøles langsomt ra 565 o C til 555 o C ( R i iguren)./the igure above shows a region o the copper-zinc phase diagram. Which phases are present in A,B,C,D,E, and F? An alloy having a composition o 74 wt% Zn and 26 wt% Cu is slowly cooled rom 565 o C to 555 o C (R in the igure). Beskriv kort/describe briely: i) reaksjonen i R / the reaction occuring in R ii) hvilke(n) ase(r) som oppstår, og estimer mengde/sammensetning?/which phase(s) occur(s), and estimate amounts/composition iii) sannsynlig mikrostruktur/ the likly microstructure

3 Side 3 av 10 c) Figuren over viser en del av asediagrammet or systemet nikkel (Ni) titan (Ti) med et kongruent punkt. Ved hvilken temperatur og sammensetning skjer det en kongruent omvandling? Hva kjennetegner en kongruent omvandling? Nevn andre eksempler på kongruent omvandling. The igure above shows a portion o the nickel (Ni)-titanium (Ti) phase diagram on which is shown a congruent point. At which temperature and composition is the congruent point? What is characteristic o a congruent transormation? Mention other examples o congruent transormations.

4 Side 4 av 10 d) Figuren over viser CCT-diagrammet til en 0.35 wt%c jern-karbon-legering. Riv ut siste side (vedlegget) som inneholder en kopi av denne iguren. Tegn inn og merk av kontinuerlige avkjølingskurver som gir ølgende mikrostrukturer/the igure above shows the CCT-diagram or a 0.35wt% C iron-carbon alloy. Tear out the last page (appendix) with the CCT-diagram. Sketch and label continuous cooling curves to yield the ollowing microstructures: A) in perlitt og proeutektoid eritt/ine pearlite and proeutectoid errite B) martensitt/martensite C) martensitt og proeutektoid eritt/martensite and proeutectoid errite D) grov perlitt og proeutektoid eritt/coarse pearlite and proeutectoid errite E) martensitt, in perlitt og proeutektoid eritt/martensite, ine pearlite, and proeutectoid errite Oppgave 2 a) Skisser en typisk spenning-tøyningskurve (-) i orbindelse med strekkprøving av metalliske materialer. Merk av viktige punkter på kurven og sett navn på disse. Hvilken inormasjon om de mekaniske egenskapene til prøvematerialet kan beregnes ra kurven? Hva uttrykker arealet under kurven og hva er enheten til dette arealet? Sketch a typical stress-strain curve (-) in connection with tensile testing o metallic materials. Label important points on the curve and name them. Which inormation about the mechanical properties can be calculated rom such a curve? What inormation is represented by the integral under the curve and what is the unit?

5 Side 5 av 10 b) Bestem Miller-indeksene til planene A og B vist i enhetscellen under./determine the Miller indices o planes A and B shown in the unit cell below. c) Hvilken krystallstruktur er skissert i iguren under? Beregn volumet av enhetscellen som unksjon av atomradius R, V(R) og inn pakningsaktoren or denne enhetscellen./which crystal structure is sketched in the igure below? Calculate the volume o this unit cell as a unction o the atomic radius R, V(R), and calculate the packing actor or this unit cell.

6 Side 6 av 10 d) Silisium (Si) og germanium (Ge) er halvledermaterialer som benyttes i elektroniske komponenter. Den elektriske ledningsevnen til Ge er høyere enn ledningsevnen til Si, hvoror? Beregn den intrinsikke konsentrasjonen (antall ladningsbærere) i Si ved romtemperatur. Hvordan avhenger antall ladningsbærere av temperaturen? Hvilken type halvleder år vi når vi doper Si med osor (P)? Hvordan påvirker dopingen antall ladningsbærere som unksjon av temperaturen? Gitt: Si (Z=14), P (Z=15). Silicon (Si) and Germanium (Ge) are semiconductors used in electronic components. The electrical conductivity o Ge is higher than the conductivity o Si, why? Calculate the intrinsic carrier concentration (the number o charge carriers) in silicon at room temperature. How does the intrinsic carrier concentration depend on temperature? Which type o semiconductor is produced when Si is doped with phosphorus (P)? How does the doping inluence on the number o charge carriers as a unction o temperature? Given: Si (Z=14), P (Z=15). Oppgave 3 a) Egenskapene hos keramiske materialer avhenger av krystallstrukturen. To vanlige strukturer er natriumkloridstrukturen og cesiumkloridstrukturen. Lag skisser av enhetscellen or begge strukturene og angi koordinasjonstall or ionene. The properties o ceramic materials depend on their crystal structures. Two common structures are the rock salt (NaCl) structure and the cesium chloride structure. Make sketches o unit cells o the two structures and give the coordination numbers o the ions. b) Beskriv prosessen slikkerstøping av keramiske produkter. Describe the process slip casting o ceramic products c) Hva innebærer vulkanisering av elasomerer What does vulcanization o elastomers mean? d) I iguren nedenor vises relaxasjonsmodulen or polystyren i tre ulike tilstander: 1. amor 2. krystallin isotaktisk 3. kryssbundet ataktisk Identiiser hvilke kurver i iguren som tilsvarer de tre tilstandene The igure below shows the relaxation modulus or polystyrene in three dierent conditions: 1. amorphous 2. crystalline isotactic 3. cross linked atactic Identiy which curves in the igure belongs to which condition

7 Side 7 av 10 konstanter / constants Avogadros tall: mol -1 (Avogadros number) Faradays konstant: A s ekv. -1 (Faradays constant) Gasskonstanten (R): J K -1 mol -1 (Gas constant) Enhetsladning (e): A s (coulomb)(unit charge/charge o an electron) Masse or protoner/nøytroner: kg (Mass o a proton/neutron) Konvertering psi/mpa: 1 psi = MPa ormler / ormulas J = -D (dc/dx) = - D [(c b -c o )/] C/t =-D 2 C/x 2 C x Co x 1 er ( ) C C 2 Dt s o A = A o exp(-q/rt) = F/A = (l i -l o )/l o = l/l o = F/A o E = / G = / = () = - x / z = - y / z E = 2G(1+)

8 Side 8 av 10 t = F/A i t = ln (l i /l o ) y = o + k y d -1/2 d n -d 0 n = Kt m = 2 o (a/ t ) 1/2 = i ET K Y a c c r = Ae -Q/RT n'( AC AA ) VC BN A na V C N A F L 2 3 l 2bd F L l 3 R M M x i M w i M i i E r (t) = (t)/ o E c (u) = E m V m + E p V p E c (l) = (E m E p )/(VmE p + V p E m ) * d lc 2 c * cl ( 1V ) V ' m * * * lc cl V (1 ) m '(1 V ) 2l l > l c * l c ' cd V m (1 V ) d l < l c E = E o RT/nF ln Q

9 Side 9 av 10 = b log i/i o r = i/nf P-B = (A O M )/(aa M O) U = R I = RA/l = 1/ = = n e e = n e e + p e h Fe Fe 3 C asediagrammet/the Fe Fe 3 C phase diagram Båndgapenergier, elektron- og hullmobilitet og intrinsikk elektrisk ledningsevne ved romtemperatur til silisium og germanium./band gap, electron and hole mobilities, and intrinsic electrical conductivities at room temperature or silicon and germanium. Material båndgap/band gap Elektrisk ledningsevne/electrical conductivity m -1 Elektronmobilitet/ Electron mobility m 2 /Vs Hullmobilitet/ Hole mobility m 2 /Vs ev Si x Ge

10 Side 10 av 10 Vedlegg /Appendix