Høgskolen i Gjøvik 13HBTEKD, 13HTEKDE. INNFØRING MED PENN, evt. trykkblyant som gir gjennomslag.

Transkript

1 Høgskolen i Gjøvik LØSNINGSFORSLAG! EKSAMEN EMNENAVN: MATERIALLÆRE EMNENUMMER: TEK2091 EKSAMENSDATO: 11. desember 2013 KLASSE: 13HBTEKD, 13HTEKDE 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 i vedlegget viser fasediagrammet for jern (Fe) - karbon (C). Fasediagrammet for jern (Fe) - karbon (C). Den eutektoide reaksjonen er markert med bokstaven C. Den eutektiske reaksjonen er markert med bokstaven H. Høgskolen i Gjøvik side 3

4 OPPGAVE 2, forts. 2a) To stål med henholdsvis 0,5% C og 1,3% C avkjøles sakte fra austenittområdet og ned til værelsestemperatur, slik at det hele tiden følger likevektsdiagrammet. Forklar kort hva som skjer med strukturen under avkjølingen. Avkjøling av stål med 0,5% C: - Ved ca o C har all smelten størknet til en fase med kubisk flatesentrert struktur austenitt,. - Ved videre nedkjøling er stabil helt ned til like under 800 o C (A i Figur). Her blir mettet på Fe og spaltes opp i to faser, ferritt, -jern og. - Etter hvert som temperaturen synker og det utskilles, øker s andel av C. Sammensetningen er gitt av linjen A-C. Vi ser får en noe større andel av C etter som temperaturen synker. - Ved temperaturen A1 = 723 o C har både og sin største oppløselighet av C, henholdsvis 0,05% C og 0,8% C, se Figur punkt D og C. (Legeringens totale sammensetning er selvfølgelig uforandret, og gitt av punktet B.) - Ved videre nedkjøling spaltes til eutektoidet perlitt, P, som er en finfordelt mekanisk blanding av og cementitt, Fe3C. - Vi har nå to strukturelementer, og P. inneholder bare en fase, mens P inneholder begge fasene som er til stede, og Fe 3 C. s sammensetning er gitt av punkt D, Fe3C s sammensetning av punktet E og P s sammensetning av punktet C, se - Ved videre nedkjøling til normaltemperatur forblir disse strukturbestanddelene uforandret. Den eneste forandringen som finner sted, er at s oppløselighet av C avtar, slik at C diffunderer ut av og inn i Fe3C. Avkjøling av stål med 1,3%C: - Ved ca o C har all smelten størknet til fast fase, austenitt,. - Ved videre avkjøling er stabil helt ned til ca. 900 o C (F i Figur). Her blir mettet på C, og den spaltes opp i to faser, cementitt, Fe3C og. Fe3C s sammensetning er gitt av punkt E i - Etter hvert som temperaturen synker og det skilles ut mer Fe3C med C innhold på 6,7%, synker s andel av C. Sammensetningen av følger linjen F-C i diagrammet. Fe3C s oppløselighet av C er hele tiden 6.7%. - Når legeringen er avkjølt til A1 = 723 o C, punkt G, har sammensetning gitt av punkt C. - Ved videre avkjøling spaltes den til eutektoidet perlitt, P (blanding av ferritt, og Fe3C). Legeringen består nå av to strukturelementer, Fe3C og P. Fe3C består kun av en fase og P av to faser, og Fe3C. s sammensetning er gitt av punkt D, Fe3C s av punkt E og P s av punkt C. Den eneste forandring som finner sted ved den videre avkjøling til normaltemperatur, er at s oppløselighet av C avtar, slik at C diffunderer ut av ferritten og inn i Fe3C. Høgskolen i Gjøvik side 4

5 OPPGAVE 3 Et stål med 0,5% C og 0,8% Mn skal varmebehandles (isoterm omdannelse) til en hardhet HRC 23. Se figur under. 3a) 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. 3b) 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 5

6 OPPGAVE 4 Tabellene under viser analysekrav og mekaniske egenskaper for vanlig konstruksjonsstål og for et austenittisk rustbestandig stål etter Norsk Standard. Materiale C Si Mn P S N Cr Ni Konstruksjonsstål 0,17 0,050 0,050 0,007 Rustbestandig stål 0,05 1,0 2,0 0,045 0, Tabell. Analyse i % (masse). Rest er Fe. Materiale R m R e A 5 E Slagseighet (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) (%) (GPa) (J) ved ( 0 C) Konstruksjonsstål * ) ,5 20 Rustbestandig stål ** ) ikke oppgitt * ) Ferrittisk, ** ) Austenittisk Tabell. Mekaniske egenskaper 4a) Hvilke gitterstrukturer har de to materialene som levert? Begrunn svaret. De mekaniske egenskapene R m, R e og A 5 er resultater fra strekkprøving. Tegn figur, strekkprøvediagram, som viser prøveresultatet for disse to materialene. Kurvene skal tegnes i samme figur, og R m, R e og A 5 skal angis for begge materialene. Materiale 1: Materiale 2: Kubisk romsentrert gitterstruktur (ferrittisk) Kubisk flatesentrert gitterstruktur (austenittisk) R (N/mm 2 ) Rm2 = 650 Rm1 = 360 Re1 = 235 Re2 = R A 5 F S 0 L L 0 L U L L % 45% ε (%) Høgskolen i Gjøvik side 6

7 OPPGAVE 4, forts. 4b) Hvilke prøvemetode ble benyttet for å bestemme slagseigheten, og hva er slagseigheten et uttrykk for? Hva er prinsippet for metoden (kort fortalt)? Tegn kurver for de to materialene som viser slagseighet som funksjon av temperatur. Kommenter kurvene. Skårslagprøving: Slagseigheten er et uttrykk for materialets kapasitet til å motstå sprøbrudd (kløvningsbrudd) ved en bestemt temperatur og under medvirkning av en kjerv. Prinsipp: En standardisert prøvestav (10x10x55) utstyrt med et skår (ofte V) slåes av med et slag av en pendelhammer. Slagarbeidet (slagseigheten) måles som forskjell i kinetisk energi ( KE). Resultatet av prøver med forskjellige temperaturer avsettes i et diagram, slagseighet v/temp. Omslagstemperaturen registreres, temp. ved 27,5J slagarbeid, angir overgang sprøtt - seigt materiale. Slagseighet ,5J 20 0 C Temp. Kommentar: - Materiale 1 har kubisk romsentrert gitterstruktur (Ferritt), seigt / sprøtt brudd avhengig av temperatur. - Materiale 2 har kubisk flatesentrert gitterstruktur (Austenitt), ikke sprøbruddfare, egner seg godt ved lave temperaturer. Høgskolen i Gjøvik side 7

8 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 8

9 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 9

10 OPPGAVE 6 Keramer omfatter flere av de eldste materialene som menneskene har tatt i brukt. 6a) Hvilke type atombindinger finner vi hos keramer og hvilke betydning har de for egenskapene? Keramer har enten ioniske eller kovalente bindinger. Dette fører til at atomene sitter godt fast i bestemte posisjoner i forhold til hverandre. Molekyler beveger seg ikke for å ta opp lastpåvirkninger som i polymerene. Betydning for egenskapene: - Flyting kan ikke skje på samme måte som hos metallene. - Keramene er sterkere og hardere enn metallene. - De har høyere smeltepunkt og elastisitetsmodul - De har lavere termisk utvidelse og lavere reaktivitet. - De er sprøe. OPPGAVE 7 Kompositter erstatter eller supplerer i dag de konvensjonelle materialene. 7a) 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 10

11 OPPGAVE 7a), 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 11