Løsningsforslag til Eksamen i maskindeler og materialteknologi i Tromsø mars Øivind Husø

Transkript

1 Løsningsforslag til Eksamen i maskindeler og materialteknologi i Tromsø mars 2016 Øivind Husø

2 Oppgave 1 1. Et karbonstål som inneholder 0,4 % C blir varmet opp til 1000 C og deretter avkjølt langsomt til romtemperatur. Bruk fasediagrammet på figur 1a til å bestemme hvilke faser som finnes i stålet ved 1000 C, ved 730 C og ved romtemperatur. Bruk korrekte navn på fasene. Angi også fasenes kjemiske sammensetting ved de ulike temperaturene. Figur 1a. Fasediagrammet for stål. 2. Ved romtemperatur vil mikrostrukturen til stålet bestå av delstrukturene primær (proeutektoid) og perlitt. Regn ut hvor mange prosent det er av hver av delstrukturene ved romtemperatur. Lag deretter en skisse av mikrostrukturen til stålet. 3. Forklar, ved hjelp av figur 1b, hvordan du vil herde stålet dersom du ønsker at det skal bli hardest mulig. Forklar også hvorfor herdet stål blir anløpt etter herdingen og hvordan anløpingen blir utført. Figur 1b. TTT-diagram

3 Løsningsforslag Oppgave 1.1 Når temperaturen er 1000 C, består legeringen bare av austenitt. Fasens kjemiske sammensetting er 99,6 % Fe og 0,4 % C. Når temperaturen er 730 C, består legeringen av ferritt og austenitt. Ferrittens kjemiske sammensetting: 99,98 % Fe og 0,02 % C Austenittens kjemiske sammensetting: 99,2 % Fe og 0,8 % C Ved romtemperatur består legeringen av ferritt og sementitt. Ferrittens kjemiske sammensetting: 99,8 % Fe og 0,02 % C Sementittens kjemiske sammensetting: 99,2 % Fe og 6,7 % C Oppgave 1.2 Ligning1: m (0,4 0,02) m perlitt (0,8 0,4) Ligning 2 : m m perlitt 100% Ved å løse ligningene finner vi at ca 45 % av legeringen er primær., mens ca. 55 % av legeringen er perlitt. Oppgave 1.3 Varmer vi opp stålet til ca. 760 C og holder det der en stund, slik at stålet blir fullstendig austenittisert. Bråkjøling av stålet i vann fører til at det dannes det en nålestruktur som er svært hard. Strukturen kalles martensitt og prosessen kalles herding. Etter herdingen er stålet sprøtt. Stålet kan gjøres seigere ved anløping. Anløping vil si at vi varmer opp stålet til en relativt lav temperatur, holder det ved denne temperaturen en viss tid og lar det avkjøles i luft. For karbonstål fører anløpingen til at den harde martensitten suksessivt omdannes til sementitt og ferritt. Denne omdanningen er både avhengig av temperaturen og tiden.

4 Oppgave 2 Figur 2a viser fasediagrammet for aluminium - kobber. I diagrammet er det tegnet inn en stiplet linje som markerer en legering med 4 % kobber. Figur 2b viser skjematisk en gjennomskåret sveis i en partikkelherdet aluminium-kobberlegering med 4 % kobber. Figuren øverst viser sveisen når temperaturen er på sitt høyeste. Da er selve sveisesonen flytende. Den nederste figuren viser sveisen etter at den er avkjølt i luft. I tillegg til selve sveisesonen viser figurene den delen av materialet som er varmepåvirket av sveisingen. Totalt viser figurene 5 soner. a. Hva er a? b. Hva er θ og hvilken rolle spiller θ i partikkelherding av aluminium? c. Forklar hva som har skjedd i «overaged zone». Hvilken temperatur har materialet i denne sonen blitt utsatt for? d. Forklar hva som har hendt med materialet i «solution treated zone». Hvilken temperatur har materialet i denne sonen blitt utsatt for? e. Rangér sonene «unaffected base material», «overaged zone» og «solution treated zone» fra sterkest til svakest etter at sveisen er avkjølt langsomt. Skriv en setning kort begrunnelse Figur 2a Fasediagrammet for aluminium - kobber Figur 2b Soner i sveist aluminium

5 Løsning a. α er aluminium med inntil 5,65 % kobber i fast løsning. b. θ er en intermetallisk forbindelse mellom aluminium og kobber. θ inneholder 54 % kobber og 46 % aluminium. θ er materialet i partiklene i partikkelherdet aluminium. c. I den overeldrede sonen, som ligger inntil materialet som ikke er varmepåvirket, har θpartiklene vokst og revet seg løs fra gitteret. De er ikke lenger koherente. Temperaturen har vært litt under solvuslinjen, altså opp mot 500 ºC. d. Materialet i «solution treated zone» har blitt varmet opp til over solvuslinjen, altså over 500 ºC. θ har blitt felt ut på korngrenden til a. Materialet er svakt. Ingen partikkelherding finner sted. e. 1. «unaffected base material», 2. «overaged zone» og 3. «solution treated zone»

6 Oppgave 3 a. Et ledd i ankerkjettingen til en flyttbar borerigg ryker. Undersøkelser av bruddet viser betydelig deformasjon og sammensnøring rundt bruddstedet. Hva kan årsaken til bruddet være? Begrunn svaret b. Hvordan kan du finne en slaggineslutning i en sveis? c. En roterende aksel i en dieselmotor ryker. Rundt bruddstedet er det ingen tegn på plastisk deformasjon, men deler av bruddflaten er relativt glatt mens andre deler er ruglete. Se figur 3. Hva kan årsaken til bruddet være? Beskriv bruddforløpet Figur 3 Bruddflaten til en maskinaksel (Pilene er påført i forbindelse med undersøkelser av bruddet) Løsning (Stikkord) a. Overlast b. NDT c. Utmatting

7 Oppgave 4 Figur 4 Figur 4 viser skissen til en opphengskonstruksjon og en 3D-modell som illustrerer konstruksjonen. Opphenget består av to flattjern med 4 hull som er sveist fast på et flattjern med to hull. Opphenget er festet til en topplate med 2 skruer. Mellom de to fastsveiste flattjernene er det skrudd fast et flattjern med tykkelse 14 mm. Opphenget er belastet med en kraft F = 260 kn som vist. Spenningsareal for metriske skruer Skrue Spenningsareal (mm 2 ) M5 14 M6 20 M8 37 M10 58 M12 84 M M M M a. Finn riktig dimensjon til de strekkbelastede skruene som fester opphenget i topplaten når skruene har fasthetsklasse 8.8 og sikkerhet mot flyting skal være 2. b. Regn ut nødvendig bredde b på det midterste flattjernet dersom hullene til de 4 skruene alle har diameteren13 mm. Flytegrensen til stålet er 360 MPa og sikkerhet mot flyting er 2 c. Regn ut hulltrykkspenningen dersom det brukes M12-skruer. d. Kontroller om M12 fasthetsklasse 10.9 er tilstrekkelig for de fire skruene som er utsatt for skjærspenning når sikkerheten mot flyting skal være 1,5.

8 Løsningsforslag a. Nødvendig spenningsareal i de strekkbelastede skruene: A s = F = ,5 = 406 mm2 σ tillatt ,5 Velger skrue M30 b. Tverrsnittet blir svekket på grunn av 2 skruehull = (b 2 13) Løser ligningen med hensyn på b og får b = 129,17 mm. Runder opp til 130 mm. c. Hulltrykkspenning: 387 MPa d. Kraften som hver skrue må ta opp: F skrue = F = 260 = 65 kn 4 Tillatt spenning i skruen: σ tillatt = = 320 MPa Skjærspenning i hver skrue: τ = F skrue = = 387 MPa, siden skjærspenningen fordeles A s 84 2 på 2 flater Jevnførende spenning i skruene: σ jf = = 670 MPa. Tillatt spenning i skruene: σ tillatt = ,5 = 600 MPa Skrue M12 er ikke tilstrekkelig siden jevnførende spenning er større enn tillatt spenning

9 Oppgave 5 Et løpehjul er festet til en roterende bæreaksel slik figur 5 under viser. Løpehjulet er belastet med en kraft på 200 kn. Akselen er laget av stål. Under akseltegningen finner du en beregningsmodell for akselen. Figur 5 a. Finn opplagerkreftene Fa og Fb b. Tegn skjærkraftdiagram for akselen. c. Tegn bøyemomentdiagram. d. Regn ut den minste diameteren som akselen kan ha i det mest belastede tverrsnittet, dersom tillatt bøyespenning for akselmaterialet er 100 MPa. e. Regn ut diameteren på akseltappen i snitt A A

10 Løsning a. F a = F b = = 100 kn 2 b og c: d. M b = W b σ tillatt = 0, d = 3 = 126 mm 0,1 100 Akselen må være minst 126 mm der bøyemomentet er størst e. Bøyemomentet i snitt A-A: M b(a A) = F A 50 mm = = Nmm d = = 79,37 mm 0,1 100