LØSNINGSFORSLAG i stikkordsform Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

Transkript

1 LØSNINGSFORSLAG i stikkordsform Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag Eksamen i: Materialteknologi Målform: Bokmål Dato: 2.juni 2016 Tid: 3 timer / kl Antall sider (inkl. forside): 5 Antall oppgaver: 4 Tillatte hjelpemidler: Håndholdt kalkulator som ikke kommuniserer trådløst Merknad: Kandidaten må selv kontrollere at oppgavesettet er fullstendig. Ved eventuelle uklarheter i oppgaveteksten skal du redegjøre for de forutsetninger du legger til grunn for løsningen. Besvarelsen skal merkes med kandidatnummer, ikke navn. Bruk blå eller sort kulepenn på innføringsarket. Faglig veileder: Øivind Husø Utarbeidet av (faglærer): Øivind Husø Kontrollert av (en av disse): Annen lærer Sensor Instituttleder/ Fagkoordinator Arne Henriksen Instituttleders/ Fagkoordinators underskrift: Emnekode: MATS1500 Side 1av 5

2 Oppgave 1 Figur 1 viser fasediagrammet for jern-jernkarbid, Fe3C og en forstørrelse av den eutektoide delen av fasediagrammet. Et karbonstål med 1,15 % karbon blir varmet opp til 900 C og holdt ved denne temperaturen i flere timer. Deretter blir stålet kjølt langsomt ned til romtemperatur. a. Ved hvilken temperatur starter omdanningen av austenitt og hva blir dannet? Svar: 880 C, Primær sementitt blir dannet b. Hvilke faser er det i stålet ved 728 C, hva er fasenes kjemiske sammensetting og hvor mye er det av hver fase? Svar: 6,4 % Fe 3 C med 6,67 % C og 93,6 % austenitt med 0,77 %C c. Hvilke faser finnes i stålet ved romtemperatur, hva er den kjemiske sammensettingen til fasene og hvor mye er det av hver fase? Svar: 83 % ferritt med 0,02 %C, 17 % Fe 3 C med 6,67 %C d. Hvilke delstrukturer inneholder stålet ved romtemperatur og hvor mye er det av hver delstruktur? Lag en skisse av mikrostrukturen til stålet. Sett på navn på faser og delstrukturer. Svar: 6,4 % primær Fe 3 C og 93,6 % perlitt Side 2av 5

3 e. Ved mikroskopundersøkelse av stålet viser det seg at kornstørrelsen har blitt for stor. Beskriv hvordan du vil redusere kornstørrelsen. Svar (stikkord): Normalisering. Oppgave 2 Figur 2 viser TTT diagrammet for et stål med 0,5 % C og 0,8 % Mn. Figur 2 Det blir laget 7 prøver av dette stålet. Prøvene blir merket a,b,c,d,e,f og g. Alle prøvene blir varmet opp til 810 ºC og holdt der en time. Deretter blir prøvene avkjølt på forskjellig måte. Beskriv hva som skjer og hvordan mikrostrukturen i hver prøve blir etter avkjølingen. Angi hardheten til hver prøve. Side 3av 5

4 a. Prøve a blir bråkjølt til 600 ºC og holdt der i 10 s. Deretter blir prøven bråkjølt til 25 ºC. Løsning: Etter oppvarming til 810 ºC og holdetid 1 time er prøven fullstendig austenittisert. Ved 600 ºC blir det dannet ferritt og fin perlitt, det vil si perlitt med tynne feritt- og sementittlameller (kornstørrelsen styres ikke av underkjølingen. Den avhenger av kornstørrelsen til austenitten). Denne strukturen er fremdeles til stede etter bråkjøling til romtemperatur. HRC 25 b. Prøve b blir bråkjølt til 400 ºC og holdt ved denne temperaturen i 100 s. Deretter blir den bråkjølt til romtemperatur. Løsning: Bainitt dannes ved 400 ºC. Bainitten er bestandig etter bråkjøling til romtemperatur. HRC 39 c. Prøve c blir bråkjølt til 25 ºC Løsning: Mikrostrukturen blir martensitt. HRC 62 d. Prøve d blir bråkjølt til 700 ºC og holdt der i 100 s. Deretter blir prøven bråkjølt til 200 ºC og til slutt luftkjølt til romtemperatur. Løsning: Ved 700 ºC blir mye av austenitten omformet til ferritt, men etter 100 s finnes det fortsatt noe ustabil austenitt igjen. Ved bråkjøling til romtemperatur omdannes resten av austenitten til martensitt. Resultatet blir et tofasestål med matrix av ferritt og martensittøyer. e. Prøve e blir bråkjølt til 700 ºC og holdt der i 100 s, bråkjølt til 400 ºC og holdt der i 3 timer og luftkjølt til romtemperatur. Løsning: Mikrostrukturen blir ferritt med bainitt. Det er vanskelig å bestemme hardheten til stålet utfra foreliggende diagram. f. Prøve f blir bråkjølt til 700 ºC og holdt der i 100 s, bråkjølt til 400 ºC og holdt der i 10 s og deretter bråkjølt til romtemperatur Løsning: feritt, bainitt og martensitt. Det er vanskelig å bestemme hardheten til stålet utfra foreliggende diagram. g. Prøve g blir bråkjølt til romtemperatur og deretter varmet opp til 500 ºC og holdt ved denne temperaturen i ½ time Løsning: Anløpt martensitt. Det er vanskelig å bestemme hardheten til stålet utfra foreliggende diagram, men hardheten er mindre enn i oppgave C. Side 4av 5

5 Oppgave 3 Figur 3a viser et utsnitt av fasediagrammet for aluminium-magnesium. Figur 3b viser utherdingskurver for AlMg. Figur 3a fasediagrammet for AlMg. Figur 3b Utherdingskurver for AlMg a. Sammenlign 3 legeringer og avgjør hvilken som egner seg best til partikkelherding. Legering 1: 0,5 % Mg, legering 2: 1,5 % Mg, legering 3: 2,5 % Mg. Begrunn valget. Svar: Legering nr. 2, det vil si 1,5 vektprosent Mg. b. Foreslå en herdeprosedyre for maksimal styrke for legeringen du valgte i oppgave a. Angi alle aktuelle temperaturer og tider. Hvilke styrkeverdier oppnår legeringen? Svar: Innherding ved ca. 580 ºC, bråkjøling i vann, utherding ved 140 ºC i 3 dager gir R p0,2 = 225 MPa og R m = 360 MPa (omtrentlige verdier) c. Hva er keramer og hvilke egenskaper ved keramene gjør dem interessante for maskiningeniører? Svar: Keramer uorganiske, ikke-metalliske materialer som er dannet ved sammenpressing eller sammensintring av ett eller flere elementer. Keramene holdes sammen av sterke kovalente bindinger og ionebindinger. Det fører til høyt smeltepunkt og det gjør keramene harde, men også sprø. De deler eller utveksler elektroner for å fylle opp de ytterste s- og p-orbitalene (s 2 p 6 ) og har derfor få frie elektroner. Det fører vanligvis til liten varmeledningsevne og liten elektrisk ledningsevne. Moderne keramer blir brukt i elektronikkindustrien, til skjærende verktøy og til mekaniske komponenter som må tåle varme. d. Nevn de viktigste forskjellene mellom herdeplaster og termoplaster. Stikkord: Termoplastene oppfører seg på en plastisk, duktil måte. De har svake Van der Waals bindinger mellom kjedene. Det gjør at de smelter når temperaturen blir tilstrekkelig høy. Termoplastene er lette å resirkulere. Herdeplasten har sterke bindinger mellom kjedene, noe som gjør at de vanskelig kan smeltes om. Herdeplastene formes under herdeprosessen. Side 5av 5

6 Side 6av 5

7 Oppgave 4 En prøvestav av en Cu-Ni-legering med diameter 12,83 mm og målelengde mm ble strukket til brudd i en strekkprøvemaskin. Et ekstensiometer var påmontert prøven under hele strekkforsøket, og lasten og ekstensiometerets målelengde ble registrert. Tabell 1 viser resultatene. Tabell 1 Last (N) Målelengde (mm) 0 50, , , , , , , , (maks last) 57, ,850 Etter brudd var målelengden 69,85 mm og diameteren ved bruddstedet var 9,83 mm a. Regn ut nominelle spenninger (MPa) og nominelle tøyninger (%) og tegn den teknologiske spenning-tøyningskurven. La 1 cm på y-aksen tilsvare 50 MPa og 1 cm på x-aksen tilsvare 0,1%. Side 7av 5

8 b. Finn Rp02 og strekkfastheten. Rp 0,2 180 MPa Rm =378,47 MPa c. Regn ut E-modulen. Hvilken praktisk nytte har du av E-modulen? Kan E-modulen endres ved å endre legeringssammensettingen? E = 68,841 0,0005 = 1,4 105 MPa. E-modulen brukes i nedbøyningsberegninger. Kan endres dersom legeringen endres vesentlig. A = d. Regn ut forlengelsen og kontraksjonen ved brudd i prosent. Hva forteller disse størrelsene oss? 69,85 50,8 50,8 100% = 37,5 %. Z = 12,832 9, , % = 48 % Både forlengelsen ved brudd og kontraksjonen ved brudd er indikatorer for duktiliteten til materialet. e. Hva ville hendt med prøven dersom du avlastet den til 0 og strekker på nytt etter at den var belastet med N? Stikkord: arbeidsherding, sterkere men sprøere prøve. Side 8av 5