Eksamen i TMT 4185 Materialteknologi Fredag 2. desember 2011 Tid:

Transkript

1 Side 1 v 10 NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR MATERIALTEKNOLOGI Fglig kontkt under eksmen/ Contct during exmintion: Jrle Hjelen (oppgve/problem 1,2 ) tel / Lrs Arnberg (oppgve/problem 3) tel / Eksmen i TMT 4185 Mterilteknologi Fredg 2. desember 2011 Tid: Hjelpemidler: D: Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tilltt / No printed or written mteril llowed. Godkjent lommeklkultor tilltt /Approved pocket clcultor is permitted. Oppgven legges ved besvrelsen. Vedlegg/Appendices: Vedlegg med noen konstnter og ormler /Some constnts nd ormuls. Oppgvesettet består v 3 oppgver. Hver oppgve er delt i 4 (,b,c,d). Hver enkelt v de totlt 12 deloppgvene teller i utgngspunktet likt ved bedømmelsen. /The exm consists o 3 exercises, ech exercise is split into 4 prts (,b,c,d) with totl o 12. Every prt mounts eqully in the evlution. Husk å merke lle rk i besvrelsen med studentnummer /Remember to lbel ll pper sheets with your student number!

2 Side 2 v 10 Oppgve 1/ Problem 1 / Oppgåve1 Figur 1 Aluminium-silisium sedigrmmet/figure 1 The luminium-silicon phse digrm/ Figur 1 Fsedigrmmet til luminium-silisium. () Fsedigrmmet or systemet luminium-silisium er vist i Figur1. Ant en Al-25wt% Si legering/the luminium-silicon phse digrm is shown in Fiure 1. Suppose n Al-25wt%Si lloy/fsedigrmmet or systemet luminium-silisium er vist i igur 1. Gå ut rå ei Al-25wt% Si legering. Bestem/ Determine/: Finn i) smmensetningen til det ørste ste som dnnes under størkning/the composition o the irst solid to orm during solidiiction/ smnsetjing til det yrste ste som vert dnn under størkning. ii) mengde og smmensetning til hver se ved 578ºC/the mounts nd compositions o ech phse t 578ºC/mengd og smnsetjing til kvr se ved 578ºC. iii) skisser mikrostrukturen ved 576ºC og ngi mengder og smmensetning v de orskjellige mikrostrukturkomponentene/mke sketch o the microconstituents t 567 ºC nd stte their mounts nd compositions/ skisser mikrostrukturen ved 576ºC og oppgje mengd og smnsetjing v dei einskilde mikrostrukturkomponentne.

3 Side 3 v 10 Figur 2 Pln i en kubisk enhetcelle/figure 2 Plnes in cubic unit cell/ Figur 2 Pln i ei kubisk einingcelle (b) Finn/Determine/Finn: i) indeksene til plnene A, B og C i igur 2/ Determine the indices or the plnes in Figure 2/ Finn indeksne til pln i igur 2. ii) krystllstrukturen når dirksjonsmønsteret viser en topp or A- plnene/the crystl structure when the the dirction pttern shows pek or the A plnes / krystllstrukturen når dirksjonsmønsteret viser ein topp or A-pln. iii) de krystllogriske retningene (type) representert ved skjæringene mellom pln A og kubens sidelter /the crystllogrphic directions (mily) represented by the intersection between the plne A nd the ces o the cube./dei krystllogriske retningne (type) representert ved skjæringne mellom pln A og sideltene i kuben. iv) betegnelsen på kombinsjonen v denne type pln og retninger i dette krystllsystemet og beskriv kort hvoror denne spesielle kombinsjonen er v interesse/designtion o the combintion o these milies o plnes nd directions in this crystl system, nd describe briely why this specil combintion is o interest/nmnet på kombinsjonen v denne typen pln og retningr i dette krystllsystemet og orklr kort kvior denne spesielle kombinsjonen er v interesse.

4 Side 4 v 10 Figur 3 Den luminiumrike delen v sedigrmmet til luminium-kopper/figure 3 The luminium-rich side o the luminium-copper phse digrm/figur 3 Den luminiumrike delen v sedigrmmet til luminium-koppr. (c) i) Skisser vrmebhndlingen or utherding v en Al-4wt%Cu legering (som er en såklt utherdbr legering)/sketch the het tretment or ge hrdening o n Al-4wt%Cu lloy (which is soclled ge hrdenble lloy)/skisser vrmebehndling or utherding v en Al-4wt% Cu legering (som er ei såkll utherdbr legering). ii) Forklr kort (med henvisning til mikrostruktur) hvordn denne herdemeknismen ungerer/sketch briely (with reerence to the microstructure) how this hrdening mechnism works/forklr kort (med reernse til mikrostrukturen) korleis denne herdemeknsimen ungerer. Hvilke betingelser må være oppylt or t en legering skl være utherdbr?/which conditions hve to be ullilled to mke n lloy ge hrdenble? Kv or krv må innrist or t ei legering skl vere utherdbr? (d) Frktogri /Frctogrphy/Frktogri b c Figur 3 Scnning elektronmikroskopbilder /Figure 3 Scnning electron microscope imges/ Figur 3 Scnning elektronmikroskop bilete. i) Hvilke bruddtyper er vist i Figur 3,b, og c? /Which rcture ctegories re shown in Figure 3, b nd c?/ Kv or brottypr er vist i igur 3, b og c?

5 Side 5 v 10 ii) Hvordn ser bruddtypene i Figur 3 og b ut mkroskopisk?/how do the rctures or the rcture ctegories in Figure 3 nd b look mcroscopiclly?/ Korleis ser brottypne i Figur 3 og b ut mkroskopisk? Oppgve 2/ Problem 2/ Oppgåve2 Figur 4. Strekk-kurven or en luminium legering / Figure 4. Engineering stress strin behvior or n luminium lloy / Figur 4. Strekk-kurv or ei luminiumlegering Strekkstvens geometriske mål / The tensile specimen geometry / Strekkprøvs geometriske mål: A 0 = 33.25mm 2 ; l 0 = med mer. () Figur 4 viser et spennings tøynings orløp r et strekkprøvningsorsøk or en luminium legering Fr kurv inn ølgende størrelser: lytegrense, strekksthet og bruddorlengelse / Figure 4 shows tensile curve rom n luminium lloy From this curve determine the ollowing dt: yield strength, tensile strength nd elongtion t rcture / Figur 4 viser ei spenningstøyings kurve rå eit strekkprøvingsorsøk or ei luminium legering Frå kurv inn desse verdine: lytegrens, strekkstheit og brot-tøying. (b) Fr igur 4, i) beregn legeringens seighet (evnen til å bsorbere plstisk energi) og ii) gi et nslg på stningseksponenten (n) / From Figure 4, i) clculte the toughness o the lloy (the bility to bsorb plstic energy) nd ii) clculte n estimte o the strin hrdening exponent (n) / Frå igur 4, i) rekne ut legerings seigheit (evn til å bsorbere plstisk energi) og ii) gje eit nslg på stningseksponenten (n).

6 Side 6 v 10 Figur 5 IT-digrm or et 1,13 wt% C stål. /Figure5 IT-digrm or 1.13 wt% C steel lloy/ Figur 5 IT-digrm or eit 1,13 wt% C stål. (c) (d) Et isotermisk trnsormsjonsdigrm (IT-digrm) or krbonstål består v et område med grov perlitt og et med in perlitt. Forklr hvoror perlitten blir grov ved høyere temperturer og in ved lvere temperturer / An isotherml trnsormtion digrm (IT-digrm) or crbon steel consists o n re with corse perlite nd one with ine perlite. Explin why the perlite becomes corse t higher tempertures nd ine t lower tempertures/eit isotermisk trnsormsjonsdigrm (IT-digrm) or krbonstål inneheld eit område med med grov perlitt og eit med in perlitt. Forklr kvior perlitten blir grov ved høgre temperturr og in ved lågre temperturr. Med bsis i IT-digrmmet i Figur 5 or en 1.13 wt% C stållegering, bestem endelig mikrostruktur (ngi type se og ndel). I hvert tilelle orutsett som utgngspunkt en liten prøve som hr blitt holdt på 900 C til mn hr en ullstendig og homogen ustenittstruktur. i) Rsk vkjøling til 250 C, hvor den blir holdt i 10 3 s, deretter påølgende bråkjøling til romtempertur, ii) Rsk vkjøling til 400 C, hvor den blir holdt i 500 s, deretter påølgende bråkjøling til romtempertur og iii) Rsk vkjøling til 600 C, hvor den blir holdt i 1 s, så rsk vkjøling til 300 C hvor den blir holdt i 100 s, deretter påølgende bråkjøling til romtempertur / Using the IT-digrm in Figure or 1.13 wt% C steel lloy, determine the inl microstructure (phse(s) present nd their corresponding rction) o smll smple tht hs been held t 900 C long enough to chieve complete nd homogeneous ustenitic structure. i) Rpidly cool to 250 C, hold or 10 3 s, then quench to room temperture, ii) Rpidly cool to 400 C, hold or 500 s, then quench to room temperture nd iii) Rpidly cool to 600 C, hold t this temperture or 1 s, rpidly cool 300 C, hold or 100 s, then quench to room temperture/ Med bsis i ITdigrmmet i Figur 5 or ei 1.13 wt% C stållegering, bestem endelig mikrostruktur (oppgje type se og del). I kvrt tilelle set som utgngspunkt ein liten prøve som hr verte hlden på 900 C til mn hr ein ullstendig og homogen ustenittstruktur. i) Snr vkjøling til 250 C, der den vert hlden i 10 3 s, deretter påølgjnde bråkjøling til romtempertur, ii) Snr vkjøling til 400 C, der den vert hlden i 500 s, deretter

7 Side 7 v 10 påølgjnde bråkjøling til romtempertur og iii) Snr vkjøling til 600 C, der den vert hlden i 1 s, så snr vkjøling til 300 C der den vert hlden i 100 s, deretter påølgjnde bråkjøling til romtempertur Oppgve 3/ Problem 3/ Oppgåve 3 ) Krystllstrukturen i kermiske mteriler kn ote beskrives som et tettpkket niongitter med ktioner i hulrom. Beskriv de ulike typene v hulrom i en kubisk tettpkket struktur og koordinsjonen v nioner rundt ktionene i de ulike hulrommene. Et eksempel på en slik struktur er NCl. I hvilken type v hulrom er N + -ionene plssert? The crystl structure o cermic mterils cn oten be described s close pcked nion lttice with ctions in interstitil sites. Describe the dierent interstitil sites in cubic close pcked structure nd the coordintion o nions round the ctions in the dierent sites. One exmple o this type o structure is NCl. In which type o site is the N + ion locted? b) Gjør kortttet rede or tilvirkning v kermiske leirprodukter - orming - tørking - brenning Describe briely the briction o cermic cly products - orming - drying - iring c) Gjør kortttet rede or krystllissjon i polymere mteriler. - Hvordn skjer krystllissjon? - Hvilke polymerer kn krystllisere? - Hvilke ktorer påvirker grden v krystllissjon? Describe briely crystlliztion o polymers. - How does crystlliztion occur? - Which polymers cn crystllize? - Which ctors inluence crystlliztion? d) Gjør rede or korrosjonsbeskyttelse ved hjelp v oernode. Describe corrosion protection by scriicil node.

8 Side 8 v 10 konstnter / constnts / konstntr Gsskonstnten (R): J K -1 mol -1 (Gs constnt) Enhetsldning (e): C (Unit chrge/chrge o n electron) 1 ev = J k = J/K Msse or protoner/nøytroner: kg (Mss o proton/neutron) Konvertering psi/mp: 1 psi = MP C = As ; V = AW [ ] [ ] [ ] [ ] ormler / ormuls/ ormlr J = -D (dc/dx) C/t =-D 2 C/x 2 C x Co x 1 er ( ) C C 2 Dt s o D = D o exp(-q/rt) = F/A = (l i -l o )/l o = l/l o = F/A o E = / G = / A 1 A U d Rp0.2 R m 2 100% 0 = () = - x / z = - y / z E = 2G(1+) t = F/A i t = ln (l i /l o ) T K ; n = (logσ 1 log σ 2 )/logε 1 logε 2 ) n T y = o + k y d -1/2 d n -d n 0 = Kt m = 2 o (/ t ) 1/2 = i ET K Y c c

9 Side 9 v 10 s min +smx s m = 2 s r =smx -s min sr smx -s s = = 2 2 smin R = s mx min V W W b r r b = Vb = W Wb W W + + r r r r b b b W V V r br b = Wb = V r + V r V r + V r b b b b 2 d hkl sin Ө = n λ d hkl = h + k + l BCC: h+k+l=2, 4, 6, 8, 10, 12,. FCC: h 2 +k 2 +l 2 = 3, 4, 8, 11, l2, 16,.. 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

10 Side 10 v 10 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 = b log i/i o r = i/nf P-B = (A O M )/(A M O) U = R I = RA/l = 1/ = = n e e = n e e + p e h E g n q 0 ( e h )exp 2kT