side 1 av 6 HØGSKOLEN I NARVIK Teknologisk Avdeling Studieretning: Allmenn Maskin EKSAMEN I MATERIALER OG BEARBEIDING Fagkode: ILI 1458 Tid: 12.06.02 kl 0900-1400 Tillatte hjelpemidler: Kalkulator med tomt minne. R. G. Corneliussen: Tilvirkningsteknikk. HiN-kompendium: Verkstedteknisk måleteknikk og CNCstyring. Eksamenbeståravtodeler, Materialer og Bearbeiding,somteller50%hver. Det fremgår av teksten hvor mye hver enkelt oppgave teller. Det er til sammen 8 oppgaver og 6 nummererte sider inkl. forside og vedlegg. Det er 1 side vedlegg (side 6). Faglærere: Magnus Aanstad og Roar Andreassen
side 2 av 6 Materialer Oppgave 1 (10 %) Svar kort på følgende spørsmål. a) I forhold til andre grupper av materialer, har metaller spesielle mekaniske egenskaper, hvilke? Hva heter de andre av i alt 4 (eller 5) gruppene av materialer? b) Nevn 3 typer komposittmaterialer som er 3 forskjellige kombinasjoner av materialgruppene (jfr. spørsmål a)). Angi komposittene du trekker frem, ved typisk navn, anvendelse eller karaktertrekk. c) Kubiske krystaller hos rene metaller kan bygges opp på forskjellig måte. i) Angi eller regn ut relasjonen (sammenhengen) mellom atomdiameter og cellekonstant for fcc og bcc. ii) Hvordan påvirker det et metalls mekaniske egenskaper om det har fcc- eller bcc-struktur? d) Tegn en skisse av atomplasseringen i (110) planet i fcc. e) En stålprøve glattpoleres og etses. Så betraktes den i mikroskopet (lysfelt). Hva kan man se? Forklar hvordan kontrasten oppstår (hvorfor vi kan se noe). f) Visse aluminiumlegeringer kan herdes ved en bestemt fremgangsmåte. Forklar kort prosedyren for innherding og varmutherding og forklar kort hva som er årsaken til herdevirkningen. Hvilken herdemekanisme gir denne herdevirkningen? g) Hvordan påvirkes E-modulen av et polymermaterial av temperaturen? Du skal omtale det spesielle for polymermaterialer. h) To forskjellige typer prøvestaver i et og samme keramiske material har tverrsnitt hhv. 10 mm 2 og 25 mm 2. I gjennomsnitt tålte prøvene av den første størrelsen en strekkraft på 1200 N, mens prøvene av den andre typen tålte en strekkraft på 2200 N. Se på strekkbrudd-spenningen og forklar kort hvilke egenskaper dette avslører hos keramer. Oppgave 2 (10 %) Ved strekkprøving av et metall fant man følgende verdier for spenning og tøyning: σ [MPa] 31 62 70 90 110 120 ε [%] 0,03 0,06 0,1 0,3 0,6 1 a) Tegn et tydelig diagram som viser spenning som funksjon av tøyning og angi flytespenningen som R p0,2. b) En 5 meter lang stang i dette materialet belastes med 110 MPa strekk, dvs. opp i det plastiske området. Hvor lang er staven etter at den på nytt er avlastet? Oppgi svaret med 1 mm nøyaktighet.
side 3 av 6 Oppgave 3 (10 %) Figuren over til venstre viser et utsnitt av metallisk krystall med en dislokasjon. a) Det finnes to grunntyper av dislokasjoner. i) Hva kalles den typen som vises på figurene over? Det virker en skjærspenning som vist på figuren til venstre. ii) Hvilken vei vil dislokasjonen vandre? b) Figuren til høyre viser et krystall med to dislokasjoner. Hva skjer med disse dislokasjonene når en skjærspenning virker som vist? c) Dislokasjoner forklarer plastisk flyt i metaller. Men dislokasjoner kan også forårsake en herdevirkning. Forklar kort hvordan dette kan skje. Oppgave 4 (10 %) a) Forklar kort hvordan avkjølingshastigheten og dermed diffusjonshastigheten påvirker strukturdannelsen i karbonstål som avkjøles fra austenittiseringstemperatur. Du skal omtale ferritt-perlitt dannelse samt dannelse av øvre og nedre bainitt. (Du skal ikke komme inn på martensittdannelse). Du kan gjerne vise hvordan disse tingene kan illustreres med et TTT-diagram (Tid-Temperatur Transformasjon). b) Bruk vedlagte kurver og finn ut hvor tykk rundstang av stål AISI 1060(#2) som kan oppnå overflatehardhet over 50 HR C ved bråkjøling i olje med omrøring. Oppgave 5 (10 %) Ved dimensjonering og materialvalg for en trykktank, må man sikre seg at det ikke blir hurtig brudd. Finn maksimal tillatt størrelse på gjennomgående sprekk i plate (ekvivalentsprekkstørrelsen) på en trykktank som er laget av et stål med følgende materialdata: Bruddseighet K c = 150 MPa m,flytegrenser p = 550 MPa og bruddgrense R m = 670 MPa. Benytt formelen for spenningsintensitetsfaktoren: K =σ π a,derσ er spenningen og a er sprekkdyp.
side 4 av 6 Bearbeiding Oppgave 6 (20 %) a) Hvilket hovedkrav må vi stille til et metall hvis det skal være godt egnet for plastisk bearbeiding? Vis dette vha. en enkel skisse. Gi eksempler på materialer som er godt og dårlig egnet for plastisk bearbeiding. b) Et støpestykke med dim. 400 x 400 x 2000 mm ( h x b x l ) skal valses ned til høyde = 180 mm. c) Hvor mange valsestikk trengs når reduksjonskoeffisienten = 0,80 og bredden holdes konstant? Bestem lengden av støpestykket etter valsingen. d) En stålplate med tykkelse 2,0 mm og bredde 60 mm skal bøyes til V-form (90 ) ved fribøying, se figur 4. Bestem bøyekraften når stålets strekkfasthet R m = 460N/mm og bøyevidden = 30 mm. Figur 4 Oppgave 7 (20 %) a) Hva er de viktigste oppgavene til dekket på dekkede elektroder? b) Forklar begrepene høyutbytte-elektrode og nyttetall for elektroder. c) Forklar skjærevinklene for freseverktøy, bruk skisse. d) Du skal bore et hull i en 12 mm tykk stålplate med et 10 mm toskjærs bor. Matingen er 0,20 mm/r og turtallet = 500 r/min. Spesifikk skjærkraft settes til 1500 N/mm, og den mekaniske virkningsgraden settes til 0,80. Bestem hovedskjærkraft, bormoment og motoreffekt for denne boreoperasjonen. e) Bestem boretiden når vi forutsetter at boret har en spissvinkel på 118.
side 5 av 6 Oppgave 8 (10 %) a) Forklar hva som menes med begrepet produksjonscelle ( bruk skisse ). b) Skriv et enkelt program for å dreie akselen i figur 5 i en CNC-styrt dreiebenk. Vis/forklar hvordan du legger koordinatsystemet ditt. Figur 5 c) Du skal produsere 250 stk. akslinger som den i b). Foreslå en enkel måte å kontrollere at målene på akslingene er riktige, når målingene skal kunne foretaes hurtig.
side 6 av 6 Vedlegg materiallære Curve legend S: Surface C: Center R: Radius M-R: Mid Radius Figur 1. Avkjølingshastigheter for rundstål. Figur 2. Resultatet av jominy-prøver for noen amerikanske stål