NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Side 1 av 6 INSTITUTT FOR MATERIALTEKNOLOGI

Like dokumenter
EKSAMEN I EMNE SIK5005 MATERIALTEKNOLOGI 2 MANDAG 5. MAI, LØSNINGSFORSLAG -

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR MATERIALTEKNOLOGI EKSAMEN I EMNE TMT4175 MATERIALTEKNOLOGI 2

Eksamen i TMT 4185 Materialteknologi Tirsdag 12. desember 2006 Tid:

EKSAMEN I: (MSK200 Materialteknologi) DATO: OPPGAVESETTET BESTÅR AV 3 OPPGAVER PÅ 4 SIDER + 3 SIDER VEDLEGG

Løsningsforslag til eksamen i materialteknologi

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

OPPGAVESETTET BESTÅR AV 5 OPPGAVER PÅ 3 SIDER + 3 SIDER VEDLEGG

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

Ekstraordinær E K S A M E N. MATERIALLÆRE Fagkode: ILI 1269

Avdeling for ingeniørutdanning. Eksamen i materialteknologi og tilvirkning

EKSAMEN I: (MSK205 Materialmekanikk) DATO: OPPGAVESETTET BESTÅR AV 3 OPPGAVER PÅ 3 SIDER + 2 SIDER VEDLEGG

0$7(5,$// 5( )DJNRGH,/,

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

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

Løsningsforslag i stikkordsform til eksamen i maskindeler og materialteknologi Tromsø Desember 2015

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR MATERIALTEKNOLOGI LØSNINGSFORSLAG

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

Løsningsforslag til Ø6

Løsningsforslag til Øvingsoppgave 6

Avdeling for ingeniørutdanning. Eksamen i materialteknologi og tilvirkning

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

Høgskolen i Gjøvik 15HBTEKD, 15HTEKDE. INNFØRING MED PENN, evt. trykkblyant som gir gjennomslag.

Høgskolen i Gjøvik 14HBTEKD, 14HTEKDE. INNFØRING MED PENN, evt. trykkblyant som gir gjennomslag.

MATERIALLÆRE for INGENIØRER

EKSAMEN. MATERIALER OG BEARBEIDING Fagkode: ILI 1458

OPPGAVESETTET BESTÅR AV 3 OPPGAVER PÅ 3 SIDER + 4 SIDER VEDLEGG

(.675$25',1 5 0$7(5,$// 5( )DJNRGH,/,

Avdeling for ingeniørutdanning

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

Løsningsforslag til eksamen i materiallære Tromsø

Støpejern. Frey Publishing

Eksamen i maskindeler og materialteknologi i Tromsø mars Øivind Husø

I Fe - legeringer. Metaller og legeringer, 2 grupper: Fe - legeringer. II Ikke - Fe - legeringer. 10 Ferrous Alloys (lectures notes)

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

E K S A M E N. MATERIALER OG BEARBEIDING Fagkode: ITE 1553

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN FY1013 ELEKTRISITET OG MAGNETISME II Fredag 9. desember 2005 kl

OPPGAVESETTET BESTÅR AV 5 OPPGAVER PÅ 3 SIDER + 2 SIDER VEDLEGG SOM TOTALT BLIR 5 SIDER.

Løsningsforslag til Øvingsoppgave 1. Et krystall er bygd opp av aggregat av atomer ordnet etter et regelmessig tredimensjonalt mønster.

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN FY1013 ELEKTRISITET OG MAGNETISME II Fredag 8. desember 2006 kl 09:00 13:00

Elastisitet, plastisitet og styrking av metaller

Løsningsforslag eksamen TMT4185 ;

Varmebehandling av stål Frey Publishing

MATERIALLÆRE for INGENIØRER

Løsningsforslag til Øvingsoppgave 1. Et krystall er bygd opp av aggregat av atomer ordnet etter et regelmessig tredimensjonalt mønster.

59.1 Beskrivelse Bildet under viser hvordan modellen tar seg ut slik den står i utstillingen.

ELEKTRISK STRØM 2.1 ELEKTRISK STRØM ATOMER

KONTIUNASJONSEKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

Løsningsforslag til Øvingsoppgave 2

Språkform: Bokmål Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

MATERIALLÆRE for INGENIØRER

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

er at krystallitt eller korn. gitterstrukturen. enhetscelle regelmessighet og symmetri. Henning Johansen side 1

EKSAMENSOPPGAVE. Adm.bygget, Aud.max. ü Kalkulator med tomt dataminne ü Rottmann: Matematisk Formelsamling. rute

EKSAMEN I FAG SIF4062 FASTSTOFFYSIKK VK Fakultet for fysikk, informatikk og matematikk Tirsdag 8. mai 2001 Tid: Sensur faller 29.

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Øvingsoppgave 4. Oppgave 4.8 Hvorfor er de mekaniske prøvemetodene i mange tilfelle utilstrekkelige?

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN TMT4185 DES

Vanlige varmebehandlings metoder for stål:

Basis dokument. 1 Solcelle teori. Jon Skarpeteig. 23. oktober 2009

Øvingsoppgave 4. Oppgave 4.8 Hvorfor er de mekaniske prøvemetodene i mange tilfelle utilstrekkelige?

10 JERN - KARBON LEGERINGER, LIKEVEKTSTRUKTURER (Ferrous Alloys) 10.1 Generelt

AVSPENNING, REKRYSTALLISASJON OG KORNVEKST

Figur 1 Strekkprøvediagram for to prøvestaver

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN I FAG SIF4065 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Fakultet for naturvitenskap og teknologi 13. august 2002 Tid:

2 KRYSTALL STRUKTUR (Atomic structure) 2.1 Gitterstruktur

Løsningsforslag til EKSAMEN

Løsningsforslag TMT 4170 Materialteknologi 1

EKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

Beskriv de viktigste konstruksjonssementene (i Norge) og hovedbruksområder. Sementgelet består av 3 hovedelementer. Hvilke?

OBLIGATORISK MIDTSEMESTERØVING I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

Legeringer og fasediagrammer. Frey Publishing

Eksamen i emne TFE4110 DIGITALTEKNIKK MED KRETSTEKNIKK. Lørdag 5. juni Tid. Kl LØSNINGSFORSLAG

Språkform: Bokmål Navn: Truls Gundersen, Energi og Prosessteknikk Tlf.: (direkte) / (mobil) / (sekretær)

FASER, FASEDIAGRAMMER OG LEGERINGER

Eksamen i emne TFE4110 DIGITALTEKNIKK MED KRETSTEKNIKK

Side 1 av 10 NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET (NTNU) - TRONDHEIM INSTITUTT FOR ENERGI OG PROSESSTEKNIKK

elementpartikler protoner(+) nøytroner elektroner(-)

Forelesning nr.8 INF 1411 Elektroniske systemer. Dioder

Fys2210 Halvlederkomponenter

Øvingsoppgave 3. Oppgave 3.4 Hva er mest elastisk av stål og gummi, og hvilket av disse to stoffene har høyest E-modul?

Elektrisitetslære TELE1002-A 13H HiST-AFT-EDT

EKSAMEN I FAG TEP4170 VARME- OG FORBRENNINGSTEKNIKK 18. mai 2007 Tid:

Spenningskilder - batterier

Ofte prater vi om grovkrystallinsk, finkrystallinsk og fibrig struktur.

Oppgaver. HIN IBDK RA Side 1 av 6. Oppgave 1. Ved prøving av metalliske materialer kan man finne strekkfastheten,.

LØSNINGSFORSLAG KRETSDEL

OBLIGATORISK MIDTSEMESTERØVING I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Fysikk og teknologi Elektronikk FYS ) Det betyr kjennskap til Ohms lov : U = R I og P = U I

BYGGING AV LIKESTRØMSKILDE OG TRANSISTORFORSTERKER

NORGES TEKNISK- NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR FYSIKK Faglig kontakt under eksamen: Ola Hunderi, tlf (mobil: )

Kapittel 12: Struktur og egenskaper til keramer

Mekanisk belastning av konstruksjonsmaterialer Typer av brudd. av Førstelektor Roar Andreassen Høgskolen i Narvik

UNIVERSITETET I OSLO

Legeringer og fasediagrammer. Frey Publishing

Formel ark Mas

EKSAMEN FY1003 ELEKTRISITET OG MAGNETISME Mandag 4. desember 2006 kl

LABORATORIERAPPORT. Halvlederdioden AC-beregninger. Christian Egebakken

Transkript:

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Side 1 av 6 INSTITUTT FOR MATERIALTEKNOLOGI Faglig kontakt under eksamen: Øystein Grong/Knut Marthinsen Tlf.:94896/93473 EKSAMEN I EMNE SIK5005 MATERIALTEKNOLOGI 2 Mandag 5. mai 2003 Tid: kl 09.00-13.00 Hjelpemidler: D Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt. Bestemt, enkel kalkulator tillatt. Sensurdato: 26. mai 2003 Oppgave 1. Her skal vi se nærmere på mikrostruktur og egenskaper til Al-Mg legeringer som hører inn under den såkalte 5XXX serien. Fasediagrammet Al-Mg er vist i Fig. 1. a) Al-Mg legeringer oppnår deler av sin styrke gjennom såkalt fast løsningsherding. Forklar nærmere hva som ligger i dette begrepet og spesielt hvorfor Mg-atomer i fast løsning bidrar til å gi slike legeringer økt styrke. Bruk skisser og utfyllende tekst. Oppgitt: atomradius for Al: 1,43Å, atomradius for Mg: 1,60Å Figur 1. Fasediagrammet Al-Mg.

Side 2 av 6 b) Forklar hva som menes med begrepene faser, korn og korngrenser i en mikrostrukturell sammenheng. Benytt enkle skisser og utfyllende tekst. Med utgangspunkt i Fig. 1 gi så eksempler på ulike en -og tofaseområder som opptrer i dette diagrammet. c) Hvilke forutsetninger/betingelser må være oppfylt for at mikrostrukturen ved en gitt temperatur skal kunne avleses direkte fra fasediagrammet? Tilsvarende, når bør slike diagrammer ikke benyttes? Svarene skal begrunnes. d) En legering med 5wt% Mg kjøles fra smeltetemperatur (T = 660 o C) og ned til romtemperatur (RT) under betingelser som hele tiden svarer til likevekt. Du skal nå beskrive nærmere (vha. tekst og figurer) mikrostrukturen til denne legeringen slik den vil fortone seg i et lysmikroskop etter bråkjøling til RT fra følgende tre temperaturer: T = 600 o C, T = 450 o C og T = 200 o C. Vis samtidig hvorledes Al -og Mg atomene som inngår i de ulike fasene er arrangert i hvert enkelt tilfelle (bruk enkle 2-dimensjonale skisser til å illustrere atomstrukturen). e) Bruk dernest vektstangregelen til å beregne volumfraksjonen av hver enkelt fase som opptrer i legeringen ved de tre angitte temperaturer under punkt (d). Hvilken tilleggsforutsetning må være oppfylt for at volumfraksjonen skal kunne beregnes direkte fra fasediagrammet i ovennevnte tilfeller? f) Tenk deg nå at samme legering varmes langsomt opp igjen inntil smelting inntreffer. Vil dette påvirke resultatene som du kom frem til under punkt (d) og (e)? Svaret skal begrunnes. Oppgave 2. I denne oppgaven skal vi se nærmere på mikrostrukturen til stål og hvorledes denne i praksis kan manipuleres ved hjelp av varmebehandling med tanke på å optimalisere de mekaniske egenskapene. a) Skisser et typisk TTT (time-temperature-transformation)-diagram for et eutektoidisk stål. angi hvor fasene austenitt, bainitt, perlitt og martensitt befinner seg i diagrammet forklar hvordan henholdsvis bainitt, perlitt og martensitt dannes fra austenitt Skisser videre i diagrammet hvordan du vil varmebehandle for å oppnå: en finkornet perlittisk struktur 50 % bainitt og 50 % martensitt 100 % martensitt

Side 3 av 6 b) En hammer av stål med 0,55wt% C er fremstilt ved varmsmiing med påfølgende varmebehandling. De to hodene har etter varmebehandling en hardhet på 62-63 Rockwell C (som er maksimal hardhet i martensitt med 0,55wt% C), mens området mellom hodene har en hardhet på ca. 35 Rockwell C. Etter kort tids bruk oppdager man at en bit av det ene hodet er slått av som vist i Fig. 2. Spørsmål: hvordan kan varmebehandlingen ha foregått for å oppnå martensitt med maksimal hardhet i hodene? hvorfor ønsker en å ha en mykere sone mellom hodene? hvilken ekstra varmebehandling burde ha vært utført for å unngå at biter av hodet blir slått av ved bruk? Figur 2. Bilder som viser ødelagt hammer. c) Hvilke legeringselementer ( i tillegg til silisium, mangan og små mengder karbon) tilsettes gjerne mikrolegerte stål for å gi økt styrke? Hvilke herdemekanismer er det her som gjør seg gjeldende? d) Et stål har en flytespenning på 300 MPa og en bruddseighet K IC på 60 MPa m. Beregn størrelsen på en overflatesprekk som vil føre til et brudd ved en belastning på 80 % av flytespenningen. Oppgitt: K = f σ π a. Anta f = 1. Anta videre at linær-elastisk bruddmekanikk kan benyttes (dvs. at uttrykket for K er gyldig).

Side 4 av 6 e) En vurderer å bytte ut stålet i deloppgaven over med et høyfast stål for å redusere vekten på konstruksjonen. Dette stålet har en flytespenning på 1460 MPa og en bruddseighet K IC på 98 MPa m. Anta at det er et krav at størrelsen på den kritiske overflatesprekken er identisk med det som ble beregnet for stålet i deloppgaven over. Hvor stor del av flytespenningen (uttrykt i %) kan du i praksis utnytte i dette høyfaste stålet? Oppgave 3. Mikrostrukturen har også en avgjørende innvirkning på egenskapene til termoplaster. For eksempel har polyetylen med kjemisk sammensetning C 2 H 4 både en amorf og en krystallinsk form, og består ofte av en blanding av disse. a) Gjør nærmere rede for hvorledes krystalliseringsgraden påvirker egenskapene til polyetylen. Her bør du være mest mulig konkret og gi eksempler på noen viktige fysikalske og mekaniske egenskaper. b) Krystallinsk polyetylen har orthorombisk gitterstruktur, med 4 karbonatomer og 8 hydrogenatomer pr. enhetscelle. Skisser på dette grunnlag atomarrangementet og mikrostrukturen til krystallinsk polyetylen. Skissene skal være ledsaget av utfyllende tekst. c) Beregn tettheten ρ c til krystallinsk polyetylen når gitterparametrene i enhetscellen er a 0 = 0,742nm, b 0 = 0,495nm og c 0 = 0,255nm. Oppgitt: molvekt til C: 12g/mol, molvekt til H: 1g/mol Avogadro s tall: 6,022 10 23 atomer/mol d) En gitt komponent av polyetylen skal ha en tetthet ρ som ligger mellom 920kg/m 3 og 950kg/m 3. Innenfor hvilke grenser må da krystalliseringsgraden (uttrykt i %) variere for at dette kravet skal være oppfylt? Tettheten til amorf polyetylen ρ er 870kg/m 3. a e) For å oppnå den tilsiktede krystalliseringsgrad og tetthet i polyetylen må spesielle grunnforutsetninger være oppfylt. Diskuterer på et mer generelt grunnlag hvilke faktorer som påvirker krystalliseringsgraden i termoplaster. Stikkord i denne sammenheng er krystallstruktur, avkjølingshastighet, varmebehandling, polymerisasjonsgrad, deformasjon etc.

Side 5 av 6 Oppgave 4. I materialvitenskap skiller man ofte mellom strukturelle materialer, dvs. materialer for konstruksjonsformål og såkalte funksjonelle materialer hvor man utnytter materialenes elektriske, magnetiske og/eller optiske egenskaper. Vi skal i denne oppgaven ta for oss en viktig klasse av slike materialer, nemlig halvledermaterialer, og diskutere ulike aspekter ved disse. Relevante fysikalske data er gitt i Tabell 1. (a) (b) Vi skal først ta for oss rent (udopet) silisium og diskutere silisium s instrinsikke ledningsegenskaper. Fra Tabell 1 ser vi at rent silisium ved romtemperatur har en svært lav ledningsevne sammenlignet med f.eks kopper (Cu). Gjør rede for årsaken til dette. Ledningsegenskapene for silisium kan forbedres betraktelig ved å tilsette en liten mengde fremmedatomer, dvs. ved å gjøre silisium til en såkalte ekstrinsikk halvleder. Den heltrukne linjen i Fig. 3 nedenfor viser elektronkonsentrasjonen i ledningsbåndet som funksjon av temperatur for et silisium-materiale som er dopet med et Gruppe VA element tilsvarende 10 21 atomer/m 3. (Til sammenligning viser den stiplede linjen det tilsvarende antall elektroner i ledningsbåndet i høyrent silisium). Er dette en p- eller n-type halvleder? Begrunn svaret. Figur 3. Grafisk fremstilling av elektronkonsentrasjonen i ledningsbåndet som funksjon av temperaturen for to ulike kvaliteter av silisium dopet med et Gruppe VA element.

Side 6 av 6 Gjør rede for denne temperaturavhengigheten i elektronkonsentrasjonen og for de ulike stadiene i den heltrukne kurven. (c) Med basis i Fig. 3 beregn ledningsevnen til dette materialet i temperaturområdet fra 100 til +200 0 C, dvs. i det området hvor ledningsevnen er konstant og temperaturuavhengig. I praksis kan man bruke den elektriske ledningsevnen til å anslå konsentrasjonen av dope-elementer. Hvilken atomfraksjon av dopematerialet tilsvarer det dopenivå som er benyttet her? Det oppgis at silisium har diamantstruktur (8 atomer per enhetscelle) og en gitterkonstant a = 5,4307 Å. (d) (e) Hvorfor er det slik at de fleste metaller og halvledere er ugjennomsiktige, mens glass, mange høy-rene krystallinske keramiske materialer og polymermaterialer er gjennomsiktige? Halvledermaterialer kan utnyttes for å lage halvlederkomponenter med ulike funksjoner i elektriske kretser. En av de enkleste halvlederkomponenter er en såkalt p-n overgang (p-n junction). Gjør kort rede for strøm-spennings karakteristikken for en p-n overgang og dermed hvordan en slik komponent kan brukes som en likeretter i en elektrisk krets. Oppgitt: k = 1,38 10-23 J/K q = 1,6 10-19 C 1 ev = 1,6 10-19 J Eg σ = n q + 0 ( μ e μ h )exp 2kT 5 x 10 Tabell 1 Elektronisk struktur og elektrisk ledningsevne for Gruppe IVA elementer ved 25 o C. Metall Elektronisk Struktur Elektrisk ledningsevne (Ω -1 m -1 ) Energi gap (E g ) (ev) Elektron mobilitet(μ e ) (m 2 V -1 s -1 ) Hull mobilitet (μ h ) (m 2 V -1 s -1 ) C (diamant) 1s 2 2s 2 2p 2 < 10-16 5,4 0,18 0,14 Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3 1,11 0,19 0,05 p 2 Ge..4s 2 4p 2 2,0 0,67 0,38 0,18 Sn... 5s 2 5p 2 9,0 10 6 0,25 0,25 0,24