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