LØSNINGSFORSLAG i stikkordsform Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag Eksamen i: Materialteknologi Målform: Bokmål Dato: Tid: 3 timer / kl. 9.00 12.00 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 Instituttleders/ Fagkoordinators underskrift: Emnekode: MATS1500 Side 1av 5
Oppgave 1 Figur 1a viser fasediagrammet for jern-jernkarbid, Fe3C. Figur 1b viser en forstørrelse av den eutektoide delen av fasediagrammet. Figur 1c viser TTT-diagrammet for et stål med 0,5 %C og 0,8 % mangan. Figur 1b Figur 1a Figur 1c Oppgave 1 a. Et karbonstål som inneholder 0,4 % C blir varmet opp til 1000 C, holdt ved denne temperaturen i flere timer og deretter avkjølt langsomt til romtemperatur. Bruk fasediagrammet på figur 1 til å bestemme hvilke faser som finnes i stålet ved 1000 C, ved 730 C og ved romtemperatur. Bruk korrekte navn på fasene. Angi også fasenes kjemiske sammensetting ved de ulike temperaturene. b. Ved romtemperatur består stålet av delstrukturene primær (proeutektoid) ferritt og perlitt. Regn ut hvor mange prosent det er av hver av delstrukturene ved romtemperatur. Lag deretter en skisse av mikrostrukturen til stålet. c. Forklar hvordan du vil gå fram for å lage et stål med ferittisk grunnmasse og bestanddeler av bainitt og martensitt av et stål med 0,5 % C og 0,8 % Mn. Hvor stor del av stålet blir ferrittisk? Side 2av 5
Løsningsforslag Oppgave 1.a Når temperaturen er 1000 C, består legeringen bare av austenitt. Fasens kjemiske sammensetting er 99,6 % Fe og 0,4 % C. Når temperaturen er 730 C, består legeringen av ferritt og austenitt. Ferrittens kjemiske sammensetting: 99,98 % Fe og 0,02 % C Austenittens kjemiske sammensetting: 99,2 % Fe og 0,8 % C Ved romtemperatur består legeringen av ferritt og sementitt. Ferrittens kjemiske sammensetting: 99,8 % Fe og 0,02 % C Sementittens kjemiske sammensetting: 99,2 % Fe og 6,7 % C Oppgave 1.b Ligning1: m (0,4 0,02) m perlitt (0,8 0,4) Ligning 2 : m m perlitt 100% Ved å løse ligningene finner vi at ca 45 % av legeringen er primær., mens ca. 55 % av legeringen er perlitt. Oppgave 1.c Oppvarming til over 727 C. Holdetid til all perlitt har gått i oppløsning. 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 Side 3av 5
Oppgave 2 Figur 2 viser fasediagrammet for aluminium - kobber. I diagrammet er det tegnet inn en stiplet linje som markerer en legering med 4 % kobber. Figur 3 viser skjematisk en gjennomskåret sveis i en partikkelherdet aluminium-kobberlegering med 4 % kobber. Figuren øverst (a) viser sveisen når temperaturen er på sitt høyeste. Da er selve sveisesonen flytende. Den nederste figuren (b) viser sveisen etter at den er avkjølt i luft. I tillegg til selve sveisesonen viser figurene den delen av materialet som er varmepåvirket av sveisingen. Totalt viser figurene 5 soner. a. Hva er a? b. Hva er θ og hvilken rolle spiller θ i partikkelherding av aluminium? c. Forklar hva som har skjedd i «overaged zone» i sveisen. Hvilken temperatur har materialet i denne sonen blitt utsatt for? d. Forklar hva som har hendt med materialet i «solution treated zone» i sveisen. Hvilken temperatur har materialet i denne sonen blitt utsatt for? e. Rangér sonene «unaffected base material», «overaged zone» og «solution treated zone» fra sterkest til svakest etter at sveisen er avkjølt langsomt. Skriv en kort begrunnelse Figur 2 Fasediagrammet for aluminium - kobber Figur 3 Soner i sveist aluminium Side 4av 5
Løsning a. α er aluminium med inntil 5,65 % kobber i fast løsning. b. θ er en intermetallisk forbindelse mellom aluminium og kobber. θ inneholder 54 % kobber og 46 % aluminium. θ er materialet i partiklene i partikkelherdet aluminium. c. I den overeldrede sonen, som ligger inntil materialet som ikke er varmepåvirket, har θpartiklene vokst og revet seg løs fra gitteret. De er ikke lenger koherente. Temperaturen har vært litt under solvuslinjen, altså opp mot 500 ºC. d. Materialet i «solution treated zone» har blitt varmet opp til over solvuslinjen, altså over 500 ºC. θ har blitt felt ut på korngrenden til a. Materialet er svakt. Ingen partikkelherding finner sted. e. 1. «unaffected base material», 2. «overaged zone» og 3. «solution treated zone» Side 5av 5
Oppgave 3 a. Hva er forskjellen mellom sann spenning og nominell spenning? b. Hva er det motsatte av et stivt materiale? c. En rund stav laget av nikkel har diameteren 3,750 mm. Flytegrensen til nikkel er 310 MPa og strekkfastheten er 379 MPa. Blir staven varig deformert dersom den utsettes for en last på 3780 N? Svaret skal begrunnes d. En stålwire er 31,3 mm i diameter og 15,00 m lang. Wiren brukes til å løfte en last på 18,140 tonn. Hvor lang er wiren under løftet? (Estål = 207 000 MPa) e. Et ledd i ankerkjettingen til en flyttbar borerigg ryker. Undersøkelser av bruddet viser betydelig deformasjon og sammensnøring rundt bruddstedet. Hva kan årsaken til bruddet være? Begrunn svaret f. En roterende aksel i en dieselmotor ryker. Rundt bruddstedet er det ingen tegn på plastisk deformasjon, men deler av bruddflaten er relativt glatt mens andre deler er ruglete. Se figur 4. Hva kan årsaken til bruddet være? Beskriv bruddforløpet Figur 4 Bruddflaten til en maskinaksel (Pilene er påført i forbindelse med undersøkelser av bruddet) g. Det skal lages en horisontal utkragebjelke av karbonfiberarmert epoxy. Bjelken er fast innspent i den ene enden og har en vertikal nedoverrettet enkeltlast i den andre enden. Hvordan vil du plassere karbonfibrene? Side 6av 5
Løsning (Stikkord) a. Nominell spenning er beregnet ut fra opprinnelig tverrsnitt på en prøvestav. Sann spenning refererer til prøvestavens virkelige tverrsnitt b. Et mykt materiale c. σ = 342 MPa. Staven blir varig deformert siden spenningen overskrider flytegrensen d. σ = F = 18147 9,81 π = 235,8 MPa A 0 (0,031)2 4 e = σ = 0,0011 cm/cm E. e = l løft l 0 0 0,0011cm/cm l 0 l løft = 15,02 m e. Overlast f. NDT g. Utmatting h. Fibrene må legges der det er strekk, det vil si på oversiden av bjelken. Fibrene bør ligge i bjelkens lengderetning Side 7av 5