E2000 eks.ord - Høgskolen i Narvik - hovedside

ansatte.hin.no

E2000 eks.ord - Høgskolen i Narvik - hovedside

HØGSKOLEN I NARVIK

Teknologisk Avdeling

Studieretning: Allmenn Maskin

Tid: 21.08.01 kl 0900 - 1200

side 1 av 7

Ekstraordinær

E K S A M E N

I

MATERIALLÆRE

Fagkode: ILI 1269

Tillatte hjelpemidler: Kalkulator med tomt minne. Ingen trykte eller skrevne

hjelpemidler

Eksamen består av 3 oppgaver og 7 nummererte sider inkl. denne

Hver av de 3 oppgavene teller like mye.

Faglærer: Roar Andreassen


Oppgave 1

Svar kort på følgende spørsmål.

side 2 av 7

a) Hvordan skiller de mekaniske egenskapene seg fra hverandre for materialgruppene

keramer og glasser, metaller og polymermaterialer?

b) Nevn eksempler på hvordan komposittmaterialer får gunstigere egenskaper enn

komponentene som inngår.

c) Kubiske krystaller kan bygges opp på forskjellig måte. i) Forklar kort, evt. med skisse,

hva som skiller krystallstrukturene fcc og bcc. Metaller kan bla. ha fcc- eller bcc-struktur.

ii) Hvordan påvirker det et metalls mekaniske egenskaper om det har fcc- eller bccstruktur?

d) Tegn en skisse av atomplasseringen i (100) planet i fcc.

e) En stålprøve og en sinkprøve glattpoleres og betraktes i mikroskopet. Det benyttes

polarisert lys (og kryssede polarisatorer). Hvordan tar korn og korngrenser seg ut?

f) Karbonstål herdes som kjent ved austenittisering og etterfølgende bråkjøling. i) Hvilken

herdemekanisme er det som virker? ii) Hva er konsekvensen av å øke karboninnholdet fra

0,15% til 0,45%?

g) Ved å overskride en bestemt temperatur løses de van der waalske bindingene i et

polymermaterial. i) Hva kalles denne temperaturen? ii) Hva er den mest karakteristiske

endringen i mekaniske egenskaper?

h) Stål kan ha forskjellige herdeegenskaper. i) Hva menes med herdbarheten av et stål? ii)

Hvilken virkning har innlegering av Cr i karbonstål på herdbarheten?

i) Elastomerer (gummi) og herdeplaster har visse molekylære likheter. Hva er forskjellen i

molekylstruktur og hvordan påvirker det de mekaniske egenskapene?


Oppgave 2

side 3 av 7

Ved strekkprøving av et metall fant man følgende verdier for spenning og tøyning:

σ [MPa] 35 70 140 244 266 278

ε [%] 0,05 0,1 0,2 0,5 1 2

a) Tegn et tydelig diagram som viser spenning som funksjon av tøyning.

b) Finn E-modulen for metallet.

c) En vanlig brukt verdi for flytespenning er Rp02, dvs. spenning ved 0,2% plastisk

tøyning. Les av denne.

d) En 5 meter lang stang i dette materialet belastes med 244 MPa. i) Hvor lang er den

under belastning? Så avlastes den så det ikke virker noen belastning på den. ii) Hvor

lang er den nå? Oppgi svarene med 1 mm nøyaktighet.

e) Betrakt det vedlagte fasediagrammet for Al-Cu. i) Hvilke strukturbestanddeler inngår i

en AlCu legering med 10 masse% Cu? ii) Hvor mange masse% eutektikum dannes det

i en slik legering?


Oppgave 3

side 4 av 7

a) i) Forklar med en energibetraktning hvorfor en hardt

oppblåst ballong sprekker når man stikker en tynn nål i

den, mens en løst oppblåst ballong bare blir lekk

ii) Det oppdages en sprekk i en rektangulær plate av hard

plast. Platen henges opp med forsterkninger på begge

sider sprekken og belastes på langs med en vannbøtte. Det

fylles gradvis vann i bøtta. Akkurat når vannet veier 400

N, brister plasten. Sprekken var da 3 mm dyp. Hva er

bruddseigheten når tverrsnittet av plastplaten er 2 x 30

mm. Bruk K = σ πa

.

b) Diffusjon uttrykkes ved diffusiviteten

D

Q


RT = D0

e der den molare gasskonstanten er R = 8,314 J/(mol⋅K)

For diffusjon av karbon i jern har vi følgende tabellverdier:

D0 [m 2 /s] Q [kJ]

C i bcc-jern 2⋅10 -6 84

C i fcc-jern 2,3⋅10 -5 147

Tverrsnitt

2 x 30 mm

Et herdet stål anløpes ved 590°C i 90 min. Hva blir anløpingstida ved 610°C dersom

vi regner med samme diffusjonsvei.

Bruk relasjonen konstant

2 =

D ⋅ t

, der t er tida og L er en diffusjonsavstand.

L

c) I et smiverksted har man erfart at pregeverktøyet tåler 200.000 slag ved 2 tonns

presskraft og 100.000 slag ved 3 tonns presskraft.

Et nytt pregeverktøy tas i bruk, men etter 50.000 slag med 2 tonns presskraft finner

man å ville øke presskraften til 3 tonn. Hvor mange slag vil det være rimelig å anta at

dette verktøyet har som restlevetid?

a


Oppgave 1

side 5 av 7

a) Keramer og glasser: harde og sprø. Metaller: Kan vært (og er oftest) duktile, dermed også

seige. Polymermaterialer: Noen er sprø, andre er seigere, de fleste er viskoelastiske.

b) Glassfiberarmert plast har langt bedre strekkfasthet enn plast og er langt seigere enn glass.

c) Begge er kubiske, fcc har atom i kubens romsenter, fcc har atomposisjoner i kubens

flatesentre. Metaller med fcc-struktur kan være meget duktile (og er oftest nok så duktile

dersom det ikke er anvendt en eller flere herdemekanismer).

d) Atomsentrenes plassering må fremkomme

e) Stål er optisk isotropt - blir fortsatt blank og uten kontrast. Zn er optisk anisotropt –

krystaller med varierende orientering blir mer eller mindre lyse, polarisasjonskontrast viser

korngrenser.

f) Oppløsningsherdig (interstisielle karbonatomer i et bcc-jerngitter). Stålet (martensitten) blir

hardere ved å øke karboninnholdet.

g) Glassomvandlingstemperaturen. Når glassomvandlingstemperaturen overskrides faller Emodulen

kraftig.

h) Hvor lav avkjølingshastighet som tolereres uten at det går ut over evnen til å danne

martensitt, dvs. i praksis hvor tykke dimensjoner som kan herdes. Cr øker herdbarheten.

i) Polymermolekylene er tverrbundne i begge, men gummi har meget få tverrbindinger mens

herdeplast har relativt mange. Gummi har lav E-modul, herdeplast høyere E-modul. (Gummi:

typisk 1 MPa, herdeplast: typisk 1 GPa).


side 6 av 7

Oppgave 2

σ [MPa] 35 70 140 244 266 278

ε [%] 0,05 0,1 0,2 0,5 1 2

f) E-modulen for metallet.

MPa

300

250

200

150

100

50

6

σ 70⋅10 I det lineære området: E = = −2

ε 0,1⋅10 = 70 GPa

g)

h)

Leser av ca 250 MPa, se linja på figuren

i) Tabellen viser 0,5% tøyning ved 244 MPa:

lub −2

= l0+ l0ε=

5000+ 5000⋅0,5⋅ 10 = 5025 mm

ii)

σ

lu ≈ lub −l0⋅ε el = lub −l0⋅ E

6

244⋅10 = 5025−5000 9

7010 ⋅

= 5025− 17,4= 5008 mm

Det vil dannes 18 masse% eutektikum.

i)

Al-10Cu befinner seg til venstre for θfasen

1 . Al-10Cu består at α-Al og et

eutektikum dannet av α-Al og e-fase.

Eutektiket inneholder 33% Cu

Tallene (ca.) 5% og 33% leses av og

interpolasjon gir:

10−5 ⋅ 100% = 17,9%

33−5 1 (θ-fasen har 53 masse% Cu. Vi kan også lese av 33 atom% Cu. Følgelig Al-Cu i forholdet 67:33 = 2:1, altså

den intermetalliske fasen er Al2Cu)

0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2

0%

5 10

33

epsilon [%]

100% eutektikum

% Cu


Oppgave 3

side 7 av 7

a) i)

En rift/et hull gir en elastisk avlasting nær hullet. Hvis avgitt elastisk energimengde er

større enn energien som skal till for å rive opp hullet ytterligere, vil rivningen gå av

seg selv, ballongen sprekker.

c)

ii)

Spenning

400N

= − 3

( 2 ⋅10

⋅ 30 ⋅10

a = 3 mm

σ −3

) m

2

=

6,

67 Mpa

K =σ π a = ⋅ π⋅ ⋅ =

Det blir akkurat hurtig brudd: Kc = K = 0,647

MPa√m

−3

6,67 310 0,647 Mpa m

Q


RT = D0

e der den molare gasskonstanten er

D

R = 8,314 J/(mol⋅K)

D0 [m 2 /s] Q [kJ]

C i bcc-jern 2⋅10 -6 84

C i fcc-jern 2,3⋅10 -5 147

.

Stål som anløpes har bcc struktur (< 723 °C), vi skal benytte bcc-verdiene.

⎛ 84000 ⎞

−⎜ ⎟

−6 ⎜8,314 ( 590 273)


⎝ ⋅ + ⎠

−11

2

For 590°C: D1= 210 ⋅ ⋅ e

= 1,65⋅ 10 m/s

−11

2

Tilsv. for 610°C: D2

= 2,15⋅ 10 m/s

Dt Dt 11 Dt 2 2

= konst.= =

2 2 2

L L L

−11

Dt 11 1,65⋅10 ⋅90

⇒ t2

= = = 69 min.

−11

D 2,15⋅10 c)

Restlevetid:

2

50.000 Nrest

+ = 1 ⇒ Nrest

= 75.000

200.000 100.000

Det er rimelig å anta at restlevetida er 75.000 slag.

a

Tverrsnitt

2 x 30 mm

More magazines by this user
Similar magazines