Allmänna anvisningar: <Hjälptext: Frivilligt fält. Skriv här ytterligare information som studenterna behöver>

Transkript

1 Materialkunskap Provmoment: Ladokkod: Tentamen ges för: Tentamen 41M09B KMASK13h 7,5 högskolepoäng Namn: (Ifylles av student) Personnummer: (Ifylles av student) Tentamensdatum: Tid: Hjälpmedel: Miniräknare Formler, figurer, tabeller och data - Materialkunskap Tabeller och formelsamlingar avsedda för gymnasieskolan Totalt antal poäng på tentamen: För att få respektive betyg krävs: 3 20 poäng 4 30 poäng 5 40 poäng 50 poäng Allmänna anvisningar: <Hjälptext: Frivilligt fält. Skriv här ytterligare information som studenterna behöver> Rättningstiden är som längst tre veckor Viktigt! Glöm inte att skriva namn på alla blad du lämnar in. Lycka till! Ansvarig lärare: Anders Nylund Telefonnummer: 033/ alt

2 Tentamen i Materialkunskap för KMASK13h tisdagen den 13 januari 2015 kl Tillåtna hjälpmedel: Räknedosa och formelbladet Formler, figurer, tabeller och data - Materialkunskap Anvisningar: Svar skall alltid åtföljas av motiveringar. Glöm inte att lämna in de sidor av tesen där du gjort markeringar i figurer eller andra noteringar. Notera att uppgifterna inte är ordnade efter ökande svårighetsgrad. Frågor: Jag kommer att dyka upp i skrivningssalen kl och (ca-tider). Innehåll: Tesen omfattar 8 sidor. Poängöversikt: 1. Värmebehandling av stål 7p 2. Pressverktyg 6p 3. Koppar 5p 4. Grått gjutjärn 4p 5. Brottseghetens temperaturberoende 4p 6. Cementering i cyanbad 6p 7. Krypning 5p 8. Kallbearbetning 5p 9. Mekanisk belastning av polymerer 5p 10. Polymertyper 3p Summa 50p Betygsgränser: 3: 20 poäng 4: 30 poäng 5: 40 poäng Borås den 5 januari 2015 Anders E Nylund 2

3 0. Motivera Vid varje rättningstillfälle får jag ibland en känsla av att jag ibland får dra poäng för bristande motiveringar och inte bara för bristande kunskaper. Motivera dina svar! Struktur, mekanism, egenskap...allt som visar att du förstått hur och varför är mycket mera värt än att. 1. Värmebehandling av stål 7p Nedanstående figurer visar schematiska dragprovkurvor för ett normaliserat stål med sammansättningen Fe0.5C1Cr. a) Hur ser stålets struktur ut? (1p) b) Antag att stålet värmebehandlades i 1 timme vid 830ºC och därefter släcks i vatten. Vad har stålet nu för struktur? Hur skulle dragprovkurvan för stålet se ut efter värmebehandlingen jämfört med före? Varför? Fyll i figuren, b) (eller rita av på det blad du svarar på) (2p) c) Antag att det normaliserade stålet i stället värmebehandlas i 18 timmar vid 700ºC och därefter släcks i vatten. Hur ser nu strukturen ut? Hur skulle dragprovkurvan se ut för stålet efter värmebehandlingen jämfört med före? Varför? Fyll i figuren, c) (eller rita av på det blad du svarar på) (2p) d) Av de tre tillstånden ovan är det ett som ger en struktur som ofta är olämplig att använda utan ytterligare värmebehandling. Vilken och varför? Föreslå en lämplig kompletterande värmebehandling med lämplig temperatur och tid så att även detta stål går att använda. (2p) 2. Pressverktyg 6p Ett verkstadsföretag överväger att börja pressa plåtdetaljer. Själva pressverktyget utgör en stor del av kostnaden för verksamheten. De krav som ställs på verktygsmaterialet är framför allt att det skall vara hårt och slitstarkt. (Det får dock inte vara så sprött att det spricker när verktyget slår i plåten.) I ett tidigt skede av planeringen behöver man veta vilken typ av legering som verktyget skall tillverkas i. 3

4 a) Föreslå ett lämpligt stål till pressverktyget. Välj bland legeringarna (A-E) nedan. Här som i alla frågor skall du motivera ditt val. (Om du inte direkt ser vilket material du skall välja kan du för delpoäng motivera varför du utesluter vissa av materialen) (3p) Sammansättningar ges i viktsprocent. LEGERING C Si Cr Ni Mo A B C D E b) Antag att du har tillgång till legeringen i normaliserat tillstånd (i leveranstillstånd är den inte alltid detta till 100 %). Hur skall den legering du valt värmebehandlas för att bli så mjuk som möjligt? Ange rimliga temperaturer för de olika stegen, om eventuella temperaturförändringar skall vara snabba eller långsamma och ungefärliga hålltider vid de olika stegen. Antag att Fe-C-diagrammet gäller, dvs. bortse från hur eventuella övriga legeringselement påverkar fasdiagrammet. Vad syftar de olika stegen i värmebehandlingen till? (3p) Läs nu frågan en gång till för här är flera saker som skall tas upp. 3. Koppar 5p a) Koppar kan legeras med flera olika element t.ex. Al, Be, Ni, Sn och Zn. I kombination med Be fås berylliumbrons som kan få mycket goda mekaniska egenskaper med rätt värmebehandling. Beskriv en lämplig värmebehandling för att en Cu-legering med 1.4 w/o Be skall bli så hård som möjligt. (3p) 4

5 b) I Japan utvecklar man för elektronikindustrin nya metallegeringar av Cu innehållande Ge och Bi (Vismut). I Sverige återvinns sådan elektronik från bl.a. mobiltelefoner på Rönnskärsverken. Dock får man problem om det blir små mängder Bi kvar i kopparn. Den återvunna kopparn kan inte dras ut till tråd vilket man ju normalt sett kan göra med Cu. Vad kan orsaken till detta vara? (2p) 4. Grått gjutjärn 4p a) Beskriv strukturen hos grått gjutjärn. (1p) b) Grått gjutjärn har en stor nackdel, vilken och varför? (1p) c) Grått gjutjärn har också två materialtekniska egenskaper som i vissa applikationer kan vara till en stor fördel, vilka och varför är de fördelaktiga? (2p) 5

6 5. Brottseghetens temperaturberoende 4p En tjock plåt (20 mm) av materialet AISI 4340 ingår i en större konstruktion. Plåten utsätts då för en dragspänning av 700 MPa i sin längdriktning. För att fastställa risken för katastrofalt brott genomfördes en oförstörande provning av plåten med hjälp av ultraljud. Genom denna teknik kan förekomsten av inre sprickor fastställas. Vid den använda frekvensen och aktuell plåttjocklek var detekterbarheten på dessa sprickor 0.3 mm. Uppskatta med hjälp av givna uppgifter och nedanstående tabell den lägsta temperatur vid vilken konstruktionen kan användas. (1 MPa m = 1MNm -3/2 ) 6. Cementering i cyanbad 6p Kolet som diffunderar in i stålet vid sätthärdning kan fås ur ett cyanbad. Förfarandet kallas då cementering och cementeringsdjup är detsamma som härddjup. Cementeringsdjupet (= härddjupet) är det ställe i materialet där en hårdhet av HV=550 erhållits efter härdning. Antag att man cementerar (= härdar) ett kolstål som innehåller 0.15 w/o C under 10 h. Efter behandlingen återfinns ett ytterst tunt skikt med kolhalten 1.2 w/o C längst ut i ytskiktet. Vid vilken temperatur har cementeringen (sätthärdningen) ägt rum? Stålstrukturen under uppkolningen var ren austenit! 6

7 7. Krypning 5p Krypprovning kan bli både kostsam och tidskrävande. Därför vill man gärna accelerera testen genom att prova vid en högre temperatur och/eller laster. Sedan extrapolerar man efter bästa förmåga. a) Diagrammet nedan visar spänningen som funktion av tiden till brott (t r ) för en kol-nickellegering vid 649 C. Antag att Larsson-Milleruttrycket T(20 + logt r ) = konst. gäller och beräkna tiden till brott vid 540 C för spänningen 50 MPa. (3p) b) Rent generellt skall man vara försiktig med att extrapolera krypdata till längre tider och andra temperaturer. Varför? Vad är det som kan hända i legeringar som gör extrapolationen otillförlitlig? (2p) 7

8 8. Kallbearbetning 5p Nedanstående figur visar hur kallbearbetning påverkar några mekaniska egenskaper hos koppar. a) De egenskaper som visas är brottgräns, sträckgräns och brottförlängning. Tilldela var och en av kurvorna rätt egenskap samt motivera och förklara valet utförligt. (3p) b) Vilken värmebehandling skulle kunna utföras för att återställa egenskaperna hos kallbearbetad koppar till vad som gällde före deformationen? Uppskatta vilken temperatur som är lämplig motivera. Vad händer i materialet? (2p) 9. Mekanisk belastning av polymerer 5p a) En plaststång av PVC med kvadratiskt tvärsnitt och längden 1.2 m skall bära en last av 30 kg under 6 veckor i en utställningslokal av rumstemperatur. Vilken minsta sidlängd på tvärsnittet är acceptabel om säkerhetsfaktorn mot brott under avsedd belastningstid skall vara minst 2? (3p) b) Hur lång är plaststången efter avsedd användning under 10 veckor? (2p) Då diagram i formelsamlingen utnyttjas för att ta fram nödvändiga egenskaper kan alla varianter/kvaliteter av PVC användas. 10. Polymertyper 3p Förklara skillnaden mellan följande polymertyper: amorf termoplast, semikristallin termoplast, kristallin termoplast. 8