TENTAMEN MTGC12, MATERIALTEKNIK II / MTGC10 MATERIALVAL

Transkript

1 Materialteknik, Jens Bergström, Fredrik Thuvander TENTAMEN MTGC12, MATERIALTEKNIK II / MTGC10 MATERIALVAL Tid: Onsdagen 22 januari, 2014 Tentamen omfattar genomgånget kursmaterial. Hjälpmedel: Kalkylator Poängsättning: 0-20 Underkänt Betyg Betyg Betyg 5 Totalt antal poäng = 50 Alla svar och beräkningar skall vara fullständiga. Svar och diskussioner kan för den skull vara kortfattade. Ansatser ska motiveras. Hänvisa till ekvationer, figurer och tabeller i använd informationskälla där så är nödvändigt Lärare: Jens Bergström, tel Fredrik Thuvander, tel

2 UPPGIFT 1) MATERIALVALSPROCESSEN a) Beskriv materialvalsprocessen och redogör för de olika steg som ingår. 3p b) Förklara skillnaden mellan restriktion och målsättning och hur de används i materialvalsprocessen. 3p c) Ett materialval ska göras till ett ankare till en segelbåt. Vilka egenskaper kan vara viktiga? Ställ upp och formulera materialvalsproblemet! 4p Figur: Ankaret 2

3 UPPGIFT 2) MATERIALVAL MED FORMFAKTOR Att segla kan ibland upplevas vara svårt. Skulle man kunna utveckla ett sätt att segla som i princip fungerar lika enkelt som en motor skulle det kanske kunna vara ett miljövänligt alternativ att framföra en båt. Det finns tankar om hur man skulle kunna göra det, en prototyp/förslag hur det skulle kunna te sig visas i bilden nedan. För att vingen ska kunna rotera fritt blir konstruktionen som synes i princip en balk utsatt för böjning. Balken måste klara ett största moment M utan att haverera och vara så lätt som möjligt. Tvärsnittet är fritt att variera och till största delen inne i vingen. Funktion: En lätt vingbalk till sjöss Målsättning: minimera vikt Restriktioner: Ett största moment M, given längd L Fria variabler: material, balktvärsnitt Härled materialindex för det bästa materialvalet. 10p Tabeller med formler och materialdata bifogas längst bak i tentamen. Finns det fler faktorer som du vill ta hänsyn till, eller fler antaganden som behöver göras, så gör dessa. Motivera! Formfaktorer: e 12I B 2 A 7,14K A e T 2 f B 6Z A 3 2 f T 4,8Q A 3 2 3

4 UPPGIFT 3) FLERA MÅL OCH RESTRIKTIONER - BESTICK Tentamen MTGC10/MTGC12 Om Du äter mat på en exklusiv restaurang så kan knivarna blad vara gjord av stålblad och elfenbenshandtag, och skedar och gafflar av silver. Men om Du äter på ett snabbmatshak eller på ett flygplan så kan samma funktion fullgöras av engångsbestick av plast. Funktionen är densamma, men målen är helt klart olika, minimering av kostnad och kanske maximering av återanvändning eller minimering av miljöbelastning. För att fullgöra funktionen så måste vissa restriktioner på material och form uppfyllas, plastgafflar som alltför lätt bryts när man ska spetsa en delikat flygplansrätt känns kanske igen? Minimering av kostnad ställer krav på materialpris (och tillverkningsmetod men det behandlas inte här). Plastbestick för flygplanet eller picknicken Silverbestick för söndagsmiddagen Nu ska du genomföra ett materialval till ett engångsbestick, en gaffel. Vi antar att när gaffeln används så böjbelastas den som en fast inspänd balk med en fri ände (Du håller hårt om ena änden) och lasten motsvarar ungefär 2N. Vi antar att en utböjning på ca 10 mm i den fria änden är acceptabelt (med en jätteköttbulle på gaffeln). Gaffelns skaft (vilken vi använder för materialvalet) har en längd L=80 mm, den har en bredd B=10 mm, och tjockleken, t, är fri att välja i vår design. En uppskattning är att vi behöver en lägsta hållfasthet om en brottgräns på 15 MPa. Målsättningarna är att göra den så billig som möjlig i ett mycket stort antal, flera miljoner, och samtidigt vill vi minimera miljöpåverkan. Om vi i vår lösning till ett materialvalsproblem inkluderar flera restriktioner och/eller målfunktioner, så inverkar det direkt på materialvalet: Vi måste ta hänsyn till två restriktioner, gaffeln ska ha en viss i) hållfasthet (sträckgräns) och ii) styvhet S. Antag att den miljölast som du måste ta hänsyn till är energianvändning, och att priset beror av materialkostnaden. Vi har dessutom lyckats ta fram fyra material som är våra huvudkandidater: A: Polystyren B: Polyeten C: Trä D: Aluminium Genomför ett materialval genom att använda målsättningarna och restriktionerna. Gör rimliga antaganden där så behövs, beskriv och motivera Din lösning. (Tips: vad är lämpligast att använda viktade meritvärden eller värdefunktion? ) Tabeller med formler och materialdata bifogas längst bak i tentamen. Finns det fler faktorer som du vill ta hänsyn till, eller fler antaganden som behöver göras, så gör dessa. Motivera! 10p 4

5 UPPGIFT 4) FLERA MÅLSÄTTNINGAR OCH MILJÖ - BILEN Tentamen MTGC10/MTGC12 Hur viktigt är bilens vikt? Nedanstående klipp om nya VW Golf VII hittades hösten 2012, 100 kg viktminskning (!) skulle erhållas genom användning av höghållfast stål. Ur data från en studentuppgift om miljöpåverkan i en populär materialvalskurs kan man jämföra Volvo och VW med avseende på acceleration och CO2-utsläpp, vilket illustrerar behovet av att bilproducenterna flyttar fram sina positioner (notera att det är ett begränsat urval). Tidningsklipp hösten 2012 Data från miljöuppgift materialval. a) Skatta en en trade-off kurva i diagrammet ovan som jämför Volvo och VW, vilket är det bästa bilvalet? 2p 5

6 b) Med en viktminskning av bilen uppnår man flera fördelar, t.ex. minskad förbrukning av drivmedel, lägre miljöbelastning, högre acceleration, etc. För bärande delar så vill man ur krocksäkerhetssynpunkt minimera vikt samtidigt med så hög brottenergi och hög hållfasthet som möjligt. Två målsättningar kan formuleras där man vill minimera - vikt mot hållfasthet, här densitet mot sträckgräns: och, - vikt mot brottenergi, här densitet mot brottseghet och E-modul: där brottenergin Dessa två mål är plottade i diagrammet nedan för låglegerat stål. Hur kan man använda ett diagram av den här typen för materialvalet till bilen? Beskriv sambandet mellan en grafisk lösning och analytisk lösning med värdefunktion. Kan du ange en bästa lösning för materialvalet? 5p c) Varför kan man ur ett miljöperspektiv fokusera på bilens vikt för att genomföra ett miljövänligt materialval? Förklara med utgångspunkt från strategin för miljövänligt materialval. 3p Två mål m1 och m2 för materialval till bil med olika låglegerade stålsorter. 6

7 UPPGIFT 5) MATERIALVAL OCH TILLVERKNING a)redogör för de olika stegen vid ett systematiskt val av tillverkningsmetod. Vilken typ av information behöver du för att kunna sätta upp restriktioner ge exempel? Vilken målsättning är lämplig? 5p b) Vid val av tillverkningsmetod förekommer två olika begrepp i CES Edupack som har med kostnad att göra; ekonomisk seriestorlek (economic batch size ) och relativt kostnadsindex (relative cost index - tillverkningskostnad). Förklara vad de betyder och hur de kan användas vid jämförelse mellan olika metoder. Rita gärna ett diagram som visar hur de två begreppen är kopplade till varandra. 5p 7

8 BILAGA 1. GEOMETRIER O MOMENT 8

9 9 Tentamen MTGC10/MTGC12

10 BILAGA 2. LASTFALL FÖRSKJUTNINGAR 10

11 11 Tentamen MTGC10/MTGC12

12 BILAGA 3. LASTFALL HÅLLFASTHET 12

13 13 Tentamen MTGC10/MTGC12

14 BILAGA 4. LASTFALL KNÄCKNING OCH BUCKLING 14

15 15 Tentamen MTGC10/MTGC12

16 BILAGA 1. MATERIALDATA Aluminium alloys Description The Material Aluminum was once so rare and precious that the Emperor Napoleon III of France had a set of cutlery made from it that cost him more than silver. But that was 1860; today, nearly 150 years later, aluminum spoons are things you throw away - a testament to our ability to be both technically creative and wasteful. Aluminum, the first of the 'light alloys' (with magnesium and titanium), is the third most abundant metal in the earth's crust (after iron and silicon) but extracting it costs much energy. It has grown to be the second most important metal in the economy (steel comes first), and the mainstay of the aerospace industry. Composition Al + alloying elements, e.g. Mg, Mn, Cr, Cu, Zn, Zr, Li General properties Density Mg/m^3 Price SEK/kg Mechanical properties Young's Modulus GPa Shear Modulus GPa Bulk modulus GPa Poisson's Ratio Hardness - Vickers HV Yield strength - Elastic Limit MPa Tensile Strength MPa Compressive Strength MPa Elongation 1-44 % Endurance Limit MPa Fracture Toughness MPa.m^1/2 Loss Coefficient 1e-4-2e-3 Eco properties Production Energy MJ/kg Carbon dioxide per kg of material kg/kg Recycle Downcycle Biodegrade False Incinerate False Landfill A renewable resource? False Impact on the environment Aluminum ore is abundant. It takes a lot of energy to extract aluminum, but it is easily recycled at low energy cost. 16

17 Polyethylene (PE) Description The Material POLYETHYLENE, (-CH2-)n, first synthesized in 1933, looks like the simplest of molecules, but the number of ways in which the - CH2 - units can be linked is large. It is the first of the polyolefins, the bulk thermoplastic polymers that account for a dominant fraction of all polymer consumption. Polyethylene is inert, and extremely resistant to fresh and salt water, food, and most water-based solutions. Because of this it is widely used in household products, food containers like Tupperware and chopping boards. Polyethylene is cheap, and particularly easy to mould and fabricate. It accepts a wide range of colors, can be transparent, translucent or opaque, has a pleasant, slightly waxy feel, can be textured or metal coated, but is difficult to print on. Composition (-CH2-CH2-)n General properties Density Mg/m^3 Price SEK/kg Mechanical properties Young's Modulus GPa Shear Modulus * GPa Bulk modulus GPa Poisson's Ratio * Hardness - Vickers HV Yield strength - Elastic Limit MPa Tensile Strength MPa Compressive Strength MPa Elongation % Endurance Limit MPa Fracture Toughness * MPa.m^1/2 Loss Coefficient * Eco properties Production Energy MJ/kg Carbon dioxide per kg of material kg/kg Recycle Downcycle Biodegrade False Incinerate Landfill A renewable resource? False Recycle mark 17

18 Polystyrene (PS) Description The Material Polystyrene is an optically clear, cheap, easily moulded polymer, familiar as the standard "jewel" CD case. In its simplest form PS is brittle. Its mechanical properties are dramatically improved by blending with polybutadiene, but with a loss of optical transparency. High impact PS (10% polybutadiene) is much stronger even at low temperatures (meaning strength down to -12C). The single largest use of PS is a foam packaging. Composition (CH(C6H5)-CH2)n General properties Density Mg/m^3 Price SEK/kg Mechanical properties Young's Modulus GPa Shear Modulus GPa Bulk modulus GPa Poisson's Ratio Hardness - Vickers HV Yield strength - Elastic Limit MPa Tensile Strength MPa Compressive Strength MPa Elongation % Endurance Limit MPa Fracture Toughness MPa.m^1/2 Loss Coefficient Eco properties Production Energy MJ/kg Carbon dioxide per kg of material kg/kg Recycle Downcycle Biodegrade False Incinerate Landfill A renewable resource? False 18

19 Wood, typical along grain Description The Material Wood has been used to make products since the earliest recorded time. The ancient Egyptians used it for furniture, sculpture and coffins before 2500 BC. The Greeks and the peak of their empire (700 BC ) and the Romans at the peak of theirs (around 0 AD) made elaborate boats, chariots and weapons of wood, and established the craft of furniture making that is still with us today. More diversity of use appeared in Mediaeval times, with the use of wood for large-scale building, and mechanisms such as pumps, windmills, even clocks, so that, right up to end of the 17th century, wood was the principal material of engineering. Since then cast iron, steel and concrete have displaced it in some of its uses, but timber continues to be used on a massive scale, particularly in buildings. Composition Cellulose/Hemicellulose/Lignin/12%H2O General properties Density Mg/m^3 Price SEK/kg Mechanical properties Young's Modulus 6-20 GPa Shear Modulus * GPa Bulk modulus GPa Poisson's Ratio * Hardness - Vickers * HV Yield strength - Elastic Limit * MPa Tensile Strength * MPa Compressive Strength * MPa Elongation * % Endurance Limit * MPa Fracture Toughness * 5-9 MPa.m^1/2 Loss Coefficient * 7e Eco properties Production Energy MJ/kg Carbon dioxide per kg of material kg/kg Recycle False Downcycle Biodegrade Incinerate Landfill A renewable resource? Impact on the environment Wood is a renewable resource, absorbing CO2 as it grows. Present day consumption for engineering purposes can readily be met by controlled planting and harvesting, making wood a truly sustainable material. 19