Uppsala universitet SKRIVNING Materialkemi (1KB210) Institutionen för kemi Ångström 2016 12 20 K3M, Q3, KandKe3 Provansvarig: Erik Lewin Tentamen 2016 12 20, kl 14.00 19.00 TILLÅTNA HJÄLPMEDEL miniräknare, SI data, Physics handbook, linjal, samt bifogat formelblad. ANVISNINGAR Skriv kod på alla papper som lämnas in. Besvara inte mer än en uppgift på samma blad. Fullständiga lösningar skall lämnas. Införda beteckningar skall förklaras. Enheter skall anges. Alla svar skall motiveras. Max 12 poäng på varje uppgift. Poäng för varje deluppgift a),b), etc anges inom (parenteser) För godkänt betyg krävs 50% på alla moment. Lycka till! UPPGIFTER MATERIALSYSTEM Uppgift 1 a) Fotot nedan visar exempel av mineralet ett demantoid, som är en grön variant av granat. En elementanalys visar att mineralet innehåller 60 at.% syre, 15 at.% kisel, 15 at.% kalcium, och 10 at.% järn, samt spår av krom. Ge ett rimligt förslag på vilken struktur, på atomär nivå, materialet har. (3) b) Al 2 O 3 (kround) har en kristallstruktur som i ett resonemang kan beskrivas utifrån en enkel hexagonal tätpackning av syrejoner. Men enhetscellen är mycket större, varför? (2) c) I kolstål kan det från en viss Fe fas bildas tre olika faser eller fasblandningar: perlit, bainit och martensit. Beskriv dessa, samt ange från vilken Fe fas de bildas, samt hur man kan styra vilken som bildas. (4) sida 1 av 8

Uppsala universitet SKRIVNING Materialkemi (1KB210) Institutionen för kemi Ångström 2016 12 20 K3M, Q3, KandKe3 Provansvarig: Erik Lewin d) I princip kan alla material bilda glas strukturer, men det går lättare för vissa material. Ange tre punkter som kännetecknar en bra glasbildare (dvs ett material som enkelt bildar glasstruktur). (3) MATERIALSYNTES Uppgift 2 a) Nedan, till vänster, visas en bild med knivblad gjorda i ZrO 2 för användning i köksknivar. Föreslå och beskriv en möjlig och rimlig tillverkningsprocess för dessa blad. (4) b) Ovan, till höger, visas en ljusstake i mässing, ca 10cm i diameter. Föreslå och beskriv en möjlig och rimlig tillverkningsprocess för denna. (4) c) För att öka den kemiska resistansen för ett sodaglas kan man tänka sig att belägga det med ett tunt lager ren SiO 2, ange lämplig syntesmetod för detta tunna skikt. Motivera ditt val. (4) DEFEKTER Uppgift 3 a) Defekter brukar delas in efter deras dimensionalitet: noll, en, två, eller tredimensionella defekter. Ge exempel på en defekttyp för varje defektdimensionalitet. (2) b) Om kisel (som är en intrinsisk halvledare) dopas med fosfor (P) kommer dess elektriska ledningsförmåga öka. Förklara varför ledningsförmågan ökar pga denna dopning, samt ange vad en sådan dopad halvledare kallas. (4) sida 2 av 8

Uppsala universitet SKRIVNING Materialkemi (1KB210) Institutionen för kemi Ångström 2016 12 20 K3M, Q3, KandKe3 Provansvarig: Erik Lewin c) Använd Kröger Vink notation för att skriva rimliga två defektreaktioner för Inlösning av AlN i Al 2 O 3. Ange även ett sätt att experimentellt utreda vilken reaktion som sker, inklusive hur man drar slutsatser från mätdata. (3) d) Betrakta de tre grundämnena Ti, Ru och Au. I vilka binära system baserade på dessa grundämnen är utbredd fast löslighet att vänta? Motivera ditt svar med regel, eller annat rimligt kemiskt resonemang. (3) FASLÄRA Uppgift 4 a) Ovan visas fria energikurvor vid fyra olika temperaturer för det hypotetiska systemet A B. Utgående från dessa, skissera ett rimligt fasdiagram A B. Smältpunkten för de rena komponenterna är T m (A)=1150 C respektive T m (B)=1623 C. (Vissa, rimliga, antaganden måste även göras). (6) b) Den fria energikurvan för en fast fas kan beskrivas med en ekvation innehållande tre termer. Beskriv dessa och hur de relaterar till följande begrepp: blandning, ideal lösning, temperatur, samt icke idealitet. (4) c) Om två faser befinner sig i jämvikt med varandra, vad innebär det för den kemiska potentialen hos komponenterna? (2) sida 3 av 8

Uppsala universitet SKRIVNING Materialkemi (1KB210) Institutionen för kemi Ångström 2016 12 20 K3M, Q3, KandKe3 Provansvarig: Erik Lewin Uppgift 5 Nedan visas ett ternärt fasdiagram för systemet B C Ti i form av likvidusprojektion samt isotermt snitt vid 1400 C, vilket är en temperatur då det endast finns fasta faser i systemet (dvs när all stelning har skett). En större kopia av dessa två ternära fasdiagram finns bifogad, använd denna för att mäta i och rita på; bifoga den till lösningarna. a) Ett prov bestående med sammansättningen 20 at.% C, 60 at.% B och 20 at.% Ti har smälts och kyls sedan långsamt. Ange (i text och skisserat i figur) stelningsförloppet för denna smälta. Ange bildade faser, stelningsreaktioner och relevanta temperaturer. (4) b) När all smälta har stelnat, i vilka relativa mängder finns då av de stelnade faserna? (Grafisk lösningsmetod kan användas, men uppmätta längder skall anges) (4) c) Den sista smältan som stelnar, vilken sammansättning har den? (1) d) För en viss tillämpning behövs ett material som består av TiC x korn inbäddade i en fasblandning av TiC x och TiB 2, ange en lämplig sammansättning för att uppnå detta genom stelning ur smälta. (3) FASOMVANDLINGAR Uppgift 6 a) När en smälta stelnar i en gjutform är det typiskt sett en icke jämviktsstelning. Ovan visas ett tvärsnitt av en stelnad smälta, samt en skiss på den erhållna mikrostrukturen. Förklara hur de tre markerade zonerna ( chill, columnar och central ) uppstår. (4) sida 4 av 8

Uppsala universitet SKRIVNING Materialkemi (1KB210) Institutionen för kemi Ångström 2016 12 20 K3M, Q3, KandKe3 Provansvarig: Erik Lewin b) Vid kärnbildning av en ny fas konkurrerar olika energier med varandra. Två av dessa är proportionella mot kärnans radie i kvadrat, respektive kärnans radie i kubik. Vad är det för energier, varför har de dessa beroenden, och varför motverkar de varandra? (4) c) Till höger finns ett CCT diagram för ett undereutektoidt stål. Utgående från detta, ange vilken nedkylningshastighet stålet skall utsättas för (med startpunkt i den eutektoida temperaturen) för att man ska erhålla en fasblandning av ferrit och perlit? (2) d) Ge ett exempel på en skjuvningsomvandling, och ge en allmän beskrivning varför det är en väldigt snabb fasomvandling. (2) DIFFUSION Uppgift 7 Kolhalten i en stålbit kan kontrolleras genom uppkolning där stålet placeras i en ugn med kolinnehållande atmosfär. Det är en fördel att uppkola stålet vid 870 C jämfört med 930 C eftersom man erhåller en något mindre kornstorlek vilket ger bättre egenskaper. a) Beräkna D för diffusion av C i γ Fe (2) b) Varför är aktiveringsenergin (Q) för diffusion av C i γ Fe så mycket lägre än för Ni i γ Fe? (3) c) Antag att ytkoncentrationen i stålet är 1.2% under uppkolningen. På vilket djup är kolhalten 0.3% efter 10 timmars uppkolning vid 870 C? (3) d) Antag att jag uppkolar stålbiten i 10 timmar vid 930 C. Hur länge måste man uppkola ett likadant prov 870 C för att få samma kolhalt? (4) Lycka till, och god jul! sida 5 av 8

Uppsala universitet SKRIVNING Materialkemi (1KB210) Institutionen för kemi Ångström 2016 12 20 K3M, Q3, KandKe3 Provansvarig: Erik Lewin 1400 C isothermal section and overlayed liquidus projection sida 6 av 8

Uppsala universitet SKRIVNING Materialkemi (1KB210) Institutionen för kemi Ångström 2016 12 20 K3M, Q3, KandKe3 Provansvarig: Erik Lewin, erf 2 4 sida 7 av 8

Uppsala universitet SKRIVNING Materialkemi (1KB210) Institutionen för kemi Ångström 2016 12 20 K3M, Q3, KandKe3 Provansvarig: Erik Lewin sida 8 av 8