Metalliska Konstruktionsmaterial Provmoment: Ladokkod: Tentamen ges för: Tentamen TM031B Pu11 7,5 högskolepoäng Namn: (Ifylles av student) Personnummer: (Ifylles av student) Tentamensdatum: 121219 Tid: 14.00-18.00 Hjälpmedel: Miniräknare Metalliska Konstruktionsmaterial Formler, tabeller, diagram Tabeller och formelsamlingar avsedda för gymnasieskolan Svenskt-persiskt lexikon/ Persiskt-svenskt lexikon 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: 033/435 4613 alt. 0732/305924 1
Tentamen i Metalliska Konstruktionsmaterial för Pu11 onsdagen den 19 december 2012 kl. 14.00-18.00 Tillåtna hjälpmedel: Anvisningar: Räknedosa och formelbladet Formler, figurer, tabeller och data. 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. 15.00 och 16.20 (ca-tider). Innehåll: Tesen omfattar 8 sidor. Poängöversikt: 1. Fasdiagram Mg-Pb 4p 2. Avkolning 7p 3. Utmattning 8p 4. Guld 4p 5. Materialval 6p 6. Partikelhärdning 4p 7. Gjutjärn 3p 8. Mekaniska egenskaper 4p 9. Mässing 5p 10. TTT-diagram 5p Summa 50p Betygsgränser: 3: 20 poäng 4: 30 poäng 5: 40 poäng Borås den 30 november 2012 Anders E Nylund 2
0. Motivera Vid varje rättningstillfälle får jag ibland en känsla av att jag 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. Fasdiagram Mg-Pb 4p Nedan visas fasdiagrammet för systemet Mg-Pb. a) Vi har en Mg-Pb-legering med sammansättningen 50 w/o Pb. Vilka är strukturbeståndsdelarna och hur mycket finns det av var och en? (2p) b) I fasdiagrammet ser man en fas benämnd Mg 2 Pb. Vad kallas denna typ av fas och vad kan man förvänta sig av dess egenskaper?(2p) 2. Avkolning 7p En cylinder av kolstål med 0.55 w/o kol skulle normaliseras efter värmebehandling 30 min vid 950ºC. Efter normaliseringen kontrollerades mikrostrukturen på ytan och man fann där 24 w/o perlit vilket tydde på att en oavsiktlig avkolning ägt rum under värmebehandlingen. a) Vilken kolhalt har man i ytan? (2p) 3
b) Hur mycket av materialet måste svarvas av efter denna oönskade avkolning om man absolut vill ha minst 0.52 w/o kol ända ut till ytan? (5p) 3. Utmattning 8p Under en Whitbreadsegling upptäcker en observant besättningsmedlem att masten börjar få utmattningssprickor i ytskiktet. Sprickorna har vid detta tillfälle en längd av 5 mm. Hon observerar vidare att sprickornas tillväxt följer Paris lag. Belastningen i masten till följd av vågor och vind antas vara pulserande med ett maxvärde av 100 MPa (dragspänning) och ett minvärde av 60 MPa (tryckspänning), oberoende av båtens hastighet. Värden på materialkonstanter är enligt följande: Y = 1.75, A = 2 10-12, m = 2.5 och K Ic = 35 MPa m (anpassade till måttenheten meter). a) Beräkna den maximala spricklängd som kan tillåtas i masten innan den går sönder? (2p) b) Det finns en hamn 2000 km bort där man kan få hjälp att reparera masten. Vilken minsta hastighet måste båten hålla för att hinna till hamnen innan masten går sönder om lasten varierar med frekvensen f = 1 Hz! (6p) 4. Guld 4p Guld är den metall som människan först lärde sig använda, redan ca. 5000 f.kr. Ädelheten på guld brukar anges i enheten karat (K). Rent guld motsvarar 24K, men används aldrig för guldarbeten i smycken etc. I stället använder man sig av äkta guld. Äkta guld måste enligt svensk lag bestå av minst 375 tusendelar rent guld, vilket motsvarar 9K. a) Förklara ingående varför man inte kan använda sig av rent guld för olika guldarbeten. (Det har inte med priset att göra.) (2p) b) Ange ett lämpligt legeringselement i äkta guld och motivera varför just detta är lämpligt. (2p) 5. Materialval 6p Rostfria stål är ett mycket vitt begrepp som omfattar allt från järn som legerats med 12 w/o Cr till legeringar med höga halter av Cr, Ni, Mo m.m. När man skall välja legering till en applikation spelar det givetvis stor roll att legeringarna i princip blir dyrare ju högre deras halt av olika legeringsämnen är. Samtidigt måste stålet ha de egenskaper som krävs för att uppfylla funktionen. Här nedan finns ett par exempel på olika rostfria legeringar. Föreslå lämplig legering till produkterna nedan och motivera ditt val. Ange även vad den typ av rostfritt stål du valt kallas (med avseende på mikrostruktur). a) Knivarna till en kvarn som skall mala köttfärs i en charkuterifabrik. b) En lagringstank för förvaring av saltvatten på ett fartyg. 4
c) En termos för distribution av läkemedel som måste hållas nedkyld till minst -65ºC. Beteckning Fe C Cr Ni Mo SS2303 Bal. 0.2 13 - - SS2320 Bal. 0.08 18 - - SS2333 Bal. 0.05 18.5 9 - SS2343 Bal. 0.05 17 13 2.2 6. Partikelhärdning 4p Vid framställning av partikelhärdade material kan såväl partiklarnas volymfraktion som storlek varieras. I en försöksserie framställdes tre olika material med 20 volymprocent partiklar. Material 1 med ett partikelavstånd av 30 μm, material 2 med ett partikelavstånd av 3 μm och material 3 med ett partikelavstånd av 10 μm. Sträckgränserna för material 1 och 2 uppmättes till 120 respektive 240 MPa. Antag att partiklarna inte är så små att de skärs av dislokationerna. Antag vidare att kornstorlek, kemisk sammansättning etc. i grundmaterialet är lika för de tre materialen. Vilken sträckgräns kan man förvänta sig för material 3? Hur mäts partikelavståndet egentligen? 7. Gjutjärn 3p En av spännings-töjningskurvorna har upptagits på ett gråjärn och den andra är från ett segjärn (bägge har ferritisk grundmassa). Kombinera ihop rätt material med rätt kurva! För poäng skall svaret givetvis noggrant motiveras! 5
8. Mekaniska egenskaper 4p Under ett examensarbete i materialteknik lyckades två av studenterna framställa en legering som visade sig ha alldeles fantastiska hållfastegenskaper. Tyvärr kunde de inte bestämma de väsentliga hållfasthetsparametrarna och kunde därmed inte publicera sina resultat. Du får hjälpa dem med detta. Figuren nedan visar dels hela dragprovkurvan och dels en förstorad del. a) Bestäm utgående från dragprovkurvan följande parametrar: E-modul, sträckgräns samt brottgräns. Rita även in brottgräns och sträckgräns i kurvan! (2p) b) Ofta slarvar man med användningen av begreppen duktilitet och seghet. Förklara på vilket sätt de skiljer sig åt! (2p) 9. Mässing 5p Figurer till denna uppgift finns på sidan 7. a) Vilken mässingstyp lämpar sig bäst för kallformning, Cu30Zn eller Cu40Zn? För poäng måste svaret motiveras! (2p) b) En mässingsplåt med 37 w/o Zn skulle enligt uppgift från en nyutexaminerad ingenjör kunna värmebehandlas efter en formningsoperation för att få rätt hårdhet. Vid utprovningen av korrekt värmebehandling höll man materialet vid olika temperaturer under 30 min och snabbkylde därefter till rumstemperatur. Det visade sig då att hårdheten efter värmebehandlingen varierade med glödgningstemperaturen enligt nedanstående diagram. Förklara varför mässingen mjuknar vid upphettning till ca 300-500 C. Förklara även varför hårdheten ökade vid fortsatt upphettning till ännu högre temperaturer! (4 p) 6
7
10. TTT-diagram 5p Figuren visar TTT-diagrammet för fjäderstålet EN42. Antag att du austenitiserar prover vid en temperatur av 800ºC. Vilka strukturbeståndsdelar och faser får du efter följande värmebehandlingar; a) Kylning till 650ºC, 10s vid denna temperatur, därefter släckning i isvatten. (1p) b) Kylning till 650ºC, 100s vid denna temperatur, därefter släckning i isvatten. (1p) c) Kylning till 650ºC, 10 s vid denna temperatur, släckning i isvatten, återupphettning till 500ºC i 1 h. (2p) d) Vad kallas den process som genomförs i c)? (1p) 8