Tentan (2024-01-02)

Förklaringen till metallers goda värmeledningsförmåga ligger i de riktade bindningarna mellan atomerna.

Falskt.

• Metaller leder värme bra eftersom de har fria elektroner som kan röra sig och transportera energi snabbt.

• Riktade bindningar = Betyder att bindningarna mellan atomer går i bestämda riktningar, och det är något man hittar i keramer (som glas eller porslin), inte i metaller. 

Töjning är ett dimensionslöst uttryck för deformationen av en komponent.

Sant.

• Töjning beskriver hur mycket längre ett material blir jämfört med sin ursprungslängd när man drar i det. Man tar skillnaden i längd och delar med den ursprungliga längden. Eftersom man delar längd med längd så får man ingen enhet. Deformation betyder helt enkelt att materialet har ändrat i form. 

Diffusion sker enklare ju högre temperaturen i materialet är.

Sant.

• När temperaturen stiger får atomerna mer rörelseenergi. Det gör att de lättare kan hoppa mellan olika platser i materialet. 

• Diffusion = När atomer långsamt vandrar eller sprider sig - lite som när en droppe bläck sprids ut i vatten. I vart vatten går det snabbare än i kallt, och samma sak gäller i material. Diffusion är alltså atomernas rörelser i materialet. 

I härdplaster (thermosets) bildas kemiska tvärbindningar mellan polymerkedjorna, medan det i termoplaster (thermoplastics) är van der Waalsbindningar som håller ihop materialet.

Sant.

• I härdplaster binds kedjorna ihop med starka kemiska tvärbindningar, ungefär som om man limmat ihop dem permanent. Därför går de inte att smälta om och forma igen.

• Termoplaster hålls istället ihop av mycket svaga krafter, så kallade vad der Waals-krafter. Det kan jämföras med när två plastpåsar fastnar i varandra, de sitter ihop, men inte särskilt hårt. Därför kan termoplaster värmas upp, smälts och formas igen. 

Härdbarheten (mätt som Jominy-tal) för stål beror på hur mycket det har kallbearbetats.

Falskt.

• Hårdbarhet = Om vi värmer en stålcylinder och sedan kyler snabbt (släcker) genom att doppa den i vatten eller olja. När stålet kyls snabbt så blir ytan väldigt hård (det bildas en struktur som kallas martensit). Denna hårdbarheten mäts för att se hur djupt hårdheten är i stålet.

  • Om bara ytan blir hård men insidan är mjuk = Låg hårdbarhet.

  • Om hårdheten går långt in, nästan ända till mitten = Hög bårdbarhet.

• Hårdbarheten av stål beror på sammansättning av stålet (alltså vilka ämnen det innehåller såsom kol och vissa legeringsämnen som krom, nickel) och inte av kallbearbetning.

  • Mycket kol, lite legeringsämnen = Härdningen går djupare.

• Kallbearbetning = Betyder att man formar eller bearbetar metallen när den är kall, alltså utan att värma den till en högt temperatur. Det gör metallen starkare men också mer spröd, eftersom det byggs upp “inre spänningar” i materialet.

• Jominy-tal = Mätaparat för att mäta hårdheten av ett material.

För att en komponent ska fallera i kryp, krävs det att den går av.

Falskt.

• Kryp = Betyder att ett material långsamt töjs när det utsätts för last under lång tid vid hög temperatur. Det kan göra att en komponent förlorar sin funktion långt innan den faktiskt går av. Tex kan en turbinbladsvinge i en jetmotor bli så utdragen att den inte längre fungerar, även om det inte har spruckit. 

Vad beskrivs bäst av detta diagram?

Visar hur omkristallisering, glödgningstemperatur och tid hänger ihop.

• På x-axeln: Tid (hur länge materialet hålls vid en viss temperatur)

• På y-axeln: Temperatur.

• De olika kurvorna visar när olika saker händer i metallen vid uppvärmning, alltså hur tid och temperatur hänger ihop.

• Glödgning = En värmebehandling där man värmer upp materialet för att förändra dess struktur och egenskaper. 

• Omkristallisering = När en metall har kallbearbetats blir den hård och svår att forma eftersom kornen/kristallerna i metallen blir deformerade. Om man sedan värmer upp metallen (utan att smälta den) så ersätts de gamla deformerade kornen med nya små, fina korn. Detta gör metallen mjukare och mer formbar igen.

• Kornväxt = När metallen har värmts upp tillräckligt länge efter att nya korn har bildats (omkristalliseringen), så börjar dessa nya små korn att växa sig större. Detta gör att små korn växer ihop till färre men större korn vilket gör materialet svagare och mindre hållfast. 

Vad berättar denna bild? 

Visa stelningsbeteende för en icke-eutektisk legering, temperatur som funktion av tid. 

• Kurvan visar hur temperaturen förändras över tid när en legering svalnar och stelnar. 

  • 1. Först (vänster, högt uppe): Temperaturen sjunker snabbt i flytande tillstånd.

  • 2. Sedan: Kurvan planar ut → här börjar kristaller/korn att bildas → stelning startar.

    • Men inte allt stelnar samtidigt, eftersom legeringen är icke-eutektisk.

  • 3. Mellanfasen (lång sluttande del): Materialet består av både vätska och fasta kristaller samtidigt (en blandning av flytande och fast).

    • Det är som isbitar i vatten → både flytande och fast finns samtidigt.

  • 4. Slutet (höger): All vätska har stelnat → temperaturen kan sjunka vidare igen.

• Legering = En blandning av två eller flera metaller (tex stål = järn + kol, brons = koppar + tenn). 

• Eutektisk legering = En speciell blandning med precis rätt proportion avmetaller som stelnar vid en bestämd temperatur (lite som ren vatten som fryser vid exakt 0 C). 

• Icke-eutektisk legering = En blandning som inte är den perfekta blandningen som stelnar lite i taget, under ett temperaturintervall istället för en bestämd temperatur. 

Bestäm andel α-fas vid 300 C och 60 v% bly (leadPb)

Stelningsintervall vid 90% bly

Totala antalet möjliga faser för alla sammansättningar och alla temperaturer (utom gasfas).

Om du tittar i diagrammet ser du att det finns 4 olika faser som är märkta med symboler/beteckningar:

1. α (alfa)

   • Magnesiumrik fast lösning (mycket Mg, lite Pb).

2. β (beta)

   • Blyrik fast lösning (mycket Pb, lite Mg).

3. Mg₂Pb

   • En intermetallisk förening (en ny kristallstruktur med fast sammansättning).

4. L (liquid)

   • Smält, alltså flytande fas.

När uppgiften frågar efter “totala antalet möjliga faser” menas unika, enskilda faser som kan förekomma i:

1. α

2. β,

3. Mg₂Pb

4. L

Kombinationerna (α+L, α+Mg₂Pb, L+β osv.) är tvåfasområden, men de introducerar inga nya faser, bara blandningar av de redan listade.

Välj rätt alternativ i texten nedan så att beskrivningen blir korrekt.

Bilderna beskriver _____. I delfigur a visas hur _____. I delfigur b ses hur _____. I delfigur c ses att _____. I delfigur d visas _____

Bilderna beskriver kallbearbetnings- och omkristallisationsprocesserna.

I delfigur a visas hur en metall har bearbetats, så att kornstrukturen har ändrats och dislokationstätheten ökat.

I delfigur b ses hur deformationen har fortsatt och kornen blivit ännu mer utdragna.

I delfigur c ses att dislokationer flyttas under avspänningsglödgning.

I delfigur d visas hur nya korngärnser bildats genom omkristallisering.

• Dislokation = En liten defekt i atomernas ordning. Ju flera dislokationer, desto svårare för atomer att glida, vilket gör materialet starkare.

  • Tänk dig en tegelvägg där alla tegelstenar ligger perfekt. Om den rad tegel slutar mitt i väggen så blir det en kantfel → det är en dislokation.

• Dislokationstäthet = Hur många sådana fel det finns per volym i metallen. 

  • Hög dislokationstäthet = Många fel i atomstrukturen.

  • Låg dislokationstäthet = Få fel, mer “perfekt” kristall. 

• Vad händer när man kallberarbetar (tex drar eller böjer metall)? → När man böjer eller pressar metall, så glider atomerna förbi varandra. men varje gång de glider lite, blidas fler “fel” i strukturen. Det betyder att dislokationstätheten ökar. Resultat:

  • Metallen blir starkare (för det är svårare för atomerna att röra sig).

  • Men den bli också sprödare (kan spricka lättare).

• Avspänningsglödgning = När man kallbearbetar metall hårt (böjer, pressar, drar), så byggs det upp inre spänningar i materialet.

  • Tänk dig att atomerna inuti metallen är som en spänd fjäder, de vill gärna hoppa tillbaka till sitt normala läge.

  • Avspänningsglödgning: när man värmer metallen lite (inte så mycket att den börjar omkristallisera). Den lilla värmen gör att atomerna kan röra sig lite då spänningarna försvinner. 

• Tänk dig att du tar ett gem och böjer det fram och tillbaka. Efter några böj blir det hårdare. Det motsvarar ökad dislokationstäthet (massor av små fel i metallen). Om man värmer gemet lite med en tändare, då kan den kännas mjukare och mindre spänt. Detta motsvarar avspänningsglödgning (spänningarna i metallen släpper). 

Vilken beskrivning passar bäst in på följande materialtekniska begrepp?

E-modul 

Sträckgräns

Brottseghet

Teknisk töjning

Diffusion

Sann brottspänning

E-modul = Materialets styvhet. 

• Visar hur mycket ett material töjs när man belastar det.

• Ex: Gummi har låg E-modul (töjs mycket), står har hög E-modul (töjs nästan ingenting). 

Sträckgräns = Spänningen då materialet går från elastisk till plastisk deformation. 

• Elastisk deformation: Materialet fjädrar tillbaka (som en gummisnodd).

• Plastisk deformation: Materialet böjs permanent (som ett gem man böjer).

• Sträckgränsen är gränsen där materialet slutar fjädra tillbaka. 

Brottseghet = Motståndskraften mot spricktillväxt.

• Ett mått på hur väl ett material kan stå emot att en spricka växer och gör att det går av.

• Ex: Glas har låg brottseghet (spricka växer snabbt), stål har hög brottseghet (spricka stoppas ofta). 

Teknisk töjning = Förlängning delat på ursprungsland.

• Ex: En metallstav på 100mm sträcks till 101mm → 1/100 = 0.01 = 1%.

Diffusion = Atomers rörelser i materialet. 

• Atomerna vandrar långsamt, särskilt när det är varmt. 

• Ex: Kolatomer som diffunderar i järn vid härdning. 

Sann brottspänning = Kraften vid brott delat med tvärsnittsytans area i brottögonblicket. 

• När man drar i ett prov minskar tvärsnittsarean (det blir tunnare innan det går av).

• Vanlig brottspänning räknar med ursprungsarean, men sann brottsopänning räknar med det verkliga arean just innan brottet.

Vad visar diagrammen?

Titta på diagrammet till vänster (”tensile strength” = brottgräns).
Kurvan ser ut som en kulle: låg på kanterna, högst i mitten.

Så här kan man förstå det:

1. Ren bly (0 % Sn) eller ren tenn (100 % Sn):

   • Brottgränsen är låg → de är mjuka metaller var för sig.

2. När vi blandar (lite bly + lite tenn, men inte perfekt blandning = hypoeutektisk/hypereutektisk):

   • Då bildas två faser (α + β), men de är inte så fint blandade → styrkan ökar lite, men är inte på topp.

3. Vid ca 61 % Sn (eutektisk sammansättning):

   • Här får man en väldigt fin blandning av α och β-faser.

   • Ju finare blandning → desto svårare för sprickor att växa → brottgränsen är som högst.

4. Om man går förbi 61 % Sn:

   • Strukturen blir grövre, sprickor kan växa lättare → brottgränsen sjunker igen.

Förklara brottgränsens beroende på sammansättningen, genom att koppla de olika delarna av diagrammet till de mikrostrukturer som visas vid olika halter. Motivera ordentligt.

Brottgränsen beror på sammansättningen. Vid ren bly eller ren tenn är brottgränsen låg eftersom materialen är mjuka var för sig. När man närmar sig den eutektiska sammansättningen (~61 % Sn) bildas en mycket fin mikrostruktur av α- och β-faser, vilket gör det svårt för sprickor att växa → brottgränsen blir som högst. Vid halter längre från den eutektiska punkten blir strukturen grövre och brottgränsen sjunker igen.

Förklara varför keramer är spröda och sprickkänsliga, utgående från atombindningarna i materialet.

Keramer är spröda eftersom de hålls ihop av starka, riktade jon- och kovalenta bindningar. Atomerna kan inte glida förbi varandra som i metaller, vilket gör att keramer inte kan deformeras plastiskt. När en spricka startar kan den därför inte stoppas, utan materialet spricker direkt.