15.4.2021, C2440 Materiaalien Mikrorakenne, Tentti
Kirjoita vastaukset omalla koneellasi tekstieditorilla ja palauta .docx tai .pdf tiedosto MyCoursesissa olevaan palautusboksiin ennen 12:00 (tai jos on myönnetty lisäaikaa niin ennen 13:00).
Vastaa kaikkiin viiteen kysymykseen! Svara på alla fem frågor!
Koska tentti on avoin, erityisesti täysiä pisteitä varten kiinnitetään arvostelussa huomiota siihen, että osoittaako vastaus oppilaan syvempää asian ymmärtämistä eikä vain sitä löytyikö oikea asia kurssin oppimateriaaleista.
Eftersom tentamen är öppen, särskilt för full poäng uppmärksammas också om svaret visar en djupare förståelse och inte bara om det rätta svar hittades på läromedel.
1. Kiderakenne (6p)
Alla olevassa kuvassa 1 on esitetty piikarbidin β faasin kiderakenne, sininen = Si ja ruskea = C.
a) Tunnista mikä kiderakenne on kyseessä, eli mikä on hila ja mikä on motiivi (2p) b) Kuinka monta pii ja hiili atomia on yhdessä yksikkökopissa ja mikä on β-piikarbidin stoikiometrinen kaava? (2p)
c) Jos yksikkökopissa xyz koordinaatiston origo on asetettu vasemmassa alatakakulmassa olevaan piiatomiin (punainen nuoli) niin origoa lähinnä olevan hiiliatomin koordinaatit ovat ¼, ¼, ¼ mitkä ovat kolmen muun hiiliatomien koordinaatit? (1p)
d) Nimeä yksi kidetaso, jossa on sekä pii- että hiiliatomeja. (1p)
1. Kristallstruktur (6p)
Strukturen för kiselkarbidens β -fas visas i figur 1, blå=kisel, bruna=kol.
a) Identifiera vad som är kristallstrukturen, vad är den gitter och motiv? (2p)
b) Hur många kisel- och kolatomer finns det i enheten cel? Vad är den stökiometriska formeln för β- kiselkarbid? (2p)
c) Origo (xyz koordinatsystem) är inställd på kiselatom i det nedre vänstra bakre hörnet (röd pil).
Kolatomen närmast origo har koordinater ¼, ¼, ¼. Vad är koordinaterna för de andra tre kolatomerna? (1p)
d) Namnge ett kristallplan som har både kisel- och kolatomer. (1p)
Kuva 1. Piikarbidin kiderakenne, Siniset atomit ovat piitä ja ruskeat hiiltä.
Figur 1. Struktur av kiselkarbid, Blå atomer är kisel och bruna atomer är kol
2. Faasidiagrammi, mikrorakenteen muodostuminen, mekaaniset ominaisuudet (6p) Kuvassa 2 on esitetty alumiinin ja kuparin faasidiagrammi. (Oletetaan että 300°C alapuolella ei tapahdu enää mitään merkittävää, joten kaikki viivat jatkuvat pystysuorina alas huoneenlämpöön asti.) a) Tarkastellaan metalliseosta, jossa on 90 wt% Al ja 10 wt% Cu. Metallisula jäähdytetään hitaasti 800°C -> huoneenlämpöön. Kuvaile mikä on mikrorakenne ja mitä tapahtuu/on tapahtumassa mikrorakenteelle 700°C, 600°C, 548.2°C ja 500°C. (3p)
b) Puhtaan yksikiteisen alumiinin myötölujuus on alhainen, esim. 10 MPa. Listaa ja selitä yhdellä lauseella mitkä mikrorakenteen elementit a) kohdassa muodostuneelle mikrorakenteelle lujittavat alumiinia. (1p)
c) Jäähdytettyäsi a) kohdassa muodostuneen kappaleen huoneenlämpöön mittaat sen myötölujuuden ja havaitset, että se ei ole tarpeeksi suuri sovellukseesi. Selitä ja perustele yksi prosessi, jolla saat kasvatettua ja kontrolloitua kappaleen lujuutta. (2p)
2. Fasdiagrammet, mikrostruktur, mekaniska egenskaper
Figur 2 visar fasdiagrammet för Al och Cu. (Låt oss anta att ingenting händer under 300 grader. Alla linjer fortsätter vertikalt till rumstemperatur.)
a) En metall består av 90 wt% Al och 10 wt% Cu. Smält metall kyls långsamt ner från 800 grader till rumstemperatur. Beskriv vad som är mikrostrukturen och vad som händer (eller håller på att hända) vid temperaturer på 700°C, 600°C, 548.2°C ja 500°C. (3p)
b) Ren enkelkristallin aluminium har låg sträckgräns på 10 MPa. Gör en lista och förklara (med en enda mening), vilka element i mikrostrukturen som gör det material som bildas i a) starkare. (1p) c) När du har kyllat biten från a) till rumstemperatur, mäter du dess sträckgränsen och upptäcker att den inte är tillräckligt hög. Förklara och motivera en process som du kan använda för att öka och kontrollera sträckgränsen. (2p)
Kuva 2. Al-Cu faasidiagrammi. Figur 2. Al-Cu fasdiagrammet
3. Sitkeys, mikrorakenne, metallit ja keraamit (6p)
a) Metalli A:lla on tiivispakkauksellinen heksagoninen (tph) kiderakenne ja metalli B:llä on pintakeskeinen kuutiollinen (pkk) kiderakenne. Tämän tiedon perusteella, arvaa ja perustele kummalla metallilla on suurempi murtositkeys K1C? (2p)
b) Erään alumiinioksidi pohjaisen keraamin murtositkeys K1C = 2.4 MPa*m ½ ja murtolujuus 250 MPa. Alumiinioksidissa suurimmat mikrosäröt ovat 0.13 mm kokoisia. Mikä on suurin vetojännitys joka voi kohdistua tästä materiaalista tehtyyn komponenttiin? (2p)
c) Selitä minkä takia keraamit ovat tyypillisesti hauraampia kuin metallit eli minkä takia keraamien murtositkeys on tyypillisesti pienempi kuin metalleilla. (2p)
3. Seghet mikrostruktur metaller och keramiker (6p)
a) Metall A har en sexkantig närmast packad (tph) kristallstruktur och metall B har en ansiktscentrerad kubisk (pkk) kristallstruktur. Basera på denna information, gissa och motivera ditt svar vilken metall som har en högre sprickstyrka. (2p)
b) En typ av keramik av aluminiumoxid har brottseghet K1C = 2.4 MPa*m ½ och brottgränsen 250 MPa.
De största sprickorna i aluminiumoxiden är 0.13mm. Vilken är den största dragspänningen som en komponent tillverkad av detta material kan utsättas för? (2p)
c) Förklara varför keramik vanligtvis är mer sprött än metaller? Med andra ord, förklara varför keramikens brottseghet vanligtvis är lägre än metaller. (2p)
