Γραπτή «επί πτυχίω» εξέταση «Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών ΙΙ»-Ιανουάριος 2017

Transcript

1 Ερώτηση 1 (10 μονάδες) - ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ-ΤΟΜΕΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ (Καθ. Β.Ζασπάλης) Σε μια διεργασία ενανθράκωσης διαπιστώνεται πως ο Άνθρακας σε μία ώρα διεισδύει στον Σίδηρο σε βάθος 1 μm. Αυτό σημαίνει πως σε τέσσερις ώρες θα έχει διεισδύσει σε βάθος: Α: μm B: 4 μm Γ: 8 μm Δ: 16 μm Προφανώς έχουμε ένα κάνουμε με σύστημα μη μόνιμης κατάστασης όπου βρίσκει εφαρμογή η λύση του δεύτερου νόμου του Fick. Εφόσον μιλάμε για το ίδιο ποσοστό πτώσης της συγκέντρωσης από την επιφάνεια (ίδια διείσδυση) το αριστερό μέλος της λύσης που αναφέρεται στους λόγους των συγκεντρώσεων θα είναι ίδιο, άρα και το όρισμα του ολοκληρώματος της συνάρτησης σφάλματος θα είναι το ίδιο, έστω C. Δηλαδή: x Dt = C x = C D t x = K t K Άρα το βάθος διείσδυσης μεταβάλλεται με την τετραγωνική ρίζα του χρόνου και εφόσον για 1 ώρα είναι 1μm για 4 ώρες θα είναι ( 4) μm. Ερώτηση (10 μονάδες) - Εάν, από ένα υλικό με αντοχή διαρροής 90MPa, σχεδιαστεί ένα δοκίμιο με συντελεστή ασφαλείας, τότε η μέγιστη τάση που μπορεί να αναπτυχθεί στο δοκίμιο υπό συνθήκες κανονικής λειτουργίας είναι: Α: 90 = 30ΜPa B: 90 = 45MPa Γ: 90 = 180 ΜPa Η τάση εργασίας ορίζεται ως η αντοχή διαρροής διαιρεμένη με τον συντελεστή ασφαλείας. Το δοκίμιο σχεδιάζεται έτσι ώστε οι, υπό κανονικές συνθήκες, αναπτυσσόμενες τάσεις να μην υπερβούν την τάση εργασίας, δηλαδή να μην υπερβούν το μισό της αντοχής διαρροής που είναι 45ΜPa. Σωστή επιλογή είναι η B.

2 Ερώτηση 3 (10 μονάδες) - Τα υποερωτήματα είναι ισοδύναμα Να αναφέρετε μία γενική χαρακτηριστική περίπτωση όπου: Ι) Βάζοντας (σε μια σταθερή θερμοκρασία) κάποια πρόσμιξη σε ένα υλικό διαπιστώνετε πως η ειδική ηλεκτρική του αντίσταση αυξάνει. ΙΙ) Βάζοντας (σε μια σταθερή θερμοκρασία) κάποια πρόσμιξη σε ένα υλικό διαπιστώνετε πως η ειδική ηλεκτρική του αντίσταση μειώνεται. ΙΙΙ) Βάζοντας (σε μια σταθερή θερμοκρασία) κάποια πρόσμιξη σε ένα υλικό διαπιστώνετε πως η ειδική ηλεκτρική του αντίσταση παραμένει σταθερή. Ι) Η εισαγωγή πρόσμιξης σε μέταλλα (π.χ. σε θερμοκρασία περιβάλλοντος) κατά κανόνα αυξάνει την ειδική ηλεκτρική τους αντίσταση γιατί τα άτομα της πρόσμιξης λειτουργούν ως κέντρα σκέδασης που μειώνουν την ευκινησία των ηλεκτρονίων. ΙΙ) Η εισαγωγή πρόσμιξης δότη ή δέκτη σε ημιαγωγούς (π.χ. σε θερμοκρασία περιβάλλοντος) μειώνει την ειδική ηλεκτρική τους αντίσταση διότι τόσο ο δότης όσο και ο δέκτης ενεργοποιούν φορείς φορτίου (ηλεκτρόνια ή οπές) και κατά συνέπεια αυξάνουν σημαντικά τον αριθμό των ελεύθερων φορέων φορτίου. ΙΙΙ) Η εισαγωγή πρόσμιξης σε ημιαγωγούς σε κάποια θερμοκρασία της ενδογενούς περιοχής. Ο αριθμός των φορέων φορτίου καθορίζεται ενδογενώς και μόνο από την θερμοκρασία με αποτέλεσμα η εισαγωγή της πρόσμιξης να έχει μηδενική επίδραση. Εδώ θα μπορούσε να αναφερθεί και η εισαγωγή προσμίξεων ιοντικής αντικατάστασης σε οξείδια, όταν δηλαδή η ατέλεια που δημιουργεί η πρόσμιξη αντισταθμίζεται με ιοντικές και όχι με ηλεκτρονιακές ατέλειες. Ερώτηση 4 (10 μονάδες) - Το υλικό NiFe O 4 είναι της δομής του αντίστροφου σπινελίου. Εάν ο Σίδηρος (Fe 3+ ) έχει μαγνητική ροπή 5 μ Β ανά ιόν και το Νικέλιο (Νi + ) μ Β ανά ιόν, τότε η μαγνητική ροπή του NiFe O 4 ανά χημικό τύπο θα είναι: Α: μ Β B: 7 μ Β Γ: 8 μ Β Δ: 1 μ Β Εφόσον το υλικό είναι της δομής του αντίστροφου σπινελίου, ανά κυψελίδα τα 8 από τα 16 κατιόντα Σιδήρου του Β-υποπλέγματος εναλάσσονται με τα 8 κατιόντα Νικελίου του Α-υποπλέγματος. Ανά χημικό τύπο το ένα από τα δύο κατιόντα Σιδήρου εναλλάσσεται με το κατιόν Νικελίου. Ο χημικός τύπος του υλικού θα μπορούσε να γραφεί: [(Fe 3+ ) A sub (Ni + Fe 3+ ) B sub Oι αντιπαράλληλες μαγνητικές ροπές των ιόντων των δύο υποπλεγμάτων οδηγούν στο συμπέρασμα πως το υλικό θα έχει μαγνητική ροπή ίση με (7-5=) μ Β ανά χημικό τύπο (ή 16 μ B ανά κυψελίδα). ] O 4

3 Ερώτηση 5 (10 μονάδες) - Εάν στον στερεό ηλεκτρολύτη, αγωγό ιόντων Οξυγόνου, μιας κυψέλης καυσίμου εισάγουμε μια πρόσμιξη που δημιουργεί ανιοντικά κενά και διπλασιάζει την παροχή ιόντων Οξυγόνου, η διαφορά δυναμικού που αναπτύσσεται μεταξύ της ανόδου και της καθόδου: Α: θα τετραπλασιαστεί B: θα διπλασιαστεί Γ: θα παραμείνει σταθερή Δ: θα υποδιπλασιαστεί Η διαφορά δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων εξαρτάται από την ελεύθερη ενέργεια Gibbs της αντίδρασης του συστήματος (ΔG=-zFE) η οποία παραμένει αμετάβλητη. Σωστή επιλογή είναι η Γ. Ερώτηση 6 (10 μονάδες) - Σε FeO προσθέτουμε πρόσμιξη ΜΟ η οποία δημιουργεί στερεό διάλυμα αντικατάστασης. Ι) Η ειδική αντίσταση του FeO αναμένεται Α. Να αυξηθεί Β. Να παραμείνει αμετάβλητη Γ. Να μειωθεί ΙΙ) Ο συντελεστής διάχυσης των ιόντων Fe + (που γίνεται μέσω κατιοντικών κενών θέσεων) αναμένεται να: Α. Να αυξηθεί Β. Να παραμείνει αμετάβλητoς Γ. Να μειωθεί Το FeO ανήκει στην κατηγορία των στοιχείων όπου για την εξουδετέρωση θετικών κέντρων δότη προτιμώνται οι ιοντικές ατέλειες, ενώ για την εξουδετέρωση αρνητικών κέντρων δέκτη προτιμώνται οι ηλεκτρονιακές ατέλειες. Η συγκεκριμένη πρόσμιξη ΜΟ βάσει της εξίσωσης (1): ΜΟ M Fe + O O + V Fe (1) FeO δημιουργεί θετικά κέντρα δότη (Μ Fe ) και δεν θα λάβει χώρα ηλεκτρονιακή αντικατάσταση βάσει της σχέσης: ΜΟ M Fe + O O + 1 Ο FeO (g) + e () γιατί αυτό θα ισοδυναμούσε με αναγωγή του Fe + που δεν μπορεί να γίνει. Εφόσον λαμβάνει χώρα η (1) τα αρνητικά φορτία του κατιοντικού κενού δεν είναι ελεύθερα αλλά τοπικά προσδεδεμένα στο κατιοντικό κενό. Κατά συνέπεια η ειδική ηλεκτρική αντίσταση δεν θα επηρεαστεί. Ι) Σωστή επιλογή είναι η Β. ΙΙ) Βάσει πάλι της εξίσωσης (1) η πρόσμιξη αυξάνει τη συγκέντρωση των κατιοντικών κενών και κατά συνέπεια ο συντελεστής διάχυσης των ιόντων Σιδήρου αναμένεται να αυξηθεί.

4 ΘΕΜΑ 1 (0 μονάδες) Να επιλέξετε ένα από τα κοινά υλικά που εμφανίζονται στους Πίνακες 16.1 και 16.3 των σελίδων 77 και 86 του συγγράμματος και να υπολογίσετε με συντελεστή ασφαλείας την αρχική διάμετρο σύρματος που θα βρίσκεται υπό εφελκυστικό φορτίο 00 kn. (10 μονάδες), καθώς και πόσα μm θα είναι η σμίκρυνση της διαμέτρου του σύρματος υπό την επίδραση της εφελκυστικής τάσης. (10 μονάδες). Έστω ότι επιλέγουμε το Τιτάνιο (προφανώς η αντιμετώπιση είναι η ίδια και με τα άλλα μέταλλα). Εάν d 0 είναι η διάμετρος της διατομής τότε βάσει γνωστών αρχών μηχανικής υλικών έχουμε: σ w = σ y = 450 MPa = 5 MPa σ w = 4F πd 0 d 0 = 4F πσ w = N π Pa d m 3.4 cm Υπό την επίδραση της τάσης 5 ΜPa η παραμόρφωση του υλικού ε z στον άξονα της φόρτισης θα είναι: Aπό τον λόγο Poisson έχουμε: σ = ε z Ε ε z = σ Ε = Pa ε = 0.00 Pa Συνεπώς η σμίκρυνση της διαμέτρου θα είναι: ν = 0.34 = ε xy ε z ε xy = = Δd d 0 = Δd = cm = 0.03 cm = 30 μm

5 ΘΕΜΑ (0 μονάδες) Στην εικόνα δίνεται το διάγραμμα ισορροπίας φάσεων δύο μετάλλων Α και Β. Εάν η ειδική αντίσταση της φάσης α είναι x10-7 Ω-m και η ειδική αντίσταση της φάσης β είναι 6x10-7 Ω-m να υπολογιστεί η ειδική αντίσταση του κράματος που αντιστοιχεί στο σημείο Μ της εικόνας. (Οι πυκνότητες των δύο φάσεων δίνονται στο διάγραμμα). Το σημείο Μ βρίσκεται εντός της διφασικής περιοχής α+β κατά συνέπεια το κράμα αποτελείται από δύο φάσεις α και β. Εάν r α είναι η ειδική αντίσταση της φάσης α και r β η ειδική αντίσταση της φάσης β, τότε η ειδική αντίσταση r του κράματος θα είναι: r = v a r a + v β r β (1) όπου v α και v β τα κλάσματα όγκου των δύο φάσεων. Από τον κανόνα του μοχλού τα κλάσματα μάζας των δύο φάσεων w α και w β είναι: w α = = w β = 1 w a = = 0.65 Τα κλάσματα όγκου θα υπολογιστούν με χρήση των πυκνοτήτων των δύο φάσεων: Σε 100g συστήματος έχουμε 37.5 g φάσης α με όγκο και 6.5 g φάσης β με όγκο 6.5 g 4 g cm Κατά συνέπεια τα κλάσματα όγκου είναι: v α = 3 = cm g 8 g cm = 0.31 v β = 1 v α = = και τελικά από την (1) η ειδική αντίσταση του κράματος είναι: 3 = cm3 r = v a r a + v β r β = ( Ωm) + ( Ωm) = Ωm