Tentamen MATERIAALKUNDE II, code

Transcriptie

1 Universiteit Twente Faculteit der Construerende Technische Wetenschappen Vakgroep Productietechniek Materiaalkundig Laboratorium Agricola Tentamen MATERIAALKUNDE II, code juli 2007, uur AANWIJZINGEN 1. Vergeet niet uw naam en alle voorletters te vermelden op het werk en op de opgaven. 2. De figuren in de opgaven kunnen desgewenst worden gebruikt om in te tekenen. 3. Dit tentamen bestaat uit 6 opgaven. 4. Waardering : opgave 1: 6 punten 2: 4 punten 3: 4 punten 4: 4 punten 5: 5 punten 6: 4 punten 5. Lees elke vraag goed door. Geef een helder antwoord en schrijf netjes. Indien u vermoedt dat u een rekenfout heeft gemaakt, geef dit aan. 6. Opgaven en uitwerkingen worden na afloop van het tentamen op Teletop gepubliceerd. 1 van 6

2 1) Fasediagram Fe-C (I) In een staalgieterij laat een afstudeerder een Fe-C-legering met 3,5 gew% C, 2,5 % Si en een vleugje Mg dat vlak voor het gieten is toegevoegd, zeer langzaam afkoelen tot kamertemperatuur. Ga voor de beantwoording van deze vraag uit van onderstaand fasediagram. Maak een schets van de structuur van deze legering bij elk van de volgende temperaturen. Geef bij elke schets aan uit welke fasen de legering bij die temperatuur bestaat en bepaal de hoeveelheid van de aanwezige fasen op de juiste wijze (%). a) 1300 ºC, b) 1150 ºC, c) 1100 ºC, d) 800 ºC en e) 600 ºC. De afstudeerder wijzigt de opzet van zijn experiment. Het eerste deel van het experiment is hetzelfde als hierboven beschreven. Maar wanneer tijdens het afkoelen het gietstuk een temperatuur van 1000 ºC heeft bereikt, wordt het versneld afgekoeld. De afkoelsnelheid is niet zo hoog dat er martensiet wordt gevormd. f) Wat betekent de hogere afkoelsnelheid voor de structuur van het materiaal? 2 van 6

3 Laat op een zelfde wijze als hierboven zien welke structuurbestanddelen aanwezig zijn met een schatting van de hoeveelheid. g) 800 ºC en h) 600 ºC. 2) TTT-diagrammen Fe-C Isotherm TTT-diagram Continue afkoelings TTT-diagram Bovenstaande figuren tonen het isotherme en continue afkoelings temperatuur-tijdtransformatiediagram van een eutectoïdisch ijzer. Beschrijf de eenvoudigste warmtebehandeling om van dit staal de microstructuur te veranderen van de begintoestand naar de eindtoestand. Zie onderstaande tabel. Noem hierbij alle relevante temperaturen, afkoelsnelheden en tijden. Ga er vanuit dat het materiaal in de begin- en eindtoestand op kamertemperatuur is. Begintoestand Eindtoestand a) Perliet Bainiet b) Bainiet Zachtgegloeid c) Zachtgegloeid Bainiet d) Perliet Martensiet e) Martensiet & bainiet Perliet 3 van 6

4 3) Invloed legeringselement In staal worden vaak legeringselementen toegevoegd met een bepaald doel, bijvoorbeeld het vergroten van de doorharding, het verhogen van de oxidatieweerstand, het verbeteren van de kruipvastheid, etc. Belangrijke legeringselementen zijn onder andere vanadium (V) en molybdeen (Mo). Deze legeringselementen hebben bijvoorbeeld een voorname rol tijdens het veredelen. a) Beschrijf in eigen woorden op welke wijze (on)gelegeerd staal veredeld wordt. Wat is het doel van elke stap (3) en hoe wordt de stap uitgevoerd? b) Wat verandert er tijdens elke stap van het veredelingsproces door de aanwezigheid van V en/of Mo? c) Leg uit waarom deze modificatie plaatsvindt. Oftewel: wat is het achterliggende materiaalkundige principe dat er voor zorgt dat het veredelingsproces wordt gemodificeerd? 4) Gietstructuur Een studente giet een eenvoudige, onder-eutectische, binaire legering uit in een metalen mal en laat de legering stollen. Zij maakt hiervan een preparaat. Onder de microscoop ziet zij bij grote vergroting dat de structuur bestaat uit dendrieten en een eutectische fase. Bij nadere beschouwing blijkt de samenstelling in de primaire dendrieten niet constant te zijn, maar te variëren van plaats tot plaats. a) Maak een tekening van de structuur die de studente ziet. Geef netjes aan wat u tekent. b) Teken schematisch een zo eenvoudig mogelijk bijbehorend fasediagram. Geef het mogelijke samenstellingsgebied aan. c) Geef een verklaring voor het ontstaan van de plaatsafhankelijke samenstelling in de dendrieten. d) Hoe kan het ontstaan van de plaatsafhankelijke samenstelling in de dendrieten worden voorkomen? De studente voert het gietexperiment uit volgens de door u (of uw collega s indien u geen antwoord heeft gegeven bij d)) bedachte procedure. In een hoge-temperatuurmicroscoop ziet zij inderdaad dat de dendrietstructuur net onder de eutectische temperatuur een homogene samenstelling heeft. Echter na afkoelen blijkt de structuur niet meer homogeen. e) Kunt u een mogelijke verklaring geven voor de inhomogene structuur die na afkoelen is ontstaan? Laat uw verklaring vergezeld gaan van een heldere tekening. 4 van 6

5 5) Fietsframe De stalen buis waarvan een fietsframe wordt gemaakt is een halfproduct en wordt geleverd door een buisfabrikant. Bij de buisfabricage (van fietsbuizen) wordt een relatief dikke buis, door een kleinere opening getrokken. Dit gebeurt zodanig dat een buis met kleinere diameter en wanddikte ontstaat. Het "trekken" van de buis gebeurt bij kamertemperatuur en gaat gepaard met grote plastische vervormingen (in de lengterichting van de buis). a) Bespreek het effect van het fabricage proces "trekken" op de volgende mechanische eigenschappen van het buismateriaal: elasticiteitsmodulus, rekgrens, treksterkte en breekrek. Geef ook aan of het door u genoemde effect gunstig of nadelig is (voor de buis als dragend onderdeel in een fietsframe). b) Bespreek het C% dat het staal van de fietsbuis naar uw idee heeft, en waarom? (Tip: Geef een schatting van het C% en vermeld of het een relatief hoge of lage waarde is binnen de staalsoorten). Hoe wordt dit type staal in het algemeen genoemd? Bij de fabricage van een fiets worden de verschillende buizen van het frame verbonden via een overmaats koppelstuk (zg. lug). De buizen worden in het koppelstuk geschoven, waarna de naden worden gesoldeerd met een koperlegering, waarvan het smeltpunt ca ºC bedraagt. Het staal van de buis heeft een smeltpunt van 1530 ºC en smelt dus niet bij het solderen. Zie foto's I, II en III I Overzichtsopname van de lug. II Microscopische opname van een doorsnede gemaakt over de soldeerverbinding (Vergroting 500x) III Microscopische opname van een doorsnede gemaakt over de wand van de buis, ver weg van de soldeerverbinding. (Vergroting 500x) I Overzichtsopname van het koppelstuk (lug). II Soldeerverbinding. (V 500x ) III Oorspronkelijk buismateriaal (V 500x ) c) Bespreek de invloed van de hoge soldeertemperatuur op de microstructuur (korrelgrootte) van het buismateriaal ter plaatse van de soldeerverbinding. M.a.w. vergelijk bovenstaande microscopische opnamen en bespreek het mechanisme dat naar uw mening is opgetreden. 5 van 6

6 d) Bespreek de invloed van de hoge soldeertemperatuur op de mechanische eigenschappen van het buismateriaal ter plaatse van de soldeerverbinding, m.b.t. elasticiteitsmodulus, rekgrens, treksterkte en breekrek. e) Kan er tijdens het solderen, kruip in de buis opgetreden zijn? f) Zou de verbinding tussen de buizen i.p.v. door solderen ook door lassen verkregen kunnen worden? Met andere woorden, is het materiaal van de buizen lasbaar? 6) Corrosie... In onderstaande figuur is een deel van een zeewatervoerend leidingsysteem weergegeven. Het water stroomt er ongefilterd en met hoge snelheid doorheen. Het leidingwerk en de flenzen zijn gemaakt van een legering die goed bestand is tegen zeewater. Een rubber pakking tussen de flenzen voorkomt lekkage. Desondanks treden er drie corrosie problemen op. a) Wat voor soort problemen zijn het en waar treden ze op? b) Geef een mogelijke oplossing voor ieder probleem. flensverbinding leiding rubber pakking lasnaad 6 van 6