Tentamen MATERIAALKUNDE 2

Transcriptie

1 Universiteit Twente Faculteit der Construerende Technische Wetenschappen Leerstoel Productietechniek Module 3 WB Energie en Duurzaamheid Tentamen MATERIAALKUNDE 2 19 april 2017, uur AANWIJZINGEN 1. Vergeet niet uw naam en alle voorletters te vermelden op het werk en op de opgaven. 2. Dit tentamen bestaat uit 6 opgaven. 3. Waardering : opgave 1: 6 punten 2: 5 punten 3: 4 punten 4: 4 punten 5: 4 punten 6: 4 punten Eindcijfer = (opgave 1 + opgave 2 + opgave 3 + opgave 4 + opgave 5 + opgave 6 + 3)/3 4. Lees elke vraag goed door. Geef een helder antwoord en schrijf netjes. Indien u vermoedt dat u een rekenfout heeft gemaakt, geef dit aan. 5. Rekenantwoorden worden alleen beoordeeld indien deze van de juiste eenheden zijn voorzien. 6. U mag de vragen in uw eigen volgorde afwerken. Bijvoorbeeld, favoriete vragen eerst. 7. Opgaven en uitwerkingen worden ruim na afloop van het tentamen op Blackboard gepubliceerd. 8. Het betreft een gesloten-boek tentamen. Alleen het gebruik van pen, potlood, gum, geodriehoek en een (grafische/eenvoudige) rekenmachine is toegestaan. Succes! 1 van 5

2 1) In de gieterij: fasediagram Fe-C In een staalgieterij laat een afstudeerster een Fe-C-legering met een eutectoïdische samenstelling met een normale snelheid afkoelen tot kamertemperatuur. Ga voor de beantwoording van deze vraag uit van onderstaand fasediagram. a) Welk deel van het fasediagram gaat u gebruiken en waarom? 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 op de juiste wijze (%). Laat zien hoe u tot de waarde komt. b) 1500 ºC, c) 1450 ºC, d) 1150 ºC, e) 800 ºC en f) 700 ºC. In een tweede experiment laat de afstudeerster de gietlering met dezelfde snelheid afkoelen tot 700 ºC, maar vervolgens gooit ze het relatief kleine proefstuk in een bak met water. g) Maak een schets van de microstructuur van deze legering na afkoelen tot kamertemperatuur. Geef de fasen aan en bepaal de hoeveelheid (%) van elke fase. Laat zien hoe u tot de waarden komt. 2 van 5

3 2) Warmtebehandelingen Staal wordt aangekocht in een bepaalde leveringstoestand. Vaak wordt voor een bepaalde toepassing, of als onderdeel van het productieproces, een andere microstructuur vereist. Daardoor is er een passende warmtebehandeling nodig om van een bepaalde begintoestand naar een andere eindtoestand te komen. In dit geval gaat het om 4340-staal waarvan het isotherme TTT-diagram hieronder te zien is. Dit staal heeft een koolstofgehalte van 0,4 %. Bepaal mede aan de hand van dit diagram en/of het fasediagram van opgave 1 hoe de warmtebehandeling er uit ziet, wanneer het materiaal vanaf kamertemperatuur met een bepaalde begintoestand moet worden behandeld om een bepaalde eindtoestand op kamertemperatuur te bereiken. In de onderstaande tabel staan de gevraagde begin- en de eindtoestanden. Tip: zorg er voor dat de warmtebehandeling zo kort mogelijk duurt en let altijd goed op. Beschrijf de warmtebehandeling zo duidelijk mogelijk en noem relevante waarden van de gebruikte temperaturen, verwarmingstijden, opwarm- en afkoelsnelheden. Begintoestand (20 ºC) Eindtoestand (20 ºC) a) Zacht gegloeid Bainiet b) Koud vervormd Microstructuur met randcementiet c) Afgeschrikt Ferriet en martensiet d) Ferriet en perliet Perliet en bainiet e) Ferriet met grove bolletjes Ferriet met fijne bolletjes cementiet cementiet f) Ferriet met fijne bolletjes cementiet Ferriet met grove bolletjes cementiet 3 van 5

4 3) Microstructuur Een afstudeerster heeft een eenvoudig gietijzer gegoten in een mal. Onder de microscoop ziet ze bij voldoende vergroting bovenstaande microstructuur. Ze vraagt zich af hoe deze microstructuur is ontstaan. a) Geef globaal de samenstelling van dit gietijzer. Beperkt u tot de drie belangrijkste elementen. Verklaar uw antwoord. b) Geef een verklaring voor het ontstaan van de lange zwarte structuurbestanddelen. Neem in uw verklaring de rol van de afkoelsnelheid mee. c) Geef een verklaring voor het ontstaan van de zebra -achtige patronen. Betrek hierin de rol van de afkoelsnelheid en het groeimechanisme van deze fase. De afstudeerster herhaalt het experiment, maar nu laat ze het gietijzer zeer langzaam afkoelen na het stollen. d) Maak een schets van de microstructuur na afkoelen tot kamertemperatuur. Leg uit wat u tekent en verklaar het ontstaan van deze microstructuur. 4) Ketelpijpen in (elektriciteits)centrales In elektriciteitscentrales wordt veel staal gebruikt voor ketelpijpen. De eenvoudige soorten bevatten naast een zekere hoeveelheid koolstof in het algemeen ook kleine hoeveelheden legeringselementen zoals Cr en kunnen worden toegepast tussen C. a) Welke 2 belangrijke materiaalkundige gevaren bestaan er voor stalen ketelpijpen in elektriciteitscentrales en waarom? Leg nauwkeurig uit wat elk gevaar inhoudt. b) Wat is de rol van koolstof in dergelijke materialen? c) Geef het samenstellingsgebied aan van dit element in dit materiaal. Leg uit waardoor de grenzen worden bepaald. d) Wat is de rol van Cr? Leg uw antwoord nauwkeurig uit. e) Wat is de rol van de korrelgrootte in dergelijke materialen? Leg helder uit. 4 van 5

5 5) Falende constructie (i) Een fabrikant van beach-cruisers krijgt voortdurend klachten over het roesten van hun stalen frames. Het blijkt dat het staal niet goed bestand is tegen zout water. De fabrikant besluit roestvaststaal te gebruiken om bruine roestvlekken te voorkomen. Om kosten te besparen wordt het frame niet gelakt. Het staal bevat 18 % Cr en 8 % Ni. een beach-cruiser (heeft niets met het genoemde probleem te maken) Na langdurig gebruik in zomerse zee -omstandigheden blijken er opnieuw serieuze corrosieproblemen op te treden met het frame. a) Welke vorm van corrosie acht u het meest waarschijnlijk in dit geval en waarom? b) Leg nauwkeurig uit wat de oorzaak van het corrosieprobleem is. Ondersteun uw uitleg met een duidelijke tekening. c) Welke maatregelen kunnen genomen worden om deze vorm van corrosie te voorkomen. Let op: frame dient ongelakt te blijven en fabrikant blijft staal toepassen met 18 % Cr en 8 % Ni. 6) Falende constructie (ii) De fietsfabrikant uit de vorige vraag bouwt ook goedkope frames uit koolstofstaal. De getrokken buizen worden door hardsolderen met elkaar verbonden. Vervolgens worden de frames gelakt. De frames voldoen goed, behalve onder winterse omstandigheden in Siberië. Dan treedt op grote schaal falen op. Uit een eerste onderzoek blijkt de treksterkte van de buizen ruimschoots aan de eisen te voldoen, is ook vermoeiing niet aan de orde en zijn de soldeerverbindingen in orde. De fabrikant vraagt zich af wat er met het buismateriaal aan de hand is. a) Wat zou het probleem van de fietsfabrikant kunnen zijn? Leg duidelijk uit hoe u tot deze constatering komt. b) Leg vervolgens uit wat de achterliggende materiaalkundige oorzaak is van het probleem geconstateerd bij a)? c) Welke materiaalkundige oplossing adviseert u en waarom? Leg opnieuw helder uit. Let op! Er bestaan meerdere mogelijkheden om dit probleem op te lossen. Fabrikant blijft staal gebruiken. Zorg ervoor dat u mij overtuigt van de toepasbaarheid van uw aanpak. 5 van 5