Tentamen MATERIAALKUNDE I, code

Transcriptie

1 Unverstet Tente Facultet der Construerende Technsche Wetenschappen Vakgroep Productetechnek Materaalkundg Laboratorum Agrcola Tentamen MATRIAALKUND I, code aprl 008, uur AANWIJZINGN 1. Vergeet net u naam en alle voorletters te vermelden op de antoordbladen.. Dt tentamen bestaat ut 6 opgaven. 3. Waarderng : opgave 1: 6 punten : 4 punten 3: 5 punten 4: 4 punten 5: 4 punten 6: 4 punten 4. Lees elke vraag goed door. Geef een helder antoord en schrjf netjes. Inden u vermoedt dat u een rekenfout heeft gemaakt, geef dt aan. Als er om een verklarng ordt gevraagd, geef deze dan (!) en net alleen het antoord. 5. Opgaven mogen mee naar hus genomen orden. Uterkngen orden na afloop van het tentamen op Teletop gepublceerd. 1 van 6

2 Opgave 1. Het bepalen van de utzettngscoëffcënt van een kubsch krstal met behulp van röntgendffracte. Van een utermate gftg metaal l men de egenschappen bj hoge temperatuur bepalen. Daartoe ordt het metaal n een hoge-temperatuuroven gebracht de volledg gesloten kan orden. De oven s tevens voorzen van tee vensters de voor röntgenstralen transparant zjn. Herdoor kunnen van dt metaal röntgenopnames orden gemaakt. De resultaten van de metngen bj 7 ºC en 57 ºC staan n onderstaande fguur. De gemeten pekpostes staan voor alle dudeljkhed tevens n onderstaande tabel. Beneden 50 zjn geen peken gemeten. De golflengte van de röntgenstralng s 0,154 nm Reflecte Pekpostes bj temperatuur 1 Pekpostes bj temperatuur Met deze gegevens kunnen het type (kubsch) trale van het metaal en de bjbehorende utzettngscoëffcënt orden bepaald. a) Teken de dre bekende kubsche trales. b) Wat gebeurt er met een pekposte als een materaal utzet? Verklaar hoe u aan u antoord komt. c) Gebruk de pekpostes de horen bj 7 ºC om af te leden at het trale van dt metaal s. Laat zen hoe u aan u antoord komt. d) Geef de hkl-ndces van de getoonde reflectes. e) Bereken de roosterconstante van dt metaal bj 7 ºC en 57 ºC. f) Bereken de utzettngscoëffcënt van dt metaal. Tp: Ze ook het formuleblad. van 6

3 Opgave. Onterpen van composet-megajump-arm: materaalselecte De onterpers van een megajump overegen een dunne, stjve, contnue vezel composet arm te ontkkelen met een lengte van 6 meter. De arm ordt gemaakt van een vezel (koolstof, aramde of glas) en een matrx (epoxy). De arm ordt belast op bugng. Om het beste materaal te kezen, gebruken de onterpers een prestate-ndex. y x P (N) Materaal (g/cm 3 ) (GPa) koolstof 1,83 30 aramde 1, glas,50 7,5 epoxy 1,0 3,10 a) Led af dat voor een gegeven maxmum zakkng y max het laagste gecht ordt verkregen als zo groot mogeljk s. Formules voor de zakkng y en traaghedsmoment I staan op het formuleblad. Ga ut van een masseve, ronde staaf met dameter d. b) Wanneer maxmaal 40 % vezel mag orden toegevoegd, elke vezel levert de lchtste verhusarm op? c) Hoe groot zjn de stjfhed en dchthed van het composetmateraal? Opgave 3. Vermoeng bj een as van een mega-jump Mega-jump Innovatve Desgn onderzoekt voor de bou van een geavanceerde megajump een lange, horzontale as aaraan de attracte s vastgemaakt. De ronde as heeft een lengte van 10 meter en een anddkte van 5 cm. De as vervormt door het draaen van de attracte. Bj een volledge omentelng s de maxmum spannng aan de butenzjde 50 MPa en de mnmumspannng -0 MPa. De as draat gemddeld 5 keer per mnuut en erkt 10 uur op een dag. a) Neem een punt op het butenoppervlak van de bus. Schets het verloop van de spannng n dt punt anneer de as één volledge omentelng maakt. b) Hoe groot s het relevante verschl tussen de maxmum en de mnmum spannng n dt geval? Verklaar u antoord. 3 van 6

4 Aan de butenzjde van de as bevndt zch een klene scheur met lengte a = 0.1 mm. Door de voortdurende beegng van de as treedt vermoengsscheurgroe op. Voor deze stuate geldt: Y = 1 K Ic = 10 MPa m 1/ K Ith = 0. MPa m 1/ m = 4. c = (MPa) -4 m c) Bereken de maxmum scheurlengte voordat het materaal (bros) breekt. d) Hoe lang kan de as functoneren? e) Stel dat de as zeer glad as afgeerkt en de grootste oneffenhed een aarde van a = 0.01 mm heeft. Hoe lang s dan de levensduur? Opgave 4. Vervormng van een eenkrstal en velghedssensor van een Mega-jump van Innovatve Desgn bevat een krg Feeenkrstal. Alvorens het materaal toe te passen ordt het materaal getest. De [3 1 1]- rchtng van het eenkrstal lgt evenjdg aan de trekrchtng. r vndt afschuvng plaats over het (1-10)-vlak. De krtsche schufspannng bedraagt 10 MPa. a) en of meer gljrchtngen orden actef. Laat dudeljk zen elke. b) Hoe groot s de opgelegde trekbelastng? c) Op het gljvlak met de hoogste Schmdfactor loopt een randdslocate. Hoe groot s de burgersvector? d) Bj a) zjn de gljrchtngen bepaald de actef orden voor het (1-10)-vlak. Zjn er onder de hudge omstandgheden ook {110}-vlakken n het Fe-eenkrstal aarover geen afschuvng kan plaatsvnden? Zo ja, elke? Zo nee, aarom net? Opgave 5. Mechansch gedrag van kunststoffen en van de Mega-jumps van Innovatve Desgn gebrukt verschllende kunststof beschermkappen om de elektromotoren te beschermen tegen eersnvloeden. en aantal vragen: Wanneer een vloebare kunststof ordt afgekoeld, dan ontstaat n sommge gevallen een (sem)krstalljne vaste stof en n andere gevallen een amorfe vaste stof. a) Laat n een schematsche fguur het verschl zen tussen de structuur van een amorfe vaste stof en een sem-krstalljne vaste stof. Leg ut at u tekent. b) Teken het verloop van het volume als functe van de temperatuur tjdens afkoelen ut de vloebare toestand voor bede typen kunststoffen. 4 van 6

5 c) Beschrjf at er tjdens het afkoelen gebeurt. d) Waar hangt de glasovergangstemperatuur T g van af? Noem tenmnste 3 punten. e) Polypropeen (PP) heeft een T g van -10 ºC. Inden krmpfole van dt materaal ordt gemaakt, tot elke temperatuur zou men het moeten verhtten om krmpgedrag te beerkstellgen? Verklaar u antoord. Opgave 6. Onterpen op krup Krup s de vervormng van een materaal onder constante belastng. erst een teetal korte vragen: a) Laat schematsch het verloop van de rek als functe van de tjd zen voor verschllende opgelegde belastngen. b) Wat veracht u van het krupgedrag van een koud-vervormd constructeonderdeel? Verklaar u antoord. en constructeonderdeel ordt langdurg op hoge temperatuur (57 ºC) en gedurende langere tjd (40 jaar) belast. De maxmale rek mag 1 % zjn. r ordt een aantal kruptesten utgevoerd onder de volgende omstandgheden: Krupsnelhed: = /s bj 67 ºC en een spannng van 300 MPa Krupsnelhed: = 3, /s bj 77 º C en een spannng van 00 MPa Verder s gegeven dat n = 5. c) Wat s de maxmaal toelaatbare spannng aarbj het onderdeel nog net aan de gestelde es voldoet? d) Inden de spannng lager ordt gekozen dan u onder c) zojust heeft gevonden, en het constructeonderdeel faalt toch ten gevolge van krup, at zou u mogeljke verklarng zjn? Verklaar dt antoord. 5 van 6

6 Tentamenblad met formules en constantan (1 ) ln(1 ) U da K Y a c( K) m dn K n K t R max ongestoord mn max A B T C t C U cg b l n m r r na mb a F d n 1 m 1 hkl d sn( ) r r ( h k l hkl ) na Q / RT dc p ce J D x Dt N NV dx Cs Cx x Cx Cm x erf ( ) erf ( ) Cs C0 Dt C1 Cm Dt k T np cos( )cos( ) 0e d 1 A0 A1 m % koude def.100 P f 1 exp( ) ) A n Q / RT k e ( 1 ln( )) n M n nm n M M c = V v v + V m m 1 c V v v V m m cos( ) a b a b a b ( a a a ) ( b b b ) therm = T c a b ab3 a3b 3 4 PL d c a3b1 a1b 3 y I 3I 64 a1b ab1 ================================================================= N = R = 8.31 J/mol k = R/N erf(-z) = -erf(z) z erf(z) z erf(z) z erf(z) z erf(z) van 6