Universiteit Twente Faculteit der Construerende Technische Wetenschappen Vakgroep Productietechniek Materiaalkundig Laboratorium Agricola Tentamen MATERIAALKUNDE II, code 115210 4 juli 2008, 09.00-12.30 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: 7 punten 2: 4 punten 3: 3 punten 4: 5 punten 5: 4 punten 6: 4 punten 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. Opgaven en uitwerkingen worden na afloop van het tentamen op Teletop gepubliceerd. 6. Open / gesloten boek tentamen Geef op de eerste pagina van het tentamen aan of u open dan wel gesloten-boek tentamen doet. Alleen als u in het verleden reeds een open-boek-tentamen heeft gemaakt, mag u nu (met het Mk2-dictaat) opnieuw tentamen afleggen. Voor iedereen die dit tentamen voor het eerst doet, geldt dat het een gesloten-boek-tentamen is. 1 van 6
1) Fasediagram Fe-C (I) In een staalgieterij laat een afstudeerder een Fe-C-legering met 3,7 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 schat de hoeveelheid op de juiste wijze (%). Laat zien hoe u tot de schatting komt. 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. N.B. De afkoelsnelheid is niet zo hoog dat er martensiet en/of bainiet wordt gevormd. f) Wat betekent de hogere afkoelsnelheid voor de structuur van het materiaal? 2 van 6
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 eutectoïdisch ijzer. Beschrijf de eenvoudigste warmtebehandeling om van dit materiaal de microstructuur te veranderen van de begintoestand naar de eindtoestand voor a) tot en met f) in onderstaande tabel. Tip: Noem bij elke beschrijving de 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) Perliet 50 % Martensiet & 50 % bainiet d) Martensiet & bainiet Veredeld e) Grove perliet Fijne perliet f) Perliet 50 % Perliet & 50 % bainiet 3 van 6
3) Precipitatie Een relatief zeer dikke staaf van een precipitatiehardende Al-4%Cu legering wordt aan een precipitatiebehandeling onderworpen. a) Teken schematisch het verloop van de temperatuur als functie van de tijd voor het volledige precipitatieproces. Tip: begin en eindig op kamertemperatuur. Geef duidelijk aan wat er tijdens elk onderdeel van de warmtebehandeling gebeurt. (Open-boek-tentamen: in eigen woorden formuleren, anders geen punten!) b) Teken schematisch de microstructuur aan de buitenzijde en in het midden van de staaf. Geef netjes aan wat u tekent. c) Zijn er verschillen tussen de microstructuur van de buitenzijde en het midden van de staaf? Zo ja, waarom bestaan deze en zo nee, waarom verwacht u geen verschillen? d) Maak een schematische tekening van het verloop van de hardheid over de dikte van de staaf. Verklaar het getekende hardheidsverloop. 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 (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) Corrosie Veel vliegtuigonderdelen worden opgebouwd door verschillende aluminium platen via klinknagels aan elkaar te verbinden. Dit is een arbeidsintensieve methode, waarbij steeds eerst een gat door beide platen moet worden geboord en vervolgens een nagel moet worden geplaatst. a. Teken schematisch een dwarsdoorsnede van een klinknagelverbinding tussen twee platen. Noem tenminste drie mogelijke en relevante corrosiegevaren. b. Geef voor elk van de bij a) genoemde gevaren: (i) Wat is het optredende corrosiemechanisme? Leg uit hoe het optreedt. (ii) Wat is een mogelijke oplossing en licht deze oplossing duidelijk toe. Waarom werkt de voorgestelde oplossing? 6) Productie van fietsketting Bus Kettingplaat Pen Een fabrikant maakt verschillende fietsonderdelen, waaronder kettingen. De fietsketting bestaat uit een aantal onderdelen: kettingplaten, busjes en pennen, zoals hierboven is te zien. Voor de kettingplaten maakt de fabrikant gebruik van gewalst C15 (Fe met 0.15 % C) met de juiste dikte. a. Noem de belangrijkste materiaaleigenschappen voor een fietsketting. b. Voldoet dit materiaal in de uitgangstoestand aan de door u bij a) gestelde eisen? Indien het materiaal niet voldoet, stel dan een oplossing voor. c. Hoe ziet het productieproces van de kettingplaten eruit? Ga uit van gewalst plaatvormig C15 met de juiste dikte. d. Wanneer de fietsketting op het Zuidpoolgebied (-40 C) zou moeten worden toegepast, voorziet u dan nog problemen? Zo nee, waarom niet? Zo ja, waarom wel? Geef dan tevens een mogelijke oplossing. 5 van 6
Formuleblad Niet nodig vandaag 6 van 6