Universiteit Twente Faculteit der Construerende Technische Wetenschappen Leerstoel Productietechniek Tentamen MATERIAALKUNDE II, code 191152100 27 juni 2014, 08.45-12.15 uur AANWIJZINGEN 1. Vergeet niet uw naam en alle voorletters te vermelden op het werk en op de opgaven. 2. Dit tentamen bestaat uit 5 opgaven. 3. Waardering : opgave 1: 7 punten 2: 5 punten 3: 5 punten 4: 5 punten 5: 5 punten Eindcijfer = (opgave 1 + opgave 2 + opgave 3 + opgave 4 + opgave 5 + 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. U mag de vragen in uw eigen volgorde afwerken. Bijvoorbeeld, favoriete vragen eerst. 6. Opgaven en uitwerkingen worden ruim na afloop van het tentamen op Blackboard gepubliceerd. 7. Het betreft een gesloten-boek tentamen. Alleen het gebruik van pen, potlood, gum, geodriehoek en een rekenmachine is toegestaan. Succes! 1 van 5
1) In de gieterij: fasediagram Fe-C In een staalgieterij laat een afstudeerster een Fe-C-legering met 3,5 gew% C en 2,5 % Si langzaam afkoelen tot kamertemperatuur. Vlak voor het gieten wordt een kleine hoeveelheid Mg toegevoegd. 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) Welk deel van het fasediagram gaat u gebruiken en waarom? b) 1300 ºC, c) 1200 ºC, d) 1154 ºC, e) 1147 ºC, f) 800 ºC, g) 730 ºC en h) 602 ºC. i) Beschrijf wat er gebeurt wanneer vanaf 700 ºC het materiaal wordt afgeschrikt in een bak met water. Geef een heldere verklaring voor de optredende verschijnselen. 2 van 5
2) Warmtebehandelingen Staal wordt aangekocht in een bepaalde leveringstoestand. Vaak wordt voor een bepaalde toepassing of als onderdeel van het productieproces echter een andere microstructuur vereist en is een passende warmtebehandeling nodig om van een bepaalde begintoestand naar een andere eindtoestand te komen. In dit geval gaat het om 0.45 % C-staal; het isotherme TTT-diagram is hieronder te zien. 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. Zie onderstaande tabel voor de gevraagde begin- en de eindtoestanden. Beschrijf de warmtebehandeling zo duidelijk mogelijk en noem waar nodig relevante waarden van de gebruikte temperaturen, verwarmingstijden, opwarm- en afkoelsnelheden. Begintoestand (20 ºC) Eindtoestand (20 ºC) a) Martensiet Hoog bainiet b) Zacht gegloeid Ferriet, perliet, bainiet en martensiet c) Fijne perliet en ferriet Genormaliseerd d) Koud vervormd Gehard en laag ontlaten e) Gerekristalliseerd Dual phase (ferriet + martensiet) f) Genormaliseerd Zachtgegloeid 3 van 5
3) Microstructuur Een afstudeerder maakt een eenvoudige binaire gietlegering bestaande uit elementen A en B. Beide elementen zijn gedeeltelijk in elkaar oplosbaar. De afstudeerder kiest de legering zo, dat direct na het voltooien van het stollingsproces het materiaal uit één fase zou moeten bestaan. Bij latere inspectie na volledige afkoeling blijkt het materiaal holtes te bevatten (zwarte gebieden in bovenstaande foto). a) Teken een zo eenvoudig mogelijk binair fasediagram, dat past bij de hierboven omschreven binaire legering. Benoem alle gebieden in het fasediagram b) Geef het mogelijke samenstellingsgebied aan in het fasediagram getekend bij a). c) Leg nauwkeurig uit hoe de getoonde holtes kunnen zijn ontstaan. Ondersteun uw uitleg met een duidelijke tekening. d) Is er een mogelijkheid het ontstaan van deze holtes te voorkomen? Zo ja, waarom wel; zo nee, waarom niet? 4) Hoge-temperatuurtoepassingen Turbineschoepen voor vliegtuigmotoren worden vaak van exotische materialen gemaakt. Blijkbaar vereisen de hoge temperaturen en de grote optredende spanningen het gebruik van bijzondere materialen. Kruip speelt vanzelfsprekend een grote rol in deze toepassingen. a) Teken voor een metaal schematisch het verloop van de kruipsnelheid als functie van de tijd voor verschillende aangelegde spanningen (Tip: neem 3 constante spanningswaarden). b) Leg uit wat er in elke fase van het kruipproces optreedt en waarom. Stapelfouten spelen een belangrijke rol bij sommige kruipvaste materialen. c) Verklaar het ontstaan van een stapelfout. 4 van 5
d) Op welke wijze verbeteren stapelfouten de kruipvastheid. Noem tenminste twee redenen. Leg per geval uit hoe de verbetering van de kruipvastheid tot stand komt. e) Hoe kan het aantal stapelfouten worden vergroot? 5) Corrosie in een zeewaterleidingsysteem Hieronder is een deel van een zeewaterleidingsysteem getekend. De richting van de waterstroom is met pijlen aangegeven. De onderdelen hebben de letters A t/m H. Het bochtstuk E is aan de delen C gelast. De flenzen D (aan de pijpdelen C gelast) zijn, met een pakking ertussen, met bouten aan elkaar verbonden. Ook de klep F is met bouten vastgezet tussen de aangelaste flenzen D en G. Noem drie corrosieproblemen die in dit systeem kunnen optreden. Geef voor elk probleem: (i) één plaats aan waar het kan optreden, (ii) Een heldere uitleg van het corrosiemechanisme en (iii) één mogelijke oplossing voor het corrosieprobleem. Let op: Elke oplossing mag maar één keer worden gebruikt. D D hoge-drukpomp; water direct van de zeebodem A B C C A B C E E C = koolstofstaal ms = messing rvs = roestvast staal klep ms rvs rvs H D F F G naar hoofdsysteem EINDE TENTAMEN 5 van 5