Universiteit Twente Faculteit der Construerende Technische Wetenschappen Leerstoel Productietechniek Tentamen MATERIAALKUNDE II, code 191152100 6 juli 2012, 13.45-17.15 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. 1 van 5
1) In de gieterij (I): fasediagram Fe-C In een staalgieterij voegt een afstudeerster aan een Fe-C-legering met 3 gew% C en 3,5 gew% Si vlak voor het gieten een kleine hoeveelheid Mg toe. De legering wordt in een zandmal gegoten en koelt langzaam af tot kamertemperatuur. Ga voor de beantwoording van deze vraag uit van onderstaand fasediagram. Er kunnen tijdens het afkoelen alleen fasen worden gevormd die in het fasediagram voorkomen. 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) 1350 ºC, c) 1152 ºC, d) 1147 ºC, e) 730 ºC, f) 726 ºC. Na volledige afkoeling tot kamertemperatuur verwarmt de afstudeerster het gietstuk nog een keer om eventuele restspanningen te verwijderen. Per abuis wordt het materiaal echter tot 800 ºC verwarmd en enige tijd op die temperatuur gehouden. Daarna wordt het snel afgekoeld tot kamertemperatuur. g) Welke structuur neemt zij waar na afloop van deze warmtebehandeling? Maak een schets van de ontstane fasen en schat de hoeveelheid op de juiste wijze (%) (Tip: er ontstaan alleen structuren die in het fasediagram voorkomen). 2 van 5
2) Warmtebehandelingen Staal wordt geleverd 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 1.13 % 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 Bainiet b) Veredeld Zacht gegloeid c) Fijne perliet + cementiet Grove perliet + cementiet d) Grove perliet + cementiet Fijne perliet + cementiet e) Koud vervormd Genormaliseerd f) Gerekristalliseerd Gehard en laag ontlaten 3 van 5
3) Productie van turbineschoepen De microstructuur van een gegoten turbineschoep hangt onder andere af van de omstandigheden die optreden tijdens het stollen. Een aantal vragen. a) Teken schematisch het verloop van de temperatuur als functie van de tijd tijdens het afkoelen van een zeer zuiver vloeibaar metaal tot kamertemperatuur. Leg nauwkeurig uit wat er gebeurt tijdens het afkoelen. b) Teken in bovenstaande figuur het verloop van de temperatuur als functie van de tijd voor een standaard gietlegering. In welk opzicht verschilt deze van die van figuur a)? Leg nauwkeurig uit wat de eventuele oorzaken zijn. c) Schets het verloop van de gemiddelde hardheid van een standaard gietlegering bij kamertemperatuur als functie van de afkoelsnelheid tijdens het stollen. Wat is de achtergrond van het getekende verloop? d) Hoe kan de microstructuur van een hoge-temperatuurturbineschoep worden geoptimaliseerd voor gebruik in de praktijk? Leg helder uit. 4) 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? 5) zie volgende pagina 4 van 5
5) Een materiaalprobleem Een fabrikant van licht belaste versnellingsbakken heeft klachten binnen gekregen van slecht functionerende systemen. In een aantal gevallen bleek de uitgaande as van de versnellingsbak getordeerd te zijn. Bij nadere inspectie blijkt de microstructuur van de as te bestaan uit een homogene ferriet/perliet structuur. De onderstaande opname is representatief voor deze microstructuur. Het witte balkje linksboven heeft een lengte van 20 micrometer. 20 μm a) Bepaal o.a. aan de hand van het microscoopbeeld het koolstofgehalte van de versnellingsbak as (ga uit van een eenvoudige ijzer-koolstoflegering) èn de wijze waarop het materiaal is behandeld. b) Verzin een oplossing voor het probleem van de versnellingsbakfabrikant. Let op! In uw antwoord wil ik terugzien: de oorzaak van bovenstaand probleem, de gekozen oplossing, relevante temperaturen en tijden van eventuele warmtebehandelingen en een beschrijving van eventueel optredende materiaalstructuurveranderingen. Er bestaan meerdere mogelijkheden om dit probleem op te lossen. Zorg ervoor dat u mij overtuigt van de toepasbaarheid van uw aanpak. 5 van 5