Materiaalkunde

Materiaalkunde (M)

Opgave 1

Zijn de volgende beweringen waar of niet waar?

Kristallijne polymeren hebben een hoog moleculair gewicht oftewel een langere ketenlengte.
Netwerkpolymeren vertonen smeltverschijnselen als de temperatuur wordt verhoogd.
Mechanische eigenschappen verbeteren als de kristalliniteit verhoogd wordt.
Keramische materialen hebben geen vrije elektronen.
Keramische materialen breken bros en hebben een lage treksterkte.

Opgave 2

Twee even lange draden van respectievelijk aluminium en ijzer hangen loodrecht aan een horizontaal plafond en zijn door middel van een dwarsverbinding gezamenlijk elastisch belast met een trekkracht F. Op de dwarsverbinding bevindt zich een waterpas, dat aangeeft dat de dwarsverbinding horizontaal hangt. De kracht F grijpt aan in het midden van de dwarsverbinding. Het gewicht van de draden en de dwarsverbinding kan verwaarloosd worden ten opzichte van F. Als de diameter van de aluminium draad d_{AL} is, wat moet dan de diameter van de ijzerdraad zijn opdat aan bovenstaande omstandigheden wordt voldaan?

Eigenschappen: E-modulus Al = 70 GPa, E-modulus Fe = 210 GPa

Opgave 3

Een belasting van 150kN wordt opgelegd aan een cylindrisch stalen proefstuk waarvan de trek-rek curve hieronder is weergegeven. Het proefstuk heeft een diameter van 10mm.

Zal het proefstuk eleastisch en/of plastisch deformeren? Waarom is dit het geval?
Hoeveel zal het proefstuk onder deze belasting toenemen in lengte als de oorspronkelijke lengte 500mm is?

Opgave 4

Noem drie manieren om een metaal sterker te maken.

Opgave 5

Wat is de fundamentele reden dat een materiaal uitzet als de temperatuur wordt verhoogd?

Opgave 6

Een rond massieve trekstaaf van een titaniumlegering heeft een dwarsdoorsnede (A) van 1000\text{mm}^2 en een staaflengte (L) van 2m in onbelaste toestand. De trekstaaf wordt gebruikt om een last (m) te dragen van 3000kg. Gebruik als waarde voor de gravitatieversnelling (g) 9.81 \text{m/s}^2 . Bereken de trekspanning (\sigma) in de staaf bij volledige belasting. Geef zowel de formule als de waarde in MPa.
Wat is de lengteverandering (\Delta L in mm) van deze staaf als de staaf in plaats van trek op druk wordt belast met een drukspanning van 50MPa. De elasticiteitsmodulus (E) van de titaniumlegering is 115GPa. Geef zowel de toegepaste vergelijking als het berekende resultaat.

Opgave 7

Schets in onderstaand figuur een typische trek-rek curve weergegeven voor een taaie aluminium legering en een keramiek. Het gaat hierbij om de vorm van de curves, niet om de groottes.

Opgave 8

Een trekstang met een diameter van 10mm wordt belast met een kracht van 20kN. De stang mag maximaal 0,1% rekken. Welke van onderstaande materialen komen hiervoor in aanmerking. Geef aan hoe je tot de keuze gekomen bent, eventueel met een berekening.

	Staal	Aluminium legering	Koper
Elasticiteitsmodulus in \text{N/mm}^2	210000	70000	115000
vloeigrens, rekgrens in \text{N/mm}^2	300	505	60
treksterkte in \text{N/mm}^2	450	572	220

Opgave 9

Waarop is de binding tussen metaalatomen gebaseerd? Is dit een sterke of zwakke binding?

Opgave 10

Waarop is de covalente binding tussen atomen gebaseerd? Is dit een sterke of zwakke binding?

Opgave 11

Wanneer wordt een materiaal kristallijn genoemd?

Opgave 12

Een rechthoekige staaf (10 \times 15 \text{mm}^2) met een lengte van 200mm van een titaniumlegering wordt belast met een spanning van 600 \text{N/mm}^2. De materiaaleigenschappen staan in onderstaande tabel.

	Titanium legering	Aluminium legering
E-modulus (\text{N/mm}^2)	111000	70000
Rekgrens (\text{N/mm}^2)	700	300
Treksterkte (\text{N/mm}^2)	763	440

Wat is de uitgeoefende kracht?
Bereken de verlenging van het belaste staafje.
Kan de verlenging ook worden uitgerekend voor een aluminiumlegering waarvan de eigenschappen ook in de tabel staan? Verklaar uw antwoord.

Opgave 13

Schets in onderstaand figuur een trek-rek curve weergegeven voor een elastomeer en een koolstofvezel.

Opgave 14

Een trekstang met een diameter van 10mm wordt belast met een kracht van 20kN. De stang mag maximaal 0,1% rekken. Welke van onderstaande materialen komen hiervoor in aanmerking. Geef aan hoe je tot de keuze gekomen bent, eventueel met een berekening.

	Staal	Aluminium legering	Koper
E-modulus (\text{N/mm}^2) *¹	210000	70000	115000
s_y (\text{N/mm}^2) *²	300	505	60
s_{uts} (\text{N/mm}^2) *³	450	572	220

*¹ Young’s modulus, Elasticiteitsmodulus

*² yield strength, vloeigrens, rekgrens

*³ ultimate tensile strength, treksterkte

Opgave 15

Waarop is de binding tussen metaalatomen gebaseerd? Is dit een sterke of zwakke binding?

Opgave 16

Schets in onderstaand figuur de trek-rek curve voor een keramisch materiaal en een elastomeer.

Waarom is er een verschil in elasticiteitsmodulus E tussen een keramisch materiaal en een elastomeer?

Opgave 17

Een rond staafje van de aluminiumlegering 2024 met een doorsnede van 5mm en een lengte van 100mm wordt elastisch belast met een spanning van 300MPa. De elasticiteitsmodulus van dit materiaal is 70GPa.

Wat is de uitgeoefende kracht?
Bereken de verlenging van het belaste staafje.

Opgave 18

Welke van onderstaande bindingstypen kunnen voorkomen in polymeren?

metaalbinding
covalente binding
Ion binding
van der Waalsbinding

Opgave 19

Een ronde trekstaaf van een bepaald materiaal met een straal van 4mm wordt elastisch belast met een kracht van 3kN. De meetlengte waarover de verlenging wordt gemeten is 100mm en door de belasting is de verlenging over de meetlengte 0,15mm. Wat is de elasticiteitsmodulus van dit materiaal?

Opgave 20

In metallische materialen komen roosterfouten voor. Welk type roosterfout is essentieel om een metaal plastisch te laten vervormen?

Opgave 21

Stalen proefstukken worden onderworpen aan een trekproef. De trekcurves staan weergegeven in onderstaand figuur links. In de figuur rechts worden schematisch, in zijaanzicht, de locaties van de breuk in het proefstuk getoond.

Welk proefstuk hoort bij de trekcruve van het staalsoort met 1 gew.% koolstof? Motiveer je antwoord.

Opgave 22

Een trekstang van 20 meter lengte moet een kracht doorleiden van 100kN. De elastische verlenging mag niet meer bedragen dan 8mm. De stang heeft een cirkelvormige dwarsdoorsnede. Er kan een keuze worden gemaakt tussen drie materiaalsoorten: staal, koper en aluminium, waarvan de elasticiteitsmoduli staan weergegeven in de onderstaande tabel. In deze tabel staan ook de dichtheden van de verschillende materialen.

	Staal	Aluminium	Koper
E-modulus (\text{N/mm}^2)	210000	70000	120000
dichtheid (\text{kg/m}^3)	7800	2700	8900

Wat is de benodigde diameter van de stang in de drie uitvoeringen?
Welk materiaal zou leiden tot het laagste gewicht?
Hoe groot is in elke uitvoering de spanning?