Maschinenbau Werkstoffkunde (Subject) / Werkstoffkunde 2 (Lesson)

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• Nenne die wesentlichen Punkte bei der Gewinnung von Primäraluminium! - Al liegt in Erdkruste als Al2O3 vor - Al2O3 hat extrem niedrige Bildungsentalpie -> viel Energie für Trennung - Al2O3 hat tiefschmelzendes Eutektikum mit Kryolith - Schmelzflusselektrolyseverfahren mit Al2O3-Kryolith-Gemisch
• Welche drei legierungstechnische Möglichkeiten gibt es für den Werkstoff Aluminium? 1) Mg, Mn -> Löslichkeit bei Raumtemeratur -> signifikante Mischkristallhärtung 2) Si -> verbessert Gießbarkeit 3) Cu oder Si zusammen mit Mg oder Zn -> festigkeitssteigernde Ausscheidungen
• Wie ist die Bezeichnung von Aluminium mit Kurzzeichen aufgebaut? 1) Knetlegierung: "Al" dann alle Legierungselemente, Masseprozent hinter jeweiligem Element (auch Komma möglich; ohne Faktoren)Nachsatz möglich-> "W" für weichgeglüht-> "F" für Kaltverfestigungs- bzw. Aushärtungszustand-> "G" für rückgeglüht 2) Gußlegierung: wie Knetlegierung mit Vorsatz-> "G-Al" für Sandguss-> "GK-Al" für Kokillenguss-> "GD-Al" für Druckguss 3) unlegiert: "Al" dann Reinheitsgrad in Prozent evtl. mit Nachsatz-> "R" für Reinstaluminium-> "H" für Hüttenaluminium-> auch Element mit Masseprozentangabe möglich
• Was ist der Unterschied zwischen Streckgrenze und Dehngrenze? Was sagen sie über einen Werkstoff aus? Streckgrenze: abrupter Übergang vom elastischen zum plastischen Verhalten Dehngrenze: kontinuierlicher Übergang vom elastischen zum plastischen Verhalten -> beide geben die maximale Spannung im Werkstoff an bevor dieser sich plastisch verformt
• Wie steigert ein Lomer-Cottrell-Lock die Festigkeit eines Werkstoffs? nicht gleitfähige Versetzungen behindern viele gleitfähige Versetzungen am gleiten
• Was versteht man unter Feinkornhärtung bzw. Kornfeinung? Erhöhung der Festigkeit durch das Einbringen von Korngrenzen
• Was versteht man unter Teilchenhärtung? Welcher Effekt der Phasenumwandlung wird hierbei überwiegend genutzt? Erhöhung der Festigkeit durch das Einbringen von Teilchen in die Gefügekörner des Matrixkristalls Ausscheidungsvorgänge ohne Beteiligung schmelzflüssiger Phasen -> meist mit diffusionsgesteuerten Konzentrationsänderungen verbunden-> Ausscheidungshärtung
• Nenne die drei Voraussetzungen der Ausscheidungshärtung die ein Werkstoff erfüllen muss! 1) Mischkristallbildung 2) Temperaturabhängige Löslichkeit 3) Bildung einer zweiten Phase
• Wie wird die Wärmebehandlung Aushärtung noch bezeichnet? Nenne die drei Stufen der Wärmebehandlung! Auslagerung oder Ausscheidungshärtung 1.) Lösungsglühen, Homogenisierungsglühen2.) Abschrecken3.) Auslagern, Aushärten
• Was passiert mit zunehmender Auslagerungstemperatur und -zeit mit den ausgeschiedenen Teilchen und dem Charakter der Kristallstruktur? ausgeschiedene Teilchen werden größer Charakter der Kristallstruktur ändert sich von kohärent über teilkohärent zu inkohärent
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• Was versteht man unter Umwandlungshärtung? Wärmebehandlung von allotropen Legierungssystemen, bei der eine deutliche Festigkeitssteigerung durch Martensitbildung erfolgt. Allotropie: Element liegt im gleichen Aggregatszustand gleichzeitig in verschiedenen Phasen vor
• Welche Legierungen werden mit 3xxx, 3xx bzw. 5xxx, 5xx bezeichnet? Was haben sie gemiensam? 3xx(x) -> Al-Mn-Guss- bzw. Knetlegierung 5xx(x) -> Al-Mg-(Mn-)Guss- bzw. Knetlegierung Mn und Mg sind Mischkristallhärtner in Aluminium -> naturharte Legierung
• Was ist der Nachteil einer 5xxx-Legierung? Al-Mg-(Mn)-Knetlegierung Bildung sogenannter Fließfiguren während der Blechumformung-> lokale Querschnittsabhnahmen oder Wanddickenabnahmen(sichtbar als Zacken in der Spannungs-Dehnungskurve)
• Was kann man bei einer Al-Mg-Knetlegierung gegen das Phänomen der Fließfiguren unternehmen? Zulegieren von Si -> 6xxx- bzw. Al-Mg-Si-Legierung
• Was kann man bei Al-Mg-(Mn-)Legierungen sagen, wenn Unstetigkeiten in der Spannungs-Dehunngs-Kurve auftauchen? Wie wird dieser Effekt genannt? -> ungewollte Fließfiguren entstehen -> dynamische Reckalterung -> Portevin-LeChatelier-Effekt
• Nenne die wesentlichen Punkte der 4xx(x)-Legierung! Al-Si-Legierung -> naturharte Legierung - Si macht Al dünnflüssig -> Herstellung komplexer Gussteile- Al weich & duktil, Si hart & spröde -> Eigenschaften durch Si-Gehalt steuern- Anordnung der Lamellen kann variiert werden -> durch Abkühlrate oder zulegieren von Sr
• Wann spricht man von kohärenten Ausscheidungen? Gitterkonstanten der Matrix und der Ausscheidungen weichen nur geringfügig voneinander ab Die entsprechenden Atompositionen sind deckungsgleich oder nur leicht gegeneinander verschoben
• Wie unterscheiden sich naturharte Al-Legierungen von aushärtbaren Al-Legierungen in Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit? aushärtbare Al-Legierungen erreichein höhere Festigkeiten aushärtbare Al-Legierungen sind durch Ausscheidungen anfällig gegen lokale Korrosion
• Was versteht man unter GP-Zonen? Guinier-Preston-Zonen Bei der Aushärtung im System Al-Cu sind die Ausscheidungen so klein, dass sie Zonen genannt werden
• Welche Ausscheidungen könne bei Al-Cu-Legierungen erzeugt werden? Wie unterscheiden sie sich? GP-Zone -> sehr klein -> nicht festigkeitssteigernd (20°C) Θ''-Phase -> kohärent -> wenig festigkeitssteigernd (130°C) Θ'-Phase -> teilkohärent -> festigkeitssteigernd (190°C) Θ-Phase -> inkohärent -> sehr grobe Ausscheidungen -> technisch uninteressant
• Einer 4xx-Legierung wird Mg und/oder Cu zugesetzt? Welcher Vorteil ergibt sich? Wo werden die Legierungen bevorzugt eingesetzt? Warum? Al-Si-Mg-/Cu-Gusslegierung durch Mg/Cu ist Aushärtung möglich Motorenbau - Kolben, Motorblöcke und Zylinder temperaturbeständig und komplexe Teile gießbar
• Al-Mg- und Al-Si-Legierungen sind naturhart und nicht aushärtbar. Warum ist eine 6xx(x)-Legierung aushartbar? Wie und wo wird die Legierung eingesetzt? Al-Mg-Si-Legierungen sind aushärtbar, weil Mg mit Si festigkeitssteigernde, plattenförmige Mg2Si-Ausscheidungen bildet Gießen oder Schmieden Fahrradrahmen, Autofelgen oder Automobilrahmen
• Welche Legierungen sind unter 2xx(x) und 7xx(x) gemeint? Was ist besonders an ihnen? Wo werden sie eingesetzt? 2xx(x) -> Al-Cu-Legierung7xx(x) -> Al-Zn-Mg-(Cu-)Legierung erreichen die höchste Festigkeit hauptsächlich Flugzeugbau, auch Automobil- und Fahrradbau
• Was wird bei der Wahl der Dauer und Temperatur beim Auslagern von Al-Legierungen berücksichtigt? Kaltauslagern findet keine Anwendung, da sich ein stabiler Zustand in einer vertretbaren Zeit einstellen soll Warmauslagern -> bei der Dauer wird ein Kompromiss geschlossen-> kurze Zeiten kostengünstiger-> je kürzer die Zeit, desto genauer muss diese eingehalten werden-> praxisgerechte Wahl
• Was besagt die Anlassbeständigkeit? Durch welche Größe kann diese angegeben werde? Die Anlassbeständigkeit beschreibt die Langzeiteigenschaften angelassener Legierungen unter bestimmten Temperaturen. Zeitdehngrenze Rpx/1000/T
• Welchen Vorteil hat Beryllium gegenüber anderen Leichtmetallen? Was schränkt das Einsatzgebiet stark ein? traumhafte Steifigkeit bei geringem Gewicht Beryllium ist toxisch -> wird nur im Hubschrauberbau routinemäßig eingesetzt
• Welche zwei großen Nachteile weisen Mg-Legierungen gegenüber Al-Legierungen auf? - hexagonales Gitter -> Bruchdehning und Umformbarkeit gering - schlechte Korrosionsbeständigkeit
• Wie lässt sich die schlechte Korrosionsbeständigkeit von Mg-Legierungen verbessern? höhere Reinheit der Legierungen evtl. Beschichtungen
• Warum werden Mg-Legierungen zu 80% als Gusslegierungen eingesetzt? - gute Gießbarkeit - schlechte Umformbarkeit -> Zwillingsbildung bei Verformung
• Wie ist die Kennzeichnung von Mg-Legierungen aufgebaut? zwei Buchstaben + zwei Zahlen -> jeder Buchstabe kennzeichnet ein Legierungselement-> jede Zahl die Masse in Prozent der Legierungselemente(Mg nicht Bestandteil der Kennzeichnung; Elemente zu einzelnen Buchstaben zugeordnet)
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• Wie werden folgende Legierungselemente von Magnesium abgekürzt und was bewirken sie? Mangan Zirkon Lithium Aluminium Zink Mangan -> M -> verbesserte KorrosionsbeständigkeitZirkon -> K -> Kornfeinung in GusslegierungenLithium -> L -> MischkristallhärtnerAluminium -> A -> AusscheidungshärtnerZink -> Z -> zusätzliche Festigkeitssteigerung in Al-haltigen Legierungen
• Nenne die allgemeinen Eigenschaften von Kupfer! - kfz-Gitter- duktil- sehr hohe Wärmeleitfähigkeit- sehr hohe elektrische Leitfähigkeit- beständig gegen Atmosphärische Korrosion (grüne Deckschicht)- toxische Wirkung auf Bakterien und kleine Lebewesen- Wärmetauscherleitungen für Meerwasser- enthält geringe Menge an Sauerstoff
• Was versteht man unter der Wasserstoffkrankheit? Bei welcher Bearbeitung ist sie zu beachten? Wenn Sauerstoff in Metallen enthalten ist, können sich im Metall durch Diffusion von Wasserstoff Wasserstoffbläschen bliden -> spröde Beim Schweißen kann in der Flamme überschüssiger Wasserstoff sein
• Warum ist bei der Gewinnung von Kupfer wesentlich weniger Energie notwendig als bei Aluminium? Bildungsentalpie von Kupfer ist wesentlich höher
• Was besagt das Wiedemann-Franzsche Gesetz? Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit weist auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf
• Ordne die folgende Gleichung der Elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit zu! Messgröße = Werkstoffkennwert x Geometrie x Belastungsgröße Messgröße -> elektr. Strom / Wärmestrom Werkstoffkennwert -> elektr. Leitfähigkeit / Wärmeleitfähigkeit Geometrie -> Querschnitt bezogen auf Länge Belastungsgröße -> elektr. Spannung / Temperaturdifferenz
• Welche Prozesse werden bei der Kaltumformung von Reinkupfer bevorzugt? Druckumformprozesse -> Walzen, Strangpressen oder Schmieden
• Was ist besonders am Zustandsdiagramm Cu-Ni? Warum ist dies möglich? vollständige Löslichkeit --> nur drei Phasen -> fast identische Gitterkonstanten-> ähnliche Elektronegativität
• Wo werden Cu-Ni-Legierungen eingesetzt? "Münzlegierung" Feinmechanik, Geräte- und Instrumentenbau "Neusilber", dort wo man Silber vermuten würde
• Beschreibe die folgenden Phasen im Cu-Zn-Zustandschaubild und gib ihren Einfluss auf die Festigkeit an! bis 37%-Zn 37-46%-Zn 46-50%-Zn ab 50%.Zn bis 37% α-Körner mit Rekristallationszwillingen -> Mischkristallhärtung37-46% (α+β)-Messing nebeneinenander als Körner -> Kornfeinung + β führen zu starker Festigkeitssteigerung46-50% β-Phase als sehr grobe Körner -> Festigkeit sinktab 50% γ-Phase -> starke Versprödung
• Welche Gitterbauform nimmt reines Zn an? Welche bei einer Kombination von 50% Cu und 50% Zn? reinersZink -> hexagonal Messing mit 50% Cu und 50% Zn -> krz
• Welche Besonderheit weist die beta-Phase in Messing auf? β-Phase: krz mit 50% Cu und 50% Zn-> niedrige Temperaturen -> Überstruktur β' -> einfach kubisch (Mitte sitzt Cu, Ecken Zn)
• Wie wird der Werkstoff CuZn40Al12 genannt? Wo findet er Einsatz? Auf Grund welcher Eigenschaften? Sondermessing Pleul, da gute Korrosionsbeständigkeit (und gute Gleiteigenschaften)
• Was passiert wenn Messing mit Säuren in Verbindung kommt? Entzinkung (β-Körner werden anodisch aufgelöst)
• Welche zwei Gruppen gibt es bei Cu-Al-Legierungen bezüglich des Al-Gehalts? Was lässt sich über die Legierung CuAl10 sagen? 4-9% Al -> kfz α-Mischkristall -> einphasig 8-14% Al -> α- und γ2-Phase -> mehrphasig -> Martensitbildung bei rascher Abkühlung aus β-Phase -> beim Anlassen zerfall in α- und γ-Phase CuAl10 -> höchste Festigkeit
• Warum hat die Cu-Be-Legierung die höchsten Festigkeiten der Kupferlegierungen? bis zu 2% Be -> Legierung ist aushärtbar (Ausscheidungshärtung wird ermöglicht)
• Warum sind Cu-Sn-Pb-Legierungen besonders gut für Gleitlager geeignet? Sn -> Härte (und auch Festigkeit) Pb -> Selbstschmiereffekt durch die Bleieinlagerungen Cu -> hohe Wärmeleitfähigkeit -> Reibwärme wird rasch abgeführt
• Durch welchen Prozess wird Roheisen aus Eisenerz gewonnen? Hochofenprozess
• Was enthält Roheisen neben reinem Eisen? 3,5 % Kohlenstoff Verunreinigungen -> Phosphor und Schwefel
• Welche zwei Verfahren gibt es um den Kohlenstoff aus dem Roheisen zu entfernen? Welches Problem muss bei der Stahlerschmelzung beachtet werden? Sauerstoffblasverfahren und Sauerstoffdurchblasverfahren Problem -> Blasen aus CO in der Stahlschmelze, die nach der Erstarrung zurückbleibenVermeidung dieser Blasen wird Beruhigung genannt (Entfernung Kohlenstoff = Stahlerschmelzung)

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