Werkstofftechnik (Subject) / Blatt 1 (Lesson)

Blatt 1

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• Werkstoffe werden in 2 große Gruppen eingeteilt. Welche sind dies? Welche Werkstoffeigenschaften sind für diese Einteilung wichtig? Nennen Sie je 2 Beispiele! Strukturwerkstoffe: Stahl und Beton, Zähigkeit, Sprödigkeit, Festigkeit, Härte Funktionswerkstoffe: Glas (optische Transparenz) und Silizium (Halbleiter), el. Leitfähigkeit
• Welche weitere Möglichkeit gibt es, Werkstoffe in Werkstoffgruppen zusammen zu fassen? Mit welcher physikalischen Größe wird die Einteilung vorgenommen? Geben Sie je ein Beispiel an! Metalle, Nichtmetalle, elektr. Leitfähigkeit
• Welche Faktoren sind wichtig für die Werkstoffauswahl und Werkstoffentwicklung? physikalische Eigenschaften (Zähigkeit, Sprödigkeit, el. Leitfähigkeit, Dichte) technologische Eigenschaften (Verarbeitung) chemische Eigenschaften (Korrosionsbeständigkeit) Preis Umweltverträglichkeit
• Welche Bereiche, die für Werkstoffe wichtig sind, werden im Fach Werkstofftechnik behandelt? Werkstoff -herstellung -bearbeitung -prüfung -anwendung -wissenschaft -normung und -bezeichnung
• Welche Werkstoffgruppen kommen in einem Auto vor? Metalle, Plastik/Kunststoffe, Textilien, Glas, Verbundstoffe, (Betriebsstoffe)
• (7) Metalle werden eingeteilt nach (a) chemischer Beständigkeit, (b) nach ihrer Dichte, (c) nach ihren thermischen Eigenschaften: Wie heißen diese Metallgruppen? Geben Sie Beispiele an! a) (Un-)Edelmetalle (Eisen, Gold) b) Leicht- und Schwermetalle (Aluminium, Blei) c)Hoch-/Niedrigschmelzend (Wolfram,Blei)
• Was bedeutet werkstoffliches und rohstoffliches Recycling? Geben Sie ein Beispiel an! Werkstoffliches Recycling: Aufbereitung von alten Werkstoffen als neue Werkstoffen z.B. Regranulieren Rohstoffliches Recycling: Metalle z.B. Rückgewinnung einzelner reiner Komponenten durch Trennung (z.B. Al)
• Beschreiben Sie kurz den Aufbau des Periodensystems der Elemente! Ordnungssystem der chemischen Elemente Einteilung von Gruppen (vertikal, Valenzelektronen) und Perioden (horizontal, Elektronenschalen) von 1 bis 112 mit Kernladungszahl
• Nach welchem Schema werden die Elemente im Periodensystem geordnet? Was bedeutet Ordnungszahl? durch Reihung der Elemente nach steigender Kernladungszahl und Zusammenfassung chemisch verwandter Elemente in Gruppen Ordnungszahl = Kernladung (im Kern vorhandene Ladungen)
• Wie viele Elemente stehen für die Bildung von Werkstoffen ungefähr zur Verfügung? 116
• Warum sind 75 % aller Elemente Metalle? Weil alle Stoffe mit einen Elektronegativitätswert unter 2 Metalle sind.
• Welcher Unterschied besteht zwischen den Elektronenhüllen der Metall- und Nichtmetallatome? Metalle haben nur bis zu 4 Elektronen auf der äußersten Schale. geben Elektronen leicht ab und bilden Kationen Nichtmetalle 4 bis zu 8 Elektronen nehmen eher welche auf und bilden Anionen
• Welche Bindungstypen kennen Sie? Welches sind charakteristische Merkmale? Nennen Sie Beispiele! - Metallische Bindung - Ionenbindung - Kovalente Bindung - Wasserstoffbrückenbindung - Van der Waals Bindung
• Was sind Hauptvalenz- und Nebenvalenzbindungen? Beispiele! Hauptvalenzbindung sind „starke“ Bindung (z.B. Metallbindung) Nebenvalenzbindungen sind „schwache“ Bindungen, Bildung von Dipolen zwischen Molekülen (z.B. van der Waals-Bindungen)
• Welche Bindungstypen kommen in Polymeren vor? Atombindungen zwischen den Kohlenstoffatomen der Molekülketten. Van-der-Waals-Bindungen zwischen den Ketten.
• Was bedeutet periodische Fernordnung? regelmäßige und kontinuierliche endlose (bis in die Ferne) Anordnung von Atomen oder Molekülen in einem kristallinen Festkörper.
• Was sind typische Merkmale von Kristallen? alle Bausteine in einem Raumgitter sind dreidimensional und periodisch angeordnet glatte, ebene Flächen, die sich unter bestimmten Winkel schneiden Kennzeichnung: Periodische Fernordnung, Gitter, Basis, Koordinationszahl, Stapelfolge, Packungsdichte Zahl der Gitterpunkte pro Elementarzelle, Volumen der Elementarzelle
• Was verstehen Sie unter dem Begriff Elementarzelle? Die Elementarzelle ist die kleinste Einheit eines Kristallgitters. Sie gibt Aussage über die Gitterpunkte in einem Kristall. Man kann einen Kristall als dreidimensionale Aneinanderreihung von Elementarzellen verstehen.
• In welchen Kristallgittern kristallisieren hauptsächlich die Metalle? krz = Kubisch-raumzentiert kfz = Kubisch-flächenzentriert kp = Kubisch-primitiv hdp (=hcp) = hexagonal dichte Packung kdp = kubisch dichteste Packung 
• Was haben kfz und hcp Gitter gemeinsam? Wodurch unterscheiden sich hcp und kfz Gitter? Beispiele! Gemeinsamkeit: haben beide 7 Atome pro Ebene (Sechseckige Deckflächen) kfz ist nach dem Muster ABC (3 verschiedene Atomsorten) und hcp nach dem Muster ABA (2 verschiedene Atomsorten aufgebaut) 
• Welche Koordinationszahlen liegen beim einfach kubischen, beim kfz, beim krz vor? Welche Packungsdichten werden bei diesen Gittern erzielt? Beispiele! kfz = 12 (74 % Packungsdichte) Cu, Al krz = 8 (68 % Packungsdichte) W, Mo kp = 6 (52% Packungsdichte) Polonium, Phosphor
• Was ist Allotropie? Erläutern Sie den Begriff am Beispiel Kohlenstoff und Eisen! Bezeichnet die Erscheinung, wenn ein Stoff im gleichen Aggregatzustand zwei oder mehr Strukturformen aufweist z.B. Fe (alpha-Fe bis 910°C krz, gamma-Fe bis 1392°C kfz und delta-Fe 1536°C krz) C (kommt sowohl als Diamant als auch als weicher Graphit uvm.)
• Mit welchen Methoden kann man die Kristallstruktur und die Gitterkonstante bestimmen? durch Röntgenbeugung (Laue-Verfahren, Bragg-Drehkristall-Verfahren, Deybe-Scherrer-Verfahren)
• Wie arbeitet ein modernes Röntgendiffraktometer? Ein Röntgendiffraktometer ist ein Gerät, das Röntgenstrahlung misst (und Beugungsphänomene).
• Was ist ein- und polykristallines Material? Geben Sie je ein Beispiele für Werkstoffe an! Einkristallines Material: Bausteine bilden ein homogenes Kristallgitter z.B. Silicium-Wafer Polykristall ist kristalliner Festkörper, der aus vielen kleinen Einzelkristallen besteht, die durch Korngrenzen voneinander getrennt werden  z.B. Metalle
• Was bedeutet Strukturanalyse von Werkstoffen? Untersuchung der Struktur eines Werkstoffes auf seine Bestandteile (Zusammensetzung chemischer Verbindungen)
• Nehmen Sie eine Einteilung der Gitterfehler vor! Punktfehler, Linienfehler, Flächenfehler
• Was verstehen Sie unter Eigenfehlordnung und Fremdfehlordnung? Fremdfehlordnung: Fehler ist durch fremde Atome entstanden Eigenfehlordung: Fehler ist durch eigene Atome entstanden
• Welche Arten von Punktdefekten kennen Sie? Beispiele! Leerstelle Schottky z.B. NaCl Leerstelle Frenkel z.B. AgCl Fremdstörstelle z.B. C in Fe
• Wodurch entstehen Leerstellen? Kann man Leerstellen bei Raumtemperatur vermeiden? steigende Temp. -> Radius der Atomschwingungen wird größer Nein, nur bei 0 K alle Gitterplätze belegt
• Was sind Versetzungen? Welche Arten von Versetzungen kennen Sie? Kann man Versetzungen bei Raumtemperatur vermeiden? Für welche Vorgänge sind Versetzungen wichtig? Versetzungen = lineare Störung des Kristallgitters Stufenversetzung, Schraubenversetzung Bedeutsam für plastische Verformung und Verfestigung (Versetzungshärtung) lassen sich nicht vermeiden, sie treten bei Abkühlung aus der Schmelze sowie bei jeder Verformung auf, man kann aber sagen das sie bei Raumtemp. nicht entstehen 
• Welche Eigenschaften eines Metalls werden beeinflusst durch: a) Leerstellen b) Versetzungen c) Korngrenzen a) Diffusion, elektrische Leitfähigkeit b) plastische Verformung, Festigkeit, elektrische + thermische Leitfähigkeit c) Festigkeit, Verformbarkeit
• Welche Eigenschaften eines Metalls werden beeinflusst durch: a) Leerstellen b) Versetzungen c) Korngrenzen a) elektrische Leitfähigkeit, Diffusion b) Festigkeit, elektrische + thermische Leitfähigkeit, plastische Verformung c) Festigkeit, Verformbarkeit 
• Welche zweidimensionalen Gitterfehler kennen Sie? Kurze Beschreibung! Korngrenzen: unterschiedliche Ausrichtung mit gleicher Kristallstruktur Zwillingsebene: gleiche Anordnung der Kristalle in einen anderen Winkel Stapelfehler: Unterbrechung der regelmäßigen Anordnung von Kristallebenen
• Durch welche 2 grundsätzlichen Mechanismen ist die Strukturbildung charakterisiert? Welche Auswirkungen hat dies auf die Ausbildung von Kristallfehlern? Wärmebewegung der Atome = Unordnung durch Translation, Schwingung, Drehung Wechselwirkung zw. den Atomen = Ordnung durch Bindungskräfte
• Was bedeutet Diffusion? Ist für die Diffusion eine Aktivierungsenergie notwendig? physikalischer Prozess, der zu einer gleichmäßigen Verteilung von Teilchen und somit vollständigen Durchmischung zweier Stoffe führt Nein, temperaturabhängig, passiv
• Beschreiben Sie Versetzungsbewegung! Welche Strukturmerkmale können die Versetzungsbewegung behindern? Versetzungen = lineare Störung des Kristallgitters Stufenversetzung (Burgersvektor senkrecht zur Versetzungslinie) Schraubenversetzung (Burgersvektor parallel zur Versetzungslinie) kann durch Kristalldefekte verhindert werden (Mischkristallhärtung, Ausscheidungshärtung,Verformu ngsverfestigung, Feinkornhärtung)
• Was verstehen Sie unter Gefüge? Wie kann die Gefügestruktur beeinflusst werden? Gefüge ist der Begriff für den Verbund der Kristallite (Kristallkörner) eines vielkristallinen Werkstoffes. Verformen o. Erhitzen
• Wie unterscheiden sich Kleinwinkel- und Großwinkelkorngrenzen? Kleinwinkel: (<15°) Merkmal: Einbau geordneter Versetzungen in Großwinkelkorngrenzen kann eine ca. 0,5nm dünne Zone ungeordneter Atomanordnung nachgewiesen werden 
• Was sind Stapelfehler? Für welche Kristallstrukturen sind diese typisch? Stapelfehler: Unterbrechung der regelmäßigen Anordnung von Kristallebenen. Typisch für kfc
• Wie beeinflussen die Herstellungsbedingungen die Bildung von Kristalldefekten? Leerstellen nehmen z.B. bei höheren Temp. zu und können je nach Werkstoff entweder zum Härten oder zum weicher ,,machen“ verwendet werden.
• Wie tragen Kristalldefekte zur Festigkeitssteigerung bei? Erzeugung von Barrieren zum Behindern der Versetzungsbewegung härteres und festeres Material.
• Durch welche 3 grundsätzlichen Mechanismen ist die Strukturbildung charakterisiert? Keimbildung, Keimwachstum, Begrenzung der Körner
• Welche thermodynamischen Größen werden zur Beschreibung der Phasenbildung verwendet? Enthalpie, Entropie und Temperatur
• Wie kann die Entropie aus einer Messung bestimmt werden? ΔSm=ΔHm / Tm S=Schmelzentropie, H=Umwandlungswärme, T=Schmelztemperatur
• Was bedeutet thermische Analyse? Untersuchungsmethode zur Messung von physikalischen u. chemischen Eigenschaften von Stoffen, dabei wird Stoff erwärmt.
• Was bedeutet Unterkühlung einer Schmelze? Temperatur unter dem Schmelzpunkt eines Stoffes ohne dass die Schmelze erstarrt.
• Welche Arten der Keimbildung kennen Sie? homogene Keimbildung (in Abwesenheit einer festen Phase) heterogene Keimbildung (in Anwesenheit einer festen Phase)
• Was bedeutet Impfen von Schmelzen oder Lösungen? Zugabe von festen Stoffen mit dem Ziel heterogene Kristallisationskeime zu schaffen.
• Was bedeutet kritischer Keim? Wie ändert sich die kritische Keimgröße mit der Abkühlgeschwindigkeit? genau die Keimgröße wo die Wahrscheinlichkeit für Wachstum und Zerfall gleich groß ist. Abkühlgeschwindigkeit nimmt ab.

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