Werkstofftechnik (Subject) / Metallische Werkstoffe (Lesson)

Allgemeine Fragen zu metallischen Werkstoffen (Aufbau, Eigenschaften etc.)

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• Erklären Sie den Begriff Härte Widerstand, den ein Werkstoff dem Eindringen eines härteren Prüfkörpers entgegensetzt. => Die Härte eines Werkstoffs erlaubt Aussagen über die Festigkeit.
• Erklären Sie den Begriff Festigkeit Fähigkeit eines Körpers äußeren Kräften Widerstand gegen Verformung entgegenzusetzen, oder einfach Widerstand gegen Verformung
• Was ist Zähigkeit? Maß für plastisches Verformungsvermögen eines Werkstoffs bei äußeren Belastungen, oder Widerstand des Werkstoffs gegen Rissausbreitung, Bruch
• Erklären Sie folgende Begriffe: Spannung Normalspannung Schubspannung Spannung Kraft bezogen auf die Fläche Normalspannung Spannung senkrecht zur Fläche Schubspannung Spannung parallel / tangential zur Fläche
• Was ist der Unterschied zwischen elastischer und plastischer Verformung? elastische Verformung reversible Verformung, umkehrbar, nicht dauerhaft Werkstoffeigenschaft: Elastizität plastische Verformung irreversible Verformung, dauerhaft Werkstoffeigenschaft: Plastizität, Duktilität
• Worauf beruht die hohe elektrische Leitfähigkeit der Metalle? Valenzelektronen können sich in Richtung des Spannungs- und Temperaturgefälles frei bewegen. = hohe elektronische und thermische Leitfähigkeit
• Bei bestimmter Temperatur haben die Metallionen einen Abstand r0. Wie verhalten sich die Kräfte zueinander? die Kräfte sind dann im Gleichgewicht
• Welche Kräfte wirken im Metallverband? Anziehungskräfte Abstoßungskräfte (Atomrümpfe und Elektronengaswolken entstehen)
• Warum streben Metallatome eine Bindung an? Sie streben die Edelgaskonfiguration an, weil diese die größte chemische Stabilität aufweist. (8 Valenzelektronen)
• Wie werden Metalle aufgrund Ihrer thermischen Eigenschaften eingeteilt? - niedrig schmelzend - hoch schmelzend - höchst schmelzend
• Wie werden Metalle aufgrund Ihrer chemischen Beständigkeit aufgeteilt? - edle Metalle - unedle Metalle
• Wie werden Metalle aufgrund Ihrer Dichte eingeteilt? - Schwermetalle - Leichtmetalle
• Zu welchem Bindungstyp gehören folgende Werkstoffe? a.) Stahl b.) Aluminiumoxidkeramik c.) Kunststoff a.) Metallbindung b.) Ionenbindung c.) Elektronenpaarbindung
• Wie werden bei der Rekristallisation feinkörnige Gefüge erzielt? - hoher Verformungsgrad - nicht zu hohe Glühtemperatur - nicht zu lange Glühzeit
• Was ist die treibende Kraft für Kornwachstum? Verminderung der in den Korngrenzen gespeicherten Grenzflächenenergie.
• Beschreiben sie die metallkundlichen Vorgänge bei der Erholung und der Rekristallisation. Erholung: Klettern von Versetzungen, umsortieren zu Subkorngrenzen Rekristallisation: umkristallisieren zu einem versetzungsarmen Gefüge
• Was sind die Voraussetzungen für Erholung und Rekristallisation? - glühen - hohe Versetzungsdichte - ausreichend hohe Temperatur
• Wie verändert sich der Diffusionskoeffizient mit der Temperatur? Je höher die Temperaturen, desto höher der Diffusionskoeffizient.
• Nennen Sie die Voraussetzungen für Diffusion? - hohe Anzahl von Leerstellen - hohe Temperatur und viel Zeit - Konzentrationsunterschiede - Ausscheidungsbestreben zwangsgelöster Atome
• Was ist Diffusion? Unter Diffusion vertseht man die thermisch aktivierte Wanderung von Atomen und Ionen im Raumgitter über mehr als einen Atomabstand.
• Erklären Sie die Eigenschaftsänderungen, welche durch eine Feinkornhärtung herbeigeführt werden. Festigkeitssteigerung in feinkörnigem Gefüge durch höheren Grenzflächenanteil, gleichzeitig steigt die Zähigkeit, da die Wahrscheinlichkeit höher ist das viele Gleitebenen günstig zur Schubspannung liegen.
• Geben Sie die beiden bei allen Metallen wirksamen festigkeitssteigernden Mechanismen sowie die jeweils dabei wirksamen Kristallgitterfehler an. bei allen Metallen: - Kaltverfestigung durch hohe Versetzungsdichte - Korngrenzenhärtung durch Kongruenzflächenanteil in feinkörnigem   Gefüge  -- Feinkornhärtung bei Legierungen: - Mischkristallhärtung durch gelöste Fremdatome - Ausscheidungshärtung durch feinverteilte Ausscheidungen
• Wie werden die Gleitmöglichkeiten eines Kristallgitters berechnet? Anzahl der Gleitebenen * Anzahl der Gleitrichtungen
• Nennen Sie die metallkundlichen Mechanismen der plastischen Verformungin Metallen. - abgleiten von Atomebenen mit Hilfe der Versetzungswanderung - abgleiten von Gitterebenen -- Zwillingsbildung - klettern von Versetzungen über Leerstellen (nur bei hoher Temperatur)
• Welche linienförmige Gitterfehler kennen Sie? - Stufenversetzungen - Schraubenversetzungen (Korngrenzen, Kleinwinkelkorngrenzen, Zwillingsgrenzen)
• Wie verändern punktförmige Gitterfehler das Kristallgitter in ihrer Umgebung? - die Atomabstände verändern sich - das Kristallgitter wird verzerrt
• Erläutern Sie den Begriff Gefüge. Def.: Zusammenfügung aus mehreren Kristalliten (Körnern) Bei der Erstarrung von Metallschmelzen bilden sich zunächst an vielen Stellen kleine Kristallkeime, die wachsen, und schließlich aneinander stoßen.
• Was ist unter dem Begriff Polymorphie zu verstehen? Einige Metalle können in Abhängigkeit von Temperatur und Druck umkristallisieren und in unterschiedlichen Gittertypen auftreten. Fe (krz & kfz) Ti (hdp & krz)
• Wodurch unterscheiden sich das kfz- und das hdp-Gitter voneinander?  unterschiedliche Stapelfolge der Gitterschichten kfz.: ABCABC                        hdp.: ABABAB - Anzahl der Gleitmöglichkeiten - Anzahl der Atome
• Was haben da kfz- und das hdp-Kristallgitter gemeinsam? gleiche Packungsdichte (je höher die Anzahl ganzer Atome in einer Elemtarzelle, desto größer die Packungsdichte)
• Welche wichtigen mechanischen Eigenschaften der Metalle hängen vom Kristallgittertyp ab? Härte Festigkeit Zähigkeit
• Nennen Sie die 3 wichtigsten Kristallgittertypen der Metalle. kubisch-raumzentriertes Kristallgitter (krz) - 8 Eckatome, 1 Atom in der Würfelmitte (Cr, V, W, M, Nb) kubisch-flächenzentriertes Kristallgitter (kfz) - deutlich dichter mit Atomen belegt als krz-Gitter - 8 Eckatome + je 1 Atom auf den Würfelflächen (Cu, Al, Ni, Au, Ag, Pl, Pb) hegagonal-dichtgepacktes Kristallgitter (hdp) - sechseckige Grundflächen - 12 Eckatome, 2 Atome auf den Außenflächen, 3 in den Lücken der   Zwischenlage (Mg, Zn)
• Was verstehen Sie unter dem Begriff "Elementarzelle" eines Kristallgitters? Dies bezeichnet das kleinstmögliches regelmäßiges Element einer Kristallstruktur, das sich in alles 3 Raumrichtungen des Kristallgitters periodisch wiederholt.
• Was ist eine eutektoide Umwandlung? Phasenumwandlung im festen Zustand, bei der ein einphasige Mischkristall eutektoid in ein zweiphasiges Kristallgemisch zerfällt. γ → α + β (Temperatur konstant)
• Wodurch entsehen Kristallseigerungen? - durch schnelle (technische) Abkühlung im Ungleichgewicht
• Welche Merkmale haben intermediäre Phasen? - neue, eigene  Gitterstrukturen, die von den Gitterstrukturen der   Komponenten abweichen - Einbau der Legierungsatome in ungefähr festen Verhältnis m:n - m:n ist ein Mittelwert der Atomverhältnisse
• Was versteht man unter den Phasen einer Legierung? Phasen sind einheitliche (homogene) feste oder flüssige Teile eines Systems, die sich durch eine sichtbare Grenzfläche z.B. mikroskopisch von andersartigen Teilen unterscheiden (Schmelze, Kristalle)
• Warum werden als technische Werkstoffe vor allem Legierungen verwendet? Durch den Zusatz anderer Elemente (meist metallisch) können Eigenschaften eines Metalls gezielt verändert werden und bestimmte Eigenschaftsprofile verwirklicht werden, z.B. die Zähigkeit. Insgesamt haben sie bessere Materialeigenschaften, eine höhere Festigkeit und sind vielseitiger einsetzbar.
• Geben Sie jeweils ein thermisches und ein thermochemisches Wärmebehandlungsverfahren an. thermisches Wärmebehandlungsverfahren Härten, Vergüten, Normalglühen, Spannungsarmglühen thermochemisches Wärmebehandlungsverfahren Einsatzhärten, Nitrieren, Borieren
• Welche Unterschiede bestehen zwischen dem Vergüten und Härten? Vergüten - Anlasstemperatur von 450-650° Härten - Anlasstemperatur von 100-300° - Zähigkeit beim Vergüten ist höher als beim Härten - beim Vergüten können mehr C-Atome das tetragonal verzerrte   Martensitgitter verlassen
• Wovon hängt die maximal erreichbare Härte (Aufhärtbarkeit) ab? vom Kohlenstoffgehalt
• Wie können unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten realisiert werden? durch verschiedene Abkühlmittel, z.B. Wasser, Luft, Öl
• Welche Arbeitsschritte sind zum Härten notwendig? - Austenitisieren - Abschrecken - Anlassen
• Erklären Sie wie Martensit entsteht. Durch Abkühlung die schneller sein muss als die kritische Abkühlgeschwindigkeit, dabei werden C-Atome an der Diffusion gehindert und es entsteht eine tetragonal-raumzentrierte Elementarzelle. Eigenschaft: hohe Härte und Festigkeit = spröde
• Auf welchen metallkundlichen Mechanismen beruht die Randschichthärtung beim Einsatzhärten? Härtung der Randschicht durch Eindiffundieren der gasförmigen C-Atome eines Aufkohlungsmittels und anschließende Martensitbildung. (Harte Randschicht - weicher Kern)
• Welche physikalischen Eigenschaften der Legierung Fe-C ermöglichen die Gefügeumwandlung der Stähle im festen Zustand? - temperatur- & gitterabhängige Löslichkeit des Eisens im Kohlenstoff - α-γ-Umwandlung des Eisens

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