Werkstofftechnik (Subject) / Klausur (Lesson)

Verwirrend :D

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• Der Einsatz von Nichtmetallen und deren Legierung hängt entscheidend von ihren physikalischen Eigenschaften und den Kombinationen der Eigenschaften ab. Nennen sie mind. 3 physikalische Eigenschaften, die als Einsatzkriterium herangezogen werden. Korrosionsbeständigkeit spezielle elektrische Eigenschaften spezielle magnetische Eigenschaften Dichte Temperatur
• Geben sie zu jeder Bindungsart wenigstens ein charakteristisches Werkstoffbeispiel an. keramische Werkstoffe Al2O3 Diamant Metall Hochpolymere
• Beschreiben sie die Vorgänge bei langsamem Abkühlen eines umlegierten Stahles mit einem Gehalt von 1,0% C von einer Temperatur von 1500°C bis auf Raumtemperatur. Bei 1500°C ist der unlegierte Stahl mit 1,0% C vollständig geschmolzen. Zwischen etwa 1480°C und 1350°C kristallisieren zunehmend Austenit-Kristalle (γ-Mischkristalle) aus (Schmelze + γ-Mischkristalle). Zwischen etwa 1350°C und 800°C liegt nur Austenit vor (fester Zustand). Zwischen etwa 800°C und 723°C verringert sich die Kohlenstofflöslichkeit des Austenits, und es scheidet sich Sekundärzementit (Fe3C) aus. Durch Bildung des Sekundärzementits verschiebt sich die Zusammensetzung der ursprünglichen Phase in Richtung des eutektoiden Punktes (Zusammensetzung und Gefüge des Perlits). Unter 723°C liegt nur noch Ferrit (α-Mischkristalle) und Zementit vor; bzgl. des Gefüges Perlit und Sekundärzementit.
• Skizzieren sie schematisch das Gefüge dieses Stahls bei Raumtemperatur. C<0,02 % Ferrit mit Krngrenzentertiärzementit C 0,2 % Ferrit mit Perlitinseln C 0,6 % Perlit mit Korngrenzenferrit C 0,8 % Perlit (eutektoider Stahl) C 1,0 % Perlit mit Sekundärzementit (übereutektoider Stahl)
• Kennzeichnen sie im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm die Bereiche der Stähle und des Gusseisens sowie den eutektischen und eutektoiden Punkt (Temperaturen und Kohlenstoffgehalt angeben). Folgende Eintragungen müssen vorliegen: eutektischer Punkt (4,3% C, 1147°C) eutektoider Punkt (0,8% C, 723°C) Bereich Stahl (bis 2,06% C) Bereich Gusseisen (ab 2,06% C)
• Wodurch unterscheiden sich Ferrit und Austentit hinsichtlich ihrer Struktur und ihrer Kohlenstofflöslichkeit? Ferrit: krz, geringe Kohlenstofflöslichkeit (max. 0,02%) Austenit: kfz, höhere Kohlenstofflöslichkeit (max. 2,06%)
• Durch welche Massnahme erhält man auch bei Raumtemperatur ein austentisches Gefüge? Durch Legierungszusätze Ni, Mn, Co
• Welche Glühverfahren sind Ihnen bekannt? Nennen Sie mind. vier Verfahren. Spannungsarmglühen Weichglühen Normalglühen Rekristallisationsglühen Grobkornglühen Diffusionsglühen
• Mit welcher Zielsetzung werden Glühverfahren durchgeführt und welche Gefügeveränderungen treten dabei ein? Spannungsarmglühen:   Verringerung der Eigenspannungen (z.B. infolge ungleichmäßiger Abkühlung, spannender Bearbeitung, Kaltverformung, Gießen, Schweißen)keine Gefügeänderung Weichglühen:Verminderung dre Härte zur besseren mechanischen Bearbeitung.durch Einformen des Zementits ins Perlit in Kugelform für Stähle mit höherem Kohlenstoffgehalt (>5%C) Normalglühen:gleichmäßiges, feinkörniges Gefüge durch UmkristallisationGefügeneubildung Rekristallisationsglühen:Beseitung einer Kaltverfestigung und Kristallstreckung (infolge von Verformungsvorgängen)Gefügeneubildunggeringer Verformungsgrad --> grobe Körnerhöherer Verformungsgrad--> feine Körner Grobkornglühen:Erzeugen eines grobkörnigen Gefüges bei untereutektoiden Stählen für eine bessere Bearbeitungvon weichen Stählen mit geringem Kohlenstoffgehalt Diffusionsglühen:Ausgleich örtlicher Unterschiede der chemischen Zusammensetzung (z.B. Seigerungen) durch Diffusion
• Was ist Spannungsarmglühen? Welche Gefügeveränderungen treten auf? Veringerung der Eigenspannung z.B. infolge ungleichmäßiger Abkühlung, spannender Bearbeitung, Kaltverformung, Gießen und Schweißen keien Gefügeveränderung
• Was ist Weichglühen? Welche Gefügeänderungen treten dabei auf? Verminderung der Härte zur besseren mechanischen Bearbeitung durch Einformen des (lamellaren) Zementits im Perlit in Kugelform für Stähle mit höherem Kohlenstoffgehalt >0,5% C
• Was ist Weichglühen? Welche Gefügeveränderungen treten auf? Verminderung der Härte zur besseren mechanischen Bearbeitung. durch Einformen des Zementits im Perlit in Kugelform für Stähle mit höherem Kohlenstoffgehalt (>0,5%C)
• Was ist Rekristallisationsglühen? Welche Gefügeänderungen treten auf? Beseitgung einer Kaltverfestigung und Kristallstreckung ( infolge von Verformungsvorgängen) Gefügeneubildung geringer Verformungsgrad--> grobe Körner höherer Verformungsgrad--> feinere Körner
• Was ist Grobkornglühen? Welche Gefügeänderungen treten auf? Erzeugen eines grobkörnigen Gefüges bei untereutetoiden Stählen für eine bessere Bearbeitung von weichen Stählen mit geringem Kohlenstoffgehalt.
• Was ist Diffusionsglühen? Welche Gefügeänderungen treten auf? Ausgleich örtlicher Unterschiede der chemischen Zusammensetzung (z.B. Seigerungen) durch Diffusion.
• Nennen Sie die Vorzüge des ROCKWELL-Messverfahrens. Messvorgang isst automatisierbar Proben mit dünnen Oberflächenschichten (z.B. durch Verzunderung) sind gut prüfbar.
• Erläutern sie Werkstoffe und geben Einsatzgebiet an: C105W; 20MnCr5; X6CrNiTi18-10; EN-GJL-300; PC; HIPSN C105W: unlegierter Werkzeugstahl 1,05% Kohlenstoff; Kaltarbeitsstahl Gewindeschneidwerkzeuge, Fließpresswerkzeuge 20MnCr5: (niedrig) legierter Stahl 0,20% Kohlenstoff, 1,25% Mangan und ein nicht näher angegebener Chromgehalt Zahnräder, Wellen X6CrNiTi18-10: (hoch) legierter austenitischer Stahl 0,06% Kohlenstoff, 18% Chrom, 10% Nickel, Titan nichtrostender Stahl EN-GJL-300: lamellarer Grauguss Mindestzufestigkeit 300 N/mm2 Kolbenringe, Laufbuchsen, Maschinenbauteile PC Theroplast Polycarbonat - Verglasungen, Gehäuse HIPSN heißisostatischgepresstes Siliciumnitrid - Turbinenschaufel
• Beschreiben sie, wie sich der Dipol bei der Restvalenzbindung bildet. Der Dipol wird durch die Wirkung des positiv geladenen Kerns des einen Atoms auf das negativ geladene Elektron des Nachbaratoms gebildet.
• Nennen sie mind. 3 allg. Werkstoffeigenschaften, die sich aus den relativ geringen Bindungskräften der Restvalenzbindung ergeben. niedrige Schmelztemperatur niedrige Festigkeit kleiner Elastizitätsmodul großer thermischer Ausdehnungskoeffizient
• Restvalenzbindung tritt bei Hochpolymeren auf. Geben sie an, ob die Restvalenzbindung zu Isotopen oder anisotropen Festigkeitseigenschaften der Hochpolymere führt. Die Restvalenzbindung bzw. Dipolbildung führt zu anisotrophen (richtungsunabhängig) Festigkeitseigenschaften der Hochpolymere.
• Erklären sie, was unter den folgenden nulldimensionalen Gitterbaufehlern verstanden wird: Leerstellen (Schottky-Defekt) Zwischengitteratome (Anti-Schottky-Defekt) Defektpaare (Frenkel-Defekt) Leerstellen: nicht belegte Gitterplätze Zwischengitteratome: (gleichartige) zusätzliche Atome, die sich im Fall aller besetzten Gitterplätze zwischen den Gitterplätzen ansiedeln. Defektpaare: Kombination von Leerstellen mit Zwischengitteratom
• Erläutern sie ausführlich, wie sich die nulldimensionalen Gitterbaufehler auf die Festigkeit des betroffenen Werkstoffes auswirken. nulldimensionale Gitterbaufehler erzeugen Gitterverzerrungen. Diese Gitterverzerrungen bewirken eine Hemmung des gegenseitigen Abgleitens von Netzebenen, sodass es zur Verfestigung und damit zur Festigkeitssteigerung durch solche Gitterfehler kommt.
• Geben sie an, was allgemein unter der Wärmebehandlung des Glühens verstanden wird bzw. wie das Glühen definiert ist. Glühen ist eine Wärmebehandlung, die aus dem Erwärmen auf eine bestimmte Temperatur, dem Halten bei dieser Temperatur und dem nachfolgenden meist langsamen Abkühlen besteht.
• Erörtern sie, was unter dem Härten von Stählen verstanden wird und welches Ziel das Anlassen der Stähle verfolgt. Das Härten von Stählen ist eine Wärmebehandlung, bestehend aus dem Austenisieren und dem Abkühlen unter solchen Bedingungen, dass eine Härtezunahme durch mehr oder weniger vollständige Umwandlung des Austenits in Martensit oberflächlich oder durchgreifend erfolgt. Das Anlassen erfolgt unmittelbar nach dem Härten mit dem Ziel, die Spannungen zu mindern und die Zähigkeit zu erhöhen, da sonst im gehärteten Teil Rissgefahr besteht.  
• Benennen sie das dargestellte Prüfverfahren und geben sie an, welches Werkstoffverhalten mit dem Verfahren untersucht wird. Dargestellt ist der Kerbschlagbiegeversuch mit dem das Zähigkeits- und Sprödbruchverhalten eines Werkstoffes untersucht wird.
• Unterschieden wird zwischen chemischen und elektrochemischer Korrosion. Erläutern sie den Unterschied zwischen den beiden genannten Korrosionsvorgängen. Gehen sie dabei darauf auf, unter welchen Bedingungen diese auftreten. Die chemische Korrosion findet in der Hitze durch das Einwirken trockener Gase statt (ohne Elektrolyt). Der entscheidende Mechanismus ist die Diffusion. Das Auftreten der elektrochemischen Korrosion ist dagegen an das Vorhandensein eines Elektrolyten geknüpft.
• Welcher Korrosionsvorgang (chemische oder elektrochemische Korrosion) hat die größere Bedeutung? Die elektrochemische Korrosion hat gegenüber der chemischen Korrosion eine wesentlich größere Bedeutung, da die elektochemische Korrosion auch in der Atmosphäre auftritt.
• Erörtern sie, was bezüglich des Kohlenstoffgehaltes und den daraus resultierenden Eigenschaften der Bauteile, unter Einsatzstählen verstanden wird. Einsatzstähle sind Maschinenbaustähle mit einem verhältnismäßig niedrigen C-Gehalt (max. 0,2%) damit der Kern der betreffenden Bauteile keine zu hohe Härte und damit keine Spödigkeit aufweist.
• Wie ändern sich die Eigenschaften der Einsatzstähle bzw. Bauteile nach dem Einsatzhärten? Nach dem Einsatzhärten zeigen die Stähle in der Randschicht eine hohe Härte und gute Verschleißbeständigkeit, während der Kern sich durch eine hohe Zähigkeit auszeichnet.
• Geben sie an, wann umlegierte und wann legierte Einsatzstähle Anwendung finden. Unlegierte Einsatzstähle werden für Kleinteile mit geringen Anforderungen an die Kernfestigkeit gesetzt. Legierte Einsatzstähle werden gewählt, wenn außer  einer Verschleißbeanspruchung noch hohe mechanische Beanspruchungen vorliegen.
• Sollte ein stake schwinungsbeanspruchtes Maschinenbett aus Gusseisen mit Lamellengraphit oder ein Gusseisen mit Kugelgraphit gefertigt werden? Als Werkstoff ist das Gusseisen mit Lamellengraphit zu wählen, da dieses ein höheres Dämpfungsvermögen besitzt.. Die gute Dämpfungsfähigkeit beruht darauf, dass es an den Spannungsspitzen der inneren Kerben (Lamellen) zum plastischen Fließen und damit zum Energieverzehr kommt.
• Begründen sie, warum Gusseisen mit Lamellengraphit Zugspannungen nur schlecht übertragen kann. Da beim Gusseisen mit Lamellengraphit die Bindung des Graphits zur Matrix nur sehr locker ist, werden Zugspannungen über die Lamellen nicht übertragen. Dadurch kommt es an den Lamellen zur Ausbildung von Spannungskonzentrationen, welche die Zugfestigkeit vermindern.
• Wie verändern sich bei Werkstücken aus Gusseisen mit Lamellengraphit tendenziell die Brinellhärte und die Zugfestigkeit mit zunehmender Wanddicke. Die Brinellhärte und die Zugfestigkeit nehmen mit zunehmender Wanddicke ab.
• In welche 3 Gruppen werden keramische Werkstoffe eingeteilt? Silikatkeramiken Oxidkeramiken Nichtoxidkeramiken
• Nennen sie das Verfahren mit dem Keramiken hergestellt werden und geben sie an, was unter dem Verfahren verstanden wird. Keramiken werden durch Sintern hergestellt. Sintern ist eine Wärmebehandlung von Pulvern oder eines Presskörpers bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Grundwerkstoffs, um die Festigkeit zu erhöhen.
• Zu den vier Grenzfällen der chemischen Bindungen gehört unter anderem die Ionenbindung. Die Ionenbindung erfordert dabei Atome, die Elektronen abgeben oder aufnehmen können. Beschreiben Sie am Beispiel von Natriumchlorid (NaCl) den Vorgang der Ionen Beschreibung der Ionenbindung am Beispiel von Natriumchlorid (NaCl):  Natrium besitzt ein Elektron auf der äußeren Schale, Chlor hingegen 7 Elektronen auf der äußeren Schale. Das Natrium gibt ein Elektron an das Chlor, so dass wegen des Ladungsungleichgewichts beider Atome Ionen entstehen: Na+ infolge eines Elektronenmangels und Cl– infolge des Elektronenüberschusses.
• Begründen Sie, warum sich Werkstoffe mit Ionenbindung im festen Zustand durch eine niedrige elektrische Leitfähigkeit und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit auszeichnen. Begründung für die niedrige elektrische und Wärmeleitfähigkeit der Ionenbindung:  Die niedrige elektrische Leitfähigkeit und die niedrigeWärmeleitfähigkeit der Ionenbindung lässt sich mit der festen Bindung der Elektronen an den Atomkern begründen.
• Nennen Sie mindestens drei weitere charakteristische Eigenschaften von Werkstoffen, die über eine Ionenbindung verfügen. Weitere charakteristische Eigenschaften der Ionenbindung: · hoher Schmelzpunkt, · hohe Festigkeit, · hohe Härte, · hoher Elastizitätsmodul, · kleiner thermischer Ausdehnungskoeffizient,   · gute chemische Beständigkeit
• Bei welcher Gruppe von Werkstoffen liegt die Ionenbindung in Form von Oxiden vor? Gruppe von Werkstoffen, bei denen die Ionenbindung in Form von Oxiden vorliegt:  Die Ionenbindung liegt bei keramischen Werkstoffen in Form von Oxiden vor.
• Die folgende Skizze zeigt die schematische Darstellung eines Kristalls als dreidimensionales Punktgitter. 2.1 Erläutern Sie, wie ein solches Gitter entsteht und wie sich der Kristall aufbaut. Verwenden Sie für Ihre Erläuterungen die Begriffe Gitterk Kristall als dreidimensionales Punktgitter:  Ein dreidimensionales Gitter entsteht durch drei nicht zusammenfallende Verschiebungsrichtungen mit jeweils den Beträgen a, b und c in diesen Richtungen. Die Beträge werden als Gitterkonstanten bezeichnet (3). Zur vollständigen Beschreibung des Kristallgitters genügt die Angabe der Elementarzelle als kleinste Volumeneinheit. Diese ist in der Abbildung als Quader mit den Kantenlängen a, b und c zu erkennen. Durch identische Wiederholung der Elementarzelle in den drei   Raumrichtungen wird der ganze Kristall aufgebaut (3).
• Kristalle sind in ihren Eigenschaften richtungsabhängig, d. h. anisotrop. Beschreiben Sie anhand des abgebildeten Gitters, wie die richtungsabhängigen Eigenschaften der Kristalle zustande kommen. Zustandekommen der richtungsabhängigen Eigenschaften der Kristalle:  Werden die verschiedenen Gittergeraden betrachtet (z. B. Geraden entlang der Elementarzelle oder entlang der Raumdiagonalen der Elementarzelle), so treten in den verschiedenen Richtungen unterschiedliche Abstände der Gitterbausteine auf. Da diese Abstände der Gitterbausteine mit unterschiedlichen Bindungskräften verbunden sind, ergeben sich daraus auch in den verschiedenen Richtungen unterschiedliche Eigenschaften.
• Unter Härten wird eine Wärmebehandlung des Stahls verstanden, bei der durch Erwärmen auf Austenitisierungstemperatur und anschließender schneller Abkühlung die Gefügeform Martensit entsteht. 3.1 Welches spezielle Ziel wird mit dem Einsatzhärten verf Ziel des Einsatzhärtens:  Das Einsatzhärten verfolgt das Ziel, eine harte und verschleißfeste Oberfläche bei zähem Kern zu erreichen, der gegen Biege-, Torsions- und Stoßbeanspruchung unempfindlich ist.
• Zu den technischen Verfahren der Oberflächenhärtung gehört u. a. das Induktionshärten. Beschreiben Sie ausführlich den Verfahrensablauf beim Induktionshärten (nach dem Vorschubprinzip). Gehen Sie dabei auch auf den sog. Skineffekt ein. Verfahrensablauf beim Induktionshärten:  Beim Induktionshärten wird die Wärme durch Induktion erzeugt. Das zylindrische Bauteil wird in eine stromdurchflossene Spule gebracht, die hochfrequente Wechselströme in dem Bauteil hervorruft. Die Eindringtiefe der Wirbelströme ist abhängig von der Frequenz der Wechselströme (Skineffekt). Je höher deren Frequenz ist, umso stärker wird die Erwärmung auf den Rand konzentriert. Im Vorschubprinzip erfolgt nach der Erwärmung das Abschrecken mit einer Wasserbrause.
• Durch Kaltverformung werden die Eigenschaften von Metallen und ihrer Legierungen verändert. Der Vorgang der Rückbildung der Eigenschaften kann zerlegt werden: · Kristallerholung und · Rekristallisation. Erläutern Sie, was unter diesen Teilvorgängen j Kristallerholung und Rekristallisation: · Bei der Kristallerholung bleibt die Versetzungsdichte des verfestigten Kristalls erhalten. Die Versetzungen lagern sich um und es heilen nur die Punkdefekte aus. Das Gefüge mit seinen Korngrenzen (Großwinkelkorngrenzen) bleibt erhalten. · Die Rekristallisation führt zu einem vollständigen Abbau der durch eine Verformung hervorgerufenen Eigenschaftsänderungen. Sie ist durch eine Umbildung des Gefüges gekennzeichnet.
• Geben Sie mindestens zwei Faktoren an, von denen die Höhe des Rückganges abhängig ist. (Durch Kaltverformung werden die Eigenschaften von Metallen und ihrer Legierungen verändert.) Faktoren für die Höhe des Rückganges der Eigenschaftsänderungen: · Art / Höhe der Verformung, · Glühtemperatur, · Glühzeit und · Werkstoff.
• Zu den verschiedenen Stahlsorten gehören u. a. die Werkzeugstähle. Charakterisieren bzw. definieren Sie, was allgemein unter Werkstoffstählen verstanden wird. Gehen Sie dabei auch auf den Kohlenstoffgehalt ein. Definition der Werkzeugstähle:  Werkzeugstähle sind Edelstähle, die zum Be- und Verarbeiten von Werkstoffen sowie Handhaben und Messen von Werkstücken geeignet sind (2).   Werkzeugstähle besitzen im Allgemeinen einen C-Gehalt oberhalb von 0,6 % (2).
• Welche typischen Werkstoffeigenschaften (mindestens zwei) besitzen Werkzeugstähle? Typische Eigenschaften der Werkzeugstähle: · hohe Härte, · hoher Verschleißwiderstand, · hohe Anlassbeständigkeit, · hohe Schlagfestigkeit, · gewisse Zähigkeit,   · gute Schneidfestigke
• In welchem Temperaturbereich finden Kaltarbeitsstähle und in welchem Warmarbeitsstähle Anwendung? Temperatureinsatzbereiche der Kalt- und Warmarbeitsstähle: · Kaltarbeitsstähle zumeist unter 200 °C.   · Warmarbeitsstähle weit über 200 °C (häufig im rotwarmen Zustand).
• Für technisch anspruchsvolle Anwendungen werden häufig Titan-Werkstoffe verwendet. Aufgrund welcher ausgezeichneten Eigenschaften werden Titan-Werkstoffe z. B in der Luft und Raumfahrt oder der Medizintechnik eingesetzt? Nennen Sie drei dieser Eigens Eigenschaften von Titan-Werkstoffen: · hohe Festigkeit, · geringe Dichte (geringes Gewicht), · hervorragende Korrosionsbeständigkeit,   · durch Wärmebehandlung in weiten Bereichen an den Verwendungszweck anpassbar
• Bei Raumtemperatur federt reines Titan beim Umformen stärker zurück als Stahl. Erörtern Sie kurz, auf welchen Werkstoffkennwert sich dieses Verhalten zurückführen lässt. Werkstoffkennwert, auf den das stärkere Rückfedern von Titan zurückzuführen ist:  Das beim Umformen stärkere Rückfedern von Titan lässt sich auf das im Vergleich zum Stahl niedrigere Elastizitätsmodul zurückführen.

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