Allgemeine Werkstoffwissenschaften (Subject) / Martina Gerbig (Lesson)

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• 01 Was sind "thermisch aktivierte" Vorgänge? Thermisch aktivierte Vorgänge sind Vorgänge in der Molekularebene eines Werkstoffes, die erst unter Einwirkung von Wärmeenergie ablaufen können.
• 02 Was ist Aktivierungsenergie? Aktivierungsenergie Q: Energie, die aufgebracht werden muss um anschließend in einen Zustand niedrigerer Energie zu kommen.
• 03 Beschreiben Sie das Prinzip von thermisch aktivierten Vorgängen. Das Erwärmen des Werkstoffes versetzt die Atome in Schwingung. Die Atome könne leichter in eine Nebenbrücke springen. Durch die Wärmeenergie entsteht Aktivierungsenergie. Je höher die Temperatur, desto stärker ist die Wärmebewegung, desto öfter kann Aktivierungsenergie aufgebracht werden und desto schneller ist der Vorgang. Je höher die Aktivierungsenergie ist, desto schwerer kann die Aktivierungsschwelle übersprungen werden und desto langsamer läuft der Vorgang ab. -> Für den Vorgang muss mehr Energie aufgebracht werden. Niedrige Aktivierungsenergie und hohe Temperatur -> exponentielle Vorgangsbeschleunigung Thermisch aktivierte Vorgänge laufen auch bei niedriger Temperatur ab aber sehr langsam.
• 04 Wie unterscheiden sich Rekristallation und Erholung? Rekristallation: Völlige Gefügeneubildung durch Glühen nach vorangegangener plastischer Verformung. Mechanische Eigenschaften und mikroskopisches Gefüge entsprechen nach der Rekristallation etwa dem unverformten Zustand. 90% der Energie, die zum Verformen benötigt wird, wird in Wärme umgesetzt (innere Reibung)? Erholung: Leichter Härteabbau durch Glühen nach vorangegangener plastischer Verformung. Versetztungen lagern sich um, eigenspannungen werden teilweise abgebaut. Mechanische Eigenschaften und mikroskopisches Gefüge ändern sich kaum.
• 06 Was wird unter "Kriechen" verstanden? Zeitabhängige plastische Verformung eines Werkstoffses unter konstanter Last. Werkstoff kriecht mehr wenn 1. Je höher die Spannung 2. Je höher die Temperatur Kriechen ist ein thermisch aktiver Vorgang der mit steigender Temperatur exponentiell schneller wird.
• 07 Beschreiben Sie die Kennwerte Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnung, spez. Wärmekapazität und Schmelztemperatur. Die Wärmeleitfähigkeit/Der Wärmeleitkoeffizient ist eine Kennzahl die beschriebt, wie gut ein Material Wärme leitet bzw. dämmt. Es beschreibt die Wärmemenge, die in 1 s durch eine 1 m dicke Stoffschicht der Fläche 1 m2 fließt, wenn der Temperaturunterschied 1 Kelvin (K) ist. Einheit: W/(m*K) Die Wärmeausdehnung/thermische Expansion beschreibt die Änderung der geometrischen Abmessungen (Länge, Flächeninhalt, Volumen) eines Körpers bei Einwirkung von Wärme. Der umgekehrte Vorgang, unter Einwirkung von Kälte/Wärmeentzug, wird Wärmeschrumpfung/thermische Kontraktion genannt. Als Kennwert gilt der Ausdehnungskoeffizient. Eine Änderung der geometrischen Abmessungen verursacht immer auch eine Dichteänderung.  Die spez. Wärmekapazität c ist eine thermodynamische Stoffeigenschaft. Es beschreibt die Fähigkeit eines Stoffes thermische Energie zu speichern. Hierfür ist die Energie die einem Stoff zugeführt wird durch die Stoffmasse mal der Temperaturdifferenz zu teilen. Die Schmelztemperatur ist eine Stoffeigenschaft die beschreibt bei welcher Temperatur ein Stoff vom festen in den flüssigen Aggregatszustand übergeht, also schmilzt. Die Schmelztemperatur und der Schmelzdruck bilden zusammen den Schmelzpunkt.
• 05 Welchen Nutzen hat die Rekristallisation? Ziel ist eine Energiegewinnung. Bedingungen: Mindesverformungsgrad von 5% Temperatur ausreichend hoch genügend Zeit Nutzung: Zwischenglühen nach umfangreicher plastischer Umformung -> Werkstoff wird wieder frisch für neue Verformung Warmumformung -> Beliebe plastische Umformung bei Temperaturen oberhalb der Rekristallationstemperatur. Beeinflussung der Korngröße
• 08 Was ist elektr. Leitfähigkeit? Elektr. Leitfähigkeit/Konduktivität gibt an wie gut ein Stoff elektrischen Strom leiten kann. Wie gut/schnell sich die Elektronen durch einen Werkstoff hindurch bewegen können -> Dichte und Verfügbarkeit beweglicher Ladungsträger.
• 09 Wie ist die Unterteilung der Werkstoffe in Bezug auf ihre elektr. Leitfähigkeit? Supraleiter (Viele Metalle, Legierungen, Keramiken) Leiter (Metalle) Halbleiter (Silizium Germanium) Nichtleiter, Isolatoren, Dielektrikum (Organische Verbindungen wie die meisten Nichtmetalle udn Kohlenwasserstoffe)
• 10 Was unterscheidet Supraleiter von normalen metallischen Leitern? Supraleiter haben unterhalb der Sprungtemperatur keinen elektr. Widerstand. Frei von elektrischen Feldern -> Elektronen können ungehindert passieren.
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• 11 Erläutern Sie die Kennwerte Permittivität, Verlustfaktor und Durchbruchspannung. Permittivität gibt die Durchlässigkeit eines Material für elektr. Felder an. Der Verlustfaktor gibt an, wie groß die Verluste in elektr. Bauteilen sind. Mit "Verlust" ist hierbei die Energie gemeint, die elektr. oder elektromagnetisch umgewandelt wird und sich beispielsweise in Wärme umwandelt. Durchbruchspannung/ Durchschlagfestigkeit bezeichnet eine elektr. Spannung mit folgenden Bedeutungen. Die Durchschlagfestigkeit eines Isolators ist diejenige elektr. Feldstärke, welche in dem Material höchstens herrschen darf, ohne dass es zu einem Spannungsdurchschlag (Lichtbogen oder Funkenschlag) kommt.
• 12 Was ist Opazität? Opazität bezeichnet allgemein das Gegenteil von Transparenz, also mangelnde Durchsichtigkeit bzw. mangelnde Durchlässigkeit. Transparenz: Das Material ist für Strahlung des sichtbaren Spektrums weitgehend durchlässig.
• 13 Wie unterschieden sich Fräsen und Drehen in der Fertigung? 14 Was ist der Oberbegriff dieser Verfahren? Beim Drehen rotiert das Werkstück (Drehteil) um seine eigene Achse, während das einschneidige Werkzeug (Drehmeißel) die zu erzeugende Kontur abfährt. Beim Fräsen (für Werkstücke mit geometrsich bestimmter Gestalt) dreht sich das Fräswerkzeug mit hoher Geschw. um seine eigene Achse, während das Werkzeug die herzustellende Kontur abfährt oder sich das Werkstück entsprechend bewegt wird. Diese Verfahren gehören zur Zerspanungstechnik.
• 15 Gegen welche Einflüsse sind Beständigkeiten von Materialien definiert? Enflammbarkeit Süßwasser Salzwasser Schwache Säuren (z.B. Alkohole, Phenole, Flusssäure) Starke Säuren (z.B. Schwefelsäure, Salpetersäure, Carbonsäure) Alkalische Medien (z.B. Natronlauge, Kalilauge) Organische Lösungsmittel (z.B. Wasser, Methanol, Ethanol) Lichtechtheit (UV-Beständigkeit) Oxidationsbeständigkeit (Sauerstoff)
• 16 Was ist das CO2-Äquivalent? Das CO2-Äquivalent (global warming potential) ist eine Maßzahl für den relativen Effekt des Beitrags zum Treibhauseffekt. Sie gibt an, wie viel eine festgelegte Masse eines Treibhausgases zur globalen Erwärmung beiträgt. als Vergleichswrt dient Kohlenstoffdioxid (CO2). Der Wert beschreibt die mittlere Erwärmungswirkung über ienen bestimmten Zeitraum, oft 100 Jahre.
• 17 Nennen Sie Beispiele für erneuerbare und nicht erneuerbare Ressourcen. Nicht erneuerbare Ressourcen: Steinkohle, Erdgas, Erdöl, Kohle, Kernbrennstoffe: Plutonium, Uran Erneuerbare Ressourcen: Holz, Raps, Hanf Messung an einem Zeitraum der für einen Menschen planbar ist (unter 100 Jahre).
• 18 Wie unterscheidet sich Downcycling und Upcycling? Downcycling: Aus einem Stoff/Produkt wird etwas minderwertigeres hergestellt. Upcycling: Aus einem Stoff/Produkt wird etwas gleich- oder höherwertigeres hergestellt.
• 19 Beschreiben Sie das Drei Säulenmodell der Nachhaltigkeit. Ökonomie - Ökologie - Gesellschaft greifen ineinander. Alle Bereiche beeinflussen sich und sind voneinander abhängig. Ökonomie: Senkung der Betriebskosten und Erhöhung der Effizienz Ökologie: Einsatz von Umwelttechnik, Reduzierung des Ressourcenverbrauchs Gesellschaft: Stärkere Orientierung der betrieblichen Beschaffung an fairen und sozialen Kriterien, Erhaltung/Schaffung von Arbeitsplätzen und Mitarbeitermotivation.
• 20 Was bedeutet Nachhaltigkeit für den Einsatz von Materialien? Materialeinsparung, längere Gebrauchsdauer, ökonomisches langfristiges Denken in den Bereichen Fertigung, Logistik, Benutzung und Recycling.
• 21 Wie können Werkstoffe vorliegen, bevor Sie geformt werden (Urform)? Vorliegende Werkstoffe vor dem Urformen: Pulver Flüssigkeit Fasern Späne Granulate Schmelzen Gase (Beim Urformen wird einem formlosen Werkstoff erstmals eine geometrsich feste Form gegeben und der Stoffzusammenhalt geschaffen. Die genutzen Verfahren sind vom Zustand der Werkstoffe abhängig.)
• 22 Welche Arten des Gießens kennen Sie? Gravitationsguss (Gravity Die Casting) Hochdruckgießen (High Pressure Die Casting) Niederdruckgießen (Low Pressure Die Casting) Feinguss (Inestment Casting) Gießen mit verlorener Form - Keramikhülle (Ceramic Shel Eva Porative Mold Casting) Sandguss (Sand Casting) Niederdruck - Sandguss Giessen mit verlorener Form - Sandguss Giessformen: Harzguss für Duroplasten (Resin Casting) Giessformen Reaktionspritzsguss (Resin Injection Molding (RIM)) Giessformen: Spritzgiessen für Duromere und Thermoplasten (Injection Molding)
• 23 Wie unterscheidet sich Hoch- und Niederdruckgiessen? Hochdruckgiessen (High Pressure Die Casting): Geschmolzenes Metall wird mit Hochdruck in eine Metallform gespritzt. Die Metallformen (Gesenke) sind Präzisionsteile aus hitzebeständigem Stahl. Sie werden wassrgekühlt. Turbulentes Eingießen fürht zu Lufteinschlüssen und Schwund Keine Wärmebehandlung der Teile möglich Anwendungen: Gehhäuse für Plattenspieler, Videorecorder, elektr. Geräte, Riemscheiben, Motorgestelle Niederdruckgiessen (Low Pressure Die Casting) Geschmolzenes Metall wird durch Gasdruck entgegen der Schwerkraft in Kokille eingeführt Form wird langsam befüllt -> kaum Luftenschlüsse Hohe Produktionsrate Teile können Wärmebehandelt werden Anwendungen: Autofelgen, Zylinderköpfe, Differenzial- und Transformatorgehäuse
• 24 Welche Gußverfahren können für Materialien mit hohen Schmelztemperaturen (ca. 1000°C) verwendet werden? Für hohe Temperaturen: Fein- Sandguss Giessen mit verlorener Form Für niedrige Temperaturen: Hochdruck- Spritzguss
• 25 Beschreiben Sie das Spritzgiessen. Granulat wird mit Schneckenextruder gemischt und erwärmt. Die Wärme wird durch die Reibung der Schnecke erzeugt. Die geschmolzene Masse wird in Form gepresst. Das Polymer erstarrt unter Druck und kann dann der Form entnommen werden. Massenfertigungen möglich. Verwendung von Thermoplasten, Duroplasten udn Elastomeren. Anwendung: Massenartikel wie Knöpfe, Spielzeug, Gehäuse, Sportausrüstung, Verpackungen, Behälter
• 26 Was ist ein Reaktionsspritzguss? Giessformen Reaktionsspritzguss (Resin Injection Moldung (RIM)) Zwei Stoffe werden getrennt zugeführt Die vorgeheizten Chemikalien werden bei geringem Druck mit geringer Viskosität. Die Mischung der Stoffe erfolgt im Mixer direkt vor der Einspritzung Durch eine Düse wird das gemisch in die Matrize eingespritzt. Hier erfolgt die Polymerisation. Anwendungen: KFZ Stoßfänger, Lenkräder, Fensterrahmen, Verkleidungen 
• 27 Verschaffen Sie sich einen Überblick/eine Einteilung über die additiven Fertigungsverfahren (z.B. mit EDU-Pack). Additive Fertigungsverfahrn sind: Pulverbettverfahren Fotopolymerisation 3D-Druckverfahren Bogenkaschierung Schichtbauverfahren
• 28 Was unterscheidet FDM Prozess (Fuse Deposition Modeling) vom Spritzgussverfahren? Beurteilen Sie die Festigkeit des Produktes. FDM: Festigkeit geringer, da keine gleichmäßige Fertigung möglich Spritzguss: Höhere Festigkeit und höhere Stückzahlenfertigung
• 29 Welche Potentiale hat die additive 3D-Fertigung? (Nennen Sie fünf Punkte) Prototypenbau: Werkzeuglose und schnelle Fertigung durch digitalisierung der Kette von Prototypen führt zur Erhöhung der Entwicklungsgeschwindigkeit Steigerung der Wirtschaftlichkeit: Verschiedene Prozesschritte können zusammengelegt werden (Urformen, Umformen, Fertigungsverfahren werden nicht mehr benötigt). Die Wirtschaftlichkeit wächst mit steigender Komplexität der Bauteile Bedarfnahe Fertigung: Teile können direkt, ohne spezifische Werkzeugvorbereitung, gefertigt werden. Höhere Flexibilität bei steigender "on demand" Fertigungsmöglichkeit. Evtl. Fertigung auch direkt vor Ort möglich. Stetige Expansion wirtschaftlicher Losgrößen: Steigende Aufbaugeschwindigkeit und mehr Laserleistung bewegt wirtschaftlich herstellbare Losgrößen nach oben Digitale Prozesskette: (Aus Scan eines Modells wird) ein CAD Programm erstellt welches als Programm in den 3D-Drucker eingespeist wird und das Modell fertigen kann. Dezentrale, geographisch unabhängige Produktion. Generative Fertigung ist eine "Grüne Technologie": Ressourcensparend, Wenig Abfall, Energieeffizient Varitäten- und Unikatoption: Durch digitale Prizesskette sind individuelle Produktlösungen kein Problem. Production-on-demand und große Losgrößen sind kein Widerspruch mehr. Veränderung der Produktionslogistik und Ersatzteillagerung.
• 30 Wie funktionier der 3D-Druck? Prinzip des Tintenstrahldruckers Auftrag Schicht für Schicht von rascch erstarrenden Thermoplasten oder Wachs Einsatz mehrerer Druckstrahlen (Herstellungsbeschleunigung) Einsatz mehrerer Materialien Bei größeren Überhängen Stützen nötig (aus Wasser- oder Lösemittellöslichen Materialien) Anwendung: Prototype, Modelle, Präzisionsguss, Schmuck, Zahnersatz
• 31 Welche Fasern werden für Leichtbau eingesetzt? Glas- Keramik- Carbon- Aramid- Basalt- Metall- Flachs- und Sisalfasern hochfestes PES hochfestes PA hochfestes PP
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• 32 Welche Eigenschaften prädestiniert Fasern für den Leichtbau? Die Fasern Hohe Zugfestigkeit hohes E-Modul geringe Dichte geringe Bruchdehnung Geringes Gewicht Zielgerichtete Ausrichtung der Fasern zur optimalen Kraftaufnahme möglich Verstärkungsfasern sind kraftaufnehmende und lasttragende Komponenten Die Matrix Faserfixierung Krafteinleitung Kratverteilung Aufnahmen von Druckbeanspruchung
• 33 Was ist Materialwissenschaften? Überblick über traditionelle und neue Werkstoffe (neue Eigenschaftkombinationene plus neue Methoden der Verfahrenstechnik). -> Materialien mit höherer Leistung und längerer Lebensdauer.
• 34 Welche Kristallgitter gibt es bei regelm. Anordnung der Atome (Bsp. Eisen)? Kubisch-Flächenzentriertes Gitter (KFZ) Kubisch-Raumzentriertes Gitter (KRZ) -> Eisen Hexagonal-dichteste PAckung (HDP) SKIZZE!
• 35 Welche Kristallbaufehler können auftreten und wozu sind diese nützlich? Null-dimensional: Leerstellen (für Verformbarkeit), Zwischengitteratome (Legierung), Substitutionsatome (Legierung) Ein-dimensional: Stufenverstzung, Schraubenversetzung -> Verformbarkeit Zwei-dimensional: Korngrenzen, Zwillingskorngrenzen, Stapelfehler -> Positiv für mechanische EIgenschaften z.B. Zähigkeit und Festigkeit
• 36 Wozu verwendet man den E-Modul? E-Modul ist ein MAterialkennwert für den Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung bei der Verformung eines festen Körpers bei liniear elastischen Verhalten. E = σ/ε
• 37 Was ist plastische Verformung? Beanspruchung von Werkstoffen über ihre Elastizitätsgrenze hinaus. Werkstoff wird dauerhaft verformt -> Überschreitung der Fließgrenze. Verformung = Versetzung an den Korngrenzen der Kristallin aufgebauten Werkstoffe Verformung zu hoch = Bruch wegen zu hoher Spannung -> Trennfestigkeit wird überschritten Sehr gut verformbar = KFZ mittlere verformbar = KTZ schlechte Verformbarkeit = HDP
• 38 Wie können Kräfte auf Materialien einwirken? Uniaxiale Zugspannung - Greift an zwei unterschiedl Flächen (Bild) Poisson Koeffizient -> Kantenverlängerung. Uniaxiale Scherspannung/Schub - Greift parallel zu beiden gegenüberliegenden Seiten an (Bild) Multiaxiale Kompression - Greift in allen Raumrichtungen an und ist gleich groß (Bild)
• 39 Was ist Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehngrenze? (BILD von Kraft/Dehnungs-Diagramm) Zugfestigkeit Verhalten eines Werkstoffes unter Zugbeanspruchung. Kraft pro Fläche (N/mm2) oder 1 Pa Höchster Wert im Kraft/Dehnungs-Diagramm Größte Spannung im Zugversuch Streckgrenze Höchste Spannung, die ein Werkstoff elastisch aushalten kann Dehngrenze Spannung die im Werkstoff ein ganz bestimmtes Maß an plastischer Verformung hervorruft
• 40 Was ist Vickers-Härte und wie ist das Prinzip? Vickers-Härte ist eine universelle Härteprüfverfahren von Werkstoffen mit guter Oberfläche. Vierseitige Diamantpyramide mit 136° Pyramidenwinkel wird unter bestimmter Kraft auf Probe gedrückt. Nach entfernen des Prüfstempels misst man die Diagonalen des Eindruckes und bildet deren Mittelwert
• 41 Welche Härteprüfverfahren gibt es neben der Vickers-Härte? Brinell (für weiche Werkstoffe) Rockwell-C (F´ür harte Werkstoffe, leicht automatisierbar) Vickers (HV)

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