Werkstofftechnik (Fach) / Klausuren (Lektion)

Grundlagen Werkstofftechnik

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• Was ist eine Unterkühlung beim Übergang vom flüssigen zum festen Zustand? bei Abkühlung sehr reiner Stoffe und unbewegter Schmelze sinkt Temperatur ein wenig unter den Errstarrungspunkt ab, bevor es zur Keimbildung kommt. Diese Unterschreitung des Schmelzpunktes --> Unterkühlung
• Skizzieren Sie die Unterkühlung von der flüssigen zur festen Phase anhand des Temperaturverlaufes und tragen die Unterkühlung ∆T ein. ∆T= Unterkühlung Kennzeichnung ∆T Temperaturverlauf Achsenzeichnung und bezeichnung
• Benennen und skizzieren Sie jeweils die vier Arten der chemischen Bindung Restvalenzbindung Ionenbindung Kovalente Bindung metallische Bindung
• Welchen Einfluss hat die Bindungsenergie auf die Werkstoffeigenschaften? Zeigen Sie dies am Beispiel einer hohen Bindungsenergie. Einfluss der Bindungsenergie auf die Werkstoffeigenschaften: hohe Bindungsenergie hat:   hohe Festigkeit hohe Härte hoher Schmelzpunkt hoher Elastizitätsmodul kleiner thermischer Ausdehnungskoeffizient elektrischer Isolator chemisch beständig hohe Verschleißbeständigkeit hohe Korrosionsbeständigkeit  
• Skizzieren Sie Zustandsdiagramm mit völliger Löslichkeit im flüssigen und teilweiser Löslichkeit im festen Zustand. Max. Lösl. von B in A =25% und bis Raumtemp. auf 15% absinken. Max. Lösl. von A in B 10% und auf Raumtemp. 5% absinken. Umwandlungste Felder: S, S+α, β+S, α,β, α+β Punkte: θSA, θSB, E, max. Löslichkeit B in A, max. Löslichkeit A in B Linien: Liquiduslinie Soliduslinie Linie der max. Löslichkeit von α Linie der max. Löslichkeit von β
• Was ist unter technischer Härte zu verstehen? Wozu dient sie und was sind die Messgrößen bei der Härteprüfung? Härte ist der Widerstand des Werkstoffes, den dieser dem Eindringen eines härteren Körpers entgegensetzt. dient der Werkstoff- und Gefügezustandscharakterisierung Messgrößen sind die Prüfkraft und die Eindruckfläche oder die Eindringtiefe
• Beschreiben und skizzieren sie den Prüfablauf bei der Härteprüfung Rockwell. Tragen sie alle relevanten Größen wie Bezugsebene und Prüfkraft ein. mit Eindringkörper wird auf zu prüfende werkstückoberfläche eine Prüfvorkraft F0 aufgebracht, um Unebenheiten auf der Oberfläche auszugleichen.  Die Eindringtiefe bei der Vorkraft F0 ist die Bezugsebene. danach wird Zusatzkraft F1 aufgebracht, so dass Gesamtkraft F=F0+F1 wirkt. Prüfvorkraft F0 und Prüfzusatzkraft F1 sind vom jeweiligen Prüfverfahren, d.h. der Wahl von Eindringkörper und dessen Abmessung abhängig. nach Rücknahme der Prüfzusatzkraft wird die bleibende Eindringtiefe h in mm unter dem wirken der Prüfvorkraft F0 gemessen.
• Gewaltbrüche werden auf Grund der unterschiedlichen Bruchmechanismen in Spröd- und Zähbruch unterteilt. Warum gelten dabei im Allgemeinen Sprödbrüche als gefährlicher? Gefährlichkeit von Sprödbrüchen: treten ohne äußere erkennbare plastische Verformung auf.
• Von welchen Einflussgrößen hängt es ab, ob ein Spröd- oder ein Zähbruch auftritt? Werkstoffeigenschaften Temperaturen Mehrachsigkeit des Spannungszustandes Beanspruchungsgeschwindigkeit
• Welche grundsätzlichen Strukturen besitzen Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere? Thermoplaste: fadenförmiger oder verzweigter Aufbau der Makromoleküle Duroplaste: räumlich eng vernetzte Makromoleküle Elastomere: weitmaschige, räumliche Vernetzung der Makromoleküle  
• Welche strukturbedingten charakteristischen Eigenschaften (Kunststoffe) ergeben sich jeweils daraus? Thermoplaste:   Erweichung bei Temperaturerhöhung bis zum plastischen Fließen Erweichung und Erstarrung sind reversibel Festigkeitserhöhung durch Verstrecken der Makromoleküle Duroplaste: auch bei höheren Temperaturen keine plastische Verformbarkeit irreversible Verfestigung (Aushärten) bei der Herstellung (Urformen) höherer Vernetzungsgrad steigert die Festigkeit   Elastomere:   gut verformbar bereits bei geringen Kräften (gummiartig) Verformung reversibel bei Temperhöhung direkter Übergang: viskoelastischer Zustand=> Zersetzung  
• Welcher Kunststoff verbirgt sich hinter dem Handelsnamen "Plexiglas"? Nennen Sie mind. drei Vorzüge und drei Nachteile dieses Werkstoffs? Polymethylmethacrylat (PMMA) Vorzüge: hohe optische Transparenz gute Witterungsbeständigkeit physiologisch unbedenklich keine scharfkantigen Bruchflächen und somit Minderung der Verletzungsgefahr Nachteile: wird von Alkohol und Benzol sowie Lösungsmitteln angegriffen nur kratzfest bei entsprechender Oberflächenbehandlung schlag- und spannungsrissempfindlich wegen geringer Zähigkeit  
• Was versteht man unter Grauguss? Gusseisen Kohlenstoff liegt als Graphit vor im stabilen Eisen-Kohlenstoff-Diagramm im Bereich des Eutektikums
• Welche zwei Gussarten kennen Sie? 1. Gusseisen mit Kugelgraphit 2. Gusseisen mit Lamellengraphit
• Nennen Sie wenigstens drei charakteristische Eigenschaften und Anwendungen dieser Graugussarten. gutes Formfüllfüllungsvermögen Herstellbarkeit dünnwandiger Teile schwingungsdämpfend - Getriebegehäuse, Maschinenbetten geringe Bruchdehnung (Sprödigkeit) gute spanende Bearbeitbarkeit Notlaufeigenschaften - Lager
• Nennen sie den wesentlichen Grund, weshalb die Zugfestigkeitswerte mit steigender Wanddicke der Gussstücke fallen. Der wesentliche Grund liegt in der Abkühlungsgeschwindigkeit. Je langsamer die Abkühlungsgeschwindigkeit, desto größer wird bei Grauguss der ausgeschiedene Graphit. Dadurch ergibt sich bei gleichem Gusswerkstoff und bei gleicher Qualität eine verminderte Zugfestigkeit bei größeren Wandstärken.
• Kurzzeichen folgender Stoffe: 1. Phenoplaste 2. Polyethylen hoher Dichte 3. unlegierter Vergütungsstahl mit einem C-Gehalt von 0,45% und einem S-Gehalt von max. 0,02...0,04% 4. Gusseisen mit Kugelgraphit 5. Schnellarbeitsstahl 6. unlegierter Ha   PF Phenoplaste PE-HD Polyethylen hoher Dichte C45R unlegierter Vergütungsstahl mit einem C-Gehalt von 0,45% und einem S-Gehalt von max. 0,02...0,04% EN-GJS Gusseisen mit Kugelgraphit HS Schnellarbeitsstahl EN-GJN unlegierter Hartguss TPE  Thermoplastische Elaste GE400 unlegierter Stahlguss für den Maschinenbau mit einer mind. Streckgrenze vom 400N/mm  
• Beschreiben sie was unter den zweidimensionalen, d.h. flächenhaften Gitterbaufehlern 1. Stapelfehler 2. Korngrenzen verstanden wird. Stapelfehler sind Fehler in der Stapelfolge von Netzebenen innerhalb der Gitterstruktur. Korngrenzen sind die Grenzflächen zwischen den Körnern bzw. den Kristalliten. 
• Worin besteht der Unterschied zwischen Groß- und Kleinwinkelkorngrenzen? Großwinkelkorngrenzen werden meist als hohe Leerstellenkonzentrationen mit einer flüssigkeitsähnlichen Struktur und Inseln mit unterschiedlich gut angepassten Gitterblöcken angenommen. Kleinwinkelkorngrenzen trennen Gitterblöcke mit einem Orientierungsunterschied von wenigen Bogenminuten und sind aus Versetzungen aufgebaut.
• Folgender einphasiger Werkstoff liegt vor: Schmelzpunkt unter 700°C, Dichte größer 1,5g/cm3, aber kleiner 3g/cm3. Im festen Zustand: niedriger elektrischer Widerstand, hohes Wärmeleitungsvermögen, gutes Reflexionsvermögen im sichtbaren Wellenlängenb Werkstoffgruppe Metall metallische Eigenschaften: niedriger elektrischer Widerstand, gute Wärmeleitfähigkeit, Reflexionsvermögen, gute plastische Verformbarkeit Es handelt sich um Aluminium Dichte in Verbindung mit der Schmelztemperatur und gute plastische Verformbarkeit
• Geben sie die Struktur des Werkstoffes an (Aluminium) Aluminium hat eine kubisch-flächenzentrierte (kfz) Gitterstruktur.
• Warum ist Aluminium gut formbar? gute Umformbarkeit ist durch die höhere Anzahl an Gleitebenen des kfz-Gitters gegeben.
• Was besagt die goldene Regel der Ultraschallprüfung? Der Fehler ist mit Ultraschall dann gut nachweisbar, wenn er senkrecht zum einfallenden Schallstrahl orientiert ist.
• Ordnen sie den Reflektogrammen auf der Ozillographenröhre durch Angabe der Ziffern die richtige Beschreibung zu. A: 5 schräg, liegender, großer, ebener Fehler (Riss) B: 3 großer, ebener Fehler (Riss) C: 2 glatter Fehler (Riss in Schallausbreitungsrichtung) D: 4 großer Fehler mit zerklüfteter Oberfläche E: 1 Pore
• Ein Stahlwerk soll sich auf die Herstellung korrosionsbeständiger Stähle spezialisieren. Welche drei Stahlgruppen kommen hierfür in Frage, und welche Gruppe hat die größte Bedeutung unter den Korrosionsbeständigen Stählen? Korrossionsbeständige Stähle: Ferritische Stähle Martensitische Stähle Austentische Stähle die größter Bedeutung haben austenitische Stähle  
• Das gleiche Stahlwerk stellt bereits Vergütungsstähle her. Charakterisieren sie diesen Stahl bzgl. - seiner Werkstoffeigenschaften - seiner Anwendung und geben dazu mind. drei Anwendungsbeispiele an. Charakteristik: gute Zähigkeit bei ausreichender Zugfestigkeit Reinheitsgrad bzgl. der Einschlüsse muss einer Edelstahlgüte entsprechen Anwendungen: Achsen, Kurbelwellen, Bolzen, Schrauben, Muttern, Kolben, Kolbenstangen, Spindeln, Naben, Nocken- und Getriebewellen, hochfeste Getriebeteile, höchstbeanspruchte Fahrwerksteile
• Ein Kunde wünscht die Stähle X6CrNiTi18-10 50CrMo4 Um welche Stahlsorten handelt es sich? Erläutern sie deren Zusammensetzung anhand der Buchstaben und Nummern vorgenannter Bezeichnungen. 1. Hochlegierter Stahl C-Gehalt 0,06% Cr-Gehalt 18% Ni-Gehalt 10% Ti-Gehalt vorhanden, aber nicht angegeben 2. Vergütungsstahl C-Gehalt 0,5% Cr-Gehalt 1% Mo-Gehalt vorhanden, aber nicht angegeben
• Unter Eigenspannungen werden Spannungen in Werkstoffen - ohne das Wirken von äußeren Kräften und Momenten - verstanden. Nennen sie mind. drei mögliche Ursachen für das Entstehen von Eigenspannungen. Abkühlung bei unterschiedlicher Verformung in verschiedenen Querschnitten, bedingt durch Temperaturunterschiede über dem Querschnitt (thermische Eigenspannungen bzw. Wärmeeigenspannungen) inhomogene plastische Verformung infolge äußerer Kräfte (Ausscheidungseigenspannungen) inhomogene Gefügeumwandlungen, die mit Volumeneffekten verbunden sind (Umwandlungseigenspannungen) durch Ausscheidungen im Gitter hervorgerufene Verzerrungen (Ausscheidungseigenspannungen)
• Welche Auswirkungen haben Eigenspannungen zur Folge? Gehen Sie dabei auch auf die Beanspruchungs- und Spannungsart ein. Auswirkungen der Eigenspannungen: Eigenspannungen erhöhen die Festigkeit des Werkstoffs, wenn sie den Spannungen infolge äußerer Beanspruchung entgegengesetzt sind. Zugspannungen begünstigen die Rissentstehung bzw. Rissausbreitung Druckeigenspannungen haben vor allem bei einer Schwingbeanspruchung eine festigkeitssteigende Wirkung.
• Glaswerkstoffe sind ausgesprochen spröde. Erklären sie die Ursache dieser Eigenschaft. Glas hat ein lineares Spannungs-Dehnungs-Verhalten ohne plastischen Bereich. Der Abbau bzw. die Umlagerung von Spannungsspitzen durch Plastizieren ist nicht möglich. Wenn Spannungen durch innere Fehlstellen am Kerbgrund die Grenze der Zugfestigkeit des Materials erreichen, übersteigt die Spannungskonzentration die Nennspannung um ein vielfaches. Die Folge ist das Versagen des Bauteils ohne Vorankündigung.
• Neben der hohen Sprödigkeit verfügt Glas über weitere typische Eigenschaften, die sich aus dessen inneren Aufbau ergeben. Nennen sie mindestens drei Beispiele. Eigenschaften von Glas richtungsunabhängige Eigenschaften temperaturabhängige Eigenschaften geringe Wärmeleitfähigkeit zerbrechlich kleiner thermischer Ausdehnungskoeffizient gute Temperaturwechselbeständigkeit gutes elektrisches Isolationsvermögen gute chemische Beständigkeit hohe UV Durchlässigkeit hohe Erweichungstemperatur
• Benennen sie die dargestellten Korrosionsformen und erläutern sie kurz deren Auftreten. Erscheinungsformen elektrochemischer Korrosion: bei der selektiven Korrosion werden unedlere Gefügebestandteile unter Wirkung eines Elektrolyten herausgelöst. Die Lochfrasskorrosion tritt an Ausscheidungen oder Einschlüssen im Werkstoffgefüge, häufig an schadhaften Korrosionsschutzschichten auf. Die interkristalline Korrosion bereitet sich entlang von Korngrenzen aus. Die Spannungsrisskorrosion ist zu beobachten, wenn gleichzeitig Spannungen und ein Korrosionsmedium auf einem Werkstoff einwirken, der sich nicht in einem Gleichgewichtszustand befindet.
• Erläutern sie die Wirkungsweise des passiven Korrosionsschutzes und nennen sie entsprechende Verfahren, um die Wirkungsweise zu realisieren. passiver Korrosionsschutz und dessen Verfahren: Beim passiven Korrosionsschutz werden Schutzschichten aufgebracht, die das Metall vom Angriffsmedium trennen und beständiger - als das zu schützende Metall - sind. Verfahren des passiven Korrosionsschutzes: Feuerverzinken Galvanisieren Pulverbeschichten Phosphatieren Lackieren
• Der Einsatz von Nichtmetallen und deren Legierungen hängt entscheidend von ihren physikalischen Eigenschaften und den Kombinationen der Eigenschaften ab. Nennen sie mind. drei physikalische Eigenschaften, die als Einsatzkriterium herangezogen werden physikalische Eigenschaften von Nichteisenmetallen als Einsatzkriterium: Korrosionsbeständigkeit spezielle elektrische Eigenschaften spezielle magnetische Eigenschaften Dichte Temperatur
• Bei Ni-Legierungen ist der sogenannte Memory Effekt zu beobachten. Erläutern sie kurz diesen Effekt. Gehen sie hierbei auch auf die Ursachen ein. Memoryeffekt der Nickellegierungen: bei einer tieferen Temperatur wird die vollzogene plastische Verformung durch Erwärmung wieder rückgängig gemacht Ursache ist eine martensitische Strukturänderung Sie kann nicht nur durch Unterkühlung, sondern auch durch mechanische Spannungen hervorgerufen werden.
• Es wird zwischen Leicht- und Schwermetallen unterschieden. Wann wird ein Nichtmetall den Leichtmetallen und wann den Schwermetallen zugeordnet? Weist ein Nichtmetall eine Dichte von weniger als 5g/cm3 auf, wird es den Leichtmetallen zugeordnet. Liegt der Wert oberhalb von 5g/cm3, ist es ein Schwermetall.
• Härtemessungen sind wichtige Prüfverfahren insbesondere zur Kennzeichnung des Werkstoffzustands. Beschreiben sie die Geometrie des Eindringkörpers bei der VICKERS-Härteprüfung und skizzieren sie in der Draufsicht den sich ergebenen Prüfeindruck. Bes Der Eindringkörper bei der VICKERS-Härteprüfung ist eine regelmäßige vierseitige Diamantpyramide mit einem Flächenöffnungswinkel von 136° Skizze d1 und d2
• Wie ist die Härte bei VICKERS Prüfverfahren definiert? Die VICKERS-Härte ist definiert als Kraft F in N pro Eindruckfläche S.
• Bei der VICKERS-Härteprüfung werden je nach Prüfaufgabe unterschiedliche Prüfkräfte für die verschiedenen Prüfbereiche verwendet. Zwischen welchen drei Bereichen wird dabei unterschieden? Bereiche der VICKERS-Härteprüfung: Makrobereich Kleinstlastbereich Mikrobereich
• Nennen sie wenigstens drei Faktoren durch die der Werkstoffpreis wesentlich beeinflusst wird. Verfügbarkeit Erschließungskosten Herstellungskosten/ Kosten der Rohstofferzeugung Verfahren Energie
• Welche vier Einflussgrößen bestimmen den Anteil der Werkstoffkosten an den Gesamtkosten eines Erzeugnisses in besonderem Maße? Automatisierungsgrad Werkstoffauswahl Fertigungsverfahren Konstruktion begrenzte Verfügbarkeit
• Die Herstellung von Rohstahl kann über zwei Verfahrenswege erfolgen 1. aus Eisenerz im Hochofen und Konverter 2. aus Stahlschrott im Elektro-Lichtbogenofen Beschreiben sie diese beiden Verfahrenswege zur Rohstahlherstellung. Rohstahl aus Eisenerz im Hochofen und Konverter: Im Hochofenprozess erfolgt die Reduktion von Eisenerz mittels Kohlenmonoxid zu einer noch stark verunreinigten und kohlenstoffreichen Eisenschmelze, dem Roheisen. Zum Einsatz gelangt Eisenerz, welches vor allem oxidhaltige Minerale enthält. Im Konverter werden durch Einblasen von Sauerstoff noch verbliebener Kohlenstoff u.a. störende Begleitelemente durch Desoxidation weitgehend beseitigt. Am Ende liegt ein Stahl mit geringem C-Gehalt vor. Rohstahl aus Stahlschrott im Elektro-Lichtbogenofen: Herstellung im Elektro-Lichtbogenofen kommt aus energetischer Sicht und auch aus Umweltgründen durch die Wiederverwertung von Schrott steigende Bedeutung zu. Beim Einschmelzprozess hat die Stahlschmelze eine Temp. von bis zu 1800°C, so dass selbst schwer schmelzende Legierungsbestandteile des Schrottes aufgelöst werden.
• Was ist Sekundärmetallurgie? Nachbehandlung des Rohstahls, um die Qualität und die Eigenschaften des Stahls zB. durch Zugabe von Legierungselementen gezielt zu beeinflussen.
• Wie wird die für Automatenstähle notwendige Kurzspanigkeit für die spanende Bearbeitung erreicht? Überlegen Sie dahingehend, wozu vor allem Kurzspanigkeit gefordert ist. Durch Zusatz von S und zT. auch Pb ergeben sich Einschlüsse im Gefüge, die den Span brechen lassen. Kurze Späne sind erforderlich, weil lange Band- und Wirrspäne die Maschine und das Werkzeug beschädigen können, einen großen Raumbedarf haben und die Gefährdung des Maschinenbedieners zur Folge haben können. SB 4: Kap. 1.1.2, 1.1.5.7, Kontrollfrage 1.10
• Welche fünf Werkstoffkenngrößen können mit dem Zugversuch ermittelt werden? Elastizitätsmodul E obere StreckgrenzeReH Zugfestigkeit Rm Bruchdehnung A Brucheinschnürung Z SB 2: Kap. 3
• Skizzieren sie das Spannungs-Dehnungs-Diagramm für einen allgemeinen Baustahl und zeichnen sie die entsprechenden Messpunkte für die Werkstoffgrößen. Kennzeichnen und benennen sie im Diagramm die HOOKEsche Gerade und den Bereich der inhomogenen plast Skizze des Diagramms mit Achsenbezeichnung Elastizitätsmodul E mit (tanα=E) obere Streckgrenze ReH Zugfestigkeit Rm Bruchdehnung A HOOKEsche Gerade LÜDERS-Dehnung
• Skizzieren sie das Spannungs-Dehnungs-Diagramm für einen allgemeinen Baustahl und zeichnen sie die entsprechenden Messpunkte für die Werkstoffgrößen. Kennzeichnen und benennen sie im Diagramm die HOOKEsche Gerade und den Bereich der inhomogenen plast   Skizze des Diagramms mit Achsenbezeichnung Elastizitätsmodul E mit (tanα=E) obere Streckgrenze ReH Zugfestigkeit Rm Bruchdehnung A HOOKEsche Gerade LÜDERS-Dehnung  
• Skizzieren sie das Spannungs-Dehnungs-Diagramm für einen allgemeinen Baustahl und zeichnen sie die entsprechenden Messpunkte für die Werkstoffgrößen. Kennzeichnen und benennen sie im Diagramm die HOOKEsche Gerade und den Bereich der inhomogenen plast   Skizze des Diagramms mit Achsenbezeichnung Elastizitätsmodul E mit (tanα=E) obere Streckgrenze ReH untere Streckgrenze ReL Zugfestigkeit Rm Bruchdehnung A HOOKEsche Gerade LÜDERS-Dehnung  
• Elastizitätsmodul E Eigenschaft eines Werkstoffes lineare Beziehung zwischen Spannung und Dehnung im Anfangsbereich des Spannungs-Dehnungs-Diagramms Winkel α = E-Modul  --> tanα=E der Werkstoff mit dem kleinsten E-Modul weist bei gleicher Spannung die größte Dehnung auf (bsp. Al) starre Werkstoffe haben einen großen Elastizitätsmodul (bsp. Stahl)
• LÜDERS-Dehnung Spannungs-Dehnungs-Diagramm tritt bei einigen metallischen Werkstoffen auf z.B. unlegierte Stähle nach der unteren Streckgrenze folgt eine inhomogene plastische Verformung = LÜDERS-Dehnung Verformung in Streifenform im zylindrischen Teil = LÜDERS-Bänder LÜDERS Bänder liegen etwa unter 45° zur Zugrichtung, also in Richtung der max. auftretenden Schubspannungen

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