Werkstoffkunde (Fach) / Grundlagen (Lektion)

Zusammenfassung der allgemeinen Werkstoffkunde.

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• 1. In welche 4 Hauptgruppen können Sie die Werkstoffe einteilen? (Nennen Sie jeweils 3 Beispiele) - Polymere (Elastomere, Duroplasten, Thermoplasten, …) - Keramik (Hartstoffe z.B. Nitride und Carbide, SiO-Glas, Bindemittel-Ziegel, …) - Metalle (Stahl, Legierungen, NE-Metalle z.B. Alu und Kupfer, …) - Verbund (Stahlbeton, CFK, GFK, Hartmetall, …)
• 2. Definieren bzw. beschreiben Sie die Begriffe kristallin und amorph! Kristallin  regelmäßige, periodische Anordnung der Atome und Moleküle. Amorph  unregelmäßige Anordnung der Atome und Moleküle, keine geordneten Strukturen/Fernordnung
• 3. Wie kann man die Eigenschaften von Werkstoffen einteilen? Nennen Sie jeweils 3 Beispiele! - Mechanische Eigenschaften: (Zug-)Festigkeit, Duktilität, Härte - Elektrische Eigenschaften: Leitfähigkeit, Widerstand, thermoelektrische Effekte - Chemische Eigenschaften: Schmelztemperatur, Dichte, Wärmedehnung - Verarbeitungstechnische Eigenschaften: Zerspanbarkeit, Vergießbarkeit, Schweißbarkeit
• 4. Wodurch werden die Eigenschaften der Metalle maßgeblich bestimmt? Eigenschaften werden durch Kristallstruktur bestimmt, abhängig von der Art der Bindung (metallische Bindung = Auftreten von frei beweglichen Ladungsträgern  Elektronengas) und der Gitterstruktur (Packungsdichte, Gitterlücke, Anordnung der Atome  KRZ, KFZ, Gitterfehler und Gefüge, Verformungen) Ebenso können Fremdatome (Legierungsbestandteile) eine Rolle spielen.
• 5. Definieren Sie die Begriffe Gefüge, Korn, Mischkristall Korn/Kristallit: Kristalle, die beim Erstarrungsprozess gegeneinander wachsen. (Weisen kristallographisch gleichartige Richtungen auf.) (Metall-)Gefüge: Verband von (vielen) Körnern Mischkristall: Kristalle mit Fremdatomen (Substitution oder Einlagerung). Bestehen aus mindestens zwei chemischen Elementen. z.B. Legierungen
• 6. Erläutern Sie die Begriffe Anisotropie, Quasiisotropie und Textur? Anisotropie: Eigenschaft des Werkstoffs hängt von der räumlichen Richtung ab Quasiisotropie: Bei ungeordneten Vielkristallen heben sich die Richtungsabhängigkeit der Elementarzellen gegenseitig auf Textur: Die Körner werden ähnlich ausgerichtet, dadurch werden die Eigenschaften wieder richtungsabhängig.
• 8. Wozu benutzt man Millersche Indizes? Mit Millerschen Indizes werden Richtungen und Ebenen in Kristallstrukturen beschrieben.
• 9. Erklären Sie den Begriff Oktaederlücke? Eine Lücke im Kristallgitter wobei die Atome, welche die Lücke aufspannen einen Oktaeder bilden. (Tetraederlücke, umspannende Atome bilden Tetraeder.) Hintergrund: KFZ-Oktaederlücke größer, bessere Lösung von C
• 10. Worin unterscheiden sich Real – und Idealkristall? Der Realkristall hat im Gegensatz zum Idealkristall Gitterfehler unterschiedlichster Art: - 0-Dimensionale Fehler: Substitutionsatom - 1-Dimensionaler Fehler: Versetzung - 2-Dimensionaler Fehler: Korngrenzen - 3-Dimensionaler Fehler: Pooren, Lunker, …
• 11. Welche Versetzungsarten kennen Sie? Stufenversetzung, Schraubenversetzung, Linienversetzung.
• 12. Wie kann man Versetzungen sichtbar machen? Praktisch: Sichtbar werden die Spannungen die Versetzungen auslösen unter einem Transmissionselektronen (TEM-Mikroskop). Theoretisch: Burgers-Vektor und Burgers-Umlauf
• 13. Was versteht man unter dem Burgers-Vektor? Wie kann man Ihn ermitteln? Der Burgers-Vektor wird mit dem Burgers-Umlauf gebildet. Er gibt die Richtung und Stärke(/Breite) der Versetzung an. (Der Burgers-Umlauf wird gebildet indem man den Umlauf im verzerrten Gitter auf das Unverzerrte überträgt. Die „Differenz“ ist der Burgers-Vektor.
• 14. Worauf beruht die plastische Verformung – wie kann der Mechanismus veranschaulicht werden? Die plastische Verformung beruht auf dem „Wandern“ von Versetzungen. Veranschaulichungsmöglichkeiten wären das Regenwurm- oder Teppichfaktenmodell.
• 15. Worauf beruht die elastische Verformung? Änderung der Gitterabstände, geht bei Entlastung in Ursprungsform zurück („federt zurück“). Abhängig von Bindungskräften und Gitterstruktur.
• 16. Versetzungen ermöglichen plastische Verformung und erhöhen die Festigkeit. Erklären Sie diesen scheinbaren Widerspruch! Versetzungen ermöglichen durch ihr wandern plastische Verformung (Teppichfalten- Regewurmmodell) Allerdings führt eine hohe Anzahl von Versetzungen und Gitterfehlern dazu, das sich die Versetzungen beim Ausbreiten und Wandern gegenseitig behindern –> Verfestigung.
• 17. Welche Verfestigungsmechanismen kennen Sie? - Versetzung  Verformungsverfestigung - Korngrenze  Feinkornhärtung - Fremdatom  Mischkristall Verfestigung - Teilchen  Teilchenhärtung (Siehe auch Diagramm: Idealkristall fester als alle Verfestigungsmechanismen.
• 18. Warum steigert feines Korn die Festigkeit? Feines Korn bedeutet viele Korngrenzen => Korngrenzen beenden das Wandern von Versetzungen. Fachbegriff: Feinkornhärtung
• 19.Erklären Sie, warum die KFZ-Metalle besser verformbar sind als die KRZ-Metalle, obwohl beide die gleiche Anzahl von Gleitsystemen besitzen! Die KFZ-Kristalle hat die höhere Packungsdichte, dadurch sind die Atome nicht so stark ineinander verschränkt/verzahnt und können besser aneinander abgleiten. (KRZ-Kristalle haben eine geringere PD => stärker verschränkt => schlechter Verformbar.)
• 20. Erklären Sie den Unterschied zwischen einer Klein- und einer Großwinkelkorngrenze! Kleinwinkelkorngrenze  Orientierungswinkel der angrenzenden Korngrenze < 15° (Unter dem LiMi nicht sichtbar, aus Versetzungen aufgebaut, sehr dünn, „Subkorngrenze) Großwinkelkorngrenze  Orientierungswinkel der angrenzenden Korngrenze > 15° (Im LiMi sichtbar, entsteht durch aneinander Wachsen von Kristallen, „die“ Korngrenze)
• 21. Was versteht man unter Diffusion? Thermisch ermöglichte Wanderung von Teilchen (Atome/Ionen) um deutlich größeren Abstand als Atomradius. Sie beruht auf Platzwechsel durch thermische Bewegung.
• 22. Wovon wird Diffusion maßgeblich beeinflusst? Diffusion ist abhängig von Temperatur, Zeit, Konzentrationsunterschied und der Kristallstruktur und Größe der beteiligten Partner/Komponenten.
• 23. Welche Diffusionsmechanismen kennen Sie? - Zwischengittermechanismus: „Klein in Groß“ (z.B. C/N in Fe) - Leerstellenmechanismus: „Gleich Groß“ (Cu + Ni) - Fehlstellenmechanismus: z.B. an Korngrenzen KG oder an Versetzungsröhren
• 24. Welcher Werkstoff lässt sich leichter Aufkohlen: KFZ-Eisen oder KRZ-Eisen? KFZ Eisen da es die größeren Oktaeder-Lücken hat und mehr Kohlenstoff lösen kann (bis zu 2,06%; s. EKD).
• 25. Erklären Sie die Begriffe Selbst- und Fremddiffusion! Bei der Fremddiffusion diffundieren „fremde“/andere Atome ein, bei der Selbstdiffusion diffundieren nur Atome des gleichen (Grund-)Elements (daher kein Veränderung der Konzentration).
• 27. Welche Prozesse laufen bei der Erholung ab? Bei der Erholung (die vor der Rekristallisation abläuft) werden punktförmige (0D) und linienförmige (Versetzungen/1D) Gitterfehler ausgeglichen und ausgeheilt. KEINE Neubildung des Gefüges. Die mechanischen Eigenschaften ändern sich nur geringfügig (etwas duktiler und weicher).
• 28. Was ist die Voraussetzung für Rekristallisation? Zuerst muss das Gitter „verspannt“ werden durch plastische Verformung (Kaltverformung z.B. Hämmern). Dann muss es erwärmt auf die Rekristallisationstemperatur TRK (0,4 mal TS). Vorangegangene Erholung ebenso benötigt.
• 29. Welchen Einfluss hat d. Verformungsgrad auf die sich einstellende Korngröße bei der Rekristallisation? Hoher Verformungsgrad resultiert in einen feinen Korn, niedriger Verformungsgrad in groben Korn.
• 30. Wozu kann ein „Kriechversuch“ dienen? Um die Kriechkurve experimentell zu bestimmen und um den sogenannten „Zeitstandwert“ zu ermitteln.
• 31. Welche Parameter müssen beim Kriechversuch konstant gehalten werden? Temperatur und die Spannung.
• 32. Wie muss ein Metall beschaffen sein um möglichst wenig zu Kriechen? Hohe Schmelztemperatur + dichte Struktur (KFZ besser als KRZ) Hoher Widerstand gegen: - Versetzungsgleiten - Korngrenzgleiten/-deformation - Hochtemperaturkorrosion - Diffusionsvorgänge
• 33. Ab welcher Temperatur tritt bei Metallen Kriechen auf? 0,3 bis 0,4 T s (=T rk)
• 34. Was versteht man unter Kriechen? Als Kriechen wird eine zeitabhängige, fortschreitende plastische Verformung bei konstanter Belastung und konstanter Temperatur (größer als TS 0,3…0,4) bezeichnet.
• 35. Definieren Sie den Begriff Phase Chemische Zusammensetzung und struktureller Aufbau sind gleich.
• 36. Nennen Sie eine Möglichkeit zur Bildung eines feinkörnigen Gefüges! 1. Starke Kaltverformung und anschließendes Rekristallisationsglühen 2. Starke Unterkühlung => Viele kleine Keime wachsen => feines Korn 3. Legierung mit Eutektischer Zusammensetzung 4. Zugabe von Keimbildnern „Impfen“
• 37. Definieren Sie den Begriff Legierung Als Legierung wird eine Substanz bezeichnet mit überwiegend metallischem Charakter. Es müssen mindestens 2 Elemente beteiligt sein, wobei eines davon ein Metall sein muss.
• 38.Wie kann die Matrix von Legierungen aufgebaut sein Einphasig, homogenes Schliffbild, Element B vollständig in A gelöst. Mehrphasig, unterschiedliche Phasen (z.B. Stahl).
• 39.Beschreiben Sie, wie ein Zustandsdiagramm aufgestellt werden kann. (incl. der nötigen Bedingungen) Beim Ändern des Zustands (Überschreiten einer Phasengrenzlinie) ändern sich viele Eigenschaften unstetig. Nötige Bedingung: (annähernd) Thermodynamisches Gleichgewicht. Thermische Analyse: Verschiedene Legierungen werden abgekühlt, Abkühlkurven liefern Knicke oder Haltepunkte, aus welchen die Phasengrenzlinien interpoliert werden.
• 40. Nenne Sie 3 „Eigenschaften“ die zur Aufstellung von Zustandsdiagrammen genutzt werden können 1. Wärmeinhalt => „Thermische Analyse“ 2. Volumen oder Längenänderung => Dilatometerverfahren 3. Physikalische Eigenschaften z.B. elektrischer Widerstand oder Magnetismus
• 41. Definieren Sie den Begriff Eutektikum – wie unterscheidet es sich vom Eutektoid? Welche Besonderheit zeichnet es aus? Das Eutektikum ist ein Phasengleichgewicht wo die Schmelze vollständig an Phase A und B gesättigt ist. Keimt das eine aus, entsteht beim anderen ein Überschuss so dass sie abwechselnd auskeimen (Lamellen). Eutektikum entsteht aus einer flüssigen Phase, ein Eutektoid aus einer Festen.
• 42. Was passiert bei einer peritektischen Umwandlung Aus der Schmelze und einen Mk, wird bei einer bestimmten Temperatur (Peritektale) ein anderer Mk (und S).
• 43. Wovon ist der Zustand einer Legierung abhängig? Der Zustand einer Legierung ist von der Temperatur, dem Druck und der Konzentration abhängig.
• 44. Wie lautet die vereinfachte, wie die urspr. Gibbsche Phasenregel? Warum kann man vereinfachen? Vereinfacht: F = K + 1 – P Ursprünglich: F = K + 2 – P Man kann vereinfachen, weil der Druck als Konstant angenommen wird. (F: Freiheitsgrade, K: Anzahl der Komponenten/Kristalle, P: Anzahl der Phasen)
• 46. Wozu kann man Zustandsdiagramme gebrauchen? Nennen Sie 3 Anwendungen. Ablesen und Erkennen von: 1. Zusammensetzung einer Legierung bei einer bestimmten Temperatur und bestimmter Konzentration 2. Temperaturbereiche ohne Umwandlung 3. Zusammensetzung für eine Gusslegierung 4. Günstige Zusammensetzung für „Ausscheidungs-Härtbare“ Legierungen
• 47. Wozu kann man die begrenzte Löslichkeit im festen Zustand technischen nutzen? Ausscheidungshärten.
• 50. Erklären Sie die Nasenform bei Umwandlungen im festen Zustand. Weil es bei stärker Unterkühlung mehr wachstumsfähige Keime gibt => Mehr Umwandlung. Allerdings wird dies irgendwann durch die gehemmte Diffusion ausgeglichen, wodurch die Umwandlung wieder reduziert wird.
• 51. Erklären Sie warum es bei der Keimbildung im festen Zustand Keime gibt, die wachsen und welche, die sich wieder auflösen. Welche „Kräfte“ wirken? Es wirken die Keimbildungsarbeit (GA), GS* und die Verringerung der freien Enthalpie (GV). Bei sehr kleinen Keimen ist die Keimbildungsarbeit + GS* größer, sie zerfallen wieder. Erst ab einen kritischen Keimradius (rKrit) überwiegt die Verringerung der freien Enthalpie, der Keim wächst weiter. *GS = Verzerrung(-term), Versetzung im festen Zustand, weil Keime nicht frei beweglich im festen Zustand.
• 52. Auf welche Abkühlbedingungen bezieht sich das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD)? Thermodynamisches Gleichgewicht. (Abkühlung mir weniger als 1K/s)
• 53. Welche Arten von EisenKohlenstoffDiagmm kennen Sie – Worin besteht der Unterschied? C geht als elementarer Kohlenstoff aus dem Fe-Mk => stabiles System C geht als metastabile Verbindungsphase aus Fe-Mk = Fe3C = Karbird = Zementit => metastabiles System
• 54. Wie viel Kohlenstoff kann Austenit maximal lösen? 2,06% Kohlenstoff
• 55. Wie heißt das Eutektikum im EKD metallographisch? Ledeburit.

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