Maschinenbau Werkstoffkunde (Fach) / Werkstoffkunde 2 (Lektion)

Werkstoffkunde 2 (TUM) - Eisenbasiswerkstoffe - Nickellegierungen - Leichtmetalle - Werkstoffe auf Kupferbasis - Titan und Titanlegierungen - Keramik und Glas - Polymerwerkstoffe - Verbundwerkstoffe

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• Welche Elemente werden hinzu legiert um Eisenbasiswerkstoffe beständig gegen Rost, Säure, Hitze und Verzunderung machen zu können? Cr und oft auch Ni
• Wie werden Stähle bezeichnet die im Kurznamen mit einem "X" beginnen? Welchen Einfluss hat dies auf die Multiplikatoren? - hochlegierte Stähle - alle Multiplikatoren bis auf den für das C werden aufgehoben
• Welche Eigenschaft müssen hochlegierte Stähle und hochlegierte Gusseisensorten erfüllen? der mittlere Gehalt einzelner Legierungselemente muss mehr als 5% betragen
• Welcher chemischer Vorteil kann sich im Eisenbasiswerkstoff durch das Legierungselement Cr ergebn? Es kann sich eine Cr2O3-Deckschicht bilden, die eine weitere chemische Reaktion mit Flüssigkeit oder Gas behindert
• Welche zwei Bedingungen müssen für einen korrosionsfreien Stahl erfüllt sein? - mind. 12-13% an Cr - Cr muss gleichmäßig im Gefüge verteilt sein
• Wie werden Stähle bezeichnet die rost-, säure-, hitze- und zunderbeständig sind? RSH-Stähle
• Was kann bei einem Cr-Gehalt < 12% auftreten? Warum? lokaler Korrosionsangriff -> Kornzerfall / interkristalline Korrosion (IK) Der häufigste Grund ist die Karbidbildung an den Korngrenzen. Die Karbide binden sehr viele Cr-Atome ab und diese fehlen jetzt im korngrenzhahen Bereichen.
• Nenne drei Maßnahmen die einer lokalen Korrosion vorbeugen! 1) C-Gehalt reduzieren 2) C mit Legierungszusätzen, die höhere C-Affinität als Chrom haben, abbinden (Nb oder V) 3) Temperaturbereich meiden, in dem Karbidbildung stattfindet
• Was änder sich in einem Stahl ab einem Cr-Gehalt von 12,7%? Welche Folgen hat dies? - Fe wird umwandlungsfrei, d.h. alpha->gamma Umwandlung findet nicht mehr statt, weil das Cr das alpha-Fe stabilisiert - der Stahl kann nicht mehr normalisiert oder austenisiert werden-> phasenumwandlungsbedingte Festigkeitssteigerung kann nicht durch eine Wärmebehandlung realisiert werden-> es liegt immer Ferrit (krz) vor (nachteilig ggü. kfz, z.B. spröd-duktil-Übergang)
• Was bewirkt das Legierungselement Nickel im Stahl? - durch das hinzu Legieren von Nickel wird die kfz-Phase des Eisens (Austenit / gamma-Fe) stabilisiert - ab 30% Nickel-Gehalt wird das Austenit so stabil, dass bei einer zügigen Abkühlung von 1000°C auf Raumtemperatur keine gamma->alpha-Umwandlung mehr stattfindet
• Was enthalten hochlegierte ferritische Stähle? - mind. 12% Cr - Mo oder Ti - max. 0,1% C
• Was versteht man unter der 475°C-Versprödung? Bei Temperaturen zwischen 400-550°C entmischt sich Fe und Cr-> es entstehen chromarme und chromreiche Bereiche-> Chrom als Metall spröde-> chromangereicherte Bereiche ebenfalls spröde
• Nenne vier Versprödungsmechanismen gegen die Ferritische Stähle anfällig sind? In welchen Temperaturbereichen treten die Mechanismen auf? 1) 475°C-Versprödung -> 400-550°C 2) Karbidbildung -> 600-800°C 3) Versprödung der omega-Phase -> 600-800°C (langer Zeit) 4) Grobkornbildung -> ab 950°C
• Nenne einen Vor- und einen Nachteil der ferritischen Stähle! + beständig gegen Cl-Ionen - Dauereinsatz bei hohen Temperaturen (anfällig gegen alle Versprödungsmechanismen)
• Wie sind die martensitischen Stähle definiert? Welche zwei Vorteile ergeben sich daraus? - C-Gehalt zwichen 0,1 - 0,4 ; sonst wie ferritische + vergütbar+ 475°C-Versprödung stellt keine Gefahr mehr da
• Nenne die beiden Hauptvorteile der martensitischen Stähle? Für welche Anwendung sind diese unerlässlich? + Korrosionsbeständig+ Verschleißbeständig -> chirugische Instrumente
• Nenne die drei Grupppen der hochlegierten Stähle und ihre jeweilige Phase! 1) Ferritische Stähle -> alpha-Fe (krz) 2) Martensitische Stähle -> tetragonal verspanntes gamma-Fe (kfz) 3) Austenitische Stähle -> gamma-Fe (kfz)
• Wie sind die hochlegierten austenitischen Stähle definiert? - Ferrit (5-10%)- Cr:Ni-Verhältnis von ca. 2:1- Kohlenstoffgehalt < 0,12%- evtl. stabilisiert durch Ti, Mo oder Nb (Karbidbildner)
• Nenne einen Vor- und zwei Nachteile der hochlegierten austenitischen Stähle! + hohe Kaltverfestigung - IK durch Karbidbildung und gamma-Versprödung- nicht beständig gegen Cl-Ionen (Ausnahme: Mo-Zusatz)
• Vergleiche die Streckgrenzen der hochlegierten Stähle! 1) Martensitische Stähle <600 N/mm² 2) Ferritische Stähle <400 N/mm² 3) Austenitische Stähle ca. 250 N/mm² (durch Kaltverfestigung starke Erhöhung)
• Welcher Unterschied besteht zwischen austenitischen und vollaustenitischen hochlegierten Stählen? Vollaustenitische Stähle: - enthalten kein Ferrit- Verhältnis Cr:Ni bei 3:2 bis 1:1 (mehr Nickel!)- unmagnetisierbar
• Wie lassen sich hitze- und zunderbeständige Stähle erkennen? - enthalten Al oder Si -> stabile OxidschichtODER- Cr- und Ni-Gehalt übersteigt zusammen 40%
• Was ist beim Einsatz von hitze- und zunderbeständigen Stählen zu beachten? Diese Stähle können dauerhafte Temperaturen > 800°C ertragenABERzwischen 450 und 800°C übliche Versprödungsmechanismen
• Wie ist das Schaeffler-Diagramm aufgebaut? Welches Ziel steht bei der Benutzung im Vordergrund? über Nickel- und Chromäquivalent werden die nach dem Schweißen zur erwartenden Phasenzusammensetzungen und Versprödungsmechanismen dargestellt Das Ziel ist die Zusammensetzung des Schweißguts so zu steuern, dass nach Abschluss des Schweißenvorganges keine Versprödungsgefahr vorliegt.
• Welche Voraussetzungen sind notwendig, um eine Eisen-Nickel-Legierung als magnetischen Werkstoff zu nutzen? - 30-80%-Ni - Legierung des gamma-Bereichs (kfz)
• Erkläre die Temperaturhysterese des Umwandlungsablaufes einer Eisen-Nickel-Legierung im Bereich zwischen 5 und 35% Nickel! In einem bestimmten Temperaturbereich kann bei gleicher Temperatur sowohl ein krz alpha-Gitter als auch ein kfz gamma-Gitter auftreten, je nachdem, ob man durch Erhitzen oder durch Abkühlen in dieses Gebiet gelangt.
• Woher kommt die Bezeichnung Maraging-Stähle? Wie werden diese noch genannt? maraging = martensite + aging (engl.) auch Martensitaushärtende Stähle genannt
• Was ist der große Vorteil von Maraging-Stählen? Was muss beim Einsatz beachtet werden? - vereinen hohe Festigkeit und Zähigkeit - wegen der möglichen Vergröberung der Ausscheidungen ist die maximale Einsatztemperatur begrenzt
• Welche drei Schritte sind erforderlich um einen Maraging-Stahl zu erhalten? 1) Mischkristallhärtung -> fast reines Eisen (0,02% C) mit 15-20% Ni zulegieren(auch Voraussetzung für martensitische Umwandlung) 2) Härtung durch Gitterbaufehler -> bei der martensitischen Umwandlung entsteht krz-Gitter sowie, als Folge der Scherung, Versetzungen mit einer Dichte von 5x10^10 cm-² 3) Härtung durch Teilchen -> Elemente Al, Mo, Ti, Si, Co zugesetzt(Ni, Fe und Co bilden mit Al, Ti und Si intermetallische Verbindungen und bewirken, dass sich im alpha-Fe Teilchen in feiner Verteilung ausscheiden)(Der Martensit zerfällt in legiertes alpha-Fe und kohärente (alpha') sowie inkohärente (eta) Ausscheidungen-> alpha'-Teilchen führen zu grober Gleitverteilung UND eta-Teilchen bewirken zusammen mit den Versetzungen eine gleichmäßigere Verteilung der Gleitstufen)
• Nenne drei allgemeine Eigenschaften von Nickel! - gute Umformbarkeit (kfz-Gitter) - hohe Korrosionsbeständigkeit - mechanische Eigenschaften sind etwa die gleichen wie die von Baustahl
• Was bedeutet weichmagnetisch? Der Werkstoff ist leicht ummagnetisierbar
• Nenne die fünf weichmagnetischen Werkstoffgruppen! - Fe-Ni ab 30% Nickel - Reineisen - Fe-Si - Fe-Co - Ferrite
• Was bedeutet Magnetostriktion? Magnetostriktion (MS): Als MS bezeichnet man die Ausrichtung von magnetischen Domänen, die bei positiver MS zur Kontraktion der Probe führt. (magnetische Domäne = Bezirke einheitlich angeordneter Elektronenspins)
• Welche Besonderheit besitzt der Werkstoff INVAR? Wie ist seine chemische Zusammensetzung? - äußerst geringe thermische Ausdehnung - Fe + 35% Ni
• Welche zwei Vorgänge beeinflussen den Ausdehnungskoeffizienten von Nickel-Eisen-Legierungen mit 35-54% Ni? Was lässt sich daraus qualitativ über den Ausdehnungskoeffizienten sagen? 1.) normale Warmausdehnung durch thermische Gitterschwingungen2.) positive Magnetostriktion (MS) lässt den Werkstoff kontrahieren Mit steigendem Ni-Gehalt nimmt MS ab und die Curie-Temperatur zu-> im Bereich 35-54% Ni besitzt die Legierung kleine Ausdehnungskoeffizienten
• Wie kann man das Zusammenspiel von thermischer Ausdehnung und dem Magnetostriktioneffekt bei Nickel-Eisen-Legierungen ausnutzen? Nenne zwei Möglichkeiten! 1.) möglichst kleiner Ausdehnungskoeffizient generieren -> INVAR 2.) in einem bestimmten Temperaturbereich einen temperaturunabhängigen Ausdehnungskoeffizient generieren -> Uhrenindustrie
• Auf welcher Basis und für welche Einsatztemperaturen wurden hochwarmfeste Nickelbasislegierungen entwickelt? - Basis von NiCr20 - Einsatztemperaturen 800-1000°C
• Welche vorteilhaften Eigenschaften bietet eine hochwarmfeste Nickelbasislegierung? sehr zunderbeständig und sehr kriechfest bei Einsatztemperaturen von 800-1000°C
• Warum ist eine hochwarmfeste Nickelbasislegierung sehr zunderbeständig? Die Legierung bildet eine dichte Oxidschicht mit wenig Fehlstellen Oxidschicht aus Cr2O3, Al2O3, NiO
• Welche vier Ziele werden bei der Aushärtung von hochwarmfesten Nickellegierungen an das Gefüge gesetzt? 1) feine und stabile Ausscheidungen 2) Stapelfehlerenergie möglichst niedrig 3) grobkörniges Gefüge 4) hohe Rekristallisationstemperatur
• Was bewirkt die niedrige Stapelfehlerenergie der gamma-Matrix bei einer hochwarmfesten Nickelbasislegierung? - weit aufgespaltene Partialversetzung und Ablagerung einer Partialversetzung auf einer (100)-Ebene -> Lomer-Cotrell-Lock ( (100)-Ebene im kfz-Gitter keine Gleitebene) -> erst bei sehr hohen Temperaturen können solche Versetzungen infolge thermischer Aktivierung gleiten
• Was bewirkt die gute Kriechbeständigkeit der hochwarmfesten Nickelbasislegierungen? grobkörniges GefügeZUSAMMEN MITausgeschiedenen Teilchen
• Nenne die drei Schritte der Wärmebehandlung bei der Legierung IN 718 mit den entsprechenden Temperaturen und der Dauer! 1.) Lösungsglühen - 1000°C für 1h 2.) Auslagerung - 800°C für 8h 3.) Ausscheidungen stabilisieren - 620°C für 8h
• In welchem Gebiet wird der Werkstoff IN718 häuptsächlich eingesetzt? Wie ist er chemisch zusammengesetzt und woher rührt sein Name? - Gasturbinenbau -> Streckgrenze=600MPa bei 700°C - 58 Ni - 17 Fe - 17 Cr - 5 Nb - 3 Mo - IN = Inconel; 718 = Auslagerungstemperatur
• Auf welcher Legierung basieren die Formgedächtnis-Legierungen? In welchen Bereichen werden sie eingesetzt? - Ni-Ti-Legierung - Medizintechnik, Mess- und Regelungstechnik als temperaturgesteuertes Element
• Wie funktioniert der Formgedächtniseffekt? - Mischkristall mit spannungsinduziertem Martensit -> plötzliches Zurückklappen bei einer bestimmten Temperatur-> Spannung und Form wie bei Ausgang
• Zähle die Mischkristallhärtner und die Schutzschichtbildner von Nickelsuperlegierungen auf! Mischkristallhärtner: Fe, Cr, Co, Mo, W, Ta, Re Schutzschichtbildner: Al, Ti, Co (-> schützende Oxidschicht gegen Korrosion)
• Nenne die Ausscheidungshärter der Nickelsuperlegierungen in ihre zwei Gruppen unterteilt? Warum werden sie so genannt?  - gamma'-Bildner: Al,Ti - Karbidbildner: Cr, Ti, Mo, W, Nb, Hf, Ta - Die Ausscheidungshärter bilden bei ihrer Ausscheidung mit Nickel eine weitere Phase und verzerren das gamma-Gitter der gamma-Ni-Matrix -> Verfestigung
• Nenne die fünf Bezeichnungen von Aluminium nach Herkunft bzw. Reinheit? Hüttenaluminium - Primäraluminium Reinstaluminium - 99,99% Reinheit Reinaluminium - 99 bis 99,9% Reinheit Reinaluminium U - Reinaluminium 2. Schmelzung aus hinreichend reinem Rücklauf Sekundäraluminium - aus Schrott hergestellte Legierung
• Nenne vier allgemeine Eigenschaften von Aluminium? - geringe Dichte (2,7 g/cm³) - relativ niedriger Preis - hohe Wärmeleitfähigkeit - gute Gießeigenschaften

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