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Werkstoffkunde 1 (Fach) / Fragen aus dem Buch (Lektion)

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• Welche Vergrößerung ist erforderlich, um Atome als Punkte mit einem Abstand von 1mm zu sehen? Die Größe von Atomen liegt in der Größenordnung 0,1nm. 1nm = 1 Millionstel mm. Es ist also eine 10 millionenfache Vergrößerung notwendig.
• Nennen und beschreiben Sie die drei unterschiedlichen Arten von starken Bindungen 1. IonenbindungEntsteht durch Übergang von Ionen, ein Partner gibt gerne ein Elektron ab, ein Partner nimmt gerne eins auf. Für beide idealBesteht typischerweise aus Metall und Nichtmetall und heißt Salze 2. Kovalente BindungBeide Atome weisen einen Elektronenmangel auf der äußeren Schale auf, sind also bestrebt, Elektronen aufzunehmen. Kein Partner da, der Elektronen abgibt. Also gemeinsame Nutzung eines Elektronenpaares durch beide Atome. Typisch für organische Verbindungen - Methan) 3. Metallische BindungBindung zwischen Atomen von der linken Seite, d.h. mit wenig Elektronen auf der äußeren Schale. Wollen Sie loswerden, aber keiner da, der sie aufnimmt. Geben die Elektronen an einen gemeinsamen Pool, das Elektronengas, ab. Atomrümpfe positiv geladen, Elektronengas negativ geladen. Bindung durch die elektrostatischen Anziehungskräfte. Weil Elektronen frei beweglich, daher hohe elektr. Leitfähigkeit. Typisch für Metalle.
• Erklären Sie den Zusammenhang zwischen der metallischen Bindung und dem Aufbau der Elektronenhülle von metallischen Elementen Metallische Elemente haben wenige Elektronen auf der äußersten Schale. Die Edelgaskonfiguration wird durch Abgabe von Elektronen erreicht. Wenn Bindungspartner mit Elektronenmangel zur Verfügung stehen, entsteht eine Ionenbindung durch Elektronenübergang. Ohne einen solchen Bindungspartner Abgabe der Elektronen an gemeinsamen Elektronenpool, d.h. metallische Bindung
• Was versteht man unter einem Gleichgewichtsabstand zwischen Atomen? Wie kommt der Gleichgewichtszustand zustande? = definierter Abstand, den zwei Atome in einer idealen Atomanordnung ohne Wirken äußerer Kräfte einnehmen. Der Gleichgewichtsabstand kommt durch die Überlagerung anziehender und abstoßender Kraftkomponenten zustande. Wo beide Komponenten sich aufheben liegt die Ruheposition, d. h. der Gleichgewichtsabstand der Atome
• Was versteht man unter einer dichtestgepackten Struktur? Räumliche Anordnung von Atomen mit größtmöglichster Packungsdichte. Jedes Atom berührt 12 Nachbaratome. hdp und kfz sind dichtestgepac kt
• Was versteht man unter Elementarzelle? Die Elementarzelle ist die kleinste Einheit, durch die sich eine Kristallgitterstruktur darstellen lässt.
• Definieren Sie den Begriff Kristallgitterstruktur Die Kristallgitterstruktur beschreibt die Art und Weise, wie die Atome in einem Festkörper regelmäßig angeordnet sind (Abstände und Richtungen)
• Nennen Sie die 3 wichtigsten Kristallgitterstrukturen von Metallen. Welche dieser Strukturen sind dichtestgepackt? krz, kfz und hdpkfz und hdp
• Warum kristallisieren Metalle nicht in einer kubisch primitiven Struktur? Geringe Packungsdichte. Bei Bindungsart metallische Bindung (keine räumliche Vorzugsrichtung der Bindungen!) und gleichgroßen Atomen ungünstige Anordnung (nur 6 direkte Nachbarn statt 12 bei den dichtestgepackten!)
• Was versteht man unter einem polymorphen Metall? Ein polymorphes Metall wechselt bei einer bestimmten Temperatur seine Gitterstruktur, z.B. hat Eisen die Strukturen α-Eisen (krz) und γ-Eisen (kfz)
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• Wieso sind Metalle elektrisch leitfähig? Ladungsträger sind die frei beweglichen Elektronen des Elektronengases
• Nennen Sie jeweils eine wesentliche Art von 0,1,2 und 3 dimensionalen Gitterdefekten 0: Fremdatome1: Versetzungen2: Korngrenzen3: Ausscheidungsteilchen
• Was versteht man unter Substitutionsatomen? Was unter interstitiellen Atomen? Substitutionsatome = Fremdatome auf regulären Gitterplätzeninterstitielle Atome = Fremdatome in Gitterlücken
• Wie verändern Fremdatome die Struktur des umgebenden Matrixgitters? Wegen des Größenunterschieds kommt es zu Verzerrungen der Gitterebenen um das Fremdatom herum
• Was versteht man unter Kristalliten oder Körnern? Ein Korn ist ein zusammenhängender Bereich mit einheitlicher Orientierung der Kristallgitterstruktur. Kristallite sind von benachbarten Kristalliten durch Korngrenzen getrennt.
• Was versteht man unter einer Textur? = Ausrichtung der Orientierung benachbarter Kristallite in eine Vorzugsrichtung
• Was versteht man unter dem Gefüge eines Werkstoffes? Wie kann man Gefüge sichtbar machen? = innerer Aufbau eines Werkstoffes mit der Gesamtheit der Abweichungen vom idealen Gitteraufbau, z.B. Korngrenzen, Versetzungen usw.
• Gibt es volumenhafte Defekte die im Werkstoff nützlich sein können? Festigkeitssteigerung durch sehr kleine volumenhafte Partikel : Ausscheidungsteilchen und Dispersoide
• Wie führt man eine thermische Analyse durch? Präzise Messung des Temperatur-Zeit-Verlaufs beim Aufheizen oder Abkühlen einer Substanz. Jede Phasenumwandlung ist mit einer Enthalpieänderung verbunden, so dass Unregelmäßigkeiten  in der Kurve auftreten (Haltezeiten oder Knickpunkte)´. Daraus Bestimmung der Umwandlungstemperaturen
• Erklären Sie den Mechanismus bei der Erstarrung eines Metalls Wenn beim Abkühlen die Schmelztemperatur erreicht wird, bilden sich zunächst Keime ( kleine Bereich fester Phase mit regelmäßiger Anordnung der Atome in einer Kristallgitterstruktur). Die Keimbildung kann endogen (im Volumen verteilt) oder exgon (von der Wand her) erfolgen. Im weiteren Verlauf der Erstarrung wachsen diese Keime durch die definierte Anlagerung von Atomen zu Körnern, bis die komplette Schmelze aufgebraucht ist.
• Welche Bedingungen führen bei der Erstarrung zu grobkörnigen, welche zu feinkörnigen Gefügen? Die Korngröße wird durch die Keimzahl bestimmt. Bei einer geringen Keimzahl sind die Gefüge grobkörnig( reine Metalle, homogene Keimbildung, langsame Abkühlung). Bei einer hohen Keimzahl sind die Gefüge feinkörnig (Fremdkeime, z.B. durch Verunreinigung in der Schmelze oder durch Impfen, heterogene Keimbildung, rasche Abkühlung mit Unterkühlung)
• Welche Maßnahmen können Sie ergreifen um beim Gießen feinkörnige Gefüge zu erhalten? Die Keimzahl muss möglichst hoch sein. Zugabe von Kornfeinungsmitteln zur heterogenen Keimbildung, rasche Abkühlung
• Was versteht man unter der Unterkühlung einer Schmelze?  Bei rascher Abkühlung wird die Schmelze unter die Gleichgewichts-Erstarrungstemperatur unterkühlt, d.h. der Erstarrungsprozess setzt erst bei Temperaturen unter der Gleichgewichtserstarrungstemperatur ein. Die Temperaturdifferenz wird als Unterkühlung bezeichnet.
• Was ist eine Spannung? Wodurch unterscheiden sich Normal- und Tangentialspannungen? Spannung = Quotient aus Beanspruchungsgröße (Kraft) und QuerschnittsgrößeNormallspannung wirkt senkrecht zur Querschnittsfläche, Tangentialspannung parallel zur Querschnittsfläche
• Erläutern Sie den inneren Mechanismus bei der elastischen Verformung eines Metalls. Die Auslenkung der Atome aus der Gelichgewichtslage bewirkt eine Rückstellkraft. Aus der resultierenden Atomabstands-Kraft-Kurve lässt sich eine atomare Federkonstante ableiten, bei Berücksichtigung der geometrischen Anordnung der Atome und Annahme einer statistischen Veteilung der Kristallorientierungen ist der Emodul theoretisch ableitbar. Modellvorstellung Bindungen als Federelemente
• Warum trägt man das Ergebnis eines Zugversuches als Spannungs-Dehnungs-Diagramm auf und nicht als Kraft-Verlängerungs-Diagramm? Das Kraft-Verlängerungs-Diagramm ist abhängig von der Probengeometrie (Länge, Querschnitt) . Durch die Definition von Spannung = Kraft/Querschnitt und Dehnung = Verlängerung/Ausgangslänge ist das Spannungs-Dehnungs-Diagramm geometrieunabhängig, d.h. nur noch werkstoffabhängig
• Welche Werkstoffkennwerte können aus dem Zugversuch ermittelt werden? Emodul E- 0,2% Dehngrenze Rp0,2- Zugfestigkeit RmBruchdehnung A- Brucheinschnürung Z
• Für die Bestimmung welcher Kennwerte brauchen Sie eine genaue Dehnungsmessung an der Probe während des Versuches (Feindehnungsmessung)? E (trotz Feindehnungsmessung häufig fehlerbehaftet) Rp0,2
• Begründen Sie die unterschiedliche Kaltverformbarkeit von Metallen mit verschiedenen Gitterstrukturen anhand des Mechanismus der plastischen Verformung Der wesentliche innere Mechanismus der plastischen Verformung von Metallen ist die Abgleitung auf Gleitebenen durch Versetzungsbewegung. Die plastische Verformbarkeit ist umso besser, je höher die Zahl der Gleitsysteme in einer Gitterstruktur ist.- hdp 3-1-3  ( Systeme, Ebenen, Richtungen) - schlecht kaltverformbar- kfz 12-4-3 - sehr gut kaltverformbar- krz 12-6-2 - gut kaltverformbar, aber höherer Aufwand
• Ein weiches Alublech wird kaltgewalzt. Welche Gefügeänderungen treten durch das Kaltwalzen auf? Wie ändern sich die mechanischen Eigenschaften? Starke Erhöhung der Versetzungsdichte durch Versetzungsmultiplikation, Kornstreckung, Texturb) Kaltverfestigung: Erhöhung der 0,2% Dehngrenze Rp0,2 und der Zugfestigkeit Rm, Abnahme von Duktilität und Zähigkeit. Bruchdehnung A und Kerbschlagarbeit KV sinken, Anisotropie der mechanischen Eigenschaften
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• Begründen Sie anhand des mikroskopischen Mechanismus der plastischen Verformung, warum die Festigkeit in Metallen durch Gitterdefekte erhöht werden kann. Nennen Sie drei Mechanismen zur Festigkeitssteigerung durch Gitterdefekte (Name und Anwendungsbeispiel) Der wesentliche mikroskopische Mechanismus der plastischen Verformung ist die Bewegung von Versetzungen auf Gleitsystemen aufgrund der wirkenden Schubspannung. Durch Gitterdefekte wird die Beweglichkeit der Versetzungen behindert, es ist eine erhöhte Schubspannung erforderlich, d.h. plastische Verformung tritt erst bei höheren Spannungen auf, die Festigkeit wird erhöht Korngrenzenverfestigung (Feinkorn), z.B. Kornfeinung bei GusswerkstoffenMischkristallverfestigung, z.B. AlMg_legierungenTeilchenverfestigung, z.B. Aushärten von Aluminiumlegierungen
• Warum haben feinkörnige Gefüge höhere Festigkeiten als grobkörnige? Nennen Sie Möglichkeiten zur Kornfeinung Gleitebenen sind durch Korngrenzen unterbrochen, d.h. der Laufweg für Versetzungen ist kurz. Durch Spannungsüberhöhung müssen erst neue Versetzungen in Nachbarkörnern generiert werden. - höhere Festigkeit. Kornfeinung durch Kornfeinungsmittel beim Abguss, geeignete Wärmebehandlungsverfahren (Normalisieren), thermomechanische Verfahren und Korngrenzenstabilisierung durch Legierungselemente
• Warum sind Sprödbruch und Ermüdungsbruch viel kritischer als ein Verformungsbruch? Der Verformungsbruch folgt einer plastischen Verformung, d.h. bei einer Überbelastung ist zunächst eine Bauteilverformung erkennbar, bevor der Bruch erfolgt. Der Sprödbruch kündigt sich im Gegensatz dazu nicht vorher an, beim Ermüdungsbruch ist das Erkennen der Bauteilschädigung oft schwierig. Derm Verformungsbruch geht außerdem ein Enerieabbau durch plastische Verformung voraus, das ist beim Sprödbruch und beim Ermüdungsbruch nicht oder nur sehr eingeschränkt der Fall.
• Erläutern Sie den Versagensablauf beim Ermüdungsbruch Drei Phasen 1) Rissbildung, z.b. an kleinen Fehlern im Gefüge (Einschluss usw)2) langsames Risswachstuim3) Restgewaltbruch
• Welche Bedeutung hat der Verlauf der Spannungs-Dehnungskurve für die Eignung eines Werkstoffs für ein Crash-Element im Pkw? Im Crashfall ist Energieabbau wichtig. Die kinetische Energie des Fahrzeugs muss möglichst weit abgebaut werden, um die Insassen zu schützen.Das Integral unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve ist die spezifische Verformungsenergie, Multiplikation mit dem verformten Volumen ergibt den umgesetzten Energiebetrag,.
• a) Wie unterscheiden sich die Messverfahren bei Brinell-, Vickers- und Rockwellhärtemessung? b) Für welche Werkstoffe sind die Verfahren jeweils geeignet? a) Brinell und Vickers beruhen auf einer Vermessung des Eindruckquerschnitts. Materialien und Geometrien der Eindringkörper sind unterschiedlich. Brinell: Hartmetallkugel, Vickers: Diamantpyramide. Das Rockwellverfahren beruht auf einer Messung der Eindringtiefe. Der Eindringkörper ist z.B. ein Diamantkegel mit abgerundeter Spitzeb) Brinell nicht geeignet für besonders harte Werkstoffe ( Kugel plattet ab), schwierig bei Blechen, ausreichende Dicke muss gegeben seinVickers - eignet sich für weiche und auch harte Werkstoffe- erlaubt auch kleine Prüfkräfte (wegen der Pyramide) - also auch einsetzbar bei Oberflächenschichten, Dünnen Teilen, HärteverlaufRockwell- nicht für weiche Werkstoffe oder dünne Stähle- besonders für Härten und Vergüten von Stählen
• Was sagt der Werkstoffkennwert Kerbschlagarbeit über einen Werkstoff aus? Zähigkeit / Sprödigkeit
• Wie führt man einen Ermüdungsversuch durch? Welche Aussagekraft hat ein einzelner Ermüdungsversuch? Zyklische Belastung, üblicherweise mit konstanter Mittelspannung und konstanter Spannungsamplitude bis zum Bruch der Probe. Die Aussagekraft eines einzelnen Versuches ist relativ gering: die Lebensdauern streuen zum Teil erheblich, der Wert ist nicht direkt konstruktiv verwendbar. Üblicherweise wird eine Vielzahl von Versuchen durchgeführt, die Ergebnisse werden als Wöhlerkurve aufgetragen
• Was versteht man unter Wöhlerkurve Auftragung der Ergebnisse (Wertepaare Spannungsamplitude und Lebensdauer) aus einer Vielzahl von Ermüdungsversuchen an einem Werkstoff. Üblicherweise Auftragung der Spannungsamplitude über dem Logarithmus der Lebensdauer. Die Wöhlerkurve wird als Mittelwertskurve bestimmt.
• Erklären Sie den Begriff Dauerfestigkeit! Die Dauerfestigkeit ist die Spannungsamplitude, die bei einer Wechselbeanspruchung für eine gegebene Mittelspannung bis zur Grenzlastspielzahl ertragen wird. Die Grenzlastspielzahl ist abhängig von der Form der Wöhlerkurve, bei Stählen üblicherweise 10 hoch 7, bei anderen Metallen 10 hoch 8
• Unter welchen Bedingungen kann die Rissfortschrittskurve eines Werkstoffs für den Konstrukteur relevant sein? Wenn unter Sicherheitsaspekten bei der Dimensionierung eines Bauteils vorhandene Anrisse oder Werkstofffehler berücksichtigt werden müssen, sind Rissfortschrittskurven relevabnt. Beispiel Flugzeug: Ein Riss darf nicht zwischen zwei Inspektionsintervallen überkritisch wachsen.
• Erklären Sie, warum die Diffusionskoeffizienten in unterschiedlichen Diffusionspaarungen unterschiedlich sind und unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten haben. Der Diffusionskoeffizient beruht auf der Platzwechselwahrscheinlichkeit von Atomen im Gitter. Dafür spielen vor allem folgende Parameter eine Rolle: Art der Fremdatome (Substitution / interstitiell) und Größenverhältnis von Matrixatomen und Fremdatomen.Die Temperaturabhängigkeit ergibt sich durch die Aktivierungsenergie, diese hängt davon ab, ob Leerstellen für die Diffusion erforderlich sind (bei Substitutionsatomen ja, bei interstitiellen nein) und mit welcher Wahrscheinlichkeit aufgrund der geometrischen Randbedingungender Wechsel eines Atoms auf eine Nachbarposition erfolgen kann.
• Erläutern Sie den Unterschied zwischen Erholung und Rekristallisation Beide Prozesse laufen ab, wenn kaltverformte Metalle höheren Temperaturen ausgesetzt werden. Im niedrigeren Temperaturbereich findet Erholung statt: Umlagerung von Versetzungen, teilweises Auslöschen von Versetzungen, Bildung von Kleinwinkelkorngrenzen. Die Körner bleiben erhalten. Im höheren Temperaturbereich Rekristallisation: komplette Neubildung eines versetzungsfreien Gefüges durch Keimbildung und Kornwachstum. Bei der Rekristallisation wird der Werkstoffzustand weich wieder erreicht.
• Welche Bedingungen müssen Sie beachten, damit Sie bei der Rekristallisation keine zu grobkörnigen Gefüge bekommen`? Kritisch sind zu niederige Verformungsgrade, insbesondere bei hohen Rekristallisationstemperaturen. Ebenfalls kritisch sind sehr hohe Verformunsggrade in Verbindung mit hohen Rekristallisationstemperaturen (sekundäre Rekr.) Zu lange Glühdauern müssen vermieden werden, sonst tritt Kornwachstum auf.
• Warum zeigt Blei bei Raumtemperatur unter Belastung eine Kriechverformung, Kupfer aber nicht? Kriechen tritt oberhalb einer Temperatur von etwa 0,3-0,4 der Schmelztemperatur in K auf. Blei befindet sich bei Raumtemperatur wegen des niedrigen Schmelzpunktes oberhalb dieser Schwelle, Kupfer nicht.
• Beschreiben Sie die Versuchsmethodik zur Charakterisierung des Kriechverhaltens eines Werkstoffs. Welche Werkstoffkennwerte benutzt man zur Dimensionierung von kriechbeanspruchten Bauteilen? Bei Kriechversuchen wird eine Probe bei erhöhter, konstanter Temperatur mit einer konstanten Belastung beaufschlagt. Dabei wird kontinuierlich die Probenverlängerung als Funktion der Zeit gemessen. Kriechbeanspruchte Bauteile werden mit den Werkstoffkennwerten Zietstandfestigkeit (bei Dimensionierung gegen Versagen) oder Zeitdehngrenzen (bei Dimensionierung gegen unzulässige Verformung) ausgelegt
• a) Was versteht man unter einem Mischkristall? b) hat reines Metall oder ein Mk auf Basis dieses Metalls höhere Festigkeitswerte? c) Warum? a) Ein Mischkristall enthält Fremdatome in fester Lösung in seiner Matrixgitterstruktur, entweder auf Gitterplätzen oder in Gitterlückenb) Mischkristall hat höhere Festigkeitswertec) Mischkristallhärtung: die Gleitebenen werden durch die Fremdatome verzerrt, also wellig. Dadurch ist ein höherer Kraftaufwand für die Versetzungsbewegung erforderlich
• a) Was versteht man unter intermediären Verbindungen? b) Nennen Sie ein Beispiel c) Vergleichen Sie qualitativ die mechanischen Eigenschaften von intermediären Verbindungen mit denen von reinen Metallen a) Verbindungen zwischen Metallen und Metallen oder Metallen und Nicht-Metallen mit einem Bindungscharakter zwischen metallischer Bindung und Ionen- bzw. kovalenter Bindung. Festes Mengenverhältnis A:B, oft komplexe Elementarzelleb) Fe3C Zementitc) Intermediäre Verbindungen sind meist fest, hart und spröde. Im Gegensatz zu reinen Metallen(weich, duktil) ist meist keine Möglichkeit für eine Versetzungsbewegung vorhanden.
• Wie wird Roheisen hergestellt? Wie wird aus Roheisen Stahl hergestellt? a) Hochofenprozess: thermische Reduktion con Eisenerzen durch Koksb) Frischen von Roheisen zum Abbrennen von Kohlenstoff und Verunreinigungen + Sekundärmetallurgie oder Elektrostahlverfahren
• a) Was versteht man unter Perlit? b) Erklären Sie den Entstehungsmechanismus von Perlit a) Perlit ist ein feinlamellar aufgebauter Gefügebestandteil aus Ferrit und Zementitb) Perlit entsteht bei der Abkühlung von Kohlenstoffstählen im eutektoiden Punkt. Austenit (0,8%C) wandelt sich zu Ferrit (kohlenstofffrei) und Zementit (Fe3C 6,67%C) um. Dafür ist C-Diffusion erforderlich. Die Umwandlung läuft so ab, dass Ferrit- und Zementitlamellen parallel in das ehemalige Austenitkorn hineinwachsen, in der Umwandlungsfront diffunfiert C. Voraussetzung für die Perlitbildung ist , dass die Abkühlung nicht zu rasch erfolgt. Wenn der Diffusionsprozess unterdrückt wird, entsteht Martensit oder Bainit

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