Werkstofftechnik (Fach) / Technik (Lektion)

Technik für die Uni

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• Werkstoffgruppen und Untergruppen? 1. Metalle 2. Nichtmetalle 3. Polymerwerkstoffe 4. Verbundwerkstoffe
• Untergruppen Metalle? 1) Stahl, Eisen 2) Nichteisenmetalle (NE-Metalle)      - Reine Metalle - Schwermetalle (Gold, Silber, Kupfer)                                - Leichtmetalle (Aluminium)      - Metallegierungeln - NE-Metalllegierungen --> Al -Legierungen, CU-Legierungen                                       - Stahl und Gusseisen --> Baustahl, Werkzeugstahl 1. Metalle: z.B. rote (Kupfer), gelbe (Gold),flüssige (Quecksilber)2. Nichtmetalle: z.B. alle Gase3. Halbmetalle: z.B. Bor, Silizium, Arsen
• Untergruppen Nichtmetalle? 1) Halbleiter 2) Nichtmetallisch-anorganische-Werkstoffe (NA-Werk.) --> (Keramik, Glass, Graphit) 3) Hochpolymere Werkstoffe --> Elastomere, Duroplaste. Thermoplaste
• Anorganisch-nichtmetallisch -> Keramiken untergruppen Grobkeramiken (Bausteine, Ziegel, Töpferware) Steinzug, Steingut,Porzellan Kunststoffkohle (Kompaktkohle --> Elektroden) (Kohlefasern --> Verstärkung)
• Polymerwerkstoffe Untergruppen? Natürliche Polymere     - Naturfaser (Baumwolle), Naturharz (Bernstein), Hölzer (Weichholz), Leder Künstliche Polymere     - Thermoplaste (Polyethylen-->Folien, Flaschen), (PVC --> Rohre),(Polyamid --> Gehäuse)     - Duroplaste (Polyurethan --> Dichtungen, Beschläge), (Harze)     - Elastomere (Silikone --> Laminate), 
• Verbundwerkstoffe Untergruppen? Metall/Metall --> Beschichtungen, Schweißen Metall/Anorgan.-nichtmetall --> Kontaktieren (CHips), Beschichten (Glas), Löten (Chips) Metall/Polymer --> Beschichten, Kleben Anorgan.-nichtmetall/Anorgan.-nichtmetall --> Sintern Anorgan.-nichtmetall/Polymer --> GFK, CFK Polymer/Polymer --> Beschichten, Weben
• Strukturwerkstoffe und Funktionswerkstoffe? Strukturwerkstoffe --> Werkstoffe zum Tragen von schweren Lasten, zur Übertragung von        Kräften, Sicherung der Formstabilität Funktionswerkstoffe --> Werkstoffe, die Primär nicht-mechanische Funktionen erfüllen, zum Beisoiel: elektrische Leitungen, thermische Isolation . Funktions und EInsatzzweck stehen im Vordergrund
• Aufgabenbereiche der Werkstofftechnik? Werkstoffmodelllierung Werkstoffentwicklung Werkstofftechnologie Werkstoffprüfung und charakterisierung Werkstoffeinsatz
• Definiere: Rohstoffe, Halbzeuge, Produkte! Rohstoffe: Substanz, die in der Natur vorkommt Halbzeuge: vorgefertigte Rohmaterialformen, wie z.B. Bleche, Rohre Produkt: Ergeniss der Verarbeitung von Rohstoffen
• Definiere: Werkstofftechnik, Werkstofftechnologie, Werkstoffwissenschaft! Werkstofftechnik. Material science engeneering Werkstofftechnologie: Erzeugung der Werkstoffe und ANwendung der Werkstoffe Werkstoffwissenschaft: Aufbau und EIgenschaften der Werkstoffe
• Eigenschaften von Werkstoffe? mechanische elektrische und magnetische chemisch-physiklische Anwendungseigenschaften Verarbeitungstechnische Volkswirtschaftliche und gesellschaftliche Faktoren
• Physikalische Werkstoffeigenschaften elektrische Leitfähigkeit Wärmeleitfähigkeit Magnetismus Schmelztemp.
• Mechanische Werkstoffeigenschaften? Härte DIchte Festigkeit (Zug, Druck) Elastizität Plastizität Steifigkeit
• Tribologische Werkstoffeigenschaften Kalschweißen Reibzahl
• Thermische Werkstoffeigenschaften Wärmeausdehnung Wärmeleitung Warmfestigkeit
• Elektrische Werkstoffeigenschaften Elektrizitätskonstante
• Technologische Werkstoffeigenschaften Gießbarkeit Umformbarkeit Zerpanbarkeit Oberflächengüte Verformbarkeit
• Ökologische Werkstoffeigenschaften Energieverbrauch Giftigkeit Recyklingfähigkeit
• Werkstoffeigenschaften, die bei der Werkzeugauswahl eine Rolle spielen? Mechanische BEständigkeit (Festigkeit, Härte) Chemische Beständigkeit (Säuren, Laugen) physikalische Schranken  & Chancen (Dichte, Schmelzpunkt) magnetische und elektrische Eigenschaften (Halbleiter, Isolatoren, magnete) Verarbeitungtechnische EIgenschaften ( chleifbar, fräsbar) Preisleitungsverhältnis
• Nenne Sie wichtige mechanische Werkstoffeigenschaften. In welchen Bereichen spielen sie jeweils eine Rolle? 1. Steifigkeit (Karosserie, Federn,Membranen)2. Streckgrenze, Zugfestigkeit (Drahtseile, Brückenträger)3. Bruchdehnung (Crash Box)4. Bruchzähigkeit (Flüssiggastanks und-leitungen)5. Bruchfestigkeit ( Keramische Laborgeräte, Hochspannungsisolatoren)6. Härte/Warmhärte (Werkzeuge aller Art)7. Verschleißfestigkeit (Schneidewerkzeuge, Gleitlager, Peltonturbinenschaufel, Autoreife8. Wechselfestigkeit (Antriebswellen, Flugzeugbauteile)9. Warmfestigkeit (Kesselrohre, Hochtemperatur- Turbinenschaufeln)
• Nennen Sie die wichtigsten genormten Prüfungsmethoden (mindestens 8) zur Ermittlung mechanischer Werkstoffeigenschaften. 1. Zugversuch DIN EN 100022. Zugprobe ?3. Zeitstandzugversuch4. Kerbschlagbiegversuch DIN 501155. Härteprüfung6. Dauerschwingversuch7. Verschleißprüfung8. Ultraschallprüfung9. Mechanische Ultraschalprüfung10. Wirbelstromprüfung11. Farbeindringverfahren
• Beschreiben Sie die wichtigsten Merkmale des Zugversuchs nach DIN EN 10002. Was ist beim Zeitstandzugversuch anders? Der Zugversuch ist ein genormtes Standardverfahren der Werkstoffprüfung zum Bestimmung derStreckgrenze , der Zugfestigkeit , der Bruchdehnung und weiterer Werkstoffkennwerte. Er zählt zuden quasistatischen, zerstörenden Prüfverfahren Im Zugversuch werden standardisierte Proben mit definierter Querschnittsfläche bis zum Bruch gedehnt, wobei die Dehnung bzw. der Weg gleichmäßig, stoßfrei und mit einer geringen Geschwindigkeit gesteigert wird.
• Zeitstandszugversuch? Dieses Verfahren untersucht das Deformationsverhalten unter langzeitigerstatischer Zugbelastung.
• Was ist das Ergebnis des Zugversuchs? Wie unterscheiden sich verschiedene Materialien im Zugversuch? Aufschluss über die Umformbarkeit von Werkstoffen gibt das Spannung-Dehnung-Diagramm Werkstoffe mit niedriger Streckgrenze und hoher Dehnung lassen sich gut umformen und federn nurwenig auf. Aluminium und Kupfer dehnen sich sehr stark bevor sie reißen, sind also sehr gut umformbar.
• Wie sind im Zugversuch Spannung und Dehnung definiert? Spannung = Kraft pro Flächeneinheit Dehnung = relativen Längenänderung eines Körpers unter Belastung (Verkürzung oder Verlängerung) Werkstoffe mit niedriger Streckgrenze und hoher Dehnung lassen sich gut umformen und federn nur wenig auf. Das Umformen erfolgt im Bereich zwischen der Streckgrenze R(e) und der Zugfestigkeit R(m) Nicht sicher ob das die Antwort ist...
• Warum sind Zugversuchsproben genormt? Die Norm enthält neben den Vorgaben zur Versuchsdurchführung und Versuchsauswertung auch Definitionen der Werkstoffkenngrößen und Vorschriften zu der zu verwendenden Probengeometrie.
• Erläutern Sie Zweck und Ablauf des Kerbschlagbiegversuchs? Beim Kerbschlagversuch wird eine gekerbte Probe, die in einem Schlagwerk mit den Ende an zweiWiderlagern anliegt, mit dem Pendelhammer schlagartig beansprucht. Die Schlagenergie und derProbenquerschnitt sind so aufeinander abgestimmt, dass die Probe entweder bricht oder durch dieWiederlager gezogen wird. Zweck: Ermittlung der Zähigkeit eines Werkstoffes eingesetzt. --> Je zäher ein Werkstoff ist, desto mehr Energie wird benötigt um die Probe zu zertrennen bzw.umzuformen.
• Beschreiben Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Härteprüfung nach Brinell und Rockwell? Beider Verfahren dienen zur Bestimmung der Härte eines Werkstofs Rockwell ist eine international gebräuchliche Maßeinheit für die Härte technischer Werkstoffe Bei der Härteprüfung nach Brinell wird eine Kugel aus Hartmetall mit einem definiertenDurchmesser und einer bestimmten Prüfkraft in die Probe eingedrückt. Der Durchmesser des entstandenen Kugeleindrucks wird optisch ausgemessen. In anderen Rockwellverfahren werden hingegen Kugeln verwendet.
• Beschreiben Sie die Motivation des Dauerschwingversuchs. Was versteht man unter Wöhlerkurve? Dient zur Ermittlung von Kennwerten für das mechanische Verhalten von Werkstoffen und Werkstücken bei wechselnder Belastung.
• Beschreiben Sie die wesentlichen mechanischen Belastungen von Radsatzwellen von Eisenbahnfahrzeugen. Die Radsatzwelle ist großen Belastungen ausgesetzt. Durch das Gewicht, des Fahrzeuges verbiegtdie Welle wie auf dem Bild unten dargestellt. Die Stellen auf der Unterseite werden auf Druck(Druckbelastung) belastet, die Stellen auf der Oberseite auf Zug (Zugbelastung).Während der Fahrt dreht sich die Radsatzwelle. Somit wird bei jeder Umdrehung eine bestimmte Stelle in der Radsatzwelle einmal auf Zug- und einmal auf Druck belastet. Es entsteht somit eineschwingende Belastung.Außerdem muss die Radsatzwelle auch Kräfte bei einer Kurvenfahrt aufnehmen können sowie dieSchläge bei Fahrten über Weichen.Bei Triebfahrzeugen wird das Drehmoment des Antriebs über die Radsatzwelle auf die Radscheibenübertragen. Dadurch entsteht eine zusätzliche Torsionsbelastung. Diese ist besonders stark beiSchläudervorgängen, bei denen sich die Radscheiben gegeneinander verdrehen können, wenn
• Erläutern Sie die Verschleißmechanismen nach DIN 50320? Adhäsion („Fresserscheinugen), Ausbilden und Trennen von Haftverbindungen an der Grenzfläche(Kaltverschweissung, Fressen) Fresser, Löcher, Kuppen, Schuppen, Materialübertrag Abrasion (Furchung), Oberflächenzerrütung, (Ermüdung) Materialabtrag durch ritzende Beanspruchung Kratzer, Riefen, Mulden, Wellen tribochemische Reaktionen (Passungsrost, Wirkung von Öl-Additiven aufOberflächen) Entstehen von  Reaktionsprodukten durch tribologische Beanspruchung bei chemischen Reaktionen von Grundkörper, Gegenkörper und Zwischen- bzw. Umgebungsmedium Reaktionsprodukte, Schichten, Partikel
• Erläutern Sie die Verschleißarten nach DIN 50320 1. Gleitverschleiß2. Wälzverschleiß3. Stoßverschleiß4. Schwingverschleiß5. Korngleitverschleiß6. Kornwälzverschleiß7. Gleitverschleiß
• Beschreiben Sie die Aufgabe und die Durchführung der Ultraschallprüfung von Bauteilen und Materialproben. Die Ultraschallprüfung ist ein akustisches Verfahren zum Auffinden von Materialfehlern mittelsUltraschall. Sie gehört zu den zerstörungsfreien Prüfmethoden. Dadurch lassen sich Bauteile auch im eingebauten Zustand prüfen, z. B. die Tragelemente eines Flugzeuges. Die Prüfung von Radsatzwellen auf Risse erfolgt durch ein Ultraschallsignal, dass an Rissen reflektiert wird.
• Beschreiben Sie die wesentlichen Elemente des Wierbelstromprüfverfahrens Hauptziel: Detektion und Tiefenbestimmung von rissartigen Schäden in der Schienenfahrkante. Vorgehen ---> Das Wirbelstromprüfverfahren nutzt den Physikalischen Effekt der magnetischenInduktion. Mit dem Prüfsensor wird ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Nähert man den Prüfsensor einem Metallischen Prüfobjekt, so werden in diesem elektrische Wirbelströme induziert. Ein direkter Kontakt zwischen Sensor undPrüfobjekt ist hier nicht notwendig. Bei Auftreten von Inhomogenitäten oder Schädigungen werden die Bahnen des Wirbelstromfeldes verändert.
• Warum sind Verbundwerkstoffe nach schlagartiger Beanspruchung anders zu prüfen als beispielsweise Metallbauteile Verbundwerkstoffe stellen eine Kombination aus Werkstoffen mehrererWerkstoffgruppen dar.... Die elektrische Leitfähigkeit von Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) ist um zwei bisdrei Größenordnungen geringer als die von Metallen.
• Erläutern Sie Zweck und Durchführung des Farbeindringverfahrens nach DIN 54152 Das Eindringverfahren wird zur Anzeige von Rissen, Falten, Poren und Bindefehlern, die zurOberfläche hin offen sind eingesetzt. Dabei dringen geeignete Prüfmittel in die Oberflächenfehler ein. Nach einer Zwischenreinigung der Prüffläche bringt ein Entwickler das in den Fehlern verbliebene stark färbende Eindringmitteldeutlich zur Anzeige.
• Nennen Sie die wichtige elektrische und magnetische Werkstoffeigenschaften. In welchen Bereichen spielen sie jeweils eine Rolle? Leitfähigkeit (Stromkabel, Halbleiter) Spezifischer Widerstand (Messwiderstandsdrähte, Elektrowärmetechnik) Isolationsfähigkeit (Isolatoren in der gesamten Elektrotechnik) Ferroelektrische (Kondensatoren, piezokreamische Sensor- und Aktorelemente) Thermoelektrische Eigenschaften (Thermoelemete) Koerzitivkraft, Remanenz (Dauermagnete) Form der Hystereskurve (Trafobleche, Schaltelemte) Optische Eigenschaften (optische Geräte, Sonnenschutzgläser, Fahrzeugverglasungen)
• Nennen Sie wichtige physikalische bzw. chemische Werkstoffeigenschaften. In welchen Bereichen spielen sie jeweils eine Rolle? – Schmelzpunkt, Schmelzwärme (Gießen, Löten, Schweißen)– Dichte (Leichtbau)– Thermische Ausdehnung (Stahlhochbau, Bimetalle)– Wärmeleitfähigkeit, Dämmfähigkeit (Wärmetechnik, Kältetechnik, Bauwesen)– Atmosphärische Korrosionsbeständigkeit (Karosserieblech, Fassadenbaustoffe)– Korrosionsbeständigkeit in Lösungen (Rohrleitungen, Chemieanlagen, Meerestechnik)– Oxidationsbeständigkeit (Heizleiter, Triebswerkkomponenten, Walzwerksrollen)– Entflammbarkeit (Kunststoffe, Baustoffe, Fahrzeug- und Flugzeugbau)
• Wie funktioniert ein Bimetallthermometer Bimetallthermometer sind Thermometer, die auf der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zweier miteinander verbundener Metalle (Bimetall) beruhen. Das Bimetall besteht aus zwei fest miteinander verbundenen Metallstreifen, die jeweils einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen . Bei einer Änderung der Temperatur dehnen sich die beiden Metalle unterschiedlich stark aus und bewirken damit eine Krümmung des Bimetalls. Beim Thermometer wird aus der Stärke der Krümmung bzw. des resultierenden Winkels dann übereine Skala die Temperatur abgelesen.
• Nennen Sie wichtige weitere Anwendungseigenschaften der Werkstoffe. In welchem Bereichen spielen sie jeweils eine Rolle? – Nukleare Wirkungsquerschnitte (Kerntechnik)– Oberflächengüte (Belichtungssubstrate, Bleche, Folien, Datenspeicher, Microbauteile)– Biokompatibilität (Implantate, Herzschrittmacher, chirurg. Instr., Lebensmitteltechnologie)– Kompostierbarkeit (Verpackungen)
• Nennen und diskutieren Sie wichtige gesellschaftliche und volkswirtschaftliche Faktoren des Werkstoffeinsatzes. – Rohstoffverfügbarkeit und -kosten– Wiederverwendbarkeit nach Recycling– Umweltbelastung bei Gebrauch (Giftigkeit) und im Katastrophenfall (Brand)– Standortbindungen (Arbeitsplätze, Infrastruktur)
• Benennen Sie verschiedene heute wichtige Anwendungsbereiche von Werkstoffen. – Korrosions-, Verzunderungs, Verschleißschutz– Leichtbau– Werkstoffe im Maschienenbau– Werkstoffe in der Fertigungstechnik– Werkstoffe im Verkehrswesen (Luft-/Raumfahrt, Automobielbau, Schienenfahrzeugbau,Schiffbau)– Werkstoffe der Elektrotechnik und Elektronik– Werkstoffe der Medizintechnik– Werkstoffe im Bauwesen
• Was ist ein Atom – wie ist es aufgebaut Atome sind Grundbausteine der Materie Ein Atom ist die kleinste Einheit, in die sich Materie mit mechanischen oder chemischen Mitteln zerlegen lässt. Struktureller Aufbau von Werkstoffen: Jedes Element besteht aus einer typischen Atomart. Die Atome der Elemente 1 bis 92 enthalten außer einer Anzahl von Neutronen jeweils 1 bis 92 Protonen (+) und ebenso viele Elektronen (-). Die Protonenzahl dient als Ordnungszahl der Elemente. Die Einteilung der Elemente in Metalle und Nichtmetalle richtet sich nach dem Bindungsverhalten ihrer Atome. Der in einem Teilchensystem herrschende Dualismus zwischen thermisch bedingtem Bewegungszustand und elektronisch bedingtem Bindungszustand führt je nach Bindungsart der Teilchen, der Temperatur und des Drucks zu Aggregatzuständen fest, flüssig oder gasförmig. Hinsichtlich der Ordnung der Teilchen im festen Zustand unterscheidet man kristalline (Gitter-) und amorphe (Netzwerk- und Knäuel-) Strukturen.
• Aufbau der Atome 1 – Atome: Atomkern und Elektronenhülle (Ruthford-/ Bohr-Atommodell, links). – Atomkern: Protonen und Neutronen, Anzahl der Protonen bestimmt Element. – Isotope eines Elementes: Atom gleicher Protonenzahl, aber verschiedener Neutronenzahl. Es gibt nur 19 Reinelemente, für alle anderen (=Mischelemente) kennt man verschiedeneAtomarten in unterschiedlichen Häufigkeiten. – Elektronenhülle: Nur diskrete Energieniveaus = Schalen sind zulässig; n=1,2,... – In jede Schale passen 2n² Elektronen. Die Schalen sind von unten nach oben aufgefüllt. – Atome streben danach, aufgefüllte Schalen zu besitzen, z.B. - Na hat 1 Elektron in 3. Schale: häufig: Na+ – O hat 6 Elektronen in 2. Schale: häufig O²- – Ne hat Komplette 2. Schale: reaktionsträge
• Wodurch werden die Werkstoffeigenschaften allgemein determiniert? Die Werkstoffeigenschaften werden allgemein bestimmt durch die am Aufbau beteiligten Atome und deren Bindungsmechanismen, die geometrische Anordnung dieser Grundbausteine und dieräumliche Anordnung der Bestandteile eines Werkstoffs über das gesamte Volumen des Körpers.
• Charakterisieren Sie den kristallinen Zustand von Materie. Im kristallinen Zustand sind Teilchen in bestimmten Muster räumlich und über größere Bereiche regelmäßig geordnet (Fernordnung) Aufgrund der regelmäßigen Atom-Abstände sind die Bindungen gleichmäßig (müssen jedoch nicht immer gleichmäßig sein). Kristalline Anordnungen werden als Gitter bezeichnet. Auflösung der Bindungen erfolgt bei diskreter Temperatur (Schmelztemperatur). Die kristalline Struktur stellt stabile Teilchenanordnung im festen Zustand dar. Reale Kristalline enthalten eine Vielzahl von Kristallfehlern, ohne dass der Charakter der Fernordnung dabei verloren geht.
• Charakterisieren Sie den amorphen Zustand von Materie. Amorphe Strukturen weisen keine Fernordnung auf. Bei ihnen besteht nur eine strukturelle Nahordnung im Bereich der nächste Nachbaratome. – Aufgrund der unregelmäßigen Atom-Abstände ergeben sich Bindungen unterschiedlicher Intensität, deren Lösung innerhalb eines Temperaturbereiches erfolgt (z.B.Glasübergangstemperatur bei Gas). – Die Entstehung amopher Strukturen wird begünstigt bei hoher Abkühlgeschwindigkeit:Eingeschränkte Beweglichkeit oder ungünstige Geometrie verhindern einen Ordnungsvorgang, – Amorphe Strukturen sind stets instabil metastabil. Eine Strukturänderung im festen Zustand erfolgt nur von amorph zu kristallin, nie umgekehrt.
• Was versteht man unter Flüssigkristallen? In welchen Bereichen werden sie derzeit eingesetzt? Als Flüssigkristall bezeichnet man eine Substanz, die einerseits flüssig ist wie eine Flüssigkeit, andererseits aber auch richtungsabhängige (anistrope) physikalische Eigenschaften aufweist wie ein Kristall. Flüssigkristallbildschirme elektrotropen Gläsern (z.B. auf Knopfdruck blickdichte Glastrennwände
• Was versteht man allgemein unter Bravis-Gittern? – Beschreibt man die Kristallstruktur als 3D-Atomgitter, so gibt es 14 verschiedeneAnordnungsmöglichkeiten (Bravis- Gitter)
• Nennen und Charakterisieren Sie die drei wichtigsten Gittertypen von Metallen. Kann ein und dasselbe Metall verschiedene Gitterstrukturen annehmen? Kubisch raumzentriert (krz). Kugel-Raumfüllung: 68% Bsp.: FE, MO, ß-TI, Cr, V, W ---> ein Atom in der Mitte Kubisch flächenzentriert (kfz). Kugel-Raumfüllung: 74% Bsp.: Al, Cu, Ag, Au, Ni ---> Auf jeder Fläche ein Atom anbringen. Im inneren aber (siehe oben) kein Atom Hexagonale Struktur (hdp) Kugel-Raumfüllung: 74% Bsp.: Mg, Zn, Cd, --->6- Eck und immer 3 zwischen.

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