Werkstofftechnik (Fach) / Klausur (Lektion)

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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
• 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 Festigkeithohe Härtehoher Schmelzpunkthoher Elastizitätsmodulkleiner thermischer Ausdehnungskoeffizientelektrischer Isolatorchemisch beständighohe Verschleißbeständigkeithohe 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 GefügezustandscharakterisierungMessgrößen 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 FließenErweichung und Erstarrung sind reversibelFestigkeitserhöhung durch Verstrecken der MakromoleküleDuroplaste:auch bei höheren Temperaturen keine plastische Verformbarkeitirreversible Verfestigung (Aushärten) bei der Herstellung (Urformen)höherer Vernetzungsgrad steigert die Festigkeit  Elastomere:   gut verformbar bereits bei geringen Kräften (gummiartig)Verformung reversibelbei 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 Transparenzgute Witterungsbeständigkeitphysiologisch unbedenklichkeine scharfkantigen Bruchflächen und somit Minderung der VerletzungsgefahrNachteile:wird von Alkohol und Benzol sowie Lösungsmitteln angegriffennur kratzfest bei entsprechender Oberflächenbehandlungschlag- 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? Gusseisen mit Kugelgraphit2. 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.
• 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.
• 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. RissausbreitungDruckeigenspannungen 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.
• 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: FeuerverzinkenGalvanisierenPulverbeschichtenPhosphatierenLackieren
• 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: Korrosionsbeständigkeitspezielle elektrische Eigenschaftenspezielle magnetische EigenschaftenDichteTemperatur
• 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.
• 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.
• 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.
• Welche fünf Werkstoffkenngrößen können mit dem Zugversuch ermittelt werden? Elastizitätsmodul E obere StreckgrenzeReH Zugfestigkeit Rm Bruchdehnung A Brucheinschnürung Z
• 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)
• Erläutern sie die folgenden Werkstoffbezeichnungen und geben sie von den Werkstoffen je ein Einsatzgebiet an: 34Cr4 X6Cr13 EN-GJL-350 34Cr4:niedrig legierter Einsatzstahl0,34% Kohlenstoff, 1% Chrom (Faktor4 zur Unterscheidung ähnlicher Stahlsorten)Bsp. Bauteile höherer Beanspruchung, Stangen, Schrauben X6Cr13:hochlegierter Stahl0,06% Kohlenstoff, 13% ChromBsp. korrosionsbeanspruchte Konstruktionen EN-GJL-350:Gusseisen mit LamellengraphitMindestzugfestigkeit 350 N/mm2Bsp. Maschinenbetten, Ständer, Traversen, Rohre, Heizkörper
• Wie lassen sich die Eigenschaften von Gusseisen mit Kugelgraphit verbessern? Durch legieren und wärmebehandeln können die Eigenschaften von Gusseisen mit Kugelgraphit in weiten Grenzen variiert werden. So können zB. durch Zusatz von Legierungselementen die Warmfestigkeit bzw. die Verschweißfestigkeit erhöht werden.
• Beschreiben sie den Vorgang der Diffusion. Gehen sie darauf ein, was die Diffusion im Werkstoff bewirkt. Vorgang Diffusion: Unter Diffusion wird ein Vorgang verstanden, bei dem Atome, Ionen oder niedermolekulare Bestandteile aufgrund thermischer Anregung ihre Gitterplätze wechseln. Die Folge ist ein makroskopischer Massetransport, bei dem Konzentrationsunterschiede im Werkstoff ausgeglichen werden.
• Wann spricht man von einer Selbst- und wann von einer Fremddiffusion? Bei der Selbstdiffusion diffundieren arteigene Atome im Gitter, bei Fremddiffusion diffundieren artfremde Atome.
• Nennen sie mind. 5 Vorteile von Härteprüfungen! relativ einfach schnell durchführbar aus gerätetechnischer Sicht schnell durchführbar geringer Beschädigungsgrad der Werkstoffoberfläche keine Beeinträchtigung der Funktionsweise des Werkstücks bzw. des Bauteils für Qualitätsprüfungen in der Großserienfertigung geeignet unmittelbar in den technologischen Prozess integrierbar.
• Beschreiben sie die Härteprüfung nach Brinell. Gehen sie auf die Definition der Brinell-Härte ein. Bei der Härteprüfung nach Brinell wird eine Hartmetallkugel mit einer genormten Prüfkraft, die senkrecht zur Messobjektoberfläche wirken so, stoßfrei in das Prüfobjekt eingedrückt. Die Prüfkraft ist abhängig vom zu prüfenden Werkstoff und dem gewählten Durchmesser der Eindruckkugel.  Der Eindruckdurchmesser wird aus zwei senkrecht stehenden Prüfdurchmessern ermittelt. Die Brinell-Härte ist definiert als Prüfkraft bezogen auf die Eindruckfläche.
• Nennen sie den wesentlichen Vorteil und den wesentlichen Nachteil der Härteprüfung nach Brinell gegenüber der Härteprüfung von Vickers und Rockwell Vorteil: bei Brinell wird über einen größeren Werkstoffbereich integrierend geprüft, wodurch dieses Härteprüfverfahren auch für inhomogene Werkstoffe geeignet ist.   Nachteil: die Werkstoffbeschädigung, durch den meist großen Durchmesser der Eindruckkugel relativ umfangreich, während die Beschädigung beid er Rockwell und bei der Vickers kleiner sind.  
• Werden die Werkstoffeigenschaften von Keramiken mit denen der Metalle verglichen, ist feststellbar, dass a. manche deutlich besser b. manche wesentlich schlechter sind. Nennen sie jeweils 4 zutreffende Eigenschaften Vorteile Keramik: sehr hohe Härtehohe Festigkeithoher Schmelzpunktsehr hohe Warmfestigkeit bzw. Temperaturbeständigkeithohe Korrosionsbeständigkeitkleiner thermischer Ausdehnungskoeffizienthohe Formstabilität (hohes Elastizitätsmodul)hoher Verschleißwiderstand Nachteile von Keramik im Vgl. zu Metall:kein Gießen möglichkeine Zähigkeitkeine plastische Verformbarkeit möglichgeringe Wärmeleitfähigkeitschlechter elektrischer Leiterschlechte Zerspanbarkeit
• Druckeigenspannungen wirken sich auf die Dauerfestigkeit positiv aus. Durch welche Anwendungen bzw. Verfahren lassen sich die Druckeigenspannungen im Oberflächenbereich eines Werkstückes erhöhen? Nennen sie mind. 3 Beispiele zur Erhöhung der Druckeigenspannungen:   KugelstrahlenOberflächenwalzenOberflächenhärtenNitrieren
• Damit ein fester Atomverband zustande kommt, müssen zwischen Atomen Bindungskräfte wirken. Zu den 4 Grenzfällen der chemischen Bindungen gehört die metallische Bindung. Skizzieren sie die schematische Abbildung der metallischen Bindung und beschrift Atomkern unbesetzte Elektronenschalen freie Elektronen
• Beschreiben sie die Bindungsmechanismen der zuvor dargestellten metallischen Bindung. Streben nach einem stabilen Zustand (Edelgaskonfiguration) liegt vor. Atome geben ihre Valenzelektronen ab und werden zu positiv geladenen Atomrümpfen. Valenzelektronen sind keinen bestimmten Atomen mehr zuzuordnen (freie Elektronen)
• Nennen sie mindestens 3 typische Werkstoffeigenschaften der metallischen Bindung. hohe Schmelztemperatur hohe Festigkeit hohe Härte gute elektrische Leitfähigkeit gute Wärmeleitfähigkeit gute plastische Verformbarkeit leichtes Verdampfen der Elektronen aus der Metalloberfläche
• Die Kristallgittertypen HdP und Kfz weisen eine Packungsdichte von 0,74 auf. Was ist darunter zu verstehen? Definieren sie in diesem Zusammenhang den Begriff Packungsdichte. PD ist definiert als Volumen der Atome je Elementarzelle VA, bezogen auf das Volumen der Elementarzelle VE (kurz PD=VA/VE) Der Wert 0,4 bedeutet, dass kfz- und hdP-Gitter eine Raumfüllung von 74% des Volumens der Elementarzelle haben weisen die dichteste Packung auf.  
• Was ist unter Kriechen zu verstehen und über welchen Zusammenhang gibt die Kriechkurve Aufschluss? Kriechen bezeichnet die zeitabhängige Verformung bei konstanter Last. Die Kriechkurve ist der funktionale Zusammenhang von Dehnung ε und Zeit t
• Skizzieren sie die typische Kriechkurve für Metalle bei angenommener konstanter Temperatur und konstanter Beanspruchung. Markieren und definieren sie die drei Bereiche der Kriechkurve. Treffen sie die Aussagen über die charakteristische Bedeutung des Primärkriechen: Die Verfestigung überwiegend durch Behinderung der Versetzungsbewegung im sich bildenden Versetzungsnetzwerk. Sekundäres Kriechen: Konstante Kriechgeschwindigkeit, gekennzeichnet durch Klettern von Versetzungen und Ausbilden von Kriechporen . Tertiäres Kriechen: Es dominiert das Korngrenzengleiten, die Kriechporen nehmen zu, sodass es zur Mikrorissbildung und letztendlich zum Bruch kommt.
• Wann bzw. ab welcher Temperatur ist mit Kriechvorgängen zu rechnen? Eintreten des Kriechens: Mit Kriechvorgängen ist zu rechnen, wenn die Beanspruchungstemperatur oberhalb der halben Schmelztemperatur liegt.
• Bei den korrosionsbeständigen Stählen lassen sich hauptsächlich 3 Gruppen unterscheiden. - Nennen sie die 3 Gruppen - Was kann aus diesen Gruppen von Stählen hergestellt werden bzw. wo finden sie Anwendung? Ordnen sie jeder Gruppe ein Bsp. zu. Gruppen korrosionsbeständiger Stähle und Bsp. für Produkte/ Einsatzbereiche:   Ferritische Stähle: Küchen, Wasch- und SpülgeräteMartensitische Stähle: Schneidwerkzeuge, Dampfturbinenschaufel und -armaturenAustentische Stähle: Nahrungsmittelindustrie, chemische Industrie, Verfahrenstechnik,  Medizintechnik, Automobilbau
• Bei der Stahlsorte X2CrNiMo17-12-2 handelt es sich um ein austentisches Gefüge. Erläutern sie die Kennzeichnung stichwortartig. Benennen sie dabei auch die Bestandteile. X2CrNiMo17-12-2 X: Symbol für einen hochlegierten Stahl 2: Kohlenstoff-Gehalt beträgt 2*1/100 % = 0,02% Cr und 17: Chrom-Gehalt beträgt 17% Ni und 12: Nickel-Gehalt beträgt 12% Mo und 2: Molybdän beträgt 2%

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