NTB MAB-2 Werkstofftechnik
Werkstofftechnik Maschinenbau 2 MAB 2 NTB Kunststoffe Poly-1 und Poly-2 und Metalle Met-3, Met-4 sämtliche relevanten Fragen aus Werkstoff-Praktikas Als Vorbereitung für mündliche Modulprüfung
Werkstofftechnik Maschinenbau 2 MAB 2 NTB Kunststoffe Poly-1 und Poly-2 und Metalle Met-3, Met-4 sämtliche relevanten Fragen aus Werkstoff-Praktikas Als Vorbereitung für mündliche Modulprüfung
Was versteht mann unter einer „Z-Stapel-Aufnahme“?
Erweiterte Tiefenschärfe durch elektronische Bildverarbeitung
Bei diesem Verfahren setzt man ein Bild aus den „scharfen“ Bereichen mehrerer Bilder zusammen. Hierzu schiebt man Probe oder Optik so relativ zueinander, dass die interessierenden Probenstellen durch die Schärfeebene des Objektivs hindurchgeschoben werden. Die Verschiebungsrichtung ist senkrecht zur Schärfeebene und die übereinandergestapelten Bilder enthalten die Kontraste eines in z-Richtung ausgedehnten Objekts, deshalb bezeichnet man die Technik auch als „Z-Stapel- Aufnahme“.
Welche Zusammmensetzung hat ein Korn in einem Mikrogefüge typischerweise?
Dabei ist ein Korn typischerweise von homogener chemischer Zusammensetzung und Struktur und besitzt dementsprechend einheitliche physikalische und chemische Eigenschaften; man sagt dann der betreffende Werkstoffbereich sei einphasig.
Bei der Herstellung eines Werkstoffs können einphasige Gefüge entstehen – alle Körner besitzen dann dieselbe Zusammensetzung und Struktur. Möglich ist aber auch, dass Körner mit unterschiedlichen Zusammensetzungen miteinander verwachsen und ein „heterogenes“ Gefüge aus mehreren Phasen bilden.
Aus welchen Eisenphasen bestehen Eisen Kohlestoffe?
Neben den einphasigen Bereichen
Ferrit (-Mischkristall), Austenit (-Mischkristall) ist vor allem die intermetallische Phase Zementit (Fe3C) von Bedeutung. Daneben gibt es:
- Perlit (schimmert perlenartig, Gefüge aus Ferrit und Zementit)
Wie lässt sich die Festigkeit von Eisen-Metallen abschätzen?
Die Festigkeit eines Gefüges, welches aus unterschiedlich festen Gefügebestandteilen besteht lässt sich bei Kenntnis der Menge und der Festigkeit der einzelnen Gefügebestandteile abschätzen
Bsp:
Die Abschätzung der Festigkeit dieses Baustahls:
0,8 x 250 N/mm2 = 200 N/mm2 ( = Festigkeit der Ferrit-Gefügeanteile)
0,2 x 900 N/mm2 = 180 N/mm2 ( = Festigkeit der Perlit-Gefügeanteile)
Total: 380 N/mm2 ( = Festigkeit der Probe gemäss Foto).
Wie lautet die Faustformel für die Berechnung der "nicht leeren" Gesammtvergrösserung eines Mikroskope?
Man sagt, dass die sinnvolle „nicht-leere“ Gesamtvergrösserung M etwa das 500 ... 1000 fache des Zahlenwerts der Numerischen Apertur NA beträgt.
Wie kann mit polarisiertem Auflicht festgestellt werden ob es sich um isotropes oder anisotropes Material handelt?
je nachdem unter welchem Winkel das linear polarisierte Licht auf dieses Material auftrifft, wird es unterschiedliche stark reflektiert. Ändert sich die Helligkeit einer Probenstelle bei Drehung der Probe um die Richtung des einfallenden Lichtstrahls, dann liegt ein optisch anisotropes Material vor. Ursache für dieses Verhalten kann eine von Haus aus niedrige Symmetrie (= nicht kubischer Kristall oder amorphes Material) sein oder eine durch äussere Einflüsse (Druck, Deformation) verursachte richtungsabhängige Änderung des Reflexionsvermögens sein.
Mit welcher lichmikroskopischen Methode lassen sich Kratzer und Höhenunterschiede abbilden? Auf welchem Prinzip beruht die Methode?
Abbildung mit Differential-Interenzkontrast
Hat einer der Strahlen einen weiteren Weg zurückgelegt, verursacht dies eine Phasenverschiebung, die nach dem Durchlaufen eines zweiten zirkular-Polarisators in einen Helligkeitsunterschied „umgewandelt“ wird
Mit den unterschiedlichen Farbtönen lässt sich in der Abbildung 5 eine Art „Höhenprofil“ in der Probe erkennen. Kratzer lassen sich im hellen Bildteil gut erkennen. Auch besitzt diese Gefügestruktur gegenüber dem dunkleren Bildteil eine feinere Oberfläche.
Wie kann die Zusammensetzung eines Werkstoffes mit Hilfe des Lichtmikroskope ermittelt werden?
Mit Hilfe von Bildanalysefunktion kann die Zusammensetzung ermittelt werden. Daraus lassen sich Werkstoffeigenschaften abschätzen.
in welchen Formen kann sich der Kohlenstoff im Eisengitter befinden?
- gelöst im Eisengitter (auf Zwischengitterplätzen des „Austenits“, „Ferrits“ oder „Martensits“)
• ausgeschieden als elementarer Kohlenstoff („Graphit“)
• ausgeschieden als Karbid („Zementit“ Fe3C)
Welche Phasen im Eisen-Kohlenstoff-System auftretten hängt von was ab?
Welche Phasen auftreten, hängt vom Kohlenstoffgehalt und der Abkühlgeschwindigkeit ab.
Welche Bestandteile oder Prozesse führen zur Bildung von Graphit?
Langsame Abkühlung und die Anwesenheit von „Graphitstabilisierern“ (Si, Al, Ti, Ni) führt zur Bildung von Graphit.
Was versteht man unter Austenitisieren?
Bei Stählen geschieht dies durch ein Glühen im γ - Gebiet, in dem man das bei Raumtemperatur vorliegende (heterogene) Gefüge aus Ferrit und Zementit in den homogenen Zustand des γ -Mischkristalls (Austenit) überführt. Dieser Glühprozess wird als „Austenitisieren“ bezeichnet. Bei der Glühtemperatur löst sich der Zementit Fe3C auf und es geht nach und nach der gesamte in der Probe vorhandene Kohlenstoff „in Lösung“, d.h. die Kohlenstoffatome besetzen einen Teil der Oktaederlücken im kubisch flächenzentrierten Austenit- Gitter.
Was beschreibt ein ZTU Diagramm?
Unterschiedliche Gefügeentwicklungen können im Phasendiagramm nicht dargestellt
werden. Es gibt dafür eine eigene Darstellung in Form der sogenannten Zeit-Temperatur-
Umwandlungs-Schaubilder (= ZTU-Diagramme; engl: TTT diagrams = Time-Temperature-
Transformation diagrams). Man verwendet diese ZTU-Diagramme, um die Umwandlung
austenitisierter Stähle in ihre Zerfallsprodukte zu beschreiben und vorhersagen zu können.
Wehalb ist Restaustenit für viele Anwendungen unerwünscht?
Restaustenit ist für viele Anwendungen unerwünscht, da er „nachträglich“ bei Temperaturänderung oder unter mechanischer Beanspruchung in Martensit umwandeln kann. Findet diese Umwandlung und die daraus folgende Volumenzunahme z.B. infolge Hertz´scher Pressung knapp unterhalb der Werkstück-Oberfläche statt, dann können die oberflächennahen Bereiche unter Zugspannung gesetzt und Mikrorisse bilden.
Was versteht man unter „Restaustenit.-Stähle RA-K“,
Mittlerweile gibt es sogenannte „Restaustenit.-Stähle RA-K“, welche die nachträgliche Umwandlung des Restaustenits ausnutzen. Das Gefüge dieser Stähle besteht aus einer ferritisch/bainitischen Matrix mit eingelagertem Restaustenit. Dieser wandelt sich bei einer Umformung in Martensit um („TRIP-Effekt“), was bei guter Dehnbarkeit zu einer Erhöhung der Festigkeit führt. Anwendung finden diese Stähle z.B. bei Karosserieverstärkungen und Crashboxen, bei denen das erhöhte Energieabsorptionsvermögen ausgenutzt wird.
Die Abkühlungsgeschwindigkeit und der Kohlenstoffgehalt bestimmen, ob eine Martensit-Umwandlung stattfinden kann. Welche konsequenz hat dies für dicke Bauteile?
Dort wo die Abkühlungsgeschwindigkeit klein oder sogar zu klein wird, wird die martensitische Umwandlung nicht mehr vollständig oder überhaupt nicht mehr vollzogen. Eine vollständige Durchhärtung ist nur bei kleinen Probendurchmessern gewährleistet. Hier wird die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit zur Martensit-Bildung auch im Innern der Probe erreicht. Die Martensit-Umwandlung findet nur innerhalb eines Fensters der
"kritischen Abkühlgeschwindigkeit"
Wie wirk sich die Martensitbildung auf das Volumen aus?
Mit der Martensitbildung ist eine Volumenänderung der Probe verbunden (ca. 1 %) Gehärtete Stähle besitzen daher neben den thermischen Eigenspannungen auch Mikroeigenspannungen unterschiedlichsten Vorzeichens, da die Umwandlungen in verschiedenen Zeitpunkten durchlaufen
werden. Besonders die nicht durchgehärteten Stahlstücke zeigen an der Randzone starke Zug- und im Kern starke Druckspannungen, welche zu Härterissen führen können.
Wie hängen Abkühlgeschwindigkeit und Härte zusammen? Welche Gefüge entstehen bei welcher Tiefe?
• Bei schneller Abkühlung (Messstellen 1 und 2) geht aller Austenit direkt in Martensit über.
• In etwas grösserem Abstand von der Stirnfläche (Messstellen 3 und 4) ergeben sich
martensitisch / bainitische Gefüge.
• In grösserer Tiefe (Messstelle 5) ist die Abkühlungsgeschwindigkeit derart gering geworden, so
dass sich auch Ferrit und Perlit bilden kann.
• In noch grösserer Tiefe werden nur noch Ferrit und Perlit gebildet werden
Welche Folgen kann Restaustenit bei thermisch Belasteten Bauteilen haben?
Bei thermischer Belastung kann es im Betriebe des Bauteils zur „Nachumwandlung“ von Austenit zu Martensit kommen. Die damit verbundene Volumenänderung ist bei masskritischen Bauteilen oft nicht akzeptabel. Zudem entstehen hohe Spannungen im Material, wodurch es zu Mikrorissen kommen kann.
Beispiel: Bremsscheibe
Wie heissen die beiden Werkstoffdatenbanken welche im Kurs verwendet wurden.
In den Datenbanken „StahlWissen NaviMat“ und „WIAM Metall-Info“ wurden verschiedene Angaben zu den Werkstoffen gesucht.
Erklären die Glasübergangstemperatur
- Formelbuchstabe / Kurzkennzeichnung
- Übergang von was zu was?
- Änderung auf Atomarer Ebene?
die Glasübergangstemperatur Tg, auch Erweichungstemperatur genannt: Phasen- übergang vom hart-elastisch/spröden zum weich-elastisch/ zäh/schlagdämpfenden Zustand; Kettenglieder von etwa 50 C-Atomen erhalten nach dem Überschreiten des Tg eine gewisse Beweglichkeit
Erkläre die Schmelztemperatur
- Formelzeichen / Kurzkennzeichnung
- Übergang von was zu was?
- Änderung auf atomarer Ebene?
die Schmelzetemperatur Tm: Aufschmelzen von Kristalliten in teilkristallinen Polymeren. Der Schmelzebereich ist umso schmaler, je grösser die Molmasse, je homogener die Verteilung und je höher der kristalline Anteil und je perfekter die Kristalle sind.
Wie verhält sich der Schmelzbereich gegenüber der
- Molmasse
- Homogenität
- Kristalinität
die Schmelzetemperatur Tm: Aufschmelzen von Kristalliten in teilkristallinen Polymeren. Der Schmelzebereich ist umso schmaler, je grösser die Molmasse, je homogener die Verteilung und je höher der kristalline Anteil und je perfekter die Kristalle sind.
Wie ist die Fliesstemperatur definiert?
die Fliesstemperatur Tf: Phasenübergang von quasi fest zu flüssig. Bei teilkristallinen Kunststoffen fällt diese Temperatur mit der Schmelzetemperatur zusammen. Bei amorphen Kunststoffen ohne Tm gilt ungefähr für T in Kelvin [K]: Tf Tg 1.25. Oberhalb von Tf fällt die Viskosität der flüssigen Schmelze exponentiell ab.
Wie verhält sich die Fliesstemperatur bei amorphen Kunstoffen
Bei amorphen Kunststoffen ohne Tm gilt ungefähr für T in Kelvin [K]: Tf ~= Tg * 1.25.
Oberhalb von Tf fällt die Viskosität der flüssigen Schmelze exponentiell ab.
Wie verhält sich die Fliesstemperatur bei teilkristallinen Kunstoffen?
Bei teilkristallinen Kunststoffen fällt diese Temperatur mit der Schmelzetemperatur zusammen.
die Fliesstemperatur Tf: Phasenübergang von quasi fest zu flüssig.
Erklären Sie die Zersetzungstemperatur
- Formelbuchstaben / Kurzkennzeichnung ?
- Was passiert auf der Molekularebene ?
- Wie verhält sich der Siedepunkt ?
die Zersetzungstemperatur Tz: Beginn irreversibler Zersetzung; dabei werden bereits die Hauptbindungen gebrochen. Einen Siedepunkt bzw. den Gaszustand kennt man bei Polymeren nicht, da diese sich vor einer Verflüchtigung thermisch zersetzen (pyrolysieren)
Welche beiden Funktionsprinzipen für ein DSC gibt es?
Erkläre die Funktion beider Systeme
DWDK = Wärmestrom Differnezkalorimetrie
Probe und Referenzkegel werden gleiche Werbmestrommengen zugeführt. Die Temperatur wird an Probe und Referenz erfasst. Aus der Differenz der beiden Temperaturen \(\Delta T\) resultiert die Wärmestromänderung \(\Delta \dot{Q}\). Enthält Probe bspw. Eis bleibt dessen Temperatur während des Schmelzvorganges konstant.
DLDK Leistungs- Differenzkalometrie
Probe- und Referenztigel werden in zwei separaten Öffen geheizt. Die Differenz-Temperaturen \(\Delta T\) wird durch verstärktes Heizen idealerweise auf Null ausgeglichen. Die Differenz-Heizleistung \(\Delta P\) entspricht der der Wärmestromänderung.
Im Praktika wurde eine Gerät verwendet das beide Verfahren kombiniert verwendet. Für eine erhöhte Empfindlichkeit.
DSC
Wie verhält sich die Enthalpie und der Wärmestrom bei einem endothermen Prozess?
Bei endothermen Prozessen (H positiv) wird der Wärmestrom Q positiv; positive Werte sind aber auf der y-Achse nach unten angeordnet!
Zeichne eine Kurve für den Glasübergang und trage alle relevanten Punkte ein.
erkläre die Parameter beim schmelzen von teilkristallinen Kunstoffen.
siehe Bild
Wie verhalten sich die Lammellenverteilung in Sphäroliten beim shcmeldzen?
Die Schmelzkurve charakterisiert die Lamellendickenverteilung in den Sphäroliten; kleinere Lamellen schmelzen bei tieferer Temperatur als grössere. Bei Tfm sind alle Kristallite aufgeschmolzen! Abb. N-9 zeigt den Sachverhalt schematisch.
Details betr. Sphärolithbildung siehe Kap. 2.3.
Wie viele Stufen gibt es bei der Kristallisation von Polymeren. Wie heissen die Stufen?
Eine Kristallisation von Polymeren verläuft in den bekannten zwei Stufen: Keimbildung und Kristallwachstum.
Wie hängen Kristallisationsgeschwindigkeit und die Temperatur zusammen?
Die Kristallisationsgeschwindigkeit hängt wesentlich von der Temperatur ab. Abnehmende Temperatur begünstigt die Keimbildung. Gleichzeitig steigt aber die Viskosität der Schmelze an und die Beweglichkeit der Moleküle sinkt, sodass ihre Diffusion zur Wachstumsstelle behindert wird.
Wie kann die Kristallisation nach dem aufschmelzen unterdrückt werden?
Mit einem schnellen Abkühlen (Abschrecken) kann die Kristallisation unterdrückt werden. Man erhält so den unterkühlten Zustand. Ein nachträgliches Erwärmen (Tempern) führt zu einer Nachkristallisation, wobei sich viele Eigenschaften ändern. PE zum Beispiel kristallisiert so rasch, dass man diesen Werkstoff kaum unterkühlen kann, PET hingegen so langsam, dass man Keimbildner wie TiO2 oder Talk zusetzen muss, um zum kristallinen Zustand zu gelangen
Was sind Sphärolite?
Sphärolite sind feste kristallinen Bereichen, einer Art Überstruktur der Makromoleküle. Innerhalb der Sphärolite sind die Makromoleküle lamellenartig gefaltet (siehe Abb. N-11) oder als Fransen gebündelt. Die Sphärolithe wachsen aus der Schmelze radial aus den Kristallisations-Keimen heraus, bis sie mit anderen Sphärolithen zusammenstossen.
Weshalb sind Sphärolite unter dem Polarisationsmikroskope sichtbar?
Kristalline Sphärolite haben einen vom amorphen Anteil verschiedenen Brechnungsindex n.
Charakteristisch ist daher die meist trübe bis undurchsichtige Erscheinung teilkristalliner Kunststoffe. Amorphe und ungefüllte Kunststoffe sind immer glasklar.
Welche Eigenschaften verändern sich wenn der Kristallinitätsgrad erhöht wird?
Zunahme:
Dichte
E-Modul
Festigkeit
Härte
Abriebfestigkeit
Wärmeleitfähigkeit
Beständigkeit gegen organische Lösungsmittel
Abnahme:
mechanische Dämpfung
Schlagzähigkeit
Verstreckbarkeit
spez. Volumen
Kompressibilität
thermische Ausdehnung
Permeation von Gasen und Flüssigkeiten
Wie funktioniert Tempern? Was geschieht auf der Molekularebene?
Ein nachträgliches Erwärmen (Tempern) führt zu einer Nachkristallisation, wobei sich viele Eigenschaften ändern.
Erkläre die Begriffe:
- Isotrop
- Anisotrop
Isotrop: Der Brechungsindes für den Strahlengang ist in allen Richtungen gleich gross
Anisotrop: Bei trigonalen, hexagonalen und tetragonalen Kristallen ist nur
noch die Richtung der c-Kristallachse optisch isotrop. In den anderen Raumrichtungen
herrscht Anisotropie.
In rhombischen, monoklinen und triklinen Kristallsystemen (die meisten Kunststoffe kristallisieren ohne grosse Symmetrie) liegt eine völlige Anisotropie vor und der Brechnungsindex n ist in allen Richtungen verschieden gross.
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Flashcards
Wie heissen die beiden Werkstoffdatenbanken welche im Kurs verwendet wurden.
In den Datenbanken „StahlWissen NaviMat“ und „WIAM Metall-Info“ wurden verschiedene Angaben zu den Werkstoffen gesucht.
