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Skizzieren Sie qualitativ die charakteristischen Spannungs-Dehnungs-Verläufe für Polystyrol (amorpher Thermoplast) und Polyamid (teilkristalliner Thermoplast) in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm.
Erläutern Sie die Aufgabe von Faser und Matrix in einem Faserverbundwerkstoff. Nennen Sie zudem zwei grundlegende Versagensmöglichkeiten von Faserverbundwerkstoffen, sowie zwei Nachteile gegenüber einem homogenen Werkst
Fasermaterial: Verantwortlich für Festigkeit und Steifigkeit,
Matrixmaterial: Kraftübertragung auf Faser, Isolierung, Korrosionsschutz Versagen durch Faserbruch, Matrixversagen, Lösen der Faser von der Martix(Debonding), Einknickung bei Druckbeanspruchung der Faser
Nachteile: Anisotrope Werkstoffeigenschaften, Recyclingfähigkeit,…
Kolbenboden in einem Ottomotor: Keramikverstärktes Aluminium
Klapptisch in einem Flugzeug: kurzglasfaserverstärkter Thermoplast
Schusssichere Weste: kevlarfaserverstärkter Thermoplast
Holm in einem Segelflugzeug: kohlenstofffaserverstärktes Epoxidharz
Welche Gefüge liegen bei einem TRIP-Stahl im Ausgangszustand vor?
Ferrit, Bainit, (Rest-)Austenit
Welche Gefüge liegen bei einem CP-Stahl im Ausgangszustand vor?
Ferrit, Bainit, Martensit
Was versteht man unter Bake-Hardening-Stählen? Worauf basieren die speziellen Eigenschaften dieser Stähle? Wo werden sie bevorzugt eing
Stähle, die im Ausgangszustand relativ weich sind, aber nach der Formgebung (z.B. durch Tiefziehen) noch eine zusätzliche Festigkeitssteigerung erfahren (z.B. während der Lackeinbrennung) ; dabei diffundieren Kohlenstoffatome an Versetzungen und behindern so die Versetzungsbewegung ; Einsatz bevorzugt in Tiefziehteilen (dort, wo gute Umformbarkeit gefordert ist)
Welches sind die dominierenden Verfestigungsmechanismen bei Stahl, Aluminium-, Titan- und Magnesiumlegierunge
Stahl (z.B. C45) Mischkristallverfestigung
Aluminiumlegierung (z.B. AlCuMg) Ausscheidungshärtung
Titanlegierung (z.B. Ti-6Al-4V) Mischkristallverfestigung
Magnesiumlegierung (z.B. AZ91) Mischkristallverfestigung, Ausscheidungshärtung
Nennen Sie 2 positive und 2 negative Eigenschaften von Aluminium im Vergleich zu Stahl.
Positiv: gute Verformbarkeit, Oxidationsbeständigkeit, geringe Dichte, hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe elektrische Leitfähigkeit, extrudierbar, Be- und Verarbeitbarkeit, hohe spezifische Festigkeit, Folienherstellung, …
Negativ: hoher Preis, teilweise schlecht schweißbar, geringe Festigkeit, geringer E-Modul, schlechte Warmfestigkeit, oft nicht chemisch beständig
Nennen Sie 3 Hauptlegierungselemente von Aluminiumlegierungen sowie deren positiven Einfluss auf die Legierung.
Kupfer (begünstigt die Aushärtbarkeit)
Silizium (verbessert die Gießbarkeit)
Zink (steigert die Festigkeit in Verbindung mit Mg)
Mangan (erhöht die Rekristallisationstemperatur)
Beschreiben Sie die mikrostrukturellen Vorgänge bei der Aushärtungshärtung mit Warmauslagern einer Aluminiumlegierung. Gehen Sie dabei auch auf die Festigkeitssteigerung und die Guinier-Preston-Zonen ein. Was versteht man in diesem Zusammenhang mit dem Begriff „Überhärtung“?
Nennen Sie 2 positive und 2 negative Eigenschaften von Titan im Vergleich zu Stahl.
Positiv: hohe spezifische Festigkeit, gute spezifische Warmfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit, biokompatibel
Negativ: hoher Preis, relativ hohe Dichte, aufwendig spanend zu bearbeiten, relativ schlecht kaltumformbar, nicht gut schweißbar
Beschreiben Sie die allotrope Eigenschaft von Titan.
Umwandlung von hdp-Gitter in krz-Gitter bei ca. 880 °C.
Nennen Sie 2 positive und 2 negative Eigenschaften von Magnesium im Vergleich zu Stahl.
Positiv: geringe Dichte, gute Gießbarkeit, nicht giftig, gute Dämpfungseigenschaften, gute spezifische Festigkeit, einsetzbar in Medizintechnik
Negativ: nicht korrosionsbeständig, brennbar, schlecht kaltverformbar, schlechtes Verhalten bei hohen Temperaturen, niedriger E-Modul
PKW-Felgen werden in der Regel aus Stahl oder Aluminium gefertigt. Vereinzelt sind auch Felgen aus Magnesium und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff im Einsatz. Nennen Sie für die genannten Werkstoffe je einen Vor- und einen Nachteil hinsichtlich des Einsatzes als Felgenwerkstoff.
Stahl: + Festigkeit, Steifigkeit, isotropes Verhalten - hohes Gewicht, korrosionsanfällig
Aluminium: + geringes Gewicht, korrosionsbeständig - geringer E-Modul, geringe Steifigkeit
Magnesium: + geringes Gewicht - schlecht verarbeitbar, geringe Steifigkeit, brennbar
CFK: + geringes Gewicht, hohe Festigkeit, (hohe Steifigkeit) - rissempfindlich, evtl. anfällig gegen Umwelteinflüsse, aufwendige Herstellung
Nennen Sie 2 positive und 2 negative Eigenschaften von Kunststoffen im Vergleich zu Stahl.
Positiv: geringe Dichte, preiswert, gute Dämpfungseigenschaften, elektrischer Isolator, thermischer Isolator, gut formbar, einfärbbar, hohe Dehnungen, säurefest, …
Negativ: geringe Festigkeiten, hohe Temperaturabhängigkeit, schlecht recyclebar, Alterung, schlechte Temperaturbeständigkeit, anfällig gegen organische Lösungsmittel
Bei Kunststoffen kommen meist Additive zum Einsatz. Beispiele sind Treibmittel und Weichmacher. Beschreiben Sie Ziel und Funktionsweise dieser Additive kurz. Nennen Sie 3 weitere Additive (Ziel und Funktionsweise sind für diese nicht notwendig!
Treibmittel: Generierung von Schäumen durch chemische oder physikalische Gasblasenbildung
Weichmacher: Reduzierung der Härte und Steigerung der Zähigkeit durch Zumischen eines weiteren Polymers (Polymerblend) oder eines niedermolekularen Weichmachers
Weitere Additive: Füllstoffe, Initiatoren, Stabilisatoren, Antistatika, Schlichte (Benetzungsmittel), Beschleuniger, Emulgatoren, Farbmittel
Wo liegt bei den 4 Hauptkunststoffgruppen jeweils der Gebrauchsbereich? (Hinweis: verwenden Sie zur genauen Abgrenzung Tz , Tm, Tg )
Amorphe Thermoplaste: Tgebr < T g
Teilkristalline Thermoplaste: Tg < Tgebr < Tm (Tz gilt auch)
Elastomere: T g < Tgebr < Tz
Duroplaste: Tgebr < Tz
Nennen Sie 2 positive und 2 negative Eigenschaften von unidirektional kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen im Vergleich zu Stah
Positiv: Hohe spezifische Festigkeit, hoher spezifischer E-Modul, ...
Negativ: schwierige Bearbeitung, anisotropes Verhalten, hoher Preis, brennbar (C-Fasern), oft schlecht recyclebar, schwierige Berechnung / Konstruktion, aufwendige Herstellung, oft nicht temperaturbeständig, …
Nennen Sie 2 Aufgaben von Fasern beim Einsatz in faserverstärkter Keramik.
Verbesserung der Risszähigkeit der spröden Keramik Übernahme von Zugbelastungen
Welchen Nachteil hat kaltverfestigter Stahl gegenüber einem höherlegierten, nicht kaltverfestigten Stahl gleicher Festigkeit?
Die Umformbarkeit bzw. bruchdehnung ist beim kaltverfestigten Stahl geringer
Welche Vorteile haben Bake-Hardening-Stähle gegenüber konventionellen weichen und konventionellen hochfesten Stählen? Auf welche Vorgängen im Gefüge beruhen diese Vorteile?
Vorteile gegenüber konventionellen weichen stähle: höhere festigkeit im Betrieb
Vortiel gegenüber konventionell hochfeste stähle: geringe Umformbarkeit
Verfestigung: durch wärmebehandlung (während Lackeinbrennung) diffundieren Kohlenstoffatome an versetzungen (=Abschreckalterung)
Ordnen Sie den Gefüge-Zusammensetzungen in untenstehender Tabelle die folgenden Werkstoffe zu: Vergütungsstahl C45, TRIP-Stahl, CP-Stahl, DP-Stahl, PM-Stahl
Was sind Tailored Blanks und weshalb kommen sie zum Einsatz?
Tailored Blanks sind eine Kombination aus flachen Blechen verschiedener DickeAus ihnen lassen sich kostengünstig, festigkeitsoptimierte Bauteile herstellen
Welches Legierungselement ist hauptsächlich für die guten Gießeigenschaften von Aluminium-Gusslegierungen verantwortlich? Wie hoch sollte der Anteil dieses Legierungselements bei Aluminium-Gusswerkstoffen sein?
Silizium (bzw. das damit entstehende Eutektikum) Anteil = 5 – >20 %
Was ist die Voraussetzung für die Ausscheidungshärtbarkeit von Aluminiumlegierungen
Das Vorhandensein von mindestens einem Legierungsbestandteildessen Löslichkeitim Mischkristall mit sinkender Temperaturabnimmt (Segregatslinien
Weshalb lässt sich Magnesium bei Raumtemperatur schlechter umformen als Aluminium?
Magnesium hat eine hexagonale GitterstrukturBei Raumtemperatur sind nicht alle Gleitsysteme aktiv
Nennen Sie 3 Hauptlegierungselemente von Aluminium
z.B. Silizium, Kupfer, Magnesium, Zink, Mangan
Wodurch unterscheidet sich die Kondensationspolymerisation von der Additionspolymerisation als Kettenreaktion?
Bei den Additionspolymerisationen werden im Gegensatz zur Kondensationspolymerisation keine niedermolekularen Bestandteile abgespalten.
Verbundwerkstoffe werden nach ihrem Aufbau in drei Gruppen eingeteilt. Um welche Art von Verbundwerkstoff handelt es sich jeweils bei den folgenden Verbundwerkstoffen: Beton, Sperrholz, CFK?
Beton: Teilchenverbunde Laminat: Schichtverbunde CFK: Faserverbunde
Nennen Sie 2 wesentliche Aufgaben der Matrix bei Faserverbundwerkstoffen.
Räumliche Trennung der Fasern -->Hemmung der Rissausbreitung Einbetten der Fasern mit guter Haftung --> Fixierung der Lage der Fasern, Übertragung der Schubspannungen zwischen den Fasern Schutz der Fasern z.B. chemischen Angriff, mechanische Beschädigung
Skizzieren Sie qualitativ die charakteristischen Spannungs-Dehnungs-Verläufe für Polystyrol (amorpher Thermoplast) und Polyamid (teilkristalliner Thermoplast) in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm.
Welches Gefüge hat der nichtrostende Stahl X10CrNi18-10 und welche charakteristischen Werkstoffeigenschaften zeichnen ihn für den Einsatz in der Automobilindustrie aus?
Gefüge: Austenit
Die bedeutendste Werkstoffgruppe stellen die austenitischen Stähle mit einem deutlich besseren Verhältnis von Festigkeit und Umformbarkeit als alle anderen im Automobilbau verwendeten metallischen Werkstoffe dar. Korrosionsschutz
Was sind Tailored Blanks und weshalb kommen sie zum Einsatz?
Tailored Blanks sind eine Kombination aus flachen Blechen verschiedener Dicke. Aus ihnen lassen sich kostengünstig festigkeitsoptimierte Bauteile herstellen
Wie wird die Festigkeitssteigerung eines Bake-Hardening-Stahls (auf atomarer Ebene) bei einer Lackeinbrennbehandlung erzeugt?
Abschreckalterung durch Kohlenstoff (Stickstoff) diffundiert an Versetzungen.
Was ist die Voraussetzung für die Aushärtbarkeit von Aluminiumlegierungen?
Das Vorhandensein von mindestens einem Legierungsbestandteil dessen Löslichkeit im Mischkristall mit sinkender Temperatur abnimmt. (Segregatslinien)
Erklären Sie kurz den Begriff „Guinier-Preston-Zonen“
G.P. Zonen sind kohärente bzw. teilkohärente Ausscheidungen von Fremdatomen aus dem Mischkristall.
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Welchen Nachteil hat kaltverfestigter Stahl gegenüber einem höherlegierten, nicht kaltverfestigten Stahl gleicher Festigkeit?
Die Umformbarkeit bzw. bruchdehnung ist beim kaltverfestigten Stahl geringer
Welche Vorteile haben Bake-Hardening-Stähle gegenüber konventionellen weichen und konventionellen hochfesten Stählen? Auf welche Vorgängen im Gefüge beruhen diese Vorteile?
Vorteile gegenüber konventionellen weichen stähle: höhere festigkeit im Betrieb
Vortiel gegenüber konventionell hochfeste stähle: geringe Umformbarkeit
Verfestigung: durch wärmebehandlung (während Lackeinbrennung) diffundieren Kohlenstoffatome an versetzungen (=Abschreckalterung)
Ordnen Sie den Gefüge-Zusammensetzungen in untenstehender Tabelle die folgenden Werkstoffe zu: Vergütungsstahl C45, TRIP-Stahl, CP-Stahl, DP-Stahl, PM-Stahl
Was sind Tailored Blanks und weshalb kommen sie zum Einsatz?
Tailored Blanks sind eine Kombination aus flachen Blechen verschiedener DickeAus ihnen lassen sich kostengünstig, festigkeitsoptimierte Bauteile herstellen
Welches Legierungselement ist hauptsächlich für die guten Gießeigenschaften von Aluminium-Gusslegierungen verantwortlich? Wie hoch sollte der Anteil dieses Legierungselements bei Aluminium-Gusswerkstoffen sein?
Silizium (bzw. das damit entstehende Eutektikum) Anteil = 5 – >20 %
Was ist die Voraussetzung für die Ausscheidungshärtbarkeit von Aluminiumlegierungen
Das Vorhandensein von mindestens einem Legierungsbestandteildessen Löslichkeitim Mischkristall mit sinkender Temperaturabnimmt (Segregatslinien
Weshalb lässt sich Magnesium bei Raumtemperatur schlechter umformen als Aluminium?
Magnesium hat eine hexagonale GitterstrukturBei Raumtemperatur sind nicht alle Gleitsysteme aktiv
Nennen Sie 3 Hauptlegierungselemente von Aluminium
z.B. Silizium, Kupfer, Magnesium, Zink, Mangan
Wodurch unterscheidet sich die Kondensationspolymerisation von der Additionspolymerisation als Kettenreaktion?
Bei den Additionspolymerisationen werden im Gegensatz zur Kondensationspolymerisation keine niedermolekularen Bestandteile abgespalten.
Verbundwerkstoffe werden nach ihrem Aufbau in drei Gruppen eingeteilt. Um welche Art von Verbundwerkstoff handelt es sich jeweils bei den folgenden Verbundwerkstoffen: Beton, Sperrholz, CFK?
Beton: Teilchenverbunde Laminat: Schichtverbunde CFK: Faserverbunde
Nennen Sie 2 wesentliche Aufgaben der Matrix bei Faserverbundwerkstoffen.
Räumliche Trennung der Fasern -->Hemmung der Rissausbreitung Einbetten der Fasern mit guter Haftung --> Fixierung der Lage der Fasern, Übertragung der Schubspannungen zwischen den Fasern Schutz der Fasern z.B. chemischen Angriff, mechanische Beschädigung
Skizzieren Sie qualitativ die charakteristischen Spannungs-Dehnungs-Verläufe für Polystyrol (amorpher Thermoplast) und Polyamid (teilkristalliner Thermoplast) in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm.
Welches Gefüge hat der nichtrostende Stahl X10CrNi18-10 und welche charakteristischen Werkstoffeigenschaften zeichnen ihn für den Einsatz in der Automobilindustrie aus?
Gefüge: Austenit
Die bedeutendste Werkstoffgruppe stellen die austenitischen Stähle mit einem deutlich besseren Verhältnis von Festigkeit und Umformbarkeit als alle anderen im Automobilbau verwendeten metallischen Werkstoffe dar. Korrosionsschutz
Was sind Tailored Blanks und weshalb kommen sie zum Einsatz?
Tailored Blanks sind eine Kombination aus flachen Blechen verschiedener Dicke. Aus ihnen lassen sich kostengünstig festigkeitsoptimierte Bauteile herstellen
Wie wird die Festigkeitssteigerung eines Bake-Hardening-Stahls (auf atomarer Ebene) bei einer Lackeinbrennbehandlung erzeugt?
Abschreckalterung durch Kohlenstoff (Stickstoff) diffundiert an Versetzungen.
Was ist die Voraussetzung für die Aushärtbarkeit von Aluminiumlegierungen?
Das Vorhandensein von mindestens einem Legierungsbestandteil dessen Löslichkeit im Mischkristall mit sinkender Temperatur abnimmt. (Segregatslinien)
Erklären Sie kurz den Begriff „Guinier-Preston-Zonen“
G.P. Zonen sind kohärente bzw. teilkohärente Ausscheidungen von Fremdatomen aus dem Mischkristall.
Weshalb lässt sich Magnesium bei Raumtemperatur schlechter Umformen als Aluminium?
Magnesium hat eine hexagonale Gitterstruktur. Bei Raumtemperatur sind nicht alle Gleitsysteme aktiv
Sortieren Sie die Werkstoffe Aluminium, Magnesium und Titan aufsteigend nach
a) dem E-Modul und
b) der Dichte.
(Keine Zahlenwertangaben nötig)
E-Modul: Mg < Al < Ti
Dichte: Mg <Al < Ti
Für die Konstruktion eines modernen leichtbaugerechten Sportwagens stehen Ihnen folgende Werkstoffe zur Auswahl:
borlegierter Stahl, Aluminium-Gusslegierung, Aluminium-Knetlegierung und eine Magnesiumlegierung.
Ordnen Sie jedem Werkstoff den entsprechenden passenden Anwendungsfall zu. Geben Sie für jede Zuordnung 2 Gründe an. Jeder Werkstoff darf nur einmal verwendet werden
-B-Säule
-Motorhaube
-Kolben des Verbrennungsmotors
-Getriebegehäuse
Nennen Sie zwei Vorteile und zwei Nachteile von Titan gegenüber Stahl.
+ geringe Dichte / spez. Festigkeit / Biokompatibilität / Korrosionsbeständigkeit / Temperaturbeständigkeit / gute Korrosionseigenschaften
- Hoher Preis / hohe Dichte / schlechte Kaltumformbarkeit / schlechte Schweißbarkeit / EModul
Nennen Sie zwei wesentliche Aufgaben der Matrix in Verbundwerkstoffen.
Räumliche Trennung der Fasern / Einbetten der Fasern mit möglichst guter Haftung / Schutz der Fasern gegen chemischen Angriff oder mechanische Beschädigungen
Welche Möglichkeiten gibt es, um einen Verbundwerkstoff isotrop zu verstärken? Nennen Sie 2.
Kurzfasern, Teilchen (Partikel)
Ordnen Sie die DP-, MS-, CP- und TRIP Stähle nach der Zugfestigkeit. Begin-nen Sie mit dem Werkstoff mit der niedrigsten Zugfestigkeit.
DP < TRIP < CP < MS
4Erklären Sie das „Bake Hardening“ Verfahren und die Vorgänge im Werk-stoffgefüge
Festigkeitssteigerung durch Erwärmung des fertig umgeformten Bauteils (Lackeinbrennbehandlung)
Ausnutzung der Abschreckalterung durch gelösten Kohlenstoff. Anlagerung von Kohlenstoffatomen an Versetzungen (Cottrell-Wolken)
Beschreiben Sie den Verfestigungsmechanismus von TRIP Stahl bei einer Kalt-umformung.
Induzierte Plastizität (verformungsinduziert) durch Umwandlung von Restaustenit in Martensit.
Erklären Sie den Begriff „Tailored Blanks“.
Tailored Blanks sind laserstrahl- oder quetschgepresste Bleche unterschiedlicher Dicke, Stahlsorte und/oder Beschichtung. Alu- und Stahlbleche verbunden.
Nennen Sie jeweils einen Vor- und einen Nachteil von Magnesium gegenüber Stahl bei der Verwendung im Leichtbau.
+ geringe Dichte / Dämpfungseigenschaften
- Brennbarkeit / Korrosion / Preis / Festigkeit
Beschreiben Sie die Wärmebehandlungsschritte beim Aushärten einer Aluminiumlegierung.
Beim Lösungsglühen bei hohen Temperaturen werden möglichst viel von den zur Aushärtung führenden Legierungszusätzen im Alu- Mischkristall gelöst.
Durch schnelles Abkühlen (Abschrecken) werden die Legierungszusätze im Mischkristall in einen übersättigten Zustand überführt.
Beim Auslagern (bei RT oder erhöhter Temperatur) kommt es zu Ausscheidungen aus dem übersättigten Mischkristall, die eine Steigerung der Zugfestigkeit, Ersatzstreckgrenze und Härte bewirkt
Erklären Sie den Begriff „Guiner-Preston-Zone“
Kohärente Ausscheidungen, welche beim Kaltauslagern bei erhöhter Temperatur in Aluminiumlegierungen auftreten.
Nennen Sie jeweils zwei Vor- und Nachteile von Aluminium gegenüber Titan bei der Verwendung im Leichtbau.
+ Preis / Dichte / Umformbarkeit / Schweißbarkeit / Gießbarkeit
- Festigkeit / Temperaturbeständigkeit / Biokompatibilität / Dauerfestigkeit
Erklären Sie die allotrope Gitterumwandlung von Titan.
Unter der Allotropie von Titan versteht man die Fähigkeit von Titan sich (bei 882°C) vom hexagonal dichtesten gepackten α-Titan in das kubisch raumzentrierte β-Titan umzuwandeln.
