Ingenieurswerkstoffe
Fragenkatalog
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Wie setzt sich die Werkstoffnummer für Stähle zusammen? Erläutern Sie.
siehe Bild!
Wie kann nach Norm die Benennung eines Stahles erfolgen? Erläutern Sie.
siehe Bild!
Ist ein „Edelstahl“ immer nichtrostend? Erläutern Sie.
Nein; abhängig vom Chromgehalt und der Umwelt (Seewasser, Chemieanlage)
Definieren Sie die Begriffe Qualitätsstahl, Grundstahl und Edelstahl.
(Frage abgeändert)
siehe Bild!
Benennen Sie die Gütegruppen für Stahl nach DIN EN 10020.
siehe Bild!
Warum ist das Auftreten der Elemente P, Cu und Sn in Stählen unerwünscht?
Erläutern Sie.
siehe Bild!
Was ist Paketschrott?
siehe Bild!
Benennen Sie die Gehalte der unerwünschten Elemente P, S, Cu und Sn in
Roheisen, in Schrott aus der Müllverbrennung und in Paketschrott.
siehe Bild!
Erläutern Sie den Unterschied zwischen Begleit- und Legierungselementen
und geben je vier Beispiele für den Bereich der Stähle an.
Beispiele für Begleitelemente:
Nichtmetalle: H, O, P, S, N ...
Halbmetalle: B, Si, As, Sb, Bi ...
Metalle: Cu, Sn, Zn, Pb, Al, Ni, Cr ...
Nach welchen Verfahren werden heute Stähle hergestellt und abgegossen?
Beschreiben Sie kurz und geben Anteile an der Gesamterzeugung an.
siehe Bild!
Was ist die Sigma-Phase?
Die Sigma-Phase ist eine intermetallische Verbindung (also die Verbindung zwischen zwei metallischen Partnern) in Stählen. Sie kann z.B. aus Cr und Fe oder aus V und Fe bestehen.
Läpple Seite 291
Welches Dreistoffsystem im Bereich der Eisenwerkstoffe hat eine hohe
praktische Bedeutung? Benennen Sie die Elemente und beschreiben die
Bedeutung
Dreistoffsystem: Eisen – Chrom – Kohlenstoff
- Basis für alle nichtrostenden Stähle
- Chromgehalt >= 12-13 m%
- Ermöglicht die Passivbeschichtung (Oxidbildung an der Oberfläche) so das dass darunterliegende Metall vor Korrosionsangriffen geschützt ist.
Skizzieren Sie schematisch die im metastabilen System Fe-Fe3C auftretenden
Gefüge bei Raumtemperatur für Kohlenstoffgehalte zwischen 0,001 Mass-%
und 1,2 Mass-% C. Beschriften Sie die einzelnen Gefügebestandteile.
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Erläutern Sie die Wirkung eines austenitstabilisierenden Elementes anhand
eines schematischen Phasendiagramms für ein binäres System Ihrer Wahl.
siehe Bild!
Erläutern Sie die Wirkung eines ferritstabilisierenden Elementes anhand eines
schematischen Phasendiagramms für ein binäres System Ihrer Wahl.
siehe Bild!
In welchen Modifikationen liegt Kohlenstoff im Gusseisen vor?
In der Regel liegt Kohlenstoff im Gusseisen als Graphit vor. Dieser kann kugelförmig (späroidal), laminar oder wurmförmig (vermicularer !?) Ausprägung im Werkstoffgefüge eingelagert sein.
Ausnahme = weißes Gusseisen -> Kohlenstoff in Form von Karbiden (Zementit oder Sonderkarbiden) gebunden im Werkstoffgefüge enthalten.
Geben Sie vier konkrete Beispiele für Elemente an, die zu 100% im Eisen
löslich sind.
100% Löslichkeit im Gamma-Eisen (Austenit)
- Mangan
- Kobalt
- Nickel
100% Löslichkeit im Alpha-Eisen (Ferrit)
- Chrom
- Vanadium
Benennen Sie jeweils vier austenitstabilisierende und ferritstabilisierende
Elemente.
Austenitstabiliesierende Elemente
- Nickel
- Mangan
- Stickstoff
- Kohlenstoff
- Kobalt
Ferritstabilisierende Elemente
- Chrom
- Molybdän
- Vanadium
- Silizium
Erläutern Sie zwei wesentliche Unterschiede zwischen den Stählen und den
Gusseisen.
siehe Bild!
Skizzieren Sie den schematischen Abkühlverlauf für das reine Eisen von 1600°C bis RT.
siehe Bild!
Ordnen Sie folgende Werkstoffe nach aufsteigender Härte ein: Titancarbid, Kubisches Bornitrid, HS6-5-2, Wolframcarbid, Diamant, WC-25Co, Aluminium-Oxidkeramik.
??
Wodurch unterscheiden sich HIPen von Werkzeugstählen und Sintern von Hartmetallen?
??
Welche Oxidkeramik wird als Schneidstoff eingesetzt? Nennen Sie Beispiele für die Anwendung.
Oxidkeramik (Al2O3) "Aluminiumoxid"
Gleichbleibende Schneidbedingungen und ohne Kühlung
Skizzieren und erläutern Sie den Aufbau von Schleifscheiben bzw. Schleifpapier.
siehe Bild!
Welche Stoffe werden als nichtoxidische Schneidkeramik bezeichnet und wo finden sie Anwendung?
Siliciumnitrid-> Si3N4
Unbeschichtet oder beschichtet, geeignet für Bearbeitung von lamellarem Gusseisen GJL und Gusseisen mit Kugelgraphit GJS bei hohen Schnittdaten
Was ist CBN?
Synthetisches kubisches Bornitrid-> CBN
Zweithärtestes Materials nach dem Diamant, aber bessere Bruchzähigkeit
Ausgezeichnete Warmfestigkeit, zulässige Temperaturen bis 1400°C
CBN wird auf einen Hartmetallträger aufgelötet, um eine Schneidplatte zu bilden
weitläufig für die Schlichtbearbeitung beim Drehen gehärteter Stähle mit einer Härte von mehr als 45 HRC verwendet und für das Hochgeschwindigkeits-Schruppen von Grauguss
Nennen Sie typische Anwendungsfelder für Hartmetalle mit Feinstkorn, mittlerem Korn und Grobkorn.
Feinstkornsorte:
Durchschnittlich Korngröße < 1 μm
Zerspanende Werkzeuge
Fein- bis mittelkörnige Sorte:
Durchschnittliche Korngröße 2 μm
Kaltumformwerkzeuge
Grobkörnige Sorte:
Durchschnittlich Korngröße 3 bis 5 μm
Gesteinsbearbeitung, Bergbau, Bauindustrie
Sonderhartmetall „Ferro-Titanit“:
Durchschnittlich Korngröße 15 μm
Kunststoffrecycling, Kunststoffverarbeitung
Wodurch kommt die hohe Dichte von Hartmetall gegenüber dem Stahl zustande? Erläutern Sie.
siehe Bild!
Wodurch kommt die hohe Dichte von Hartmetall gegenüber dem Stahl zustande? Erläutern Sie.
siehe Bild!
Wodurch können Verschleißfestigkeit und Zähigkeit eines Hartmetalls gezielt eingestellt werden?
Carbidkorngröße und Co-Gehalt beeinflussen die Verschleißfestigkeit des Hartmetalls
(Carbidart)
Carbidkorngröße und Co-Gehalt beeinflussen die Zähigkeit des Hartmetalls
(Bindemetall)
Was versteht man unter dem „Flüssigphasen-Sintern“? Erläutern Sie allgemein und anhand eines konkreten Werkstoffbeispiels.
Sintern unter Anwesenheit einer flüssigen Phase
??
Was ist ein Hartmetall?
Hartmetalle sind Schneidstoffe, die durch Flüssigphasensintern hergestellt werden und am häufigsten aus einer Cobalt-Matrix mit eingelagerten Wolframcarbiden bestehen.
Geben Sie eine begründete Auswahl von Gusswerkstoffen für folgende Anwendungen an:
Mechanisch hoch beanspruchte Gehäuseteile für Gasturbinen
Extruderschnecken zur Betonförderung
Zähe Gehäuse für die Kältetechnik
Preiswerte und lang haltbare Kanaldeckel
PKW-Kurbelwellen
Werkzeugmaschinen-Aufnehmerblock mit guten Dämpfungseigenschaften
Pumpenteile einer Meerwasserentsalzungsanlage
???
Wie unterscheiden sich Gusseisen und Stahlguss? Diskutieren Sie drei wesentliche Unterschiede.
Kohlenstoffgehalt :
Stahlguss unter 2,06
Gusseisen über 2,06
Gießtemperatur:
Stahlg. 1600
Gusse. 1200
Schmiedbarkeit/Verformbarkeit:
Stahlguss ist
Gusseisen nicht
Wodurch erhalten verschleißbeständige Gusseisen ihre gute Verschleißbeständigkeit? Erläutern Sie.
Chrom > 0.3 % -> Carbidbildung, Erhöhung Härte und Verschleißbeständigkeit
Erläutern Sie die Vorgänge beim Glühen von Hartguss in oxidierender Atmosphäre, wodurch eine ferritische Matrix im Gusseisen eingestellt wird.
??
Was ist Temperguss und was versteht man unter „Temperkohle“?
Temperguss (lat. temperare = mäßigen) ist ein Eisen-Kohlenstoff-Werkstoff, der anders als andere Gusseisensorten aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung und des Erstarrungsvorgangs nach dem metastabilen System des Eisen-Kohlenstoff-Diagrammsgrafitfrei erstarrt und als vorerst harter, spröder Temperrohguss in der Gussform entsteht. Eine anschließende Wärmebehandlung, das Tempern, bewirkt eine Gefügeumwandlung. Der Zementit im Gussgefüge wird erst nach besonders langer Glühzeit zum Zerfall gebracht. Der dabei entstehende Grafit wird als Temperkohle bezeichnet und zeichnet sich durch seine charakteristische Knöllchenform aus. Durch diese Gestalt unterbrechen die Temperkohleflocken den Zusammenhang der metallischen Grundmasse nicht so ungünstig und mit potentieller Kerbwirkung wie die Grafitlamellen im Gusseisen mit Lamellengrafit. Das ist der Hauptgrund, warum Temperguss bessere mechanische Eigenschaften als normales Gusseisen mit Lamellengrafit aufweist und daher als zäh und gut bearbeitbar bezeichnet werden kann. Anhand des Bruchaussehens wird der Temperguss in schwarzen und weißen Temperguss unterteilt.
Welche Art von Gusseisen ist einzusetzen, wenn hohe Ansprüche an die Korrosionseigenschaften des Gussteils bestehen? Erläutern Sie Ihre Antwort.
Austenitisches Gusseisen; insbesondere lamellengraphit mit unverletzter Gusshaut (schicht die weitestgehen von der Atmosphäre trennt)
Vergleichen Sie die Zähigkeit von Gusseisen mit Kugelgraphit und von Gusseisen mit Lamellengraphit? Wie lässt sich der Unterschied erklären?
Die lamellen wirken als innere Kerbe und verschlechtern somit deutlich die Zugfähigkeit.
Ein Gusseisen enthält 3,5 % Kohlenstoff, 2 % Silizium, 1 % Mangan und 0,35 % Phosphor. Ermitteln Sie mathematisch nachvollziehbar, ob es sich um ein übereutektisches Gusseisen handelt.
??
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Lernkarten
Erläutern Sie die Legierungssystematik von Schnellarbeitsstählen.
siehe Bild!
Welche Haupteigenschaften muss ein Werkstoff besitzen, der zur Herstellung einer Strangpress-Matrize eingesetzt werden kann?
Hohe Anlassbeständigkeit, gute Warmverschleißeigenschaften
1.2344 X40CrMoV5-1 410 bis 470 HBW (1400 bis 1600 MPa)
1.2367 X38CrMoV5-3 mit ähnlicher Härtelage
Hergestellt werden soll ein Scherenmesser, welches zum Zerteilen warmer Rundstäben aus Stahl im Auslaufbereich eines Walzwerkes dienen soll. Machen Sie eine Werkstoffempfehlung und begründen diese.
???
Erläutern Sie den Ablauf des Härtens und Anlassens für Warmarbeitsstähle
anhand eines konkreten Beispiels.
siehe Bild!
Welche Aufgaben haben die Legierungselemente Cobalt, Chrom und Nickel
in Warmarbeitsstählen?
siehe Bild!
Erläutern Sie das Auftreten netzwerkartiger Risse an der Oberfläche von Werkzeugen aus Warmarbeitsstahl.
siehe Bild!
Nennen Sie je vier typische Anwendungsgebiete für Kaltarbeits- und Warmarbeitsstähle.
Kalt: Schneiden, Stanzen, Scheren, Kaltmassivumformen, Prägen
Warm: Druckgießen, Strangpressen, Gesenkschmieden, Kunststoffverarbeitung
Ein unlegierter Kaltarbeitsstahl vom Typ C60 und ein ledeburitischer Chromstahl werden zur Herstellung von Zerkleinerungswerkzeugen für grobes Aluminiumoxidpulver eingesetzt. Diskutieren Sie die vermutete Standzeit der Werkzeuge.
ledeburitischer Chromstahl:
1.2379
X153CrMoV12
Welche zwei Haupt-Verschleißmechanismen treten bei Werkzeugen zur Kaltarbeit auf? Erläutern Sie Art und Mechanismus des Verschleißes.
Abrasion: Abrasion findet statt durch Kontaktmechanik der, d. h. Kräfte, Spannungen und Deformationen, wenn
der Gegenkörper wesentlich härter und rauer als der Grundkörper oder
der wenn einzelne harte Partikel (gebunden oder ungebunden) in den Gegenkörper
eingedrückt werden
Adhäsion: ist bestimmt durch stoffliche Wechselwirkungen im atomaren oder molekularen Bereich,
durch lokale Pressungen an einzelnen erhabenen Rauheitshügeln werden schützende Schichten, wie
Oxidationsschichten durchbrochen, es entstehen lokale Kaltverschweißungen
(Grenzflächenbindungen). Diese können eine höhere Festigkeit besitzen, als die Werkstoffe der
einzelnen Kontaktpartner. Bei Relativbewegung, z. B. Verschiebung erfolgt dann eine Stofftrennung
unterhalb der Kontaktfläche, nicht jedoch in der eigentlichen Kontaktgrenzfläche.
Erläutern Sie Haupteigenschaften der Kaltarbeitsstähle und die daraus resultierende chemische Zusammensetzung.
siehe Bild!
Erläutern Sie drei mögliche Kriterien, anhand deren eine Einteilung der Werkzeugstähle üblich ist.
Arbeitstemperatur
Stahl-Eisen-Liste
Wärmebehandlungszustand
Beschreiben Sie die typische Wärmebehandlung für einen Messerstahl.
Härten: 30-50 Grad über A3 für Zeit X halten und Abschrecken.
Anlassen: Über A1 aufheitzen für Zeit X halten und lansam abkühlen.
Was sind Duplexstähle und in welchen Anwendungsfeldern werden sie typischerweise eingesetzt?
„Duplexstähle“ sind nichtrostende Stähle mit zweiphasigem Gefüge, also AUSTENIT + FERRIT
Anwendung → Chemie-, Offshore-, Entsalzungs- Ölgewinnungsanlagen
Machen Sie eine Empfehlung zur Werkstoffauswahl für die Auspuffleitung an einem PKW.
Warmfester Hochlegierter Stahl: 1:47xx u. 1:48xx
In einer Anlage zur thermischen Müllentsorgung treten Gase mit HCl-Gehalten bis ca. 1000 ppm auf. Machen Sie eine Werkstoffempfehlung.
???
Wie sind typische hitzebeständige Stähle zusammengesetzt? Welche Rolle spielen die Legierungselemente?
siehe Bild!
Was versteht man unter katastrophaler Korrosion?
Man spricht von katastrophaler Korrosion, wenn sich der Werkstoff unaufhörlich zersetzt.
Was sind ausscheidungshärtende, martensitische nichtrostende Stähle? Erläutern Sie Zusammensetzung und Mechanismus der Festigkeitssteigerung.
???
Nennen Sie je ein typisches Anwendungsgebiet für nichtrostende ferritische, austenitische und martensitische Stähle unter Angabe des verwendeten Stahles mit seiner Werkstoffbezeichnung oder seinem DIN-Kurznamen.
???
Wann tritt interkristalline Korrosion auf?
Sie tritt auf, wenn an den Korngrenzen nichtmetallische Ausscheidungen vorkommen.
Welche Rolle spielen Carbidausscheidungen bei der Korrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle? Erläutern Sie.
Verringern die Korrosionsbestänigkeit zum Einen durch interkristalline Korrosion (Kerbwirkung zwischen den Körnern) und zum Anderen durch Abbinden der korrosionsbeständigkeitssteigernden Legierungselemente (z.B. Chromkarbide).
Weisen Sie nach, welcher der drei aufgeführten Werkstoffe dauerhaft für den Einsatz in Meerwasserumgebung geeignet ist: X120Cr29, X2CrMoSi16-2-1, X2CrNiMoN22-5-3.
???
Diskutieren Sie die Korrosionsbeständigkeit der Werkstoffe X12CrS13, X135CrMoV12-1, X13Cr12 und X2NiCrAlTi32-20.
???
Welche Möglichkeit der Festigkeitssteigerung gibt es bei nichtrostenden austenitischen Stählen?
Kaltverfestigung
Beschreiben Sie die Wärmebehandlungsmöglichkeiten für austenitische, ferritische und martensitische nichtrostende Stähle.
siehe Bild!
Stellen Sie Vor- und Nachteile der austenitischen nichtrostenden Stähle dar.
siehe Bild!
Was versteht man unter der „Stabilisierung“?
???
Aus einem der genannten nichtrostenden Stähle soll ein Bauteil für eine Chemieanlage konstruiert werden, das in Kontakt mit einem bis auf -100°C
gekühlten Medium steht und auf Zähigkeit beansprucht wird. Begründen Sie Ihre Auswahl!
X6Cr13 (1.4016) - X39CrMo17-1 (1.4122) - X5CrNiMo18-10 (1.4401)
???
Skizzieren Sie ein Schaeffler-Diagramm. Wozu dient dieses Diagramm?
Das Schaefflerdiagramm, von Anton Schaeffler entwickelt, sagt die Gefüge nicht-rostender Stähle voraus. Es ist in unterschiedliche Bereiche aufgeteilt, denen ein Gefüge zugeordnet wurde. Mit Hilfe der Chrom- und Nickeläquivalente, welche die Abszisse und Ordinate des Diagramms bilden, lassen sich für Stähle und Gusseisen Punkte im Diagramm darstellen und somit eine Aussage über das erwartete Gefüge treffen.
Besonders beim Schweißen hochlegierter Stähle kommt das Schaeffler-Diagramm zum Einsatz. Es ist möglich, sich im Vorfeld Informationen über mögliche Gefahren, die mit den Gefügebildungen einhergehen, zu verschaffen: Bei Aufkommen von Martensit können Härterisse auftreten. Im austenitischen Bereich ist das Material warmrissanfällig. Bei ferritischen Stählen muss auf Kornwachstum Rücksicht genommen werden. In den Mischbereichen von Austenit und Ferrit kann Versprödung durch Bildung der Sigma-Phase auftreten.
Wie sind die nichtrostenden Stähle in der Stahl-Eisen-Liste eingeteilt?
??
Was ist ein V2A-Stahl?
Korrosionsbeständiger, austenitischer, nickellegierter Stahl.
V2A = Versuch 2 Austenit
Anhand welchen Kriteriums können die nichtrostenden Stähle eingeteilt werden? Erläutern Sie.
siehe Bild!
Ermitteln Sie die Einsatzhärtetiefe EHT sowie die Kohlungstiefe At.
2,5 u. 3.25 mm
Warum entsteht beim Einsatzhärten „Restaustenit“? Erläutern Sie.
???
Warum sollte man die vorhergehende Anlasstemperatur eines Werkstoffes genau kennen, wenn man die Nitriertemperatur festlegen will?
Damit man das beim Anlassen erzeugte Gefüge nicht wieder verändert.
Welche Werkstoffeigenschaften werden durch das Nitrieren maßgeblich beeinflusst?
siehe Bild!
Nennen Sie drei Vorteile des Nitrierens gegenüber dem Aufkohlen.
siehe Bild!
Welche Legierungselemente sind für Nitrierstähle typisch und warum?
???
Skizzieren Sie schematisch einen Querschnitt durch eine aufgekohlte und durch eine nitrierte Probe!
???
Was versteht man unter „Härtbarkeit“, was unter „Aufhärtbarkeit“ und „Einhärtbarkeit“?
Härtbarkeit: Die Härtbarkeit eines Werkstoffes gibt an, inwieweit seine Festigkeit und Härte durch gezielte Wärmebehandlung gesteigert werden können.
Aufhärtbarkeit: Unter idealen Bedingungen erreichbare höchste Härte eines Werkstoffs. Bei Stahl ist sie in erster Linie von dessen Kohlenstoffgehalt abhängig; dieser muss durch optimale Härtetemperatur und -dauer im Austenit vollständig gelöst sein, bevor beim Abschrecken ein 100%iges Martensit Gefüge entsteht.
Einhärtbarkeit: Als Einhärtbarkeit oder auch Durchhärtbarkeit bezeichnet man die Qualität bei Stahl, mit welcher Stärke er bis zur Mitte (mit gleichbleibender Qualität) gehärtet werden kann.
