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
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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.
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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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Cartes-fiches
Was versteht man unter „Direkthärten“?
siehe Bild!
Welche Härte haben Bauteile nach dem Aufkohlen bzw. nach dem Nitrieren?
??
Erläutern Sie die chemische Zusammensetzung eines typischen Einsatzstahles!
siehe Bild!
Definieren Sie den Begriff „Einsatzstahl“.
Definition Einsatzstähle: Einsatzstähle sind Stähle mit verhältnismäßig niedrigem Kohlenstoffgehalt, die zum Aufkohlen oder Carbonitrieren und anschließendem Härten vorgesehen sind. Solche Stähle sind nach der Behandlung gekennzeichnet durch eine Randschicht mit hoher Härte und einem zähen Kern.
Ordnen Sie die Werkstoffe 18NiCrMo14-6, C15E, 100Cr6, 30CrNiMo8, 34CrAlNi7-10, 16MnCr5 und 42CrMo4 einer Gruppe der Baustähle zu.
???
Durch welches Verfahren können Angaben zur Carbidstruktur von Wälzlagerstählen gewonnen werden?
siehe Bild!
Was ist ein „Fish-Eye“ Bruch?
siehe Bild!
Warum / wie können auch niedrig kohlenstoffhaltige Stähle zur Herstellung von Wälzlagern eingesetzt werden?
???
Welchen Einfluss hat der Reinheitsgrad auf die Lebensdauer eines Wälzlagers? Erläutern Sie.
siehe Bild!
Welche legierungstechnischen Maßnahmen werden bei nichtrostenden Wälzlagerstählen, welche bei warmharten Wälzlagerstählen eingesetzt?
nichtrostende Wälzlagerstähle(Cr-, Mo-, V-legiert)
warmharte Wälzlagerstähle (Cr-, Mo-, W-legiert)
Wie ist ein typischer durchhärtender Wälzlagerstahl zusammengesetzt?
durchhärtende Wälzlagerstähle (~1 % C, 1-2 % Cr)
Welche 4 Beanspruchungsarten können bei Wälzlagern auftreten?
siehe Bild!
Beschreiben Sie den genauen Vorgang beim Vergüten des Werkstoffes 42CrMo4 (Stichworte, Zeit-Temperatur-Abfolgeschaubild).
???
Wodurch kommen bei einem Stahl mit genormter Zusammensetzung sogenannte „Härtbarkeitsstreubänder“ zustande? Erläutern Sie.
Inhomogenität / Chragen / Prüfbedingungen schwanken
Was wird in einem „Jominy-Versuch“ geprüft?
Stirnabschreckversuch (Jominy): Es wird die Härtbarkeit und einhärtbarkeit geprüft.
Erläutern Sie die Begriffe „Blauversprödung“ und „Anlasssprödigkeit“.
Im Bereich der Anlasstemperaturen um 300°C kommt es zur „Blauversprödung“ durch Zementitbildung (Fe3C) und einer Änderung im Verfestigungsverhalten. Durch Legierungs-elemente kann die Temperaturlage der Anlassvorgänge verschoben werden. Si behindert das Carbidwachstum, da es im Zementit nicht löslich ist. So verschiebt es die Anlassstufen und die Blauversprödung zu höheren Temperaturen. Die „Anlasssprödigkeit“ bei 500°C kommt durch Korngrenzenanreicherung von P, Sn, As, Sb zustande, wodurch inter-kristallines Bruchverhalten gefördert wird.
Welches Ziel hat das „Anlassen“ von Vergütungsstählen?
Das Anlassen dient der Verbesserung der Zähigkeit von gehärteten Werkstücken. Da Zähigkeit und Härte sich beim Anlassen gegenläufig verändern, richtet sich der einzugehende Kompromiss nach dem Anwendungsfall:
Werkzeuge (Werkzeugstahl) -> niedrige Anlasstemperatur -> hart
Bauteile (Vergütungsstahl) -> hohe Anlasstemperatur -> zäh
Die zu einer gewünschten Härte passende Anlasstemperatur lässt sich aus dem Anlassschaubild ableiten.
Wie kann die Tieftemperaturzähigkeit eines Vergütungsstahles gezielt beeinflusst werden?
Durch Verschieben der Übergangstemperatur Tü. Dies gelingt durch gezieltes Eistellen eines Gefüges. Der Einfluss von Bainit ist gering und der von Martensit stark. Ein angelassenes martensitisches Gefüge erreicht ein bestes Festigkeits-Zähigkeits-Verhältniss.
Welche Angaben sind in der Regel in einem „Vergütungsschaubild“ enthalten?
siehe Bild!
Was passiert, wenn die Martensitstarttemperatur eines Vergütungsstahles durch legierungstechnische Maßnahmen zu stark abgesenkt wird?
Wird die MS-Starttemperatur zu stark abgesenkt, dann reduziert dies ie Warmfestigkeit des Werkstoffs.
Beschreiben Sie den Einfluss des Elementes Nickel auf das Umwandlungsverhalten von Vergütungsstählen! (Stichworte, Skizze)
???
Welchen Einfluss hat das Abschrecken mit Wasser und das Abkühlen an Luft auf die Härte und den Gefügezustand eines großen Bauteils aus C45? Erläutern Sie (auch anhand einer Skizze).
Abschrecken mit Wasser -> Martensitbildung -> Härte steigt
Welchen Einfluss können eine zu hohe und eine zu niedrige Temperatur beim Austenitisieren der Vergütungsstähle haben?
Eine zu hohen Temperatur ist aufgrund der späteren Versprödung des sich bildenden Martensits nicht empfohlen.
Bei einer zu niedrigen Temperatur werden Carbide und Ausscheidungen nicht vollständig gelöst. -> vollständiges Härten ist dann nicht möglich.
Welche Art von Vergütungsstahl muss eingesetzt werden, wenn ein Bauteil mit einer besonders großen Abmessung hergestellt werden soll? Erläutern Sie.
Ni-legierte Vergütungsstähle
34CrNiMo6, 30CrNiMo8, …
weil die Durchvergütbarkeit hoch ist! -> somit sind diese Legierungen besonders für große Durchmesser geeignet.
Weiterhin sind gute Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften zu erwarten.
Welche Aussagen treffen zu? Kunststoffe bestehen aus
a) Organischen Molekülen,
b) Monomeren,
c) Polymeren und
d) Makromolekülen?
- Antwort b) & d)
Welcher Kunststoff hat die höhere Warmfestigkeit? Thermoplaste oder Duroplaste?
Begründen Sie Ihre Antwort.
- Duroplaste
- Nicht schmelzbar und nicht schweißbar
- Thermisch aktiviert bei höheren Temperaturen (Warmaushärtung)
Unter Verwendung einer Kraft F lässt sich eine komplizierte Spritz-Guss-Matrize mit
einer Kunststoffmasse bei 177°C in 30 Sek. bzw. 157°C in 81,5 Sek. Füllen. Wie
lange dauert der Vorgang bei 227°C?
Siehe Bild.
Nennen Sie Formgebungsverfahren für die Herstellung von Profilen und
dünnwandigen Behältern aus thermoplastischen Werkstoffen.
- Extrusionsverfahren
- Blasformen
Gegeben seien die Eigenschaften von PE, PP, PVC, PS, SAN, ABS, PA6, POM, PC und
PMMA. Welche dieser thermoplastischen Materialien ist für die Herstellung von
Getriebeteilen einsetzbar? Definieren Sie die notwendigen Eigenschaften und
begründen Sie anhand technischer Daten Ihre Auswahl.
- PA6 und POM
- Steifigkeit
- Hohes E-Modul
Übersetzen Sie die Kürzel EP, PA, PVC, SAN und SBR und ordnen Sie diese
Materialien den Gruppen der Thermoplaste, Duromere und Elastomere zu.
- EP : Epoxid
- PA : Polyamid
- PVC : Polyvinylchlorid
- SAN : Styrol-Acryl-Nitril
- SBR : Styrol-Butadien-Rubber
Für ein 30cm langes Polymerteil, dass bei 20°C einer Zugkraft von 1300N unterliegt
und das sich während einer Belastungszeit von 1000 Stunden um nicht mehr als 2%
ausdehnen darf, ist ein geeignetes Material mit minimalen Kosten auszusuchen. Zur
Verfügung stehen die Werkstoffe: Polypropylen (PP) und PMMA. Für 1000 Stunden
beträgt die maximale Belastung von PP 7,25 N/mm² und die von PMMA 27,5
N/mm². Die Dichte von PP beträgt 0,9 g/cm³ und die von PMMA 1,22 g/cm³. Für
PMMA ist ein Preis von 2,6 WE und für PP von 1 WE je Kilogramm aufzuwenden.
Siehe Bild
Gegeben sind Kriechkurven für ein Polymermaterial bei Sigma3 >Sigma2 > Sigma1. Ermitteln Sie
aus den Daten schematisch die zugehörigen Kriechmodul-Linien.
Siehe Bild.
Erläutern Sie den Unterschied zwischen dem E-Modul und dem Kriech-Modul bei
Polymermaterial.
Siehe Bild.
Gegeben sind die Kriechkurven für ein Polymermaterial bei Sigma3 > Sigma2 > Sigma1. Ermitteln
Sie aus diesen Daten schematisch je eine Zeitspannungslinie und eine isochrone
Spannung-Dehnung-Linie.
Siehe Bild!
Verdeutlichen Sie mit einschlägigen Skizzen die Begriffe Zeitdehnlinie und
Zeitspannungslinie.
Siehe Bild!
Mit welcher Funktion kann die zeitabhängige Gesamtdehnung von
Polymerwerkstoffen allgemein beschrieben werden?
- Zeitdehnlinie
Wie wird der Relaxationsmodul berechnet (Formel)?
siehe Bild!
Wie ist die Temperaturabhängigkeit der Relaxationszeit zu beschreiben? Definieren
Sie die Bestimmungsgleichung.
siehe Bild!
Ein Stahlrohrbündel soll über den Zeitraum eines Jahres mit einem Polyisopren-
Band zusammen gehalten werden. Wenn die Zugspannung des Bandes unter einen
Wert von 10 MPa abfällt, ist das Bündel nicht mehr fest. Aus Testserien ist bekannt,
dass sich die Spannung in Polyisopren nach sechs Wochen auf 98% ihres
Anfangswertes abfällt. Wie groß muss die Anfangsspannung des Bandes sein, um
den genannten Grenzwert nach der vorgegebenen Zeit nicht zu unterschreiten?
siehe Bild!
Zeichnen Sie das Dehnungsverhalten von Polymerwerkstoffen bei einer spontanen
Be- und Entlastung und erläutern Sie die Begriffe E- bzw. Kriechmodul.
siehe Bild!
