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.
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Wodurch unterscheiden sich HIPen von Werkzeugstählen und Sintern von Hartmetallen?
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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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Welche Größen bestimmen die makroskopische Fließgeschwindigkeit von
Polymermaterial?
siehe Bild!
Welche Dehnungen sind Ihnen bei Polymerwerkstoffen bekannt? Verdeutlichen Sie
diese Dehnungen mit einschlägigen Abhängigkeiten.
Elastisches Verhalten
- rein elastischer Körper verformt ohne zeitliche Verzögerung
Viskoses Verhalten
- verformt sich indem benachbarte Schichten aneinander vorbei strömen und
sich gegenseitig mitnehmen
- irreversibel (nicht umkehrbar)
Viskoelastisches Verhalten
- zeitabhängig
- reversibel (umkehrbar)
Beurteilen Sie das Ermüdungsverhalten von thermoplastischen Werkstoffen.
- Hohe Frequenzabhängigkeit
- Thermische Verfestigung
- Dauerfestigkeit gibt es nicht bei Polymerwerkstoffen
Nennen Sie eine ausgeprägte Einflussgröße auf das Spannung-Dehnung-Verhalten von PA bei T
und ́ = konstant.
- Wassergehalt im PA durch Aufnahme aus der umgebenen Luft
Weichmacher
Zeichnen Sie ein F-Δl-Diagramm für die Ihnen bekannten Fälle. Beschriften Sie das Diagramm mit den üblichen Formelzeichen. Erläutern Sie mit den einschlägigen Bezeichnungen die gewählten Formelzeichen.
siehe Bild!
Beschreiben Sie das Spannungs-Dehnungsverhalten teilkristalliner Thermoplaste
bei T Tg.
siehe Bild!
Zeigen Sie den Zusammenhang f() für amorphe Thermoplaste für die
Temperaturen T << Tg, T < Tg und T >> Tg.
siehe Bild!
In welchen Bereichen eines E f(T)-Diagramms für Polymere ist der
Anwendungsbereich für Duromere, Elastomere, teilkristalline Thermoplaste und
amorphe Thermoplaste gegeben?
siehe Bild!
Verdeutlichen Sie den Zusammenhang zwischen Molekulargewicht und Zugfestigkeit
von Polymerwerkstoffen.
siehe Bild!
Verdeutlichen Sie mit einem doppelt logarithmischen KIC-Re-Diagramm die relative
Lage für die Werkstoffgruppen Polymere und Metalle.
siehe Bild!
Nennen Sie das wichtigste Element bei den Kunststoffen.
- Kohlenstoff
Ein Tank für flüssigen Wasserstoff (T=-80°C) wird mit einem 3mm Polymerüberzug
versehen. Nennen Sie ein geeignetes Material und begründen Sie dessen
Anwendung.
- PE (Polyethylen)
- Hat eine niedrige Glastemperatur
Begründen Sie die Verwendung von Polymerwerkstoffgruppen für die folgende
Anwendungen: „Getränkekästen“ und „Seilrollen“.
- Extrem Widerstandsfähig
- Geringes Gewicht
Erläutern Sie den Begriff „Energieelastischer Bereich“ im Zusammenhang mit den
mechanischen Eigenschaften von Polymerwerkstoffen.
siehe Bild!
Welche drei Grundarten von Zusatzstoffen für Polymerwerkstoffe sind Ihnen
bekannt? Nennen Sie für die Grundarten je ein Beispiel.
1. Funktionszusätze
o Antioxidation
o Antistatika
o Brandschutzmittel
2. Füllstoffe
o Cellulose
o Graphit
o Glaskugeln
o Metalloxide
3. Verstärkungsstoffe
o Glasfasern
o Synthesefasern
Vergleichen Sie die üblichen Größenordnungsbereiche der Kenngrößen Zugfestigkeit
und Bruchdehnung für die Werkstoffgruppen Duromere und Elastomere.
siehe Bild!
Beschreiben Sie kurz in Stichworten die technischen Anwendungseigenschaften von
Elastomeren.
- Gummielastisch bei Anwendungstemperatur
- Härteelastisch bei niedriger Temperatur
- Anwendung als Dichtmaterial
Nennen Sie drei duroplastische Werkstoffe.
- Epoxidharz
- Polyester
- Urethane
- Silicone
Beschreiben Sie kurz die technologischen Eigenschaften von Duromeren sowie
deren Herstellungsprozess.
- Werden aus flüssigen oder festen Vorprodukten (Harzen) durch chemische
Reaktionen zu räumlichen Vernetzungsstrukturen aufgebaut
o Eigenschaften sind abhängig von molekularen Bausteinen, Vernetzungsgrad, Füll- und Verstärkungsmittel
o Nicht schmelzbar
o Nicht schweißbar
o Sprödes Verhalten
Nennen Sie die Größenordnungsbereiche für die Eigenschaften Zugfestigkeit, EModul
und Dichte für die wesentlichen thermoplastischen Werkstoffe.
siehe Bild!
Übersetzen Sie die folgenden Kurzbezeichnungen: PE, PVC, PMMA.
PE : Polyethylen
PVC : Polyvinylchlorid
PMMA : Polymethylmethacrylat
Nennen und beschreiben Sie die thermoplastischen Werkstoffgruppen hinsichtlich
ihrer Struktur.
- Amorphe Thermoplaste
o Ungeordnete lose verhakte verzweigte Ketten
o „Wattebauschstruktur“
o Bei Beanspruchung tritt elastische Verformung auf, der jedoch plastische
Anteile überlagert werden können
- Teilkristalline Plastomere
o Regelmäßiger und möglichst linearer Kettenaufbau
o Entspricht kristalliner Struktur
o Zwischenmolekulare Kräfte sind in den kristallinen Bereichen höher als
bei amorpher Struktur
Nennen Sie bekannte Polymerwerkstoffgruppen auf Grundlage des
Ordnungsparameters „Struktur“.
- Thermoplaste -> Flexible Ketten
- Duroplaste -> starres 3-dimensionales Netzwerk
- Elastomere -> lineare Ketten mit Querverbindungen
Nennen Sie bekannte Strukturen der Polymerwerkstoffe.
siehe Bild!
Nennen und erläutern Sie kurz die üblichen Grundverfahren zur
Kunststoffherstellung.
- Polymerisation
o Kettenbildung ohne Abspaltung von Nebenprodukten
- Polykondensation
o Abspaltung von einfachen Nebenprodukten wie H2O, NH4 usw. bei der
Kettenbildung
- Polyaddition
o Ausgangsprodukte für die Kettenbildung sind verschiedene
Komponenten
Coploymerisation (Zwei Monomere)
Tripolymerisation (Drei Monomere)
Nennen Sie fünf wesentliche Nachteile der Polymerwerkstoffe gegenüber
metallischen Werkstoffen.
- Geringe Festigkeit (RT), ohne Verstärkung
- Geringe chemische Beständigkeit bei hoher Temperatur
- Brennbarkeit (Vergiftungsgefahr!)
- Hohe Wärmedehnung
- Sprödigkeit bei tieferer Temperatur
- Alterungsanfälligkeit
Nennen Sie drei wesentliche Vorteile der Polymerwerkstoffe gegenüber metallischen
Werkstoffen.
- Geringe Dichte (ca. 0,9 – 1,5 g/cm³)
- Gute chemische Beständigkeit
- Gute Verarbeitbarkeit
- Gute Dämpfungsfähigkeit
- Klebefähigkeit
- Isolationsverhalten
Nennen Sie drei organische Materialien mit langer Anwendungstradition.
Holz, Leder, Kautschuk, Pflanzenfasern
Wie entsteht schwarzer Temperguss?
- Ausgangsmaterial ist weißes Gusseisen (Temperrohguss)
- durch neutrale Glühung kommt es zur Gefügeveränderung
- Temperkohle + Matrix (Ferrit und/oder Perlit)
- Bei hohem Perlit-Gehalt steigt die Zugfestigkeit, die Bruchdehnung fällt jedoch ab
Nennen Sie positive Eigenschaften von GJS gegenüber GJL.
Siehe Bild.
Nennen Sie Probleme bei der Anwendung des Werkstoffes EN-GJL400 bei 500°C
und einer geplanten Haltezeit von 100 Stunden.
- Bei T > 400°C kommt es zu Zementitzerfall
- Fe3C --> α + C
- Durch uneinheitlichen Vorgang kommt es zum Bruch
Beschreiben Sie die Gefügeausbildung und die Entstehungshistorie der Werkstoffe
GJL100, GJL200 und GJL400.
- Grundgefüge sind von der Verteilung, Menge, Form und Größe des eingelagerten Graphits abhängig
- Je nach Graphitausbildung sind bei gleicher Grundmatrix große Unterschiede hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften gegeben
100 – 200 : Ferrit-Matrix (Lamellen)
400 : Perlit-Matrix (Kugel)
Durch welche Vorgänge wird die Matrixausbildung von Gusseisen (GJL) bestimmt?
Siehe Bild.
Was verstehen Sie unter einem grauen und unter einem weißen Gusseisen?
Siehe Bild.
Begründen Sie eine zwingend vorzunehmende Wärmebehandlung vor der
Anwendung von Stahlguss.
- Notwendig ist in der Regel das „Normalglühen“
- Damit wird eine Steigerung der Zähigkeit hervorgerufen
Was ist ein hitzebeständiger Stahl?
Folgende Anforderungen sollten erfüllt sein:
- Zunderbeständigkeit (Metallverlust <2g/m²h)
- Warmfestigkeit
- Gefügestabilität
- Schweißeignung/Umformbarkeit
Erläutern Sie in Stichworten die Begriffe interkristalline Korrosion, Lochfraßkorrosion
und Spannungs-Riss-Korrosion bei der Anwendung von Cr-Ni-Stählen.
Interkristalline Korrosion
- Ausscheidung von Verunreinigungselementen oder Legierungselementen an
den Korngrenzen
- Angriff an den Korngrenzen aufgrund von Chromkarbidbildung
Lochfraßkorrosion
- Lokaler Angriff der Passivschicht
-> örtlicher Durchbruch durch Spannungen
Angriff durch Halogenionen
Spannungsrisskorrosion
- wenn kritisches System (Werkstoff/Medium/Zugspannung) vorliegt
Beschreiben Sie die Werkstoffe X6Cr17 und X5CrNi18-10 relativ zueinander
hinsichtlich der Leitfähigkeit, des Ausdehnungskoeffizienten, der Magnetisierbarkeit
und des Preises pro Masseneinheit.
Siehe Bild.
Gegeben sind die Datensätze bezogen auf die Streckgrenze in Mpa, Zugfestigkeit in
MPa und die Bruchdehnung in %,
a) 210/400/25,
b) 210/600/45,
c) 450/800/25.
Ordnen Sie diesen Datensätzen einen der folgenden Werkstoffe zu: X2CrTi12,
X5CrNi18/10, X2CrNiMoN22/5/3.
Siehe Bild
Wie kann die Streckgrenze eines austenitischen Stahles deutlich erhöht werden?
- Durch Kaltverfestigung
