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?
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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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Nennen Sie die Legierungsbasis für einen austenitischen Stahl.
Grundzusammensetzung:
C ≤ 0,1 %
Cr ≥ 18 %
Ni ≥ 8 %
Was ist ein Nickel- und was ist ein Chrom-Äquivalent?
Nickeläquivalent : % Ni + 30% C + 0,5% Mn + 30% N
Chromäquivalent : % Cr + 1,4% Mo + 0,5% Nb + 1,5% Si + 2% Ti
Was ist ein Schaeffler-Diagramm?
- Gefügediagramm der nichtrostenden Stähle
- Basiert auf N- und Cr- Äquivalent
Nennen Sie die Vorteile eines ferritischen und austenitischen Stahles gegenüber
einem rein austenitischen Stahl.
- Kombination aus guter Korrosionsbeständigkeit und hoher Streckgrenze (> 450 N/mm²)
Skizzieren Sie in ein Kerbschlagarbeit-Temperatur-Diagramm die relative Lage für
die einschlägigen Kurven folgender Werkstoffe:
a) Cr-Superferrit
b) Cr-Ni-Austenit
c) Cr-Ferrit
d) Cr-Martensit
Siehe Bild.
Was ist ein martensitischer chemisch beständiger Stahl? Nennen Sie ein
Werkstoffbeispiel.
- Ist bei hohen Temperaturen austenitisch umwandelbar ( durch hohen C-Gehalt)
- C bewirkt Austenitbildung bei hoher Temperatur und liefert so die notwendige Aufhärtbarkeit
- Cr sichert Korrosionsbeständigkeit und hohe Einhärtbarkeit
Beispiele: X20Cr13 / X20CrNi172 / X45CrMoV15
Welches Problem tritt vermutlich bei ferritischen und austenitischen Stählen bei
leicht erhöhter C-Konzentration z.B. 0,06 % C nach einer längeren thermischen
Einwirkung auf?
- C, N, Mn weiten das γ-Feld auf
Gegeben ist der Werkstoff X2Cr20. Welche Struktur und/oder Gefügeänderung bzw.
Eigenschaftsänderungen sind nach einer längeren Glühung bei 650°C zu erwarten?
- geht von Ungleichgewicht in Gleichgewicht über
- ferritisches Gefüge, spröde δ-Phase (FeCr)
Erörtern Sie die Entwicklungsgeschichte, d.h. die metallurgischen Vorgänge bei der
Luftabkühlung einer Schmelze mit 20 % Cr und 80 % Fe. Skizzieren Sie den
erwarteten Gefügezustand.
Siehe Bild.
Nennen Sie die vier Gruppen der chemisch beständigen Stähle.
- ferritische Stähle
- martensitische Stähle
- ferrit-austenitische Stähle
- austenitische Stähle
Für die Prozessbedingungen 50 bar H2-Pertialdruck und 300°C ist eine
Werkstoffwahl durchzuführen. Erläutern Sie Ihre Vorgehensweise.
-
Gegeben ist ein Zugelement bei der Anwendungstemperatur 650°C unter
quasistatischer Belastung. Welche Werkstoffkenngrößen sind von Bedeutung?
Nennen Sie ein sinnvoll einzusetzendes Material.
-
Welche Werkstoffkenngrößen sind für die Anwendung von warmfesten Stählen von
Bedeutung? Skizzieren Sie in diesem Zusammenhang ein Spannung-Temperatur-
Diagramm und erläutern Sie für relevante Betriebstemperaturen die Anwendung der
zuvor genannten Kenngrößen.
- Warmstreckgrenze
- Zeitdehngrenze / Zeitstandfestigkeit
Was verstehen Sie unter einem kaltzähen Stahl? Nennen Sie Werkstoffbeispiele.
- Baustähle mit guten Zähigkeitseigenschaften bei tiefen Temperaturen
(TÜ = -40°C, KV bei -40°C > 27J)
- Wichtig sind Festigkeitseigenschaften und gute Schweißeignung
- Beispiele: P355NL, 11MnNi53, 12Ni19, X8Ni9, X6CrNiTi18-10
-> überwachungsbedürftige Anlagen
- Unterteilung in ferritische (unlegierte) und austenitische Stähle
Nennen Sie in Stichworten den Gefügezustand und die Festigkeitsklasse von
Schienenstahl.
- Feinperlitisches Gefüge 0,7% C
- Rm 880 N/mm² (Eisenbahnnorm UIC 860)
Erläutern Sie die Herstellungstechnologie für unlegierten Stahldraht mit
Rm > 2000MPa.
- Stahldrähte werden durch Ziehprozesse hergestellt
- Ziehbarkeit eines Werkstoffes wird durch eine feinkörnige Gefügeausbildung
verbessert
- Während des Ziehprozesses kommt es zu einem Festigkeitsanstieg ohne
Zähigkeitsabnahme
Beschreiben Sie in Stichworten den Gefügeaufbau und die Herstellungstechnologie
für einen Dualphasenstahl.
siehe Bild!
Was verstehen Sie unter einem wetterfesten Baustahl bzw. Automatenstahl?
- hohe Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion durch
Legierungselemente Cr (0,3 - 1,25%) und Cu (0,25 – 0,55%)
- Abtrag bei Industrieluft beträgt 0,05mm in 20 Jahren (bei normalem
Baustahl 0,3mm)
Wodurch erreichen die schweißgeeigneten Feinkornstähle die Eigenschaften einer
hohen Streckgrenze und hohen Kerbschlagarbeit bei RT?
- Festigkeitssteigerung über MK-Verfestigung (Mn, Si), Korngrößenminderung,
Ausscheidungshärtung über Aluminiumnitrid und Niob-, Vanadium-, Titan-,
Carbid- und Nitrid-Ausscheidung
- Bei Rp = konstant kann Perlit-Anteil gesenkt und Feinkörnigkeit gesteigert
werden Zähigkeit steigt
Definieren Sie das Kohlenstoffäquivalent und erläutern Sie deren Aussagen.
- Maß zur Beurteilung der Schweißbarkeit von unlegierten und niedriglegierten
Stählen
- Wert < 0,5 gute Schweißbarkeit
- Bei Werten > 0,5 muss das Werkstück, abhängig von der Verarbeitungsdicke,
vorgewärmt werden
- Ab 0,65 nur mit erhöhtem Aufwand schweißbar
Welche Behandlung sorgt für eine geringe Anisotropie der Kerbschlagarbeit bei
unlegierten Baustählen?
Durch besondere Behandlungen (Ca, Cer) kommt es zu einer runden Form der
Sulfide und somit ergibt sich eine geringe Anisotropie der KV-Werte
Der Werkstoff S235 liegt im warmgewalzten sowie im normalisierten Zustand vor.
Ordnen Sie diesen Werkstoffzuständen entsprechende KV f(T)-Kurven in ein
Diagramm zu. Begründen Sie zu erwartende Unterschiede.
siehe Bild!
Gegeben sind unlegierte Stähle mit 0,1% und 0,6% C. Skizzieren Sie schematisch
den Verlauf der KV f(T)-Kurven für diese Werkstoff in ein Diagramm.
siehe Bild!
Der Werkstoff S235J0 liegt in den Wandstärken 15mm und 190mm vor. Erläutern
Sie die Eigenschaftsvariation hinsichtlich Streckgrenze, Kerbschlagarbeit und
Kohlenstoffgehalt.
siehe Bild!
Erläutern Sie das Eigenschaftsprofil des Werkstoffes S235J2 hinsichtlich
Streckgrenze, Zähigkeit und Kohlestoffgehalt.
- RE = 235 N/mm²
- KV = 27kJ bei -20°C
- C = max. 0,17%
Was ist ein martensitausgehärtender Stahl? In welchem Zahlenbereich liegen die
Kenngrößen Rp0,2 und Rm?
- Er ist frei von Kohlenstoff
- Besteht aus einer Fe-Ni-Legierung
- Ist reich an Substitutionsatomen (Co, Mo, Ti, Al)
- Rp0,2 = 1200 N/mm²
- Rm bis ca. 2000 N/mm²
Erläutern Sie die Bezeichnung 14.9 in einem Schraubenwerkstoff. Nennen Sie zwei
Stähle, die für die Wärmebehandlung „Einsatzhärten“ geeignet sind.
- Rm = 14 x 100 = 1400 N/mm²
- Streckgrenzenverhältnis Re / Rm = 90%
Beispiele: 34CrNiMo6 / 30CrNiMo8
Nennen Sie die Haupteigenschaften der Vergütungsstähle und erläutern Sie deren
Gefügezustand.
- Hohe Festigkeit
- Hohe Zähigkeit
- Hohe Schwingfestigkeit
- Hoher Reinheitsgrad
- Durch feine Karbide sind kaum Risskeime vorhanden
- Der Gefügezustand ist angelöstes Martensit
- Ein Mischgefüge aus Martensit, Bainit und Perlit würde die Zähigkeit und die
Festigkeit mindern
Welche Wirkung hat N in kfz-, Rost- und säurebeständigen Stählen?
Kfz-Stahl (z.B. Austenitischer Cr-Ni-Stahl)
- Festigkeitssteigerung und Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit
Rost- und säurebeständiger Stahl
- Substitution des Austintbildners Nickel
- Erhöhung der Warmfestigkeit
- In Kombination mit Mo Erhöhung der Beständigkeit gegen Lochkorrosion
Nennen Sie das wichtigste Desoxidationsmittel für Stahl.
Neben Silizium ist Aluminium das wichtigste Desoxidationsmittel
Nennen Sie positive und negative Aspekte bezüglich des Einsatzes von Kupfer als
Legierungselement in Stählen.
Positiv:
- Bei einem Wert von ca. 0,3% Cu kommt es zu einer Erhöhung der Witterungsbeständigkeit
- Bei 3% Cu + Mo kommt es zu einer Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit
Negativ:
- Eine Cu-Anreicherung im Stahl bewirkt unter Zugspannung (Umformung) eine
Entstehung von Oberflächenrissen (Lötbrüchigkeit) an den Korngrenzen
Wie verändern sich die Härtbarkeit, Warmfestigkeit, Lochfraßkorrosionsbeständigkeit
und die Zunderbeständigkeit mit steigendem Mo-Gehalt von Stählen?
- Erhöhung der Härtbarkeit
- Erhöhung der Warmfestigkeit
- Bei 2-5% Mo kommt es zu einer Erhöhung der Lochfraßkorrosionsbeständigkeit
- Desweiteren wird die Zunderbeständigkeit durch hinzulegieren von Mo erhöht
Nennen Sie die technischen Folgen von Ni als Legierungselement in Fe-
Basiswerkstoffen.
- Der Einsatz von Nickel als Legierungselement steigert die Zähigkeit und wirkt
kornfeinend
- Bei 36 % Nickel im α – Eisen bezeichnet man den Stahl als Invarstahl
- Die ferromagnetischen Eigenschaften spielen dabei eine große Rolle
Erläutern Sie die Wirkung von Chrom auf seinen Einsatz in rost- und
säurebeständigem Stahl sowie hitze- und zunderbeständigem Stahl.
- Rost- und Säurebeständigem Stahl
-> Bildung einer Passivschicht, die den Stahl ab 12,2% Cr unempfindlich gegen atmosphärische Korrosion macht
- Hitze- und Zunderbeständigem Stahl
-> Bildung einer festhaltenden Cr2O3-Schicht durch selektive Oxidation des Chroms
Erläutern Sie die Wirkung von Chrom als Legierungselement in Vergütungsstahl,
warmfesten Stahl, Nitrierstahl und in druckwasserstoffbeständigem Stahl.
- Vergütungsstahl -> Erhöhung der Einhärtbarkeit
- warmfestem Stahl -> Erhöhung der Warmfestigkeit durch Mischkristallbildung und Karbidausscheidung
- Nitrierstahl -> Erhöhung der Nitrierschichthärte durch Bildung von Chromnitriden
- druckwasserstoffbeständigem Stahl -> Verringerung der Entkohlungsneigung durch Bildung von – auch bei erhöhten Temperaturen – beständigen Karbiden
Welche Folgen haben erhöhte P- und/oder S-Gehalte in Stahl hinsichtlich der
Sprödbruchübergangstemperatur?
- Die P- und S-Gehalte im Stahl sollten sehr gering gehalten werden, da es schon ab >0,01% zu einer Versprödung des Werkstoffes kommt
Erläutern Sie den Begriff Mangan-Hartstahl.
- 12-14% Mn und 1,2-1,4% C
- Erhöhung des Verschleißwiderstandes
- Verringerung der Härte
- Verringerung der Streckgrenze
Welche Folge hat die MnS-Bildung bei warmgewalzten Blechen hinsichtlich des
Zähigkeitsverhaltens?
-
Warum ist die Bildung MnS in Baustählen nicht unerwünscht?
- Abbinden vom Schwefel
- Es tritt kein Rotbruch auf
Warum wird das Legierungselement Si bei Federstählen eingesetzt?
- Erhöhung des Streckgrenzenverhältnisses
