Konstruktionswerkstoffe 1&2

Zur Vorbereitung auf die Klausur Konstruktionswerkstoffe 1&2

Zur Vorbereitung auf die Klausur Konstruktionswerkstoffe 1&2


Nic Herrmann
Diese Karteikarten bieten einen grundlegenden Einblick in die Eigenschaften und Verarbeitung von Konstruktionswerkstoffen, insbesondere Stählen. Sie erläutern Begriffe wie Zeitstandkriechgrenze, Zeitstandfestigkeit und Dauerstandfestigkeit, sowie Prozesse wie CVD, PVD und thermisches Spritzen. Die Lernkarten behandeln auch die Auswirkungen von Temperatur, Oberflächenbehandlung und Legierungszusätzen auf die Materialeigenschaften wie Härte und Oxidationswiderstand. Diese Karteikarten sind ideal für Studierende und Fachleute, die ihr Verständnis von Werkstofftechnik vertiefen möchten.
Karten
70
Lernende
4
Sprache
Deutsch
Kategorie
Technik
Stufe
Grundschule
Erstellt / Aktualisiert
25.08.2013 / 11.01.2018

Lernkarten

Ordnen sie Folgende Stähle nach der Festigkeit: Martensitische Stähle, TRIP-Stähle, Dual-Phasen Stähle, Complexphasenstähle

  1. Martensit-Phasen Stähle (MS) 1000-1400MPa
  2. Complex-Phasen Stähle (CP) >800MPa
  3. TRIP-Stähle 600-800MPa
  4. Dual-Phasen-Stähle (DP) 500-600MPa

Erklären sie Versetzungsverfestigung

  • Zunahme der Versetztungsdichte durch Kaltverformung ( unterhalb der Rekristalisationstemperatur)
  • Spannungshöfe um die Versetzungen beeinflussen sich gegenseitig
  • Versetztungswanderung wird dadurch erschwert
  • Zunahme der Festigkeit
  • Abnahme der Duktilität
  • Nur sinnvoll wenn die spätere Einsatztemperatur kleiner der Rekristalisationstemperatur (TR~0,4*TS)
  • Rekristalisationstemperatur wird durch Kaltverfomrung verringert!
  • Bsp: Drähte für Drahtseile (Rm= 1400-2200 MPa) & Klaviersaiten (Rm= 3600Mpa)

Erklären sie Mischkristallverfestigung

  • Gleitversetztungen müssen bei ihrer Bewegung in den Gleitebenen liegende Fremdatome überwinden
  • Gitterverzerrung(-spannung) durch Substitutionsatome -> behindern die Versetztungswanderung
  • Einlagerungsatome (interstitielle Mischkristalle) lagern sich an Versetztungsspitzen an
  • Verfestigung durch Einlagerungsatome größer als Substitutionsatome

Erklären sie Korngrenzenverfestigung

  • Anstauen von Versetzungen an den Korngrenzen (Hauptanteil der Verfestigung)
  • unterschiedliche Orientierung -> nur bestimmte Gleitsysteme liegen in Beanspruchungsrichtung
  • wirkt sich hauptsächlich auf Elastizitätsgrenze und Streckgrenze aus
  • deshalb Feinkornbaustähle mit hohen Festigkeiten (Tieftemperaturanwendung)
  • Nachteil: bei zeitlich konstanter Belastung unter erhöhten Temperaturen kommt es zum Korngrenzgleiten -> verringerte Zeitstandfestigkeit

Erklären sie Ausscheidungsverfestigung

  • Überwinden von Teilchen durch Schneiden bzw. Umgehen der Gleitversetztungen zwischen den einzelnen Teilchen in der Gleitebene führt zur Verfestigung
  • Voraussetzung: Bildung von Mischkristallen deren Lösungsvermögen mit der Temperatur sinkt
  • zB: Härtung von Aluminium durch Kupfer (Löslichkeit: 5,65% bei 548°C; 0,5% bei RT)
  • Lösungsglühen oberhalb Segregationslinie
  • Abschrecken auf RT, es entstehen übersättigte Mischkristalle
  • Auslagern bei RT oder erhöhter Temperatur -> aus den übersättigten MK scheidet sich die 2te Phase aus

Erklären sie Orientierungsverfestigung

  • texturbehaftete Vielkristalle, nur eine bestimmte Anzahl an Kornorientierungen

Anforderungen an Hochtemperaturwerkstoffe

Warmfestigkeit (mechanische Anforderungen):

  • Festigkeitskennwerte (Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, etc.) zeigen oberhalb einer Grenztemperatur eine Zeitabhängigkeit
  • Grenztemperatur entspricht ca. der Rekristalisationstemperatur (TR~0,4*TS)
  • streng genommen nur für reine Metalle gültig
  • Verunreinigungen und Legierungselemente verschieben TR weiter nach oben

Zunderbeständigkeit und Korrosionswiderstand (chemische Anforderungen):

  • Widerstandsfähigkeit gegen Gase und Chemikalien mit denen der Werkstoff im Betrieb in Berührung kommt
  • Bsp: Stickoxide, Wasserdampf, Halogene, schwefelhaltige Gase, Flugasche, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Reagenzien, Kühlwasser
  • diese dürfen während des Betriebs keine bzw. nur sehr geringe Auswirkungen auf das Werkstoffverhalten zeigen

In welche zwei Bereiche muss man bei der Auslegung von Warmfesten Bauteilen unterscheiden?

Bereich der Kaltverformung: Einsatztemperatur < TR

  • Auslegung nach der Kurzzeitfestigkeit

Bereich der Warmverformung: Einsatztemperatur > TR

  • Kriechfestigkeit: Dauerfestigkeit, Zeitstandfestigkeit, Zeitdehngrenze
  • Warmfestigkeit (es gibt keine Dauerschwingfestigkeit)
  • Temperaturwechselfestigkeit
  • Bei Anwendung des HOOK'schen Gesetztes ist zu beachten: E-Modul sinkt im allgemeinen mit der Temperatur

Nennen sie Auswahlkriterien für einen HT-Werkstoff

  • Oxidation, Korrosion, Schichthaftung
  • Gießbarkeit, Bearbeitbarkeit
  • Wärmebehandlung
  • Gefügestabilität
  • Festigkeit, Zeitstand
  • Preiß
  • Bauteilgröße
  • Wahl des Treibstoffs
  • Wartungsintervalle
  • Reperaturfreundlichkeit

Beispiele für HT-Werkstoffe

  • Fe-Basislegierungen: X8CrTi17, X19CrMo121
  • Co-Basislegierungen: CoCr20W15Ni; CoCr20Ni20W
  • Ni-Basislegierungen: NiCr15Fe; NiCr20Ti
  • intermetallische Verbindungen
  • Keramiken

Was ist Oxidation?

  • Oxidation ist eine Phasengrenzreaktion zwischen der Metalloberfläche und umgebenden Gasen
  • verändert Werkstoffeigenschaften meist auf unerwünschte Weiße oder zerstören sie sogar ganz
  • es entsteht eine porenfreie Schicht die das Metall von dem umgebenden Gas trennt
  • Reaktion läuft trotzdem weiter! aber meist verzögert (Diffusion)

Was versteht man unter "anlaufen" und "verzundern"? Wo leigt der Unterschied?

Durch Oxidation entsteht eine Schicht auf der Metalloberfläche:

  • dünne Schicht: anlaufen
  • dicke Schicht; verzundern

Von was ist die Oxidation abhängig? Durch was wird sie begünstigt?

Oxidation ist im allgemeinen von der Temperatur und der Einwirkzeit abhängig

Niedrige Temperatur:

  • Schichtdicken 0,001 µm - in Einzelfällen bis zu 0,2µm
  • logarithmische Beziehung zwischen Schichtdicke und Zeit in oxidierender Umgebung

höhere Temperatur:

  • Schichtdicken 0,01-0,02µm
  • meist parabolische Beziehung (Tamann'sches Anlaufgesetz; Quadratisches Verzunderungsgesetz; parabolisches Zeitgesetz)
  • gilt nur wenn Oxidschicht gleichmäßig und durch Diffusionsprozess gesteuert

hohe Temperaturen, größere Einwirkzeit

  • Schichtdicke min. 0,2µm; meist > 0,5µm
  • oft linearer Zusammenhang zwischen Schichtdicke <=> Einwirkzeit
  • Vorrausetzung: poröse Deckschicht
  • bei poröser/rissiger Deckschicht steigt die Oberfläche => Korrosion wird begünstigt

Wie wirkt sich die gebildete Oxidschicht auf einer Oberfläche auf weitere Oxidation aus?

  • Dichte Deckschicht und keine Diffusion -> Stillstand der Oxidation
  • Dichte Deckschicht und Diffusion -> verlangsamte aber dennoch fortschreitende Oxidation (Diffusion ist Temperaturabhängig!)
  • Poröse Deckschicht -> vergrößerte Oberfläche begünstigt Oxidation

Deckschichten sind meist spröde -> Zugspannung fördert die Rissbildung und somit auch die Korrosion

dichte Schichten entstehen meist wenn das Molvolumen des Oxids größer als das des Metalls ist

poröse Schichten enstehen meist bei Molvolumina die kleiner als die des Metalls sind

Wie kann die Korrosion/Oxidation als Schutzschicht genutzt werden?

  • besonders dichte und festhaltende Deckschichten bilden zB.: durch Cr, Si, Al
  • da Cr, Si, Al eine höhere affinität zu O haben als Fe gibt es nur einen geringen anteil an FeO in der Deckschicht
  • spezielle Oberflächenbehandlung von Superlegierungen mit Al oder Cr zur bildung einer Passivschicht (dicht und porenfrei)
  • Oxidschicht meis hart/spröde -> erhöhter Verschleiswiederstand
  • Bei verletzen der Deckschicht oxidiert das freigelegte Material und bildet neue Oxidschicht

Welche Eigenschaften lassen sich durch eine Oberflächenbehandlung verbessern?

Mechanische Eigenschaften:

  • Härte
  • Verschleisfestigkeit
  • Erodierbarkeit
  • Verformbarkeit
  • Zähigkeit
  • Materialermüdung/Dauerschwingfestigkeit
  • Haftung/Reibung

Chemische Eigenschaften:

  • Korrosionsbeständigkeit
  • Oxidationsbeständigkeit/Zunderbeständigkeit
  • Elektrochemische Eigenschaften
  • Katalytische Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften:

  • Leitungswiderstand
  • Supraleitfähigkeit
  • Halbleiterdotierung
  • Photoleitung
  • Dielektrische Eigenschaften
  • Magnetische Eigenschaften/Magnetismus
  • Reflexionsvermögen

Was versteht man unter einer künstlichen Schutzschicht? Was versucht man damit zu erreichen?

Eine künstliche Schutzschicht ist eine zusätzliche Deckschicht die durch spezielle Oberflächenbehandlung aufgebracht wird

Das Aufbringen von künstlichen Schutzschichten:

  • bewirkt eine Erhöhung des Oxidationswiderstand
  • verhindert die Ausscheidung einer spröden Phase
  • verbessert Ermüdungsverhalten unter thermisch-mechanischer Beanspruchung

Welche Arten von künstlichen Schutzschichten kennen sie?

Metallische Oberflächenschichten:

  • thermisch Spritzen
  • Schmelztauchen
  • Galvanisieren
  • Chemical Vapour Depsoition (CVD)
  • Physical Vapour Deposiotion (PVD)

Anorganische nichtmetallische Oberflächen:

  • Anodisieren
  • CVD/PVD
  • Emaillieren
  • Thermisch Spritzen

Organische nichtmetallische Oberflächenschichten:

  • Streichen/Lackieren
  • Spritzen
  • Tauchen/Fluten
  • Beschichten mit Kunststoff

Erläutern sie das Vakuumdampfen, zu welcher gruppe der Oberflächenbehandlung gehört es?

gehört zu PVD (Physikalische ausscheidung aus der Gasphase)

  • Schutzschichtmaterial wird in Hochvakuum über Schmelztemperatur gebracht
  • Verdampft und Kondensiert auf niedrig temperiertem Substrat (Bauteil)

Erläutern sie das Sputterverfahren, zu welcher gruppe der Oberflächenbehandlung gehört es?

PVD-Verfahren

Prozessgas wird ionisiert (meist Argon) und wird zum negativ geladenen Target (Aufdampfmaterial) beschleunigt

Durch den Beschuss des Targets kommt es zum Sputtering: Material wird durch Austausch der Aufprallenergie herausgelöst

Target erwärmt sich dabei -> Kühlung der Rückseite

Substrat befindet sich vor Target und fängt den entstehenden Atomfluss auf -> wird beschichtet

Prozessgeschwindigkeit (Ausbeutungsrate) liegt für fast alle Materialien in der gleichen Größenordnung -> attraktiv da fast alle Materialien mit wirtschaftlich akzeptabler Aubeutungsrate eingesetzt werden können

Erläutern sie das Sputterverfahren, zu welcher gruppe der Oberflächenbehandlung gehört es?

PVD-Verfahren

Prozessgas wird ionisiert (meist Argon) und wird zum negativ geladenen Target (Aufdampfmaterial) beschleunigt

Durch den Beschuss des Targets kommt es zum Sputtering: Material wird durch Austausch der Aufprallenergie herausgelöst

Target erwärmt sich dabei -> Kühlung der Rückseite

Substrat befindet sich vor Target und fängt den entstehenden Atomfluss auf -> wird beschichtet

Prozessgeschwindigkeit (Ausbeutungsrate) liegt für fast alle Materialien in der gleichen Größenordnung -> attraktiv da fast alle Materialien mit wirtschaftlich akzeptabler Aubeutungsrate eingesetzt werden können

Erläutern sie das Sputterverfahren, zu welcher gruppe der Oberflächenbehandlung gehört es?

PVD-Verfahren

Prozessgas wird ionisiert (meist Argon) und wird zum negativ geladenen Target (Aufdampfmaterial) beschleunigt

Durch den Beschuss des Targets kommt es zum Sputtering: Material wird durch Austausch der Aufprallenergie herausgelöst

Target erwärmt sich dabei -> Kühlung der Rückseite

Substrat befindet sich vor Target und fängt den entstehenden Atomfluss auf -> wird beschichtet

Prozessgeschwindigkeit (Ausbeutungsrate) liegt für fast alle Materialien in der gleichen Größenordnung -> attraktiv da fast alle Materialien mit wirtschaftlich akzeptabler Aubeutungsrate eingesetzt werden können

Erläutern sie das Thermische Spritzen, zu welcher gruppe der Oberflächenbehandlung gehört es?

PVD Verfahren

  • Wärmequellen: Lichtbogenspritzen; Flammspritzen; Detonationsflammspritzen; Plasmaspritzen
  • Ausgangsmaterialien: Stäbe, Drähte, Pulver
  • Material wird aufgeschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit auf das Substrat  geschossen wo es rasch erstarrt

Nennen sie die Unterschiede zwischen PVD und CVD Verfahren

Hauptunterschied: beim CVD Verfahren läuft eine chemische Reaktion auf der Substratoberfläche unter Ausscheidung einer festen Phase ab

Weitere Unterschiede:

  • CVD-Prozesse laufen bei beliebigem Druck ab -> PVD im Vakuum (Anlagen sind teurer)
  • Prozesstemperaturen beim CVD sehr hoch -> einschränkung der Substrat und Beschichtungsmaterialien

Erläutern sie das CVD-Verfahren

CVD: chemische Reaktion an Substratoberfläche unter Ausscheidung einer festen Phase

  • Reaktion wird meist durch Wärme aktiviert (Temperaturbelastbarkeit des Substrats muss beachtet werden!) kann aber auch durch Plasma aktiviert werden
  • Beschichtungsmaterialien stark eingeschränkt, da sonst Prozesstemperatur zu hoch
  • Substratmaterialien durch hohe Prozesstemperaturen (meist >1000°C) ebenfalls stark eingeschränkt
  • Weitere Einschränkung der Kombinationsmöglichkeiten durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten (entstehen Zugspannungen und somit Risse neigt die Schutzschicht zum Abplatzen)
  • Wichtigste Reaktionen beim CVD-Prozess: Wasserstoffreduktion von Metallhalogenen, Spaltung von Metall-Organica

Wie wirkt sich die Prozesstemperatur beim CVD-Verfahren auf die Beschichtung aus? Erläutern sie in diesem Zusammenhang die Epitaxe!

  • niedrige Prozesstemperatur -> amorphe Schicht
  • Erhöhung der Prozesstemperatur erhöht die Neigung zur Kristallisation
  • Epitaxe: wenn Struktur des Schichtmaterials und des Substrats ähnlich und geeignete Beschichtungsbedingungen (Gaszusammensetzung, Temperatur, Druck) hat die Schicht und das Substrat den gleichen Kristallaufbau
  • Epitaxe sind in ihren Eigenschaften amorphen und polykristallinen Schichten meist überlegen

Was versteht man unter Kriechen? Welche 3 Kriechstadien gibts es und wodurch sind diese chrakterisiert?

Kriechen: Zeitabhängige Dehnung bei konstanter Belastung oberhalb der Rekristallisationstemperatur TR

  • I. Primäres oder Übergangskriechen: Kriechgeschwindigkeit nimmt wegen der Verfestigung ab
  • II. Sekundäres oder stationäres Kriechen: Verfestigung und Entfestigung (Erholung) sind im dynamischen Gleichgewicht
  • III. Tertiäres oder beschleunigtes Kriechen: Kriechgeschwindigkeit steigt bis zur Bruchzeit tB; Entfestigung ist größer als Verfestigung; Bruch der Probe am Ende des Kriechabschnitts (verläuft meist interkristallin)

Erklären sie den Begriff Dauerstandfestigkeit!

Dauerstandfestigkeit: Die Dauerstandfestigkeit ist die größte ruhende Nennspannung die bei konstanter Versuchstemperatur "unendlich lange" ohne Bruch ertragen werden kann (Kriechen kommt zum Stillstand). (theoretischer Wert, da unendlich lange Versuchsdauer nicht realisiert werden kann)

Erklären sie den Begriff Zeitstandfestigkeit!

Zeitstandfestigkeit: Die Zeitstandfestigkeit, bei bestimmter Temperatur, ist die ruhende Belastung (bei RT auf Anfangsquerschnitt bezogen), die nach Ablauf einer bestimmten Versuchszeit den Bruch der Probe hervorruft.

Kurzzeichen der Zeitstandfestigkeit: Rm mit dem Index: Zeit in Stunden/Temperatur in °C  (Bsp.: 1000h Zeitstandfestigkeit bei 800°C = Rm 1000/800)

Erläutern sie den Begriff Zeitstandkriechgrenze!

Zeitstandkriechgrenze (Zug: Zeitdehngrenze, Druck: Zeitstauchgrenze): Die Zeitstandkriechgrenze ist die ruhende Belastung (bei RT auf Anfangsquerschnitt bezogen), bei der nach einer bestimmten Zeit ein bestimmter Kriechbetrag wirkt. Der Kriechbetrag entspricht der bleibenden Dehnung

Kurzzeichen der Zeitstandkriechgrenze: Rp mit dem Index: bleibende Verformung in %/Zeit in Stunden/Temperatur in °C (Bsp.: 0,2%-1000h-Zeitdehngrenze bei 800°C = Rp 0,2/1000/800

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