Werkstoffkunde

MB, BTVT FH Flensburg

MB, BTVT FH Flensburg


Wenke Schwantes
Diese Lernkarten behandeln die Eigenschaften und Verhaltensweisen von Werkstoffen auf Universitätsniveau, mit Fokus auf Festigkeit, Härte und Korrosion. Sie diskutieren Vor- und Nachteile verschiedener Materialien wie Stahl, Messing und Aluminium, sowie Prozesse wie Kaltverfestigung und Vergüten. Ideal für Studierende der Technik, die ein tiefes Verständnis von Werkstoffen und deren Anwendung in der Praxis erlangen möchten.
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Allemand
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Créé / Mis à jour
15.12.2013 / 28.08.2015

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Was ist Messing?

Messing ist ein Kupfer Basislegierung mit Zink als Hauplegierungselement

Warum ist Messing fester als reiner Kupfer?

Zink führt zur Mischkristallverfestigung. Festigkeit steigt mit Zink Gehalt an. Bis 37% Zink Gehalt entsteht ein homogenes kfz Mischkristallgefüge. Messing ist gut kaltumformbar. Ab 45% Zink Gehalt ist Messing für technische Zwecke unbrauchbar, da spröde

Geben sie ein Beispiel für eine Messing Legierung an.

CuZn 37

Wozu könnte man diesen Werkstoff verwenden ( CuZn 37) ?

Stangen, Profile, Schrauben

Erläutern sie die Werkstoffbezeichnung ( CuZn 37 )

Kupfer-Zink-Legierung mit 37% Zink Anteil

Erläutern sie den Begriff " Superlegierung" hinsichtlich
Einsatzgebiet
Eigenschaften
Zusammensetzung

Einsatzgebiete: Zündkerzen, Heizleiter

Eigenschaften: Bei hohen Temperaturen garantierte Festigkeit

Zusammensetzung: NiTi10: Nickel mit 10% Titan

Plastomere:

1Aufbau, 2Mechanische Eigenschaften, 3Verarbeitungseigenschaften, 4ihre mechanischen Eigeschaften bei T erhöhung, 5Recycling, 6Geben sie ien Beispiel, 7Verwendung, 8Verarbeitung

1Die Moleküle der Plastomere liegen in Form von langen iteinander verwundenen Fäden vor. Sie haben keine feste Verbindung untereinander.

2plastisch verformbar, schweißbar, oberhalb einer gewissen T, weich, zäh und warmumformbar

3mehrmalige warmumformung

4Festigkeit sinkt, schmelzbar, plastisch verformbar, schweißbar. Sie werden weicher und schmelzen irgendwann

5gut recyclebar, da verschmelzbar und warmumformbar

6Polyamid

7Tauwerk, Getränkeflaschen

8lassen sich nach der Erwärmung hervorragend plastisch verformen, schmelzen oder schweißen. Verarbeitung durch Extrudieren, Walzen

 

Duromere:

1Aufbau, 2Mechanische Eigenschaften, 3Verarbeitungseigenschaften, 4ihre mechanische Eigenschaten bei T erhöhung, 5Recycling, 6Geben sie ien Beispiel, 7Verwendung, 8Verarbeitung

1Die Moleküle der Duromere liegen in Form eines engen räumlichen Netzes vor. Sie sind untereinander fest verbunden.

2unschmelzbar, wenig plastisch verformbar, oft hohe Festigkeit, spröde, nicht warmumformbar

3nachträgliche Warmumformung nicht möglich

4nicht schmelzbar, behält seine Eigenschaften, hohe Festigkeit. sie bleiben auch bei hoher T noch Stabil, erweichen nicht, werden T zu hoch, verbrennen die Duromere

5schlecht recyclebar, da nicht schmelzbar

6Epoxidharz

7Bootsbau

aufgrund der Netzstruktur kaum plastisch verformen. sie sind spröde, sehr hart, können auch spannend verarbeitet werden. Verarbeitet werden sie meist als Gießharze, Laminarharze oder Knetbare Masse.

Erklären sie das Prinzip des kathodischen Korrosionsschutzes am Beispiel der Verwendung von Fremdstrom

-Die Anfälligkeit für Korrosion ist aus der eletrochemischen Spannungsreihe zu erkennen. Je höher ein Metall in der Spannungsreihe steht, desto edler ist es, also desto höher sein Normalpotential.

-je unedleres Metall, desto anfälliger für Korrosion

-unedleres Metall wirkt bei Korrosion immer als Anode, es löst sich auf

-unedleres Metall als Opferanode in der Nähe des zu schützenden Bauteils oder Verwendung von Fremdstrom

-Fremdstrom: an geschützt werdenden Werkstff wird Fremdstrom angelegt -er wird zur Kathode- Opferanode in der Nähe wirkt dann als Anode und korrieren ( Werkstoff wird geschützt, durch äußere Gleichstromquelle wird Schutzpotential aufrechterhalten, Anode: Graphitblöcke, Fe-Si-Platten, Stahlschrott)

Was verstehen sie unter dem Begriff "Kerbschlagarbeit"?

In welchem Versuch wird sie ermittel?

Erläutern sie die Begriffe "Hochlage" "Tieflage"

Kerbschlagarbeit ist die Arbeit, die aufgebracht werden muss um genormte Werkstoffprobe bei einer schlagartigen Beansruchung zu durchschlagen

Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy (Pendelschlagwerk)

Hochlage: große Schlagarbeit, zäher Werkstoff                 -> Verformungsbruch

Tieflage: geringe Schlagarbeit, spröder Werkstoff             ->Trennbruch

Welchen Einfluss haben folgende Größen auf die Dauerfestigkeit eines Bauteils? Begründung

-Wanddicke

-Temperatur

-Kerben

-Oberflächenrauhigkeit

-Je größer die Wanddicke, desto höher die Dauerfestigkeit

-Temperatur zu hoch, Werkstoff kann weich werden, Festigkeit steigt                                                   Temperatur zu kalt, Sprödigkeit erhöht, Festigkeit sinkt

-Viele Kerben senken die Dauerfestigkeit, da Schwachstellen/ Sollbruchstellen im Werkstoff sind               ~bei Belastungen als erstes zu Brüchen/ Rissen                  ~max. Biege- und Torsionsspannung treten in Randfasern und im Grund der Kerbe auf

-Oberflächenrahigkeit ist entscheident für die Dauerfestigkeit, viele Kratzer senken Dauerfestigkeit, je glatter Oberfläche, desto höher Dauerfestigkeit

Ein Stahl hat eine gemessene Härte von 200HV. Welche Zugfestigkeit erwarten sie?

Rm = 3,38 * HV = 676 MPa

Beschreiben sie 0-, 1-, 2-, 3- Dimensionale Gitterfehler

Beispiel

Verfestigungsart

Werkstoffbeispiel

0: Leerstellen -- Mischkritallverfestigung -- AlMg 30

1: Versetzungen -- Kaltverfestigung -- Al 99.5 H 12

2: Korngrenzen -- Feinkornverfestigung -- S 355 M

3: Ausscheidungen -- Teilchenverfestigung -- AlSiMg T6

Was bedeuten folgende Begriffe

E, A, Z, Rp0,2, Rm

E: Elastizitätsmodul, Verformung des Bauteil bei Belastung -hoher Wert, geringe Dichte

A: Bruchdehnung, Bei Konstruktion nicht von Belangen, nur bei Versagen wichtig

Z. Brucheinschnürung, Bei Konstruktion nicht von Belangen, nur bei Versagen wichtig

Rp0,2: 0,2% Dehngrenze

Rm: Zugfestigkeit, Um Aussage über den Werkstoff zu erhalt        -Verschiedene Anwendungen, bestimmte Anforderungen an den Werkstoff gestellt, somit kann man Werkstoff, Anhand des Kennwerts, wählen, der gewünschte Anforderung erfüllt

Nennen sie Kurzzeichen und Anwendungsbereiche folgender Härtemethoden

Brinellhärte

Vickershärte

Rockwellhärte

HB: weicher Werkstoff - Kupfer - glatte, glänzende Oberflächen

HV: universell einsetzbar - harte / weiche Werkstoffe

HRB: mittlere Härte - Stähle, niedriger Kohlenstoffgehalt - Messing

HRC: gehärtete, angelassene Stähle

Bei der Aushärtung von Alu- Legierungen steigt während der Auslagerung zuerst die Härte mit der Zeit an, beim Anlassen von Stahl sinkt sie kontinuierlich.

Welcher Prozess ist Aushärten und Anlassen gemeinsam?

Warum entwickeln sich die Härte in unterschiedliche Richtungen?

Erwärmen/ Lösungsglühen und Abschrecken

Weil nach dem Härten eine extrem hohe Mischkristallverfestigung durch den Zwischengitterplätzen gelösten Kohlenstoff vorliegt                                    Zementit ist eine inkohärente Ausscheidung - führt zur Härteabnahme - Mischkristallverfestigung geht zurück durch Zementitausscheidung                                            Bei der Aushärtung werden Legierungselemente ausgesucht - kohärente Ausscheidungen bilden - deswegen den weichen Mischkristall verfestigen

Was ist "Diffusion"

Diffusion ist eine Temperaturbedingte Bewegung/ Wanderung von Atomen im Kristallgitter unter Einflusseines Konzentrationsgefälle. Die Atome im Gitter müssen löslich sein oder beweglich unter Einfluss eines Konzentrationsgefälles durch die Wärmebewegung.

Was ist die Ursache für Kontaktkorrosion?

Kontaktkorrosion tritt bei elejtrisch verbundene und leitenden Teilen verschiedener Metalle auf, wenn sie mit einem Elektrolyten in Verbindung kommen.

Anode: Das in der Spannungsreihe nagative Metall   --> korrodiert

Diskutieren sie den Einsatz von Siliziumnitrit als Werkstoff für Motorventile. Vor- u. Nachteile. Den wesentlichen Vorteil von Siliziumnitrit gegenüber anderen keramischen Werkstoffen.

Si3N4

Vorteile: geringe Dichte, hohe Biegfertigkeit, hohe Zähigkeit, Korrosionsbeständig, geringe Wärmeaustauschkoeffizient, hohe Thermoschockbeständigkeit

Nachteile: teuer, zerstörungsfreie Prüfungsmethode zu Qualitätsprüfung noch unzureichend

 

Höchste Schockbeständigkeit

Nach dem Schweißen eines metallischen Werkstoffes wird in der Wärmeeinflusszone eine Härteabnahme festgestellt. Ursachen.

In Wärmeeinflusszone kann es zur Vergröberung beim langsam schweißen kommen. Eine Martensitbildung ist im schmelzgrenznahen Bereich der Schweißnaht zu beobachten --> spröde, rissig

Martensit: Enstehung durch Umwandlung des kfz-Austenitgitters ohne Platzwechsel der C-Atome.         Wenn erwärmter Werkstoff sehr schnell abkühlt --> keine thermische aktivierender Platzwechsel

Warum nimmt die Dehnung eines metallischen Werkstoffes  mit steigender Temperatur ab?

Die Dehnung nimmt mit steigender Temperatur ab, da der Werkstoff anfängt zu kriechen.

Kriechen: zeitabhängige, fortschreitende plastische Verformung

Zunehmende Beweglichkeit der Atome bei steigender Temperatur

Höhere Dehnung = höhere Leerstellendchte, Leerstellenkondensationen an den Korngrenzen führt zu einer Korngrenzendeformation. Das Kriechen führt bei höherer T zur Schwächung der Korngrenzen.

Warum kommt es bei allen kristallinen Werkstoffen bei Hochtemperaturwärmebehandlungen zu Vergröberungen? Regelfall unerwünscht?

Es kommt zur Vergröberung, da es zur Ausscheidung von Kohlenstoff bei hoher T kommt und sich zusammen lagert. Bildung großer Karbide.

--> Unerwünscht: -Werkstoff versprödet                                                            -Zähigkeit sinkt

 

Welches chemische Element führt sowohl bei Stahl, als auch bei Nickellegierungen zu einer Erhöhung der Korrosions- und Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit?

Zur Erhöhung der KOrrosions- und Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit führt Chrom, weil es Nitridbildner ist.

Welcher Gitterfehler führt zu einer Erhöhung von Festigkeit und Zähigkeit eines metallischen Werkstoffes?

Bei welchen Werkstoffgruppen wird das ausgenutzt?

Mischkristallverfestigung führt zur Erhöhung von Festigkeit und Zähigkeit

Es wird bei Reinmetallen ausgenutzt

Was versteht man unter interkristalline Korrosion?

In welchen Cr-Ni-Stählen kann sie auftreten?

Wie wird sie hervorgerufen?

Interkristalline Korrosion ist ein Koorosionsangriff an den Korngrenzen

Hoher Kohlenstoffgehalt

durch Schweißen -> Karbidausscheidungen an Korngrenzen - Chromverarmung - Unbeständigkeit der Passivschicht

Was ist Perlit?

Wie entsteht es?

Wie kann man Perlitbildung vermeiden?

Perlit ist Zementit und Ferrit - lamellare Form

Es entsteht durch Umwandlung des Austenits in kristallines Gemenge aus Ferrit und Zementitlamellen - schnelle Abkühlung

Vermeidung durch kürzere Abkühlungszeiten - kürzere Diffusionszeiten

Nennen sie Vor- und Nachteile der Verwendung von Titanlegierungen als Gasturbinenwerkstoff

Welche Legierungsklasse verwendet man für Gasturbinen, wenn Titanlegierungen nicht mehr verwendet werden können?

Vorteile: leicht, korrosionsbeständig, hohe Festigkeit bei geringer Dichte, hochtemperaturbeständig, gießbar

Nachteile: Passivschicht porös ab 300°C, teuer, Titan nimmt Nichtmetalle bei hoher Temperatur auf                   --> versprödung

 

Besser wäre es hochwarmfeste Stähle oder Nickelbasislegierungen zu nehmen

Welche Kupfersorte ( Normbezeichnung ) ist nicht zum Hartlöten geeignet?

E-Cu 57/58

-nicht geeignet, da H2- haltigen Gase diffundieren in Cu ( Sauerstoffhaltigen ) beim Schweißen und Hartlöten. Es entsteht H2O Dampf, kann nicht eindiffundieren und sprengt das Gefüge

Wie wirkt sich die Verstetzungsdichte auf die Festikeits- und Verformungseigentschaften aus?

Festigkeit: höhere Versetzungsdichte, erhöht Festigkeit, erschwert weitere Umformung

Verformungseigenschaften: Versetzungen behindern sich gegenseitig in Beweglichtkeit - erhöhte Spannung für weitere plastische Umformung

Warum sinkt die Härte bei der Rekristallisation?

Rekristallisation: Durch Erwaärmung werden z.B. Versetzungsdichte, Kaltverfestigung, Gitterverzerrungen, stufenweise abgebaut. Bildung von neuen unverspannten Gefügen.

-Festigkeit sinkt

-Härte sinkt

Wie wird der E-Modul in Faserrichtung eines Faserverbundwerkstoffs aus den Einzelkomponenten berechnet?

1. Feststellung wie Fasern zur Zugrichtung liegen

-Je kleiner der Winkel zur Zugrichtung, desto größer das E-Modul

Welche Fehler können bei der Wärmebehandlung von Werkzeugstählen zu nicht mehr ausreichender Härte führen?

Glühen bei zu hoher Temperatur ( Rekristalliert zu schnell )

zu langes Glühen ( Rekristalliert zu weit )

Was passiert beim Spannungsarmglühen?

Warum wird dieses Verfahren manchmal angewandt?

Beim Spannungsarmglülhen werden Makro- und Umwandlungsspannungen im Werkstoff beseitigt. Temperatur unter Anlasstemperatur oder unterhalb AC1-Temperatur

Ungleichmäßiges Erwärmen, Verformen oder nach Spannabhebenden Vorgängen entstandene Spannungen. Es kann zu Formänderungen oder Rissbildungen kommen. Zur Verhinderung der entstandenen Spannungen.

Ist Aluminiumoxid als Werkstoff für Motorventile in der Automobilbilbranche geeignet?

Nein, denn Aluminiumoxid ist extrem kerb- und schlagempfindlich                                                        -hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten

-sehr hohe Festigkeit

-gute Temperatureigenschaften bis 2000°C

-korrosionsbeständig

-Verschleißbeständig

Welche Polymere würden sich für die Produktion von Getränkeflaschen eignen?

PET:Polyethylenterephalat, da es gut einfärbbar, zäh/elastisch und breiten Gebrauchstemperaturenbereich hat

Diskutieren sie die Vor- und Nachteile, eine Transportverpackungen für 1 L kohlensäurehaltiges Getränk aus Glas, Porzellan, einem Plastomer, einem Duromer, Aluminium, Kupfer, Titan, verzinntem Stahl, verzinktem Stahl oder Cr-Ni-Stahl herzustellen

Glas: Vorteile: wieder verwendbar, säurebständig, Geschmacksneutral                                                     Nachteile: hohes Gewicht, spröde, hohe Energie bei Herstellung

Porzellan: Vorteile: Geschmacksneutral, Säurebeständig Nachteile: sehr spröde, teure Herstellung, nicht recyclebar

Plastomer: Vorteile: leicht, säurebeständig, geschmacksneutral, recyclebar

Duromer: Vorteile: durchsichtig                                   Nachteile: nicht recyclebar, spröde

Aluminium: Vorteile: tiefziehbar, leicht, recyclebar         Nachteile: bildet Passivschicht, metallischer Geschmack, nicht Geschmacksneutral, nicht säurebeständig

Kupfer: Vorteile: gut verformbar                                   Nachteile: nicht Geschmacksneutral, bildet giftige Schicht ( Oxidschicht )

Titan: Vorteile: fest, leicht, säurebeständig                       Nachteile: teuer, nicht Geschmacksneutral

Verzinnter Stahl: Vorteile: Lebensmittelecht                 Nachteile: nicht Geschmacksneutral

Verzinkter Stahl: Vorteile: Korrosionsbeständig                Nachteile: nicht Geschmacksneutral

Chrom-Nickel-Stahl: Vorteile: korrosiomsbeständig  Nachteile: allergische Reaktionen, nicht Geschmacksneutral

Diskutieren sie die Kerbempfindlichkeit?

geringe Kerbempfindlichkeit: S235JR, C45, AlZn5.5, MgCu-T6, GJS-350

kann kerbempfindlich sein: LD-PE, Al99.5-0

Kerbempfindlich: GJL-350

extrem Kerbempfindlich: Aluminiumoxid

Nennen sie zerstörugsfreie Werkstoffprüfungen?

-Härteprüfung: bedingt zerstörungsfrei, HB, HRC, HV

-Ultraschalluntersuchung: Schallverfahren

-Röngtenuntersuchung: Strahlenverfahren

-Magnetpulververfahren: magnetisches Verfahren

-Farbeindringverfahren: Kapillarverfahren

Was ist Vergüten?

Verfahren um Härte und Zähigkeit eines Werkstoffes zu erhöhen

Harten: möglichst reines Martensitgefüge entstehen, Perlitbildung vollstäändig vermeiden, Stahl abschrecken

Anlassen: Wärmebehandlung unter A1-Linie, Diffundierung von C- Atomen, Festigkeit nimmt zu, Verzerrungen geglättet, Karbide ausgeschieden

Was für Korrosionsarten gibt es?

Flächenkorrosion: Gleichmäßiger oder Muldenförmiges Abtrag, durch Witterungseinflüsse in Verbindung mit Staub und Gasen ( saurer Regen )

Spaltkorrosion: Sauerstoffspiegel sinkt im Spalt, Passivschicht löst sich auf- da der Sauerstoff in das Elektrolyt diffundiert- Elektrolyt trift auf Metall- Korrosion, an Stellen wo es durch Sauerstoffmangel zur Zerstörung der Passivschicht kommt

Lochfraßkorrosion: konzentrierte, auf kleine Fläche, Anode sehr kleine Fläche, Kathode sehr große Fläche

Kontaktkorrosion

Étudier