Werkstoffkunde 1, Stähle
Fragen zum Buch Kapitel 6
Fragen zum Buch Kapitel 6
Kartei Details
| Karten | 24 |
|---|---|
| Sprache | Deutsch |
| Kategorie | Chemie |
| Stufe | Universität |
| Erstellt / Aktualisiert | 26.04.2014 / 29.09.2015 |
| Weblink |
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Wodurch ist die besondere Bedeutung der Stähle im Vergleich zu anderen metallischen Werkstoffen begründet?
Produktionsmenge: wesentlich mehr als alle anderen Metalle in Summe
Vielseitigkeit der Eigenschaften: durch Wärmebehandlungsverfahren und Legierungselemente sind die Eigenschaften in einem sehr breiten Spektrum variierbar
Preis und Verfügbarkeit: Stähle sind vergleichsweise preiswert und gut verfügbar
a) Wie wird Roheisen hergestellt?
b) Wie wird Roheisen Stahl hergestellt?
a) Hochofenprozess: thermische Reduktion von Eisenerzen und Koks
b) Frischen von Roheisen zum Abbrennen von Kohlenstoff und Verunreinigungen + Sekundärmetallurgie oder Elektrostahlverfahren
a) Was versteht man unter Perlit?
b) Erklären Sie den Entstehungsmechanismus von Perlit.
a) Perlit ist ein feinlamellar aufgebauter Gefügebestandteil aus Ferrit und Zementit.
b) Perlit entsteht bei der Abkühlung von Kohlenstoffstählen im eutektoiden Punkt. Austenit (0,8% C) wandelt sich zu Ferrit (kohlenstofffrei) und Zementit (Fe3C, 6,7% C) um. Dafür ist C-Diffusion erforderlich. Die Umwandlung läuft so ab, dass Ferrit- und Zementitlamellen parallel in das ehemalige Austenitkorn hineinwachsen, in der Umwandlungsfront diffundiert C. Voraussetzung für die Perlitbildung ist, dass die Abkühlung nicht zu rasch erfolgt. Wenn der Diffusionsprozess unterdrückt wird, entsteht Martensit oder Bainit.
a) Wie hoch ist die maximale Löslichkeit von Kohlenstoff in alpha-Fe und in Gamma-Fe?
b) Warum unterscheidet sich die Löslichkeit?
a) In Alpha-Fe: maximal 0,02 % C, in Gamma-Fe: maximal 2,1 % C
b) C wird interstitiell gelöst. Die Form der Gitterlücken in Alpha-Fe und Gamma-Fe ist unterschiedliche. Die Lücken in Alpha-Fe sind unsymmetrisch und flach, die C-Atome passen nicht hinein.
Ein unlegierter Stahl mit 0,6 % Kohlenstoff wird sehr langsam von 800°C auf Raumtemperatur abgekühlt.
a) Welche Phase liegt bei 800°C vor?
b) Welche Phasen liegen bei Raumtemperatur vor?
c) Welches Gefüge liegt bei Raumtemperatur vor?
d) Geben Sie die Mengenanteile der Gefügebestandteile an.
a) Gamma-Mischkristall (Austenit)
b) Alpha-Eisen (Ferrit) und Fe3C (Zementit)
c) ferritisch-perlitisches Gefüge
d) bei Gleichgewichtsbedingungen 75 % Perlit und 25 % Ferrit
Warum haben Stähle maximal 2% Kohlenstoff (Begründung anhand der Definition des Begriffes "Stahl" und des Gefügeaufbaus bei > 2% Kohlenstoff)?
Stahl ist ein Eisenbasis-Werkstoff, der kalt- und/oder warmumformbar ist. Mindestanforderung ist Warmumformbarkeit im Austenitgebiet. Diese ist (in unlegierten Stählen) bis 2,1% C gegeben, bei höheren C-Gehalten liegt Ledeburit vor, der als spröder Gefügebestandteil die Warmumformung stört. Bei höheren C-Gehalten --> Eisengusswerkstoffe
Welche Informationen können Sie einem ZTA-Diagramm entnehmen?
Das Zeit-Temperatur-Austenitisierungsdiagramm zeigt, bei welcher Temperatur der Stahl wie lange geglüht werden muss, um das Ausgangsgefüge zu homogenem Austenit umzuwandeln. Außerdem ist die Korngröße als Funktion von Gühtemperatur und -dauer zu entnehmen.
a) Welches Ziel wird beim Spannungsarmglühen verfolgt?
b) Wie wird das Spannungsarmglühen durchgeführt?
a) Reduzierung des Eigenspannungszustandes in einem Werkstück oder Bauteil.
b) Langsames Erwärmen auf 450 - 650°C, Halten und langsames Wiederabkühlen
a) Welches Gefüge hat ein unlegierter Stahl mit 0,4 % C nach sehr langsamer Abkühlung von 900°C auf Raumtemperatur?
b) Geben Sie die Mengenanteile der Gefügebestandteile an.
c) Welches Gefüge hat dieser Stahl nach Abschreckung von 900°C in Wasser?
a) ferritisch-perlitisches Gefüge
b) 50% Ferrit, 50% Perlit
c) Martensit
a) Was versteht man unter Martensit?
b) Welche mechanischen Eigenschaften hat Martensit?
a) Gefüge in C-Stählen bei rascher Abkühlung
b) hart, fest, spröde
a) Welches Eigenschaftsprofil wird bei der Wärmebehandlung "Vergüten" angestrebt?
b) Welche drei Arbeitsschritte enthält die Wärmebehandlung Vergüten?
c) Erläutern Sie die mikrostrukturellen Veränderungen während der entsprechenden Arbeitsschritte.
d) Warum sind Vergütungsstähle in der Regel legiert?
e) Wie unterscheidet sich das Bainitisieren vom Vergüten?
a) hohe Festigkeit kombiniert mit hoher Zähigkeit
b und c)
Austenitisieren: Umwandlung des Ausgangsgefüges zu homogenem Austenit
Abschrecken: Umwandeln des Austenit zu Martensit
Anlassen bei hohen Temperaturen: Ausdiffusion von C aus dem Martensit
Bildung von feinverteilten Carbiden --> Vergütungsgefüge
d) Legierungselemente bewirken Verschiebung der Ferrit-/Perlitnase zu längeren Zeiten. Dadurch entsteht auch bei langsamer Abkühlung Martensit, d.h. größerer Durchmesser können durchgehärtet werden, um auch im Kern Vergütungsgefüge zu erhalten
e) Bainitisieren ist eine meist isotherme Umwandlung in der Bainitstufe. Es entsteht das Gefüge Bainit mit ähnlichen Eigenschaften wie ein Vergütungsgefüge
a) Was versteht man unter Einsatzhärtung?
b) Beschreiben Sie kurz den Verfahrensablauf.
a) Verfahren zum Härten oberflächennaher Schichten durch Aufkohlen eines C-armen Stahls und anschließendes Härten
b) Die Oberflächenschicht eines niedrig kohlenstoffhaltigen Stahls (ca. 0,15% C) wird durch Glühen im Austenitbereich in kohlenstoffreicher Umgebung (Pulver, Salzschmelzen, Gase) auf ca. 0,8% C aufgekohlt. Dann konventionelles Härten. Nur die aufgekohlte Oberflächenschicht erreicht volle Martensithärte (> 700 HV), das Innere bleibt zäh
a) Was versteht man unter thermomechanischen Verfahren?
b) Welche Vorteile haben thermomechanische Verfahren gegenüber konventioneller Fertigung?
a) Integration von Umformprozessen in die Abkühlphase der Wärmebehandlung
b)
- Verbesserte Werkstoffeigenschaften
- Verbesserte Maßhaltigkeit und Oberfläche der Bauteile
- Kosteneinsparung durch Einsparung von Prozessschritten, schnellere Durchlaufzeiten und Energieeinsparung
a) Was versteht man unter Sondercarbiden?
b) in welchen Stahlgruppen isnd Sondercarbide und warum?
a) Sondercarbide weichen im Aufbau von Fe3C ab. Sie werden von starken Carbidbildnern ohne Beteiligung von Eisenatomen gebildet, z.B. VC, TiC, Mo2C.
b) Sondercarbide sind dann wichtig, wenn Verschleißbeständigkeit und/oder Festigkeit bei hohen Temperaturen erforderlich ist, z.B. in Schnellarbeitsstählen und Warmarbeitsstählen. Sondercarbide sind anders als Martensit thermisch sehr beständig bzw. werden erst beim Anlassen bei hohen Temperaturen gebildet (Sekunderhärte)
Welche Informationen liefert ein ZTU-Diagramm?
Ein Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm zeigt, welche Gefüge sich in einem Stahl bei unterschiedlichen Abkühlbedingungen aus dem Austenitgebiet bilden.
Was bedeutet die Bezeichnung "Edelstahl?"
Edelstahl ist die höchste Hauptgüteklasse, d.h. dass der Stahl durch sorgfältige metallurgische Herstellung besonders hohe Reinheit in Bezug auf P, S und Einschlüsse und spricht definiert und gleichmäßig auf Wärmebehandlungsverfahren an.
Keine Aussage in Bezug auf Korrosionsbeständigkeit!
Was bedeutet die Bezeichnung S235JR?
Baustahl für den allgemeinen Stahlbau, garantierte Streckgrenze 235 N/mm², garantierte Kerbschlagarbeit 27 J bei Raumtemperatur.
Was bedeutet die Bezeichnung E360?
Baustahl für den Maschinenbau, garantierte Streckgrenze 360 N/mm²
Was bedeutet die Stahlbezeichnung 34CrNiMo6?
Niedrig legierter Stahl mit ca. 0,34% Kohlenstoff, 1,5% Chrom, etwas Nickel und Molybdän.
Welche Funktion haben die folgenden Legierungselemente im jeweiligen Stahl:
a) Cr in 34CrNiMo6
b) Cr in X2CrNiTi 18 10
c) S in Automatenstahl
d) W in HS-6-5-2-5
a) Niedrig legierter Stahl mit 1,5% Cr: --> Wärmebehandelbarkeit
Verschieben der Ferrit-/Perlitnase zu längeren Zeiten, dadurch Absenken der kritischen Abkühlgeschwindigkeit für Martensitbildung, dadurch größere Durchmesser vergütbar, --> typischer Vergütungsstahl
b) Hoch legierter Stahl mit 18% Cr: Korrosionsbeständigkeit, rostfreier Stahl
c) Schwefel bildet im Automatenstahl Mangansulfide: Spanbrüchigkeit, bessere Zerspanbarkeit
d) Schnellarbeitsstahl mit 6% Wolfram: Sondercarbide für Verschleißbeständigkeit bei hohen Temperaturen
a) Wie erreicht man in hochfesten Feinkornbaustählen die Kombination von hoher Festigkeit und guter Schweißbarkeit?
b) Nennen Sie ein typisches Anwendungsbeispiel.
c) Welchen Vorteil bringt die Verwendung dieser Stähle im Vergleich zu einfachen Baustählen?
d) Welche Streckgrenze werden etwa mit hochfesten Feinkornbaustählen erreicht?
a) Gute Schweißbarkeit --> C-Gehalt und Gehalt an Legierungselementen muss niedrig sein. Hohe Festigkeit vor allem über sehr feinkörnige Gefüge (ggf. durch TM-Verfahren), Mischkristallhärtung und ggf. Ausscheidungshärtung.
b) große geschweißte Leichtbaukonstruktionen, z.B. Mobilkran
c) Gewichtsersparnis bzw. höhere Belastbarkeit bei gleichem Gewicht
d) bis zu 1100 N/mm²
Sowohl Kaltarbeitsstähle als auch Schnellarbeitsstähle brauchen hohe Härte und hohen Verschleißwiderstand. Erläutern Sie, durch welche Gefügebestandteile Härte und Verschleißwiderstand jeweils zustande kommen und begründen Sie den Unterschied aus den Anforderungen bei der Verwendung dieser Stähle.
Kaltarbeitsstähle: Martensit, z.T. Sondercarbide
Schnellarbeitsstähle: Sondercarbide
Kaltarbeitsstähle werden nur bis maximal 200°C eingesetzt, häufig nur bei Raumtemperatur. Härte und Verschleißbeständigkeit lässt sich dann über Martensit erreichen.
Schnellarbeitsstähle werden bei bis zu 600°C eingesetzt. Die Martensithärte geht durch die hohen Anlasstemperaturen vollständig verloren. Die Verschleißbeständigkeit ist deshalb nur durch sehr harte und thermisch sehr beständige Sondercarbide möglich.
Ordnen Sie aus der unten stehenden Liste von Stahlgruppen jeweils die passende den folgenden Anwendungen zu:
a) Sägeblatt zur Holzbearbeitung
b) Druckgusswerkzeug
c) Bohrer zur Metallverarbeitung
Baustahl, Schnellarbeitsstahl, Vergütungsstahl, Kaltarbeitsstahl, Warmarbeitsstahl, austenitischer Stahl
a) Kaltarbeitsstahl
b) Warmarbeitsstahl
c) Schnellarbeitsstahl
Ordnen Sie die folgenden Stähle den richtigen Gruppen zu:
- Schnellarbeitsstahl
- Warmarbeitsstahl
- Vergütungsstahl
- Einsatzstahl
- hochfester Feinkornstahl
- Maschinenbaustahl
- rostfreier austenitischer Stahl
42CrMo4, S960Q, X5CrNi18-10, HS 6-5-2-5, X32CrMoV3-3, E360, 16MnCr5
- 42CrMo4: Vergütungsstahl
- S960Q: hochfester Feinkornbaustahl
- X5CrNi18-10: rostfreier austenitischer Stahl
- HS 6-5-2-5: Schnellarbeitsstahl
- X32CrMoV3-3: Warmarbeitsstahl
- E360: Maschinenbaustahl
- 16MnCr5: Einsatzstahl
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