Werkstoffkunde Niedermeier
Prüfungsvorbereitung HS Weingarten
Prüfungsvorbereitung HS Weingarten
Was ist eine Opferanode?
Die Opferanode ist ein unedler Werkstoff als der zu schützende Auflösung der Opferanode geschütztes Werkstück wird zur Kathode, deshalb auch kathodischer Schutz genannt. Opferanode ist unedleres Metall, das beim Hinzukommen eines Elektrolyten die Korrosion auf sich zieht.
Was macht lamellaren Grauguss (GJL) für große Werkstücke so beliebt (Werkstoffaufbereitung bis zur Vergießbarkeit, Vergießeigenschaften, Weiterbearbeitbarkeit)?
Nennen Sie auch mindestens 3 Nachteile gegenüber anderen Gusswerkstoffen!
kostengünstiger Gußwerkstoff, wenig Schwund, gut zerspanbar, niederer Schmelzpunkt, gute Dämpfungsfähigkeit, gute Vergießbarkeit. Nachteile: stoßempfindlich, geringe Bruchdehnung, d.h. sehr spröde, nicht schweißbar.
- a) Was versteht man unter aktivem Korrosionsschutz? Nennen Sie 2 Beispiele!
- b) Welches sind die 3 Hauptverfahren des passiven Korrosionsschutzes?
Aktiver Korrosionsschutz ist ein Eingriff in die Korrosionsreaktion. Es bedeutet immer eine Verschiebung der Korrosion auf eine andere Oberfläche, also keine Vermeidung. - durch Legierung - durch Einbringen einer Opferanode - durch kathodischen Schutz
Gusseisen: was bedeuten die Abkürzungen GJL, GJS, GJM?
GJL: Lamellares Graphit
GJS: Globulares Graphit
GJM: Flockengraphit (Temperkohle)
„Altern“ von Stahl und „Kaltaushärten“ von Aluminium.
Beschreiben Sie:
a). Gemeinsamkeiten der beiden Vorgänge
b). Wirkungen der beiden Vorgänge
c). Welches Stahlbegleitelement bewirkt vorwiegend Reckalterung
d). Nennen Sie qualitativ eine Legierungsvariante kaltaushärtbaren Aluminiums!
a) Bei beiden Vorgängen sind die Begleit- bzw. Legierungselemente, die im MK gelöst sind und sich dann im Laufe der Zeit (durch geringere Löslichkeit) ausscheiden. Für die Behinderung der Gleitebenen verantwortlich.
b) Festigkeitszunahme, d.h. Erhöhung der Streckgrenze. Altern von Stahl: Verminderung der Zähigkeit,d.h. Abnahme der Kerbschlagbiegearbeit und Bruchdehnung. Kaltaushärten von Aluminium: Keine Veringerung der Dehnung.
c) N Stickstoff
d) AlCu-Legierung
- Vorteile pulvermetallurgischer Werkstoffe:
- - Herstellung von Werkstücken aus schwer erschmelzbaren Stoffen
- - Endformung in einem Arbeitsgang
- - Schaffung von Pseudo-Legierungen nicht löslicher Komponenten („Cermets“)
- - Bewußt poröser Aufbau für Schmierung
- Vorteile schmelzmetallurgischer Werkstoffe
- - Billiger
- - Wiederverwendbar (Einschmelzen)
- - Durchweg zusammenhängendes Gefüge
- - Keine korrosions- und kerbfördernden Poren
- Nachteile pulvermetallurgischer Werkstoffe
- - teuer
- - geringere Festigkeit
- - korrosionsanfälliger
- Nachteile schmelzmetallurgischer Werkstoffe
- - mehrere Arbeitsgänge bei der Bearbeitung
- - erforderliche Nachbearbeitung, - hoher Energieaufwand
Das Aushärten von Aluminium gliedert sich in 3 Teilvorgänge: das Diffusionsglühen, das Abschrecken und das eigentliche Aushärten (Auslagern).
a) Beschreiben Sie Sinn und Gefügeveränderungen während dieser Teilvorgänge!
b) Warum ist das Warmaushärten teurer und riskanter als das Kaltaushärten?
c) Weshalb ist ein Abschreckhärten ähnlich der Stahlhärtung (durch Martensitbildung) bei Aluminium nicht möglich?
a) Diffusionsglühen: homogene MK, da Legierungsbestandteile gelöst werden. Abschrecken: Einsperren der Gastatome im MK (übersättigter MK) und Erhalt hoher Versetzungsdichte.
Aushärten: Diffusion der ungelösten Gastatome und Ablagern dieser in Versetzungsbereichen. Festigkeitssteigerung.
b) Teuer, da hohe Ofenbelegung über längeren Zeitraum. Riskant, da zu langes Halten bei hoher Temperatur zur Überalterung führt, somit Festigkeitsverlust.
c) Aluminium: kfz-Gitter, keine Polymorphie!
a) Was verstehen Sie unter „Aushärten“ von Aluminium?
b) Wie erklären Sie sich, dass ein Legierungszusatz von Magnesium zu Aluminium die Aushärtbarkeit nicht, ein Zusatz von Kupfer die Aushärtbarkeit dagegen ermöglicht?
a) Diffusionsglühen => Abschrecken => Auslagern
b) Magnesiumatome sind zu groß und diffundieren aus dem MK nicht aus. Außerdem sind Mg-Atome in viel höherem Umfang im Al-Gitter löslich.
Welches Legierungselement zeichnet die Al-Superleichtlegierung aus?
Lithium.
Weshalb eignen sich Titanlegierungen besonders für Implantate (Medizin)?
Korrosionsbeständig und biokompatibel.
Was ist aktiver Korrosionsschutz? Nennen Sie zwei Verfahren!
Aktiver Korrosionsschutz ist ein Eingriff in die Korrosionsreaktion. Es bedeutet immer eine Verschiebung der Korrosion auf eine andere Oberfläche, also keine Vermeidung.
- durch Legierung
- durch Einbringen einer Opferanode
- durch kathodischen Schutz
Vor einiger Zeit war in einem Hallenbad eine schwere, an eingeschweißten Stäben aus hochlegiertem (austenitischem) CrNi-Stahl aufgehängte Zwischendecke einige Jahre nach Fertigstellung durch Bruch der Stäbe eingestürzt und begrub zahlreiche Badende. Was könnten die Ursachen (2) für dieses Langzeitbruchversagen gewesen sein? Berücksichtigen Sie hierbei auch, dass der Hohlraum über der Zwischendecke, in dem sich die CrNi-Stäbe befanden, vor allem im Winter erheblich kühler als die feuchte, chlorhaltige Luft des Hallenbadraums war!
- Interkristalline Korrosion und Spannungsrißkorrosion
- Kondensation der warmen, chlorhaltigen Luft an den kalten Cr-Ni-Stäben -> Spannungsrißkorrosion
Erläutern Sie den Festkörperbildungsprozess bei pulvermetallurgischen Festkörpern!
Pulvermischen -> Pressen -> Sintern -> Nachbehandeln
Festkörperbildungsvorgänge: Adhäsion, Oberflächendiffusion (Pressen) und Gitterdiffusion beim Sintern (Glühen)
Nennen Sie jeweils ein Anwendungsbeispiel zu den keramischen Werkstoffen:
Al2O3: Schneidkeramik, Implantatwerkstoff
ZrO2: Implantatwerkstoff z.B. Zahnimplantat, Keramikmesser
Si3N4: Wälzkörper von Keramiklagern
B4C: Schleifmittel
Was versteht man unter der Bezeichnung „Messing“? Nennen Sie ein Legierungsbeispiel.
Messing: Legierung aus Cu und Zn. Z.B. CuZn36.
Nennen Sie jeweils eine Haupteigenschaft der Nickellegierungen FeNi36 „Invar“, CuNi44 „Konstantan“ und NiCu32 „Monel“.
FeNi36: „Invar“, geringe Warmausdehnung
CuNi44: „Konstantan“ temperaturunabhängiger Widerstand.
NiCu32: „Monelmetall“, äußerst beständig gegen Säuren, Laugen und Salze.
a) hochverdichtete Werkstoffe, Porosität gegen „0“, Härte / extrem hohe Drücke erforderlich b) Ti, Ta, Mo => bilden Karbide
Was versteht man unter den Begriffen MIM, CMC
- MIM: metal injection moulding => pulvermetallurgisches Spritzgiessen
- CMC: ceramic matrix composite => faserverstärkte Keramik
- Nichteisenmetalle / Buntmetalle
CuAl 5: Aluminiumbronze mit 95%Cu und 5% Alu. Eigenschaften: sehr gut umformbar und zerspanbar aufgrund des homogenen MK. Hohe Korrosionsbeständigkeit in Meerwasser. Anwendung: chem. Apparatebau, Papierwalzen, Ventilsitze, Gleitleisten, Schiffsschrauben.
Nennen Sie fünf Kriterien zur Werkstoffauswahl
Festigkeit, E-Modul, Wärmeausdehungskoeffizient, Dichte, Werkstoffverwertbarkeit nach Ablauf der Bauteil-Lebensdauer (ganzheitliche Bilanzierung / Recycling)
Was bedeuten die Begriffe „Element“, „Isotop“ und „Ion“?
Element: Stoff aus Atomen mit gleicher Kernladungszahl (Protonenzahl) Isotop: => unterschiedliche Neutronenzahl Ion: Atom, bei der sich die Elektronenzahl von der Protonenzahl unterscheidet
Metallbindung: Ferrit (α-Eisen) Metastabile Verbindung: Zementit
Was versteht man unter „Diffusion“ im Zusammenhang mit der Gefügeausbildung?
Diffusion: Platzwechselvorgänge der Atome in der Metallgitterstruktur, ausgelöst durch Wärmezufuhr.
Nennen Sie den für Eisen charakteristischen Elementarzellentyp mit seinen Varianten! Ordnen Sie
diesen Varianten, wenn angebracht, die richtige Auswahl der Gefügenamen „Ferrit“ und „Austenit“
Elementarzelle: kubisch, krz und kfz
krz: Ferrit, hochlegierter Chromstahl X3CrTi17
kfz: Austenit, hochlegierter Chrom-Nickel-Stahl X5CrNi19-10 (Nickel: Austenitbildner)
Was unterscheidet kristalline von amorphen Stoffen im Gefügeaufbau? Durch welche Versuche lässt
sich der kristalline Aufbau eines Stoffes nachweisen (skizzenhafte Beschreibung)?
Welcher Gittertyp verspricht beste, welcher schlechteste plastische Umformbarkeit ?
Was ist Polymorphie? Nennen Sie einen polymorphen Werkstoff!
Kristallin: regelmässige Anordnung
Amorph: ungeordnet
Schmelzuntersuchung: kristalline Stoffe weisen einen Haltepunkt auf
DSC-Untersuchung:
kfz: gute Umformbarkeit hdp: schlechte Umformbarkeit
Polymorphie: Wechsel des Gittertyps, z.B. Fe, Ti
- a) Stengelkristalle: grosse Temperaturdifferenz zwischen überhitzter Schmelze und Kokille.
- b) Unbeliebt durch Anisotropie: weisen Vorzugsrichtung auf => festigkeitsmindernd
- c) Vermeidung: niedere Schmelzstemperatur, Kokille vorheizen, Impfen der Schmelze
- d) Normalglühen
a) Wieso sind die Gefügekörner im Innern eines Gußstückes größer?
b) Wodurch kann bei Stahl ihre Größe vereinheitlicht werden?
a) Schnelle Abkühlung der Schmelze an der Kokillenwand => kleine Körner. Langsame Abkühlung im
Kern => Grobkornbildung.
b) Durch Normalisieren (Normalglühen) => gleichmässiges, feinkörniges Gefüge.
Was sind Korngrenzen und wie werden Sie sichtbar gemacht?
- Korngrenzen: Grenzflächen der Kristallite
- Metallografische Prüfung: Probenentnahme, Schleifen, Einbetten in EP-Harz, schleifen, polieren, säubern,ätzen
Transkristallisation macht Werkstoffe anisotrop! - Erläutern und begründen Sie diese Aussage!
a) Stengelkristalle: grosse Temperaturdifferenz zwischen überhitzter Schmelze und Kokille.
b) Unbeliebt durch Anisotropie: weisen Vorzugsrichtung auf => festigkeitsmindernd
c) Vermeidung: niedere Schmelzstemperatur, Kokille vorheizen, Impfen der Schmelze
d) Normalglühen
- Ideales ZD: langsame Abkühlung aus der Schmelze, Diffusionsvorgänge können bis zum Gleichgewicht ablaufen
- Reales ZD: schnelle Abkühlung aus der Schmelze, Faktor Zeit ist relevant => Anwendung bei der Wärmebehandlung
Wodurch ist ein Legierungssystem bestimmt?
Prozentuales Massenverhältnis der Legierungspartner und die temperaturabhängige Gefügeausbildung.
siehe Skizze
Skizzieren Sie ein Zustandsdiagramm für vollkommene Löslichkeit im flüssigen und vollkommene
Unlöslichkeit im festen Zustand (qualitativ) und beschriften Sie die Bereiche.
siehe Skizze
Skizzieren Sie qualitativ das Zustandsdiagramm eines im flüssigen und festen vollkommen löslichen
Legierungssystems. Skizzieren Sie den qualitativen Abkühlverlauf (ohne Temperaturangaben) über der
Zeit für den Reinwerkstoff und eine Legierung. Kennzeichnen Sie im Zustandsdiagramm die Solidus - und
die Liquiduslinie. Beschreiben Sie den Kristallaufbau nach der Erstarrung. Was ist die wichtigste
Voraussetzung für diesen Legierungstyp? Nennen Sie ein Legierungsbeispiel!
siehe Skizze
Was versteht man unter „Haltepunkten“ und „Knickpunkten“ in Abkühlungskurven?
Haltepunkt: kennzeichnet Phasenwechsel
Knickpunkt: Beginn / Ende von Entmischungsvorgängen
Was ist der Unterschied zwischen Lunkern und Seigerungen?
Lunker: Hohlräume => Volumenschwund Schmelze – Festkörper
Seiger (senkrecht): Entmischung beim Erstarren einer Schmelze
Ordnen Sie den Phasendiagrammen zu: Eutektikum, Eutektoid, Peritektikum, Peritektoid?
siehe Skizze
Welche Wirkung hat zuviel Stickstoff im Stahl während des Erstarrungsvorgangs und welche nach einem Kaltumformvorgang?
Bei Erstarrung aus der Schmelze: Gasblasenbildung
Kaltumformung: Versprödung (Reckalterung: Festigkeit steigt, Bruchdehnung nimmt ab)
- a) Welche Möglichkeiten gibt es, um Lunkerbildung zu verringern?
- b) Halten Sie dies bei Grauguß für gerechtfertigt? Warum oder warum nicht?
- a) beheizte Steigrohre, niedrige Schmelzetemperatur, langsamer Gießvorgang
- b) Grauguß: niedriges Schwindmaß => geringe Lunkerneigung
Was ist Desoxidation von Stahl? Wie wird sie durchgeführt?
FeO im Stahl wird reduziert
Zugabe von Mn und Si => Mn- und Si-Oxide => schwimmt in der Schlacke
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Cartes-fiches
Erläutern Sie den Festkörperbildungsprozess bei pulvermetallurgischen Festkörpern!
Pulvermischen -> Pressen -> Sintern -> Nachbehandeln
Festkörperbildungsvorgänge: Adhäsion, Oberflächendiffusion (Pressen) und Gitterdiffusion beim Sintern (Glühen)
Nennen Sie jeweils ein Anwendungsbeispiel zu den keramischen Werkstoffen:
Al2O3: Schneidkeramik, Implantatwerkstoff
ZrO2: Implantatwerkstoff z.B. Zahnimplantat, Keramikmesser
Si3N4: Wälzkörper von Keramiklagern
B4C: Schleifmittel
Was versteht man unter der Bezeichnung „Messing“? Nennen Sie ein Legierungsbeispiel.
Messing: Legierung aus Cu und Zn. Z.B. CuZn36.
Nennen Sie jeweils eine Haupteigenschaft der Nickellegierungen FeNi36 „Invar“, CuNi44 „Konstantan“ und NiCu32 „Monel“.
FeNi36: „Invar“, geringe Warmausdehnung
CuNi44: „Konstantan“ temperaturunabhängiger Widerstand.
NiCu32: „Monelmetall“, äußerst beständig gegen Säuren, Laugen und Salze.
a) hochverdichtete Werkstoffe, Porosität gegen „0“, Härte / extrem hohe Drücke erforderlich b) Ti, Ta, Mo => bilden Karbide
Was versteht man unter den Begriffen MIM, CMC
- MIM: metal injection moulding => pulvermetallurgisches Spritzgiessen
- CMC: ceramic matrix composite => faserverstärkte Keramik
- Nichteisenmetalle / Buntmetalle
CuAl 5: Aluminiumbronze mit 95%Cu und 5% Alu. Eigenschaften: sehr gut umformbar und zerspanbar aufgrund des homogenen MK. Hohe Korrosionsbeständigkeit in Meerwasser. Anwendung: chem. Apparatebau, Papierwalzen, Ventilsitze, Gleitleisten, Schiffsschrauben.
Nennen Sie fünf Kriterien zur Werkstoffauswahl
Festigkeit, E-Modul, Wärmeausdehungskoeffizient, Dichte, Werkstoffverwertbarkeit nach Ablauf der Bauteil-Lebensdauer (ganzheitliche Bilanzierung / Recycling)
