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Werkstoffe

Modul Werkstoffe HS22

Modul Werkstoffe HS22

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Cartes-fiches 71
Langue Deutsch
Catégorie Technologie du métal
Niveau Université
Crée / Actualisé 31.01.2023 / 25.02.2024
Lien de web
https://card2brain.ch/box/20230131_werkstoffe
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Étudier

Wie wird die Schwingfestigkeit von Werkstoffen ermittelt?

Mit dem Wöhlerversuch. Dabei wird ein Werkstoff über eine Zeit immer wieder be- und entlastet, bis er bricht. Durch verschiedene Messungen mit verschiedenen Belastungen entsteht die Wöhlerkurve, aus der man die Schwingspielzahl ablesen kann (Anzahl Wiederholungen bis der Werkstoff bricht).

Welche Möglichkeiten gibt es, die Festigkeit von Metallen zu steigern?

  • Kaltverformung (Kaltverfestigung)
  • Legierungsbildung (Mischkristallverfestigung)
  • Feines Gefüge (Kornverfeinerung)
  • Ausscheidung feiner Teilchen (Teilchenverfeinerung)

Wie wird Stahl und Gusseisen unterschieden?

Stahl: Kohlenstoffgehalt bis 2%

Gusseisen: Kohlenstoffgehalt von 2% - 6.7%

Erkläre in groben Schritten die Herstellung von Rohstahl.

  1. Abbau von Eisenerz: Rohstahl wird aus Eisenerz gewonnen, das zunächst aus Minen geborgen wird.

  2. Reduzierung des Eisenerzes: Das Eisenerz wird in einem Hochofen bei hohen Temperaturen (mehrere Tausend Grad Celsius) reduziert, um das reinen Eisen zu gewinnen.

  3. Schmelzen des Eisens: Das gewonnene Eisen wird im Schmelzofen auf Schmelztemperatur erhitzt und in Flüssigform gebracht.

  4. Reinigung des Schmelzeisens: Verunreinigungen wie Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel werden aus dem Schmelzeisen entfernt, um den gewünschten Stahlqualität zu erreichen.

  5. Abkühlen und Formen des Stahls: Der Stahl wird abgekühlt und in verschiedene Formen gegossen, wie z.B. Stangen, Blöcke oder Platten, je nach Verwendungszweck.

Welche Kristallarten hat Reineisen? (Art des Eisen und Kristallstruktur)

  • Sigma-Eisen: krz (1'401°-1'536°)
  • Austenit (Gamma-Eisen): kfz (911°-1'401°)
  • Ferrit (Alpha-Eisen): krz (-911°)

Ist Eisen magnetisch?

Als Feststoff ist Eisen magnetisch. Jedoch ab 769° Grad ist Eisen unmagnetisch.

Was macht Eisen bezüglich den Gitterstrukturen so speziell?

Bei Eisen handelt es sich um ein polymorphes Metall. Das heisst es hat in Abhängigkeit von der Temperatur verschiedene Kristallarten.

Was bewirkt Kohlenstoff als Legierungselement im Eisen?

  • die Härtbarkeit
  • die Festigkeit wird starkt erhöht
  • die Dehnung wird reduziert

Welche Gefügearten gibt es in Eisen- Kohlenstoff-Legierungen und aus was bestehen sie?

  • Ferrit: Ferrit + C
  • Austenit: Austenit + C
  • Zementit: Intermetallische Verbindung Fe3C
  • Perlit: Kristallgemisch aus Ferrit + Zementit
  • Ledeburit: Kristallgemisch aus (bei Raumtemperatur) Ferrit + Zementit

Was passiert mit Stahl bei 723°C?

Der Austenit zerfällt zu Perlit.
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Ordne die mechanischen Eigenschaften a), b) und c) zu folgenden Stählen zu:

  • Vergütungsstahl
  • Gusseisen mit Kugelgraphit
  • Allgemeiner Baustahl

Was fällt in dieser Grafik auf?

a) Allgemeiner Baustahl

b) Vergütungsstahl

c) Gusseisen mit Kugelgraphit

-> Sehr unterschiedliche Eigenschaften!

Welche weiteren wichtigen Legierungselemente gibt es für Stähle neben dem Kohlenstoff? Nenne zu jedem Legierungselement ein Vorteil und ein Nachteil wenn vorhanden.

  • Chrom: 
    • Vorteil: Verbessert Korrosionsbeständigkeit erheblich
    • Nachteil: Bildung spröder Phasen (FeCr)
  • Nickel: 
    • Vorteil: Verbessert Zähigkeit erheblich
  • Molybdän: 
    • Vorteil: Verbessert Festigkeit
  • Mangan: 
    • Vorteil: Verbessert Festigkeit / Warmfestigkeit
    • Nachteil: Verschlechtert Zerspanbarkeit
  • Titan: 
    • Vorteil: Verbessert Festigkeit + Schweissbarkeit

Welche Wärmebehandlungs-Arten gibt es für Stähle?

  • Glühbehandlungen
  • Härten
  • Vergüten (Härten + Anlassen)

Warum härtet man Stahl? Was wird gebildet und in welchen Schritten?

Um die Festigkeit des Stahls zu erhöhen.

Es bildet sich Martensit.

Martensit entsteht bei schneller Abkühlung. Bei der Gitterumwandlung des Austenits zu Ferrit (kfz -> krz) haben die C-Atome keine Zeit aus dem Gitter zu difundieren und bleiben in Zwangslösung. Durch die Gitterverzerrung entstehen hohe Spannungen, welche die Ursache für die hohe Hörte und Sprödigkeit sind.

Zeichne den Verlauf der Temperatur über die Zeit beim Vergüten. Beschreibe auch die Schritte die dabei passieren.

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  1. Austenitisieren: T = ca. 770-800°
  2. Schnelles Abschrecken: -> Martensitbildung (sehr hart und spröde)
  3. Anlassen: T = 180-300°C; Wiedererwärmen unter Austenittemperatur -> Abbau von Spannungen -> Verringerung der Sprödigkeit + Beibehaltung hoher Härte

Was ist Grafit, wieso braucht man es für Eisengusswerkstoffe und wie wird die Bildung von Grafit gefördert?

Grafit ist ein Kohlenstoffkristall

Es Expandiert -> Gleicht die Schwindung von Stahl aus

Durch die Zugabe von Silicium

Welche Arten von Graphit gibt es im Gusseisen und was sind die Eigenschaften davon?

  • Lamellengraphit: Schwingungsdämpfung
  • Kugelgraphit: Höhere Zugfestigkeit

Wie ist die Grenze zwischen Leichtmetallen und Schwermetallen definiert?

Leichtmetalle: Dichte <= 4.5 g/cm3

Schwermetalle: Dichte > 4.5 g/cm3

Welche Leichtmetalle sind technisch bedeutend?

  • Aluminium
  • Magnesium
  • Titan

Warum ist Aluminium gut umformbar?

Weil es ein kubischflächenzentriertes Kristallgitter (kfz) hat.

Welche Anwendungen gibt es für Aluminium?

  • Autofelgen (Sehr leicht)
  • Wärmetauscher (Gute Wärmeleitfähigkeit)
  • Hochspannungsleitungen (gute elektrische Leitfähigkeit)
  • Alu-Dosen (gut verformbar)
  • Laptop-Gehäuse (Hochwertigkeit)

Erkläre grob, wie Primäraluminium hergestellt wird.

  1. Abbau: Bauxit, ein Aluminium-haltiger Mineral, wird aus Tagebauen gewonnen.

  2. Verarbeitung: Das Bauxitharz wird zu Aluminiumoxid (Al2O3) verarbeitet, indem es mit Kochsalzlauge bei hohen Temperaturen gelöst wird.

  3. Elektrolyse: Aluminiumoxid wird in einer Elektrolyseanlage mit elektrischen Strömen in Aluminium und Sauerstoff gespalten.

  4. Gießen: Das flüssige Aluminium wird in Formen gegossen und abgekühlt, um Aluminiumprodukte in verschiedenen Formen und Größen zu erzeugen.

Was ist Sekundär-Aluminium?

Sekundär-Aluminium ist Aluminium, das aus bereits verwendeten und recycelten Aluminiumprodukten gewonnen wird.

Welche Aluminiumlegierungs-Arten gibt es?

  • Knetlegierungen
  • Gusslegierungen

Warum ist Magnesium schlecht umformbar?

Weil es ein hexagonales Kristallgitter (hdp) hat.

Für was wird Magnesium am meisten verwendet?

Für Aluminiumlegierungen.

Welche Anwendungen gibt es für Magnesium?

Alles was sehr leicht sein muss:

  • Gehäuse (z.B. Laptop)
  • Abdeckungen (z.B. am Auto)

Was ist Thixomolding?

Eine Art Spritzguss, einfach mit Magnesium.

Welche Gefahr birgt das zerspanende Bearbeiten von Magnesium?

Brenngefahr! Magnesium ist als Späne oder Staub sehr leicht entzündlich.

Ausserdem sollte man ein Magnesium-Feuer nicht mit Wasser löschen.

Welche Eigenschaften hat Titan?

Positive Eigenschaften:

  • Gute Festigkeit bei geringer Dichte
  • Gute organische Verträglichkeit
  • Gute chemische- und Korrsionsbeständigkeit bei Raumtemperatur

Negative Eigenschaft:

  • Bei hohen Temperaturen starke Reaktion mit Sauerstoff

Welche Anwendungen gibt es für Titan?

  • Medizinaltechnik
  • Raumfahrt
  • Chemischer Apparatebau
  • Sportgeräte

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