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Ein Werkstoff kann, abhängig von seiner äußeren Form, duktiles oder sprödes Bruchverhalten zeigen.

Sprödbruchkriterium nach GRIFFITH

Warum ist das Sprödburchkriterium nach GRIFFITH nicht zur Beschreibung des Bruchverhaltens technischer Werkstoffe geeignet?

Was ist Bruchzähigkeit?

Def. KIc

Warum ist der Kerbschlagbiegeversuch nicht ausreichend um die Rissanfälligkeit eines Werkstoffes zu beurteilen?

Welche Form hat die Plastische Zone vor der Rissspitze?

Was ist Ermüdung?

Nach GRIFFITH erfolgt eine Rissausbreitung genau dann, wenn die Energiezunahme wegen der aufzubringenden Oberflächenenergie durch die Freisetzung der elastischen Energie kompensiert wird. Die Oberflächenenergie schafft neue Rissfläche.

Ein gekerbter Stab bricht im Vergleich mit einem ungekerbten Stab spröde, d.h. ohne plastische Verformung.

Bruchzähigkeit KIC beschreibt den Widerstand eines Materials gegen Rissfortschritt. KIc ist der kritische Wert bei dem der Rissfortschritt einsetzt.

Das GRIFFITH-Kriterium wurde für spröde Materialien, wie z.B. Keramiken hergeleitet. Für andere Werkstoffe liefert es zu hohe Werte für die ertragbare Spannung.

Der Kerbschlagbiegeversuch ist nur ein phänomenologischer Versuch, der von der Probengeometrie abhängt. Der KIc-Wert stellt dagegen eine wahre Werkstoffkenngröße dar.

Ermüdung ist Werkstoffversagen nach zyklischer Belastung eines Werkstoffes unterhalb seiner Fließ- oder Bruchspannung. Nach einer bestimmten Zyklenzahl NR endet die Ermüdung mit dem Ermüdungsbruch.

KIc= σ ∙ √ π ∙ ac ∙ Y ac – Kritische Risslänge σ – anliegende Spannung Y – Geometriefaktor Werkstoffe mit niedrigen KIc-Werten neigen zum gefährlichen Sprödbruch. Niedrige KIc-Werte sind ein Hauptnachteil von Keramiken, Gläsern und intermetallischen Phasen

An der Rissspitze bildet sich eine plastische Zone. Diese hat die räumliche Form eines Hundeknochens und wird auch DOG BONE MODEL genannt.

Was ist eine notwendige Bedingung für das Auftreten von Ermüdung?

Durch welche Einflussgrößen wird der Ermüdungsversuch bestimmt?

Was zeigen die WÖHLERkurven?

Wann spricht man von Kurzzeitfestigkeit, Zeitfestigkeit, Dauerfestigkeit?

In welche Stadien lassen die die mikrostrukturellen Vorgänge im Werkstof während des Ermüdungsprozesses unterteilen?

Was sind Keime für mögliche Rissbildung? Extrusionen oder Intrusionen?

Wie lassen sich Aufeinanderfolgende Betriebsperioden an der Bruchfläche erkennen?

Wie heißt der Anteil der Bruchfläche der in Rissstadium II gebildet wird bzw. bei der Ausbreitung eines Risses?

- Probengeometrie - Oberflächenzustand der Probe - Wärmebehandlung des Materials - Umgebende Atmosphäre - Art der Belastung - Zyklenform (Dreieckszyklus, Sinuszyklus…) - Temperatur

Die periodische Belastung ist eine notwendige Bedingung für das Auftreten der Ermüdung. Ermüdung bezeichnet Werkstoffschädigung, die mit fortschreitender Ermüdungsbelastung anwächst.

Abhängig von der Anzahl der Schwingspiele die eine Probe ohne Bruch erträgt erfolgt die Einteilung: Kurzzeitfestigkeit: NR < 103 – 104 : Niedriglastspielzahl-Ermüdung, Low Cycle Fatigue Zeitfestigkeit: 104 < NR < 105 – 106 : Hochlastspielzahl-Ermüdung, sog. High Cycle Fatigue Dauerfestigkeit ≈ 106 < NR < 108 – 109

WÖHLERkurven zeigen die Maximalspannung σmax als Funktion der Zyklenzahl NR bis zum Bruch

Intrusionen

In zeitlicher Reihenfolge: Ausbildung einer Ermüdungsgrundstruktur: Durch Versetzungsbewegungen kommt es zu plastischen Verformungen in Mikrobereichen. Bildung des Anrisses: Es treten immer Oberflächenrisse auf. Diese bilden sich aus Intrusionen von Gleitbändern, an Korngrenzen, an Einschlüssen in Oberflächennähe oder an Verletzungen der Oberfläche. Ausbreitung eines Risses: Im Rissstadium I breitet sich der Riss mit geringer Geschwindigkeit aus 10-5-10-7mm/Zyklus. Rissverlauf in etwa in Richtung der Ebene der größten Schubspannung. In Rissstadium II erfolgt die Ausbreitung mit größerer Geschwindigkeit senkrecht zur Zugrichtung (Normalspannungsriss)

Dauerbruch

Aufeinanderfolgende Betriebsperioden trennen die Schwingungsstreifen durch Rastlinien.

Was ist ein Ermüdungsbruch (Restbruch, Gewaltbruch)?

Wie sieht die Bruchfläche eines Dauerbruches aus?

Wie läuft ein Ermüdungsbruch ab?

Wie verläuft der Riss in Rissstadium I bzw. II?

Durch welche Einflussgrößen wird der Ermüdungsversuch mitbestimmt?

Welche Beanspruchungsbereiche werden bei zyklischer Belastung unterschieden?

Was ist eine Spannungs-Dehnungs-Hysterese?

Welches Mikroskopieverfahren wird hauptsächlich in der Werkstoffkunde angewendet?

Ermüdungsbruch (Restbruch, Gewaltbruch) Die Bruchfläche eines Dauerbruches zeigt zwei kennzeichnet die Schädigung oder Zerrüttung charakteristische Zonen: die eigentliche durch irreversible Veränderungen im Werkstoff Dauerbruchfläche, die mikroskopisch relativ glatt infolge schwingender/zyklischer erscheint und die Restbruchfläche, die eher (Dauer)Belastung mit dem Endstadium des zerklüftet und rau ist. Ermüdungs- oder Dauerbruchs

Im Rissstadium I verläuft der Riss etwa unter 45° zur Spannungsachse. Später im Rissstadium II verläuft er senkrecht zur Spannung.

Druckbereich: Beanspruchung ausschließlich durch Druckspannung σ max , σ min< 0 Druckschwellbereich: σ max =0, σ min0, σ min =0

Zugbereich: Beanspruchung erfolgt ausschließlich mit Zugspannungen σ max , σ min> 0

Auflichtmikroskopie

Während der Phase des Rissfortschrittes wird die tragende Querschnittsfläche des Bauteils stetig verringert. Der Rissverlauf läuft etwa unter 90° als Normalspannungsriss durch den Werkstoff. Wird die Zugfestigkeit im Restquerschnitt überschritten, bricht dieser Bereich spröde.

 Probengeometrie  Oberflächenzustand der Probe  Wärmebehandlung des Materials  Umgebende Atmosphäre  Art der Belastung  Zyklenform (Dreieckszyklus, Sinuszyklus…)  Temperatur

Zwischen aufgeprägter Spannung und resultierender Dehnung ist im Ermüdungsexperiment eine Phasenverschiebung zu Beobachten. Diese druckt sich in einer Spannungs-Dehnungs-Hysterese aus. Die von der Hysterese eingeschlossene Kurve entspricht einer Energie E pro Zyklus Z. Beim Ermüdungsversuch geht Energie verloren, er ist nicht reversibel.

Wie berechnet sich das Auflösungsvermögen eines Mikroskops?

Was sind Anforderungen für die Mikroskopie? Auflösungsgrenze und Schärfentiefe

Was ist Schärfentiefe?

Wie muss eine metallische Probenoberfläche für die Mikroskopie behandelt werden?

Wovon hängt das Auflösungsvermögen ab?

Welche Wechselwirkung zwischen Elektronen und Probenoberfläche beim Rasterelektronenmikroskop sorgen für die Entstehung des Bildes?

Was sind Analyse-Zusatzgeräte beim REMikroskop

Wie funktioniert die energiedispersive bzw. die wellenlängendispersive Auswertung von Röntgenquanten im RE-Mikroskop.

Die Schärfentiefe bezeichnet die maximale Abweichung der Bildebene von der Fokusebene, bei der das Objekt noch scharf abgebildet wird. Sie verkörpert den Spielraum für die Objektpositionierung bzw. gibt ein Maß für die zulässigen Höhenunterschiede verschiedener Objektbereiche an.

Eine metallische Probe wird vor der Untersuchung geschlifen und Poliert. Das Schleifmittel besteht hierbei aus feinen Körnern eines harten Werkstoffes (Diamant, Al2O3). Die Kunst der Schleifpräparation besteht darin im letzten Bearbeitungsschritt, zuvor verursachte Oberflächenschädigungen zu beseitigen bis eine kratzer- und verformungsfreie Oberfläche entsteht. Zuallerletzt wird die Oberfläche geätzt, sodass Korngrenzen, Ausscheidungen, usw. durch Lokalelementbildung sichtbar werden. -

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Primärelektronen PE aus der Elektronenkanone lösen Sekundärelektronen, letztere werden vom Detektor angesaugt. Die Intensität der SE hängt vom Oberflächenrelief ab. Ein PE wird reflektiert bzw. durch Wechselwirkung mit dem Atomkern rückgestreut und als rückgestreutes Elektron RE von Rückstreudetektor zur Bildgebung eingefangen. Die Ausbeute an RE hängt von der Ordnungszahl des Oberflächenmaterials ab. Hohe Ordnungszahlen (schwere Elemente) ergeben helle Bereiche im Bild. Eine Probe kann mit beiden Methoden untersucht werden. Umpolen des SE-Detektors wird verhindert, dass SE in den Detektor gelangen. Dann wird nur ein RE-Bild erzeugt.

Das Auflösungsvermögen ist die kleinstmögliche Distanz d um zwischen zwei Objekten unterscheiden zu können nach ABBE gilt für d: d=

λ 0,61∙ λ =0,61∙ n ∙ sin α A

n – Brechungsindex α – halber Öffnungswinkel n ∙sin α = numerische Apertur A

Ziel bei Mikroskopie ist eine niedrige Auflösungsgrenze bei möglichst hoher Schärfentiefe. Beide Eigenschaften stellen jedoch konträre Anforderungen an die numerische Apertur.

Das Auflösungsvermögen hängt von der Wellenlänge ab.

Energiedispersiv: Die Energie des Röntgenquants ist elementspezifisch. Diese Energie wird ausgewertet. Wellenlängendispersiv: Die Wellenlänge des Ein Primärelektronenstrahl kann auch kann auch Röntgenstrahls wird ausgewertet. Das ein Röntgenquant auslösen. Die Röntgenquanten Röntgenlicht wird elementspezifisch können auf zwei Wegen ausgewertet werden: entsprechend seiner Wellenlänge aufgeteilt. Energiedispersiv oder wellenlängendispersiv Entlang des ROWLAND-Kreises detektieren Zählrohre die Intensität der Strahlung. Jedes Zählrohr detektiert ein Element.

Bei Welcher Auswertungsmethode von Röntgenstrahlung im REM können auch Elemente mit niedriger Ordnungszahl in der Probe detektiert werden.

Was sind Anwendungen für Lichtmikroskop und REM?

Was ist ein anderes Wort für kristalline Bereiche in Kunststofen?

Was sind gebräuchliche Kennzahlen für die Korngröße eines Werkstoffes.

Was ist ein Duplex-Gefüge?

Was sind Lamellen? (Gefüge)

Was sind Partikel? (Gefüge)

Für welche Aufgaben ist das REM besonders wichtig?

Mikroskop max. Vergrößerung Auflösung Standardaufgaben

Probenvorbereitu ng

Stärken

Lichtmikroskop 1.500x

REM 100.000x

0,2 μ Messung von Korngrößen; Beobachtung von großen Ausscheidungen, Einschlüssen und Poren Schleifen, Polieren und Ätzen

5nm

Günstig, für Standardaufgaben

Analyse techn. Schadensfälle (Bruchflächen) Beurteilung von Rissen und Fehlern Entfernung von Verunrein. u.U. Bedampfen für el. Leitfähigkeit chem. kristallograph. Analyse, hohe Schärfentiefe

Die Korngröße ist eine wichtige Maßzahl für die Beurteilung vielkristalliner Werkstoffe, da sie großen Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften besitz. Wichtige Kennzahlen für die Korngröße sind: Korngröße nach ASTM (American Society for Testing and Materials) Mittlerer Durchmesser (Sehnenlänge) der Körner

Bei mehreren extrem länglichen Phasen spricht man von Lamellen.

Das REM ist besonders für die Analyse von rauen Oberflächen, insbesondere Bruchflächen unentbehrlich.

Die wellenlängendispersive Auswertung erfordert einen höheren apparativen Aufwand. Aber nur mit dieser Methode können auch Elemente mit niedriger Ordnungszahl (Bohr, Kohlenstof) detektiert werden.

Sphärolithe

Ein Duplex Gefüge liegt vor, wenn in einem Werkstoff zwei Phasen gleichachsig und mit vergleichbarer Korngröße vorliegen.

Ist die durchschnittliche Größe der „zweiten“ Phase erheblich kleiner als die der „ersten“ Phase, werden diese kleinen kristallinen Bereiche nicht mehr als „Körner“ bezeichnet sondern als „Partikel“

Welcher Metallwerkstoff kommt in der Natur in reiner Form vor?

Wie liegt Eisen in der Natur vor? Mit welchem Stoff wird Roheisen gewonnen?

Auf welchem Effekt beruht die Reduktion von Eisenoxid zu Roheisen?

Wie nennt man die Aufbereitung von „Erzen“ zu Metall also z.B. Eisenoxid zu Roheisen?

Wie werden folgende Begriffe im Zusammenhang mit dem Hochofenprozess genannt: Kohlenstof Luft Kalkstein Eisenerz + Zuschlagstofe

Wieviel Kohlenstof enthält Roheisen?

Wofür kann die Schlacke aus dem Hochofenprozess verwendet werden?

Was ist der Unterschied zwischen Roheisen und Gusseisen?

Eisen liegt in der Erdkruste als Eisenoxid vor. Bei der Reduktion von Eisenoxid zu Roheisen wird Kohlenstof verwendet.

Verhüttung

Schlacke aus dem Hochofenprozess wird z.B. für Baustoffe verwendet.

Roheisen ist ab 1300°C flüssig. Im Gegensatz zu Gusseisen enthält es Verunreinigungen wie Phosphor und Schwefel, die durch weitere Prozessschritte entfernt werden müssen. Um aus Roheisen Stahl herzustellen muss der Kohlenstoffanteil auf maximal 2% gesenkt werden. Bei Gusseisen liegt er zwischen 2% – 5%

Gold

Die Reduktion von Eisenoxid zu Roheisen durch Verhüttung nutzt die Tatsache aus, das ab ca. 800°C die Bildungsenthalpien der chem. Verbindungen zwischen C und O (CO, CO2) niedriger sind als zwischen Eisen und Sauerstoff.

Kohlenstoff = Koks Luft = Wind Kalkstein = Zuschläge (Kalk, Sand, Dolomit) Eisenerz + Zuschlagstoffe = Möller

Roheisen enthält ca. 3.5% Kohlenstof.

Wie werden Kohlenstoff und andere Verunreinigungen aus dem Eisen entfernt?

Beim beseitigen von Verunreinigungen mit Sauerstoff können CO Blasen in der Stahlschmelze entstehen, die nach dem Erstarren als Poren zurückbleiben. Wie kann das Vermieden werden?

Welche Verfahren gibt es zum Entfernen des Kohlenstoffs aus dem Eisen?

Was sind Kohlenstoffstähle?

Wie läuft das Normalglühen ab?

Was ist Perlit?

Was ist Sphäroidisierung?

Wie funktioniert die spezielle Nomenklatur für die Wärmebehandlungstemperaturen des Stahls?

Zur Vermeidung von Blasen- und Porenbildung (Beruhigung) wird entweder streng auf eine Reduzierung des O2-Gehaltes geachtet oder Aluminium zur Abbindung des Sauerstofs verwendet. Es bildet sich Al2O3, das stabiler ist als CO. Ein beruhigter Stahl weist keine Poren auf, sondern nur einen großen Lunker im Bereich des zuletzt erstarrten Metalls.

Zur Entfernung von C und anderen Verunreinigungen wird Sauerstoff verwendet.

Kohlenstoffstähle: Fe mit bis zu 2,06% C und weniger als ca. 5% weitere Elemente

Sauerstoffaufblasverfahren (LD-Verfahren), Sauerstoffdurchblasverfahren(OBM-Verfahren), Verfahren nach Thomas, Verfahren nach Siemens

Beim Normalglühen wird der Stahl erwärmt, bis sich die Ferritkörner in Austenitkörner Perlit ist ein lamellar angeordneter, eutektoider umgewandelt haben. Anschließend wird langsam Gefügebestandteil des Stahles. Es ist ein abgekühlt damit sich die Austenitkörner wieder Phasengemisch aus Ferrit und Zementit. in Ferrit umwandeln. Diese zweifache Phasenumwandlung bewirkt eine Kornfeinung.

Ausgehend vom Buchstaben „A“ liefern Tiefgestelle Buchstaben folgende Infos. c – Erwärmung r – Abkühlung l – bezeichnet die Umwandlung α ↔ γ in der Nähe der Eutektoidtemp., (2) die ferromagnetische-paramagnetische Umwandlung, (3) die α ↔ γ Umwandlung in der Nähe des Austenitgebietes und m die Anwesenheit von Zementit.

Durch Sphäroidisierung kann der lamellare Zementit des Perlits in eine kugelige Form gebracht werden.

Was bedeuten die Temperaturbezeichnungen Ac3 bzw. Arm?

Was ist das Ziel des Härtens?

Warum ist beim Härten schnelles Abschrecken wichtig?

Wie sind die untere und die obere Abkühlgeschwindigkeit beim Härten von Stahl definiert?

Was passiert bei Stählen die mehr als 0,8 Prozent Kohlenstoff enthalten und nach vollständiger Austenitisierung abgeschreckt werden.

Was ist Eisenkarbid?

Beim härten von großen Bauteilquerschnitten ist es schwierig, das gesamte Bauteil schnell abzuschrecken. Wie können dennoch auch große Bauteile gehärtet werden?

Mit welchem Versuch wird die Härtbarkeit eines Stahls geprüft?

Ziel des Härtens ist es möglichst viele C-Atome im trz Martensitgitter unterzubringen und eine möglichst hohe Härte zu erzielen. Ablauf: Austenitisierung und anschließendes Abschrecken.

Bildet sich überhaupt Martensit, spricht man von der unteren Abkühlgeschwindigkeit. Entsteht 100% Martensit handelt es sich um die obere oder auch kritische Abkühlgeschwindigkeit.

Ac3 - nach Erwärmen ins Austenitgebiet ist kein α mehr vorhanden Arm – nach der Abkühlung hat sich Zementit gebildet

Langsames Abkühlen würde zu Bildung weiterer Phasen neben Martensit führen: z.B. Bainit oder Ferrit und Perlit.

Zementit (Fe3C) ist ein Eisenkarbid.

Bei einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,8 Prozent fällt die Härte nach dem Abschrecken mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt ab, wenn vollständig austenitisiert wird (T>Acm). Durch den hohen C-Gehalt wird der Austenit derart Stabil, dass selbst nach dem Abschrecken auf Raumtemperatur noch etwas Austenit vorhanden ist. Dieser Restaustenit setzt die Härtewerte herab.

Die Härtbarkeit eines Stahls wird mit dem Stirnabschreck- oder Jominy-Versuch geprüft

Große Bauteilquerschnitten durch Zulegieren von Mn, Cr Ni oder Mo gehärtet werden

Was ist Vergüten?

Was für ein Bild entsteht, wenn die Gegenstandsweite g innerhalb der einfachen Brennweite liegt?

Haben Objektivlinsen eine große oder kleine Brennweite?

Wie berechnet sich die Vergrößerung eines Mikroskops?

Was ist Schärfentiefe, was ist das Auflösungsverhältnis?

Ein Medium mit hohem Brechungsindex zwischen Objekt und Objektiv verbessert das Auflösungsvermögen.

Wird die Schärfentiefe furch kurzwelliges oder Langwelliges Licht verbessert?

Die Beschleunigungsspannung am Filament bestimmt die Wellenlänge des Elektronenstrahls?

Liegt die Gegenstandsweite innerhalb der einfachen Brennweite, so entsteht ein aufrecht stehendes, vergrößertes virtuelles Bild.

Vergüten ist bezeichnet die Kombination von Härten und Anlassen. Durch das nachgeschaltete Anlassen (Wärmebehandeln) wird das harte Martensitgitter entspannt. Die Kohlenstoffatome tragen zur Bildung von Fe3C bei. Durch das Vergüten können die mech. Kennwerte gezielt eingestellt werden.

Die Vergrößerung eines Mikroskops ist das Produkt von Objektiv- und Okularvergrößerung.

Objektivlinsen haben immer eine kleine Brennweite.

Korrekt! d=

0,61∙ λ λ =0,61∙ A n ∙ sin α

d=kleinstmögliche Distanz um zwei Objekte unterscheiden zu können.

√

150 λ= U

Korrekt!

Die Schärfentiefe ist die maximale Abweichung der Bildebene von der Fokusebene, bei der das Objekt noch scharf abgebildet wird. Das Auflösungsvermögen ist die kleinstmögliche Distanz d um zwischen zwei Objekten (z.B. Striche) unterscheiden zu können.

Die Schärfentiefe kann durch langwelliges Licht verbessert werden.

Wodurch entsteht der Elementkontrast beim REM?

Welche Informationen liefern Sekundärelektronen und Rückstreuelektronen bei der Untersuchung einer Probe im REM zu?

Wie ermöglicht die Bruchflächentopografie Aussagen über den Belastungs- und Schädigungsverlauf?

Wie lassen sich Versetzungen sichtbar machen?

Wie lauten die Verfahrensschritte der Fraktographie?

Wie lauten die Verfahrensschritte zur schnellen Ermittlung der Korngröße?

In welchem Verhältnis liegen Ferrit und Zementit im Perlit vor?

Bis zu welchem Kohlenstofgehal...