Werkstoff I Fragenkatalog 2 PDF

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Fragen und Aufgaben zum zweiten Teil der Vorlesung (Stand: 31.01.2012) Mechanische Eigenschaften 1. Definieren Sie die Begriffe technische Spannung, wahre Spannung, technische Dehnung und wahre Dehnung. Welchen Vorteil hat die Verwendung der wahren Dehnung gegenüber der technischen? Technische Spannung: Kraft pro Ausgangsquerschnitt Ao Wahre Spannung: Kraft pro tatsächlichem Querschnitt A Technische Dehnung:Dehnung auf Ausgangslänge bezogen Wahre Dehnung: Dehnung auf aktuelle Länge bezogen Bei der wahren Dehnung erhält man bei jeder Messung die gleiche wahre Dehnung (unabhängig von der ursprünglichen Länge Lo), wohingegen bei der technischen Dehnung bei gleichen Messungen unterschiedliche technische Dehnungen rauskommen (je nach Wahl von Lo) 2. Zeichnen Sie schematisch das sich im Zugversuch ergebende, technische SpannungsDehnungs-Diagramm eines duktilen metallischen Werkstoffes und benennen Sie die charakteristischen Bereiche. Wie werden aus dem Diagramm wichtige mechanischen Kennwerte (z.B. Rp0,2, Ag etc.) ermittelt? Zeichen Sie zusätzlich noch den Verlauf der wahren Spannung ein.

Rm ist die Zugfestigkeit und wird am Maximum abgelesen Rr ist die Bruchlast und wird am Ende, wo das Metall reißt abgelesen Rp0,2 und Rp0,01 sind Dehngrenzen aber wie diese bestimmt werden weiß ich nicht! (Werden bestimmt, indem ausgehend von dem Dehnungswert z.B. 0,2% auf der Abszisse eine Gerade mit der Steigung des E-Moduls bis zur Kurve gezeichnet wird. Am Kreuzungspunkt kann dann z.B. Rp0,2 auf der Ordinate abgelesen werden.) Der Bereich bis zur Streckgrenze Res ist der elastische Bereich Diese Gestrichelten Bereiche werden parallel zu der elastischen Bereichsgeraden gezeichnet. Die wahre Spannund verläuft bis zum Res genau wie die technische Spannung aber dann liegt sie leicht über der Geraden und dort wo die technische Spannung abnimmt steigt die wahre Spannung weiter. 3. Nennen sie jeweils zwei charakteristische Merkmale der elastischen und plastischen Verformung. Wie ist der E-Modul definiert? elastische Dehnung: reversibel, Volumenänderung plastische Dehnung: irreversibel, ca. konstantes Volumen Elastizitätsmodul: Beschreibt den Zusammenhang von Dehnung und Spannung bei der

Verformung eines festen Körpers bei linear elastischem Verhalten. Ist die Steigung im SpannungsDehnungs-Diagramm innerhalb der linearen Steigung. 4. Was versteht man unter einem spröden und was unter einem zähen Material? Welchen Einfluss hat im Allgemeinen die Temperatur auf die Duktilität eines Werkstoffes? Welche Rolle spielen Verfestigung und Dehnratenempfindlichkeit bei der Duktilität unter Zugbelastung (Stichwort: Einschnürung)? Wie kommt es zu Superplastizität? spröde: geringe Bruchdehnung im Zugversuch, Material lässt sich kaum dehnen zäh: hohe Bruchdehnung, Material lässt sich stark dehnen Ein Maß für die Zähigkeit ist die Fläche unter der Fließkurve (siehe Graphik 2). Die Duktilität eines Werkstoffes kann stark von der Temperatur abhängig sein. Einschnürung: lokal steigende Dehnung, Spannung und Dehnrate; große Werte des Verfestigungsexponenten “n” und Dehnratenempfindlichkeit “m” => weiteres Einschnüren unterdrückt => stabile homogene Verformung; Duktilität kleine Werte für “n” bzw. “m” => weitere Einschnürung => sprödes Verhalten => Bruch Superplastizität: Werstoffe mit großem “m” erreichen teilweise extrem hohe Bruchdehnungen => wichtig für Formgebung bei komplexen Bauteilen 5. Was ist der Unterschied zwischen Härte und Festigkeit? Was ist die Kerbschlagzähigkeit? Was versteht man unter der Ermüdung eines Werkstoffes? Härte ist der mechanische Widerstand, den ein Werkstoff der mechanischen Eindringung eines härteren Prüfkörpers entgegensetzt. Wohingen die Festigkeit die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegenüber Verformung und Trennung darstellt. Kerbschlagzähigkeit: Maß für Widerstandsfähigkeit des Werkstoffs gegen schlagartige Beanspruchung. (Maß für die Arbeit, die für die Herbeiführung eines Bruchs in einem Werkstoff verrichtet werden muss) Das Versagen eines Werkstoffes nach mehreren Belastungszyklen (variierende Last) mit Spannungen unterhalb der Streckgrenze heißt Ermüdung. 6. Ermitteln Sie den Burgersvektor einer Stufen- und Schraubenversetzung mittels Burgersumlauf.

Wie steht jeweils der Burgersvektor zur Versetzungslinie? Wie sieht qualitativ das Spannungsfeld dieser beiden Versetzungstypen aus?

Stufenversetzung: Burgersvektor steht senkrecht zur Versetzungslinie

Schraubenversertzung: Burgersvektor steht parallel zur Versetzungslinie

7. Was versteht man unter Versetzungsgleitung?

Nennen sie jeweils zwei charakteristische Merkmale der Versetzungsgleitung. Gleiten (Merkmale): lokale Änderung der Bindungspartner keine Diffusion erforderlich keine thermische Aktivierung, auch bei tiefer Temperatur schnell (vergleichbar Schallgeschwindigkeit) keine Volumenänderung Bewegung an Gleitsystem gebunden; in krz-Kristallen typisch die {111}-Ebenen Zeichnen sie jeweils schematisch, wie die Bewegug einer Stufen- und einer Schraubenversetzung eine Änderung der äußeren Form eines Kristallits verursacht. Schematische Darstellung der Veformung eines Kristallits:

Was ist ein Gleitsystem? Gleitsystem: Gitterversetzungen nehmen in jedem Kristallsystem nur bestimmte Kombinationen von Burgersvektor b und Gleitebene an. Die Kombination der beiden Parameter definiert das Gleitsystem.

8. Was versteht man unter Versetzungsklettern? Bewegung der Besetzung aus der Gleitebene heraus.

Nennen Sie zwei charakteristische Merkmale. Klettern : Anlagerung von Atomen oder Leerstellen Atom- / Leerstellentransport über Diffusion thermisch aktiviert nur bei hoher Temperatur langsam; hohe Dehnratenempfindlichkeit Volumenänderung

Bewegung außerhalb des Gleitsystems Was ist die Quergleitung von Versetzungen? Um Hindernisse – z.B. Ausscheidungen – zu umgehen, können Versetzungen die Gleitebene wechseln. Dieser Prozess heißt Quergleiten. Schematische Darstellung:

9. Wie können Versetzungen bei der plastischen Verformung erzeugt werden? Zeichnen sie schematisch, wie eine solche Versetzungsquelle funktioniert. Die plastische Verformung wird durch Bewegung sehr vieler Gitterversetzungen ertragen.

10. Wie wechselwirken Versetzungen miteinander? Stufenversetzungen gleichen Vorzeichens auf derselben Gleitebene stoßen sich gegenseitig ab. Stufenversetzungen umgekehrten Vorzeichens auf derselben Gleitebene ziehen sich an. Beim Aufeinandertreffen annihilieren die Versetzungen; zurück bleibt ein ungestörtes Kristallgitter.

Versertzungen wechselwirken elastisch wegen des Verzerrungsfeldes miteinander Wie können Versetzungen verankert werden? Wenn die neuen Segmente sich nicht mehr in der gleichen Gleitebene befinden, kommt es zur Verankerung der Versetzung.

Wie hängt die für die Verformung nötige Scherspannung von der Versetzungsdichte ab? 11. Wozu kommt es bei der Verformung eines polykristallinen, metallischen Werkstoffes an den Korngrenzen? Wie hängt die für die Verformung nötige Scherspannung von der Korngröße ab (Hall-Petch Beziehung)? ● An den Korngrenzen stauen sich die Versetzungen an, da sie die Korngrenzen nicht passieren können ● je feinkörniger das Gefüge, desto größer die nötige Scherspannung (Extremfall: Einkristall => geringe Scherspannung) ●

12. Zeichnen sie schematisch, wie kleine und große Fremdatome mit einer Stufenversetzung wechselwirken. Wie nennt man den durch diese Wechselwirkung hervorgerufenen Härtungsmechanismus? 13. Wann bilden sich kohärente und wann inkohärente Ausscheidungen? Was passiert, wenn eine Versetzung auf eine kohärente/inkohärente Ausscheidung trifft? Wie kann eine Versetzung eine inkohärente Ausscheidung überwinden? Wie hängt die Härte von der Größe der Ausscheidungen bei konstantem Volumenanteil ab und wie kommt es zu diesem Verhalten? 14. Welches Wirkprinzip haben alle Härtungsmechanismen gemein? Einige Härtungsmechanismen: - Dispersionshärtung (Hochtemperaturanwendungen) - martensitische Härtung (z.B. Stahl, Fe-Ni, Cu-Zn) - „Härtung durch Textur“ (Ausnutzung der anisotropen Gefügeeigenschaften) - Verbundwerkstoffe (Faser- oder Partikelverstärkt) Gemeinsames Prinzip: Die Behinderung der Versetzungsbewegung durch unterschiedliche Hindernisse (Gefügemerkmale, die Störungen an der periodischen Anordnung der Atome darstellen, z.B. Korngrenzen, Versetzungen, Fremdatome, Ausscheidungen, Dispersoide, metastabile intermetallische Phasen, Fasern oder Partikel) bewirkt eine Härtesteigerung durch Behinderung der plastischen Verformung. 15. Wie sind die Begriffe Stahl und Gusseisen definiert? Als Stahl werden metallische Legierungen bezeichnet, die hauptsächlich Eisen als Bestandteil haben und einen Kohlenstoffgehalt von 0,01% bis 2,06% haben. Gusseisen ist eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit hohem Kohlenstoffgehlt ( über 2%). 16. Welche (meta)stabilen Phasen und Gefügetypen treten im System Fe-Fe3C auf? Wie sieht typischerweise das Gefüge eines unter- und eines übereutektoiden Stahls aus? 17. Was ist Martensit, wie entsteht er und welche charakteristischen Eigenschaften hat er? Wie entwickelt sich die Martensit-Start- (Ms) und Martensit-Finish-Temperatur (Mf) eines unlegierten Kohlenstoffstahls in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt? Wie wirkt sich der Kohlenstoffgehalt auf die Menge des bei Raumtemperatur vorliegenden Martensits aus? Wie lässt sich die kritische Abkühlrate für die Bildung von Martensit absenken? 18. Wie hängt die Härte eines härtbaren (z.B. eutektoiden) Stahls von der Abkühlgeschwingkeit ab? Welche unterschiedlichen Gefügetypen können sich in Abhängigkeit von der Abkühlrate ausbilden? ● geringe Abkühlgeschwindigkeit => niedrige Härte ● hohe Abkühlgeschwindigkeit => hohe Härte

●

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19. Nennen sie drei Stahlsorten, deren charakteristische Merkmale und typische Anwendungen. Kohlenstoffarme Stähle < 0.25 Masse-% C geringe Zusätze, z.B. Mn (bindet Sauerstoff während der Herstellung) nicht härtbar; Festigkeitssteigerung durch Kaltverformen Ferrit + Perlit, kein Martensit Weich, aber duktil und zäh zerspanbar, schweißbar kostengünstig in Herstellung und Bearbeitung; 90% aller verwendeten Stähle sind deshalb unlegierte Kohlenstoffstähle Hochbau, Automobilbau, Schiffbau, Konservendosen Hochfeste niedriglegierte Stähle < 0.25 Masse-% C Zusätze z.B. 1-2% Mn sowie jeweils á 1% andere (Si, V, N , Nb, Al, Cu ….). härtbar durch Ausscheiden feiner Karbide höhere Festigkeit als reine Kohlenstoffstähle bessere Korrosionsbeständigkeit ersetzen kohlenstoffarme Stähle in etwas anspruchsvolleren Anwendungen Automobilbau, Brücken, Pipelines Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt 0.60 – 1.40 Masse-% C mit Legierungszusätzen härtbar durch Bildung von Carbiden (z.B. Cr23 C6 , V4 C3 , WC) äußerst hart und verschleißfest temperaturstabil, u.A. wegen Stabilität der Karbide ‚Schnellarbeitsstähle‘ für Werkzeuge wie z.B. Bohrer. Presswerkzeuge beim Tiefziehen 20. Welche beiden Sorten von nichtrostenden Stählen gibt es? Wie werden diese erzeugt? Welche Mechanismen bewirken die hohe Korrosionsbeständigkeit? Nennen sie charakteristische Eigenschaften und typische Anwendungen dieser Stähle. 1. Ferritische nichtrostende Stähle 2. Austenitische nichtrostende Stähle Die Passivierung durch Chrom oder Nickelzusätze bewirken hohe Korriosionsbeständigkeit. Zu 1) im einfachsten Fall Fe-Cr ((strenggenommen kein Stahl, da kein C)) 13 Masse-% Cr im gesamten Temperaturbereich kfz-Struktur keine Phasenübergänge beim Abkühlen homogenes, einphasiges Gefüge Korrosionsbeständigkeit:Homogenität, keine Lokalelemente dichte CrO3 -Schicht Härtbarer (Martensitbildung!) korrosionsbeständiger Stahl durch Zugabe von bis 0.6% C ferromagnetisch Anwendung: Kugellager, medizinische Instrumente, Küchenmesser Zu 2.) Zusätze wie Ni, Mn in größerer Menge stabilisieren die kfz-Phase ((Austenit)) bis zu Raumtemperatur.

hohe Verfestigung, hohe Zähigkeit, gute Duktilität und Verschleißfestigkeit Temperaturbeständig mit Cr-Zusatz korrosionsbeständig wichtigste Klasse von Edestählen typisch nicht ferromagnetisch Anwendung: chemische Verfahrenstechnik, Lebensmittelverarbeitung, Vakuumgefäße, Kryotechnik (Quelle: Skript; Vorlesung 9) Erzeugung fehlt noch 21. Nennen sie neben Kohlenstoff drei typische Legierungselemente im Stahl und was diese bewirken. Mn, Si, Al : Um Sauerstoff bei der Herstellung zu binden (Keine CO-Blasenbildung) Ni, Co, Mn : austenitische Stähle,-Öffner Mn: ''rostfreier Stahl'', Edelstahl; -Bereich wird stark erweitert, verbessert die Schmiedbarkeit, die Schweißbarkeit, die Festigkeit und den Verschleißwiderstand Cr: Korrosionsbeständigkeit Cr,:Mo, V, W Bildung von Karbiden.Werkzeugstähle (ferritische) bessere Härtbarkeit Schnellarbeitsstähle (Werkzeugstähle) 5-9 at.%Ni: Tieftemperaturstähle (keine Versprödung!); Einfluss des Ni auf Versetzungskernstruktur Fe 3wt-% Si : Transformatorblech, gute weichmagnetische Eigenschaften, günstige Textur Fe 36 w-t% Ni : Invar (geringe thermische Ausdehnung) Für noch genauere Infos ist diese Seite nicht schlecht: http://www.maschinenbau-wissen.de/skript/werkstofftechnik/stahl-eisen/36-einflusslegierungselemente-stahl 22. Nennen Sie zwei allgemeine Merkmale von Gusseisen. ● wird i.d.R. endformnah gegossen, gute Gießbarkeit (Schmelze dünnflüssig, niedriger Schmelzpunkt, geringe Schrumpfung des Bauteils) ● kostengünstig in der Herstellung, gehört zu den billigsten metallischen Werkstoffen ● mechanische Eigenschaften: meist schlechter als bei Stahl (besonders unter Zugbelastung), lamellarer Grauguss spröde, globulares Gusseisen duktil (10-20% Bruchdehnung) Streckgrenze 200-4ßßMPA ● gute Dämpfungseigenschaften ● Notschmiereigenschaften Warum scheidet sich bei Gusseisen meist Graphit und kein Zementit aus? Welche beiden Typen von Gusseisen lassen sich anhand der Form der Graphitausscheidungen unterscheiden? Wichtige Formen der Graphitausscheidungen: lamellarer (Gl) und globularer Graphit (Gg) Lamellengraphit: Spannungsspitzen an den Enden der Lamellen = Risskeime; sehr spröde Glubularer Graphit: scheidet in Legierungen mit Zugaben von Mg oder Ce aus; weniger spröde Wie werden diese erzeugt? Welche Gefügetypen bilden sich in Abhängigkeit der Abkühlgeschwindigkeit aus? Lamellar: schnelle Abkühlung à P + Fe3C (weißes Gusseisen) moderate Abkühlung à P + Gl (perlitischer Grauguss)

langsame Abkühlung à α + Gl (ferritischer Grauguss) moderate Abkühlung à P + Gg (perlitisches, globulares Gusseisen) langsame Abkühlung à α + Gg (ferritisches, globulares Gusseisen) Durch welche Eigenschaften zeichnen sich die verschiedenen Gefügetypen aus und wofür werden diese typischerweise eingesetzt? Globular:

L A M E L

Weißes Gusseisen

-Geringer Si-Gehalt -sehr hart und spröde -praktisch nicht bearbeitbar (außer Schleifen)

-Mahlkugeln -Walzen (Ausgangsgefüge für Temperguss)

L A R

Perlitischer Grauguss

-Spröde/geringe Festigkeit unter Zugbelastung (Rm ~ 300 MPa) -gute Schall-/Schwinnungsdämpfung -sehr kostengünstig -dünnflüssige Schmelze > komplizierte Gussstücke OK

-Dieselmotoren -Zylinder -Kolben

Ferritischer Grauguss

-ähnlich dem perlitischen Grauguss -Festigkeit unter Zug eher noch etwas geringer

-Kleine Zylinderblöcke -Zylinderköpfe -Kolben -Getriebegehäuse

G L O B U

Perlitisches globulares Gusseisen

-duktiler als lamellares Gusseisen -hohe Festigkeit ähnlich wie Stahl

-Hochfeste Zahnräder -Maschinenteile

L A R

Ferritisches globulares Gusseisen

-Weniger fest, aber deutlich duktiler als mit perlitischer Matrix

-Druckrelevante Teile wie Ventil- oder Pumpengehäuse

23. Wie wird bei der Stahlherstellung vereinfacht dargestellt aus dem Eisenerz flüssiges Roheisen erzeugt? Warum hat das so gewonnene, flüssige Roheisen meist eutektische Zusammensetzung (ca. 4 Gew.-% C)? Was passiert dann im Konverter mit dem Roheisen? Vereinfachter Weg der Stahlherrstellung im Hochofen: Reduktion von Eisenerz, durch Kohle (Koks), zu flüssigem Roheisen im Hochofen Hohe Temperatur, Entropie -> Fe-O(f) + C(f) Fe(l) + CO(g) kann abgegossen werden Grundvorgang: 1. Hohe Temperatur, Entropie -> (Fe-C) + O2 Fe + 2 CO -> Enthalpie 2. Hohe Temperatur, Entropie -> (Fe-O) Fe + O2...