Werkstofftechnik Sommersemester 2021 Probeprüfung korrigiert PDF

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Probeprüfung von Werkstofftechnik im Sommersemester 2021, durch einen Tutor korrigiert...

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A1V3 TH Köln Sommersemester 2021

Datum: Köln, den 18.06.2021

Probe-Prüfung Werkstofftechnik Prüfer: Prof. Dr.-Ing. M. Bonnet Matrikel-Nr.:

Name:

an

Studiengang: Erneuerbare Energien Vorname: S Aufgabe: Sie werden als Werkstoff-Experte herangezogen um bei der Planung einer neuen Brücke in Miami, Florida mitzuwirken. Aufgrund der außerordentlichen Schönheit der Severinsbrücke in Köln, Deutschland, hat sich die Stadt Miami für den Nachbau dieser Brücke entschieden.

Abbildung 1: Severinsbrücke

Bei dieser Art von Brücke werden die Fahrbahnsegmente von Metallseilen getragen, welche vereinfacht nur auf Zug belastet und als Vollmaterial betrachtet werden. Jedes Metallseil muss ein Gewicht von 200 t halten.

Abbildung 2: Schematische Darstellung des Belastungsfalls am Metallseil (links), sowie des Seilquerschnitts (rechts)

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A1V3 a) Entschlüsseln Sie die nachfolgenden Werkstoffbezeichnungen (schreiben Sie die Legierungselemente aus) und bewerten Sie für jedes Material im Einzelnen, ob es für das beschriebene Metallseil am Einsatzort in Frage kommt. Wählen Sie abschließend einen der Werkstoffe aus. Begründen Sie Ihre Auswahl! Tabelle 1: Werkstoffauswahl

43CrMo4

Entschlüsselung: -

Ein legierter Stahl

-

0,43% Kohlenstoff

-

1% Chrom

-

Spuren an Molybdän

Bewertung der Eignung: Es handelt sich um einen legierten Stahl. Dieser Stahl ist nicht als das Material des Bauteils geeignet. Außerdem hat 43CrMo4 einen hohen Kohlenstoffgehalt. In der Abbildung 2 setzt dieser Werkstoff auf Ferrit + Martensit. Da eine die Eigenschaften von Martensit spröde ist, kann dieser Werkstoff leicht zum Ausbruch

kommen.

Der

hohe

Kohlenstoffgehalt

verschlechtert

die

Korrosionsbeständigkeit. Daher ist dieser Werkstoff ungeeignet. X6CrMo17-1

Entschlüsselung: -

Ein hochlegierter Stahl

-

0,06% Kohlenstoff

-

17% Chrom

-

1% Molybdän

Bewertung der Eignung: Es handelt sich um einen nichtrostenden ferritischen Stahl. Bei Raumtemperatur (auch draußen) hat der Stahl eine ausreichende Zähigkeit. Der Korrosionsbestand ist normalerweise begrenzt. Dieser Stahl hat aber 17% Chromgehalt (Chrom >13% als Passivschicht für generelle Korrosionsbeständigkeit) und 1% Molybdän (1% Molybdan, beständig gegen Lochkorrosion), sodass die Korrosionsbeständigkeit verbessert wird. Deswegen ist der Stahl gut als der Werkstoff des Bauteils für die Brücke. (GEEIGNET) X5CrNi18-10

Entschlüsselung: -

Ein hochlegierter Stahl

-

0,05% Kohlenstoff

-

18% Chrom

-

10% Nickel

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A1V3 Bewertung der Eignung: Es handelt sich um einen hochlegierten Stahl. Dieser Werkstoff hat aber einen hohen Anteil von Nickel. Hat ein Werkstoff Chrom, Nickel und Kohlenstoff als seine Hauptlegierungsbestandteile, ist das Gefüges eines Werkstoff Martensitisch. Da eine die Eigenschaften von Martensit spröde ist, kann dieser Werkstoff zum Ausbruch

kommen.

(Chrom

>13%,

Passivschicht

für

generelle

Korrosionsbeständigkeit). Außerdem hat der Stahl einen Nickelgehalt von 10% und es kann in kurze Zeit leicht zum Korrosion führen (10% Nickel, Anfällig für Spannungsriss-Korrosion). Das Nickelgehalt muss entweder gar nicht vorhanden sein oder mehr als 40%. (0% Molybdän, Nicht Lochkorrosionsbeständig). Daher ist dieser Werkstoff UNGEEIGNET. X2CrNiMoN17-13-5

Entschlüsselung: -

0,02% Kohlenstoff

-

Hochlegierter Stahl

-

17% Chrom

-

13% Nickel

-

5% Molybdän

-

Spuren von Stickstoff

Bewertung der Eignung: Es handelt sich um einen hochlegierten Stahl. Das Chrom-, Nickel- und Molybdängehalt sind genug für die Legierung eines Stahls (genügend Chrom zum Ausbilden einer Passivschicht). Molybdän zum Schutz gegen Lochkorrosion, ABER wegen des sehr KRITISCHEN Nickel-Anteils verringert bereits die Anfälligkeit für Spannungskorrosion. Es handelt sich dann um ein nichtrostende austenitische

Stahl.

Der

kritische

Temperaturbereich

liegt

aber

beim

austenitischen Stahl zwischen 450°C und 850°C. Dies ist viel höher als draußen (nur zwischen ca. -20°C und 40°C), sodass der Stahl eine schlechte Zähigkeit hat. Ein Bruch ist deshalb wegen seiner Temperaturbeständigkeit sehr möglich. Daher ist dieser Werkstoff UNGEEIGNET: NiCu30Fe

Entschlüsselung: -

69% Nickellegierung (68-70%)

-

30% Kupfer (28-30% Kupfer)

-

Spuren an Eisen (bis zu 2% Eisen)

Bewertung der Eignung: Es handelt sich um einen legierten Stahl und dieser Typ von Stahl ist nicht die beste Option für den Werkstoff eines Bauteils (Grund: Es liegt kein Stahl vor.). Hoher Nickel-gehalt bedeutet hochkorrosionsbeständig und keine Gefahr von Spannungsrisskorrosion. Der Stahl hat zwar einen hohen Anteil von Nickel, aber er hat kein Chrom als der Basis der Korrosionsbeständigkeit. Anschließend kann es zu einem Bruch führen. Daher ist dieser Werkstoff GEEIGNET.

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A1V3 Auswahl und Begründung: X6CrMo17-1 ist der beste Werkstoff für den Bauteil. Begründung: NiCu30Fe ist im Vergleich zum X6CrMo17-1 deutlich höher legiert und damit teuer bei gleicher Eignung! Dieser Werkstoff hat einen Kohlenstoffgehalt von kleiner als 0,08%, 17% Chromgehalt und ausreichenden Anteil von Molybdän. Es handelt sich dann um einen nichtrostenden ferritischen Stahl. Ein ferritische Stahl hat eine gute Zähigkeit. Hat der Werkstoff einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,08%, kann der Werkstoff bzw. der Bauteil zum Ausbruch führen. Durch den hohen Chromgehalt und wenigen Anteil von Molybdän hat der Stahl eine gute Korrosionsbeständigkeit. Das Chrom und das Molybdän sind wichtig als die Legierungszusammensetzung eines Werkstoffs, um Korrosion zu vermeiden, sodass die Brücke lange Lebensdauer hat.

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A1V3 b) Gehen Sie davon aus, dass das folgende Spannungs-Dehnungs-Diagramm in Abbildung 3 zu ihrem ausgewählten Werkstoff gehört. Zeichnen Sie die Streckgrenze und die Zugfestigkeit in die Grafik ein!

Rm

Rp0,2 Rp0,2

0,2% Ag Abbildung 3: Spannungs-Dehnungs-Diagramm

c) Berechnen Sie den Durchmesser des Metallseils, damit dieses die geforderte Last tragen kann! Nutzen Sie für die Berechnung den Formel-Editor und geben Sie immer den kompletten Rechenweg an! Geben Sie zunächst die allgemeine Formel an und setzen Sie anschließend die Zahlenwerte ein! •

Maximal zulässige Belastung ~ Rp,0,2:

•

Belastung durch Last entspricht Aufgabentext:

𝜎𝑚𝑎𝑥 = ~ 300𝑀𝑝𝑎 = 300

𝑁 𝑚𝑚2

𝐹𝑚𝑎𝑥 = 200𝑡 = 200.000𝑘𝑔 → 200.000𝑘𝑔 × 9,81 𝑚 ⁄𝑠 2 = 1.962.000𝑁

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A1V3 •

Berechnung der benötigten Fläche, um Ꝺmax einzuhalten: 𝜎=

•

𝐹

𝐴

→ 𝐴𝑚𝑖𝑛 =

Berechnung von Da in Abhängigkeit von Amin: 𝐴𝑚𝑖𝑛 =

•

1.962.000𝑁 = 6.540𝑚𝑚2 𝐹𝑚𝑎𝑥 = 300 𝑁⁄𝑚𝑚2 𝜎𝑚𝑎𝑥

𝜋 × 𝐷𝑎 2 𝑚𝑖𝑡 𝐴𝑚𝑖𝑛 = 6.540𝑚𝑚2 4

Nach Da auflösen und einsetzen: 𝐷𝑎 = √

4 × 𝐴𝑚𝑖𝑛 4 × 6.540𝑚𝑚2 = √ = 91,25𝑚𝑚 𝜋 𝜋

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A2V1 TH Köln Sommersemester 2021

Datum: Köln, den 18.06.2021

Probe-Prüfung Werkstofftechnik Prüfer: Prof. Dr.-Ing. M. Bonnet Matrikel-Nr.:

40

Name:

Studiengang: Erneuerbare Energien Vorname:

ya

Aufgabe: a) Zeichnen Sie das Zustandsdiagramm für ein binäres System mit den Komponenten A und B nach den folgenden Angaben: Schmelzpunkt Komponente A:

600 °C

Schmelzpunkt Komponente B:

800 °C

Eutektikale:

300 °C

Eutektischer Punkt:

60% A

Die Eutektikale erstreckt sich von 30% A bis 30% B. Bei 0 °C sind 20% A in B und 10% B in A löslich. Nutzen Sie zur Erstellung des Zustandsdiagramms das leere Diagramm in Abbildung 1 auf der nächsten Seite. Die einzelnen Elemente können per Drag and Drop platziert werden. b) Welcher Typ von Zweistoffsystem liegt hier vor? Zweistoffsystem für eine Legierung mit begrenzter abnehmender Löslichkeit im festen Zustand c) Bennen Sie alle Phasenbereiche, sowie die dazugehörigen Grenzen und positionieren Sie alle Lösungen entsprechend in Abbildung 1! d) Zeichnen Sie die Abkühlkurven einer Legierung 1 mit 60% A, einer Legierung 2 mit 40% A und einer Legierung 3 mit 10% A in die dafür vorgesehenen Diagramme in Abbildung 2. Erläutern Sie kurz, welche Vorgänge in den einzelnen Abschnitten der Abkühlung der Legierung 2 ablaufen. (mit grüner Linie angezeigt)

A2V1 e) Ermitteln Sie für die Legierung 2 jeweils den Anteil an A und B in der Schmelze und im Mischkristall bei 400°C und zeichnen Sie Ihre Arbeitsschritte ins Diagramm ein! (mit oranger Linie angezeigt) Antwort: Schmelze: 54%A und 46%B Mischkristall: 21%A und 79%B f) Berechnen Sie außerdem auch die Masse an Schmelze und die Masse an Mischkristallen, wenn insgesamt 600 g der Legierung 2 vorliegen! Geben Sie hierbei die allgemeine Formel und alle notwendigen Rechenschritte an. Masse an Schmelze: 𝑚𝑠 =

𝑏 19 × 600𝑔 = 345,45𝑔 ×𝑚= 14 + 19 𝑎+𝑏

Masse an Mischkristall: 𝑚𝑀𝑘 =

𝑎 14 × 600𝑔 = 254,55𝑔 ×𝑚 = 14 + 19 𝑎+𝑏

Punkt auf 600°C: Schmelzpunkt Komponente A Punkt auf 800°C: Schmelzpunkt Komponente B Horizontale blaue Linie: Eutektikale (300°C) erstreckt sich von 30% A bis 30% B Eutektischer Punkt: 60% A, das heißt 40% B Punkt auf 80 und 10: bei 0°C sind 20% A in B und 10% B in A löslich Rote Linie: zwischen Eutektischer Punkt und Schmelzpunkt verbinden und sie bilden Liquiduslinie. Blaue Linie: zwischen Eutektikale und Schmelzpunkt verbinden und sie bilden Soliduslinie. Schwarze Linie: Eutektikale und Löslichkeit verbinden.

Schmelze (S)

Liqu i

dus lini

e

S + prim li us lid So

S + prim

a

b

e ni

60 – 46 = 14

79 – 60 = 19

Eutektikale 



prim + Segr

prim + Eut (+) + Segr

prim + Eut (+) + Segr

prim + Segr

A3V1 TH Köln Sommersemester 2021

Datum: Köln, den 18.06.2021

Probe-Prüfung Werkstofftechnik Prüfer: Prof. Dr.-Ing. M. Bonnet Matrikel-Nr.:

Name:

hota g

Studiengang: Erneuerbare Energien Vorname: Aufgabe: Für die Herstellung von Skistockrohren soll ein geeigneter Werkstoff ausgewählt werden. Beachten Sie, dass es sich um die Skistockrohre, nicht um den Griff oder die Spitze handelt! Die Formgebung inklusive Maße ist bereits festgelegt, das heißt jeder Werkstoff würde dasselbe Volumen einnehmen. Dazu stehen folgende Werkstoffe: • Aluminium • P265GH • X1NiCrMoCu25-20-5 • CFK a) Bewerten Sie jeden einzelnen Werkstoff anhand der folgenden Kriterien: • Gewicht • Festigkeit • Steifigkeit • Korrosionsbeständigkeit Aluminium

Gewicht: Dichte ca. 2,7 g/cm3 → leicht genug Steifigkeit: Ausreichende Steifigkeit Festigkeit: Ausreichende Festigkeit Korrosionsbeständigkeit: Korrosionsbeständig

X1NiCrMoCu25-20-5

Gewicht: Stähle sind schwer (Dichte ca. 7,85 g/cm3) Steifigkeit: Steifer als Aluminium Festigkeit: Fester als Aluminium Korrosionsbeständigkeit: Korrosionsbeständig

P265GH

Gewicht: Stähle sind schwer (Dichte ca. 7,85 g/cm3) Steifigkeit: Steifer als Aluminium Festigkeit: Fester als Aluminium Korrosionsbeständigkeit: Nicht korrosionsbeständig

CFK

Gewicht: Am leichtesten. Dichte ca. 1,6 g/cm3 Steifigkeit: Spezifisch sehr steif Festigkeit: Spezifisch sehr fest Korrosionsbeständigkeit: Korrosionsbeständig

b) Wählen Sie anhand Ihrer Bewertung in Aufgabenteil a) den Werkstoff aus, der für den Einsatz von Skistöcken am besten geeignet ist! CFK hat eine geringere Dichte, ist fester und steifer als Aluminium. Daher ist CFK der beste Werkstoff für den Einsatz von Skistöcken. Seite 1 von 1...