Was Sie nach der Vorlesung Werkstoffkunde II wissen sollten. Stand Werkstofftechnik

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1 Was Sie nach der Vorlesung Werkstoffkunde II wissen sollten Stand 2012

2 Erstarrung Welche mikrostrukturellen Prozesse sind für die Fertigungsverfahren Urformen/Umformen/Trennen/Fügen/Stoffeigenschaften ändern wichtig? Was ist die freie Enthalpie? Skizzieren Sie den Verlauf der spezifischen freien Enthalpie über der Temperatur für ein reines Metall (ohne Allotropie). Skizzieren Sie die Änderung der freien Enthalpie in Abhängigkeit vom Keimradius beim Erstarren einer Metallschmelze. Erläutern Sie die Kurve. Erläutern Sie das Vorhandensein eines minimalen Keimradius r min. Erläutern Sie anhand einer Skizze den Einfluss der Unterkühlung auf den minimalen Keimradius. Was versteht man unter homogener und heterogener Keimbildung? Was sind Fremdkeime? Was versteht man unter Impfen?

3 Erstarrung Urformen/Gießen Warum und unter welchen Bedingungen kommt es zur Entstehung von Dendriten bei der Erstarrung einer Metallschmelze? Erläutern Sie exogene und endogene Erstarrung. Skizzieren Sie ein typisches Gussgefüge mit dreizoniger Gussstruktur. Erläutern Sie die konstitutionelle Unterkühlung und deren Folgen für die Gussstruktur.

4 Erstarrung Urformen/Gießen Nennen Sie die wichtigsten Gießfehler. Was versteht man unter der Schwindung beim Erstarren von Metallschmelzen? Erläutern Sie anhand einer Skizze die Entstehung von Lunkern, Mikrolunkern, Einfallstellen an der Oberfläche, Warmrissen. Was ist Gasporosität? Wie und warum entsteht sie? Nennen Sie eine andere Bezeichnung für Mikrolunker und Warmrisse. Wie lassen sich Warmrisse vermeiden? Erklären Sie die Entstehung von Korn-/Blockseigerungen. Wie lassen sich diese Erscheinungen vermeiden? Was sind Bindefehler bzw. Kaltschweißstellen. Warum entstehen sie? Warum sind Gießfehler unerwünscht? Welche Legierungen sind grundsätzlich gut gießbar? Grenzen Sie die Vor- und Nachteile von Guss- und Umformgefügen gegeneinander ab.

5 Urformen/Sintern Erläutern Sie die Verfahrensschritte des Sintern und den Prozess selbst. Welche Werkstoffe/Bauteile werden durch Sintern hergestellt? Nennen Sie verschiedene Herstellungsmethoden für Metallpulver. Was versteht man unter heißem isostatischen Pressen (HIPen)? Was ist der Vorteil gegenüber kaltem und/oder axialem Pressen? Was ist ein Grünling? Welche Verdichtung kann erreicht werden? Bei welchen Temperaturen wird werden Metalle/Keramiken gesintert? Erläutern Sie die Entstehung des Sintergefüges am Beispiel von Kupfer. Welchen Einfluss haben Prozessparameter auf das Sintergefüge?

6 Umformen Was versteht man unter Umformen? Erläutern Sie die mikrostrukturellen Vorgänge bei der plastischen Verformung von Metallen. Welche Gitterfehler sind die Grundlage der plastischen Verformung von Metallen? Nennen Sie Beispiele für Umformvorgänge. Was versteht man unter Kaltverfestigung? Erläutern Sie diese an einem Spannung-Dehnung-Diagramm (einer Verfestigungskurve). Erläutern Sie die mikrostrukturellen Prozesse bei der Kaltverfestigung. Wie äußert sich eine Kaltverfestigung in den mechanischen Kennwerten?

7 Umformen Welche Probleme treten bei der Kaltumformung auf? Wie lassen sich diese umgehen? Was ist eine Warmumformung? Welche mikrostrukturellen Prozesse laufen dabei ab? Erläutern Sie die mikrostrukturellen Vorgänge bei der Erholung. Erläutern Sie die mikrostrukturellen Vorgänge bei der Rekristallisation an Hand von Gefügeskizzen. Was versteht man unter Polygonisation/Zellbildung/Bildung von Subkorngrenzen (Skizze)? Wie wirken sich Erholungsvorgänge/die Rekristallisation auf die mechanischen Eigenschaften aus?

8 Umformen Unter welchen Bedingungen läuft die Rekristallisation ab? Erläutern Sie an Hand entsprechender Skizzen den Zusammenhang zwischen der Korngröße nach der Rekristallisation und dem Verformungsgrad/ der Glühtemperatur. Was ist der kritische Verformungsgrad? Wie ist die Rekristallisationstemperatur definiert? Was ist die Inkubationszeit? Wie entwickelt sich die Korngröße über der Glühzeit (Skizze)? Skizzieren Sie ein kaltverformtes und ein rekristallisiertes Gefüge. Skizzieren Sie ein Rekristallisationsschaubild. Was ist Sekundärrekristallisation? Wie wird die Rekristallisation technisch genutzt?

9 Stahl / Gusseisen Skizzieren Sie eine Abkühlkurve für Reineisen. Kennzeichnen Sie die charakteristischen Umwandlungstemperaturen und die Phasenbezeichnungen. Skizzieren Sie das Fe-Fe 3 C-Diagramm und kennzeichnen Sie die wichtigsten Temperaturen, Konzentrationen und die Phasenfelder. Beschriften Sie die Phasenfelder im Fe-Fe 3 C-Diagramm gefügemäßig. Nennen und erläutern Sie die peritektische/eutektische/eutektoide Reaktion. Was versteht man unter Stahl? Erläutern Sie die Gefügeentstehung für einen Stahl mit maximal 0,02 Ma.-% Kohlenstoff. Erläutern Sie die Gefügeentstehung für einen untereutektoiden Stahl. Skizzieren Sie die Gefüge jeweils vor/nach den charakteristischen Umwandlungen.

10 Stahl / Gusseisen Was ist Ferrit Austenit Ledeburit I bzw. II (Primär-, Sekundär-, Tertiär-)Zementit Perlit? Was versteht man unter einem austenitstabilisierenden Element? Wie wird der Kohlenstoff im Eisengitter gelöst? Warum wird Kohlenstoff im a- und g-gitter auf Oktaederplätzen gelöst? Warum wird das Fe-Fe 3 C-Diagramm auch metastabiles Eisen Kohlenstoff-Diagramm genannt? Erläutern Sie die Gefügeentstehung für einen übereutektoiden Stahl. Skizzieren Sie die Gefüge jeweils vor/nach den charakteristischen Umwandlungen. Erläutern Sie die Gefügeentstehung für ein weißes Gusseisen. Skizzieren Sie die Gefüge jeweils vor/nach den charakteristischen Umwandlungen. Beschriften Sie das stabile Fe-C-Diagramm phasen- und gefügemäßig. Wodurch wird die Erstarrung nach dem stabilen System gefördert?

11 Stahl / Gusseisen Skizzieren und erläutern Sie das Maurer-Diagramm. Erläutern Sie die Gefügeentstehung für langsame, mittlere und schnellere Abkühlung für untereutektische Eisen-Kohlenstoff- Legierungen. Skizzieren Sie die Gefüge jeweils vor/nach den charakteristischen Umwandlungen und geben Sie jeweils an, ob die Umwandlung nach dem metastabilen oder stabilen System abläuft. Welche Arten der Graphitausbildung gibt es. Wie entstehen sie und wie beeinflussen sie die Eigenschaften des Graugusses? Welche Einflussgrößen bestimmen die Graphitausbildung im Grauguss? Beschreiben Sie die mikrostrukturellen Vorgänge bei der beschleunigten Abkühlung von Stählen aus dem Austenitgebiet. Wie verändern sich hierbei die charakteristischen Umwandlungstemperaturen und -konzentrationen (Skizze)? Welche Gefüge entstehen bei der beschleunigten Abkühlung?

12 Stahl Skizzieren und erläutern Sie ein isothermes kontinuierliches Zeit- Temperatur-Umwandlung-Schaubild. Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen dem Fe-Fe 3 C-Diagramm und dem ZTU-Diagramm. Warum entsteht die charakteristische Nase im ZTU-Diagramm? Wie wirken sich bestimmte Legierungselemente, wie z.b. Cr, Mo, V, W oder Ni, auf die ZTU-Schaubilder von Stählen aus? Skizzieren Sie die ZTU-Schaubilder der entsprechenden Legierungsvarianten.

13 Stahl Beschreiben Sie den Ablauf der Wärmebehandlung Härten. Bei welchen Werkstoffen wird diese Wärmebehandlung angewendet? Welche mikrostrukturellen Vorgänge laufen beim Härten von Stahl ab? Wie heißt das entstehende Gefüge? Was versteht man unter Härtbarkeit Einhärtbarkeit Aufhärtbarkeit? Welchen Einfluss hat der C-Gehalt auf die Härte/Härtbarkeit? Welchen Einfluss haben Legierungselemente auf die Härtbarkeit? Skizzieren Sie den Härteverlauf über dem Querschnitt einer Welle aus un-/niedrig-/hochlegiertem Stahl für Abschrecken mit Wasser/Öl bzw. Luftabkühlung.

14 Stahl Wie laufen folgende Wärmebehandlungen ab: Normalisieren, Weichglühen, Härten, Vergüten, Einsatzhärten, Nitrieren? Nennen Sie die Ziele der aufgeführten Wärmebehandlungen. Skizzieren Sie Spannung-Dehnung-Kurven für einen normalisierten, gehärteten und vergüteten Stahl. Erläutern Sie die mikrostrukturellen Vorgänge beim Vergüten (Vergütungsstufen!). Skizzieren Sie ein Vergütungsschaubild. Nennen Sie Beispiele für typische härtbare Stähle Vergütungsstähle Einsatzstähle. Erläutern Sie die Wirkung folgender Legierungselemente im Stahl: Ni, Mn Mo Cr Cr+Mn oder Mo.

15 Aluminiumlegierungen Welche Gruppen von Aluminiumlegierungen unterscheidet man? Nennen Sie typische Aluminiumguss- bzw. -knetlegierungen. Nennen Sie typische aushärtbare bzw. nicht aushärtbare Aluminiumlegierungen. Skizzieren Sie ein typisches Zustandsdiagramm für eine aushärtbare binäre Legierung. Nennen Sie die typischen Verfahrensschritte beim Aushärten. Skizzieren Sie die den einzelnen Verfahrensschritten zuzuordnenden typischen Gefüge und erläutern Sie deren Entstehung. Was versteht man unter Kaltaushärten/Warmaushärten/Überaltern? Welche Ausscheidungsstufen entstehen typischerweise beim Aushärten von Al-Cu-Legierungen? Welche Verfestigungsmechanismen werden bei nicht aushärtbaren bzw. bei aushärtbaren Al-Legierungen genutzt? Nennen und erläutern Sie die verschiedenen Verfestigungsmechanismen.

16 Titan und Magnesium Wodurch zeichnet sich Titan allgemein hinsichtlich seiner Eigenschaften aus? Wo wird Titan genutzt? In welchen Gitter-Modifikationen kommt Titan (bzw. Ti-Legierungen) vor? Wodurch werden die Eigenschaften der Titan-Legierungen bestimmt? Vergleichen Sie a- und b-phase des Titans (bzw. Ti-Legierungen). Welche Eigenschaften hat Magnesium. Welche Anwendungsmöglichkeit und ggf. Einschränkungen lassen sich für das Magnesium daraus ableiten. Welche Elemente sind Hauptlegierungselemente von Titan / Magnesium? Wissensstand WK I 16

17 Fügen / Schweißen Beschreiben Sie den grundlegenden Vorgang beim Fügen? Zu welcher Art des Fügens gehören Löten und Schweißen? Was versteht man unter dem Schweißen von Bauteilen? Skizzieren Sie den grundlegenden Aufbau einer Schweißnaht (Schmelzschweißen). Wie ist Schweißbarkeit definiert? Wodurch wird die Gefügeausbildung in einer Schweißnaht bestimmt? Wofür benötigt man Schweißzusatzwerkstoffe? Skizzieren und erläutern Sie die Gefügeveränderungen in der Wärmeeinflusszone (WEZ) beim Schweißen von Werkstoffen mit einphasigem, feinkörnigem einphasigem, kaltverformtem zweiphasigem, ausgehärtetem Grundgefüge.

18 Fügen / Schweißen Nennen Sie die wichtigsten Schweißfehler und ordnen Sie sie den Kategorien verfahrensbedingt werkstoffbedingt zu. Erläutern Sie die Entstehung und Vermeidung dieser Schweißfehler. Was versteht man unter ingenieurmäßiger Fehlerbetrachtung? Nach welchen Kriterien werden die Fehler hiernach klassifiziert? Wodurch entstehen Schweißspannungen? Durch welche Faktoren werden sie beeinflusst? Erläutern Sie die Entstehung von Schweißspannungen anhand einer Skizze. Skizzieren Sie den Eigenspannungsverlauf (Quer- und Längsspannungen) in Längs- und Querrichtung einer Schweißnaht. Wie wirken sich Schrumpfungsbehinderungen auf den Eigenspannungszustand aus?

19 Fügen / Schweißen Welche Probleme können beim Schmelzschweißen von Fe-Basis- Werkstoffen auftreten? Erläutern Sie deren Ursachen. Wie lässt sich die Schweißeignung von Stählen beurteilen? Beurteilen und erläutern Sie die Schweißeignung unlegierter und niedrig legierter Stähle in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt. Beurteilen und erläutern Sie die Schweißeignung hochlegierter Stähle.

20 Korrosion Was versteht man unter Korrosion? Warum tritt sie bevorzugt bei Metallen auf? Unter welchen Bedingungen kommt es zu elektrochemischer Korrosion? Erläutern Sie anhand einer Skizze die Ausbildung des Gleichgewichtspotentials und der Doppelschicht an der Grenzfläche Metall Elektrolytlösung. Was versteht man unter einer Elektrode einer elektrochemischen Reaktion dem elektrochemischen Potential dem Gleichgewichtspotential dem Standardpotential dem Ruhepotential dem Mischpotential? Nennen Sie ein Beispiel für eine Redoxreaktion. Wie lauten die beiden Teilreaktionen und wie werden sie benannt? Was versteht man unter einem edlen unedlen Metall? Welche Reaktionen können bei Korrosion eines Metalls in wässerigen Lösungen auftreten (anodische und kathodische Teilreaktion(en))?

21 Korrosion Skizzieren Sie die anodische die kathodische die Summen- Stromdichte-Potential-Kurven für Korrosion eines Metalls. Warum gehen in neutralen, sauerstoffhaltigen wässrigen Lösungen Metalle mit einem Standardpotential kleiner als 0,82 V in Lösung (und nicht nur diejenigen, deren Standardpotential kleiner als 0,41 V ist)? Skizzieren Sie eine (anodische) Stromdichte-Potential-Kurve eines passivierbaren metallischen Werkstoffes und benennen und erläutern Sie die kennzeichnenden Bereiche. Wo muss sich das Mischpotential einstellen, damit dieser Werkstoff im passiven Bereich bleibt?

22 Korrosion Nennen Sie Korrosionsarten ohne mit überlagerter mechanischer Beanspruchung. Skizzieren Sie die Korrosionsrate über der Zeit für einen normalen wetterfesten passivierten Stahl. Nennen Sie werkstoffbedingte - elektrolytbedingte Ursachen für die Ausbildung eines Korrosionselements. Skizzieren Sie ein Korrosionselement für einen Werkstoff in wässeriger Umgebung. Kennzeichnen Sie anodische und kathodische Bereiche und nennen Sie die auftretenden Reaktionen. Diskutieren Sie an Hand eines geeigneten Diagramms den Einfluss des ph-werts auf die Korrosion von Eisen. Diskutieren Sie an Hand geeigneter Diagramme den Einfluss des Sauerstoffgehalts der Temperatur des Salzgehalts der relativen Luftfeuchtigkeit auf die Korrosion von Metallen. Skizzieren Sie den Tropfenversuch. Kennzeichnen Sie die ablaufenden Prozesse und erläutern Sie diese auch im zeitlichen Ablauf.

23 Korrosion Erläutern Sie die Vorgänge an der Grenzlinie Wasser Luft z.b. an einem Schiffsrumpf. Was versteht man unter Kontaktkorrosion? Wie wirkt sich das Flächenverhältnis von Anode zu Kathode auf die Kontaktkorrosion aus? Welche weiteren Einflussfaktoren auf den Ablauf der Kontaktkorrosion gibt es? Nennen Sie Abhilfemaßnahmen gegen Kontaktkorrosion. Was versteht man unter selektiver Korrosion? Nennen und erläutern Sie Beispiele. Was versteht man unter interkristalliner Korrosion? Was versteht man unter Spaltkorrosion? Beschreiben und erläutern Sie die ablaufenden Prozesse. Nennen Sie Abhilfemaßnahmen.

24 Korrosion Unter welchen Bedingungen und für welche Metalle tritt Lochfraßkorrosion überwiegend auf? Skizzieren Sie eine entsprechende Stromdichte-Potential-Kurve und erläutern Sie die ablaufenden Prozesse. Nennen und erläutern Sie die Voraussetzungen für Spannungsrisskorrosion (SpRK). Nennen und erläutern Sie aktive und passive Korrosionsschutzmaßnahmen. Welches ist das Hauptlegierungselement, um die Korrosionsbeständigkeit von Stählen zu erhöhen? Wie hoch muss der Gehalt dieses Elementes mindestens sein, um Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten? Nennen Sie die fünf Hauptgruppen korrosionsbeständiger Stähle. Erläutern Sie den Einfluss ferrit- und austenitstabilisierender Elemente auf das g-gebiet.

25 Korrosion Nennen Sie typische Vertreter für Ferrit- und Austenitstabilisatoren. Was versteht man unter dem Chrom- bzw. Nickeläquivalent? Skizzieren und erläutern Sie das Schaeffler-Diagramm. Warum enthalten die meisten austenitischen Stähle ca. 18 % Cr und 10 bis 12 % Ni? Unter welchen Bedingungen kommt es zur Gefahr der interkristallinen Korrosion austenitischer Stähle? Erläutern Sie den Korrosionsmechanismus. Nennen Sie Abhilfemaßnahmen. Was versteht man unter einem stabilisierten Austenit? Beschreiben Sie das Korrosionsverhalten von Aluminium / Titan / Magnesium.

26 Anorganisch-nichtmetallische Werkstoffe Erläutern Sie die Klassifizierung der anorganisch-nichtmetallischen Werkstoffe und nennen Sie Beispiele. Beschreiben Sie die Verfahrensschritte der Keramikherstellung. Wie heißt der chemisch-physikalische Prozess, in dem der Werkstoff verdichtet und verfestigt wird? Was ist die Triebkraft des Sinterns? Welche atomaren Bindungen liegen in Keramiken und Gläsern vor? Wie sind die Atome in Keramiken / Gläsern räumlich angeordnet? Nennen Sie Beispiele der Oxidkeramiken und einige Anwendungen. Welche Vorteile und Nachteile haben Keramiken gegenüber Metallen? Welches Bruchverhalten zeigen Keramiken und Gläser gewöhnlich? Warum haben Fehler in der Keramik oft bruchauslösende Wirkung? Welches Merkmal des Bauteils geht in die Bruchzähigkeit des Werkstoffs ein und wirkt entscheidend für das Bauteilversagen? Wissensstand WK I 26

27 Verbundwerkstoffe Welches allgemeine Ziel wird durch die Herstellung von Verbundwerkstoffen verfolgt? Woraus besteht ein Verbundwerkstoff grundsätzlich? Welche Funktion hat die Matrix / das Sekundärmaterial? Welche Auswirkungen haben die Form / Größe / Orientierung des Sekundärwerkstoffs auf die mechanischen Eigenschaften? Welche positiven / negativen Effekte auf das Risswachstum werden durch das Sekundärmaterial erzielt? Wissensstand WK I 27

4.3.2 System mit völliger Löslichkeit im festen Zustand 82 4.3.3 System mit teilweiser Löslichkeit im festen Zustand 83 4.3.

4.3.2 System mit völliger Löslichkeit im festen Zustand 82 4.3.3 System mit teilweiser Löslichkeit im festen Zustand 83 4.3. Inhalt Vorwort 1 Werkstoffe und Hilfsstoffe 1 2 Struktur und Eigenschaften der Metalle 3 2.1 Atomarer Aufbau, Kristallsysteme, Gitterfehler 3 2.1.1 Das Atom 3 2.1.2 Die atomaren Bindungsarten 4 2.1.3 Kristallsysteme

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