Werkstoffkunde. Fragen zum Verständnis

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1 1 Werkstoffkunde Fragen zum Verständnis Kapitel E 1 Wie unterscheiden sich amorphe und kristalline Festkörper? Die Atome, aus denen ein Kristall aufgebaut ist, befinden sich in einer festen räumlichen Anordnung. Fehlt der kristalline Aufbau, werden die Stoffe als amorph bezeichnet. In diesem Zustand sind die Atome und Moleküle vollkommen ungeordnet. Wie unterscheiden sich Metalle von Nichtmetallen? Der Unterschied zwischen den Metallen und anderen kristallinen Stoffen besteht in der Form der Bindung zwischen den einzelnen Atomen. Kapitel E 2 Wie wird die Übergangstemperatur im Kerbschlagbiegeversuch ermittelt? Die Übergangstemperatur grenzt das Gebiet der Verformungsbrüche mit größerem Energieverbrauch (Hochlage) gegen das der Sprödbrüche mit niedrigem Energieverbrauch (Tieflage) ab. Sie kann auf verschiedene Weise definiert werden: Temperatur, bei der die Kerbschlagarbeit einen bestimmten Grenzwert erreicht Temperatur, bei der der spröd gebrochene Anteil, der kristalline Fleck, einen bestimmten Prozentsatz, z.b. 80% der Bruchfläche ausmacht. Was bedeuten Halte und Knickpunkte in Abkühlkurven? Haltepunkte: Die Temperatur der abkühlenden Legierung bleibt bis zur vollständigen Phasenänderung konstant. Dies kann nur geschehen, wenn der Freiheitsgrad F = 0 ist, z.b. beim Erstarren (Schmelzen) reiner Metalle oder eutektischer Legierungen. Knickpunkte sind typisch und ausgeprägt für Zustandsänderungen im Bereich Schmelze feste Bestandteile von Legierungen (F = 1). Sie entstehen durch die bei der Erstarrung freiwerdende Kristallisationswärme. Wie unterscheiden sich die Spannungen im Zugstab nach DIN EN und die tatsächliche Spannung im Querschnitt des Zugstabes? Die mechanische Spannung ist laut DIN EN: σ = F/A0, die tatsächliche Spannung hingegen beträgt jedoch: σ = F/A. In der Norm wird die Flächenänderung also nicht berücksichtigt. Welche Steigung hat die Hooksche Gerade? (z.b. für Stahl) Die Hooksche Gerade ist der lineare Teil des Spannungs Dehnungsdiagramms. In diesem Spannungsbereich werden Maschinenteile in ihrer Funktion beansprucht. Dabei sind Spannung und Dehnung proportional. Bis zum Ende dieser Geraden gilt das Hooksche Gesetz: σ = E *ε. Die Steigung der Geraden ist also E und wird als Elastizitätsmodul bezeichnet. Das E Modul ist das Maß für den Widerstand, den ein Werkstoff seiner elastischen Verlängerung entgegensetzt. Diese Gleichung gilt nur im Bereich elastischer Verlängerung. Wie wird die Dehnung gemessen bzw. berechnet? Die Dehnung ε berechnet sich folgendermaßen: ε = L/L0 Kapitel E 3 Was bedeuten die Hauptsymbole S, P, L, E, wenn ein Stahl nach dem Verwendungszweck (DIN EN 10027) bezeichnet wird? Was bedeuten die Zahlen, die diesen Hauptsymbolen folgen? S = Stahlbau P = Druckbehälterbau L = Rohrleitungsbau E = Maschinenbau (Engineer) Die erste Zahl gibt die Streckgrenze in N/mm² an. Was bedeuten die Hauptsymbole B, D, E, wenn ein Stahl nach seinem Verwendungszweck bezeichnet wird? B = Betonstahl D = Gewalzter Stahl E = Maschinenbau Bei der Bezeichnung nach der chemischen Zusammensetzung wird zwischen legierten, niedriglegierten und hochlegierten Stählen unterschieden. Welche Größe wird zur Unterscheidung herangezogen und wie sind die Grenzen festgelegt? Die Größe, die zur Unterscheidung herangezogen wird ist der Legierungsgehalt in Massenprozenten. Kleiner 1% unlegierte Kleiner 5% niedriglegierte Größer 5% hochlegierte Geben sie zwei Beispiele und erläutern sie die Symbole: Unlegierte Stähle 3C15 bedeutet bestimmte Spanne S Gehalt muß eingehalten werden (spanende Bearbeitung); 0,15% C Gehalt. 2C22 bedeutet geringer P & S Gehalt; 0,22% mittlerer C Gehalt Niedriglegierte Stähle 22MnCr5 bedeutet 0.22% Kohlenstoff; 1,25% Mangan; Chrom in Spuren vorhanden; 13CrMo44 bedeutet 0,13% mittlerer C Gehalt; 1% Chrom; 0,4% Molybdän; Hochlegierte Stähle X2CrNiMo18164 bedeutet 0,02% mittlerer C Gehalt; 18% Chrom; 16% Nickel; 4% Molybdän; X5CrNiMo17222 bedeutet 0,05% mittlerer C Gehalt; 17% Chrom, 22% Nickel; 2% Molybdän; Alcumotativ ist ein Merkwort aus der Stahlbezeichnung beim Benennen nach der chemischen Zusammensetzung. Welche Legierungssymbole enthält dieses Merkwort, welchen Faktor haben diese Legierungszusätze? Ordnen sie den beiden anderen Faktoren je drei Elemente zu! Aluminium, Kupfer, Molybdän, Tantal, Titan, Vanadium haben den Multiplikator 10 (auch bei Pb, Nb); Beispiele für den Multiplikator 4 sind Chrom, Nickel, Mangan, für den Multiplikator 100 sind es C, P, S, N;

2 2 Die DIN EN Teil 2 gibt ein Nummernsystem für die Hauptgruppe Stahl an. Wie ist dieses Nummernsystem aufgebaut? Das Nummernsystem für Stähle nach DIN EN besteht aus der Werkstoff Hauptgruppennummer 1, einer zweistelligen Stahlgruppennummer und einer zweistelligen Zählnummer. Eine Erweiterung der Zählnummer auf 4 Stellen ist bei Bedarf vorgesehen. Mit welchen Nummern nach DIN EN T1 werden die Hauptgruppen Stahl/Stahlguß, Aluminium und Kupfer bezeichnet? (für Stahl gilt DIN EN Teil2) Stahl bis Stahlguß bis Aluminium bis Kupfer bis Kapitel F1 Was ist für die metallische Bindung charakteristisch? Jedes Atom versucht auf der äußersten Elektronenschale komplett zu werden, also den Edelgaszustand zu erreichen. Daher versuchen Atome Elektronen aufzunehmen oder abzugeben. Metallatome geben grundsätzlich Elektronen ab. Da in einem Metall keine Atome sind, die Elektronen aufnehmen, bleiben diese Elektronen ungebunden, es sind die sog. Valenzelektronen. Hieraus entsteht ein Elektronengas. Die elektrostatischen Kräfte zwischen dem Elektronengas und den positiv geladenen Atomrümpfen sind das Kennzeichen der metallischen Bindung. Warum ordnen sich Atome mit metallischer Bindung zu einem regelmäßigen Kristallgitter? Es herrschen 2 Kräfte: Die abstoßende Kraft (gleichnamig geladene Atomrümpfe) und die anziehende Kraft (Positiver Atomrumpf Elektronengas). Beide wachsen bei der Annäherung der beiden Atome an, jedoch nicht im gleichen Maß. Das Diagramm (B/S Bild 1.4) gibt den natürlichen Atomabstand an. Wenn die Atome einen bestimmten Abstand haben, sind die Kräfte im Gleichgewicht. Dieser Abstand ist eine charakteristische Größe für das jeweilige Metall. Das ObG. Gleichgewicht führt zu einer regelmäßigen räumlichen Anordnung der Atome, was man ein Kristallgitter nennt. Wie lassen sich Atome aus den Gleichgew ichtsabständen verschieben? Durch äußere Kräfte lassen sich die Atome aus den Gleichgewichtsabständen verschieben. Welche sind die typischen Elementarzellen metallischer Verbindungen? Die typischen Elementarzellen sind das krz, kfz und das hdp Gitter. (Bargel/Schulze Bilder 1.10 bis 1.12) Warum ist die dichteste Kugelpackung typisch für Metalle? Durch die Kräfte der Atome zueinander ordnen sie sich in einem bestimmten werkstoffabhängigen Abstand, der durch die Gitterkonstante beschrieben wird. (B/S Tab. 1.1) Geben sie die wichtigsten Daten der Alltropie des Eisens an. Einige Metalle können bei bestimmten Temperaturen umkristallisieren (Alltropie). Zwischen 911 C und 1392 C ist Eisen z.b. kfz. Bei höheren und tieferen Temperaturen ist es krz. Kapitel F2 Was sind Phononen? Als Phononen werden besetzte Schwingungszustände bezeichnet. Phononen [griech.] (Schallquanten), die Quanten der Schallschwingungen fester und flüssiger Stoffe sowie der als Wärmebewegung der Gitterbausteine eines Kristalls auftretenden Gitterschwingungen. Wie wird die spezifische Wärmekapazität eines Körpers gemessen (Definitionen sind Meßvorschriften)? Das Vermögen eines Körpers Energie aufzunehmen steigt mit zunehmender Temperatur bis zur Debey Temperatur an, und ist dann konstant. (24,94J/Mol*K gilt für alle Festkörper außer Metalle. Wie wird zugeführte thermische Energie im Festkörper gespeichert? Die zugeführte Energie regt den Festkörper zu Gitterschwingungen an. Je mehr Schwingungszustände besetzt sind (Phononen) desto mehr Energie wird gespeichert. Bei der Debey Temperatur sind alle Gitterschwingungen angeregt. (Gilt für alle Festkörper außer Metalle). Von welchen Größen hängen die Wärmeleitfähigkeiten der festen Metalle und der Isolatoren ab? Die Wärmeleitfähigkeit hängt ab von der Temperatur, von dem Vorhandensein und der Beweglichkeit der freien Elektronen Bei Isolatoren: λ = 0.5 * V/M * c *c(s) * l(ph) V = Volumen M = Masse C = spezifische Wärmekopplung C(s) = Schallgeschwindigkeit L(PH) = mittlerer freier Phononenweg Phononen : Quanten (Teilchen) Gitterschwingungsform Bei Metallen : λ = L * T *Kappa L = Lorenzzahl 2,45*10^8 V^2/k^2 T = Absolute Temperatur Kappa = el. Leitfähigkeit (1/Ωm) Warum kommt es zur thermischen Längenausdehnung der festen Körper? Zwischen dem positiv geladenen Atomrumpf und dem Elektronengas Bestehen anziehende elektrostatische Kräfte. Die Atomrümpfe Stoßen sich jedoch auch gegenseitig ab. Für einen Bestimmten Abstand x0 zweier Atomrümpfe sind die Kräfte im Gleichgewicht. Diese Entfernung ist der kleinste Abstand, den zwei Atome voneinander haben können. Da die Funktion der Summe der beiden Kräfte nicht symmetrisch zu x0 ist, vergrößert sich der Abstand, wenn das Atom zu Schwingungen angeregt wird. Diese Anregung erfolgt beim Erwärmen. Die Anziehungskräfte und Abstoßungskräfte sind unsymmetrisch zur Gleichgewichtslage. Der abstoßende ist elastisch härter, der anziehende elastisch weicher. Bei Schwingungen wird dadurch der mittlere Atomabstand größer. Welcher Zusammenhang besteht zwischen dem Längenausdehnungskoeffizienten und dem Volumenausdehnungskoeffizienten der festen Körper? Es ist γl = 1/3 γv Auf welche Seite krümmt sich ein Bimetallstreifen Fe/Cu, Wenn er erwärmt wird? Wie groß sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Metalle, bzw. wie groß ist deren Verhältnis? Der Bimetallstreifen krümmt sich auf der Seite des Eisens, da sich das Kupfer stärker ausdehnt. Wärmeausdehnungskoeffizienten: Fe = 10,5*10^6/K (Gußeisen 12*10^6) Cu = 17*10^6/K das Verhältnis beträgt also 12:17. Wie groß ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von Edelstahl rostfrei und von Aluminium? Edelstahl rostfrei: 0,000016/K Aluminium: 0, /K Kapitel F3 & F4 Was ist im Festkörper bezüglich der elektronischen Energieniveaus anders als bei freien Atomen?

3 3 Nähern sich zwei Atome bis auf einen kleinstmöglichen Abstand x0 (siehe Bild 1.4), So geraten die Elektronen zunehmend auch in den Wirkungsbereich des anderen Atomkerns. Die Folge davon ist, daß statt des einen Energieniveaus' nunmehr zwei dicht beieinander liegende Energiezustände für jedes Elektron möglich sind. Im festen Körper sind sehr viele Abstände zwischen x0 und sehr großen Werten möglich, so daß sich sehr viele Zwischenzustände der Wechselwirkung ergeben. Es entstehen Energiebänder mit vielen dicht gestaffelten Niveaus. Was sind Energiebänder, was ist die Energielücke in der Physik der festen Körper und welche Bedeutung haben diese bei der Unterscheidung von Leitern, Halbleitern und Isolatoren? Ein Energieband ist ein Bereich mit vielen dicht gestaffelten Energieniveaus. Das Oberste voll besetzte Energieband wird Valenzband genannt, das Band darüber ist das Leitungsband. Energielücken sind die Energieniveaus zwischen den Energiebändern. In ihnen kann sich kein Elektron aufhalten. Je nach Ausprägung von Bändern und Lücken unterscheidet man vier verschiedene Fälle: Das Leitungsband ist nur halb besetzt (nur ein Elektron auf der äußeren Schale) Leiter erster Klasse(Au, Ag, Cu) Das Leitungsband ist leer aber überlappend mit dem Valenzband Leiter zweiter Klasse Das Leitungsband ist leer und hat einen geringen Abstand zum Valenzband (< 3 ev) Halbleiter Das Leitungsband ist leer und hat einen großen Abstand zum Valenzband (> 3 ev) Isolaton Wie läßt sich die elektrische Leitfähigkeit im Energiebändermodell erklären? Elektromagnetische Felder üben Kräfte auf die Elektronen aus (Coulomb, Lorenz). Die Elektronen können sich jedoch nur auf freien Energieniveaus im Leiter bewegen. Diese sind im Leitungsband. Wird ein Elektron auf diese Weise verschoben, entsteht ein Loch an der Stelle, wo vorher das Elektron war und eine zusätzliche negative Ladung dort, wo es gelandet ist. Das Loch wird durch andere Elektronen aufgefüllt und das Elektron wird weiter transportiert. Durch die Wirkenden Kräfte entsteht so eine gerichtete Bewegung, es fließt ein Strom. Aus welchen Bestandteilen setzt sich der spezifische Widerstand zusammen und welcher Anteil ist bei tiefen Temperaturen bei Metallen, die nicht supraleitend werden, dominierend? Der spezifische Widerstand wird durch die Formel ρ = R*A/l beschrieben, wobei R der Widerstand, A der Querschnitt und l die Länge des Leiters ist. Der spezifische Widerstand setzt sich zusammen aus dem konstanten Teil ρd, der von Gitterfehlern abhängig ist, und aus dem temperaturabhängigen Widerstand ρ T. (ρ = ρ D + ρ t) Bei tiefen Temperaturen dominiert ρ t. Wie lauten die Temperaturabhängigkeiten der elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit für Temperaturen, die kleiner als 50% der Schmelztemperatur sind? Die Temperaturabhängigkeit der elektrischen und Wärmeleitfähigkeit besteht darin, daß je höher die Temperatur ist, desto geringer ist die elektrische, sowie die Wärmeleitfähigkeit. Das läßt sich mit der erhöhten Teilchenbewegung erklären, da hier die Elektronen eher mit anderen Teilchen zusammenstoßen.elektrische Leitfähigkeit : χ = n * e * e / m * τ. Thermische Leitfähigkeit : λ = L * T * χ. Welche metallischen Werkstoffe verstärken magnetische Felder um ein Vielfaches? Wie wird diese Art des Magnetismus genannt? Die metallischen Werkstoffe, die magnetische Felder um ein Vielfaches verstärken sind Eisen, Nickel und Kobalt. Die Elektronenströme werden in diesen Stoffen so stark beeinflußt, daß selbst nach der Wegnahme des magnetischen Feldes der magnetisierte Zustand bleibt. Dieser Magnetismus wird Ferromagnetismus genannt und ist eine Sonderform des Paramagnetismus, bei dem das äußere magnetische Feld jedoch nur geringfügig verstärkt wird (Luft, Aluminium, Chrom). Das Gegenteil hierzu bildet der Diamagnetismus, bei dem das innere magnetische Feld dem äußeren entgegenwirkt, was eine geringfügige Schwächung bedeutet (Wasser, Kupfer, Silber). Was sind Valenzband, Leitungsband und Energielücke im Festkörper, welchen Einfluß haben diese auf die elektrische Leitfähigkeit? Da jedes Elektron bezogen auf ein Atom nur ein konkretes Energieniveau besitzt, ist es nötig, daß bei größerer Annäherung mehrerer Atome jedes Elektron, das sich nun im Bereich dieser Atome aufhält ein Energieniveau annimmt, welches noch keines der vorhandenen restlichen Elektronen besitzt. Die Energiezustände zusammengenommen ergeben verschiedene Energiebereiche (Bänder). Das Band in dem sich nur Valenzelektronen aufhalten nennt man Valenzband, das nächst höhere Band Leitungsband. Diese beiden Bänder bilden die beiden äußeren aller vorhandenen Bänder und sind für die elektrische Leitfähigkeit ausschlaggebend. Der Abstand dieser Bänder nennt sich Energielücke und ist bei einigen Stoffen sehr groß (Isolatoren). Bei Halbleitern ist der Abstand geringer (<3eV) und das Leitungsband ist nicht gefüllt. Bei einwertigen Metallen ist er ähnlich dem des Halbleiters, nur ist hier das Leitungsband zur Hälfte gefüllt. Bei zweiwertigen Metallen überschneiden sich Valenz, und Leitungsband. Welchen Einfluß haben die Elektronen der metallischen Bindung auf die elektrische und thermische Leitfähigkeit? Die elektrische und thermische Leitfähigkeit ist abhängig von dem Vorhandensein und der Beweglichkeit der freien Valenzelektronen, die das Wirkungsfeld der Atomrümpfe verlassen können. Wie funktioniert die Hall Sonde? Die Ablenkung der Ladungsträger eines elektrischen Stromes durch ein zur Stromrichtung senkrecht stehendes Magnetfeld bewirkt in einem leitenden Medium eine unterschiedliche Konzentration der Ladungsträger. Durch diesen Hall Effekt entsteht eine Spannung im Leiter rechtwinklig zu Magnetfeld und Stromrichtung. Diese hat die Größe U = I*B/e*n*d. Währen die Hall Spannung in metallen sehr gering ist, liegt sie bei Halbleitern im technisch nutzbaren Bereich (einige mv). Welche Werkstoffe sind ferromagnetisch, was bedeutet das, wo liegt der Curie Punkt und was ist der Curie Punkt? Die ferromagnetischen Werkstoffe sind Eisen, Kobalt und Nickel. Der Curie Punkt ist die Temperatur, bei der der Ferromagnetismus verschwindet. Er liegt für Eisen bei 1041 K, für Kobalt bei 1403 K und für Nickel bei 631 K. Kapitel F5 Warum reflektieren Metalle Licht? Das Licht als elektromagnetische Welle trifft auf die Metalloberfläche mit ihren frei beweglichen Elektronen. Diese werden in Schwingungen versetzt und erzeugen somit auch wieder ein elektromagnetisches Feld. Wie funktioniert eine Fotozelle? In Halbleitern ist ein innerer Photoeffekt möglich. Photonen, die von einem Festkörper absorbiert werden, erzeugen in diesem Elektronen und Löcher, die den Körper nicht verlassen. Diese können zum Ladungstransport genutzt werden. Je nach Wechselwirkung mit dem Körper wird zwischen Eigenphotoleitung und Störstellenphotoleitung unterschieden. Bei der Eigenfotoleitung erzeugen die Photonen durch wechselwirkung mit den gebundenen Elektronen der Matrixatome freie Elektronen Loch Paare. Dazu muß die Energie des Photons mindestens dem Bandabstand entsprechen. Für die

4 4 Sörstellenleitung ist der geringe Abstand zwischen Leitungsbandkante bzw Valenzbandkante und dem jeweiligen Störstellenniveau ausschlaggebend. Wie funktioniert eine Laserdiode? Werden Elektronen auf einem höheren Energieband mit Photonen der richtigen Wellenlänge beschossen, so fallen diese auf ein niedrigeres Energieband zurück und strahlen dabei ein Photon ab, welches zum eintreffenden kohärent ist. Aufgrund der Bolzmann Verteilung sind jedoch mehr Atome im niedrigeren Zustand und absorbieren die ankommenden Elektronen um auf den angeregten Zustand zu gelangen. Hätte man nun eine Inversion der Niveaus n1 und n2, so käme es zu einer Verstärkung und zur Abstrahlung von kohärenten Photonen. Technisch wird dieses Problem gelöst, in dem die Photonen auf ein drittes Niveau n3 angehoben werden und dann teilweise auf das zweite abfallen. Dadurch wird die mittlere Verweildauer der Elektronen auf n2 erhöht, eine Niveauinversion tritt ein. Ebenso kann eine Inversion durch die Dotierung des Halbleitermaterials erfolgen. Wie funktioniert ein Festkörperlaser? Eigenschaften: L. erzeugen kohärente, monochromatische, sehr intensive und scharf gebündelte Lichtstrahlen. Grundlage des L. ist die Anregung einer stehenden Welle zw. einem undurchlässigen und einem teildurchlässigen (1 2)%) Spiegel in einem homogenen Medium. Durch Energiezufuhr (z.)b. Lichteinstrahlung) werden Elektronen im Medium auf ein bestimmtes Energieniveau angehoben (Besetzungsinversion oder umkehr durch opt. Pumpen). Kehren diese Elektronen in ein tieferes Energieniveau zurück, so entsteht durch das dabei ausgesandte Licht (einer bestimmten Wellenlänge) eine zw. den Spiegeln sich verstärkende stehende Welle, die durch den teildurchlässigen Spiegel entweder kontinuierl. (DauerstrichL.) oder diskontinuierl. (ImpulsL.) austreten kann. Lasermaterialien: Die wichtigsten GasL. (mit einem Gasplasma als Medium) sind der HeliumNeonL. (Wellenlängen 630 nm und 3)390 nm), der ArgonIonenL. (Wellenlängen 488 nm und 514,5 nm), der KryptonIonenL und der CO2L. (Wellenlängen 1)060 bzw. 960 nm). Die Leistungen von GasL. liegen zw. einigen Milliwatt und einigen Kilowatt. Farbstoff L. (engl. DyeL.) besitzen organ. Moleküle (z.)b. Rhodamin, Cumarin) als L.medien. Die wichtigsten FestkörperL. sind der RubinL. (Rubin = Cr 3+ Ionen im Al2O3Kristall; L.linie bei 694,3 nm) und der YAGL. (YAG)= YttriumAluminium Granat mit Nd 3+ Ionen; L.linie bei 1)060 nm). Mit FestkörperL. ist es mögl., die Anregungsenergie in sehr kurzer Zeit abzugeben und somit sehr hohe Leistungsdichten von etwa Watt/cm 2 zu erreichen (RiesenimpulsL.). HalbleiterL. bestehen aus zwei aneinandergrenz enden, p und ndotierten Schichten. Ein in Durchlaßrichtung angelegtes elektr. Feld treibt Elektronen vom nleitenden Gebiet in die pnübergangszone (Elektroneninjektion), wo Rekombination in das tiefergelegene Energieband unter Lichtausstrahlung erfolgt. Ist die Reflexion des Lichts an den planparallelen Oberflächen des Kristalls gewährleistet, dann wird eine Laserschwingung angeregt, wenn der Injektionsstrom einen Schwellenwert überschreitet (InjektionsL.). GaAs, dotiert mit Tellur (nleiter) und Zinn (pleiter), emittiert L.licht der Wellenlänge 840 nm (GaAs L.). Infolge der Kohärenz und Monochromasie des L.lichts ist der L. den herkömml. Lichtquellen (z.)b. Spektrallampen) bei einer Vielzahl von Anwendungen weit überlegen und wird heute in fast allen Bereichen der Natur Wiss., Technik, Medizin u.)a. verwendet (auch Holographie). Neuere L.typen sind der ExcimerL. für Ultraviolettlicht, der RöntgenL. und der freie Elektronenlaser. Kapitel F6 Was bedeuten kritische Temperatur und kritisches Magnetfeld bei supraleitenden Werkstoffen? Ab einer bestimmten kritischen Temperatur lkann keine Supraleitung stattfinden. Diese Temperatur ist materialabhängig. Bis zu einer kritischen Magnetfeldstärke B k werden supraleiter nicht von äußeren Magnetfeldern durchdrungen. Nennen sie einen Werkstoff, der supraleitend ist. In welchem Temperaturbereich ist dieser Werkstoff supraleitend? Der Werkstoff Nb 3Al ist supraleitend bis zu einer Temperatur von 18,0 K. Werden alle Metalle supraleitend? Wisse mer net! Supraleitung (Supraleitfähigkeit ), eine bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu beobachtende, 1911 von H.)Kamerlingh Onnes entdeckte physikal. Erscheinung: Der elektr. Widerstand vieler Metalle (u.)a. Quecksilber, Blei, Aluminium, Zinn, Niob, Zirkonium und Titan), Metalllegierungen und intermetall. Verbindungen verschwindet vollkommen bei Abkühlung auf Temperaturen unterhalb einer für das jeweilige Material charakterist. Temperatur, der Sprungtemperatur T. Zeigt ein Stoff ein derartiges Verhalten, so befindet er sich im supraleitenden Zustand und wird als Supraleiter bezeichnet. Das Verschwinden des elektr. Widerstandes hat zur Folge, daß sich in einem Supraleiter beim Stromdurchgang keinerlei Joulesche Wärme entwickelt, ein einmal induzierter Strom (Suprastrom) bleibt über längere Zeit bestehen; Anwendung z.)b. in supraleitenden Magneten zur Erzeugung bes. starker Magnetfelder. Mit der Entdeckung keram. Supraleiter, deren Sprungtemperatur über 77 K liegt (Hochtemperatursupraleiter), öffnen sich weitere Anwendungsgebiete, z.)b. in der Computertechnik (Supraleitungsspeicher), da als Kühlmittel flüssiger Stickstoff verwendet werden kann. Die bisher höchsten erreichten Sprungtemperaturen liegen über 150 Kapitel F7 Wie wird die dynamische Viskosität gemessen? Die dynamische Viskosität ist Kennzeichen für die Festigkeit eines Glases. Die Reibkraft ist : F R = η * A *dv/dx (A ist die Reibfläche) und die dynamische Viskosität ist: η = τ / (dv / dx) = τ / D. (D ist das Scher bzw. Geschwindigkeitsgefälle) Warum kann sich eine Glasscheibe unter ihrem Eigengewicht verformen? Wie müßte ein Versuch hierzu aufgebaut sein? Glas kann sich unter seinem Eigengewicht plastisch verformen, da es kein kristalliner sondern ein amorpher Festkörper ist. Das bedeutet es verhält sich wie eine Flüssigkeit mit enorm hoher Viskosität. Von einem Glas spricht man bei Viskositäten von Pa * s bei der Glastemperatur T G. Kapitel F8 Wodurch ist die Grenze elastisch / plastisch eines metallischen Werkstoffes gekennzeichnet? Die Elastizitätsgrenze ist praktisch die Spannung, bis zu der sich der Zugstab rein elastisch dehnt. Von hier an tritt beim weiteren Erhöhen der Zugkraft neben der Zugkraft neben dieser elastischen, proportionalen Dehnung εe zusätzlich eine nichtproportionale Dehnung εp auf. Die elastische Dehnung εe verschwindet beim Entlasten der Probe durch Rückfedern. Die nichtproportionale Dehnung unter Last entspricht der nach der Entlastung bleibenden Dehnung εr. Wird ein Werkstoff über die Elastizitätsgrenze hinaus auf Dehnung beansprucht, so tritt eine Plastische Verformung auf. Diese Beträgt z.b. bei Rp %. Wenn man ihn nun entlastet wird er immer noch eine Dehnung von 0.2% aufweisen. Wenn die plastische Grenze Rm erreicht ist beginnt der Werkstoff sich einzuschnüren und bricht. Wie geht die plastische Formänderung vonstatten? Welche metallphysikalischen Vorgänge bewirken dies?

5 5 Unter Zugbelastung werden die Atome im Werkstoff immer weiter voneinander entfernt. Wenn man solange zieht, bis die Streckgrenze erreicht ist, setzt eine plastische Verformung durch Gleiten ein. Bei dem Gleiten werden Teile eines Kristalls als Gleitpackete (Gleitebenen) sprunghaft in einem Zuge um viele Atomabstände gegeneinander verschoben. In diesen Gleitebenen herrscht eine Schubspannung τ. Wenn diese groß genug ist, um eine elastische Rückstellkraft (Gleichgewichtskraft zwischen den Atomen) zu überwinden, kommt es zur plastischen Verformung. Bei dichtest gepackten Ebenen sind geringere Spannungen erforderlich, um eine Ebene zu verschieben als bei weniger dicht gepackten Ebenen. Manche Werkstoffe sind spröd und brechen im Zugversuch ohne Einschnüren. Wie ist das zu erklären? Metalle, die Fremdatome in ihrem Metallgitter enthalten, verformen sich schwerer weil die Fremdatome die Gleitebeneb verzerren und das Abgleiten blockieren. So läßt es sich erklären, das reine Metalle weich und gut verformbar sind. Verunreinigte Metalle sind härter und spröder. Der Widerstand gegen Verformungen ist von Anfang an so groß, daß es gleich zum Sprödbruch kommt. Welche Eigenschaft der metallischen Bindung macht das elastische Verhalten der Metalle möglich? In jedem Kristall liegen Gleitebenen. Je nach Beanspruchung durch Zug und Druck gleiten diese Ebenen aufeinander im Metall. Dabei werden die Abstände der Atome verändert, d.h. die Gleichgewichtskräfte zwischen den Atomen werden verändert. Wenn die jeweilige Beanspruchungsspannung in den Gleitebenen nach der Beanspruchung größer ist als die Kräfte, welche die Atome im Gleichgewicht halten, dann verformt sich der Werkstoff plastisch. Beim elastischen Verhalten sind die Kräfte, welche die Atome im Gleichgewicht halten nach der Beanspruchungsspannung immer noch größer als die Beanspruchungsspannung, d.h. daß die Atome ihren Ausgangs oder Gleichgewichtsabstand wieder einnehmen. Außer der Kaltverfestigung gibt es drei weitere grundlegende Verfestigungsmechanismen. Nennen sie diese und erklären sie die Ursachen, die zur Verfestigung führen. 1. Korngrenzenverfestigung. Zwei Stähle von gleicher chemischer Zusammensetzung können starke Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften aufweisen, wenn sie unterschiedliche Korngrößen haben. Feinkörnige Gefüge haben eine höhere Festigkeit sowie Kerbschlagzähigkeit und ertragen größere Dehnungen. Grobkörnige Gefüge sind in der Kälte spröde und haben auch bei Zimmertemperatur niedrige Werte der Kerbzähifkeit. Beispiel: Ein Draht hat einen Querschnitt von 1 mm². Esteht er aus einem grobkörnigen Gefüge, so bricht er entlang der Korngrenze. Bei einem feinkörnigen Gefüge bricht er nicht entlang der entlang der Korngrenze, weil eine wesentlich größere Bruchfläche entstünde, für die eine große Trennkraft notwendig wäre. Zu diesem Bruch kommt es nicht, weil vorher eine Verformung der kleinen Körner durch Gleiten beginnt. Die Folge ist eine Dehnung und eine Einschnürung und Dehnung des Drahtes. Diese Kaltverformung verursacht eine Kaltverfestigung. Trotz des kleineren Querschnitts kann der Draht eine größere Kraft aufnehmen als vorher. Zum Schluß bricht der Draht an der Einschnürung spröde. Grobkörniges Gefüge neigt zum Bruch ohne Verformung, es ist spröde. Feinkörniges Gefüge verformt sich ehe es bricht, die Kaltverfestigung verhindert unter Umständen einen Bruch. 2. Mischkristallbildung: Die meisten Kristalle können in ihrem Gitterverband bestimmte Mengen anderer Atome aufnehmen. Die Fremdatome werden im Gitter gelöst, wodurch es stets meht oder weniger stark verspannt wird. Derartige aus mindestens zwei Atomsorten gemischte Kristalle werden Mischkristalle, zutreffender als feste Lösungen bezeichnet. Mischkristallgefüge sind homogen, d.h. sie bestehen aus nur einer Kristallart. Je nach Größe der Legierungsatome wird das Gitter aufgeweitet oder zusammengezogen. Die Gleitebenen werden dadurch wellig, so daß ein Abgleiten größere Kräfte erfordert. Gelöste Legierungselemente erhöhen Festigkeit, Härte, El. Leitfähigkeit, Wärmeausdehnung. 3. Ausscheidungshärtung: Dieses Verfahren zu Erhöhung der Festigkeit geeigneter Legierungen ist von größter Bedeutung. Es besteht aus drei Schritten: a. Lösungsglühen: Erwärmen, so daß der Werkstoff ein homogenes Gefüge besitzt. b. Abschrecken: Eine Ausscheidung wird verhindert, es entstehen übersättigte Mischkristalle. c. Auslagern: Bei Raumtemperatur oder Erwärmung laufen Ausscheidungsvorgänge gleichmäßig im Ganzen Werkstück ab. Bei Raumtemperatur drängt das Wirtsgitter die zwangsgelösten Atome in Fehlstellungen (Versetzungen), wo sie das Abgleiten der Atome zu erschweren. Bei Erwärmen können sich Teilchen innerhalb des MK bilden. Zum Abgleiten sind jetzt größere Kräfte erforderlich, weil dabei die Teilchen abgeschert werden müssen. Bestimmte höhere Temperaturen erleichtern die Diffusion so, daß die Teilchen so groß werden, daß sie nicht mehr abscheren. Der Abgleitvorgang übergeht sie. Dazu sind nicht so hohe Kräfte erforderlich. Bei der Aus härtung kommt es darauf an, eine bestimmte Teichengröße nicht überschreiten, um die gewünschte Eigenschaftskombination zu erhalten, z.b. erhöhte Streckgrenze bei guter Kerbzähigkeit. Skizzieren und benennen sie Punktfehler, Linienfehler und Flächenfehler. Es gibt vier verschiedene Arten von Punktfehlern: 1. Leerstellen sind Gitterplätze, die von keinem Atom besetzt sind. Sie sind temperaturabhängig, d.h. mit steigender Temperatur nummt die Anzahl der Leerstellen zu.(bild 1.15) 2. Zwischengitteratome liegen nicht auf einem Gitterplatz sondern dazwischen.(bild 1.16) 3. Substitutionsfremdatome z.b. Cu in Ni (Bild 1.18) 4. Einlagerungsfremdatome z.b. C in Fe (Bild 1.19) Linienförmige Fehler sind Versetzungen. Versetzungslinien sind in sich geschlossen oder enden an der Korngrenzen, Fremdatomen oder Versetzungsknoten. Man unterscheidet zwei Versetzungsarten: Stufenversetzungen kann man sich als Rand von Gitterebenen vorstellen, die im Kristall enden. (Bild 1.20) Bei Schraubenversetzungen sind die Gitterebenen im Bereich der senkrecht zu ihnen stehenden Versetzungslinie wendelförmig verzerrt. Die Versetzungslinien sind meist nur auf kurzen Teilstücken reine Stufen oder Schraubenversetzungen. (Bild 1.21) Flächenförmige Fehler werden unterschieden in: Großwinkelkorngrenzen sind Grenzen zwischen Kristallen, die eine Dicke von 2 bis 3 Atomabständen haben, in denen die Atome unregelmäßig angeordnet sind. Eine Kleinwinkelkorngrenze ist eine Grenze zwischen zwei ähnlich nebeneinander liegenden Kristallen, welche die unterschiedliche Lage durch wenige Stufen (Kristalle gegeneinander gekippt), bzw. Schraubenversetzungen (Kristalle gegeneinander verdreht) ausgleicht. Stapelfehler sind Fehler in kfz Gitter, bei dem die hexagonal gesehenen Flächen nicht den herkömmlichen Rhythmus ABC ABC ABC haben, sondern den Rhythmus ABC AB ABC. Eine Zwillingsebene ist ein Fehler, Bei denen Die Atome im Grenzbereich der beiden Kristalle Plätze einnehmen, die sowohl zu dem eine als auch zu dem anderen Kristall gehören. Wie werden Fremdatome im Wirtsgitter eingelagert? (Geben sie für jede Art ein Beispiel an)

6 6 Es gibt zwei verscheiedene Eingelagert. Zum Einen die Einlagerungsfremdatome (z.b. C in Fe) und zum anderen die Substitutionsfremdatome (z.b. Cu in Ni) Was sind Kleinwinkelkorngrenzen und wie entstehen sie? Eine Kleinwinkelkorngrenze ist eine Grenze zwischen zwei ähnlich nebeneinander liegenden Kristallen, welche die unterschiedliche Lage durch wenige Stufen (Kristalle gegeneinander gekippt), bzw. Schraubenversetzungen (Kristalle gegeneinander verdreht) ausgleicht. Bei welchen technischen Verfahren ist die Diffusion unabdingbar und welche Diffusionsart spielt dabei eine Rolle? Die technischen Verfahren sind für die Oberflächendiffusion: Aufkohlen, Nitrieren, Borieren, Nitrocarburieren für eine verschleißfreie Randschicht. Feuerverzinken, Inchromieren, Sheradisiere für den Korrosionsschutz. Weichlöten, Hartlöten für Verbindungen. Bei der Volumendiffusion ist zu unterscheiden in: Rekristallisation und Kornwachstum in Gefügen und Phasen. Erholungsprozesse bei Umwandlungen von Versetzungen, Eigenspannungen und atomaren Fehlstellen. Schildern sie die Vorgehensweise beim Aufkohlen. (Carburieren, Einsetzen) Wie kann die mittlere Eindringtiefe berechnet werden? Beim Aufkohlen wird ein Werkstoff mit einem Kohlenstoffgehalt von c 0 < c S = die von der Temperatur und dem Kohlenstoffpotential des aufzukohlenden Mediums abhängige maximale Kohlenstofflöslichkeit des Stahls) von einer aufkohlenden Atmosphäre umgeben, um seinen Kohlenstoffgehalt in seiner Randschicht zu steigern. Dieses Verfahren ermöglicht ein späteres Einsatzhärten. Die mittlere Eindringtiefe wird mit der Formel c(x, t) = (c S c 0)(l f (u)) beschrieben. f ( u) = 2 / π u e ε 2 0 Auf welchen physikalischen Vorgängen beruht die Diffusion und durch welche mathematischen Gesetze kann sie beschrieben werden? Die temperaturabhängige Wanderung der Atome ist ein statistischer Vorgang. Sie wird als Diffusion bezeichnet. Bei homogenen Körpern sind die Platzwechselvorgänge statistisch regellos. Bei inhomogenen Körpern führen die Konzentrationsunterschiede zu einer gerichteten Bewegung der Teilchen. dm A = D (dc A / dx) Sdt. Dabei ist dm A die Stoffmenge A, die in der Zeit dt durch eine Fläche S senkrecht zur Diffusionsrichtung transportiert wird, Bei einem Konzentrationsgefälle von dc A / dx. D ist der Diffusionskoeffizient, er ist ein Maß für das Wanderungsbestreben (Diffusionsfähigkeit) der Atomart A ist. D bestimmt nach der Beziehung 1/s * dm A /dt = D * dc A /dx neben dem Konzentrationsgefälle dc A /dx die Geschwindigkeit der Diffusionsvorgänge. Für D gilt die Beziehung D =D 0*exp (Q/RT) Q, R, und D 0 sind Temperaturunabhängig. D 0 ist die Diffusionskonstante, die ein Maß für die Schwingungsfrequenz der diffundierenden Atome darstellt. Schneller schwingende Atome können pro Zeit öfter den Platz wechseln. Wie sieht die in der Randschicht (senkrecht zur Oberfläche) nach dem Aufkohlen aus? Die Kohlenstoffkonzentration in der äußersten Schicht ist gleich c S. Sie nimmt mit zunehmender Eindringtiefe ab und geht gegen c 0. Angestrebt wird eine eutektoidische zusammensetzung der Härtungszone. Ein C Gehalt über 0,8% kann schädlich wirken, indem der überschüssige Zementit die Sprödigkeit und Rißempfindlichkeit der gehärteten Schicht erhöht. (Bild 1.70) Kapitel F9 (Und zu anderen Punkten) Wie werden Zustandsschaubilder ermittelt, was wird gemessen? Legierungen bestehen aus mindestens 2 Komponenten. Der zustand im thermodynamischen Gleichgewicht wird durch die Zustandsgrößen Temperatur, Druck und Konzentration beschrieben. Der Druck P ist konstant, es bleiben also noch die Temperatur und die Konzentration. Sie bilden das Zustandsdiagramm. Nennen sie Beispiele für feste Lösungen. Feste Lösungen sind Mischkristalle wie z.b. Ferrit, Austenit, δ Ferrit. Wie verhalten sich Substitutionsfremdatome und Einlagerungsfremdatome beim Bilden von Mischkristallen? Bei Substitutionsmischkristallen sind die Fremdatome statistisch im Kristall verteilt. (Bild 1.81a) Bei Einlagerungsmischkristallen hängt die Löslichkeit stark vom Gittertyp und der Temperatur ab. Meist nimmt die Löslichkeit mit steigender Temperatur zu. Benennen sie vier ) Phasen und ihre wichtigsten Merkmale. Phasen sind gleichartige einheitliche Bestandteile eines Systems. Es gibt 4 verschiedene Arten: Mischkristalle, reine Festkörper, Schmelzen und intermediäre Phasen. Was ist das charakteristische am Zustandsschaubild des Cu Ni Systems und warum ist das so? Kupfer und Nickel bilden bei allen Konzentrationen eine lückenlose Reihe von Mischkristallen aus. Dementsprechend findet man bei allen Legierungen mit stetiger Änderung der Konzentration eine stetige Änderung der Eigenschaften, welche die Grundlage für eine Reihe von Anwendungen in der Elektrotechnik geworden ist. Die Gründe für dieses außergewöhnliche Schaubild liegen in den ähnlichen Stoffeigenschaften begründet. Kupfer und Nickel haben fast die gleichen Atomdurchmesser, die gleichen Dichten und die gleichen Atomvolumina. Nennen sie technische Anwendungen von Cu Ni Legierungen? Es ergeben sich mit steigender Konzentration z.b. von Nickel steigende elektrische Widerstände, die bei ca. 50% Nickel ein Maximum erreichen. Gleichzeitig mit dem steigenden elektrischen Widerstand sinkt der Temperaturbeiwert des Widerstandes und durchläuft bei 45% Nickel ein Minimum. Beide Tatsachen werden im Widerstandswerkstoff CuNi44 Konstantan genutzt. Auch die Thermospannung gegen Eisen oder Kupfer erreicht bei 45% Nickel ein Maximum. Aus diesem Grunde wird CuNi44 als Thermoelementwerkstoff für Thermopaare verwendet. Es ist weiterhin möglich, Paare von CuNi Legierungen auszuwählen, die bei einer gegebenen Temperatur beliebige Thermospannungen zwischen 0 mv und der des Thermopaares Kupfer Konstantan ergeben.dies ermöglicht eine Anwendung als Ausgleichsleitungen für Thermoelemente anderer Bauart. Ausgleichsleitungen dienen der Verlängerung teurer Thermoelemente. Durch Legieren mit Nickel werden auch Korrosionsbestandigkeit und Festigkeit erhöht. Träger der Korrosionsbeständigkeit sind Passivschichten, die sich bei ausreichendem Sauerstoffangebot bilden. Die Legierungen sind beständig in Seewasser und werden u.a. in Kondensatoren auf Schiffen und in Meerwasserentsalzungsanlagen verwendet. Das große Lösungsvermögen für Wasserstoff kann beim Schweißen zu Problemen führen. Um die Porenbildung beim Schweißen zu verhindern muß die Feuchtigkeit als primäre Ursache ausgeschlossen werden. dε

7 7 Erklären sie am Zweikomponentensystem mit vollkommener Löslichkeit im flüssigen Zustand und vollkommener Unlöslichkeit im festen Zustand das Zustandekommen des Eutektikum. Wie erstarrt eine eutektische Legierung? Geben sie das Gefügerechteck des gezeichneten Legierungssystems an. Durch zunehmenden A und B Gehalt sinken die Liquidustemperaturen der Legierungen ständig, wenn eine vollständige Löslichkeit im flüssigen Zustand vorliegt und aus der Schmelze nur die reinen Komponenten A und B auskristallisieren. In diesem Fall entstehen abfallende Teil Liquiduslinien, die sich in einem bestimmten Punkt schneiden. Dieser ist der eutektische Punkt. Die Legierunge mit der eutektischen Zusammensetzung heiße eutektische Legierung, ihr Gefüge im festen Zustand Eutektikum.Die Isotherme T = T e wird als Eutektikale bezeichnet. Eine eutektische Legierung erstarrt nicht in einem Intervall, sondern bei einer festen Temperatur wie ein reines Metall. Die Abkühlkurve weist deshalb einen Haltepunkt auf. Die Schmelze erstarrt gleichzeitig zu A und B. Wegen der niedrigen Schmelztemperatur haben sich sehr viele Keime gebildet. Außerdem muß das kristallisieren wegen des nicht vorhandenen Erstarrungsintervalls schneller erfolgen. Das entstehende Gefüge besteht aus gleichzeitig gewachsenen, asich gegenseitig behindernden A und B Kristallen. Es ist sehr feinkörnig was ihm gute mechanische Gütewerte verschafft.(bargel/ Schulze Bild 1.90) Was sind Ausscheidungen? Welchen Einfluß haben sie auf die Festigkeit der Metalle? Wie entstehen sie? Welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein, damit Ausscheidungen entstehen? Ausscheidungen sind Kristallite, Die ein anderes Verhältnis von A und B Atomen(bei Legierungen mit 2 verschiedenen Stoffen) haben als das eigentliche Wirtsgitter. (α MK entspricht z.b. = Wirtsgitter und β MK Ausscheidung oder umgekehrt).die Festigkeit des Werkstoffs mit Ausscheidungen ist höher als die des Werkstoffes ohne. Ausscheidungshärtung bei Legierungen. Die Ausscheidung entsteht wenn bei abnehmender Temperatur die Löslichkeit abnimmt. Die Zusammensetzung und die Gitterstruktur der ausscheidenden Phase(n) weichen von der Ausgangsphase ab. Diese Vorgänge erforden Massentransport durch Diffusion, d.h. sie sind zeit und temperaturabhängig. Wie wirkt sich die Körnigkeit des Gefüges auf die Festigkeit aus? Feinkörnige Gefüge zeichnen sich durch höhere Festigkeit und Dehnung sowie größere Kerbzähigkeit aus. Grobkörnige sind in der Kälte spröde und haben auch bei Raumtemperatur niedrigere Werte der Kerbzähigkeit. Welche Teilchen (gewollte oder ungewollte Legierungszusätze in der Legierung) können sich an Korngrenzen ansammeln? Was bedeutet das für die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes? Mischkristalle: MK Gefüge sind homogen, d.h., sie bestehen nur aus einer Kristallart (1 Phase). Man erhält höhere Festigkeit und Härte, gute elektrische Leitfähigkeit, Wärmeausdehnung. Man unterscheidet Substitutionsmischkristalle und Einlagerungsmischkristalle: EMK: Die Nichtmetallatome können aufgrund ihrer anderen Elektronenhülle die Metallatome nicht ersetzen, aber aus Zwischengitterplätzen im Wirtsgitter eingebaut werden. Das ist möglich durch ihren kleineren Atomdurchmesser. Die Festigkeit steigt, plastische Verformbarkeit und Zähigkeit sinken mit steigender Konzentration des Legierungselements. SMK: Die Fremdatome sitzen auf Gitterplätzen. Die Anordnung der Fremdatome ist meistens unregelmäßig, kann aber auch regelmäßig sein, so daß sie wie ein überlagertes, eigenes Gitter wirken. Das nennt man Überstruktur. Dies führt zu einem erheblichen Abfall des elektrischen Widerstandes und zu einer guten Festigkeit. Intermediäre Verbindungen: Sie haben Gitter ohne Gleitmöglichkeiten und sind hart und spröde. Ihre Härte und Festigkeit sind hoch, Dehnung vermindert bis zur Sprödigkeit und die elektrische Leitfähigkeit klein. Kristallgemische: Sie haben ein heterogenes Gefüge, d.h. sie haben Ungleichheiten der Komponenten in den Eigenschaften Kristallsystem, Atomradius, Wertigkeit. Es liegen mehrere Phasen gleichzeitig vor. Ein Kristallgemisch ist z.b. das Eutektikum. Eutektische Gefüge haben meistens ein feinkörniges Gefüge, daher gute Eigenschaften, z.b. gute Festigkeit. Wodurch entstehen Anreicherungen von Fremdatomen an Korngrenzen? Durch Diffusion. Dabei wird die Randschicht mit Fremdatomen auflegiert um deren Eigenschaften zu ändern. Kapitel F9 Skizzieren sie ein Zustandsdiagramm für ein eutektisches Zweistoffsystem mit vollkommener Löslichkeit im flüssigen und begrenzter Löslichkeit im festen Zustand. 1. Was sind a Mischkristalle und was sind b Mischkristalle? 2. Zeichnen sie die Mischungslücke ein. 3. Welche Phasen liegen in den einzelnen Feldern vor? 4. Kennzeichnen sie die Soliduslinie und die Liquiduslinie sowie die Eutektikale und Segregationslinie. Skizze siehe Bargel/ Schulze Bild Was ist im werkstoffkundlichen Sinn eine Phase? Nennen sie die vier häufigsten Phasen. Bei Zweistofflegierungen z.b. heißen die Grundbestandteile Stoff A und Stoff B Komponenten. Sie reagieren evtl. physikalisch miteinander und bilden neue Kristallarten. Diese nennt man Phasen. Es gibt 4 Phasen: Schmelze, reiner Festkörper, Mischkristalle und intermediäre Phasen. Welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein für eine vollstandige Löslichkeit im festen Zustand? Stoff A und Stoff B müssen den Gleichen Gittertyp haben und ihre Atomdurchmesser dürfen sich um höchstens 14% unterscheiden. Was ist ein Eutektikum und wie kann man das Zustandekommen eines Eutektikums erklären? Durch zunehmenden A und B Gehalt sinken die Liquidustemperaturen der Legierungen ständig, wenn eine vollständige Löslichkeit im flüssigen Zustand vorliegt und aus der Schmelze nur die reinen Komponenten A und B auskristallisieren. In diesem Fall entstehen abfallende Teilliquiduslinien, die sich in einem bestimmten Punkt schneiden. Dieser ist der eutektische Punkt. Im Festen Zustand ist es das Eutektikum. Wegen der sehr niedrigen Schmelztemperatur haben sich sehr viele Keime gebildet. Außerdem muß das kristallisieren wegen des nichtvorhandenen Erstarrungsintervalls schneller erfolgen. Das entstehende Gefüge besteht aus gleichzeitig gewachsenen, asich gegenseitig behindernden A und B Kristallen. Es ist sehr feinkörnig was ihm gute mechanische Gütewerte verschafft. Nennen sie ein Beispiel für eine eutektoiden Zerfall (Ausgangszustand Endzustand) Im Austenit befinden sich die beiden Legierungskomponenten in fester Lösung (Mischkristalle). Beim erreichen der Temperatur von 723 C müssen diese γ Mischkristalle in α Mischkristalle umwandeln. Das entstehende α Gitter verdrängt die C Atome, sie müssen ausdiffundieren und scheiden sich innerhalb eines ursprünglichen Austenitkorns in Plattenform zwischen dem Ferrit ab. Dabei entsteht aus einem Austenitkorn jeweils ein Perlitkorn, das aus Schichten von Zementit und Ferrit besteht. Bei weiterer Abkühlung bleibt dieser Perlit bestehen, es finden keine weiteren kristallinen Veränderungen mehr statt. Austenitzerfall = Perlitbildung Außer dem eutektoiden Zerfall gibt es weitere Phasenreaktionen im festen Körper. Nennen sie einige Beispiele.

8 8 Zu nennen wäre hierbei das Bilden einer Überstruktur, das Ausscheiden einer intermediären Phase aus einem Mischkristall und die Entmischungsvorgänge in einem Mischkristall. Erläutern sie den Begriff feste Lösung und geben sie einige Beispiele an. Eine feste Lösung ist ein Mischkristall: Im EKS Diagramm z.b.: Ferrit (α MK), Austenit(βMK), δ Ferrit (δmk) Kapitel W und Werkstoffprüflabor Prinzipiell ist zu unterscheiden Zwischen Meßwerten und den daraus abgeleiteten (berechneten) Werten. Die Meßwerte sind mit Fehlern behaftet: Systematische Meßfehler Statistische Meßfehler Die statistischen Meßfehler können durch häufiges Messen, Mittelwertbildung usw. eingeengt werden, die systematischen hingegen können durch Veränderung des Meßsystems oder der Meßmethode etc. eventuell erkannt werden. Die Fehler der von Meßwerten abgeleiteten Werte ergeben sich nach der Fehlerfortpflanzung. Häufig werden Meßwerte und daraus abgeleitete Werte nur mit so vielen Stellen angegeben, daß die Fehler kleiner, höchstens gleich der Differenz sind von zwei Werten, Die sich in der letzten Stelle um eins unterscheiden. Welches sind beim Zugversuch die Meßgrößen? Was gibt Anlaß zu systematischen Fehlern? Geben sie zwei aus den Meßgrößen abgeleitete Größen an. Die Meßgrößen im Zugversuch sind der Bruchdurchmesser, die Bruchmeßlänge und die Höchstlast. Gemessen werden außerdem die Kraft F, die Längenänderung L und der Bruchdurchmesser S. Systematische Fehler können hierbei auftreten durch zu hohe Dehngeschwindigkeit, Temperatur, von der Norm abweichende Proben, fehlerhafte Meßapparatur und sich durch einen sich verziehenden Aufnahmekopf. Abgeleitete Größen sind die Zugfestigkeit R m und der E Modul E = σ / ε. Meßgrößen sind die Elastizitätsgrenze R e = F s / S 0, R m = F m / S 0, A = (L ul 0)/L 0, Z = (S 0S u)/s 0 Was bedeutet R m, was R p0,2? Bei welchen Werkstoffen und welchen Beanspruchungen benötigen sie R m, bzw. R p0,2? Die Zugfestigkeit R m ist definiert als die maximale Kraft F max durch die ursprüngliche Fläch A u. F max wird bei maximaler Zugkraft erreicht und über einen Schleppzeiger angezeigt, S 0 wird vor dem Zugversuch bestimmt. Der R p0,2 Wert kann zeichnerisch aus dem Kraft Verlängerungsdiagramm ermittelt werden. Diese Dehngrenze ist Ersatz für die Streckgrenze R e. R p0,2 ist die Streckgrenze, bei der sich das Werkstück um 0,2% verlängert hat und kann auch zeichnerisch aus dem Spannungs Dehnungs Diagramm ermittelt werden. Bei Beanspruchung im elastischen Bereich braucht man R p0,2, um zu wissen wann der Werkstoff reißt, braucht man R m. Wie wird das E Modul mit Feindehnmessung ermittelt? Wie genau ist diese Methode (Abweichung in %)? Welches sind die größten systematischen Fehler? Kennen sie eine genauere Methode um den E Modul zu bestimmen? Welche? Eine PC Meßkarte erfaßt von paarweise Kraft und Längenänderung.Danach wird der E Modul aus dem Kraft Verlängerungsdiagramm bestimmt. Dabei sind die systematischen Fehler: Feindehnmessung sitzt nicht sicher an der Probe, und kann noch während der Messung verrutschen. Der Bereich, ab dem die Meßwerte zur Berechnung übernommen werden, erfolgt nach rein gefühlsmäßigen Kriterien (Abschätzung des Endes des elastischen Bereichs Anhalten des Kraftzeigers) Durchbiegung der Probe auf Grund von Ungleichheiten im Werkstoff. Nicht gemeint laut Kugler: Erhöhung und wieder auf 0 Absinken der Kraft F im elastischen Bereich (siehe Laborversuch). Die Abweichungen dieser Methode liegen bei ungefähr 10%, aber eher schlechter. Eine bessere Meßmethode ist die Bestimmung des E Moduls mit Eigenschwingungen eines definierten Stabes. Außer dem E Modul läßt sich im Zugversuch eine weitere elastische Konstante ermitteln. Wie heißt diese und wie wird sie ermittelt? Diese Konstante ist die Gleichmaßdehnung. Wie groß sind die E Moduli von Stahl, Grauguß, Aluminium und Kupfer? Wie wird die Fließkurve nach Rastegaev ermittelt? Die Stauchkraft F und die Probenhöhe h(f) sind die Meßgrößen. In den die Fleißkurve bestimmenden Größen dürfen nur die Meßgrößen und konstante Werte vorkommen. Was bedeuten die Werkstoffangaben a) R p0,2/1000/500= 100 N/mm² und b) R m/10000/550= 100 N/mm²? Wie heißt die im Wöhlerdiagramm ermittelte auf Dauer ertragbare Schwingungsamplitude? Nimmt diese Größe mit zunehmender Mittelspannung zu oder ab? Ist die Zeitfestigkeit bei 90% oder 50% Überlebenswahrscheinlichkeit größer? Wie wird die Zeitfestigkeit angegeben? Skizzieren sie ein Dauerfestigkeitsschaubild ihrer Wahl und tragen sie die Schwell und Wechselfestigkeit ein sowie die Streckgrenze. Ordnen sie diesen drei Werten ein Spannungsverhältnis oder einen Ruhegrad zu. Acht Einflußgrößen auf die Dauerfestigkeit gibt es. Auf welche davon haben sie als Konstrukteur Einfluß (durch Auswahl, durch Zeichnungsangaben etc.) und welches sind reine Werkstoffeigenschaften? Geben sie für einige Einflußgrößen charakteristische Veränderungen der Dauerfestigkeit an. Nennen sie Einsatzbereiche sog. "dynamische Härteprüfverfahren. Was ist ein Gleitbruch, was ein Sprödbruch? Welche Brucharten hinsichtlich der Beanspruchung werden unterschieden und wie erkennt man am Bruch die vorangegangene Art der Beanspruchung?

9 9 Ob Gleitbruch oder Sprödbruch auftritt hängt nicht allein vom Werkstoff und der Bauteilform ab, sondern auch in charakteristischer Weise von der Betriebstemperatur. Gilt dies für alle Metalle? Warum ist das so? Wie wird dieses Verhalten gemessen? Was sagt die Erichsentiefung IE aus und wie wird sie bestimmt? Was sagt das Grenzziehverhalten b x aus und wie wird es bestimmt? Warum ist bei Tiefziehblechen der senkrechte Anisotropiewert r>1 und warum soll die ebene Anisotropie möglichst gering sein? Was ist ebene Anisotropie? Was ist senkrechte Anisotropie? Was ist die Gleichmaßdehnung und was bedeutet die Gleichmaßdehnung für die Messungen beim Zugversuch? Wie verhält sich die wahre Spannung bis zur Gleichmaßdehnung, wie danach? Aus welchen Daten oder Meßwerten wird der n Wert berechnet? Welche Formeln benötigen sie dazu? Was bedeutet homogener Werkstoff? Homogene Werkstoffe sind Werkstoffe, deren Körner (Kristalle) gleich sind und somit gleiche chemische und mechanische Eigenschaften bringen. Sie unterscheiden sich lediglich in der räumlichen Lage der Gitterebenen. Was bedeutet isotroper Werkstoff? Isotrope Werkstoffe sind Werkstoffe, deren physikalische Eigenschaften in allen Richtungen gleich sind. Isotro bedeutet hierbei richtungsunabhängig, anisotrop richtungsabhängig. Was sind Texturen? Textur ist die etwa gleiche Orientierung einzelner, großer Kristallite (Körner) in eine Richtung. Sie entstehen hauptsächlich bei Umformvorgängen. Dabei werden Kristallite soo ausgerichtet, das ihre Achsen fast parallel sind. Was ist ein anisotroper Werkstoff? Nennen sie Beispiele. Innerhalb einer Elementarzelle sind die Abstände der Atome untereinander in den verschiedenen Richtungen unterschiedlich. Die unterschiedlichen Abstände haben zur Folge, daß ein Teil der Eigenschaften der Metalle ebenfalls richtungsabhängig ist. Diese Richtungsabhängigkeit heißt Anisotropie. Bsp.: Beim Tiefziehen bilden sich unerwünschte Zipfel, weil das Blech in den verschiedenen Richtungen auch verschiedene Dehnbarkeiten hat. In welcher Weise beeinflußt der mittlere Korndurchmesser die Streckgrenze? 1/ d, also je kleiner der Korndurchmesser, desto größer ist die Streckgrenze. Welche Kornformen werden unterschieden? Es gibt globulare, lamellare und schichtenförmige Körner. Kapitel S: Stahl und Eisenwerkstoffe In welche Bereiche bezüglich des Kohlenstoffgehalts sind folgende Werkstooffgruppen einzuordnen? Edelstahl rostfrei 0,28 0,5% C Gehalt Allgemeine Baustähle 0,1 0,5% C Gehalt Vergütungsstähle 0,25 0,8% C Gehalt Werkzeugstähle 0,6 2,06% C Gehalt Stahlguß < 2% C Gehalt Grauguß 3,5 4,2% C Gehalt Für die Richtigkeit wird keine Verantwortung übernommen!