Hausübung Werkstoffe II. - Hausübung 1/2 -

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1 Institut für Baustoffe ETH Zürich Prof. Hans Herrmann Hausübung Werkstoffe II - Hausübung / - Frühjahrssemester 06 Ausgabe: 3. März 06 Abgabe: 6. April 06 Name, Vorname LegiNr. Betreuung: Falk Wittel HIF E 8. fwittel@ethz.ch

2 Aufgabe Korrosion Stahlbeton ist das wohl am häufigsten eingesetzte Material für Tragwerke im Hoch- und Tiefbau. Bei korrekter und normgemässer Ausführung weisen diese Bauten eine sehr hohe Dauerhaftigkeit auf. a) Geben Sie an, welche Produkte bei der Hydratation von Portlandzement entstehen. b) Normaler Baustahl korrodiert in Wasser oder an der Atmosphäre unter Bildung von Rost (siehe Stromdichte / Potentialdiagramm). Schreiben Sie die Teilreaktionen der anodischen und der kathodischen Teilreaktion. Erklären Sie, warum normaler Baustahl im intakten Beton nicht korrodiert, und zeichnen Sie die Stromdichte / Potentialkurve für diese Situation. Stromdichte EFe EO Potential

3 c) Falls Chloride mit Wasser bis zur Bewehrung in den Beton eindringen, kann an der Bewehrung Lochfrass auftreten. Geben Sie die Bedingung für das Auftreten von Lochfrass an und zeichnen Sie die entsprechende Stromdichte / Potentialkurve ins Diagramm ein. Warum braucht es im karbonatisierten Beton viel weniger Chloride um Lochfrass auszulösen als im intakten Beton? d) Geben Sie an, mit welchen Massnahmen Sie (von der Planung bis zur Ausführung) das Auftreten von Lochfrasskorrosion an der Bewehrung vermeiden oder zumindest verzögern können. 3

4 Aufgabe Grundlagen Erklären Sie knapp anhand der Wechselwirkung zweier Atome, (a) wie sich die potentielle Energie qualitativ über dem Abstand der Atome verhält. (b) warum Festkörper sich bei steigender Temperatur ausdehnen. (c) was es bedeutet, wenn Materialien versagen. (d) wie der Zusammenhang zwischen Steifigkeit und Atomwechselwirkung ist. 4

5 Aufgabe Grundlagen (a) Wie ist die Wärmeausdehnung von Werkstoffen definiert, in welchen Einheiten wird sie Angegeben und von was hängt sie ab. (b) Markieren Sie die Rangfolge der Bauwerkstoffe Stahl, Beton, Aluminium, Holz, PVC- U und Glas nach steigenden Werten in Bezug auf Wärmeausdehnungskoeffizient ( ),Wärmeleitfähigkeit ( ) und Wärmekapazität (c p ). ( ) ( ) (c p ) (--) 0 PVC-U, Holz, Glas, Beton, Stahl, Aluminium Holz, Glas, Beton, Stahl, Aluminium, Holz, PVC-U 47 Stahl, Beton, Aluminium, Holz, PVC-U, Glas 3 Stahl, Glas, PVC-U, Aluminium, Beton, Holz A I Ü R (c) Profilglas ( =W/mK) mit einer Stärke von ca. 0mm erfreut sich in letzter Zeit grosser Beliebtheit in der Architektur. Um die energetischen Nachteile der Doppelschalenanordnung zu verringern, wird überlegt den 4cm grossen Zwischenraum mit transluzentem Aerogelgranulat ( =0.08W/mK) zu füllen. Diese ist in der Skizze dargestellt. Berechnen Sie den U-Wert der Wand, wenn der Wärmeüberganskoeffizient innen h i =8W/(mK) und aussen h a =3W/(mK) beträgt. Zur Vereinfachung können Sie einen eindimensionalen Wärmestrom senkrecht zur Bauteiloberfläche annehmen. 5

6 8F: U ges =0.3W/m K; 5K: U ges =0.73W/m K; 8D: U ges =0.59W/m K; Aufgabe Kunststoffe (a) Multiple-Choice. Markieren Sie nur korrekten Aussagen. Für Polymere bestehen unterschiedliche Klassifizierungsmöglichkeiten: Polymere können nach ihrem Temperatur-Schubmodulverhalten klassifiziert werden. (3T) Bei Thermoplasten bestimmt die Häufigkeit kovalenter Bindungen unter den Polymerketten die Bruchdehnung. (6K) Thermoplaste mit kleinen Seitengruppen können teilkristalline Regionen enthalten. Je höher der Kristallisationsgrad, desto geringer ist die Zugfestigkeit. (5L) Stark vernetzte Duromere weisen eine geringere Bruchdehnung auf als schwach vernetzte. (+4S) Die Glastemperatur von Elastomeren ist deutlich unter der Raumtemperatur. (49N) Der Massenmässig wichtigste Kunststoff für das Bauwesen ist Polystyrol. (3E) Um Kunststoffe zu Produkten zu verarbeiten sind unterschiedliche Fertigungsverfahren im Einsatz: Dünne Folien werden über Extrusionsblasen oder Kalandrieren in fast beliebiger Dicke hergestellt. (6I) Bauteile aus Duromere können z.b. über Reibschweissverfahren miteinander verbunden werden. (4T) Elastomere verhalten sich wie Flüssigkeiten in Bezug auf die Kompressibilität. (3R) Kunststoffe neigen zu starkem kriechen, weshalb bei ihrer Auslegung das Langzeitverhalten berücksichtigt werden muss. (44U) Im Durchschnitt haben Kunststoffe eine geringere Wärmedehnung als Glas oder Metall. (7H) Topfzeit bezeichnet die Verarbeitungszeit für vernetzende Kunststoffe, bis zu der es möglich ist, den Kunststoff aus einem Topf fliessen zu lassen. (34E) 6

7 Der chemische Aufbau ist entscheidend für die physikalischen Eigenschaften von Kunststoffen: Polymere können nach Rektionstypen, die von Monomeren zu Makromolekülen führen eingeteilt werden. (6S) Man unterscheidet zwischen Duroplasten, die fadenförmig aufgebaut sind und Thermoplasten, bei denen Makromoleküle eine starke räumliche Vernetzung aufweisen. (4E) Stark vernetzte Thermoplaste weisen eine höhere Bruchdehnung auf als schwach vernetzte. (36S) Elastomere weisen eine räumlich weitmaschig vernetzte Molekülstruktur auf mit wenigen chemischen Vernetzungsbrücken. (36E) Der massenmässig wichtigste Kunststoff für das Bauwesen ist Polyethylen (LDPE und HDPE). (33K) Kunststoffschäume sind in vielen Produkten für das Bauwesen im Einsatz: Prinzipiell lassen sich alle Kunststoffe zu Partikel- und Extruderschäumen verarbeiten. (4J) XPS ist ein geschlossenzelliger Extruderschaum aus Polystyrol, der im Strangpressverfahren hergestellt wird. (8E) Wärmeleitung in geschlossenzelligen Schaumstoffen hängen stark mit der Porengrössenverteilung zusammen. Je grösser die mittlere Porengrösse, desto geringer der Wärmeleitfähigkeit. (7S) Der richtige Einsatz von Kunststoffen erfordert grundlegende Kenntnisse über deren Eigenschaften: PVC ist nicht bei Temperaturen >80 C einsetzbar. (S) Beschichtungen für Beton dringen in die oberste Schicht des Baustoffs ein und füllen die zugänglichen Poren. (3E) Die Zeitstandfestigkeit von Kunststoffe liegt meist über der Einsatzdauer, weshalb bei ihrer Auslegung das Langzeitverhalten nicht berücksichtigt werden muss. (48T) Die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen ist im Durchschnitt zwei Grössenordnungen geringer als die von Metallen. (37S) (b) Kunststoffe werden oft in Verbindung mit Beton eingesetzt. Dazu ist es wichtig, die Eigenschaften im Vergleich zu Beton zu kennen. Geben Sie z.b. für PVC an (höher: +; niedriger: -; ähnlich: ±): - + ± - + ± 4 Dichte 9 Wärmekapazität 4 Chemische Beständigkeit 30 Zugfestigkeit 48 Druckfestigkeit 6 E-Modul 35 Wärmedehnung 7 Wärmeleitfähigkeit 46 Quellungskoeffizient für Wasser Thermische Beständigkeit E T K S F L 7

8 (c) Welche Auswirkungen hat zunehmend Kristallisation des Polymers auf die folgenden mechanischen und technologischen Eigenschaften ( (gleichbleibend); (höher); (abnehmend))? Zugfestigkeit 5 Wärmebeständigkeit Elastizität 40 Bruchdehnung C M S R N P 45 Chemische 9 Formbarkeit Beständigkeit 43 Schweissbarkeit 0 Recyklierbarkeit I W R A E R Aufgabe Kunststoffe (a) Ordnen Sie den temperaturabhängigen Schubmodulkurven die entsprechenden Kunststoffhauptgruppen zu. Zeichnen Sie die Glas- und Zersetzungstemperaturen ein. A=amopher Thermoplast; B= teilkristalliner Thermoplast; C=Duromer; D=Elastomer Thermoplaste finden in Form im Bauwesen breite Anwendung. (b) Skizzieren Sie die molekulare Anordnung amorpher oder teilkristalliner Kunststoffe: (c) Zeichnen Sie die 3 Bereiche der mechanischen Eigenschaften eines teilkristallinen Plastomers ein und erläutern Sie worauf die plastische Verformbarkeit der Plastomere bei höheren Temperaturen beruht. (d) Welche Molekülform ist zur Kristallisation am besten geeignet, welche am schlechtesten? Nennen Sie je zwei Beispiele mit Namen und Kurzzeichen. 8

9 Aufgabe Metalle Ein feinkörniges Gefüge bei der Erstarrung wahr falsch entsteht durch eine hohe Keimzahl bei rascher Abkühlung. ist prinzipiell unerwünscht, da Korngrenzen auch Ursprung von Rissen sind. besitzt gute Festigkeitseigenschaften. weist eine höhere Wärmeleitung auf, da Kröner besser gepackt sind. Ein eutektisches Gefüge wahr falsch ist gut giessbar und umformbar. ist feinkristallin und besitzt eine lamellenartige Struktur. ist ein homogenes, kristallines Gefüge. tritt bei teilweiser oder völliger Löslichkeit der beteiligten Legierungskomponenten im festen Zustand auf. Plastische Verformungen sind typisch für metallische Werkstoffe. wahr falsch Versetzungswanderungen sind die eigentlichen Träger der plastischen Verformung. Mittels der Versetzungsdynamik lässt sich über die Interaktion vieler Versetzungen das plastische Verhalten vorhersagen. Kaltumformung führt zu erhöhter Versetzungsdichte und Verfestigung, was die weitere plastische Verformung erschwert. Gleitebenen sind die Ebenen der geringsten Packung, sowie die Richtung in denen die Atome am wenigsten dicht liegen. Stahl- und Grauguss sind zwei übliche Gusslegierungen im wahr falsch Bauwesen. Stahlgusslegierungen weisen geringere Liquidustemperaturen auf als Graugusslegierungen, was Stahlguss wirtschaftlicher macht. EN-GJS bezeichnet einen Grauguss mit globulitischen Graphiteinlagerungen, der eine minimale Zugfestigkeit von 400MPa und eine Bruchdehnung von 5% aufweist. Stahlgusslegierungen weisen eine weit untereutektische Zusammensetzung auf. Grauguss wird bei Strukturteilen mit hohen Anforderungen an (Zug)Festigkeit und Zähigkeit eingesetzt. Aufgabe Metalle Wir betrachten die linke Seite des Aluminium-Kupfer Zustandsdiagrams: 9

10 Beantworten Sie folgende Fragen: - Markieren sie farblich die Ein- und Zweiphasengebiete, sowie die Solidus- und Liquiduslinie. - Markieren Sie ebenfalls den eutektischen Punkt (E), sowie den Punkt maximaler Löslichkeit des Legierungselementes in Aluminium (M). - Zeichnen Sie die AlCu5 Legierung ein und lesen Sie folgende Werte ab, respektive berechnen Sie: Temperatur bei Beginn der Erstarrung Temperatur bei Ende der Erstarrung Massenanteil Eutektikum Lösungssatz: A L W E N I T H L Ü G U T K O