1. Systematik der Werkstoffe 10 Punkte

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1 1. Systematik der Werkstoffe 10 Punkte 1.1 Werkstoffe werden in verschiedene Klassen und die dazugehörigen Untergruppen eingeteilt. Ordnen Sie folgende Werkstoffe in ihre spezifischen Gruppen: Stahl Holz GaAs Pt Plexiglas Be 1.2 Skizzieren Sie den Aufbau des Be- Atoms (4 Elektronen).Mit Hilfe welcher Quantenzahlen werden die einzelnen Elektronen beschrieben? 1.3 Nennen Sie die bekannten Bindungstypen und geben Sie auch jeweils einen Vertreter an

2 2. Kristallgitter und Kristallbaufehler Es gibt 7 Kristallsysteme, aus denen sich 14 Bravais-Typen ableiten lassen. Charakterisieren Sie die orthorhombische, hexagonale und monokline Kristallstruktur! 2.2 Indizieren Sie folgende Flächen und Richtungen. c c 0 b 0 b a a - 2 -

3 2.3 Unterscheiden Sie die Begriffe: amorph, teilkristallin und kristallin.(skizze!) Erläutern Sie die Begriffe Nah- und Fernordnung. 2.4 Versuchen Sie eine Definition einer Korngrenze zu geben. Geben Sie mindestens eine werkstoffwissenschaftliche Eigenschaft von Korngrenzen an. 2.5 Worin besteht der Unterschied zwischen einer Schottky- und Frenkel-Leerstelle? Wie kann die Abhängigkeit der Leerstellenkonzentration von der Temperatur gemessen werden? Skizzieren Sie schematisch ein derartiges Ereignis

4 3. Phasenübergänge Grundlagen 10 Punkte 3.1 Skizzieren Sie ein p T Zustandsdiagramm eines Einstoffsystems mit 2 festen Phasen α und β. Bezeichnen Sie die verschiedenen Bereiche! 3.2 Bei der Gefügebildung spielt die Erstarrung eine wesentliche Rolle. Charakterisieren Sie thermodynamisch für ein Einkomponentensystem den Vorgang der Keimbildung! Wodurch ist der kritische Keimradius charakterisiert? 3.3 Die Mikrostruktur eines kristallinen Festkörpers wird durch sein Gefüge charakterisiert. Definieren Sie diesen Begriff! Welche qualitativen und quantitativen Merkmale charakterisieren das Gefüge? - 4 -

5 4. Phasendiagramme 10 Punkte 4.1 Gegeben ist folgendes Phasendiagramm des binären Systems A B. Welche Phasen liegen in den Bereichen I, II und III jeweils vor? Benennen Sie die jeweiligen Arten. Welche Mengenanteile der beteiligten Phasen liegen in dem vorgegebenen Punkt c vor? (c = 15% B, C = 95% A, C = 38% B) 5 Punkte T II c C C III I A x A B 4.2 Zeichnen Sie die Abkühlungskurven (Temperatur-Zeit-Verlauf) für die 3 angegebenen Ausgangskonzentrationen. T A 4.3 Was versteht man unter einer intermetallischen Phase? Wie äußert sich ihr Vorkommen im Phasendiagramm? - 5 -

6 5. Thermisch aktivierbare Prozesse 10 Punkte 5.1 Skizzieren Sie den Verlauf der Energie eines Systems als Funktion einer geeigneten Variablen für eine allgemeine Zustandsänderung, wenn diese Zustandsänderung nicht spontan abläuft, sondern aktiviert werden muss. Kennzeichnen Sie in der Skizze wichtige Bereiche/Größen! Geben Sie an, wie die Geschwindigkeit derartiger thermisch aktivierbarer Prozesse typischerweise von der Temperatur des Systems abhängt. 5.2 Nach wievielen Tagen ist Molybdän bis zu einer mittleren Eindringtiefe von 2mm in Aluminium eindiffundiert? (Hinweis: D = 1.04 x 10-9 cm/s) 5.3 Erläutern Sie den Begriff Erholung von Werkstoffen? Auf welchen Mechanismen beruht der Prozess der Erholung? Skizzieren Sie schematisch, mit welcher Kinetik Erholungsprozesse ablaufen, d.h. zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf einer Eigenschaftveränderung, die auf Erholung beruht

7 6. Mechanische Eigenschaften 10 Punkte 6.1 Zeichnen Sie ein typisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm. Bezeichnen Sie dabei die einzelnen relevanten Gebiete. Erklären Sie den Unterschied zwischen der wahren und der technischen Streckgrenze. 6.2 Worin besteht der Unterschied zwischen einem zähen Bruch und einem Sprödbruch? 6.3 Geben Sie mindestens vier verschiedene Methoden an, mit denen die Festigkeit von Werkstoffen gesteigert werden kann! Begründen Sie jeweils kurz und schematisch, wodurch die Festigkeitssteigerung zustande kommt

8 7. Physikalische Eigenschaften von Werkstoffen 19 Punkte 7.1 Wie ändert sich der spezifische elektrische Widerstand durch mechanische Verformung? Begründen Sie kurz Ihre Aussage. 7.2 Bei metallische Werkstoffen hängt der spezifische elektrische Widerstand in charakteristischer Weise von der Temperatur ab. Zeichnen und erläutern Sie diese Abhängigkeit! Wie beeinflussen Verunreinigungen diesen Verlauf? 7.3 Vergleichen Sie qualitativ folgende Parameter bei den Halbleiterwerkstoffen und Metallen bei Raumtemperatur: a) Volumenkonzentration der Elektronen b) Elektronenbeweglichkeit. Wie ändern sich diese beiden physikalischen Größen mit der Temperatur? - 8 -

9 7.4 Was versteht man unter dem physikalischen Phänomen der Supraleitung? Welche kritischen Faktoren begrenzen das Gebiet der Supraleitung? Nennen Sie mindestens zwei Materialien, die das Phänomen der Supraleitung aufweisen. 5 Punkte 7.5 Unterscheiden Sie die Begriffe Dia-, Ferro-, Antiferro- und Ferrimagnetismus

10 8. Halbleiter 8 Punkte 8.1 Charakterisieren Sie den Begriff der Eigenleitung! Zeichnen Sie hierzu schematisch die relevanten Energiebänder und erläutern Sie den zugrundeliegenden Mechanismus bei T = 0 K und T > 0 K. 8.2 Welche beiden Möglichkeiten gibt es, die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern zu beeinflussen? Erläutern Sie diese Dotierung wieder mit Hilfe von Energiebandschemata! 8.3 Vergleichen Sie qualitativ folgende Parameter bei den Halbleiterwerkstoffen und Metallen bei Raumtemperatur: a) Volumenkonzentration der Elektronen b) Elektronenbeweglichkeit

11 9. Werkstoffcharakterisierung 10 Punkte 9.1 Erläutern Sie das Prinzip der Röntgendiagnostik von Werkstoffen! Wie lautet die fundamentale Gleichung, auf der die Röntgendiagnostik basiert? Berechnen Sie den Netzebenenabstand bei einer Wellenlänge von λ = 1,54056 Å und einem Winkel von 38,47. Berechnen Sie die Gitterkonstante a für ein kubisches Gitter (Fläche (111)). 5 Punkte 9.2 Worin liegt der prinzipielle Unterschied zwischen optischer Mikroskopie und Elektronenmikroskopie zur Werkstoffcharakterisierung? Welche Technik liefert größere Auflösungen? Gehen Sie zur Begründung insbesondere auch auf den Begriff der de-broglie-wellenlänge ein! 5 Punkte

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