Während der Klausur stehen die Assistenten für Fragen zur Verfügung. Erreichte Punkte: Punkte:

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1 RHEINISCH- WESTFÄLISCHE TECHNISCHE HOCHSCHULE AACHEN Institut für Eisenhüttenkunde Diplomprüfung Vertiefungsfach A "Werkstoffwissenschaften Stahl" der Studienrichtung Metallische Werkstoffe des Masterstudienganges Metallurgie und Werkstofftechnik am 25. Juli 2006 Name: Während der Klausur stehen die Assistenten für Fragen zur Verfügung Matrikelnummer: Aufgabe Maximal erreichbare Punkte: Summe 40 Erreichte Punkte: Einsicht: (nur neue Teilpunkte angeben, nicht neue Gesamtpunktzahl pro Aufgabe) Zum Bestehen der Klausur müssen mindestens 17,5 Punkte erreicht werden.

2 Eisenwerkstoffe 2 Aufgabe 1 Die erzielbare Dickenabnahme beim Kaltwalzen eines Bleches ist aufgrund der Verfestigung des Materials eingeschränkt. a) Nennen Sie eine Möglichkeit, trotzdem große Gesamtdickenabnahmen zu erzielen (1 Punkt). b) Führt diese Behandlung auch bei kleinen Umformgraden zum gewünschten Ergebnis? Begründen Sie Ihre Antwort (1 Punkt). c) Welche Alternative gibt es, die Verfestigung bei geringer Kaltumformung aufzuheben (1 Punkt)?

3 Eisenwerkstoffe 3 Aufgabe 2 Der Einfluss der Mikrolegierungselemente auf die Gefügeentwicklung des Stahls ist abhängig von ihrer Auflösungs- und Ausscheidungstemperatur. Die Ausscheidungstemperatur hat einen erheblichen Einfluss auf die Ausscheidungsgröße und somit auf die Wirkungsweise der Ausscheidungen. a) Treffen Sie eine qualitative Aussage über die Größe der Ausscheidungen bei 1200 C, 1000 C und 800 C (0,5 Punkte). b) Welche Wirkungen können diesen bei 1200 C, 1000 C und 800 C gebildeten Ausscheidungen zugeschrieben werden (1,5 Punkte)? c) Geben Sie die ungefähre Zulegierung in Massenprozent für Mikrolegierungselemente an (0,5 Punkte). Die Mikrolegierungselemente V und Nb können Carbonitride des Typs Me (C, N) bilden. d) Liegen diese bei der Erwärmung vor der Warmumformung auf ca C gelöst oder ausgeschieden vor (0,5 Punkte)?

4 Eisenwerkstoffe 4 Aufgabe 3 Geben Sie die Kurznamen der folgenden Stahlsorten an und nennen Sie jeweils die Stahlgruppe, für die diese Stähle einen typischen Vertreter darstellen: a) Legierter Stahl mit 0,2 % Kohlenstoff und 13 % Chrom (0,5 Punkte). b) Unlegierter Stahl mit 1,5 % Chrom und 1,05 % Kohlenstoff (0,5 Punkte). c) Legierter Stahl mit 0,42 % Kohlenstoff, 1 % Chrom und geringen Zusätzen an Molybdän (0,5 Punkte). d) Stahl mit einer Mindeststreckgrenze von 355 MPa und einer Kerbschlagarbeit von 27 J bei 0 C (0,5 Punkte). e) Legierter Stahl mit 0,06 % Kohlenstoff, 18 % Chrom, 10 % Nickel und Spuren von Titan (0,5 Punkte). f) Legierter Stahl mit 3 % Chrom, 0,32 % Kohlenstoff und 3 % Molybdän (0,5 Punkte).

5 Eisenwerkstoffe 5 Aufgabe 4 2 Punkte Sie sollen ein Werkzeug für die spanabhebende Bearbeitung von Stählen herstellen. Ihnen stehen folgende Werkstoffe zur Auswahl: (X38CrMoV5-1) (X16CrNiSi25-20) (S 6-5-2) (51CrV4) a) Welchen Werkstoff wählen Sie für das Werkzeug (0,5 Punkte)? b) Welche Wärmebehandlungsschritte sind nach der Fertigung des Werkzeugs notwendig? Geben Sie falls möglich Temperaturen, Anzahl und verwendetes Medium bei jedem Wärmebehandlungsschritt an (1,5 Punkte).

6 Eisenwerkstoffe 6 Aufgabe 5 4 Punkte Für viele Bauteile ist es wichtig, die Oberfläche unabhängig vom Kern zu härten. a) Mit welchen Verfahren kann eine Oberflächenhärtung vorgenommen werden? Nennen Sie jeweils drei Beispiele (2 Punkte). b) Mit welchem formellen Ansatz lässt sich die Einhärtetiefe Eht bei der Aufkohlung beschreiben? Fassen Sie dabei die relevanten Einflussgrössen wie Temperatur, C-Potential und C-Übergangszahl zu einer Konstanten zusammen. Von welchen weiteren Bedingungen hängt die Einhärtetiefe ab (2 Punkte)?

7 Eisenwerkstoffe 7 Aufgabe 6 Für nichtrostende Stähle stellt die Chromverarmung die Ursache für eine Kornzerfallsanfälligkeit dar. Erklären Sie kurz die Chromverarmungstheorie anhand einer Skizze, die den Chromgehalt als Funktion des Weges in der Umgebung der Korngrenze beschreibt ().

8 Eisenwerkstoffe 8 Aufgabe 7 4 Punkte a) Zwei Werkstoffe sollen auf ihre Tiefzieheigenschaften hin untersucht werden. Ihre Aufgabe ist es, Δr-Werte und r m -Werte der Werkstoffe zu ermitteln. Hierzu haben Sie je Werkstoff 3 Flachzugproben (0,45 und 90 zur Walzrichtung) homogen verformt. Bei den Versuchen wurden die folgenden Formänderungen gemessen (): ϕ b WS 1: ϕ S 0-0,288-0, ,371-0, ,205-0,092 ϕ b WS 2: ϕ S 0-0,134-0, ,198-0, ,092-0,065 b) Welche Werkstoffeigenschaften beschreiben die in Aufgabenteil a) ermittelten Kennwerte? Welcher Werkstoff ist unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus a) zum Tiefziehen besser geeignet (1 Punkt)?

9 Eisenwerkstoffe 9 Aufgabe 8 Je nach Temperatur weisen viele Stähle die makroskopischen Brucherscheinungen Sprödbruch und Zähbruch auf. Beschreiben Sie jeweils die makroskopischen, mikroskopischen und atomistischen Merkmale ().

10 Eisenwerkstoffe 10 Aufgabe 9 Welches idealisierte Werkstoffverhalten wird bei der Bestimmung der Risszähigkeit K Ic angenommen? Unter welcher Bedingung ist es nicht möglich, einen gültigen Risszähigkeitswert zu ermitteln? Nennen Sie eine Kenngröße der Bruchmechanik, die trotzdem bestimmt werden kann ().

11 Eisenwerkstoffe 11 Aufgabe 10 Welche zwei unterschiedlichen Einflüsse hat eine Frequenzerhöhung auf die Ergebnisse von Schwingfestigkeitsuntersuchungen (2 Punkte)?

12 Eisenwerkstoffe 12 Aufgabe 11 2 Punkte Der Kerbschlagbiegeversuch ist ein einfaches Prüfverfahren zur Ermittlung der Zähigkeit eines Werkstoffes. a) Skizzieren Sie ein Kerbschlagarbeit-Temperatur-Diagramm für einen ferritischen Stahl. Kennzeichnen Sie die signifikanten Bereiche (1 Punkt). b) Beschreiben Sie zwei Möglichkeiten, eine Übergangstemperatur aus dem Diagramm zu ermitteln (1 Punkt).

13 Eisenwerkstoffe 13 Aufgabe 12 4 Punkte Für einen ferritischen (normalisierten) Baustahl sind folgende mechanische Kennwerte bekannt: R el : 330 MPa, R eh : 380 MPa, R m : 480 MPa, σ B : 420 MPa, A g : 12%, A 5 : 27% und E: 210 GPa Für den Zugversuch liegt eine Rundzugprobe mit einer Messlänge von 40 mm und einem Durchmesser von 8 mm vor. Zeichnen Sie in ein geeignetes Diagramm den erwarteten Kraft-Weg Verlauf. Spreizen Sie die Abszisse in einem geeigneten Bereich für eine detailliertere Darstellung (4 Punkte)

14 Eisenwerkstoffe 14 Aufgabe 13 Die Gebrauchseigenschaften eines Bauteils werden im Wesentlichen durch seine mechanischen Eigenschaften bestimmt. a) Welche Möglichkeiten zur Festigkeitssteigerung kennen Sie (1 Punkt)? b) Wie lautet der Zusammenhang, der zwischen der Streckgrenze von unlegiertem Stahl und der Ferritkorngröße besteht (Name und Formel) (1 Punkt)? c) Phosphor ist ein stark mischkristallverfestigendes Element im α-eisen und wird in einigen Stählen mit etwa 0,07% hinzulegiert. Welche ungefähre Streckgrenzenerhöhung erwarten Sie hierdurch? Welche Gründe sprechen gegen eine Anhebung des Phosphorgehaltes (1 Punkt)?