Aufgabensammlung Werkstoffkunde

Transkript

1 Aufgabensammlung Werkstoffkunde

2 Lehr- und Lernsystem Weißbach Werkstoffkunde Wolfgang Weißbach Werkstoffkunde Strukturen, Eigenschaften, Prüfung 18., überarbeitete Aufl age 2012 XVI, 432 S. mit 315 Abb. und 248 Tab. Broschur ISBN Das Lehrbuch zur Aufgabensammlung Werkstoffkunde : Die Eigenschaften der Werkstoffe und ihre Änderungsmöglichkeiten werden aus der Teilchenstruktur einsichtig erklärt. Beispiele ermöglichen eine leichte Anknüpfung der Theorie an Erfahrungen aus der Praxis. Wichtige allgemein gültige Aussagen und Merksätze sind deutlich hervorgehoben. Die neuesten Normen sind berücksichtigt. Dieses Lehr- und Lernsystem bietet für das Fach Werkstoffkunde Stoffvermittlung (Lehrbuch) und Stoffaneignung (Aufgabensammlung) im Verbund an.

3 Wolfgang Weißbach Michael Dahms Aufgabensammlung Werkstoffkunde Fragen Antworten 10., erweiterte Auflage

4 Wolfgang Weißbach Braunschweig, Deutschland Prof. Dr.-Ing. Michael Dahms FH Flensburg, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 1967, 1990, 1993, 1998, 2002, 2004, 2006, 2008, 2011, 2013 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Lektorat: Thomas Zipsner / Imke Zander Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

5 V Vorwort Die Werkstoffkunde stellt eine Brücke her zwischen der Werkstoffwissenschaft und der praktischen Anwendung der Werkstoffe. Die Werkstofftechnik sieht in Abgrenzung zur Werkstoffkunde ihre Aufgabe im Umsetzen wissenschaftlicher Erkenntnisse in technische Anwendungen. Insofern kommt einem Lehrbuch in diesem Gebiet die Aufgabe zu, den theoretischen Hintergrund für Eigenschaften und das Verhalten der Materie bei technischen Verfahren darzustellen. Diese Aufgabensammlung ergänzt das Lehrbuch. Sie vertieft Zusammenhänge des Lehrbuchs durch Übung und ermöglicht dem Lernenden einen Zuwachs an Verständnis. Der Lernprozess verlangt das eigene Durcharbeiten eines Stoffes, das unabhängige Bewältigen gestellter Aufgaben. Erst Aufgaben, für die nicht gleich die Lösungen gegeben sind, ermöglichen eine unabhängige Übung im Stoff und eine Kontrolle, ob und wieweit der Stoff verstanden wurde. Die Aufgabensammlung folgt in Aufbau und Stoffauswahl dem Lehrbuch. Neben einfachen Zusammenhängen werden Fragen gestellt, die ein bereits vorhandenes Verständnis voraussetzen. Im Antworten-Teil des Buches finden sich neben den Lösungen auch die abgefragten Grafiken oder Rechenergebnisse. Damit gelingt es, den Grundlagenlehrstoff für die Zusammenhänge rund um den Werkstoff sicher einzuüben und für Prüfungen/Klausuren im Selbststudium vorzubereiten. In der vorliegenden 10. Auflage wurden 8 neue Fragen entsprechend Anregungen von Kollegen und aus der Leserschaft eingearbeitet. Dabei wurde insbesondere das Kapitel Überlegungen zur Werkstoffauswahl stärker gewichtet. Wie bei der vorigen Auflage finden sich weitere Klausuren im Internet unter beim Buch. Dank gilt dem Lektorat Maschinenbau für die jederzeit konstruktive Zusammenarbeit und professionelle Unterstützung bei der Erstellung des Buches. Eine Besonderheit dieser Auflage ist es, dass sie als erste ohne ihren geistigen Urheber Wolfgang Weißbach entstanden ist. An dieser Stelle möchte ich einen besonderen Dank an Wolfgang Weißbach aussprechen, ohne den es dieses Buch nicht gäbe und der mich in den letzten 10 Jahren in bewundernswerter Weise konstruktiv und kritisch begleitet hat. Die Übergabe des Staffelstabes ist gelungen. Flensburg, November 2012 Michael Dahms

6 VI Hinweise für den Benutzer Lehrbuch und Aufgabensammlung sind als Lehrsystem aufeinander abgestimmt. Gleichartige Abschnitte in Lehrbuch und Aufgabensammlung tragen die gleiche Nummer. Die Aufgaben sind an den Lernzielen für Fachschulen Technik orientiert. Die Fragestellungen erwarten knappe Antworten, als Lösung werden keine Aufsätze verlangt. Die Aufgaben folgen im Allgemeinen dem Lehrbuchtext, daher ist ein nahezu synchroner Lernfortschritt möglich. Die Aufgaben enthalten z. T. Hinweise auf den Umfang der geforderten Antwort (in Klammern stehend). Die Antworten enthalten Hinweise auf ergänzende Informationen in anderen Abschnitten des Lehrbuchs.

7 VII Inhaltsverzeichnis Die grau unterlegten Teile des Lehrbuchinhalts sind das Inhaltsverzeichnis der Aufgabensammlung. Fragen Antworten 1 Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge Gegenstand und Bedeutung der Werkstoffkunde Entwicklungsrichtungen der Werkstofftechnik Wie lassen sich die unterschiedlichen Eigenschaften der Werkstoffe erklären? Auswahlprinzip für Werkstoffe Metallische Werkstoffe Metallkunde Vorkommen Metallbindung Metalleigenschaften Die Kristallstrukturen der Metalle (Idealkristalle) Entstehung des Gefüges und seine Ausrichtungen Verformung am Idealkristall (Modellvorstellung) 2.2 Struktur und Verformung der Realkristalle Kristallfehler Verformung der Realkristalle und Veränderung der Eigenschaften Verfestigungsmechanismen Mischkristallverfestigung Verformungsverfestigung Korngrenzenverfestigung Teilchenverfestigung Verfestigungsmechanismen kombiniert 2.4 Vorgänge im Metallgitter bei höheren Temperaturen (Thermisch aktivierte Prozesse) Allgemeines Kristallerholung und Rekristallisation Kornvergröberung (-wachstum) Warmumformung Diffusion Werkstoffverhalten bei höheren Temperaturen unter Beanspruchung Legierungen (Zweistofflegierungen) Begriffe Zustandsdiagramme, Allgemeines Zustandsdiagramm mit vollkommener Mischbarkeit der Komponenten (Grundtyp I)

8 VIII Inhaltsverzeichnis Fragen Antworten Allgemeine Eigenschaften der Mischkristall-Legierungen Eutektische Legierungssysteme (Grundtyp II) Allgemeine Eigenschaften der eutektischen Legierungen Ausscheidungen aus übersättigten Mischkristallen Zustandsdiagramm mit intermetallischen Phasen Übung zur Auswertung eines Zustandsdiagrammes Vergleich von homogenen und heterogenen Legierungen Übersicht über Phasenumwandlungen im festen Zustand 3 Die Legierung Eisen-Kohlenstoff Abkühlkurve und Kristallarten des Reineisens Erstarrungsformen Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD) Erstarrungsvorgänge Die Umwandlungen im festen Zustand Einfluss des Kohlenstoffs auf die Legierungseigenschaften Stähle Erzeugung und Klassifizierung Allgemeines Ausgangsstoffe und Aufgaben der Stahlerzeugung Rohstahlerzeugung Sekundärmetallurgie Vergießen und Erstarren des Stahles Eisenbegleiter und Wirkung auf Gefüge und Stahleigenschaften Einfluss der Legierungselemente Einteilung der Stähle Stähle für allgemeine Verwendung Baustähle höherer Festigkeit Stähle mit besonderen Eigenschaften bis 4.7 Weitere Stahlgruppen Stahlguss Wärmebehandlungen des Stahles Allgemeines Glühverfahren Normalglühen Glühen auf bestimmte Verarbeitungseigenschaften Spannungsarmglühen Diffusionsglühen Rekristallisationsglühen Härten und Vergüten

9 Inhaltsverzeichnis IX Fragen Antworten Allgemeines Austenitzerfall Martensit, Struktur und Bedingungen für die Entstehung Härtbarkeit der Stähle Verfahrenstechnik Härteverzug und Gegenmaßnahmen Zeit-Temperatur-Umwandlung (ZTU-Schaubilder) Vergüten Aushärten Allgemeines Verfahren Ausscheidungshärtende Stähle Vergleich Härten/Vergüten und Aushärten Ausscheidungsvorgänge mit negativen Auswirkungen Thermomechanische Verfahren Verfahren der Oberflächenhärtung Überblick Randschichthärten Einsatzhärten Nitrieren, Nitrocarburieren Weitere Verfahren (Auswahl) Mechanische Verfahren Eisen-Gusswerkstoffe Übersicht und Einteilung Allgemeines über Gefüge- und Graphitausbildung bei Gusseisen Gusseisen mit Lamellengraphit GJL Gusseisen mit Kugelgraphit GJS Temperguss (GJMW und GJMB) Gusseisen mit Vermiculargraphit Sonderguss Nichteisenmetalle Allgemeines Bezeichnung von NE-Metallen und -Legierungen Aluminium Vorkommen und Gewinnung Einteilung der Aluminium-Knetwerkstoffe Unlegiertes Aluminium, Serie bis Aluminium-Legierungen Aushärten der Aluminium-Legierungen Neuentwicklungen 7.4 Kupfer Magnesium Titan Nickel (DIN 17743) Druckgusswerkstoffe

10 X Inhaltsverzeichnis Fragen Antworten 8 Anorganisch-nichtmetallische Werkstoffe Kunststoffe (Polymere) Allgemeines Monomere Stoffe und Entstehung der Polymere Strukturen der Makromoleküle Gefügeveränderungen bei Polymeren Duroplaste Thermoplaste Elastomere Statistische Daten und Eigenschaftsvergleiche 10 Verbundstrukturen und Verbundwerkstoffe Werkstoffe besonderer Herstellung oder Eigenschaften Pulvermetallurgie, Sintermetalle Schichtwerkstoffe und Schichtherstellung Lager- und Gleitwerkstoffe Werkstoffe für Lötungen Werkstoffe mit steuerbaren Eigenschaftsänderungen 12 Korrosionsbeanspruchung und Korrosionsschutz Tribologische Beanspruchung und werkstofftechnische Maßnahmen Überlegungen zur Werkstoffauswahl Werkstoffprüfung Aufgaben, Abgrenzung Prüfung von Werkstoffkennwerten Messung der Härte Prüfung der Festigkeit bei statischer Belastung Prüfung der Festigkeit bei dynamischer Belastung Prüfung der Zähigkeit Prüfung von Verarbeitungseigenschaften 15.8 Untersuchung des Gefüges Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und Qualitätskontrolle Überprüfung der chemischen Zusammensetzung Übungsklausur. Zeit: 90 Minuten