Institut für Baustoffe ETH Zürich F. Wittel / R. Flatt. Hausübung Werkstoffe II. - Hausübung 1/2 - Frühjahrssemester 2017

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1 Institut für Baustoffe ETH Zürich F. Wittel / R. Flatt Hausübung Werkstoffe II - Hausübung 1/2 - Frühjahrssemester 2017 Ausgabe: 12. April 2017 Abgabe: 26. April 2017 Name, Vorname LegiNr. Betreuung: Falk Wittel HIF E 28.1 fwittel@ethz.ch 1

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) Normaler Baustahl korrodiert in Wasser oder an der Atmosphäre unter Bildung von Rost (siehe Stromdichte / Potentialdiagramm). Schreiben Sie die Teil-reaktionen 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 EO2 Potential b) 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. 2

3 Warum braucht es im karbonatisierten Beton viel weniger Chloride um Lochfrass auszulösen als im intakten Beton? c) 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 1 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. Aufgabe Grundlagen 2 (a) Wie ist die Wärmeausdehnung von Werkstoffen definiert, in welchen Einheiten wird sie Angegeben und von was hängt sie ab. 4

5 (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 ). (Verwenden Sie Ashby-Diagramme) ( ) ( ) (c p ) (--) PVC-U, Holz, Glas, Beton, Stahl, Aluminium Holz, Glas, Beton, Stahl, Aluminium, Holz, PVC-U Stahl, Beton, Aluminium, Holz, PVC-U, Glas Stahl, Glas, PVC-U, Aluminium, Beton, Holz (c) Profilglas ( =1W/mK) mit einer Stärke von ca. 10mm erfreut sich in letzter Zeit grosser Beliebtheit in der Architektur. Um die energetischen Nachteile der Doppelschalenanordnung zu verringern, wird überlegt den 14cm grossen Zwischenraum mit transluzentem Aerogelgranulat ( =0.018W/mK) zu füllen. Diese ist in der Skizze dargestellt. Berechnen Sie den U-Wert der Wand, wenn der Wärmeüberganskoeffizient innen h i =8W/(m2K) und aussen h a =23W/(m2K) beträgt. Zur Vereinfachung können Sie einen eindimensionalen Wärmestrom senkrecht zur Bauteiloberfläche annehmen. U ges =10.3W/m 2 K; U ges =0.73W/m 2 K; U ges =0.59W/m 2 K; 5

6 Aufgabe Kunststoffe 1 (a) 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: ±):(Verwenden Sie Ashby-Diagramme) - + ± - + ± Dichte Wärmekapazität Chemische Beständigkeit Zugfestigkeit Druckfestigkeit E-Modul Wärmedehnung Wärmeleitfähigkeit Quellungskoeffizient für Wasser Thermische Beständigkeit (c) Welche Auswirkungen hat zunehmend Kristallisation des Polymers auf die folgenden mechanischen und technologischen Eigenschaften ( (gleichbleibend); (höher); (abnehmend))? Zugfestigkeit Elastizität Wärmebeständigkeit Bruchdehnung Chemische Beständigkeit Schweissbarkeit Formbarkeit Recyklierbarkeit Aufgabe Kunststoffe 2 (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. 6

7 Aufgabe Metalle 1 (a) Nickel-Kupferlegierungen werden z.b. für Wasserrohre verwendet wird. Markieren sie farblich die Ein- und Zweiphasengebiete, sowie die Solidus- und Liquiduslinie. Es wird eine CuNi30 Legierung betrachtet. Zeichnen Sie die Legierung in das Diagramm ein, und geben Sie folgende Werte an: Temperatur bei Begin und Ende der Erstarrung. Temperatur bei der gleiche Anteile Mischkristall und Schmelze vorliegen: Konzentration Nickel bei dieser Temperatur in der Schmelze und im Mischkristall (b) Wir betrachten die linke Seite des Aluminium-Kupfer Zustandsdiagrams: 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 AlCu15 Legierung ein und lesen Sie folgende Werte ab, respektive berechnen Sie: Temperatur bei Beginn / Ende der Erstarrung Massenanteil Eutektikum 7

8 (c) Gegeben ist Zustandsdiagram für Zinn-Blei. Beantworten Sie folgende Fragen: Markieren Sie alle Ein- und Zweiphasengebiete (farblich), sowie die Liquidus- und Soliduslinie und den eutektischen Punkt. Was ist Segregation? Markieren Sie die Gebiete, in denen Segregation auftritt (Mischungslücke). Wie hoch ist die maximale Löslichkeit des Legierungselements Blei in Zinn. Markieren Sie den Punkt im Zustandsdiagramm und geben Sie den Zahlenwert an: Eine Legierung mit xpb=50% wird aus der Schmelze bis zur Raumtemperatur abgekühlt. Geben Sie die Phasen an, die die Legierung bei 100 C hat mit Phasenanteilen. Aufgabe Metalle 3 Obwohl Spann- und Baustahl chemisch gesehen fast das gleiche ist, ist die Zugfestigkeit beider Stähle sehr unterschiedlich. Beide bestehen mehrheitlich aus Eisen. Was bedeuteten die Bezeichnungen St1570/1770: S235: Erklären Sie wie dies möglich ist (Verfahren) und welche Verfestigungsmechanismen durch die Behandlungen aktiviert werden. 8

9 Es gibt zahlreiche Modifikationsmöglichkeiten zur Beeinflussung von Eiseneigenschaften. Geben Sie an, wie sich die jeweiligen Veränderungen auf die folgenden Eigenschaften qualitativ auswirken (nimmt zu +, nimmt ab -, bleibt gleich ±). Steigender Kohlenstoffgehalt bei einem niederlegierten Stahl: - + ± - + ± Härte Bruchdehnung Schlagfestigkeit Zugfestigkeit Kaltverformung eines Stahls: Steifigkeit Duktilität Schlagfestigkeit Zugfestigkeit Glühen eines kaltverformten Stahls: Wärmeleitfähigkeit Duktilität Bruchdehnung Zugfestigkeit Aufgabe Metalle 2 Eisenlegierungen sind im Bauwesen von grosser Wichtigkeit. Gegeben ist das Eisen- Kohlenstoff Diagramm (EKD). 9

10 Beantworten Sie damit die folgenden Fragen: (a) Markieren Sie die Stahlseite und die Gusseisenseite des Fe-C Systems. (b) Benennen Sie die Teilsysteme (graue Felder). (c) Markieren Sie die Liquiduslinie in rot, die Soliduslinie in blau. (d) Warum ist das EKD mit einem C-Gehalt von 6.67% C begrenzt? (f) Wie gross ist die maximale Löslichkeit von Kohlenstoff in Ferrit und Austenit? und der Kohlenstoffgehalt bei Raumtemperatur (RT) Ferrit und Zementit? (g) Es wird eine übereutektoide Legierung mit 1% Kohlenstoff betrachtet. - Wie gross ist der Zementitgehalt eines Stahls mit 1% c C bei RT?? Aus was besteht der Rest der Legierung? - Tragen Sie die Legierung in das Phasendiagramm ein und skizzieren Sie die Abkühlkurven im Phasendiagramm. - Welche Phasen treten bei den folgenden Temperaturen auf: Austenit Zementit Perlit Ferrit 1200 C 800 C 600 C - Welche Phasengehalte entstehen bei 600 C? 10