Masterprüfung Werkstoffdesign der Metalle Prüfungsteil Steel Design & Werkstoffkunde der Hochtemperaturstoffe

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1 Name, Vorname: Masterprüfung Werkstoffdesign der Metalle Prüfungsteil Steel Design & Werkstoffkunde der Hochtemperaturstoffe Matrikelnummer: Erklärung: Ich fühle mich gesund und in der Lage an der vorliegenden Prüfung teilzunehmen. Unterschrift: Aufgabe Punkte: Erreichte Punkte: , , ,5 11 3,5 12 1, ,5 15 7, , Punkte nach Einsicht (zusätzliche Punkte) SMB 35 Summe 100 Zum Bestehen der Klausur werden 44 % der Punkte benötigt.

2 Werkstoffdesign der Metalle 2 Aufgabe 1 Hochtemperaturwerkstoffe I 3 Punkt(e) a) Nennen Sie die zur Erhöhung der Standfestigkeit von metallischen Hochtemperaturwerkstoffen nutzbaren Mechanismen. (2 Punkte) b) Erklären Sie, warum die Kaltverfestigung kein festigkeitssteigernder Mechanismus für metallische Hochtemperaturwerkstoffe ist. Ab welcher Temperatur setzen die werkstoffkundlichen Phänomene bei Metallen ein, die zu einer Festigkeitsminderung führen? (1 Punkt)

3 Werkstoffdesign der Metalle 3 Aufgabe 2 Hochtemperaturwerkstoffe II 1,5 Punkt(e) Nennen Sie die drei typischen Arten von Verbundwerkstoffen. (1,5 Punkte)

4 Werkstoffdesign der Metalle 4 Aufgabe 3 Hochtemperaturwerkstoffe III 4 Punkt(e) Nennen Sie i) die Bezeichnung, die maximale Einsatztemperatur, iii) die Mikrostruktur und iv) die Applikationsmethode des heute üblicherweise verwendeten TBC s. Ergänzen Sie zusätzlich die jeweilige derzeitige Entwicklungsrichtung! (4 Punkte) heute Entwicklungsrichtung Bezeichnung Einsatztemperatur Mikrostruktur Applikationsmethode

5 Werkstoffdesign der Metalle 5 Aufgabe 4 Hochtemperaturwerkstoffe IV 2 Punkt(e) In der Literatur wird oft ab einem Chromgehalt von 12-13% von einer Korrosionsresistenz gesprochen. Wie kommt es das ebenfalls Werkstoffe mit einem Chromgehalt von 8% in korrosiven Medien den Einsatz finden? (2 Punkte)

6 Werkstoffdesign der Metalle 6 Aufgabe 5 Hochtemperaturwerkstoffe V 2 Punkt(e) Welche Versprödungseffekte erwarten Sie in FeCr-Legierungen? Geben Sie zwei Phasen an, die zu einer Versprödung führen? (2 Punkte)

7 Werkstoffdesign der Metalle 7 Aufgabe 6 Hochtemperaturwerkstoffe VI 1,5 Punkt(e) Was versteht man unter kohärenten, semi-kohärenten und inkohärenten Phasengrenzen? (1,5 Punkte)

8 Werkstoffdesign der Metalle 8 Aufgabe 7 Hochtemperaturwerkstoffe VII 1 Punkt(e) Erläutern Sie kurz den Unterschied zwischen Primär- und Sekundärkarbidhärtung. (1 Punkt)

9 Steckgrenze / yield strength [MPa] Werkstoffdesign der Metalle 9 Aufgabe 8 AHSS I 8 Punkt(e) a) Kennzeichnen Sie den ungefähren Bereich der Streckgrenze und der Zugfestigkeit für die folgenden Stahlgüten in der Abbildung 1. Der martensitische Stahl (MS1180) und der IF-Stahl (DC06) dient als Orientierung. Berücksichtigen Sie hierfür, welche Stähle ein geringes oder ein hohes Streckgrenzenverhältnis haben. (2 Punkte) DP600 DP780 TRIP780 CP MS Abbildung 1: DC Zugfestigkeit / ultimate tensile strength [MPa] Streckgrenze bzw. Zugfestigkeit verschiedener Stahlklassen

10 Werkstoffdesign der Metalle 10 b) Vervollständigen Sie die folgende Tabelle 1, indem Sie die ungefähren mikrostrukturellen Bestandteile der verschiedenen Stahlgüten ergänzen. (3 Punkte) Tabelle 1: Mikrostrukturbestandteile der einzelnen Stahlklassen (Angaben in Vol.-%) Stahlklasse Ferrit Perlit Bainit Martensit (Rest)- austenit DP TRIP780 0 IF-Tiefziehstahl c) Vervollständigen Sie Tabelle 2, indem Sie die Stahlgüten aus DC06, DP600 und TRIP780 der chemischen Zusammensetzung zuordnen. Begründen Sie Ihre Antwort kurz. (3 Punkte) Tabelle 2: Chemische Zusammensetzung der einzelnen Stahlklassen (Angaben in Mass.-%) Stahlgüte C Mn Si Cr,Mo Ti,Nb,V MS1180 0,170 2,00 2,00 1,00 0,005 0,005 0,10 0,05 0,05 0,050 0,200 1,50 1,50 0,05 0,005 0,100 1,50 0,20 0,50 0,005

11 Werkstoffdesign der Metalle 11 Aufgabe 9 AHSS II 6 Punkt(e) a) Q&P ist ein Glühzyklus von AHSS der dritten Generation. Skizzieren Sie den Glühzyklus für eine Q&P Glühbehandlung in das Zeit-Temperatur-Diagramm in Abbildung 1. Benennen Sie die eingezeichneten (gestrichelte Linien) charakteristischen Temperaturen. (3,5 Punkte) Abbildung 1: Glühzyklus einer Q&P Wärmebehandlung b) Aus welchen Gefügebestandteilen besteht der Stahl nach der durchgeführten Q&P Wärmebehandlung? In welcher Phase ist der Kohlenstoff angereichert? (2,5 Punkte)

12 Werkstoffdesign der Metalle 12 Aufgabe 10 AHSS III 2,5 Punkt(e) a) In hochmanganhaltigen Stählen können verschiedene Verformungsmechanismen aktiviert werden: geben Sie drei Verformungsmechanismen an! (1,5 Punkte) b) Welche metallphysikalische Größe steuert die Auswahl der Verformungsmechanismen? Welche Einheit hat diese? (1 Punkt)

13 Werkstoffdesign der Metalle 13 Aufgabe 11 Herstellung von Rohren 3,5 Punkt(e) a) Rohre werden in nahtlose und geschweißte Rohre eingeteilt. Welche Art der Rohre verwenden sie für ein Rohr mit (1,5 Punkte) i) einer geringen Wanddicke ii) einem großen Außendurchmesser iii) einer großen Wanddicke b) Nennen Sie zwei Vorteile einer Kaltumformung bei der Herstellung von nahtlosen oder längsnaht geschweißten Rohren. (1 Punkt) c) Welche zwei Formgebungsmethoden gibt es bei der Kaltverformung von Rohren? (1 Punkt)

14 Werkstoffdesign der Metalle 14 Aufgabe 12 Leitungsrohre 1,5 Punkt(e) Welchen Einfluss hat das TM-Walzen auf die Eigenschaften von Leitungsrohren? Welche Verfestigungsmechanismen werden durch TM-Walzen hervorgerufen? (1,5 Punkte)

15 Werkstoffdesign der Metalle 15 Aufgabe 13 Ölfeldrohre 2 Punkt(e) Was ist im Gefüge hochfester, hochkohlenstoffhaltiger und mit z. B. Chrom und Molybdän legierte Ölfeldrohrgüten (OCTG-Rohre) zu vermeiden, damit das Rohr unter Spannungsrißkorrosion durch Sauergas (SSC) nicht zu schnell ausfällt? (2 Punkte)

16 Werkstoffdesign der Metalle 16 Aufgabe 14 Tiefziehstähle 2,5 Punkt(e) Es wurden vier Coils A, B, C und D erzeugt unter den nachfolgenden Fertigungsparametern. Welches Coil besitzt die höchste Tiefzieheigenschaft? Geben Sie für die anderen 3 Coils eine erklärende Begründung an, warum die Tiefziehfähigkeit jeweils geringer ist. (2,5 Punkte) Fertigungsparameter Coil A Coil B Coil C Coil D Al-Gehalt und N-Gehalt in der chemischen Analyse (Gew.-%) 0,021 0,028 0,039 0,0039 0,026 0,0027 0,035 0,0033 Haspeltemperatur ( C) Kaltwalzgrad (%) 58% 69% 69% 75% Rekristallisierende Glühung (-) Haubenglühe Contiglühe Haubenglühe Contiglühe

17 Werkstoffdesign der Metalle 17 Aufgabe 15 Werkzeugstähle 7,5 Punkt(e) a) Eine Klassifizierung von klassischen Werkzeugstählen erfolgt nach ihren Einsatztemperaturen unterteilt. Geben Sie für die angegebenen Werkzeugstähle die maximalen Einsatztemperaturen an (1.5 Punkte): Kaltarbeitsstahl Warmarbeitsstahl Schnellarbeitsstahl b) In Tabelle 1 sind die chemischen Zusammensetzungen von 4 Werkzeugstählen angegeben für die folgenden Werkzeugstähle und begründen Sie Ihre Antwort kurz: (4 Punkte) i) Schnellarbeitsstahl (konventionell gefertigt) ii) iii) iv) Warmarbeitsstahl (konventionell gefertigt) Kaltarbeitsstahl (konventionell gefertigt) Hochleistungsstahl (PM-gefertigt) Stahl C Si Cr Mn W Mo V 0.7 0,25-0, ,38 1 5,3 0,4-1,3 0,4 0, , ,5 5 1,9 3, , ,3 15 Tabelle 1: chemischen Zusammensetzungen von 4 Werkzeugstählen

18 Werkstoffdesign der Metalle 18 c) Um die finalen Eigenschaften von Warmarbeitsstählen und Schnellarbeitsstählen einzustellen werden diese nach dem Härten angelassen. Nennen Sie zwei Effekte der Anlassbehandlung? (2 Punkte)

19 Werkstoffdesign der Metalle 19 Aufgabe 16 Kesselrohre 9 Punkt(e) Für Kesselrohre werden häufig sogenannte ferritisch-bainitische Stähle (z.b. 10CrMo9-10) und ferritisch-martensitische Stähle (z.b. X11CrMoWVNb9-1-1) verwendet. a) Auf welche zwei anderen Werkstoffgruppen können Sie zurückgreifen, wenn eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit gefordert wird? (1 Punkt) b) Werden Kesselrohre: i) nahtlos, ii) geschweißt oder iii) sowohl nahtlos als auch geschweißt verwendet? (0.5 Punkte)

20 Werkstoffdesign der Metalle 20 c) Zeichnen Sie schematisch die Zeitstandfestigkeit als Funktion der Temperatur für die Stähle X11CrMoWVNb9-1-1 und 10CrMo9-10 in Bild 1 ein. (2 Punkte) Bild 1: Zeitstandfestigkeit verschiedener Kesselrohrstähle

21 Werkstoffdesign der Metalle 21 d) Zeichnen Sie die Wärmebehandlung des sogenannten ferritisch-martensitischen Stähls (X11CrMoWVNb9-1-1) in Bild 2 und geben Sie die ungefähren Temperaturen der einzelnen Prozessschritte an. (3 Punkte) Bild 2: Schematische Zeit-Temperatur-Verlauf der Wärmebehandlung von ferritisch-martensitischen Kesselrohrstählen e) Welchen Vorteil bewirkt eine höhere Zeitstandfestigkeit von Kesselrohren für Dampfkraftwerke? Wie können die Betriebsparameter verändert werden?(1 Punkt)

22 Werkstoffdesign der Metalle 22 f) Welches Legierungselement sichert die Oxidationsbeständigkeit und wieviel von diesem Legierungselement ist in den ferritisch-bainitisch bzw. ferritischmartensitischen Kesselrohrstählen? (1.5 Punkte)

23 Werkstoffdesign der Metalle 23 Aufgabe 17 Präzisionsrohr 4,5 Punkt(e) a) Welche Eigenschaft soll durch eine Autofrettage-Behandlung beeinflusst werden? Wie wird diese beeinflusst? (1 Punkt) b) Für welches Anwendungsbeispiel ist diese Behandlung besonders wichtig? Begründen Sie Ihre Antwort (1.5 Punkte) c) Beschreiben Sie den Ablauf einer Autofrettage-Behandlung und erläutern Sie, welche Mechanismen es dabei ermöglichen, das Behandlungsziel zu erreichen. Skizzen können zur Erläuterung benutzt werden (2 Punkte).

24 Werkstoffdesign der Metalle 24 Aufgabe 18 Schienenstähle 3 Punkt(e) Abbildung 1 zeigt den Verschleiß als Funktion der Belastung für verschiedene Schienenstähle mit verschiedenen Gefügen. Welches Gefüge hat ein klassischer Schienenstahl (Typ I)? Welches Gefüge hat der neue Schienenstahl (Typ 2), welcher einen besseren Widerstand gegen Verschleiß aufweist? Welcher Stahl den höheren Kohlenstoffgehalt? (3 Punkte) 600 maximaler Verschleiß bei Ausbau Verschleiß in mm² Typ I Typ II Gesamtbelastung in Mill. t Abbildung 1: Verschleißrate verschiedener Schienenstähle

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