9. Tutorium zur Werkstoffkunde für Maschinenbauer im WS 2010/2011

Transkript

1 9. Tutorium zur Werkstoffkunde für Maschinenbauer im WS 2010/2011 Aufgabe 1 Die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen sind bei Konstruktionen zu berücksichtigen. Meist kann ein kompliziertes makroskopisches Materialverhalten auf der Kristallebene durch einfache Gleichungen beschrieben werden. Deswegen ist es wichtig die Einflüsse der Effekte auf der Mikroebene zu verstehen, um beurteilen zu können, ob diese vernachlässigt werden können. 1.1 Welche Aussage über den Zugversuch für einen Werkstoff ohne ausgeprägte Streckgrenze ist richtig? Die logarithmische Dehnung ist immer größer als die technische Dehnung. Nach dem Einschüren der Probe gilt bis zum Bruch der Probe keine Volumenerhaltung mehr. Die Gesamtdehnung der Probe ist beim Einschnürren gleich der Gleichmaßdehnung. Für eine Querkontraktionszahl von 0,33 gilt bei elastischer Dehnung keine Volumenerhaltung. Die Steigung im wahre Spannung-logarthmische Dehnung-Diagramm beim Einschnürren ist gleich der Steigung im technischen Spannung-technische Dehnung-Diagramm. 1.2 Ein Bauteil aus einem Material mit isotropen mechanischen Eigenschaften und einem Elastizitätsmodul von 60 GPa soll kalt verfestigt werden. Hierzu wird das Bauteil auf Zug belastet. Das Material verfestigt ab einer Spannung σ F =MPa linear-plastisch. Der Verlauf der technische Spannung über die technische Dehnung ist im nachfolgenden Diagramm aufgetragen. Nachdem eine Zugspannung σ 1 =700MPa erreicht wurde, wird das Bauteil entlastet. Die Dehnung nach dem Entlasten beträgt 3,3 Nun soll das Bauteil so gestaucht werden, dass nach dem Entlasten das Bauteil wieder seine Ursprungslänge besitzt. Welche Spannung und welche relative Gesamtdehnung, ausgehend von der Probe, die nach der Zugbeanspruchung entlastet wurde, ist notwendig, um die Probe wieder auf ihre Ausgangslänge zu stauchen. Rechnen Sie analytisch und runden Sie die Ergebnisse auf zwei Nachkommastellen. technische Spannung (in MPa) technische Dehnung (in %) Die notwendige technische Spannung ist... MPa. Die technische Dehnung ist Sie wollen die Härte eines Bauteils untersuchen. Hierbei wollen Sie eine schnelle Aussage treffen. Zudem wollen Sie auch Härteunterschiede von weniger als 2% messen. Welches Verfahren nehmen Sie? Rockwell Vickers Brinell Mohs Kirner Seite 1

2 1.4 Was passiert, wenn in den Gitterlücken eines Materials mit kfz-gitterstruktur Fremdatome eingelagert sind, deren Atomradius einem Fünftel der Gitterkonstante entspricht. Welche der nachfolgenden Aussagen ist richtig. Es kommt zur Abnahme der Festigkeit, weil durch die Fremdatome zusätzliche Gleitebenen und Gleitrichtungen entstehen. Es kommt zur Abnahme der Festigkeit, weil sich der Burgervektor entlang seiner Versetzungslinie ändern kann. Es kommt zur Zunahme der Festigkeit, weil sich der Burgervektor entlang seiner Versetzungslinie ändern kann. Es kommt zur Zunahme der Festigkeit, weil die Fremdatome das Gitter verzerren. Es kommt zur Abnahme der Festigkeit, weil die Fremdatome das Gitter verzerren. 1.5 Bei welchen der nachfolgenden Kombination handelt es sich um zwei Shockley-Partialversetzungen (b 1 und b 2 ), die in einem kfz-gitter zu einem Lomer-Cottrell-Lock führen können? Es gibt kar keine Kombination, welche zu einem Lomer-Cottrell-Lock führt. b = a[ 1,1,0], b 1 = a 3 [ 2,1,1] und b 2 = a 3 [ 1,2, 1] b = a 2 [ 1,1,0], b 1 = a 3 [ 1,1,0] und b 2 = a 5 [ 1,1,0] b = a 2 [ 1,1,1], b 1 = a 6 [ 2,1,1] und b 2 = a 6 [ 1,2,2] b = a 2 [ 1,1,0], b 1 = a 6 [ 2,1,1] und b 2 = a 6 [ 1,2, 1] b = a 2 [1, 1,0], b 1 = a 6 [ 2,1,1] und b 2 = a 6 [ 1,2, 1] 1.6 In der kfz-struktur ist die Aufspaltung einer Versetzung in zwei Shockley-Partialversetzungen energetisch günstiger. (a) Geben Sie die Energiebilanz für die Shockley-Partiaversetzungen und die ursprüngliche Versetzung an (b) Welche der nachfolgenden Aussagen über die Shockley-Partialversetzung ergibt sich aus dem Energieminimum? b 1 +b b 1 b 2 0 b 1 b 2 0 b 2 0 b b 1 b 2 +b Wie wird das Phänomen genannt, wenn sich in einem kfz-kristall zwei Shockley-Partialversetzungen treffen und eine neue, nicht gleitfähige, Versetzung bilden? Peach-Koehler-Versetzung Frank-Read-Quelle Lomer-Cottrell-Lock Burgers-Versetzung Orowan-Fine-Lock Seite 2

3 Aufgabe 2 Um Gewicht bei einem Fahrzeug einzusparen, soll ein Bauteil aus einer Ti-Cr-Legierung gefertigt werden. Da Ihnen diese Legierung nicht bekannt ist und Sie auch nicht alle Datenblätter zur Verfügung haben, führen Sie einige Versuche durch, um die Legierung zu charakterisieren. 2.1 Nach einigen Recherchen habe Sie das nachfolgende Phasendiagramm für Titan-Chrom-Legierungen gefunden. Dieses Diagramm ist nicht ganz vollständig S 1 (Cr,β-Ti)+S (Cr,β-Ti) (Cr,β-Ti)+α-Ti (Cr,β-Ti)+γ (Cr,β-Ti)+γ γ G 800 α-ti γ H α-ti+γ Ti Cr Massenanteil Cr (in %) (a) Um Zeit zu sparen, entscheiden Sie sich das Phasendiagramm selbst zu vervollständigen. Geben Sie die Phasen an, die in den Bereichen auftreten, die durch die Platzhalter G und H gekennzeichnet sind. G:... H:... (b) Sie haben eine Legierung mit einem Chromanteil von 68 Masse- Diese wollen Sie auf eine Temperatur von 1200 C erhitzen und sehr lange halten. Welche Phase ist unter den gegebenen Bedingungen stabil?... (c) Sie wissen, dass im Phasendiagramm ein peritektiode Rekation stattfinden. Geben Sie die peritektiode Reaktion des Ti-Cr-Systems an.... (d) Welche Gefügezusammensetzung erhalten Sie, wenn Sie eine Legierung mit 50 Masse-% Chrom sehr langsam bis knapp unterhalb von 1152 C abkühlen. Geben Sie die Phasenanteile auf eine ganze Zahl gerundet an. Der Phasenanteil an (Cr,β-Ti) beträgt... Der Phasenanteil an γ-phase beträgt... Seite 3

4 2.2 Neben dem obigen Phasendiagramm haben Sie noch ein isothermes ZTU-Schaubild gefunden. Der Mitarbeiter, der Ihnen dieses Diagramm geschickt hat, kann Ihnen nur sagen, dass die Legierung in diesem Diagramm bei einer Temperatur von 900 C lösungsgeglüht wurde. Hinweis: Verwenden Sie wenn nötig in dieser Teilaufgabe auch das Phasendiagramm der vorhergehenden Teilaufgabe Phasengrenze α + β/β β(+α) β β +α α+β +γ Eutektoidische Temperatur α+γ α+β +γ α+γ +γ β +ω α+β +γ Zeit (in Sekunden) α+β +γ +ω (a) Bei welcher Konzentration an Ti wurde dieses isotherme ZTU-Diagramm ermittelt? 0Masse-% Ti 100Masse-% Ti 87Masse-% Ti 10Masse-% Ti 68Masse-% Ti (b) Sie wollen die Bauteile aus der Legierung, welche im ZTU-Diagramm dargestellt ist, wärmebehandeln. Bei der Behandlung wird das Bauteil für 200 Stunden bei einer Temperatur von C geglüht und anschließend abgeschreckt. Nach dem Einbau wird das Bauteil bei einer Einsatztemperatur von 350 C betrieben. Welche Gefügezusammensetzung liegt nach 80 Stunden im Betrieb vor? Nach 80 Stunden im Betrieb besteht das Gefüge des Bauteils aus.... Seite 4

5 (c) In welche Richtung verschieben sich die Nasen des ZTU-Digramms, wenn anstatt einem isothermen ein kontinuierliches ZTU-Diagramm betrachtet wird? nach rechts nach links nach oben nach unten Die Nasen verschieben sich nicht. 2.3 Ein Versuch zur Charakterisierung eines Materials ist die Dilatometrie. Bei einem Aufbau des Dilatometers wird die Dehnung über die Temperatur gemessen. Ein Kollege zeigt Ihnen die Messung für einen Werkstoff (rechts). Worauf ist der Abfall der Dehnung im Bereich 2 primär zurückzuführen? Dehnung (in %) Auf eine Änderung des Wärmeausdehnungskoeffizient. Auf eine Änderung der spezifischen Wärmekapazität. Auf eine Änderung des Gitterstruktur. Auf eine Änderung der thermischen Leitfähigkeit. Auf eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit. Seite 5