Übungsprüfung Werkstoffe II

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1 Institut für Baustoffe ETH Zürich Dr. Falk Wittel Übungsprüfung Werkstoffe II Frühjahrssemester 2017 Betreuung: Falk Wittel HIF E 28.1 fwittel@ethz.ch

2 Aufgabe 1: Glas a) (5 P) (10 Punkte) Multiple-Choice. Markieren Sie die korrekten und en Aussagen. Sind beide Möglichkeiten markiert, gilt die Frage als nicht beantwortet. Pro Fragenblock ergeben 4 richtige Antworten 1 P, 3 richtige 0.5 P, 2 oder weniger richtige Antworten 0 P. Falsch beantwortete Fragen führen NICHT zu Punkteabzug. Kalk-Natron Glas. ist mengenmässig das wichtigste Bauglas. weist eine kristalline Mikrostruktur aus SiO2 Tetraedern auf, in das Netzwerkwandler eingebaut sind. wird deshalb als Fensterglas verwendet, weil es aufgrund hoher Altglasanteile günstig in der Herstellung ist. wird entfärbt durch eine sorgfältige, eisenarme Rohstoffauswahl (Chemische Entfärbung) sowie über Färbung mit Komplementärfarben (physikalische Entfärbung) Die Druckfestigkeit von Glasscheiben hängt stark von der Oberflächengüte ab. Aufgrund geringer Wärmeleitfähigkeit in Verbindung mit hoher Temperaturausdehnung entstehen bei Kalk-Natron Glas rasch hohe Eigenspannungen. Unterhalb der Glastemperatur ist Glas eine unterkühlte, eingefrorene Flüssigkeit. Netzwerkwandler werden verwendet um die Einsatztemperaturen von Gläsern zu erhöhen. Hochwertige Gläser werden heute noch in industriellen Ziehverfahren nach Fourcault hergestellt, da die Glasoberflächen glatter sind als im Float-Verfahren. Die Beschichtung von Float-Glas mit Hard-coatings kann direkt in der Float- Kammer erfolgen. Profilbauglas wird im Ziehverfahren hergestellt. Im Floatverfahren hergestelltes Glas hat eine sehr glatte Feuerseite und eine etwas weniger glatte Zinnseite. Vorgespanntes Glas wird auch als gehärtetes Glas gezeichnet, da die Oberflächenhärte ca. 2.5 mal höher ist als bei langsam abgekühltem Glas. Einscheiben-Sicherheitsglas (ESG) hat schlagempfindliche Kanten die konstruktiv geschützt werden müssen. Nach dem Vorspannen kann ESG mit Diamantwerkzeugen ohne Probleme weiterverarbeitet werden. Durch laminieren von ESG mit Polymerfolien entsteht Verbundsicherheitsglas (VSG). 2

3 Der Wärmedurchgang durch die Abstandshalter ist vernachlässigbar klein, weshalb hier aus Stabilitätsgründen massive Aluminiumprofile zum Einsatz kommen. Je grösser der Scheibenzwischenraum ist, desto geringer ist der U-Wert des Isolierglases. Wärmeschutzverglasung ist meist eine Dreifachverglasung. Schallschutzgläser haben unterschiedliche Scheibendicken und hohe Glasmassen. b) (1.5 P) Beschreiben Sie knapp mindestens 3 Massnahmen zur Verringerung des U- Wertes die bei Isolierglas zum Einsatz kommen. c) (1.5 P) Wie werden Glasschäume hergestellt, und in welcher Form finden Sie Einsatz im Bauwesen (mind. 1 Produktbeispiele)? d) (2P) Um die Eigenschaften eines Glasschaumes abzuschätzen, wurde eine Tomographie erstellt (s. Abbildung), ein Ausschnitt gewählt und mit Finite Elementen die Eigenschaften bestimmt. Nenne Sie 3 Bedingungen die erfüllt sein müssen, damit die am Ausschnitt gemessenen Eigenschaften repräsentativ für das gesamte Material sind. Materialausschnitt: 3

4 Aufgabe 2: Metalle (10 Punkte) a) (5 P) Multiple-Choice. Markieren Sie die korrekten und en Aussagen. Sind beide Möglichkeiten markiert, gilt die Frage als nicht beantwortet. Pro Fragenblock ergeben 4 richtige Antworten 1 P, 3 richtige 0.5 P, 2 oder weniger richtige Antworten 0 P. Falsch beantwortete Fragen führen NICHT zu Punkteabzug. Die Eigenschaften eines Metall Einkristalls sind sehr ähnlich zu den Eigenschaften des Polykristalls. Versetzungen sind Linienbaufehler im Kristallgitter, die als Träger plastischer Verformung gelten. Die gegenseitige Behinderung von Versetzungen führt zur Verfestigung. Die Eigenschaften von Metallen werden durch Van der Waals Kräfte dominiert. Um vollständige Mischbarkeit der Komponenten einer Legierung zu erreichen, müssen diese den gleichen Gittertyp haben und ihre Atomdurchmesser müssen ähnlich sein. Legierungen bezeichnen reine Metall-Metall Mischungen. In einem Phasendiagramm sind alle Phasen unterhalb der Liquiduslinie in festem Zustand. Zustandsdiagramme geben nur den thermodynamisch stabilen Zustand an, also bei unendlich langsamer Temperaturänderung. Stahl ist eine über-eutektische Eisen-Kohlenstofflegierung. Perlit bezeichnet eine feinkörnige eutektoide Phase aus Ferrit und Zementit, die durch Austenitzerfall entsteht. Stahlgusslegierungen weisen eine geringere Liquidustemperatur auf als Grauguss, was Stahlguss wirtschaftlicher macht. Gusslegierungen sind ohne weitere Nachbehandlung umformbar. Durch Wärmebehandlung wird die Versetzungsdichte im Oberflächenbereich erhöht um höherer Festigkeiten zu erzielen. Martensitbildung in der Wärmeeinflusszone von Schweissnähten wirkt sich Festigkeitssteigernd aus. Zur Beurteilung der Schweisseignung einer Legierung wird das Kohlenstoffäquivalent verwendet, das unterhalb eines Schwellwertes liegen sollte. Grauguss mit lamellaren Graphiteinlagerungen (EN-GJL-250) ist aussergewöhnlich gut zu schweissen. 4

5 S460N ist ein wetterfester Baustahl mit hohem Nickelanteil. Grauguss findet Anwendung bei Strukturbauteilen mit hohen Anforderungen an die Zugfestigkeit. Um die Festigkeit von Spannstählen zu erhöhen, können sie auf der Baustelle mit Schweissbrennern Wärmebehandelt werden. Feinkornbaustähle sind schweissgeeignete Baustähle mit geringer Kohlenstoffkonzentration und hoher Streckgrenze. b) (3 P) Aluminium-Silizium Legierungen sind beliebte Gusslegierungen mit mittleren bis hohen Festigkeitswerten und guter Korrosionsbeständigkeit die z.b. im Fassadenbau für komplizierte, druckfeste Teile eingesetzt werden. Es wird eine AlSi70 Legierung betrachtet. Zeichnen Sie die Legierung in das Diagramm ein, und schätzen Sie mithilfe des Zustandsdiagramms folgende Werte ab: Temperatur bei Begin und Ende der Erstarrung. vorlie- Temperatur bei der gleiche Anteile Siliziumkristalle und Schmelze gen. Markieren sie farblich die Ein- und Zweiphasengebiete, sowie die Solidus- und Liquiduslinie. Konzentration Al bei dieser Temperatur in der Schmelze Was geschieht mit der Restschmelze bei Erreichen der eutektischen Temperatur (577 C)? 5

6 c) (2 P) Es wird ein Spannstahl St1570/1770 (R p0.1 /R m = 1570MPa/1770MPa) mit einem Baustahl S235 (Mindeststreckgrenze 235 MPa) verglichen. - Erläutern sie knapp warum die Festigkeiten der beiden Stähle so unterschiedlich sind. - Erläutern sie knapp warum die Festigkeit des Spannstahls einbricht, wenn er verschweisst wird. 6

7 Aufgabe 3: Kunststoffe (10 Punkte) a) (5 P) Multiple-Choice. Markieren Sie die korrekten und en Aussagen. Sind beide Möglichkeiten markiert, gilt die Frage als nicht beantwortet. Pro Fragenblock ergeben 4 richtige Antworten 1 P, 3 richtige 0.5 P, 2 oder weniger richtige Antworten 0 P. Falsch beantwortete Fragen führen NICHT zu Punkteabzug. Man unterscheidet zwischen Duroplasten, die fadenförmig aufgebaut sind und Thermoplasten, bei denen Makromoleküle starke Vernetzung aufweisen. Die Kettenlängen in einem Thermoplast weisen eine breite Längenverteilung auf. Amorphe Thermoplaste bilden sich vorzugsweise bei Makromolekülen mit sperrigen Seitengruppen aus. Elastomere haben eine Glastemperatur über ihrer Einsatztemperatur. Hohe Vernetzungsgrade führen zu steiferen Kunststoffen. Die Zugfestigkeit von Thermoplasten steigt mit der Einsatztemperatur, da sie bei höheren Temperaturen stärker vernetzen. Die Temperaturausdehnung von Kunststoffen ist vergleichbar mit der von Bauglas. Die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen ist im Schnitt eine Grössenordnung höher als die von Beton. Bauteile aus Duromeren können über Reibschweissen dauerhaft miteinander verbunden werden. Aufgrund der Kriechneigung der meisten Kunststoffe muss bei der Auslegung das Langzeitverhalten berücksichtigt werden. Dünne Folien werden über Extrusionsblasen oder Kalandrieren in fast beliebiger Dicke hergestellt. Abdichtungsbahnen aus PVC können thermisch und chemisch miteinander dauerhaft verschweisst werden. Prinzipiell lassen sich alle Kunststoffe zur Partikel- und Extruderschäumen weiterverarbeiten. XPS ist ein geschlossen poriger Extruderschaum aus Polystyrol der im Strangpressverfahren hergestellt wird. Je feinporiger ein Kunststoffschaum ist, desto geringer ist sein U-Wert. Offenporige Schäume weisen eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit auf als geschlossen porige. 7

8 Die Topfzeit gibt bei vernetzenden Kunststoffen an, wie lange nach dem Mischen der Kunststoff im Topf sein muss, bevor man ihn verarbeiten kann. Bei Epoxidharz-Pressmassen für Risse können kraftschlüssige Verbindungen mit der ursprünglichen Belastbarkeit des Betons erreicht werden. Imprägnierungen sind hochviskose Kunststoffe, die einen geschlossenen Film auf Beton bilden. Kunststoffe verhalten sich wie inkompressible Flüssigkeiten, was bei Elastomerauflagern konstruktiv berücksichtigt sein muss. b) (2 P) Die energetische Sanierung schutzwürdiger Bausubstanz ohne Veränderung des architektonischen Fassadenbilds ist eine grosse Herausforderung. Hochleistungsdämmstoffe bieten hier einen Ausweg. Spaceloft ist ein Hochleistungsdämmstoff auf Aerogelbasis mit einer Wärmeleitfähigkeit von nur W/mK, der diffusionsoffen und feuchteunempfindlich ist. Berechnen Sie wie dick eine aussen aufgebrachte Dämmschicht sein muss, um den U-Wert einer historischen Mühle aus dem 16. Jahrhundert von einem U- Wert von 1W/m 2 K auf Minergie niveau (0.2 W/m 2 K) zu bringen. c) (3P) Ordnen Sie die folgenden Begriffe durch Linien einander zu und weisen Sie den temperaturabhängigen Schubmodulkurven die entsprechenden Kunststoffhauptgruppen (D,T,E,a=amorph,t=teilkristallin) zu: Raumnetzmoleküle amorph(a)/teilkristallin(t) (D) Duromer PVC Fadenmoleküle gummi-elastisch (T) Thermoplast PP nicht recylierbar (E) Elastomer EP 8

9 Anhang Formelblatt Thermische Eigenschaften: Boltzmanngleichung Spezifische Wärmekapazität Wärmeaus- L dehnungs- koeffizient L0 T Volumen- V ausdehungs- koeffizient V0 T N kt B mui [J] 2 2 c p N i 1 kb: Bolzmannkonstante = e-23 [J/K] T: Temperatur [K] mi: Teilchenmasse [kg] ui: Teilchengeschwindigkeit [m/s] N: Teilchenzahl [-] Q Q: Wärmemenge [J] m T 3 [1/K] [1/K] Wärme-leitung Temperaturleitfähigkeit Wärmeeindringzahl Stefan-Boltzmann Gesetz: (Strahlungs-leistung) dq Q AT T = UA( T T); T T dt n hintereinanderliegende Schichten: 1 n 1 n si i 1 i 1 i i 1 U s 1 n si 1 i 1 ha i hi n parallele Schichten: 1 n A i 1 i i A a [m 2 /s] c p b c [Ws 1/2 /Km 2 ] p P T A T m: Masse [kg] T: Temperaturänderung [K] L: Längenänderung [m] L0: Anfangslänge [m] T: Temperaturänderung [K] V: Volumenänderung [m 3 ] V0: Anfangsvolumen [m 3 ] T: Temperaturänderung [K] Q : Wärmestrom [J/s],[W] : Wärmeleitfähigkeit [W/Km] 1 : Wärmedurchlasswiderstand [Km 2 /W] s: Bauteildicke [m] A: Fläche [m 2 ] T1,2: Oberflächentemperaturen U: U-Wert (Wärmedurchgangskoeffizient) [W/Km 2 ] ha,i: Wärmeübergangskoeffizienten [W/Km 2 ] : Wärmeleitfähigkeit [W/Km] : Dichte [kg/m 3 ] cp: spezifische Wärmekapazität [J/kgK] s.o. 4 ( ) [W] : Stefan-Boltzmann-Konstante= 5.673e-8 [W/m 2 K 4 ] : Emissionsgrad [-] 9