Institut für Baustoffe ETH Zürich F. Wittel / H.J. Herrmann. Hausübung Werkstoffe II. Hausübung 1/2. Frühjahrssemester 2018

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1 Institut für Baustoffe ETH Zürich F. Wittel / H.J. Herrmann Hausübung Werkstoffe II Hausübung 1/2 Frühjahrssemester 2018 Ausgabe: 21. März 2018 Abgabe: 11. April 2018 Name, Vorname LegiNr. Betreuung: Falk Wittel HIF E 28.1 fwittel@ethz.ch 1

2 Aufgabe Grundlagen 1 (a) Wie ist die Wärmeausdehnung von Werkstoffen definiert, in welchen Einheiten wird sie Angegeben und von was hängt sie ab. (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; 2

3 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 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))? 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. 3

4 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 4

5 (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 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. 5

6 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 Kaltverformung eines Stahls: Steifigkeit Duktilität Schlagfestigkeit Glühen eines kaltverformten Stahls: Wärmeleitfähigkeit Duktilität Bruchdehnung Aufgabe Metalle 2 Eisenlegierungen sind im Bauwesen von grosser Wichtigkeit. Gegeben ist das Eisen- Kohlenstoff Diagramm (EKD). 6

7 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? 7