Werkstoffe und Fertigung I Wintersemester 2003/04 Freiwilliger Übungstest 2 Wärmebehandlungen, physikalische Eigenschaften, Legierungen Donnerstag, 13. Mai 2004, 08.15 10.00 Uhr Name Vorname Legi-Nummer Bewertung: 5 Punkte pro Aufgabe. Erlaubte Hilfsmittel: Handgeschriebene Zusammenfassung auf 5 A4-Blättern, Taschenrechner (keine Laptops). Lösungen bitte auf die Aufgabenblätter schreiben (bei Bedarf Rückseite verwenden). Aufgabe 1 2 3 4 5 6 Zw.Total 1 Punkte 7 8 9 10 11 12 Zw.Total 2 Punkte total Note Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigung, ETH Zentrum, CLA G 1.1
1 Glühverfahren a) Tragen Sie in der untenstehenden Liste bei jedem Wärmebehandlungsverfahren ein, welchen Einfluss es auf die Festigkeit hat (Senkung, Steigerung, kein Einfluss). Verfahren Einfluss auf die Festigkeit Normalglühen Spannungsarmglühen Weichglühen Härten Rekristallisationsglühen b) Welches Glühverfahren schlagen Sie vor, wenn Sie ein Material anschließend kaltumformen wollen?
2 Martensitbildung Gegeben ist der Verlauf der Martensit-Start-Temperatur und der Martensit-Finish- Temperatur in Stählen in Abhängigkeit des Kohlenstoffgehalts (siehe Abbildung). Die beiden Stähle A (0.35 % C) und B (0.77 % C) werden aus dem Austenitgebiet schnell auf Raumtemperatur abgeschreckt (keine Bainit-, Perlit- oder Ferritbildung). Erwarten Sie, daß Restaustenit im Gefüge auftritt: a) beim Stahl A? b) beim Stahl B? c) Falls beim beschriebenen Vorgehen in einem Stahl Restaustenit auftritt, wie kann man diesen eliminieren?
3 Kontinuierliches ZTU-Diagramm Gegeben ist das kontinuierliche ZTU-Diagramm eines Stahls: a) Geben Sie an, mit welcher T8/5-Zeit (Zeitspanne für die Abkühlung von 800 auf 500 C) ein Teil abgekühlt wurde, das eine Härte von 324 HV aufweist. b) Geben Sie für das gleiche Teil die genauen Gefügebestandteile an. c) Wie schätzen Sie die Eignung dieses Stahls für die Produktion von durchgehärteten Teilen ein?
4 Kritische Abkühlgeschwindigkeiten a) Beschreiben Sie, was die obere beziehungsweise die untere kritische Abkühlgeschwindigkeit bedeutet. b) Welche Kurven im untenstehenden kontinuierlichen ZTU-Diagramm entsprechen diesen beiden Geschwindigkeiten? c) Geben Sie für beide Fälle die prozentualen Anteile aller Gefügebestandteile an. Lösung: b) Obere kritische Abkühlgeschwindigkeit: Untere kritische Abkühlgeschwindigkeit: Kurve Nr. Kurve Nr.
5 Ausscheidungshärtung Eine Aluminiumlegierung wird durch Ausscheidungshärtung gehärtet. Dabei können zwei verschiedene Verfahren eingesetzt werden, nämlich Kalt- oder Warmauslagerung. Bei Kaltauslagerung entstehen relativ kleine, kohärente Teilchen, nach einer Warmauslagerung sind die Teilchen größer und nicht kohärent. a) Ordnen Sie den beiden Fällen den entsprechenden Versetzungsmechanismus (Schneide- oder Umgehungsmechanismus) zu. b) In welchem der beiden Fälle ist die höhere Festigkeit des Materials zu erwarten?
6 Elektrische und thermische Leitfähigkeit Kupfer mit 0.5 % Tellur weist bei 25 C eine Wärmeleitfähigkeit von 320 Wm -1 K -1 auf. a) Berechnen Sie die elektrische Leitfähigkeit bei der gleichen Temperatur (Lorentz-Zahl L = 2.3 10-8 V 2 K -2 ) b) Wie müssen Sie die Legierungszusammensetzung verändern, um eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit zu erreichen?
7 Elektro-magnetische Eigenschaften Induktiv (d.h. durch schnell wechselnde Magnetfelder) erzeugte Wärme hat gegenüber anderen Erwärmungsverfahren eine besondere Eigenschaft: Sie entsteht direkt im elektrisch leitenden Material. Der Erwärmungsprozess kann so deutlich beschleunigt werden. Weiter zeichnet sich die induktiv erzeugte Wärme dadurch aus, daß die Eindringtiefe δ in die zu erwärmende Oberflächenschicht über die Frequenz ƒ des Heizgenerators frei einstellbar ist: δ= ρ el π ƒ µ r µ ρ el : elektrischer Widerstand; µ r : relative Permeabilität a) Wie ändert sich bei konstanter Heizfrequenz die Eindringtiefe im Werkstück eines ferromagnetischen Stahls, wenn er von 20 C (ρ el = 1.6 10-7 Ωm, µ r = 300) auf 1000 C (ρ el = 1.2 10-6 Ωm, µ r = 1) erwärmt wird? b) Was bedeutet die Curietemperatur und bei welcher Temperatur liegt sie?
8 Elastische und thermische Eigenschaften a) Berechnen Sie mit Hilfe des Hookschen Gesetzes die Längenänderung L einer 1m langen Aluminiumstange (Ø 1mm), an der ein 10l Eimer voll Wasser hängt. b) Metalle dehnen sich thermisch aus. Bei welcher Temperaturerhöhung T weist eine identische, unbelastete Aluminiumstange die gleiche Längenänderung wie im Fall a) auf? Angaben: Elastizitätsmodul E Al = 70 GPa, Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient α Al = 24 10-6 K -1 Bemerkung: Falls Sie für Aufgabenteil a) keine Lösung haben, nehmen Sie eine Längenänderung von L = 2.5 mm an.
9 C-Löslichkeit Die Aufnahmefähigkeit (Löslichkeit) für Kohlenstoff in Eisen ist je nach Temperatur und Kristallgitter sehr unterschiedlich. Fe 3 C bindet eine bestimmte Menge C. Nennen Sie die maximale Löslichkeit von C für: a) α-mk bei 723 C b) γ-mk bei 1147 C c) Fe 3 C d) Schmelze e) Wieviel Prozent C-Gehalt markiert eine eindeutige Grenze zwischen Stahl und Gusseisen?
10 Bezeichnung Stahlwerkstoffe Erklären Sie ausführlich die Stahlbezeichnungen a) HS10-4-3-10 b) X20Cr13 c) S355KRG2C+N d) 56NiCrMoV74
11 Stahleinteilung Unlegierte Stähle werden nach dem Kohlenstoffgehalt eingeteilt. Tragen Sie die Bereiche der einzelnen Stahlsorten ein: a) Baustähle b) Werkzeugstähle c) Vergütungsstähle d) Einsatzstähle Kohlenstoffgehalt in Masse-% e) Welches ist das Legierungselement, das für die Eigenschaften korrosionsbeständiger Stähle maßgeblich beiträgt? Zu welchem Masseanteil muss das Element im Stahl vorliegen?
12 Gusslegierung a) Nennen Sie 2 typische Formen der Graphiteinlagerungen in Gussteilen. Welchen Einfluss hat deren Gestalt, Größe und Verteilung im Gefüge auf die Festigkeit des Gussteils? b) Sie müssen einen Werkstoff für ein auf Druck beanspruchtes Gussteil bestimmen. Sie können dabei zwischen EN-GJL-250 und EN-GJS-250 auswählen. Für welchen Werkstoff entscheiden Sie sich? Welcher Werkstoff hat eine höhere Zugfestigkeit? c) Weshalb strebt man bei Grauguss häufig ein perlitisches Grundgefüge an?