Bachelorprüfung "Werkstofftechnik der Metalle" am 18.07 ... - im IEHK
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N<strong>am</strong>e:<br />
Matrikelnummer:<br />
<strong>Bachelorprüfung</strong><br />
Institut für Eisenhüttenkunde<br />
Department of Ferrous Metallurgy<br />
"<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle"<br />
Aufgabe Max<strong>im</strong>ale<br />
Punkte<br />
1 4,0<br />
2 5,0<br />
3 6,0<br />
4 1,5<br />
5 6,5<br />
6 6,0<br />
7 3,0<br />
8 4,5<br />
9 5,5<br />
10 5,0<br />
11 2,0<br />
12 1,0<br />
<strong>am</strong> <strong>18.07</strong>.2012<br />
50<br />
Erreichte<br />
Punktzahl<br />
Einsicht:<br />
(nur neue<br />
Teilpunkte<br />
angeben, nicht<br />
neue<br />
Ges<strong>am</strong>tpunktzahl<br />
pro Aufgabe)<br />
Zum Bestehen <strong>der</strong> Klausur müssen mindestens 44% <strong>der</strong> Punkte erreicht werden.<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 2<br />
Aufgabe 1 Physikalische Eigenschaften 4 Punkte<br />
Berechnen Sie die Raumerfüllung <strong>im</strong> hexagonalen Gitter. Bitte gehen Sie genau<br />
nach den angegebenen Schritten vor!<br />
1. Geben Sie die Gitterkonstante a in Abhängigkeit vom Kugelradius R an.<br />
2. Geben Sie die Gitterkonstante c in Abhängigkeit von R an.<br />
3. Berechnen Sie das Ideale c/a Verhältnis aus.<br />
4. Berechnen Sie das Kugelvolumen in <strong>der</strong> Elementarzelle.<br />
5. Berechnen Sie das Volumen <strong>der</strong> hexagonalen Elementarzelle.<br />
6. Berechnen Sie nun zum Schluss die Raumerfüllung des hexagonalen Gitters.<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 3<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 4<br />
Aufgabe 2 Thermische Eigenschaften 5 Punkte<br />
Gewöhnlich weisen reine Metalle eine Temperaturabhängigkeit <strong>der</strong> Gitterkonstante und des<br />
Volumens auf.<br />
a) Was sind Invarlegierungen und was zeichnet sie aus (1 Punkt)?<br />
b) Skizzieren Sie die Temperaturabhängigkeit des Wärmeausdehnungskoeffizienten für<br />
einen unlegierten Stahl und eine Invarlegierung in ein Diagr<strong>am</strong>m. Erläutern Sie kurz die<br />
Kurven (2 Punkte).<br />
c) Erläutern Sie den Einfluss von Temperatur auf den Diffusion Koeffizienten D für<br />
substitutionelle und interstitielle Elemente in einem Temperaturbereich von 0-1000°C für<br />
– Eisen. Verdeutlichen Sie Ihre Antwort mit Hilfe des angegebenen Zeichenvorlage C.<br />
(2 Punkte).<br />
D<br />
0 911 1000<br />
Bild 1: Zeichenvorlage C<br />
T, °C<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 5<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 6<br />
Aufgabe 3 Legierungen des Eisens 6 Punkte<br />
Je nach Art des Legierungselementes erfolgt ein substitutioneller o<strong>der</strong> ein interstitieller<br />
Einbau von Fremdatomen in das Kristallgitter von Eisen (Fe).<br />
a) Zeichnen Sie in jeweils eine kubisch-flächenzentrierte (kfz) Elementarzelle ein zweites<br />
Element als Substitutionsmischkristall und als Einlagerungsmischkristall ein. Geben Sie je<br />
2 Elemente an die als substitutionelles bzw. interstitielles Element <strong>im</strong> Fe-Gitter einlagern<br />
(3 Punkte).<br />
b) Nennen Sie für beide Elementarzellentypen (kfz und krz) die Anzahl <strong>der</strong> Oktae<strong>der</strong>- sowie<br />
<strong>der</strong> Tetrae<strong>der</strong>lücken und die vorhandenen Packungsdichten. Nutzen Sie die angegebene<br />
Tabelle. (3 Punkte)<br />
b) krz Kfz<br />
Tetrae<strong>der</strong>lücken<br />
Oktae<strong>der</strong>lücken<br />
Packungsdichte<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 7<br />
Aufgabe 4 Phasenumwandlungen 1,5 Punkte<br />
Die Phasenumwandlungen niedrig legierter Kohlenstoffstähle können durch eine Vielzahl von<br />
Faktoren beeinflusst und gesteuert werden.<br />
Zeichnen Sie in das schematische isothermische ZTU-Diagr<strong>am</strong>m (Bild 1) die Wirkung <strong>der</strong><br />
Austenitkorngröße KG, <strong>der</strong> substitutionellen Legierungselemente LE und <strong>der</strong> Gitterfehler GF<br />
in Bezug auf die Kinetik <strong>der</strong> diffusionskontrollierten Umwandlung ein (1,5 Punkte).<br />
Temperatur<br />
Zeit<br />
Bild 1: Isothermisches ZTU - Diagr<strong>am</strong>m<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 8<br />
Aufgabe 5 Phasenumwandlungen 6.5 Punkte<br />
Phasenumwandlungen werden für die gezielte Einstellung von Gefügen genutzt.<br />
a) Zu welcher Art <strong>der</strong> Phasenumwandlung wir die Umwandlung in <strong>der</strong> Perlitstufe gezählt und<br />
von welchen zwei Par<strong>am</strong>etern ist diese abhängig. (1,0 Punkte)<br />
b) Beschreiben Sie stichwortartig die Vorgänge bei <strong>der</strong> Umwandlung des Austenits in Perlit<br />
bei einer Fe-C Legierung mit 0.8 wt.% C mit zunehmen<strong>der</strong> Abkühlung. In welchen Stadien<br />
erfolgt dabei die Phasenneubildung. Aus welchen Phasen besteht Perlit und wie sind<br />
diese angeordnet? (3,5 Punkte)<br />
c) Erläutern Sie die Ursachen von Perlit in nichtl<strong>am</strong>ellarer Anordnung bei niedrig legierten<br />
Stählen und wird diese Perlitart bezeichnet? (2,0 Punkte)<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 9<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 10<br />
Aufgabe 6 Phasenumwandlung 6 Punkte<br />
Ein übereutektoi<strong>der</strong> Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 wt.% soll so wärmebehandelt<br />
werden, dass die max<strong>im</strong>al erreichbare Härte bei Raumtemperatur durch Martensitbildung<br />
eingestellt wird.<br />
a) Nennen Sie vier Mechanismen, die zur Festigkeit des Martensits beitragen! (2,0 Punkte)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
b) Welche Austenitisiertemperatur würden Sie wählen und begründen Sie dies. Welches<br />
Gefüge liegt in diesem Fall bei Austenitisier- und Raumtemperatur vor? (2,5 Punkte)<br />
c) Wie müssten Sie die Austenitisiertemperatur und Abkühlung (Temperatur und Medium)<br />
wählen, wenn Sie eine vollständige Martenitumwandlung erzielen möchten? (1,5 Punkte)<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 11<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 12<br />
Aufgabe 7 Phasenumwandlung 3 Punkte<br />
Austenit kann in verschiedene Arten bainitischen Gefüges umwandeln. Unterschieden<br />
werden kohlenstoffarmer Bainit (B1) sowie oberer (B2) und unterer (B3) Bainit, Bild 1.<br />
Temperatur<br />
M s<br />
B 1<br />
Kohlenstoffgehalt<br />
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B 2<br />
B 3<br />
Bild 1: Bainitische Gefügebereiche<br />
a) Nennen Sie typische Temperaturbereiche für die Umwandlung in oberen (B2) und<br />
unteren (B3) Bainit! Wie unterscheiden sich oberer und unterer Bainit in Bezug auf<br />
Ausscheidungen? (1,0 Punkte)<br />
b) Erklären Sie stichpunktartig die metallkundlichen Vorgänge bei <strong>der</strong> Entstehung von<br />
oberem und unterem Bainit für einen Stahl mit höherem Kohlenstoffgehalt! (2,0 Punkte)
<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 13<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 14<br />
Aufgabe 8 Phasenumwandlung 4,5 Punkte<br />
Ein unlegierter Stahl mit 0,01% Kohlenstoff wurde bei 720°C lösungsgeglüht und<br />
anschließend abgeschreckt. Von Proben des so behandelten Stahls wurde jeweils ein<br />
Zugversuch direkt nach <strong>der</strong> Wärmebehandlung (A) als auch nach einer Auslagerung bei<br />
60°C/10min (B) durchgeführt und die Spannungs-Dehnungs-Kurven entsprechend<br />
Abbildung 1 aufgenommen.<br />
a) Beschreiben Sie die unterschiedlichen σ-ε-Kurven (Bild 1) von Probe A + B und<br />
benennen Sie das Phänomen <strong>der</strong> Ausbildung <strong>der</strong> σ-ε-Kurven von Probe B! Welche<br />
Folgen ergeben sich dabei speziell für die Oberflächenqualität eines Bauteils?<br />
Welche Elemente verursachen diesen Effekt?(2 Punkte)<br />
Bild 1<br />
b) Warum spielen in mo<strong>der</strong>nen Stählen gelöste Sauerstoffatome keine Rolle für dieses<br />
Phänomen? (0,5 Punkte)<br />
c) Der Bake-Hardening Effekt nutzt das Alterungsverhalten des Stahls. Erklären Sie<br />
diesen Effekt <strong>am</strong> Beispiel <strong>der</strong> Produktion einer Autotüre! (2 P.)<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 15<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 16<br />
Aufgabe 9 Techn. Wärmebehandlung 5,5 Punkte<br />
Eine Möglichkeit, das Umwandlungsverhalten von Stählen zu untersuchen, stellt die<br />
Dilatometrie, also die Messung <strong>der</strong> Längenän<strong>der</strong>ung eines Materials in Abhängigkeit von <strong>der</strong><br />
Temperatur, dar.<br />
a) Skizzieren Sie schematisch den Temperatur-Längenän<strong>der</strong>ungsverlauf von reinem Eisen<br />
bei <strong>der</strong> Erwärmung bis zur Schmelze. Geben Sie relevante Temperaturen an (2 Punkte).<br />
b) In Anlage 1 ist eine Temperatur-Längenän<strong>der</strong>ungskurve bei <strong>der</strong> Abkühlung von 1150°C<br />
eines Stahls gegeben, welche mit dem Dilatometer aufgenommen wurde. Werten Sie<br />
diese aus und markieren Sie die dazugehörige Abkühlbahn in dem kontinuierlichen ZTU-<br />
Diagr<strong>am</strong>m aus Anlage 2. Geben Sie die entsprechende Gefügezus<strong>am</strong>mensetzung, die<br />
Härte nach <strong>der</strong> Abkühlung bis Raumtemperatur und die dazu benötigte Zeit an<br />
(2,5 Punkte).<br />
c) Nennen Sie 2 alternative Möglichkeiten, das Umwandlungsverhalten von Stahl zu<br />
ermitteln (1 Punkt).<br />
Anlage 1:<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 17<br />
Anlage 2:<br />
HV<br />
Austenitisierung:<br />
Haltedauer: 600s<br />
Temperatur: 1150°C<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 18<br />
Aufgabe 10 Techn. Wärmebehandlung 5 Punkte<br />
Das Vergüten eines Bauteils besteht aus den Teilschritten Härten und Anlassen.<br />
a) Definieren Sie die obere und die untere kritische Abkühlgeschwindigkeit be<strong>im</strong> Härten!<br />
Was bedeutet eine hohe kritische Abkühlgeschwindigkeit für die Härtbarkeit des<br />
Werkstoffs? (1,5 Punkte)<br />
b) Skizzieren Sie in untenstehen<strong>der</strong> Abbildung 1 den Einfluss des Kohlenstoffgehalts auf die<br />
obere und die untere kritische Abkühlgeschwindigkeit! (1 Punkte)<br />
kritische Abkühlgeschwindigkeit [K/s]<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0<br />
0 0,4 0,8 1,2 1,6<br />
Kohlenstoffgehalt [Masse-%]<br />
Abbildung 1: Diagr<strong>am</strong>m krit. Abkühlgeschwindigkeit über Kohlenstoffgehalt<br />
c) Nennen Sie zwei weitere Faktoren, welche die kritische Abkühlgeschwindigkeit<br />
beeinflussen! (1,0 Punkte)<br />
d) Ordnen Sie die Werkstoffe C45 und 51CrV4 den beiden Zeit-Temperatur-Umwandlungs-<br />
Schaubil<strong>der</strong>n in Abbildung 2 zu! Welcher Werkstoff besitzt die höhere kritische<br />
Abkühlgeschwindigkeit? (1,5 Punkte)<br />
ZTU-Schaubild 1: Werkstoff<br />
ZTU-Schaubild 2: Werkstoff<br />
höhere kritische Abkühlgeschwindigkeit: Werkstoff<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 19<br />
Abbildung 2: ZTU-Schaubil<strong>der</strong><br />
ZTU-Schaubild 1<br />
ZTU-Schaubild 2<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 20<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 21<br />
Aufgabe 11 Nichteisenwerkstoffe 2,0 Punkte<br />
Im mo<strong>der</strong>nen Karosseriebau wird häufig auf die sogenannte Multi-Material-Bauweise<br />
zurückgegriffen. Nennen Sie mindestens zwei Vor- und zwei Nachteile dieser Bauweise?<br />
(2 Punkte)<br />
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<strong>Werkstofftechnik</strong> <strong>der</strong> Metalle 22<br />
Aufgabe 12 Nichteisenwerkstoffe 1,0 Punkte<br />
Bei den Aluminiumlegierungen wird zwischen naturharten uns aushärtbaren Werkstoffen<br />
unterschieden.<br />
Welche Phasen tragen bei aushärtbaren Legierungen zur Festigkeitssteigerung bei (geben<br />
Sie 2 Beispiele)! (1,0 Punkte)<br />
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