Werkstofftechnik der Stähle - im IEHK

Name:
Matrikelnummer:
Masterprüfung
Institut für Eisenhüttenkunde
Department of Ferrous Metallurgy
Vertiefungsfach I "Werkstofftechnik der Stähle"
Aufgabe Maximal
erreichbare
Punkte:
1 3
2 4
3 5
4 5
5 5,5
6 4,5
7 3,5
8 7
9 4
10 4
11 4,5
12 2
13 7
14 5
15 3
16 3
Summe 70
am 28.02.2011
Erreichte
Punkte:
Einsicht:
(nur neue
Teilpunkte
angeben, nicht
neue
Gesamtpunktzahl
pro Aufgabe)
Zum Bestehen der Klausur müssen mindestens 44% der Punkte erreicht werden.
Univ. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck
www.iehk.rwth-aachen.de Fon +49 241 80 95783
info@iehk.rwth-aachen.de Fax +49 241 80 92224

Eisenwerkstoffe
Aufgabe 1 Technische Wärmebehandlungen (TMB11) 3 Punkte
a) Durch welche metallkundlichen Mechanismen beeinflussen Mikrolegierungs-
elemente die metallographische Gefügeausbildung beim Warmwalzen von
Stahl? (1,5 Punkte)
b) Die Streckgrenze eines TMB-Stahls wird maximal, wenn man ihn bei einer
Haspeltemperatur von ca. 600 °C aufwickelt. Warum tritt dieses Maximum
auf? (1,0 Punkte)
c) Nennen Sie die wichtigsten Mikrolegierungselemente in Stählen! (0,5P)
Univ. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck
www.iehk.rwth-aachen.de Fon +49 241 80 95783
info@iehk.rwth-aachen.de Fax +49 241 80 92224
2

Eisenwerkstoffe
Aufgabe 2 Systematik der Stähle (SYS4) 4 Punkte
Die Bezeichnung von Stählen kann anhand ihrer chemischen Zusammensetzung
erfolgen. Hierbei werden vier verschiedene Grundstrukturen der Namensbildung
unterschieden.
Beschreiben Sie kurz den Aufbau dieser vier Grundstrukturen anhand je einer
Stahlsorte und geben Sie die aus dem von Ihnen gewählten Beispiel ableitbaren
Informationen über den Werkstoff an. Für welche Stahlgruppen gelten die jeweiligen
Grundstrukturen (4 Punkte)?
Univ. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck
www.iehk.rwth-aachen.de Fon +49 241 80 95783
info@iehk.rwth-aachen.de Fax +49 241 80 92224
3

Eisenwerkstoffe
Aufgabe 3 Korrosion (WK7) 5 Punkte
Für rostbeständige, austenitische Chrom-Nickel Stähle stellt die Chromverarmung
infolge einer sensibilisierenden Wärmebehandlung die Ursache für eine
Kornzerfallsanfälligkeit dar. Erklären Sie kurz die Chromverarmungstheorie inklusive
einer Skizze, die die Entwicklung des Chromgehalts als Funktion des Weges in der
Umgebung der Korngrenze mit zunehmender Wärmebehandlungsdauer beschreibt.
Gehen sie hierbei auf den Chromgehalt ein, der erforderlich ist, damit in wässrigen
Medien werkstoffseitig Korrosionsbeständigkeit gewährleistet ist. Erläutern Sie die
Rolle der Korngrenzen sowie die Möglichkeit zur Repassivierung. (5 Punkte).
Univ. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck
www.iehk.rwth-aachen.de Fon +49 241 80 95783
info@iehk.rwth-aachen.de Fax +49 241 80 92224
4

Eisenwerkstoffe
Aufgabe 4 Dilatometrie (Dil1) 5 Punkte
Gegeben ist das ZTU-Schaubild des Stahls 38MnVS6 (Bild 1).
Bild 1: ZTU-Schaubild 38MnVS6 (Ta=1250°C; ta=300s)
a) Skizzieren Sie die Dilatationskurve (Längenänderung über T) mit Angabe der
relevanten Temperaturen für die Abkühlkurve mit der Härte von 311HV und
markieren Sie die Umwandlungspunkte. Welches Kriterium in der Kurve wird
für den Beginn der Perlitumwandlung angenommen? (2 Punkte)
b) Skizzieren Sie je eine Dilatationskurve mit der in Aufgabe a) zugrunde
liegenden Abkühlgeschwindigkeit, wenn eine zusätzliche Umformung bei
1000°C erfolgt bzw. die Austenitisierzeit 3600s beträgt! Erläutern Sie die
Effekte! (2 Punkte)
c) Skizzieren Sie das Gefüge für die in a) genannte Abkühlkurve. Beachten Sie
hierbei die Gefügeanordnung! (1 Punkt)
Univ. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck
www.iehk.rwth-aachen.de Fon +49 241 80 95783
info@iehk.rwth-aachen.de Fax +49 241 80 92224
5

Eisenwerkstoffe
Aufgabe 5 Heißzugversuch (Heiß1) 5,5 Punkte
Das Hochtemperaturverhalten einer Strangschale bei kontinuierlichem Gießen von
Stahl kann mittels Hochtemperaturzugversuche beschrieben werden.
a) Nennen Sie die zwei Typen der Heißrissbildung beim Stranggießen und die
Gründe hierfür! (2 Punkte)
b) Definieren Sie die Nullzähigkeitstemperatur (TNZ), die Nullfestigkeitstemperatur
(TNF) und das Temperaturintervall der Heißrissneigung (ΔTo). (1,5 Punkte)
c) Skizzieren die Beziehung zwischen Duktilität und Festigkeit während der
Erstarrung beim Stranggießen anhand der Diagramme
Brucheinschnürung=f(T) und Maximalkraft=F(T) für den Temperaturbereich Tliq
bis 800°C. (2 Punkte)
Univ. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck
www.iehk.rwth-aachen.de Fon +49 241 80 95783
info@iehk.rwth-aachen.de Fax +49 241 80 92224
6

Eisenwerkstoffe
Aufgabe 6 Stahlgruppen (Obe12) 4,5 Punkte
Die industriell wichtigsten Verfahren zur thermochemischen Oberflächenbehandlung
sind u.a. das Nitrieren, das Einsatzhärten und das Borieren.
a) Zeichnen Sie schematisch die Härteverlaufskurven eines salzbadnitrierten, eines
borierten und eines einsatzgehärteten Bauteils im Vergleich (3 Punkte).
b) Durch welches Verfahren können Sie den Unterschied zwischen der Kernhärte
und der Randhärte eines borierten Bauteils angleichen? Begründen Sie!
Kann dieses Verfahren auch bei nitrierten Teilen angewendet werden?
(1,5 Punkte)
Univ. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck
www.iehk.rwth-aachen.de Fon +49 241 80 95783
info@iehk.rwth-aachen.de Fax +49 241 80 92224
7

Eisenwerkstoffe
Aufgabe 7 Werkstoffprüfung (Blech7) 3,5 Punkte
Die Kaltumformbarkeit von Feinblech kann mit Grenzformänderungsdiagrammen
beschrieben werden.
a) Zeichnen Sie schematisch ein Grenzformänderungsschaubild. Markieren Sie die
Belastungszustände „plane strain“ und „Tiefziehen“ und geben Sie die
entsprechenden Verhältnisse von 1 zu 2 an (2,5 Punkte).
b) Welchen Einfluss hat i) eine bessere Schmierung und ii) ein kleinerer r-Wert auf
die Grenzformänderungskurve (1 Punkt)?
Univ. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck
www.iehk.rwth-aachen.de Fon +49 241 80 95783
info@iehk.rwth-aachen.de Fax +49 241 80 92224
8

Eisenwerkstoffe
Aufgabe 8 Werkstoffprüfung (Mech2) 7 Punkte
a) Nennen Sie das werkstoffmechanische Kriterium für Gleitbruch und beschreiben
Sie die Abläufe beim Gleitbruch (2,5 Punkte).
b) Nennen Sie das werkstoffmechanische Kriterium für Spaltbruch und beschreiben
Sie den Ablauf des Spaltbruchs (1 Punkt).
c) Warum ist sprödes Werkstoffverhalten bei technischen Konstruktionen
unerwünscht? (1 Punkt)
d) Wie unterscheidet sich (makroskopisch) eine Gleitbruchfläche von einer
Spaltbruchfläche? (1 Punkt)
e) Listen Sie die Stadien bei einem Riss auf. (1,5 Punkte)
Univ. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck
www.iehk.rwth-aachen.de Fon +49 241 80 95783
info@iehk.rwth-aachen.de Fax +49 241 80 92224
9

Eisenwerkstoffe
Aufgabe 9 Werkstoffprüfung (BM5) 4 Punkte
a) Erläutern Sie den Unterschied zwischen linear-elastischer Bruchmechanik
(LEBM) und elastisch-plastischer Bruchmechanik (EPBM). Geben Sie dabei
die jeweiligen Kenngrößen mit ihren Einheiten an. (3 Punkte)
b) Nennen Sie die gängige Untersuchungsmethode zur Bestimmung der
Kenngrößen. Diese Kenngrößen werden in einer Sicherheitsanalyse
verwendet. Schreiben Sie eine der möglichen Grundgleichungen auf.
(1 Punkt)
Univ. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck
www.iehk.rwth-aachen.de Fon +49 241 80 95783
info@iehk.rwth-aachen.de Fax +49 241 80 92224
10

Eisenwerkstoffe
Aufgabe 10 Werkstoffprüfung (Dauer2) 4 Punkte
In der Bruchmechanik wird ein quantitativer Zusammenhang zwischen Risswachstum
und Belastung ermittelt. Ein Kunde schreibt vor, dass die Rissfortschrittsrate da
dN des
zu liefernden Stahls für K 13, 5MPa
m kleiner als 5*10 -8 m/Lastwechsel sein soll.
Für K 5 MPa m haben Sie eine Rissfortschrittsrate von 1,17*10 -9 m/Lastwechsel
und für K 10 MPa m eine Rissfortschrittsrate von 1,74*10 -8 m/Lastwechsel
experimentell bestimmt. Die Paris-Gleichung sei im Bereich von 5 bis 13,5 MPa m
gültig. Erfüllt der Stahl die Anforderungen des Kunden? Begründen Sie die Antwort
(4 Punkte).
Univ. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck
www.iehk.rwth-aachen.de Fon +49 241 80 95783
info@iehk.rwth-aachen.de Fax +49 241 80 92224
11

Eisenwerkstoffe
Aufgabe 11 Werkstoffprüfung (Kerb3) 4,5 Punkte
Der Kerbschlagbiegeversuch ist ein einfaches Prüfverfahren zur Ermittlung der
Zähigkeit eines Werkstoffes.
a) Skizzieren Sie ein Kerbschlagarbeit-Temperatur-Diagramm. Kennzeichnen und
benennen Sie signifikante Bereiche und wichtige Kennwerte. (3 Punkte)
b) Geben Sie eine kurze Erläuterung zu den eingezeichneten Bereichen.
(1,5 Punkte)
Univ. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck
www.iehk.rwth-aachen.de Fon +49 241 80 95783
info@iehk.rwth-aachen.de Fax +49 241 80 92224
12

Eisenwerkstoffe
Aufgabe 12 Werkstoffprüfung (Zug3) 2 Punkte
Definieren Sie stichwortartig den Unterschied zwischen den in Zugversuchen
ermittelten Kenngrößen (2 Punkte):
ReH,
ReL,
Rm und
Rp 0,01.
Univ. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck
www.iehk.rwth-aachen.de Fon +49 241 80 95783
info@iehk.rwth-aachen.de Fax +49 241 80 92224
13

Eisenwerkstoffe
Aufgabe 13 Werkstoffprüfung (Zug5) 7 Punkte
a) Zeichnen Sie in ein Spannung-Dehnung-Diagramm die Kurve für einen
ferritischen Stahl bei Raumtemperatur und bei -120°C (beide Kurven in das
gleiche Diagramm) (2 Punkte).
b) Zeichnen Sie in ein zweites Spannung-Dehnung-Diagramm die Kurve für einen
austenitischen Stahl bei Raumtemperatur und bei -120°C (2 Punkte).
c) Erklären Sie stichwortartig den metallphysikalischen Hintergrund für die
Kurvenverläufe (3 Punkte).
Univ. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck
www.iehk.rwth-aachen.de Fon +49 241 80 95783
info@iehk.rwth-aachen.de Fax +49 241 80 92224
14

Eisenwerkstoffe
Aufgabe 14 Werkstoffprüfung (Versch13) 5 Punkte
Die Gebrauchseigenschaften eines Bauteils werden im Wesentlichen durch seine
mechanischen Eigenschaften bestimmt.
a) Welche Möglichkeiten zur Festigkeitssteigerung kennen Sie (2 Punkte)?
b) Wie lautet der Zusammenhang, der zwischen der Streckgrenze von unlegiertem
Stahl und der Ferritkorngröße besteht (Name und Formel)? Benennen Sie die
Parameter! (2 Punkte)
c) Phosphor ist ein stark mischkristallverfestigendes Element im -Eisen und wird in
einigen Stählen mit etwa 0,07% hinzulegiert. Welche ungefähre
Streckgrenzenerhöhung erwarten Sie hierdurch? Was spricht gegen eine
Anhebung des Phosphorgehaltes (1 Punkt)?
Univ. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck
www.iehk.rwth-aachen.de Fon +49 241 80 95783
info@iehk.rwth-aachen.de Fax +49 241 80 92224
15

Eisenwerkstoffe
Aufgabe 15 Metallographie (LOM3) 3 Punkte
Mit Hilfe der Metallographie können wichtige Erkenntnisse über die Mikrostruktur von
Werkstoffen gewonnen werden.
In Abbildung 1 ist schematisch das Ergebnis einer Relief- oder Tiefenätzung eines
perlitischen Stahl zu sehen. Erläutern Sie, wie diese Ätzung zur Kontrastierung der
Oberfläche führt! (3 Punkte)
Abbildung 1: Relief- oder Tiefenätzung eines perlitischen Stahl
Univ. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck
www.iehk.rwth-aachen.de Fon +49 241 80 95783
info@iehk.rwth-aachen.de Fax +49 241 80 92224
16

Eisenwerkstoffe
Aufgabe 16 Metallographie (EM4) 3 Punkte
Welche Reaktionen können beim Auftreffen von Elektronen auf die Probenoberfläche
stattfinden? Nennen und beschreiben Sie hierzu 3 der auftretenden Strahlungen!
(3 Punkte)
Univ. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck
www.iehk.rwth-aachen.de Fon +49 241 80 95783
info@iehk.rwth-aachen.de Fax +49 241 80 92224
17