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123 Cards in this Set
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Nennen Sie die wichtigsten Kristallstrukturen (4) und je mindestens ein Beispiel dazu. (Idealstruktur)
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- Tetraeder: Si, Ge, Diamant
- kubisch flächenzentriert (KFZ/FCC); Al, y-Eisen, Gold... - kubisch raumzentriert (KRZ/BCC); Chrom, a-Eisen - hexagonal dichtester Packung (HDP); Magnesium, Zink |
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Geben Sie die Kristallstruktur von Kupfer an und skizzieren Sie die Einheitszelle (/Elementarzelle).
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- KFZ
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Zeichnen Sie ein einfaches Phasendiagramm für ein binäres System A-B mit Eutektikum, Randlöslichkeit und Mischungslücke. Beschriften Sie alle Phasenfelder.
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Nennen sie 5 Härtungsmechanismen.
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- Versetzungshärtung
- Mischkristallhärtung - Feinkornhärtung - Ausscheidungs-/Dispersitionshärtung - Martensithärtung |
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Was bedeuten die Bereiche K,Z,D (bzw W.)in den Wöhlerkurven? Zeichnen Sie die Bereiche in das Diagramm.
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- Kurzzeitfestigkeit
- Zeitfestigkeit - Dauerfestigkeit Wiki: Wöhlerversuch |
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Was bedeutet R = -1?
(Im Zusammenhang mit Wöhlerkurve/Dauerfestigkeit) |
- I (R= 0): Ruhende bzw. statische Belastung (Beispiel: Last hängt am Seil.)
- II(R= ∞): Schwellende Belastung, Werkstück bewegt sich immer zurück in Ausgangslage. Einziger Fall, in dem die Belastung ungleich null sein kann, ist die schwingende Beanspruchung (Beispiel: Pleuelschraube). - III (R= -1): Schwingende bzw. wechselnde Belastung (Beispiel: Pleuel). Wiki: Belastung |
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Wichtige E-Module (Geben sie E-Modul von (Bsp) Aluminium an)
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- Stahl, Nickel: 210.000 MPa
- Titan: 116.000 MPa - Aluminium: 70.000 MPa - Magnesium: 45.000 MPa - Kupfer: 130.000 MPa |
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Nennen Sie 4 (von 5) Werkstoffgruppen mit je 2 Beisplelen
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- Metalle: Fe, Al
- Halbleiter: Si, Ge - Nichtmetallische anorganische Werkstoffe: Glas, Keramik -Hochpolymere: Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere - Naturstoffe: Naturdiamant, Holz, Saphir |
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Was ist ein Verbundwerkstoff?
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- Werkstoff aus zwei oder mehr verbundenen Materialien
- Im Gegensatz zu monolithischen Werkstoffen mit homogenem Aufbau und Eigenschaften, auch im mikroskopischen Bereich sind Verbundwerkstoffe durch Einlagerung von Partikeln, Fasern, oder Schichten mikroskopisch heterogen aufgebaut |
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Welche Vorteile können Verbundwerkstoffe haben?
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- Besitzt andere Werkstoffeigenschaten als seine einzelnen Komponenten
- Verbesserung der Eigenschaften wie Bruchzähigkeit, Härte, Dichte, Zugfestigkeit, Druckfestigkeit, Festigkeit und Elastizität zu verbessern. |
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Eigenschaften von Stahlbeton als Verbundwerkstoff
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- besteht aus Beton und Bewehrungsstahl
- Verbund durch Verklebung mit dem Bindemittel Zement und der Rippung des Bewehrungsstahls - Beton, gute Druckfestigkeit, Zugfestigkeit nur bei 10% - Stahl hohe Zugfestigkeit - Tragprinzip Beton: beanspruchte Stellen mit Stahl verstärken, also zu bewehren, übrige Bereiche sollen Druckfestigkeit des Betons ausnutzen |
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Welche Gitterfehler kennen sie? (Realstruktur)
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- Leerstellen
- Fremdatom (Zwischengitter-/Austauschatom) - Korn- und Phasengrenzen - Clusterbildung, Nahordnung - Versetzungen |
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Wodurch wird in kristallinen Werkstoffen die plastische Verformung getragen?
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- Starres Abgleiten (auf einer Netzebene)
- Versetzungsbewegungen (Gleitung durch Wanderung einer Versetzung) |
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Eigenschaften der Versetzungshärtung
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- Erhöhung der Anzahl der Versetzungen durch Kaltverformung, d.h. plastische Verformung unterhalb der Rekristallisationstemperatur
- Erzeugung neuer Versetzungen im Kristallverbund bei Kaltverformung - Ab einer bestimmten Versetzungsdichte blockieren sich die Versetzungen gegenseitig, sodass die Bewegung einzelner Versetzungen erschwert wird - Die Folge ist die Ausweitung des Hookeschen- und damit die Verkleinerung des plastischen Bereichs |
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Eigenschaften der Mischkristallhärtung (/Fremdatomhärtung)
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- Fremdatome als Hindernisse für Versetzungen
- Müssen von Versetzungen umgangen werden - Je größer der Unterschied im Atomradius zwischen den beiden Komponenten ist, umso großer ist der Verfestigungseffekt - Je mehr Fremdatome zulegiert werden, umso größer ist die Verfestigung |
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Feinkornhärtung
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- Versetzungsbewegungen stauen sich in Konrgrenzen auf, da ein Wechsel der Gleitebenen nicht möglich ist
- Versetzungsbewegungen werden behindert oder sogar gestoppt - Je feinkörniger der Werkstoff, desto stärker die Behinderung der Verformung |
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Eigenschaften der Ausscheindungs-/Dispersionshärtung
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- Temperaturabhängige Ausscheidung von feinverteilten Teilchen in Legierungen
- Genau definierte Ordnungsbeziehung zum Grundgitter - !Vorsicht: Schweißen -> Erweichung -> Revision der Ausscheidung |
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Eigenschaften der Martensitshärtung
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- Nur bei Stahl
- Einlagerung von Kohlenstoff - Je höher die Kohlenstoffkonzentration, desto härter ist das Material - Die Martensitätshärtung weist die höchsten Verfestigungsbeträge aller Verfestigungsmechanismen auf |
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Mit zunehmender Versetzungsdichte steigt die Festigkeit eines Materials bei plastischer Verformung an - Geben sie den formelmäßlgen Zusammenhang zwischen Versetzungsdichte und (Scher-) Spannung an (Alle Symbole definieren).
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Nennen Sie zwei Möglichkeiten, wie Versetzung kohärente Ausscheidungen in einem Material passieren können.
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- Schneiden: Sind die Ausscheidungen zu klein, können sie von der Versetzung einfach durchschnitten werden.
-Umgehen: Die Versetzung bleibt zwar an den Ausscheidungen hängen, fließt aber in die freien Räume hinein. Sie "baucht" aus. Im Extremfall baucht sie so weit aus, dass sich die Versetzungen hinter den Ausscheidungen wieder treffen und somit Versetzungsringe um die Ausscheidungen bilden. |
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Skizzieren Sie die Abhängigkeit der Schubspannung vom Ausscheidungsteilchendurchmesser und markieren Sie die Bereiche, bei denen der jeweilige Passiermechanismus dominiert.
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Nennen Sie Prüfverfahren für das Werkstoffverhalten unter unterschiedlichen mechanischen Beansprungen und erläutern Sie zwei die dieser Verfahren
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- Zugversuch (monotone Belastung): Probe wird mit konstanter Geschwindigkeit in die Länge gezogen. Dabei wird die Elastizität und Bruchdehnung gemessen. Spannungs-Dehnungs-Diagramm
- Härteprüfung (monotone Belastung): Druckbelastung des Materials mit einem Stempel. Anschließende Messung der Eindrucksoberfläche oder -tiefe - Kriechversuch (montone Belastung - Ermüdungsversuch (zylindrische Belastung) - Relaxationsversuch - Kerbschlagbiegeversuch |
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Skizzieren Sie schematisch den Verlauf der Dehnung vs Versuchzeit t beim Kriechversuch (Zeitstandversuch). (Alternative Frage: Geben Sie stichwortartig an, unter welchen Bedingungen das Kriechverhalten von Werkstoffe experimentell ermittelt wird. Zeichnen Sie die Zeitabhängigkeit der Kriechdehnung in einem Diagramm auf.)
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- zeitabhängige plastische Dehnung der Probe bei konstanter Last
- Spannung über lange Versuchszeiten bei hoher Temperatur |
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Welche Größen werden in einem Wöhler- Diagramm gegeneinander aufgetragen?
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- x-Achse: Bruchlastspielzahl N_p
- y-Achse: Spannungsamplitude Δσ/2 |
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Skizzieren Sie ein typisches Wöhler-Diagramm für eine Mittelspannung σ_m
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Was versteht man unter Kriechversuch (-> ist ein Zeitstandversuch)?
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Zeitabhängige plastische Verformung der Probe bei konstanter Last/Spannung über lange Versuchszeiten und bei hoher Temperatur
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Skizzieren Sie in einem Wöhler-Diagramm den Einfluss der Mittelspannung σ_m < 0, σ_m = 0, σ_m > 0 .
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Erklären Sie kurz Grundzüge einer Härtemessung nach Vickers.
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- eine gleichseitige Diamantpyramide wird mit einem Öffnungswinkel von 136° unter einer festgelegten Prüfkraft in das Werkstück eingedrückt
- Errechnung der Eindrucksoberfläche aus den Diagonalen des bleibenden Eindrucks - Das Verhältnis von Prüfkraft in der Einheit Kilopond zur Eindrucksoberfläche (d in Millimetern) ergibt mit dem Faktor 0,1891 multipliziert die Vickershärte (HV) - Vickers Formel angeben, normgerechtes Beispiel |
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Formeln zur Härteprüfung - Vickers
(d = (d1 + d2)/2) |
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Formeln zur Härteprüfung - Brinell
(d = (d1 + d2)/2) |
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Formeln zur Härteprüfung - Knopp (eher unwichtig)
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Worauf beruht die Messung der Härte?
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Auf der Eindringtiefe des Stempels und dementsprechend auf der Härte des Materials. Die Härte kann als Widerstand des Materials gegen Verformung angesehen werden.
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Erklären Sie kurz Grundzüge einer Härtemessung nach Brinell.
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- Eindrücken einer Sinterhartmetallkugel in die Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks mit einer festgelegten Prüfkraft
- Kugeldurchmesser von 10 mm, 5 mm, 2,5 mm, 2 mm und 1 mm. - Belastungszeit von 10 bis 15 Sekunden für Stähle oder Gusseisen, 10 bis 180 Sekunden für Nichtmetalle oder deren Legierungen - Messung des Durchmessers des bleibenden Eindrucks, Bestimmung der Oberfläche des Eindrucks - Der zu bestimmende Durchmesser d ist der Mittelwert zweier rechtwinklig zueinander liegenden Durchmesser d1 und d2 des bleibenden Eindruckes - Formel angeben, Normgerechtes Bsp |
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Erklären Sie kurz Grundzüge einer Härtemessung nach Rockwell.
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- Die Rockwellhärte eines Werkstoffes ergibt sich aus der Eindringtiefe eines Prüfkörpers bei Anliegen einer bestimmten Vor- und Prüfkraft
- Vorbelastung der Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks mit einer vorgegebenen Prüfkraft - Tiefe des Eindringens des Prüfkörpers bei Vorlast: Bezugsebene - Belastung des Eindringkörpers über einen Zeitraum von 2~6 Sekunden mit der Hauptlast - Die Differenz der Eindringtiefen vor und nach Auflegen der Hauptlast ist das Maß für die Rockwellhärte des Werkstoffes - Die Rockwelleinheiten errechnen sich nach einer (je nach angewandter Normskala unterschiedlichen) Formel aus der Eindringtiefe. Die Eindringtiefe des Prüfkörpers wird mit einer Messuhr festgestellt, die mit der Prüfspitze verbunden ist |
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Was wird beim Härteeindruck vermessen (Ausnahme: Härte nach Rockwell)?
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Eindrucksoberfläche A
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Welches Merkmal des Härteeindrucks wird bei der Härtemessung nach Rockwell vermessen?
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Die Differenz der Eindringtiefen vor und nach auflegender Hauptlast.
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Normgerechtes Bsp zur Brinellhärte
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- 345 HBW 10/3000
(345 = Härtewert; HBW = Prüfverfahren; 10 = Kugeldurchmesser D in mm; 3000 = Belastung (Kraft F) in Kilopond kp) |
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Normgerechtes Bsp zur Vickershärte
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- 610 HV 10
(610 = Härtewert; HV = Prüfverfahren; 10 = Prüfkraft F in Kilopond kp) |
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Wie ist die Spannung mit der Dehnung bei rein elastischer Belastung verknüpft? (= Durch welches Gesetz wird die elastische Verfomung beschrieben?)
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- Direkt Proportional nach dem Hookeschen Gesetz: σ = E * ε_el
- σ = Spannung = Kraft/Ausgangsquerschnitt (MPa) - E = E-Modul = Steigung des Graphen = Δσ/Δε = const. (MPa) - ε_el = Δt/l_0 = Längenänderung/Ausgangslänge (ohne Einheit) |
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Welche Bedeutung hat DER (ja richtig) Schubmodul G?
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- Der Schubmodul ist eine Materialkonstante, die Auskunft über die lineare elastische Verformung eines Bauteils infolge einer Scherkraft oder Schubspannung gibt
- Einheit: MPa |
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Wie lautet der Zusammenhang zwischen Elastizitätsmodul E und Schubmodul G in elastisch Isotropen Stoffen?
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- G = E/(2 + 2μ) μ: Poissonzahl
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Geben sie ungefähre Werte des Elastizitätsmodul E an für Keramiken, Grauguss, unverstärkte Polymere
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- Keramiken: 100.000 MPa
- Grauguss: 120.000 MPa - Unverstärkte Polymere: 5.000 MPa |
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Skizzieren Sie eine typische Spannungs-Dehnungskurve eines duktilen (Verformung bevor der Stoff versagt) metalischen Werkstoffes. Tragen Sie darin ein: Elastizitätsgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Gleichmaßdehnung, Einschnürungsdehnung mit den zugehörigen Benennungen.
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Welcher Werkstoffkennzwert wird benötigt bei Bauteilen mit Rissen? Wie ist der Zusammenhang zwischen Spannung, Rissgröße a und diesem Werkstoffkennwert?
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- K_I = σ * √(π*a) * Y_I
- Der Spannungsintensitätsfaktor K, wobei σ für die globale Spannung, a für die Risslänge und Y für eine von der Bauteilgeometrie bzw, Probekörpergemetrie abhängige Korrekturfunktion steht. |
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(Zu Werkstoffkennwert - Bauteile mit Rissen) Skizzieren Sie den Zusammenhang zwischen diesem Werkstoffkennwert und der Temperatur. Tragen Sie dazu vergleichend den Verlauf der Steckgrenze ein.
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Was versteht man unter dem Paris-Gesetz? Formel und Erläuterung
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- Δa/ΔN = c*(ΔK)^n
-Für die stabile Rissausbreitung sind die zyklischen plastischen Deformationen an der Rissspitze maßgeblich - Die Rissausbreitung wird durch die Schwingbreite der Spannungsintensität ΔK bestimmt - Der Risslängenzuwachs pro Lastwechsel wird durch das Gesetz von Paris beschrieben, wobei c und n Konstanten sind - unterhalb eines Schwellenwertes von ΔK tritt kein Risswachstum mehr auf - Bei sehr hohen ΔK-Werten führt instabile Rissausbreitung zum Bruch |
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Erläutern sie anhand einer einfachen Skizze, wie die Kerbschlagzähigkeit a_k gemessen wird. Erläutern sie alle auftretenden Messgrößen. Wie ist die Kerbschlagarbeit A_v über den Größen definiert? (Antwort enthält Skizze)
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Erläutern sie anhand einer einfachen Skizze, wie die Kerbschlagzähigkeit a_k gemessen wird. Erläutern sie alle auftretenden Messgrößen. Wie ist die Kerbschlagarbeit A_v über den Größen definiert? (Antwort enthält Erläuterung)
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- Messung der Verformungsarbeit bis zum Bruch, Pendelschlagwerk, schlagartige Beanspruchung
- Kerbschlagarbeit: A_v = mg (H-h) - Kerbschlagzähigkeit: a_k = A_v/S_0 - H: Ausgansfallhöhe, h: Steighöhe, S_0: Prüfungsquerschnitt der Probe - m: Masse des Pendelhammers |
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Erklären Sie anhand einer Skizze eines binären eutektischen Zustandsdiagramms den Begriff Randlöslichkeit
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- Skizziere Zustandsdiagramm (Karteikarte eutektisches Zustandsdiagramm mit Berechnung)
- Durch schnelles Abkühlen kann der Ausscheidungsprozess umgangen werden und dementsprechend wird das Gefüge in der Schmelze eingefroren (kein Ausscheiden von α- und β-Kristallen) - Einphasengebiet, nur eine Phase vorhanden |
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Erklären Sie anhand einer Skizze eines binären eutektischen Zustandsdiagramms den Begriff Mischungslücke
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- Skizziere Zustandsdiagramm (Karteikarte eutektisches Zustandsdiagramm mit Berechnung)
- Bereich eines Zustandsdiagramms, in dem sich mehrere Phasen mit gleicher Struktur nicht vermischen, bzw. keine Löslichkeit untereinander besitzen - A kann nicht mehr vollständig die angebotene Menge B, bzw. B die angebotene Menge A lösen |
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Unter der eutektischen Temperatur liegt ein Gebiet mit einer Mischungslücke vor. Sie wird begrenzt durch die Kurven c_α (T) und c_β (T). Wie berechnet man für eine vorgegebene Temperatur T unter der eutektischen Temperatur die Mengenanteile des α- und β-Mischkristalles bei einer Legierung mit der mittleren Konzentration c_0? Alle Konzentrationen beziehen sich auf den Gehalt B in dem binären System A-B. (Skizze, Eintragung von Benennungen, Gleichung, anschauliche Darstellung des Glelchungsinhaltes). Verdeutlichen Sie das Ergebnis im Phasendiagramm.
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Zeichnen Sie ein einfaches Phasendiagramm für ein binäres A - B ohne Eutektikum und vollständiger Löslichkeitvon A in B. Beschriften sie alle Phasenfelder.
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Zeichnen Sie ein einfaches Phasendiagramm für ein binäres A - B mit Eutektikum und unvollständiger Löslichkeitvon A in B. Beschriften sie alle Phasenfelder.
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Eutektikum: Bei bestimmten Temperaturen und Mischverhältnissen liegt ein Fest-Flüssig-Zweiphasengebiet vor. Markieren sie für eine geeignete Temperatur und mittlere Konzentration c_0 die Konzentration der Komponente A in der flüssigen und in der festen Phase im Phasendiagramm.
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Welche Bedingung müssen Werkstoffe hinsichtlich der Konzentration von Legierungselemente erfüllen?
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- Unlegierte Stähle: LE < 5%
- Niedriglegierte Stähle: LE < 5% - Hochlegierte Stähle: LE > 5% - Edelstähle: unlegiert und legiert - Gusseisen: C-Gehalt von 2 - 4 %, Si-Gehalt von 0,5 - 3 % |
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Lernkarte: Bezeichnungssystem für unlegierte Stähle
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Lernkarte: Bezeichnungssystem für legierte Stähle
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Geben sie prozentuale Zusamensetzung folgender Legierungen an:
- 30 CrNiMo 8 - X 10 CrNiTi 18-9 - C35E (Ck45) |
- 30: Kohlenstoffgehalt 0,30%; 8: 2% Cr-Gehalt, Ni und Mo nach Norm
- 10: Kohlenstoffgehalt 0,10%; 18: 18% Cr; 9: 9% Ni, Ti nach Norm - 35: 0,35% C; E: max.S(Schwefel)-Gehalt |
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Gebe Sie nur den Verwendungszweck entsprechend der Werkstoffbezeichnung an:
- P 235 GH - S 235 JR - L 360 Q Was bedeuten die Zahlen (mit Einheit) hinter dem ersten Buchstaben? |
- P 235 GH: Druckbehälterbau
- S 235 JR: Stahlbau - L 360 Q: Leitungsrohre Steckgrenze R_G ( = 0,2%-Dehngrenze R_p,a,z) für kleinste Erzeugnisdicke [MPa] |
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Geben Sie ein Beispiel für eine normgerechte Bezeichnung einer Aluminiumlegierung.
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2xxx(Al-Cu-Knetlegierung)
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Was versteht man unter der Bezeichnung TIA16V4?
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Titanknetlegierung; R_p,a,z (=R_G) = 1000 MPa, Flugzeugbau
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Was versteht man unter einem Hartmetall, evtl. Skizze. Nennen sie eine typischen Anwendung von Hartmetallen.
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- gesinterte ("Backen", statt schmelzen, Pulver bleibt in ähnlich makroskopischer Struktur) Carbidhartmetalle
- Verbundwerkstoff - sehr hohe Härte Verschleißfestigkeit, hohe Warmhärte - Werkzeuge, Teile für die Zerspanung, spanlose Formgebung bei reibendem Verschleiß. |
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Wie lautet die werkstoffkundliche Bezeichnung für einen Stahl mit 0.8 Gew-% Kohlenstoffgehalt?
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C80
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Welchen Namen hat das Gefüge eines Stahls mit der Bezeichnung C80
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Perlit
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Welche Gefügebestandteile besitzt ein langsam abgekühlter Stahl der Bezeichnung C35E?
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α + Perlit
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Skizzieren Sie ein Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild.
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Welche Daten kann man einem Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild entnehmen?
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- Temperatur, Zeit, Anteil in %
- Dauer der Temperatur der Behandlung, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen. |
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Welche Prozesse fasst man unter dem Begriffe Vergüten zusammen?
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Skizzieren Sie das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm für den Bereich der Stähle. Tragen Sie dann einen Stahl der Zusammensetzung C35E ein. Aus welchen Phasenbestandteilen ist das Gefüge aufgebaut?
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Welche beiden Kristallstrukturen existieren in Stahl bei geeigneter Zusammensetzung und Temperatur und wie werden sie genannt?
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- kubisch-raumzentriert: α-Eisen
- kubisch-flächenzentriert: γ-Eisen |
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Abhängig von den Abkühlbedingungen aus der Hochtemperaturphase, kann die Tieftemperaturphase auch als besonders harter Martensit vorliegen: Welche Abkühlbedinungen müssen gewählt werden, um Martensit auszuscheiden?
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Martensit erhält man durch besonders schnelles Abkühlen von einer Temperatur über
ca. 750°C auf 300°C innerhalb von ca. 100s. |
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Welche drei prinzipiellen Vorgänge der Erzeugung von Makromolekülen kennen Sie?
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- Polymerisation
- Polykondensation - Polyaddition |
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Was versteht man unter dem Molekulargewicht?(Formel) Bezeichnen Sie alle Größen. (Zu Polymeren)
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Zeichnen Sie die Strukturformel eines Polyethylen und eines Polystyrols.
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Wie unterscheiden sich Elastomere, Duroplaste und Thermoplaste, Skizzen?
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Zeichnen sie das zweidimensionale Strukturschema eines Silikatglases.
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In welche Hauptgruppen lassen sich Keramiken unterteilen?
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- Porzellan
- Oxidkeramik - Nichtoxidkeramik |
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Was versteht man unter einem Glas?
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- Festkörper
- amorphe Substanz - gefrorene, unterkühlte Flüssigkeit - Struktur aus einem Netzwerk von SiO_4-Tetraedern (bei silikatischen Gläsern), das einer Nahordnung folgt |
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Glasbildung kann durch ,,Netzwerkbildner" bzw. ,,Netzwerkunterbrecher" gesteuert. Erläutern sie deren Auswirkung.
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- Netzwerkbildner: Bausteine, aus denen die tetraederische Grundstruktur des Glases gebildet wird (SiO_2)
- Netzwerkunterbrecher: reißen die Netzwerkstruktur auf; Bindungen des Brückensauerstoffs in den Silicumoxid-Tetraedern werden aufgebrochen; Anstelle der Atombindung mit dem Silicium geht der Sauerstoff eine Ionenbindung mit einem Alkaliatom ein (NaO) - Führt zur Kirstallisation bzw. Entglasung - Herabsetzung des Vernetzungsgrades: Auswirkungen auf Schmelztemperatur, Viskosität, Bruchzähigkeit, Druckfestigkeit |
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Wie entsteht Glas-Keramik?
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- Keramik wird in noch glasigem Zustand geformt
- Durch Wärmebehandlung teilweise kristallisiert (>50%) - Erhöhung der Festigkeit und Zähigkeit Herstellung: - Schnelle Abkühlung des Glases sonst zu hohe Kristallisation - Steuerung des Keimwachstums durch TiO_2 |
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Was ist Email?
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- Masse aus anorganischer Zusammensetzung (meistens Silikate und Oxide)
- Herstellung durch Schmelzen oder Fritten (kurz vor Vollendung abgebrochener Schmelzvorgang) in meist glasig erstarrter Form - Aufbringung dieser Masse in einer oder mehreren Schichten auf ein Trägermaterial - Überzug des Materials (Metall, Glas) durch Schmelzen hoher Temperatur und kurzer Brenndauer |
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Nennen Sie wesentliche Merkmale, in denen sich Kunststoffe und Metalle im Allgemeinen unterscheiden.
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Erklären Sie die Polymerisation in Kürze chemisch exakt. (für ausführliche Erklärung siehe Musterfragen Frage 84)
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PVC, PE
- exothemre Kettenreaktion, bei der ungesättigte Moleküle zu Makromolekülen verknüpft werden. - Absättigung der reaktionsfähigen Doppelbindung von Monomeren, die zuvor durch Aktivierung aufgespalten und bindungsfähig gemacht wurde - radikalisch, ionische Polyinsertion - 3 Stufen: Startreaktion, Wachstumsreaktion, Abbruchreaktion - nach Abschluss des Kettenwachstums verändern sich Makromoleküle nicht mehr - Aktivierungsenergie für Kettenstart sehr viel größer als für weiteres Wachstum |
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Erklären Sie die Polykondensation in Kürze chemisch exakt. (für ausführliche Erklärung siehe Musterfragen Frage 84)
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- PA
- endotherme Stufenreaktion, bei der Makromoleküle unter Abspaltung von Nebenprodukten z.B. Wasser Alkohol gebildet werden - schrittweise Reaktion der Endgruppen - Wärmeabfuhr, Entfernen der Abgangsmoleküle (Wasser, Alkohol,...), Änderung der Eigenschaften durch verbleibende Abgangsmoleküle - lange Reaktionszeit für mittlere Molekulargleichgewichte nötig |
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Erklären Sie die Polyaddition in Kürze chemisch exakt. (für ausführliche Erklärung siehe Musterfragen Frage 84)
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- POM
- Stufenreaktion, bei der Makromoleküle durch Addition ohne Abspaltung von Nebenprodukten gebildet werden - ähnlich Polykondensation, aber ohne Abspaltung - kennzeichnend ist die Wanderung von Atomen (meistens Wasser), von einer Monomerart zu einer anderen - lange Reaktionszeit für mittlere Molekulargleichgewichte nötig |
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Was versteht man unter Glasübergangstemperatur?
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- Temperatur, bei der sich die Eigenschaften des Kunststoffes am meisten ändern
- gilt nur bei amorphen Zuständen - Polymerwerkstoffe weisen einen glasähnlichen Zustand auf und verlieren diesen beim Erweichen => Übergang zum zähen Zustand. |
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Zeichen Sie eine Spannungs-Dehnungskurve eines Thermoplasten. Welche drei Elastizitätsmodule können daraus bestimmt werden? Erklären Sie deren Bedeutung.
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Skizzieren Sie schematisch den Verlauf von Zugfestigkeit und Bruchdehnung über der Temperatur für einen teilkristallinen Thermoplasten. Tragen Sie hierbei die wichtigen Übergangsbereich sowie den Gebrauchsbereich ein.
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Warum sind Kunststoffe elektrische und thermische Isolatoren?
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- Elektronen sind bei den Kunststoffen relativ fest aufgrund der kovalenten Bindung an die Atome gebunden
- Kunststoffe besitzen keine Valenzelektronen wie z.B. Metalle => Keine Elektronenwanderung => gute elektrische Isolatoren und leitenauch die Wärme schlecht |
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Stellen Sie die Abhängigkeit der Fließeigenschaften von Kunststoffen (z.B. Viskosität) von der Schergeschwindigkeit graphisch dar. Führen Sie hierzu relevante Einflussgrößen auf und skizzieren Sie deren Auswirkung auf den Viskositätsverlauf.
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Welche variablen Prozessparameter sowie Randbedingungen des Prozesses beeinflussen die inneren Eigenschaften von Kunststoffformteilen und damit deren Formteilmerkmale?
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- Einspritzgeschwindigkeit, Werkzeugtemperatur, Werkzeuginnendruck, Massetemperatur, Schmelztemperatur, Nachdruck, Nachdruckzeit, Schließkraft, Schneckendrehzahl, Schneckenstaudruck, Zykluszeit, Einspritzzeit, Raumtemperatur
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Was versteht man unter Eigenspannung? Nennen Sie drei Bedingungen bzw. Vorraussetzungen, unter denen Eigenspannungen in Kunststoffbauteilen entstehen.
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- Eigenspannung: Mechanischer Spannungszustand im Bauteil auch ohne äußere Einflüsse
- Ursache: Einzelne Bereiche des Bauteils weisen unterschiedliche Abmessungen auf; Äußerer Formzwang: Streckung oder Stauchung der Bereiche Spannungen - Voraussetzungen: thermische Kontraktion; die Reaktionsschwindung; die Medienaufnahme (oder -abgabe) |
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Beschreiben Sie die vier Schritte Permeation.
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Welche Eigenschaften von thermoplastischen Werkstoffen bestimmen die Permeation?
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- Vernetzungsgrad: In stark vernetzten Bereich ist kaum Verformung möglich und es werden nur sehr kleine molekulare Zwischenräume angeboten
- Kristallinität: Im kristallinen Bereich findet wegen der hohen Packungsdichte praktisch keine Diffusion statt - Orientierung: Die nebeneinander liegenden Molekülketten, deren Zwischenräume deutlich kleiner als die der nicht orientierten sind schränken gelöste Moleküle in ihrer Bewegung deutlich ein. |
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Aufbereitung ist die Summe aller Arbeitsgänge, denen ein Rohstoff unterworfen wird, bevor die Formmasse dem eigentlichen Verarbeitungsprozess zur endgültigen Formgebung zugeführt wird. Stellen Sie die abzuarbeitenden Prozessschritte bei der Aufbereitung von Kunststoffen dar.
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Benennen Sie die acht wesentlichen Phasen eines Spritzgießzyklus (Kreisdiagramm).
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Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf des Werkzeuginnendrucks entlang der Zykluszeit. Ordnen Sie anhand des Kurvenverlaufs charakteristische Zeitphasen und Prozesspunkte zu.
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In welchem Verhältnis (H/D) sollte der Dosierhub H zum Schneckendurchmesser D sein, damit eine optimale Schmelzqualität beim Plastifizieren erreicht wird? Wie wirken sich ein zu geringes und ein hohes Verhältnis aus?
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Dosierhub:
Schneckendurchmesserverhältnis = 3:1 - 1:1 (3D-1D) Zu hohes/niedriges Verhältnis: Lufteinschlüsse |
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Nennen Sie Maßnahmen, mit denen die Festigkeit von Keramiken erhöht werden kann.
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- Verkleinerung der Fehlergröße a_c durch reinere Ausgangsstoffe (!)
- Erhöhung der Bruchzähigkeit durch Einbau von Gefügeheterogenitäten - Einbringung von Druckspannungen in die Oberfläche |
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Was versteht der Werkstoffwissenschaftler unter dem Begriff ,,Gefüge"?
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- mikroskopischer Aufbau des Materials
- Art, Anzahl, Größe, Form, Verteilung und Orientierung der Phasen - Anordnung Gitterbautfehlern wie Korngrenzen, Phasengrenzen oder Versetzungen |
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Welche Bestandteile kann ein keramisches Gefüge enthalten?
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- kristalline amorphe Phasen
- gasförmige Phasen, Lunker, Poren, Blasen - Störungen wie Versetzungen Korngrenzen - Ausscheidungen oder Einschlüsse |
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Nennen Sie zwei Eigenschaften keramischer Gefüge und die betreffenden Gefügebestandteile, die diese Eigenschaften im Wesentlichen prägen.
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- Bruchzähigkeit amorphe Phasen
- Wärmebeständigkeit kristalline Phasen |
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Warum ist das Gefüge für den Werkstoffwissenschaftler so wichtig?
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Bestimmung der:
- chemischen Zusammensetzung (Stoff, atomarer Aufbau, Bindung, Kristallstruktur) - physikalischen und chemischen EIgenschaften des Werkstoffes |
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Welche Struktur weisen Gläser im Gegensatz zur Keramik auf?
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Glas:
- Festkörper - amorphe Substanz - gefrorene unterkühlte Flüssigkeit - Struktur aus einem Netzwerk von SiO_4- Tetraedern (bei silikatischen Gläsern), das eine Nahordnung folgt Keramik: - kristalline Struktur mit Nah- und Fernordnung |
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Beschreiben Sie den Gefügeaufbau polykristalliner Keramikwerkstoffe.
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- viele kleine Einzelkristalle (sog. Kristallite)
- werden durch Korngrenzen voneinander getrennt |
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Skizzieren Sie einen keramischen Körper mit einem elliptischen Innenriss undgeben sie die Formel für die kritische Spannung σ_c an, unter der die Keramik bricht.
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Eine Platte der Breite W hat einen Außenriss der Länge a. Nennen Sie die Formel für den Spannungsintensitätsfaktor K_I. Wann tritt der Sprödbruch durch instabiles Risswachstum ein?
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Haben Metalle oder Keramiken den höheren kritischen Spannungsintensitätsfaktor?
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Metalle
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Durch welche Veränderungen am Werkstoff können Sie ein Kriechen der Keramik verringern?
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Einbau von Gefügeheterogenitäten:
- Whisker - Platelets - Fasern - Partikel |
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Nennen Sie 4 verfahrenstechnische Schritte, über die keramische Werkstoffe hergestellt werden. (analoge Lösung zu Glas gegeben)
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Was bedeutet thermischer Ausdehnungskoeffizient? In welcher Einheit wird er angegeben?
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- Kennwert, der das Verhalten eines Stoffes bezüglich Veränderungen seiner Abmessungen bei Temperaturveränderungen beschriebt.
- Einheit: 1/K |
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Sortieren Sie die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metallen (Stahl). Keramiken (z.B. Aluminiumoxid und Polymeren (technische Kunststoffe) nach ihrer Größe.
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Polymere > Metalle > Keramiken
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Skizzieren Sie Ausdehnungskoeffizienten von Email gegenüber Eisen in Abhängigkeit der Temperatur. Zu welcher Werkstoffgruppe gehört die Emailschicht und steht sie beim emaillierten Stahl unter Druckspannung oder Zugspannung?
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Nennen Sie die Parameter, die zur Charakterisierung eines optisch genutzten Glases bestimmt werden.
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Was beschreibt die Abbesche Zahl?
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- Farbenzerstreuung/Dispersion
- Hohe Abbesche Zahl -> geringe Farbenzerstreuung |
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Welche optischen Werte streben sie idealerweise an, um einen miniaturisierten Fotoapparat herzustellen, der möglichst wenig Farbverzerrung aufweist?
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- HeD 587.6 nm
- HF 486.1 nm - HC 654.3 nm - Abbesche Zahl |
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In welchen Schritten stellen Sie Glaskeramik her, welche Mechanismen müssen sie hierbei kontrollieren?
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Nennen sie die wichtigen Anwendungen von Glaskeramik und erläutern Sie, welche besonderen Eigenschaften des Materials in der jeweiligen Anwendung genutzt werden.
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- Herdplatten
- Hauswirtschaftsglas - Teleskopspiegelträger - Längenstandards - Null-Ausdehnung über einen Temperaturbereich bis ca. 800°C formbeständig - völlig unempfindlich gegen schroffe Temperaturwechsel |
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Welche Eigenschaften zeichnen diesen Werkstoff aus und werden in der Anwendung als Kochplatte genutzt?
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- 50-90% kristalliner Anteil
- thermischer Ausdehnungskoeffizient bis 800°C: 0 * (10-6)/K, hohe Temperaturwechselbeständigkeit - geringe Wärmeleitfähigkeit: 1-2 W/mK - dicht, porenfrei, glatt, korrosionsbeständig - elektrischer Isolator bei Raumtemperatur - durchlässig für IR-Stralung |
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Von welchen Rohstoffen geht man bei der Herstellung der Fasern aus? Begründen sie dies.
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- Hochreine SiO2-Fasern, Dämpfungsminimum im Wellenlängenbereich 0.9-1.5 μm
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Erklären Sie das Prinzip der Lichtleitfaser und fertigen Sie Skizzen zur Erklärung an.
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Sie ermitteln Biegefestigkeiten von keramischen Prüfkörpern. Wie werten Sie die ermittelten Festigkeitswerte aus? Skizzieren Sie die graphische Darstellung dieser Auswertung und geben Sie den wichtigsten Parameter und seine Bedeutung für den Ingenieur an. (Rechtschreibfehler! Weibullfaktor)
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Skizzieren sie einen Extruder und benennen sie die wesentlichen Komponenten. Wozu dient der Extruder?
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