WKM01 Werkstoffwissenschaftliche Grundlagen Flashcards
(160 cards)
1
Q
Welchen Vorteil brachten Waffen und Gebrauchsgegenstände aus Metall gegenüber solchen aus Holz, Horn oder Stein?
A
Sie besitzen eine größere Festigkeit und Härte bzw. Schärfe.
2
Q
Wodurch unterscheidet sich der Magnesium-Typ vom Kupfer-Typ im Hinblick auf die Schichtung der Metallatome?
A
Magnesium-Typ: 1 - 2 - 1 - 2 - …
Kupfer-Typ: 1 - 2 - 3 - 1 - 2 - 3 - ..
3
Q
Beschreiben Sie den Impfvorgang im Rahmen der Metallurgie.
A
Impfen beschreibt die Einbringung von Impfkristallen in eine Metallschmelze zur Beeinflussung der Kristallit-Wachstumsgeschwindigkeit.
4
Q
Welche besonderen Eigenschaften machten Metalle so wertvoll für die Völker der alten Welt?
A
Festigkeit, Verformbarkeit, Knappheit.
5
Q
Zählen Sie alle typischen Eigenschaften der Metalle auf.
A
Festigkeit, Verformbarkeit, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Magnetisierbarkeit, Lichtundurchlässigkeit, metallischer Glanz, Reaktion mit Säuren unter Bildung von Salzen.
6
Q
Wie werden bei der Metallbindung die Metallionen (Atomrümpfe) zusammengehalten?
A
Die von den Metallatomen abgegebenen Außenelektronen bewegen sich ungeordnet („Elektronengas“) als Träger negativer Ladung zwischen den Atomrümpfen (positive Ladung) und bewirken so eine gegenseitige Anziehung.
7
Q
Nennen Sie die drei häufigsten Metallgittertypen und ordnen Sie ihnen Koordinationszahlen zu.
A
• Hexagonal dichteste Packung: 12
• Kubisch flächenzentrierte (kubisch dichteste) Packung: 12
• Kubisch raumzentrierte Packung: 8
8
Q
Wodurch wird die Größe der Kristallite in einem Metallgefüge bestimmt?
A
• Kristallwachstumsgeschwindigkeit
• Menge der Fremdteilchen in der Schmelze
• Erstarrungsbedingungen allgemein
9
Q
Wodurch unterscheidet sich die Bruchstelle eines zähen von einem spröden Werkstoff nach erfolgtem Zugversuch?
A
Zähe Werkstoffe verformen sich im Lauf des Zugversuchs. Dadurch reduziert sich der Durchmesser eines zähen Zugstabs, während ein spröder Werkstoff bei unverändertem Durchmesser bricht.
10
Q
Weshalb werden Metalle mit hexagonalem Gitter überwiegend als Gusswerkstoffe verarbeitet?
A
Aufgrund der geringen Anzahl von Gleitsystemen (3) gegenüber der kubischen Packung (12) sind diese Werkstoffe nur sehr schlecht plastisch verformbar.
11
Q
Mit welcher Kraft F kann ein Stab mit dem Durchmesser d = 10 mm und der Zugfestigkeit R = 320 N·mm−2 maximal belastet werden?
A
F = R·A = 320N· mm−2 · π ·(10mm)² / 4 ≈ 25000N
F: Kraft
R: Zugfestigkeit
A: Querschnittsfläche
12
Q
a) Welcher Werkstoff ist nur elastisch verformbar?
A
Werkstoff A zeigt keine Einschnürung und damit keine plastische Verformung. Die elastische Verformung hat sich wieder zurückgebildet, nachdem der Bruch erfolgt ist. Der Werkstoff ist somit nur elastisch verformbar.
13
Q
b) Für welchen Werkstoff muss laut Diagramm die größte Kraft zum Zerreißen aufgewendet werden?
A
Da alle Probestäbe den gleichen Querschnitt haben, war lt. Diagramm für den Werkstoff A die größte Kraft aufzuwenden.
14
Q
c) Welcher Werkstoff besitzt die größte Plastizität?
A
Werkstoff B hat nach dem Bruch die größte Länge, obwohl nach Diagramm weniger Kraft aufgewendet wurde als bei den anderen Werkstoffen. Er besitzt damit die größte Plastizität.
15
Q
Welches Gitter wird a) relativ viele Zwischengitteratome besitzen?
A
Bei gleichem Grundgitter muss beim Werkstoff A eine Verzapfung durch Zwischengitteratome (Blockierung der Gleitebenen) vorliegen, wie sie etwa beim Härten erreicht wird.
16
Q
Welches Gitter wird b) wenig Zwischengitteratome, aber besonders viele gut bewegliche Versetzungen aufweisen?
A
Da Versetzungen im Gitter die Verformbarkeit im plastischen Bereich erhöhen, wird Werkstoff B viele gut bewegliche Versetzungen aufweisen.
17
Q
Welches Material in Abb. 2.12 wird vermutlich am besten den elektrischen Strom leiten (Begründung)?
A
Da sowohl Fehlstellen als auch Fremdatome den Elektronenfluss hemmen, wird Werkstoff C vermutlich der beste Leiter sein.
18
Q
Weshalb erwärmt sich ein Metallkörper beim Leiten von elektrischem Strom?
A
Driftende Elektronen stoßen mit anderen oder mit den Gitterionen zusammen und versetzen diese in stärkere Schwingung. Diese größere Bewegungsenergie ist als höhere Temperatur messbar.
19
Q
Weshalb bleibt die Temperatur eines mit Eiswürfeln gekühltem Getränks solange konstant, bis alle Eiswürfel geschmolzen sind?
A
Die von außen zugeführte Wärmeenergie wird gerade durch die Gitterenergie kompensiert (Haltepunkt).
20
Q
Beschreiben Sie die Vorgänge während des Abkühlvorgangs am oberen und am unteren Knickpunkt eines Zweistoffsystems.
A
Am oberen Knickpunkt beginnen sich Kristalle der Komponente mit dem höheren Schmelzpunkt aus der Schmelze auszuscheiden (Mischkristalle). Am unteren Knickpunkt erstarrt der letzte Anteil der Komponente mit dem niedrigeren Schmelzpunkt.
21
Q
Eine Legierung mit 40 % der Komponente A zerfällt beim Erstarren in Kristalle mit 25 % A. Berechnen Sie mithilfe des Hebelgesetzes den Mengenanteil der Schmelze mit der Konzentration 60 % A.
A
Sei x die Masse der Kristalle, dann gilt: 100 · 0,4 = 0,25 · x + (100−x)· 0,6
x = 20/35 ≈ 57%
Massenanteil Kristalle: ca. 57 %
Massenanteil Schmelze: ca. 43 %
22
Q
Zwei Metalle haben die gleiche Gitterstruktur, etwa die gleiche Atomgröße und die gleiche Anzahl Außenelektronen. a) Wie wird das Gefüge aussehen, wenn eine Schmelze aus beiden Metallen abgekühlt wird?
A
Das Gefüge wird voraussichtlich durchgängig aus Substitutionsmischkristallen bestehen.
23
Q
Zwei Metalle haben die gleiche Gitterstruktur, etwa die gleiche Atomgröße und die gleiche Anzahl Außenelektronen. b) Wie wird die Abkühlungskurve voraussichtlich verlaufen?
A
Die Abkühlungskurve wird wahrscheinlich zwei Knickpunkte besitzen.
24
Q
Welche Legierungskomponente in Abb. 3.9 bzw. Abb. 3.10 hat den höheren Schmelzpunkt?
A
Cadmium (Cd) besitzt den höheren Schmelzpunkt. Er liegt dort, wo am rechten Rand des Diagrammes (w(Cd) = 100 %) die Liquiduslinie die senkrechte Temperaturachse schneidet.
25
Eine durch Abb. 3.13 beschriebene Legierung mit w(A) = 40 % wird abgekühlt. Wie hoch ist der Massenanteil der Komponente A im festen Legierungsgefüge?
Der Massenanteil kann zwar in den einzelnen Mischkristallen (je nach Abkühlungsgeschwindigkeit) unterschiedlich sein, beträgt aber bezüglich der gesamten Legierungsmasse wieder w(A) = 40 %.
26
Für eine Zweistofflegierung gilt das Zustandsschaubild in Abb. 3.10. Wie ist das Gefüge einer Legierung aufgebaut, deren Zusammensetzung rechts vom eutektischen Punkt liegt?
Das Gefüge besteht aus größeren, reinen Cadmium-Kristallen und feinem Eutektikum, d. h. einem Gemisch aus sehr kleinen, reinen Kristallen von Cd und Bi.
27
Nennen Sie die drei mengenmäßig wichtigsten kunststoffproduzierenden Ländern weltweit.
China, NAFTA, Restasien.
28
Nennen Sie die wichtigsten Elemente in Kunststoffen.
Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Chlor, Fluor.
29
Beschreiben Sie die Aktivierung von Phenol durch Formaldehyd.
Durch den Angriff des Formaldehyds in ortho- oder para-Position der OH-Gruppe des Phenols bilden sich reaktive Hydroxymethylgruppen.
30
Nennen Sie – ohne im vorangegangenen Text nachzusehen – die drei größten Kunststofferzeugerländer der Welt.
USA, Japan und Deutschland sind die größten Kunststofferzeugerländer.
31
Zählen Sie die vier größten Kunststoffverbraucher (Wirtschaftszweige) der Bundesrepublik Deutschland auf.
Den größten Anteil der Kunststoffproduktion verbrauchen in Deutschland das Baugewerbe, die Verpackungsindustrie, die Möbelindustrie und der Fahrzeugbau.
32
Welchen Polymerisationsgrad hat ein Kunststoff, dessen Makromoleküle eine durchschnittliche molare Masse M = 180000 g·mol−1 besitzen und aus Monomeren mit M = 104 g·mol−1 hergestellt wurden?
n = 1731 (gerundet).
33
Aus welchen der beiden nachstehenden Monomeren kann durch Polymerisation das Polymer aufgebaut werden? (Begründung!) a) CH2 CH–CH3 b) HO–(CH2)4–OH
Das Monomere CH3–CH CH2 kann zur Polymerisation verwendet werden, denn es besitzt eine aufspaltbare Doppelbindung.
34
Die Synthese von Polyester (Markenbezeichnung: z. B. Diolen oder Trevira) erfolgt aus den Monomeren HO–R1–OH und HOOC–R2–COOH unter Wasserabspaltung. Welches Syntheseverfahren liegt vor (Polymerisation, Polyaddition oder Polykondensation)?
Da bei der Aufbaureaktion Wasser als Nebenprodukt abgespalten wird, handelt es sich um eine Polykondensation.
35
In welche drei Gruppen werden die Kunststoffe – auf der Grundlage ihrer Eigenschaften – eingeteilt? (Beschreiben Sie in Stichworten die Struktur.)
• Thermoplaste (amorph oder teilkristallin)
• Duroplaste (engmaschige Vernetzung)
• Elastomere (weitmaschige Vernetzung)
36
Beschreiben Sie den Unterschied zwischen Copolymeren und Polymerblends bzw. Polymerlegierungen.
Bei der Copolymerisation wird der Kunststoff aus unterschiedlichen Monomeren polymerisiert, Polymerblends (Polymerlegierungen) dagegen sind Mischungen aus unterschiedlichen (bereits fertigen) Polymerisaten.
37
Zu welchen Zwecken werden den Kunststoffen in bestimmten Fällen Zusatzstoffe beigemischt? (Nennen Sie einige Beispiele.)
Aus wirtschaftlichen Gründen (bestimmte Zusatzstoffe sind preisgünstiger als der polymere Basisstoff) oder aus technischen, z. B. zur Verbesserung der mechanischen, chemischen oder elektrischen Eigenschaften (etwa zur Erhöhung der Zugfestigkeit, zur Erzeugung verminderter Entflammbarkeit oder zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit).
38
Weshalb ist die Druckfestigkeit bei Gläsern um den Faktor 10 bis 15 mal höher als die Zugfestigkeit?
Gläser besitzen Oberflächendefekte, die sich bei Zugkräften wesentlich stärker auswirken als bei Druckkräften.
39
Wie hängt die Zugfestigkeit von Glasfasern vom Durchmesser der Fasern ab?
Die Zugfestigkeit von Glasfasern nimmt mit abnehmendem Durchmesser stark zu.
40
Nennen Sie Vor- und Nachteile keramischer Werkstoffe.
Vorteile: hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Verschleißfestigkeit, niedrige Dichte, sehr gute Korrosionsbeständigkeit
Nachteile: Sprödigkeit, Empfindlichkeit gegenüber Temperaturwechsel, schlechte Bearbeitbarkeit.
41
Was versteht man unter einem isotropen Werkstoffverhalten bzw. unter einem amorphen Gefügeaufbau?
Isotropie ist die Richtungsunabhängigkeit von Eigenschaften in einem Werkstoff. Grund dafür ist der amorphe Gefügeaufbau solcher Werkstoffe. Die Bausteine dieser Werkstoffe sind statisch regellos im festen Zustand verteilt (sie bilden kein geordnetes Kristallgitter). In allen Raumrichtungen ergeben sich im statistischen Mittel gleiche Bausteinabstände und somit gleiche Eigenschaftswerte.
42
Erläutern Sie die Wirkung von Netzwerksbildnern und Netzwerkswandlern in anorganischen Gläsern.
Neben Silizium können z. B. die Elemente Bor oder Germanium als Netzwerksbildner ein unregelmäßiges Netzwerk der Bausteine des Glases bilden.
Durch Netzwerkswandler, z. B. durch Natrium, entstehen Lücken im Netzwerk. Dadurch wird es zum Beispiel möglich, die Formgebungstemperatur abzusenken. Leider nehmen aber auch die chemische Beständigkeit und die Kratzfestigkeit ab.
43
Nennen Sie den typischen Ausgangszustand für die Herstellung keramischer Erzeugnisse.
Körniges (pulverförmiges) Material. Das ist auch der Fall, wenn die Formgebung über knetbare Massen (Ton) oder den gießfähigen Zustand (Schlicker) erfolgt. Seine Festigkeit erhält der keramische Werkstoff durch das Zusammenbacken, das Sintern, der Pulverkörner.
44
Nennen Sie eine besonders herausragende Eigenschaft von Glas- bzw. Kohlefaser.
Sehr dünn, ausgesprochen hohe Festigkeits- und Elastizitätsmodulwerte. Der Grund dafür ist die geringe Häufigkeit von Baufehlern im Festkörper.
Einsatz Fasern als Verstärkungsmaterial (hochfeste Komponenten) in Verbundwerkstoffen (glasfaser- oder kohlefaserverstärkten Kunststoffen).
45
Was ist der wesentliche Grund für das Entwickeln und das Erzeugen von Verbundwerkstoffen?
Ziel, besondere Eigenschaften zu erzeugen, um die ständig steigenden Anforderungen, die an Materialien und Bauteile gestellt werden, optimal erfüllen zu können.
46
Welche Möglichkeit können Sie vorschlagen, um die allgemein niedrigen Festigkeitswerte der Kunststoffe anzuheben?
Einlagerung hochfester Glas- bzw. Kohlefasern (Herstellung faserverstärkter Kunststoffteile).
47
Wie könnte ein verschleißfester und elektrisch gut leitfähiger Kontaktwerkstoff als Verbundwerkstoff aufgebaut sein?
Herstellen eines Durchdringungsverbundes. Aus einer harten, verschleißfesten Matrix (z. B. aus Wolfram- oder Siliziumkarbidpulver) wird ein poröser Kontaktkörper hergestellt, dessen Poren mit gut leitfähigem Metall (Kupfer, Silber) getränkt (gefüllt) werden.
48
Was sind Werkstoffe?
Materie, zur Herstellung von Gütern.
49
Welche Themenbereiche gehören zum Werkstoffingenieurwesen?
1. Werkstoffwissenschaft (Naturwissenschaftliche und technische Grundlagen)
50
Was sind Werkstoffe?
Materie, zur Herstellung von Gütern
51
Welche Themenbereiche gehören zum Werkstoffingenieurwesen?
1. Werkstoffwissenschaft (Naturwissenschaftliche und technische Grundlagen)
2. Werkstoffherstellung (Metallurgie, Kunststofftechnik)
3. Werkstoffnormung und -kennzeichnung
4. Werkstoffverarbeitung
5. Werkstoffprüfung
6. Werkstoffauswahl
52
Welche Werkstoffgruppen gibt es?
1. metallische Werkstoffe (Metalle)
2. Anorganische nichtmetallische Werkstoffe (anorganische Gläser und Keramik)
3. Organische hochpolymere Werkstoffe (Kunststoffe, Elaste)
4. Verbundwerkstoffe
5. Konstruktions- und Funktionswerkstoffe
53
Beschreibe die Bedeutung der Metalle für die Zivilisation.
Herstellung von Schmuck und einfachen Gebrauchsgegenständen. Später Waffen aus Steinwerkzeug, dann Kupfer in größeren Mengen erschmolzen. Speere, Pfeil und Bogen als Waffen und Gebrauchsgegenstände. Erleichterte Nahrungsmittelbeschaffung, förderte Entwicklung neuer Geräte und Waffen (Jäger, Handwerker, Bauern). Überschussproduktion führte zu Händlern. Entstehung einer Volksgemeinschaft und Machtkonzentration. Bronze aus Kupfer erhöhte Festigkeit und Härte von Waffen. Edelmetalle (Silber, Gold) symbolisieren Macht und Wohlstand.
54
Eigenschaften der Metalle
hohe Festigkeit
Gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit
Gute Formbarkeit
Sehr hart oder relativ weich und zäh
Magnetisierbar
Lichtundurchlässig
Metallisch glänzend
Reagieren mit Säure unter der Bildung von Salzen
55
Beschreibe den Aufbau der Metallbindung.
Positiv geladenen Atomrümpfe (Kationen) schwingen (Wärmebewegung) um festgelegte zentrale „Ruhelage“, während die Außenelektronen (Valenzelektronen), die sie abgegeben haben, sich zwischen ihnen mit hoher Geschwindigkeit scheinbar reglos fortbewegen (=Elektronenwolke oder Elektronengas). Da sich unterschiedliche Ladungen anziehen, halten sie als eine Art „Elektronenkitt“ die Atomrümpfe zusammen.
56
Welche 3 Raumgitterarten (Metalle) gibt es?
h= hexagonal dichteste Packung (1-2-1-2-1-2…)
kfz= kubisch dichteste Packung (1-2-3-1-2-3…)
krz= kubisch raumzentriertes Gitter
57
Beispiele für die hexagonal dichteste Packung
Zink (Zn), Cadmium (Cd), Magnesium (Mg)
58
Beispiele für die kubisch dichteste Packung
Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Aluminium (Al), Gold (Au), Silber (Ag), Blei (Pb), Platin (Pt)
59
Beispiele für das kubisch raumzentriertes Gitter
Eisen (Fe), Chrom (Cr), Wolfram (W), Tantal (Ta)
60
Nenne die Koordinationszahl der Raumgitter von h, kfz und krz.
h und kfz=12 (jedes Atom hat räumlich gesehen 12 Nachbarn)
krz=8
61
Was bedeutet Allotropie von Metallen?
Das Raumgitter wandelt sich bei manchen Metallen bei bestimmten Temperaturen = allotrop
62
Was sind Kristallite?
Ein Metall besteht nicht aus einem großen Kristall, sondern aus vielen kleinen Metallkörnern (Kristalliten), welche die Eigenschaften eines Metalls zusätzlich (zur Gitterstruktur, Einlagerungen, Baufehler) bestimmen.
63
Wie entstehen Kristallite (Keime)?
Durch Kühlen der Schmelze, nimmt die kinetische (Bewegungs-)Energie ab und die Anziehungskräfte der Atomrümpfe (Kohäsionskräfte) überwiegen. Entsteht oft an vielen Stellen gleichzeitig. Sie wachsen bis sie aneinanderstoßen -> Korngrenzen.
64
Was sind Kohäsionskräfte?
Kohäsionskräfte sind die Anziehungskräfte zwischen Atomen, die deren Zusammenhalt und die Bildung einer festen Substanz bewirken.
65
Ab welchem Punkt kommen die Teilchen in einem Metallgitter vollkommen zur Ruhe?
Ab dem Nullpunkt (0K oder -273,15°C)
66
Wie heißt die Vielzahl von Kristalliten (Körnern)?
Gefüge
67
Wovon ist die Größe und Form der Keime abhängig?
• Erstarrungsbedingungen
• Kristallin-Wachstumsgeschwindigkeit
• „Impfen“ mit Fremdteilchen
68
Strebt man ein feines oder grobes Korn an (Keimbildung)?
feines Korn: durch große Keimzahl (Unterkühlung oder Impfung) -> große Festigkeit
69
Physikalische Eigenschaften Metalle
• Elastizität und Plastizität
• Festigkeit und Härte
• Wärmeleitfähigkeit
• Elektrische Leitfähigkeit
• Akustische Leitfähigkeit
70
Was ist Elastizität?
Wenn ein Körper nach einer Beanspruchung durch eine äußere Kraft seine ursprüngliche Form annimmt (keine bleibende Verformung) so reagiert er elastisch. Jeder Werkstoff hat einen elastischen Bereich.
71
Was ist Plastizität?
Zeigt ein Werkstoff in einem bestimmten Belastungsbereich eine bleibende Formänderung, besitzt er Plastizität.
72
Was ist ein Gleitsystem (Metallgitter)?
Gleitsysteme = Gleitebenen x Gleitrichtungen. Entscheidend für die plastische Verformbarkeit eines Metalls ist die Anzahl der möglichen Gleitsysteme in der Elementarzelle.
73
Welche Ebene einer Elementarzelle eignet sich als Gleitebene?
Es eignet sich nur die in dichtester Packung mit Ionen besetzte Gittereben innerhalb der Elementarzelle.
74
Wie viele Gleitebenen, -richtungen und -systeme haben die 3 verschiedenen Gittertypen?
h: 1 Ebene, 3 Richtungen = 3 Systeme
kfz: 4 Ebenen, 3 Richtungen = 12 Systeme
krz: 6 Ebenen, 2 Richtungen = 12 Systeme
75
Welche Gitterform ist besser plastisch verformbar?
Die kubische Gitterform
76
Welche Baufehler in Metallgittern gibt es? (5)
1. Versetzung
2. Leerstellen
3. Zwischengitteratome
4. Substituierte Atome
5. Frenkel-Defekt (Kombination aus Leerstelle und Zwischengitteratom)
77
Wann gilt ein Werkstoff als spröde?
Wenn er nur elastisch verformbar ist
78
Wann gilt ein Werkstoff als zäh?
Wenn er elastisch und plastisch verformbar ist
79
Definition Härte
Der Widerstand, den ein Werkstoff dem Eindringen eines anderen (härteren) Festkörper entgegensetzt
80
Wie kann die Härte oder Festigkeit eines metallischen Werkstoffes erhöht werden?
Durch den Einbau von Zwischengitteratomen
81
Definition Festigkeit
Der Widerstand, den ein Werkstoff einer Veränderung seiner Form entgegensetzt
82
Was beschreibt das Elastizitätsmodul?
(=E-Modul) Beschreibt das Verhältnis zwischen Spannung und der daraus resultierenden Dehnung eines Körpers.
83
Wofür steht die Eselsbrücke FLEA?
∆l= F*l0 / E*A Berechnung Längernänderung Stab (F=Kraft; A=Querschnitt; l0=Ruhelänge Stab)
84
Was passiert mit der Härte/Festigkeit bei zunehmendem E-Modul?
Beide steigen an
85
Wodurch verändert sich die elektrische Leitfähigkeit von Metallen?
Sie wächst mit abnehmender Temperatur. Durch Gitterstörungen, Wärmebewegung und Fremdionen wird sie behindert.
86
Wie läuft die elektrische Leitfähigkeit innerhalb eines Metallgitters ab?
Besteht zwischen den freien Elektronen eine Potenzialdifferenz (durch unterschiedliche elektrische Ladungen), so wird die schnelle, ungeregelte Bewegung der Elektronen (Kollektivelektronen) durch eine langsamere Driftbewegung in Richtung des positiven Pols überlagert.
87
Was ist die Potenzialdifferenz?
Die Potenzialdifferenz ist der Unterschied im elektrischen Potential zwischen zwei Punkten, der den Fluss von Elektronen (Strom) antreibt.
88
Erkläre die elektrische Wärmeleitfähigkeit von Metallen.
Metalle sind gute Wärmeleiter. Die Wärme wird zum großen Teil durch die Leitungselektronen und durch Impulsaustausch der schwingenden Ionen im Gitter transportiert.
89
Wie funktioniert die akustische Leitfähigkeit von Metallen?
Schwingungen breiten sich systematisch (z.B. wellenförmig) aus, wenn sie durch äußere Einwirkung (Schlag) in einer bestimmten Richtung erzeugt werden. Schwingungen stellen sich als Wellen dar, die als Schall wahrgenommen werden.
90
Wovon ist die elektrische Leitfähigkeit der Metalle abhängig?
Dichte und Elastizitätsmodul
91
Was ist eine Legierung?
Metallischer Werkstoff, entstanden durch Zusammenschmelzen mehrerer Bestandteile. Grundmetall + Legierungselemente
92
Warum erstellt man Legierungen?
Um Werkstoffeigenschaften, für den vorgesehenen Einsatz zu verbessern
93
Nenne die vier Arten der Zweistofflegierungen von Metallen.
1. Substitutionsmischkristall SMK
2. Einlagerungsmischkristall EMK
3. Intermediäre Verbindung (geordnete Substitution)
4. Entmischung (Clusterbildung oder Kristallgemenge)
94
Eigenschaften des Substitutionsmischkristalles.
Atomgröße, Gittertyp und Anzahl Außenelektronen stimmen in etwa überein. Hart und spröde. In beliebiger Konzentration ineinander löslich.
95
Eigenschaften des Einlagerungsmischkristalles.
Fremdatome sind wesentlich kleiner. Fremdatome sind regelmäßig im Gitter verteilt. In beliebiger Konzentration ineinander löslich.
96
Eigenschaften der intermediären Verbindung.
Größere Anziehungskräfte zwischen Atomen Legierungspartner als zwischen gleichartigen Atomen (Adhäsionskräfte wesentlich größer als Kohäsionskräfte). Starke gegenseitige Anziehung bewirkt gleichmäßige (stöchiometrische) Verteilung.
97
Eigenschaften einer Entmischung (Zweistofflegierung).
Bindungskräfte gleichartige Atome dominieren stark, so kommt es bei dem Kristallisationspunkt zur Entmischung und zur Bildung von zwei Phasen. Komponenten im festen Zustand nicht miteinander löslich = System mit Eutektikum. Komponenten im festen Zustand begrenzt löslich = System mit Mischungslücke.
98
Wovon ist die Legierungsart bei Zweistofflegierungen abhängig?
Größenverhältnis Atome
Gittertypen
Aufbau Atomhülle (Elektronenverteilung)
Mengenverhältnis
99
Wie viele Halte- oder Knickpunkte besitzen die Abkühlungskurven von reinen Metallen?
Einen Haltepunkt (=Schmelzpunkt) (außer es treten Gitteränderungen auf; mehrere Haltepunkte -> oberster = Schmelzpunkt)
100
Wie viele Halte- oder Knickpunkte besitzen die Abkühlungskurven von Legierungen?
1 Knickpunkt (flüssig und fest in jedem Verhältnis ineinander löslich);
1 Knick- und 1 Haltepunkt (im festen Zustand ineinander unlöslich)
101
Nenne die Löslichkeit der Komponenten einer Legierung bei Mischkristallen, Gemisch aus Mischkristallen und Kristallgemischen.
Mischkristallen: vollkommen löslich
Gemisch aus Mischkristallen: begrenzt löslich
Kristallgemischen: vollkommen unlöslich
102
Beschreibe die Bildung von Mischkristallen (=Knetlegierung).
Mischkristalllegierungen scheiden beim Abkühlen unterhalb der Liquiduslinie Mischkristalle immer neuer Zusammensetzung aus.
103
Erkläre den Unterschied einer schnellen und langsamen Abkühlung einer Mischkristalllegierung.
Schnelle Abkühlung: Gefüge unterschiedlicher Mischkristalle.
Langsame Abkühlung: Gefüge aus Mischkristallen gleicher Zusammensetzung durch Konzentrationsausgleich.
104
Erläutere die Soliduslinie und Liquiduslinie eines Zustandsbildes.
Die Soliduslinie bildet die Grenze zwischen dem Gebiet fester Phase und dem Zweiphasengebiet, die Liquiduslinie trennt dieses Zweiphasengebiet vom Bereich homogener Schmelze.
105
Was ist eine Phase?
Eine Phase ist ein Zustand eines Stoffes, der durch eine einheitliche chemische und physikalische Struktur gekennzeichnet ist.
106
Was sind Kristallseigerungen?
Konzentrationsunterschiede innerhalb eines Korns bzw. Kristallits, die bei Legierungen mit einem Erstarrungsintervall und bei technischen Abkühlbedingungen immer vorkommen können.
107
Was ist die Konodenregel?
Der Anteil einer Phase ergibt sich immer aus der Länge des gegenüberliegenden Hebelarms dividiert durch die Gesamtlänge der beiden Hebelarme. Sm=b/a+b und Mk=a/a+b
108
Eigenschaften einer eutektischen Legierung?
sehr gute Festigkeits- und Zähigkeitswerte
niedrigster Schmelzpunkt
geringes Schwindmaß
109
Beschreibe die Bildung von Kristallgemischen (=Gusslegierung).
Bei eutektischer Zusammensetzung kein Zweiphasengebiet, sondern werden beim Abkühlen sofort fest, wobei ein sehr feines Gefüge aus den reinen Kristallen der Komponenten entsteht (Eutektikum).
110
Was passiert bei einer untereutektischen Legierung?
Es kristallisiert im Zweiphasenbereich links vom eutektischen Punkt nur die Basiskomponente der Legierung aus der Schmelze aus und bildet Primärkristalle.
111
Was passiert bei einer übereutektischen Legierung?
Es kristallisiert im Zweiphasenbereich rechts vom eutektischen Punkt nur die Legierungskomponente aus der Schmelze aus und bildet Primärkristalle.
112
Beschreibe die Bildung von einem Gemisch aus Mischkristallen.
Systeme mit Mischungslücke. Diese verbreitert sich mit abnehmender Temperatur. Im abgekühlten Zustand liegen immer a-Mischkristalle und ß-Mischkristalle mit der jeweils maximalen Löslichkeit nebeneinander vor.
113
Was sind Monomere?
Reaktionsfähige Moleküle organischer Substanz, die sich zu Makromolekülen verbinden lassen.
114
Was sind Polymere?
Die aus Monomeren aufgebauten Makromoleküle (mind. n=100 Grundmoleküle miteinander verbunden oder molare Masse M > 3000 g*mol-1)
115
Woraus bestehen Kunststoffe?
Aus Makromolekülen (Polymeren), die aus geeigneten organischen Molekülen (Monomeren) durch deren Verknüpfung gebildet werden.
116
Was benötigen Monomere, um sich zu binden?
• Polymerisationsfähige Doppelbindung -> Kettenreaktion
• Eine reaktionsfähige Endgruppe (auch funktionelle Endgruppe) -> Stufenreaktion
117
Was ist die Polymerisation?
Zugeführte Energie und
118
Was ist die Polymerisation?
Zugeführte Energie und Katalysatoren bewirken ein Aufbrechen der Doppelbindungen. Die entstehenden Radikale verbinden sich zu Makromolekülen.
119
Welche Polymerisate gibt es?
Homopolymerisate: Verbindung gleicher Monomerbausteine (PE, PP)
Copolymerisate: Verbindung unterschiedlicher Monomere (UP, SAN)
120
Wie endet die Polymerisation?
Zufällig: wenn sich zwei Kettenenden mit freien Bindungsvalenzen miteinander verbinden
Durch Zugabe von Reglersubstanzen, welche sich an die Kettenenden anhängen.
121
Was ist die Polykondensation?
Monomere mit zwei oder mehr funktionellen Gruppen unter Abspaltung kleiner Moleküle (wie Wasser oder Methanol) linear oder netzförmig zu einem Polymer reagieren.
Freien Bindungsvalenzen entstehen durch die Reaktion funktioneller Endgruppen der Monomere.
122
Was ist die Polyaddition?
Aus funktionellen Gruppen des einen Monomers, werden Wasserstoffatome zu den Molekülen des anderen Monomers verschoben.
Gleichzeitig bilden sich Bindungen zwischen den Monomeren.
• Ohne reaktionsfähige C-C Doppelbindungen
• Ohne Abspaltung Nebenprodukt
123
Nenne zwei wichtige Polyaddukte.
Polyurethan (PUR); Epoxidharze (EP)
124
Was ist ein Dipol?
Elektronen aufgrund unterschiedlicher Elektronegativitäten der Atome ungleichmäßig verteilt, wodurch es ein positives und ein negatives Ende (Pol) gibt.
125
Beschreibe die Van der Waals Kräfte.
Schwache, intermolekulare Anziehungskräfte, die durch temporäre oder permanente Dipole zwischen Molekülen entstehen und sowohl dipol-dipol- als auch dipol-induzierte Wechselwirkungen umfassen.
126
Welche Struktur haben Thermoplasten?
Fadenförmigen Makromolekülen, die entweder völlig ungeordnet verknäult sind (amorph) oder in Teilbereichen geordnet vorliegen (teilkristalline Struktur).
Gebündelt, gefaltet, sphärolitisch, verknüpft.
127
Wie halten Thermoplasten zusammen?
Durch Dipol- oder Van-der-Waals-Kräfte, welche auf elektrostatischen Wechselwirkungen durch Dipolmoleküle beruhen. Diese physikalischen Kräfte sind weniger stark, weshalb solche Kunststoffe bei Temperaturerhöhung schnell erweichen.
128
Wann bilden sich bei Thermoplasten teilkristalline Strukturen?
Wenn die physikalischen Kräfte in Teilbereichen besonders groß sind. Mit dem Grad der Kristallinität nimmt die Transparenz ab.
129
Welche Struktur haben Elastomere?
Weitmaschige räumlich vernetzte Struktur.
130
Wie halten Elastomere zusammen?
Halten durch chemische Bindungen zusammen, weshalb es keinen Erweichungsbereich gibt vor der Zersetzung.
131
Welche Struktur haben Duroplasten?
Engmaschig räumlich vernetzte Struktur.
132
Wie halten Duroplasten zusammen?
Halten durch chemische Bindungen zusammen, weshalb es keinen Erweichungsbereich gibt vor der Zersetzung.
133
Was ist die Polymerkombination?
Zur Erzeugung bestimmter Eigenschaften, können verschiedene Monomere/Polymere kombiniert werden.
134
Welche Arten der Polykombination gibt es?
1. Copolymerisation: Vermischung innerhalb der Kette
A. Statisch AABBBABBBBAAAABB-
B. Alternierend ABABABABAB-
C. Block AABBBBAABBBBAABBBB-
2. Pfropfpolymerisation: Eine Monomerart ist an eine Kette angehängt (aufgepfropft); Haupt- und Nebenketten.
135
Arten Zusatzstoffe Kunststoffe?
Füllstoffe und Verstärkungsstoffe: senken Materialkosten und verbessern mechanische Eigenschaften.
Weichmacher: Einlagerung zwischen Makromoleküle, um Bindungskräfte zu schwächen.
Treibmittel: Einbringung Gase in Kunststoff, um Schaumgebilde zu erzeugen.
Flammschutzmittel: brennbarer Kunststoff wird flammwidrig.
Farbmittel: Optische Veränderung.
Stabilisatoren: Erhöhung Licht- und Wärmebeständigkeit.
Festschmierstoffe: Verbesserung Gleiteigenschaften.
Antistatika: Reduzieren Oberflächenwiderstand -> antistatische Aufladung.
Leitfähigkeitsverbesserer: Erniedrigung des spezifischen Widerstandes.
136
Positive Eigenschaften Kunststoffe?
Hervorragende Wärmedämmeigenschaften.
Gute Isoliereigenschaften (elektrische und Wärmeisolation).
Geringe Dichte.
Gute chemische Beständigkeit.
Witterungsbeständigkeit.
Im amorphen Zustand transparent.
137
Negative Eigenschaften Kunststoffe?
Relativ geringe Festigkeitswerte.
Neigung zum Kriechen.
Verhältnismäßig niedrige Gebrauchstemperaturen.
Große Wärmeausdehnung.
Häufig Brennbarkeit.
Alterung (z. B. Versprödung durch UV-Strahlung).
138
Unterteilung der anorganischen nichtmetallischen Werkstoffe?
Kristalle; Keramik und anorganische Gläser; anorganische Bindemittel.
139
Was sind die wichtigsten Halbleiterstoffe?
Silicium und Germanium.
140
Erkläre den Unterschied zwischen Glas und Kristall im Bezug auf die Atomanordnung.
Glas: Nahordnung der Atome, Amorph (keine sich periodisch wiederholende Struktur), auch im Inneren erhöhte Energie.
Kristall: Nah- und Fernordnung, Energieärmer (nur an Oberfläche erhöhte Energie) und damit stabiler Zustand.
141
Eigenschaften Glas?
• Hohe Erweichungstemperatur
• Große chemische Beständigkeit
• Hohe Härte
• Praktisch unbegrenzte Rohstoffbasis.
142
Definition Glas?
Eingefrorener Zustand einer unterkühlten Flüssigkeit. Stoffe die beim Erstarren der Schmelze nicht kristallisieren.
143
Wie ist Glas aufgebaut?
Aus SiO4-Tetraedern, welche über alle vier Ecken miteinander verknüpft sind.
144
Vor- und Nachteile von Quarzglas (Kieselglas)?
Vorteile: Hohe Erweichungstemperatur von über 1500°C.
Geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient.
Hohe UV-Durchlässigkeit.
Hoher spezifischer elektrischer Widerstand.
Säureresistent (außer Fluss- und Phosphorsäure).
Besteht nur aus Siliciumdioxid.
Nachteile: Schwierige Verarbeitbarkeit und hoher Rohstoffpreis.
145
Nenne 3 verschiedene Glasarten.
Soda-Kalk-Glas, gewöhnliches Gebrauchsglas, geringe Dichte, Neigung zur Wasseraufnahme.
Bleiglas, hohe Dichte, Ausgangsprodukt für geschliffene Glaserzeugnisse.
Kali-Kalk-Glas, hohe Dichte, hoher Lichtbrechungsindex, Verwendung für optische Geräte.
Borsilicatglas, chemisch sehr beständig, geringe Wasseraufnahme, geeignet als Geräteglas für Laboratorien.
146
Wie funktionieren lichtleitende Glasfasern?
Kern aus hochbrechendem Glas mit einem Überzug aus Glas mit niedrigem Brechungsindex -> „verspiegelte“ Glasfasern. Das Licht wird durch die ständig wiederholte Totalreflexion übertragen.
147
3 Schritte der Herstellung von Keramik?
• Aufbereiten und Mischen der Pulver.
• Herstellen der Formteile.
• Brennen (Sintern).
148
Ausgangmaterialien Keramik?
Plastische oder spröde Pulver:
Plastisch (Kaolin und Ton).
Spröde (Quarz und Feldspat, Oxidkeramik wie Aluminiumoxid Al2O5, Nichtoxidkeramik Siliciumcarbid SiC).
149
Vor- und Nachteile von Keramik?
Vorteile:
• hohe Temperaturbeständigkeit.
• hohe Verschleißfestigkeit.
• niedrige Dichte.
• sehr gute Korrosionsbeständigkeit.
Nachteile:
• große Sprödigkeit.
• Empfindlichkeit gegen schnelle Temperaturwechsel.
• schlechte Bearbeitbarkeit.
150
Nenne Kohlenwerkstoffe.
Diamant, Grafit, Kohlenstofffasern, Glaskohlestoff.
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Aufbau Diamant?
Reine kovalente Bindung. Kohlenstoffatome bilden ein kfz-Gitter, wobei vier weitere Atome je Elementarzelle abwechselnd die Tetraederlücken besetzen.
152
Aufbau Grafit?
Hexagonales Schichtgitter mit starker kovalenter Bindung innerhalb der Schicht.
Das vierte Valenzelektron eines jeden Kohlenstoffatoms ist schwach gebunden und bewirkt die schwache Bindung zwischen den Schichten.
153
Eigenschaften Kohlenstofffasern?
• Hohe Zugfestigkeit.
• Hohe Elastizität.
• Geringe Dichte.
154
Aufbau Kohlenstofffasern?
Durch die Streckung werden die Grafitschichten parallel zur Faserrichtung ausgerichtet, wodurch die C-C-Bindungen genutzt werden kann.
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Aufbau Glaskohlestoff?
Die hexagonalen Schichten liegen in Form einer polymerähnlichen Knäulstruktur vor. Annähernd amorphe Struktur.
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Was ist die Matrix bei Verbundwerkstoffen?
Nach Masse, Volumen oder Dicke überwiegende Komponente. Übernimmt die Erhaltung der Form, Stützung der anderen Phase und schützt sie vor Feuchtigkeit und Chemikalien.
157
Was ist die Verbundphase bei Verbundwerkstoffen?
Ist in die Matrix eingebettet und soll bestimmte Eigenschaften verbessern oder hervorrufen. Sie übernimmt die Funktion, welche die Matrix, aufgrund ihrer Eigenschaften nicht übernehmen kann.
158
Welche Phasen sind für Verbundwerkstoffe geeignet?
Metalle, Keramik und Polymere.
159
Welche Verbundarten gibt es?
Schicht-Verbund, Faser-Verbund, Teilchen-Verbund, Durchdringungs-Verbund.
160
Warum werden Verbundwerkstoffe hergestellt?
Durch Verbundwerkstoffe ist die optimale Ausnutzung stark unterschiedlicher Eigenschaften möglich.
