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Über dieses Buch

Diese Aufgabensammlung enthält Fragen und Aufgaben, die inhaltlich mit dem Aufbau des Lehrbuches korrespondieren. Dadurch kann nicht nur zur Frage die Antwort, sondern auch der zugehörige Lernstoff schnell gefunden werden. In der 11. Auflage wurde das alte Kapitel „Tribologische Beanspruchung und werkstofftechnische Maßnahmen“ analog zum Lehrbuch gestrichen. Dafür wurden mehr als 20 neue Fragen aufgenommen, insbesondere in den Kapiteln „Kunststoffe“ und „Werkstoffprüfung“, die am stärksten überarbeitet wurden. Die Aufgabensammlung enthält eine neue Übungsklausur, weitere finden sich auf der Verlagshomepage beim Buch. Das Buch ermöglicht, Aussagen über Werkstoffbehandlung und Werkstoffauswahl zu treffen, Werkstoffe und Verfahren zu bewerten. Mit Hilfe der Lösungen ist eine selbstständige Lernkontrolle möglich.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Fragen

Frontmatter

1 Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge

1
Eine Grobeinteilung der Werkstoffe geschieht nach ihrer Verwendungsart in zwei Gruppen. Nennen und erläutern Sie diese beiden Gruppen und geben Sie jeweils ein Beispiel.
 
2
Eine Grobeinteilung der Werkstoffe geschieht nach der inneren Beschaffenheit in drei Gruppen und deren Kombinationen. Wie werden die drei Gruppen genannt sowie die Kombinationen? Geben Sie für jede Gruppe sowie für eine Kombination ein Beispiel.
 
3
Nennen Sie die vier Ziele der Werkstofftechnik.
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

2 Metallische Werkstoffe

1
Nennen Sie häufige technische Anforderungen an metallische Werkstoffe.
 
2
Nennen Sie technische Faktoren, die den Preis eines Metalles bestimmen.
 
3
Welche beiden Metalle sind am häufigsten in der Erdrinde anzutreffen?
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

3 Die Legierung Eisen-Kohlenstoff

1
Nennen Sie Dichte und Schmelztemperatur von Reineisen.
 
2
Bei der Aufheizung und Abkühlung ändert Reineisen bei zwei Temperaturen die Kristallstruktur. Welche Temperaturen sind es, und welche Phasenumwandlungen finden bei diesen Temperaturen statt?
 
3
Auch bei 769 °C findet in Eisen eine Phasenumwandlung statt. Wie nennt man diese, und was passiert dabei?
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

4 Stähle

1
Nennen Sie die ungefähren C‐Gehalte von Roheisen und Stahl.
 
2
Welche Elemente sind im Roheisen enthalten?
 
3
Warum müssen bei der Stahlherstellung insbesondere P und S aus dem Roheisen entfernt werden?
 
4
Nennen Sie die ungefähren Schmelztemperaturbereiche von Roheisen und Stahl.
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

5 Wärmehandlung der Stähle

1
Welche Ziele haben alle Verfahren der Wärmebehandlung?
 
2
Nach den Unterschieden in der Verfahrenstechnik werden sie in vier Gruppen eingeteilt, welche sind es?
 
3
Wie arbeiten thermische Verfahren?
 
4
Wie arbeiten thermo‐chemische Verfahren?
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

6 Eisen-Gusswerkstoffe

1
a)
Auf welche Weise wird die kugelförmige Ausbildung der Graphitkristalle erreicht?
 
b)
Welche Bezeichnungen existieren außer der genormten Kugelgraphitguss noch?
 
 
2
a)
Wie lautet die normgerechte Bezeichnung für eine der Sorten Gusseisen mit Kugelgraphit? Welche Bedeutung haben die angegebenen Zahlen?
 
b)
Welchen Bereich überdecken die genormten Sorten?
 
c)
Durch welche Gefügemerkmale wird bei den Sorten die zunehmende Festigkeit erreicht?
 
 
3
Gusseisen mit Kugelgraphit unterscheidet sich von Gusseisen mit Lamellengraphit in drei mechanischen Eigenschaften besonders stark. Nennen Sie Eigenschaften und Unterschiede.
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

7 Nichteisenmetalle

1
Wie werden reine NE-Metalle mit Kurzzeichen benannt? Geben Sie dazu Beispiele an.
 
2
Wie werden Legierungen der NE-Metalle mit Kurzzeichen benannt? Geben Sie dazu Beispiele an.
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

8 Nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe

1
Keramische Stoffe werden in drei Gruppen nach ihrer chemischen Struktur eingeteilt. Nennen Sie die Gruppen mit je einem Werkstoff daraus.
 
2
Welche chemische Bindungsarten liegen bei der technischen Keramik vor?
 
4
Welches Fertigungsverfahren wird hauptsächlich für Bauteile aus keramischen Stoffen angewandt (Begründung)?
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

9 Kunststoffe (Polymere)

1
Metalle bestehen aus Kristallen, deren Kristallgitter in meist dichter Packung mit starker Metallbindung zusammenhalten. Woraus bestehen im Vergleich dazu die Kunststoffe?
 
2
a)
Nennen Sie mindestens vier Elemente, aus denen die Kunststoffe bestehen.
 
c)
Begründen Sie die Einordnung der Kunststoffe.
 
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

10 Verbundstrukturen und Verbundwerkstoffe

1
Wie wird der Begriff Verbundwerkstoffe definiert? Geben Sie zwei grundsätzliche Möglichkeiten des Verbundes mit Beispielen an.
 
2
Nach welcher Regel werden Verbundwerkstoffe i. Allg. bezeichnet?
 
4
Welche Probleme bestehen bei den Verbundwerkstoffen allgemein?
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

11 Werkstoffe besonderer Herstellung oder Eigenschaften

1
Zu welchem Bereich der Fertigungsverfahren gehört die Pulvermetallurgie? Welche Verfahren gehören noch dazu?
 
2
Nennen Sie die Hauptarbeitsgänge des pulvermetallurgischen Fertigungsverfahrens, wenn mit Metallpulver gearbeitet wird (Aufzählung).
 
3
a)
Die angewandten Pressdrücke betragen 4…6 kbar. Welche Kraft wäre erforderlich, um ein Teil mit einer Pressfläche von 4 cm2 bei 6 kbar zu pressen?
 
b)
Welche Einflussgrößen wirken auf die erreichbare Pressdichte ein (Aufzählung)?
 
c)
Worauf ist die Festigkeit des Presslings zurückzuführen?
 
d)
Wodurch wird die Größe von Pressteilen nach oben begrenzt?
 
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

12 Korrosionsbeanspruchung und Korrosionsschutz

1
Beschreiben Sie die Korrosionsbeanspruchung mit Begriffen der Norm DIN EN ISO 8044.
 
2
Die Reaktion eines metallischen Werkstoffes kann auf drei verschiedene Arten erfolgen. Nennen Sie diese mit je einem Beispiel.
 
3
Die Korrosionserscheinung am Bauteil beeinträchtigt seine Funktion. Welche Möglichkeiten gibt es?
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

13 Überlegungen zur Werkstoffauswahl

3
Was unterscheidet die Anforderungen an einen Werkstoff für Transportbehälter von 50 l eines kohlensäurehaltigen Getränkes von denen an einen Verkaufsbehälter von 0,5 l des gleichen Getränkes? Was für Konsequenzen hat das für die Werkstoffwahl?
 
4
Welche Werkstoffe kann man für einen Fahrradrahmen verwenden und welche nicht? Begründen Sie Ihre Auswahl.
 
5
a)
Was ist die Hauptanforderung an den Werkstoff für einen Fräser zur Metallbearbeitung?
 
b)
Durch welche Werkstoffgruppen wird diese Anforderung erfüllt?
 
 
6
a)
Was sind die Hauptanforderungen an den Werkstoff für eine Maschinenschraube?
 
b)
Woraus werden also Maschinenschrauben normalerweise hergestellt?
 
c)
Was könnte man noch als Schraubenwerkstoff nehmen? Was ist der entscheidende Nachteil dieser Werkstoffgruppe?
 
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

14 Werkstoffprüfung

1
Welcher wichtige Gesichtspunkt ist bei der Entnahme und Herstellung einer Probe zu beachten?
 
2
Was sind die kennzeichnenden Merkmale von
a)
statischen,
 
b)
dynamischen Prüfverfahren?
 
 
3
Nennen Sie je ein Beispiel für ein
a)
statisches,
 
a)
dynamisches Prüfverfahren.
 
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

Antworten

Frontmatter

1 Grundlegende Begriffe und Zusammenhänge

1
1.
Strukturwerkstoffe; geben Form, Festigkeit und Steifigkeit; Stahl für einen Kran.
 
2.
Funktionswerkstoffe; haben besondere chemisch-physikalische Eigenschaften; Keramik als elektrischer oder thermischer Isolator.
 
 
2
Metallische Werkstoffe, Nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe, Organische Werkstoffe, Verbundwerkstoffe, Stahl, Porzellan, Polyethylen, Glasfaserverstärktes Epoxidharz.
 
3
Werkstoffeigenschaften verbessern, Werkstoffkennwerte bereitstellen, neue Werkstoffe entwickeln, Fertigungsverfahren entwickeln und optimieren.
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

2 Metallische Werkstoffe

1
Festigkeit, Zähigkeit, chemische Beständigkeit, Verarbeitbarkeit, weiterhin Verschleißbeständigkeit und Dauerfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit.
 
2
Vorkommen der Erze, Aufwand bei der Reduktion der Erze, chemische Reaktivität, Verarbeitungstemperaturen, Recyclingmöglichkeiten.
 
3
Aluminium und Eisen.
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

3 Die Legierung Eisen-Kohlenstoff

1
Dichte ρ = 7,86 g/cm3, Schmelztemperatur T m = 1536 °C.
 
2
911 °C, α/γ‐Umwandlung; 1392 °C, γ/δ‐Umwandlung.
 
3
Curie‐Temperatur, bei Aufheizung verliert Eisen bei dieser Temperatur seine ferromagnetischen Eigenschaften, d. h. oberhalb der Curie‐Temperatur ist Eisen nicht dauerhaft magnetisierbar.
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

4 Stähle

1
Roheisen 3…4 %; Stahl meistens 0,1…0,6 % C.
 
2
Außer Eisen: Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Schwefel, Phosphor.
 
3
Weil beide Elemente die Zähigkeit von Stahl reduzieren.
 
4
Roheisen 1100…1200 °C; Stahl 1500…1600 °C.
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

5 Wärmehandlung der Stähle

1
Der Werkstoff soll ein gewünschtes Eigenschaftsprofil erhalten, eine Formänderung ist im Regelfall unerwünscht.
 
2
a)
Thermische Verfahren,
 
b)
Thermo-chemische Verfahren,
 
c)
Thermo-mechanische Verfahren,
 
d)
Mechanische Verfahren.
 
 
3
Erwärmen, Halten und Abkühlen des Werkstückes nach bestimmten Temperatur-Zeit-Verläufen.
 
4
Chemische Veränderung der Randzone. Glühen der Teile in Feststoffen, Salzschmelzen und Gasen.
 
5
Plastische Verformung im Laufe der Abkühlung vor oder während der Umwandlung bzw. der Rekristallisation.
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

6 Eisen-Gusswerkstoffe

1
a)
Durch eine Impfung der Schmelze in der Gießpfanne mit Mg-Legierungen.
 
b)
Sphärolithisches Gusseisen, Sphäroguss, duktiles Gusseisen.
 
 
2
a)
EN-GJS-400-15. Die erste Zahl gibt die Mindestzugfestigkeit in N/mm2 an, die zweite die Mindestbruchdehnung in %.
 
b)
Zugfestigkeiten von 350…900 N/mm2 in 9 Sorten. Davon sind zwei mit gewährleisteter Kerbschlagzähigkeit (GJS-350-22 LT und GJS-400-18-LT).
 
c)
Durch das Grundgefüge, das von rein ferritisch über ferritisch-perlitisch bei den höheren Festigkeiten in rein perlitisch übergeht.
 
 
3
Zugfestigkeit Rm. Der Bereich der GJS-Sorten beginnt, wo die GJL-Sorten enden. Bruchdehnung liegt wesentlich höher; bei zwei Sorten ist sogar die Kerbschlagzähigkeit gewährleistet (ISO-V-Probe bei 40 °C). Dämpfungseigenschaften liegen niedriger als bei GJL, sind jedoch höher als bei Stahlguss.
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

7 Nichteisenmetalle

1
Chemisches Symbol mit angehängter Zahl, welche den Metallgehalt in Prozenten angibt. Die Differenz zu 100 % ist der Anteil an Verunreinigungen. Al 99,9: Reinaluminium mit 99,9 % Metallgehalt und 0,1 % Fremdstoffen, genauere Angaben nach DIN‐Norm.
 
1
Chemische Symbole von Basismetall und Hauptlegierungselementen (LE) nach fallenden Anteilen. Nach jedem LE-Symbol folgt dessen Gehalt in Prozenten, das Basismetall wird nicht angegeben. Wenn keine Verwechslung möglich ist, kann Prozentangabe von LE wegfallen.
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

8 Nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe

1
Silikatkeramik: Sanitärkeramik aus Steinzeug, Porzellan, Oxidkeramik: Al-Oxid fürWendeschneidplatten, Dicht- und Führungselemente, Nichtoxidkeramik: Si-Carbid und Si-Nitrid für Düsen, Wälzkörper, Abgasturbinenläufer, Schleifscheiben.
 
2
Oxidkeramik: Ionenbindung/Atombindung gemischt, Nitride und Karbide: überwiegend Atombindung.
 
4
Pulvertechnologische Herstellung durch Pressen von Pulvern in eine Form und anschließendes Sintern.
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

9 Kunststoffe (Polymere)

1
Kunststoffe sind amorph und bestehen aus kovalent gebundenen Makromolekülen auf Basis des Nichtmetalls Kohlenstoff mit schwacher zwischenmolekularer Bindung; einige sind teilkristallin und bilden Molekülgitter, keine dichte Packung.
 
2
a)
C, H, O, N, S, Cl, F, Si.
 
c)
Da Kunststoffe aus Kohlenwasserstoffen und deren Abkömmlingen bestehen (reiner Kohlenstoff hat eine Dichte von etwa 2,2 kg/dm3) und keine dichten Packungen aufweisen, sind sie leichter als die Leichtmetalle.
 
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

10 Verbundstrukturen und Verbundwerkstoffe

1
Verbundwerkstoffe bestehen aus zwei oder mehr Phasen von Stoffen, die aus verschiedenen Werkstoffgruppen kommen:
Der entstehende Stoff wird in seinen Eigenschaften als ein Werkstoff betrachtet.
 
2
Werkstoff und Form der Verstärkungsphase – Werkstoff der Matrix. Beispiel: Glasfaserverstärkter Kunststoff.
 
4
Verbundwerkstoffeigenschaften sind sehr stark vom Herstellungsprozess abhängig. Aufwendige Sicherung der Qualität (z. B. der richtigen Lage der Verstärkungsphasen (z. B. bei Fasergelegen)). Haftungsprobleme zwischen Stoffen mit ungleicher Bindungsart und Gefahr von Reaktionen bei höheren Temperaturen, vielfach sind Beschichtungen (Interface) erforderlich. Wesentlich höhere Kosten gegenüber herkömmlichen Werkstoffen. Probleme beim Recycling.
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

11 Werkstoffe besonderer Herstellung oder Eigenschaften

1
Pulvermetallurgie gehört mit Gießen, Sprühkompaktieren und Galvanoformen zum Fertigungsbereich Urformen.
 
2
Pulverherstellung, Pressen, Sintern, Kalibrieren.
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

12 Korrosionsbeanspruchung und Korrosionsschutz

1
Sie besteht aus einer Reaktion des metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung bewirkt. Diese sog. Korrosionserscheinung kann die Funktion des Bauteiles beeinträchtigen.
Chemische Reaktion: Anlaufen des Silbers in Gegenwart von Schwefel, Zunderung des Stahles beim Glühen, elektrochemische Reaktion: Rosten des Stahles, Grünspan auf Messing, Patina auf Cu-Dächern, weißer Belag auf Al, metallphysikalische Reaktion: Werkstoffverlust durch Lösen in Metallschmelzen (Formen für Al-Druckguss), Zinnpest (Gitterumwandlung bei tiefen Temperaturen in eine spröde Phase).
 
3
a)
Schwächung der Querschnitte → höhere Spannungen → größere Verformungen → Bruch,
 
b)
Verletzung der Oberfläche → Kerbwirkung → Dauerfestigkeit sinkt → Bruch,
 
c)
Lochbildung → Undichtigkeiten,
 
d)
Korrosionsprodukt hat größeres Volumen → Blockierung beweglicher Teile, Sprengwirkung in engen Spalten oder Oberflächenschichten (Rostbeulen im Lack).
 
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

13 Überlegungen zur Werkstoffauswahl

3
Ein Transportbehälter muss eine hohe Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit besitzen, damit seine Langlebigkeit garantiert werden kann. Dadurch fallen PET, Glas und Weißblech als mögliche Werkstoffe aus. Außer Aluminium ist CrNi-Stahl ein möglicher Werkstoff, da der hohe Preis bei einem Bauteil für den Dauergebrauch nicht so ins Gewicht fällt wie bei einem Verpackungswerkstoff.
 
4
Verwendbar: Aluminiumlegierungen (niedrige Dichte, mittlere Steifigkeit), Stahl (mittlere Dichte, hohe Steifigkeit), CfK (niedrige Dichte, hohe Steifigkeit). Nicht verwendbar: Polymere (zu niedrige Steifigkeit), Glas/Keramik (zu spröde).
 
5
a)
Hohe Härte auch bei erhöhter Temperatur.
 
b)
Schnellarbeitsstahl, Sinterhartmetall, Keramik.
 
 
6
a)
Festigkeit und Zähigkeit.
 
b)
Vergütungsstahl.
 
c)
Titanlegierungen, deutlich teurer als Vergütungsstahl.
 
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

14 Werkstoffprüfung

2
Zerstörende Prüfung: Forschung und Entwicklung, stichprobenartige Produktionskontrolle bei Halbzeugen (Probenabschnitte) und Großserien. Zerstörungsfreie Prüfung: Produktionskontrolle bei Einzelstücken und 100 %‐Überwachung bei Großserien.
 
1
Die Probe muss repräsentativ für das ganze Bauteil sein. Deshalb muss die Probe an bestimmten Stellen und ohne Veränderung des Gefüges entnommen und weiterbearbeitet werden, d. h. sie darf z. B. keine Erwärmung oder Kaltverformung erleiden.
 
2
a)
Die Belastung wird schnell aufgebracht und danach bis zum Ende des Versuches konstant gehalten oder sie wird langsam bis zum Höchstwert gesteigert.
 
b)
Die Belastung schwankt längere Zeit periodisch zwischen zwei Grenzwerten oder sie ist schlagartig.
 
 
3
a)
Härteprüfungen nach Brinell, Vickers und Rockwell, Zugversuch, Zeitstandversuche.
 
b)
Dauerschwingversuch, Kerbschlagbiegeversuch, Rücksprunghärtemessung.
 
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms

Übungsklausur. Zeit: 90 Minuten

1
Warum ist Feinkörnigkeit in der Regel bei metallischen Werkstoffen erwünscht? 2P
 
Wolfgang Weißbach, Michael Dahms
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