materialwissenschaft eine klausur

5/16/2018 Materialwissenschaft Eine Klausur - slidepdf.com

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Frühling 2004 - Einführung in die Materialwissenschaft

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17.03.2004

Prüfung Einführung in die Materialwissenschaft – Teil A (Prof. Gauckler)

Frage 1:a) Welche vier Bindungsarten in Festkörpern kennen Sie? (1 Punkt)

b) Unterteilen Sie die Bindungen in starke und schwache Bindungen. (1 Punkt)c) Geben Sie für jede Bindungsart ein Material als Beispiel an, bei dem der jeweilige Bindungstyp

besonders wichtig ist. (2 Punkte)d) Wieso fühlt sich Metall kälter an als Kunststoff? (1 Punkt)

Frage 2:a) Skizzieren Sie das Bohr’sche Atommodell und erklären Sie es kurz. (1 Punkt)b) Was sind Balmersche Linien und wie kommen sie zustande? Erklären Sie anhand einer Skizze!

(2 Punkte)c) Welche Erweiterung brachte De Broglie in das Bohr’sche Atommodell ein? (1 Punkt)d) Was besagt das Pauliprinzip? (1 Punkt)

Frage 3:a) Was sind Halbleiter? (1 Punkt)b) Was ist der Unterschied zwischen einem intrinsischen und einem extrinsischen Halbleiter? Geben

Sie jeweils auch ein Beispiel. (2 Punkte)c) Was versteht man unter einem n – bzw. einem p - Typ – Halbleiter? (1 Punkt)d) Wie können Sie herausfinden, welcher Typ Halbleiter vorliegt? (1 Punkt)

Frage 4:a) Wissen Sie, wie man durchsichtiges Metall herstellen kann? Begründen Sie. (1.5 Punkte)b) Wie würden Sie Diamant von Glas unterscheiden? Nennen Sie vier Möglichkeiten! (2 Punkte)

Frage 5:Für welchen Wellenbereich im sichtbaren Lichtspektrum ist ZnTe mit einer Bandlücke von 2.26 eV einPhotonenleiter? (3 Punkte)

Frage 6:Bei welcher Temperatur wird das Energieniveau von 5.60 eV bei Silber (EF = 5.48 eV) zu 25% gefülltsein? (3.5 Punkte)




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17.03.2004

Prüfung Einführung in die Materialwissenschaft – Teil B (Prof. Uggowitzer)

Frage 1:Wir untersuchen einen Stahl mit eutektoider Zusammensetzung:a) Welche Phasen liegen bei 800°C vor? (1 Punkt)

b) Berechnen Sie die Mengenanteile (in Gramm) von � und Fe3C von 1 kg Stahl bei 727°C und beiRaumtemperatur. (3 Punkte)

c) Skizzieren Sie schematisch das Gefügebild bei Raumtemperatur. (1 Punkt)




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Frage 2:a) Geben Sie eine qualitative Beschreibung der Entwicklung der Mikrostruktur (mit Gefügeskizzen)

bei langsamer Abkühlung einer Lotlegierung (Pb-Sn) mit 10 Gew.-% Sn bei 300°C, 200°C, 100°Cund Raumtemperatur. (5 Punkte)

Frage 3:Welche Härtungsmechanismen für metallische Werkstoffe kennen Sie? Beschreiben Sie derenWirkungsweisen. (6 Punkte)

Frage 4:Zwei verschiedene Stähle mit gleichem E-Modul (Young’s modulus) werden in einem Zugversuchgetestet. Stahl 1 zeigt dabei eine höhere Zugfestigkeit (tensile strength) als Stahl 2. Beide Stählehaben zudem dieselbe Zähigkeit (toughness).Zeichnen und begründen Sie mit Hilfe obiger Angaben die entsprechenden Spannungs-Dehnungs-Diagramme der beiden Stahlsorten. (3 Punkte)

Frage 5:

a) Nachfolgender Arrhenius-Plot zeigt die Diffusion von Kohlenstoff in �-Fe (bcc). Berechnen Sie dieentsprechende Aktivierungsenergie (2 Punkte)

b) Wie hoch ist die Diffusionsgeschwindigkeit von Kohlenstoff in �-Fe (bcc) bei 400°C, wennDo=220*10

-6m

2/s ist? (2 Punkte)

c) Die Aktivierungsenergie für die Selbstdiffusion (Volumendiffusion) von Fe in �-Fe beträgt240 kJ/mol. Für die Korngrenzendiffusion liegt die Aktivierungsenergie deutlich tiefer. BegründenSie weshalb. (2 Punkte)



Frühling 2004 - Lösung

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17.03.2004

Key Prüfung Einführung in die Materialwissenschaft – Teil A (Prof. Gauckler)

Frage 1:a) Ionenbindung, Kovalente Bindung, Metallische Bindung, vdW Bindungen

b) alles starke Bindungen, ausser vdWc) NaCl, Polyethylen, Aluminium, Kolloidsuspensiond) Wärmeleitfähigkeit Metall > Kunststoff

Frage 2:a) Protonen + Neutronen Kern umkreist von Elektronen mit definierten Bahnen

b) EPhoton = h = hc/�: Elektronen nehmen Energiequanten auf und geben sie wieder spontan ab ->Lichtemission bei elementspezifischen Wellenlängen

c) Nach De Broglies Hypothese kann ein um den Atomkern kreisendes Elektron durch eine stehendeWelle beschrieben werden.

d) Zwei Elektronen können nicht gleichzeitig den selben Energiezustand einnehmen, sprich alleQuantenzahlen können nicht gleich sein.

Frage 3:a) Durch thermische Anregungen oder auch Anregung durch Photonen lassen sich bei Halbleitern

Elektronen aus dem Valenzband über die Bandlücke ins Leitungsband befördern, wodurch danndie elektrische Leitfähigkeit erzeugt wird und zunimmt.

b) Intrinsisch (ohne Fremdatome): Si, Ge, extrinsisch (mit Fremdatomen dotiert): Si4+

dotiert mit B3+

c) n – Typ: Elektronen verantwortlich für Leitfähigkeit, p – Typ: Löcher verantwortlich für Leitfähigkeitd) Halleffekt

Frage 4:a) Nicht möglich! Wechselwirkungen von metallischen Elektronen mit Licht absorbieren, bzw.

reflektieren Wellen im sichtbaren Bereich komplett.b) XRD (Beugungsmuster), Härte (Ritzen), Dichte (Archimedes), Brechungsindex, thermische

Analyse (Schmelzpunkt), ...

Frage 5:




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17.03.2004

Frage 6:




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17.03.2004

Prüfung Einführung in die Materialwissenschaft – Teil B (Prof. Uggowitzer)

Frage 1:

a) Bei 800°C liegt nur eine Phase vor: γ -Fe (Austenit)

b) Bei 727°C: 3

6.69 0.77 0.77 0.02(1000g) 887.6g ; (1000g) 112.4g6.69 0.02 6.69 0.02

Fe C m mα

− −= = = =− −

� �

Bei RT:3

6.69 0.77 0.77 0(1000g) 884.9g ; (1000g) 115.1g

6.69 0 6.69 0 Fe C

m mα

− −= = = =

− −� �

c) 100% Eutektikum (Perlit; Umwandlung aus γ -Fe). Lamellen aus α-Fe und Fe3C.

Frage 2:

Bei 300°C: Zweiphasenraum; Schmelze und α-Pb

Bei 200°C: Einphasenraum; α-Pb

Bei 100°C: Zweiphasenraum; α-Pb und β-Sn

Bei RT: Zweiphasenraum; α-Pb und β-Sn (etwas mehr Sn-Phase als bei 100°C)

Frage 3:4 Härtungsmechanismen (siehe Schlusstestatprüfung Februar 2004):- Mischkristallhärtung: Verzerrung des Kristallgitters durch Einbau von Fremdatomen; Behinderung

der Versetzungsbewegung- Feinkornhärtung: Korngrenzen wirken als Barrieren für Versetzungen: Versetzungsaufstau an

den Korngrenzen- Ausscheidungs- / Teilchenhärtung: Teilchen und nicht schneidbare Ausscheidungen (inkohärent)

behindern die Versetzungsbewegung.- Kaltverformung: Durch die hohe Versetzungsdichte behindern sich die Versetzungen

gegenseitig am Weiterlaufen. Es kann zur Ausbildung von Versetzungsknoten(Lomer-Cottrell Barrieren) kommen.

Frage 4:- gleicher Anstieg im elastischen Bereich (E-Modul)- Stahl 1 hat eine höhere Zugfestigkeit aber geringere Bruchdehnung als Stahl 2- die Fläche unter der Spannungs-Dehnungskurve der beiden Stähle muss gleich sein (Zähigkeit).

Frage 5:a) Steigung der Geraden: -Q/R; Q=122 kJ/mol (s. Fig. 5-13); Herauslesen aus Grafik: Q~114 kJ/molb) D=Do*exp(-Q/RT); Q=122kJ/mol; Do=220*10

-6m

2/s; T=673K

D=7.5*10-14

m2 /s

c) Leerstellen bilden die Voraussetzung für Diffusion. Die Aktivierungsenergie für Diffusion setzt sichdemnach aus einem Term für die Leerstellenbildung und einem Term für dieLeerstellenwanderung zusammen. Da bei der Korngrenzendiffusion keine zusätzlichenLeerstellen mehr gebildet werden müssen, ist die Aktivierungsenergie deutlich kleiner als bei der

Volumendiffusion.

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