WK an der Fachhochschule Wiener Neustadt | Karteikarten & Zusammenfassungen

Lernmaterialien für WK an der Fachhochschule Wiener Neustadt

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1. Was versteht man unter Naturstoffen, Rohstoffen, Werksstoffen und Hilfsstoffen? In welche Gruppen können Werkstoffe eingeteilt werden?

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  • Naturstoffe:
    In der Natur angeboten, entstehen ohne menschlichen Einfluss (z.B. Erdöl, Erze, Holz, Kohle)
  • Rohstoffe:
    nutzbar gemachte Naturstoffe
    o Primärrohstoffe:
    gefördertes Erdöl, geförderte Erze, gefällte Bäume, etc.
    o Sekundärrohstoffe: Schrott,Altpapier,Alttextilien etc.
  • Werkstoffe:
    werden aus Rohstoffen zu    Fertigprodukten    verarbeitet (z.B.    Polyethylen    und    –propylen    aus    Erdöl,    Stahl    aus    Erz,    Balken    und    Bretter    aus    Holz,    Teer    und     Koks    aus    Kohle) 
  • Hilfsstoffe:
    zur    Erzeugung    von    Werkstoffen aus Roh- und Naturstoffen erforderlich, gehen aber nicht in das Fertigprodukt ein (z.B. Schleifmittel)


Werkstoffgruppen: 
Metalle 
Nichtmetalle:
 - organisch-nichtmetallische Werkstoffe: Kunststoffe
 - anorganisch-nichtmetallische    Werkstoffe:    Keramik 

Verbundwerkstoffe:
 - Kombination von mind. zwei Werkstoffen (z.B. gasfaserverstärkte Kunststoffe)

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Was bedeutet das Pauli-Verbot?

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In einem Orbital können sich maximal 2 Elektronen aufhalten. Es dürfen keine 2 Elektronen in einem Atom in allen 4 Quantenzahlen übereinstimmen. 

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Beschreiben Sie das Atomorbitalmodell!

Wofür stehen die 4 Quantenzahlen?

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Ein Atomorbital ist der Raum, indem sich ein bestimmtes Elektron mit 90%iger Wahrscheinlichkeit aufhält. Die Form und Größe der Orbitale kann mit Hilfe der Schrödinger-Gleichung berechnet werden. Die Quantenzahlen (n, l, m, s) der Elektronen beschreiben die unterschiedlichen Orbitale.


4 Quanhtenzahlen:

  • Hauptquantenzahl n:
    Bezeichnet den mittleren Abstand des Elektrons zum Atomkern und somit die Schale zu der es gehört. -> größe des Orbitals (K, L, M, N, O, P, Q-Schale)
  • Nebenquantenzahl l:
    Bezeichnet die Unterschale und Gestalt des Orbitals (l = 0, 1, 2, ... bis n-1)s, p, d, f -Orbitale
  • Magnetquantenzahl m:
    Bezeichnet die räumliche Orientierung des Orbitals(m = -l, ... 0, ... +l)
  • Spinquantenzahl s:
    Bezieht sich auf Spin bzw. die Rotationsrichtung des Elektrons. Dadurch lassen sich die beiden Elektronen voneinander unterscheiden
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Beschreiben Sie das Rutherfordsche und Bohrsche Atommodell!

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  • Rutherfordsches Atommodell (1911): 
    Atom besteht aus positiv geladenem Atomkern und    einer Atomhülle aus Elektronen.
    - Elektrische Neutralität:
    Gesamtanzahl der Elektronen entspricht Kernladungszahl
    - Streuversuche: 
    Goldfolie mit Alpha-Teilchen bestrahlt, manche Teilchen wurden reflektiert -> massives Zentrum im Atom (Atomkern)


  • Bohrsches Atommodell (1913, Niels Bohr): 
    Atom besteht aus positiv geladenem, massetragendem Kern und Elektronen, die diesen auf Bahnen umkreisen (H-Atom)
    - Elektron bewegt sich nur auf bestimmten konzentrischen Kreisbahnen um den Atmokern. (Energieniveaus, Schalen)
    - Für jede Bahn    hat    das    Elektron    eine    bestimmte Energie (K-Schale niedrigste Energie, wenn Elektron dort => Grundzustand)
    - Um Elektron auf äußere Bahn zu bringen ist Energiezufuhr notwendig. => Angeregter Zustand
    - Springt das Elektron von der äußeren auf eine innere Bahn wird Energie in Form von Licht emittiert. (Differenz der Energiezustände -> Spektrallinie)
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Was versteht man unter Kristallgitterfehler?

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Gitterfehler sind Kristalle mit Fehlordnungen durch unregelmäßiges Kristallwachstum oder unreine Kristallsubstanzen.

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eschreiben Sie die einzelnen Fehlerarten!

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Punktförmige Gitterfehler:

fehlendes oder zusätzliches Atom

  • Leerstellen (unbesetzter Gitterplatz)
  • Zwischengitteratome (Einlagerungsatome in Lücken im Kristallgitter -> Legierungen)
  • Substitutionsatome (Wirtsatom durch Fremdatom ersetzt)


Linienförmige Gitterfehler: entstehen beim Kristallwachstum aus der Schmelze

  • Stufenversetzung (Versetzungslinie verläuft am Rand oder durch den Kern)
  • Schraubenversetzung (Spiralförmige Versetzung der Atomebene)


Flächenförmige Gitterfehler:

  • Korngrenze (Grenzen/Übergänge von einem Kristall zum benachbarten)
  • Zwillingskorngrenze (2 Kristalle werden gedreht und gekippt und bilden exakte ebene Korngrenze)
  • Stapelfehler (Schichtfolge der Gitterebenen gerät durcheinander)
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Was ist ein Kristall und welche Eigenschaften hat eine Elementarzelle?

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Kristalle sind Anordnungen von Atomen, Ionen oder Molekülen, deren Abstände sich periodisch im Raum wiederholen.


Eine Elementarzelle ist die kleinste Einheit des Gitters, die alle Merkmale des Gesamtgitters aufweist.

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Erläutern Sie folgende Begriffe: Legierung, Phase, Konzentration, Mischkristall!

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Legierung

Eine Legierung ist ein Gemisch aus mehreren Atomsorten (Komponenten) und hat metallische Eigenschaften. (z.B. Glanz, elektrische Leitfähigkeit)

Komponenten: Metalle (z.B. Cu, Ni), Nichtmetalle (z.B. C, N)


Phase

Zustand einer Legierung (fest,flüssig, gasförmig)


Konzentration (chemische Zusammensetzung)

Massen bzw. Gewichtsprozent oder Atomprozent (bezieht sich auf Anzahl der Atome)


Mischkristall

Ist aus mehreren Atomsorten aufgebaut, dabei ist eine Atomsorte in der anderen gelöst (durch Diffusion).

- Homogener Mischkristall:
gleichmäßige Verteilung

- Inhomogener Mischkristall:
ungleichmäßige Verteilung

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Wie lautet das Diffusionsgesetz?

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Diffusionsgesetz (1. Ficksches Gesetz):

Diffusion kann Vorzugsrichtung aufweisen und verändert dadurch mechanische, physikalische und chemische Eigenschaften des Werkstoffs 

𝐹=−𝐷∙∆𝑐/∆𝑥


F...Stofffluss durch Diffusion

D...Diffusionskoeffizient (Geschwindigkeit des Diffusionsvorgangs für die versch. Atome)

∆x...Diffusionsstrecke

∆c...Konzentrationsunterschied

∆c/∆x...Konzentrationsgefälle

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Beschreiben Sie bei Legierungen die völlige Löslichkeit im festen und flüssigen Zustand!

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Völlige Löslichkeitim flüssigen Zustand:

Metallschmelze aus den Elementen A und B lassen sich in jedem beliebigenVerhältnis mischen.


Völlige Löslichkeit im festen Zustand:

Beide Komponenten bilden Substitutionsmischkristalle in jedem beliebigen Mengenverhältnis


Voraussetzungen für völlige Löslichkeit:

  • Atomdurchmesser der Komponenten sehr ähnlich
  • Komponenten weisen gleiches Kristallgitter auf
  • Komponenten sind chemisch ähnlich
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Beschreiben Sie die elastische und plastische Verformung? 

Erläutern Sie die Begriffe Spannung und Dehnung!

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Elastische Verformung:

Tritt nur auf solange eine Spannung wirkt. 


Plastische Verformung:

Bleibt auch noch bestehen, wenn keine Spannung mehr wirkt.



Spannung:

Kraft bezogen auf die Querschnittsfläche

 𝝈=𝑭/𝑨=(𝜺∙𝑬)(E...Elastizitätsmodul)


Dehnung:

Verlängerung bezogen auf die Ausgangslänge (proportional zur Spannung) 𝜺=∆𝑳/𝑳𝟎

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Wie kann sich Kohlenstoff in das Eisengitter einlagern?

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C-Atomesind kleiner als Eisenatome und werden als Zwischengitteratome in passende Lücken des Eisenkristallgitters eingelagert.Verzerrung des Kristallgitters, da C-Atome größer als Gitterlücken.

-> Einlagerungsmischkristall

  • Lücken im Ferrit (krz)
    C-Atome nur zwischen den Eckatomen, C-Gehalt ca. 0,02% bei ca. 730°C
  • Lücken im Austenit (kfz)
    In der Mitte der Elementarzelle, C-Gehalt bis zu 2% bei 1150°C
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Q:

1. Was versteht man unter Naturstoffen, Rohstoffen, Werksstoffen und Hilfsstoffen? In welche Gruppen können Werkstoffe eingeteilt werden?

A:
  • Naturstoffe:
    In der Natur angeboten, entstehen ohne menschlichen Einfluss (z.B. Erdöl, Erze, Holz, Kohle)
  • Rohstoffe:
    nutzbar gemachte Naturstoffe
    o Primärrohstoffe:
    gefördertes Erdöl, geförderte Erze, gefällte Bäume, etc.
    o Sekundärrohstoffe: Schrott,Altpapier,Alttextilien etc.
  • Werkstoffe:
    werden aus Rohstoffen zu    Fertigprodukten    verarbeitet (z.B.    Polyethylen    und    –propylen    aus    Erdöl,    Stahl    aus    Erz,    Balken    und    Bretter    aus    Holz,    Teer    und     Koks    aus    Kohle) 
  • Hilfsstoffe:
    zur    Erzeugung    von    Werkstoffen aus Roh- und Naturstoffen erforderlich, gehen aber nicht in das Fertigprodukt ein (z.B. Schleifmittel)


Werkstoffgruppen: 
Metalle 
Nichtmetalle:
 - organisch-nichtmetallische Werkstoffe: Kunststoffe
 - anorganisch-nichtmetallische    Werkstoffe:    Keramik 

Verbundwerkstoffe:
 - Kombination von mind. zwei Werkstoffen (z.B. gasfaserverstärkte Kunststoffe)

Q:

Was bedeutet das Pauli-Verbot?

A:

In einem Orbital können sich maximal 2 Elektronen aufhalten. Es dürfen keine 2 Elektronen in einem Atom in allen 4 Quantenzahlen übereinstimmen. 

Q:

Beschreiben Sie das Atomorbitalmodell!

Wofür stehen die 4 Quantenzahlen?

A:

Ein Atomorbital ist der Raum, indem sich ein bestimmtes Elektron mit 90%iger Wahrscheinlichkeit aufhält. Die Form und Größe der Orbitale kann mit Hilfe der Schrödinger-Gleichung berechnet werden. Die Quantenzahlen (n, l, m, s) der Elektronen beschreiben die unterschiedlichen Orbitale.


4 Quanhtenzahlen:

  • Hauptquantenzahl n:
    Bezeichnet den mittleren Abstand des Elektrons zum Atomkern und somit die Schale zu der es gehört. -> größe des Orbitals (K, L, M, N, O, P, Q-Schale)
  • Nebenquantenzahl l:
    Bezeichnet die Unterschale und Gestalt des Orbitals (l = 0, 1, 2, ... bis n-1)s, p, d, f -Orbitale
  • Magnetquantenzahl m:
    Bezeichnet die räumliche Orientierung des Orbitals(m = -l, ... 0, ... +l)
  • Spinquantenzahl s:
    Bezieht sich auf Spin bzw. die Rotationsrichtung des Elektrons. Dadurch lassen sich die beiden Elektronen voneinander unterscheiden
Q:

Beschreiben Sie das Rutherfordsche und Bohrsche Atommodell!

A:
  • Rutherfordsches Atommodell (1911): 
    Atom besteht aus positiv geladenem Atomkern und    einer Atomhülle aus Elektronen.
    - Elektrische Neutralität:
    Gesamtanzahl der Elektronen entspricht Kernladungszahl
    - Streuversuche: 
    Goldfolie mit Alpha-Teilchen bestrahlt, manche Teilchen wurden reflektiert -> massives Zentrum im Atom (Atomkern)


  • Bohrsches Atommodell (1913, Niels Bohr): 
    Atom besteht aus positiv geladenem, massetragendem Kern und Elektronen, die diesen auf Bahnen umkreisen (H-Atom)
    - Elektron bewegt sich nur auf bestimmten konzentrischen Kreisbahnen um den Atmokern. (Energieniveaus, Schalen)
    - Für jede Bahn    hat    das    Elektron    eine    bestimmte Energie (K-Schale niedrigste Energie, wenn Elektron dort => Grundzustand)
    - Um Elektron auf äußere Bahn zu bringen ist Energiezufuhr notwendig. => Angeregter Zustand
    - Springt das Elektron von der äußeren auf eine innere Bahn wird Energie in Form von Licht emittiert. (Differenz der Energiezustände -> Spektrallinie)
Q:

Was versteht man unter Kristallgitterfehler?

A:

Gitterfehler sind Kristalle mit Fehlordnungen durch unregelmäßiges Kristallwachstum oder unreine Kristallsubstanzen.

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Q:

eschreiben Sie die einzelnen Fehlerarten!

A:

Punktförmige Gitterfehler:

fehlendes oder zusätzliches Atom

  • Leerstellen (unbesetzter Gitterplatz)
  • Zwischengitteratome (Einlagerungsatome in Lücken im Kristallgitter -> Legierungen)
  • Substitutionsatome (Wirtsatom durch Fremdatom ersetzt)


Linienförmige Gitterfehler: entstehen beim Kristallwachstum aus der Schmelze

  • Stufenversetzung (Versetzungslinie verläuft am Rand oder durch den Kern)
  • Schraubenversetzung (Spiralförmige Versetzung der Atomebene)


Flächenförmige Gitterfehler:

  • Korngrenze (Grenzen/Übergänge von einem Kristall zum benachbarten)
  • Zwillingskorngrenze (2 Kristalle werden gedreht und gekippt und bilden exakte ebene Korngrenze)
  • Stapelfehler (Schichtfolge der Gitterebenen gerät durcheinander)
Q:

Was ist ein Kristall und welche Eigenschaften hat eine Elementarzelle?

A:

Kristalle sind Anordnungen von Atomen, Ionen oder Molekülen, deren Abstände sich periodisch im Raum wiederholen.


Eine Elementarzelle ist die kleinste Einheit des Gitters, die alle Merkmale des Gesamtgitters aufweist.

Q:

Erläutern Sie folgende Begriffe: Legierung, Phase, Konzentration, Mischkristall!

A:

Legierung

Eine Legierung ist ein Gemisch aus mehreren Atomsorten (Komponenten) und hat metallische Eigenschaften. (z.B. Glanz, elektrische Leitfähigkeit)

Komponenten: Metalle (z.B. Cu, Ni), Nichtmetalle (z.B. C, N)


Phase

Zustand einer Legierung (fest,flüssig, gasförmig)


Konzentration (chemische Zusammensetzung)

Massen bzw. Gewichtsprozent oder Atomprozent (bezieht sich auf Anzahl der Atome)


Mischkristall

Ist aus mehreren Atomsorten aufgebaut, dabei ist eine Atomsorte in der anderen gelöst (durch Diffusion).

- Homogener Mischkristall:
gleichmäßige Verteilung

- Inhomogener Mischkristall:
ungleichmäßige Verteilung

Q:

Wie lautet das Diffusionsgesetz?

A:

Diffusionsgesetz (1. Ficksches Gesetz):

Diffusion kann Vorzugsrichtung aufweisen und verändert dadurch mechanische, physikalische und chemische Eigenschaften des Werkstoffs 

𝐹=−𝐷∙∆𝑐/∆𝑥


F...Stofffluss durch Diffusion

D...Diffusionskoeffizient (Geschwindigkeit des Diffusionsvorgangs für die versch. Atome)

∆x...Diffusionsstrecke

∆c...Konzentrationsunterschied

∆c/∆x...Konzentrationsgefälle

Q:

Beschreiben Sie bei Legierungen die völlige Löslichkeit im festen und flüssigen Zustand!

A:

Völlige Löslichkeitim flüssigen Zustand:

Metallschmelze aus den Elementen A und B lassen sich in jedem beliebigenVerhältnis mischen.


Völlige Löslichkeit im festen Zustand:

Beide Komponenten bilden Substitutionsmischkristalle in jedem beliebigen Mengenverhältnis


Voraussetzungen für völlige Löslichkeit:

  • Atomdurchmesser der Komponenten sehr ähnlich
  • Komponenten weisen gleiches Kristallgitter auf
  • Komponenten sind chemisch ähnlich
Q:

Beschreiben Sie die elastische und plastische Verformung? 

Erläutern Sie die Begriffe Spannung und Dehnung!

A:

Elastische Verformung:

Tritt nur auf solange eine Spannung wirkt. 


Plastische Verformung:

Bleibt auch noch bestehen, wenn keine Spannung mehr wirkt.



Spannung:

Kraft bezogen auf die Querschnittsfläche

 𝝈=𝑭/𝑨=(𝜺∙𝑬)(E...Elastizitätsmodul)


Dehnung:

Verlängerung bezogen auf die Ausgangslänge (proportional zur Spannung) 𝜺=∆𝑳/𝑳𝟎

Q:

Wie kann sich Kohlenstoff in das Eisengitter einlagern?

A:

C-Atomesind kleiner als Eisenatome und werden als Zwischengitteratome in passende Lücken des Eisenkristallgitters eingelagert.Verzerrung des Kristallgitters, da C-Atome größer als Gitterlücken.

-> Einlagerungsmischkristall

  • Lücken im Ferrit (krz)
    C-Atome nur zwischen den Eckatomen, C-Gehalt ca. 0,02% bei ca. 730°C
  • Lücken im Austenit (kfz)
    In der Mitte der Elementarzelle, C-Gehalt bis zu 2% bei 1150°C
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