Ueber die Erhöhung der Elasticitätsgrenze der Metalle; von Prof. Bauschinger. Bauschinger, über die Erhöhung der Elasticitätsgrenze der Metalle. Die Erhöhung der Elasticitätsgrenze des Eisens, welche Prof. Thurston entdeckt haben will, ist in der That, wie Generalmajor Uchatius in seiner Entgegnung in diesem Journal (1877 223 242) sagt, eine längst bekannte Thatsache. Sogar der Vorschlag, welchen Uchatius (S. 244) bezüglich der Anwendung dieser Eigenschaft macht, ist vor mehr als 20 Jahren schon zur Ausführung gekommen, beim Baue des Münchener Glaspalastes im J. 1854. L. Werder, Director der Maschinenbau-Gesellschaft Nürnberg (früher v. Cramer-Klett'sche Fabrik), der Erbauer jenes Ausstellungsgebäudes, ließ, wie er mir schon vor ungefähr 8 Jahren erzählte, an jede der zum Dachstuhle verwendeten Zugstangen beiderseits Gewinde schneiden und Muttern anschrauben, an denen die Stangen festgehalten und so stark auf Zug belastet wurden, bis sie, natürlich in den Gewinden, rissen. Die so gestreckten Stangen wurden dann erst in die Construction eingefügt. Ich selbst habe die in Rede stehende Erscheinung schon beim Beginn meiner Arbeiten im mechanisch-technischen Laboratorium des Polytechnicums dahier, vor etwa 8 Jahren und seitdem häufig genug, beobachtet. Daß nicht blos die Elasticitätsgrenze, sondern auch die Zugfestigkeit gewalzten Eisens erhöht wird, wenn es bis zur Bruchgrenze ausgestreckt, d. h. mehrmals hinter einander abgerissen wird, habe ich in der 3. meiner „Mittheilungen“ gelegentlich erwähnt (vgl. Zeitschrift des bayerischen Architecten- und Ingenieurvereins, 1873 S. 29 und das 2. Heft meiner „Mittheilungen aus dem mechanisch-technischen Laboratorium“, S. 8). Ein Stück Flacheisen, gewöhnlicher Qualität, ursprünglich 380cm, 5 lang, 9cm, 35 breit, 1cm, 5 dick, zeigte beim ersten Abreißen eine Zugfestigkeit von 3200k pro 1qc, die sich bei jedem spätern Abreißen erhöhte, bis sie beim 7. Mal auf 4400k pro 1qc gestiegen war. Seitdem habe ich am 24. November 1874 den Versuch wiederholt, indem ich wieder ein Stück gewöhnlichen Flacheisens von 9cm, 1 Breite und 1cm, 1 Dicke an bestimmten Stellen, die vorher durch Einfeilen mit der Rundfeile verschwächt waren, mehrmals nach einander abriß. Beim 1. Mal war seine Zugfestigkeit 2900, das 2. Mal 3100, das 3. Mal 3300, das 4. Mal 3400, das 5. Mal 3350, das 6. Mal 3450k pro 1qc. Ich erwähne noch, daß bei den letztern Versuchen zwischen zwei auf einander folgenden Abreißungen immer nur wenige Minuten vergingen, während bei den erstaufgeführten Wochen und Monate dazwischen lagen. Daß die in Rede stehende Eigenschaft, die Elasticiätsgrenze durch Ziehen, Ausrecken zu erhöhen, auch der Bronze zukommt, für welche sie Prof. Thurston in Abrede stellt, hat Generalmajor Uchatius in jener Erwiederung schlagend genug bewiesen. Trotzdem wird es erlaubt sein, daß ich zum weitern Beweis hierfür eine von mehreren Beobachtungsreihen Lamelle von Bronze im ursprünglichen Zustand gestreckt mit 1000k pro 1qc Textabbildung Bd. 224, S. 2 Belastung.; Verlängerung in 0mm,01.; Differenz.; Belastung.; Verlängerung in 0mm, 01.; Differenz.; Beide Scalen gehen langsam weiter.; Der Bruch erfolgt bei 17t,6 = 2070k pro 1qc an einer fehlerhaften Stelle des nicht verschwächten Theiles der Lamelle.; Beide Scalen gehen langsam durchs Gesichtsfeld 1,54 hier anführe, welche ich im Juni 1875 an verschiedenen Lamellen von gewöhnlicher und Phosphor-Bronze anstellte, die dem Laboratorium zur Prüfung eingeschickt worden waren. Eine dieser Lamellen (bezeichnet mit Nr. 1) aus gewöhnlicher Bronze, vom Querschnitt 6,98 × 1cm,22 = 8qc,51, gab für eine Länge von 20cm nebenstehende totale und bleibende Verlängerungen, die mittels meines Spiegelapparates bis auf 0mm,0002 gemessen wurden. (Vgl. über diesen Apparat die 6. meiner „Mittheilungen“ in der Zeitschrift des bayerischen Architekten- und Ingenieurvereins“ 1874 und das 5. Heft meiner „Mittheilungen aus dem mechanisch-technischen Laboratorium“.) Die Elasticitätsgrenze, welche anfangs unzweifelhaft bei 6t Belastung = 705k pro 1qc lag, rückte durch nur geringes Ausstrecken bei 8t,5 = 1000k pro 1qc, wodurch die 20cm ursprüngliche Länge nur um 0mm,0154 = 1/13000 vergrößert worden waren, bis 8t = 940k pro 1qc hinauf. Für 4 ähnliche Lamellen aus Phosphorbronze ergaben sich auf gleiche Weise folgende Resultate, denen jenes für die Lamelle Nr. 1 nochmal beigefügt ist. Textabbildung Bd. 224, S. 3 Bezeichnung der Lamelle.; Ursprüngliche Elasticitätsgrenze bei k pro 1qc.; Durch Strecken bei k pro 1qc; auf 20cm Länge um; erhöhte Elasticitätsgrenze bei k pro 1qc.; Zugfestigkeit k pro 1qc.; Nr. 1; Nr. 2; Nr. 3; Nr. 4; Nr. 5 Bei all diesen Versuchen verstrichen zwischen dem Strecken und dem Beginn der Messungen für die neue Elasticitätsgrenze nur wenige Minuten. Es war vorauszusehen, daß durch Zusammendrücken die Elasticitätsgrenze für Druck ebenfalls höher gerückt wird. Versuche, welche ich an 5 Prismen von 4 × 4cm Querschnitt und 12cm Länge aus denselben 5 Bronzesorten, wie obige Lamellen, in ähnlicher Weise mit demselben Apparat, wie bei diesen, anstellte, bestätigten dies. Folgendes sind die Resultate dieser Versuche: Textabbildung Bd. 224, S. 4 Bezeichnung des Prismas.; Ursprüngliche Elasticitätsgrenze bei k pro 1qc.; Durch Drücken mit k pro 1qc.; auf 5cm Länge um; erhöhte Elasticitätsgrenze bei k pro 1qc. Nr. 1; Nr. 2; Nr. 3; Nr. 4; Nr. 5 Auch bei diesen Versuchen war die Zeit zwischen dem Strecken und dem Beginne der Messungen für die neue Elasticitätsgrenze nur kurz. Um Thurston's Behauptung, daß alle die Metalle, welche in die von ihm so genannte Zinnklasse gehören, die in Rede stehende Eigenschaft nicht besäßen, noch weiter zu controliren, stellte ich in den jüngsten Tagen mit einer Lamelle aus belgischem Zink (Zinn selbst hatte ich eben nicht zur Hand) noch folgenden Versuch mittels meines Spiegelapparates an: Die Lamelle hatte einen Querschnitt von 6,02 × 1cm,02 = 6qc,14 und ergab für die in der Tabelle auf Seite 5 ersichtlichen Belastungen die nebenstehenden Verlängerungen für eine Länge von 10cm. Hier lag die Elasticitätsgrenze ursprünglich offenbar bei 0t,15 = 24k pro 1qc; durch eine Streckung mit 0t,20 = 32k pro 1qc um nur 0mm,0004 = 1/250000 erhebt sie sich auf 0t,20 = 32k pro 1qc; durch eine weitere Streckung mit 0t,4 = 65k pro 1qc um 0mm,0047 = 1/21000 auf 65k pro 1qc und durch eine Streckung mit 0t,60 = 98k pro 1qc um 0mm,0084 = 1/12000 noch weiter auf 98k pro 1qc. Als hierauf die Lamelle 1 Tag lang ohne Belastung ruhig liegen gelassen worden war, zeigte sich die Elasticitätsgrenze noch höher, bei 0t,65 = 106k pro 1qc. Daß diese weitere Erhöhung in der Ruhe eingetreten ist, läßt sich hier allerdings nur aus der Analogie mit den frühern Streckungen schließen, bei denen die Erhebung der neuen Elasticitätsgrenze, deren Ermittlung sofort auf die Streckung folgte, nicht über die Belastung hinaus ging, bei welcher die Streckung vorgenommen wurde. Aber Untersuchungen, welche ich in den letzten Wochen an Stäben von Bessemerstahl anstellte zu dem Zwecke, den Einfluß der Zeit bei Dehnungen über die Elasticitätsgrenze hinaus zu studiren, haben ein damit übereinstimmendes Resultat gegeben. Dieses Resultat, dessen Mittheilung eigentlich den Hauptzweck dieses Artikels bildet, läßt sich im folgenden Satz zusammenfassen: „Durch Lamelle von belgischem Zink. Textabbildung Bd. 224, S. 5 Belastung t; Verlängerung von 10cm in 0mm,01.; Differenzen.; Belastung. t; Verlängerung von 10cm in 0mm,01.; Differenzen; Belastung t; Verlängerung von 10cm in 0mm,01.; Differenzen.; Nach einiger Zeit; Nach 22 Stdn. 48 Min. ruhigen Liegens Strecken der Metalle über ihre ursprüngliche Elasticitätsgrenze hinaus erhöht sich ihre Elasticität nicht blos während der Zeit, in der die Belastung wirkt, sondern auch noch während einer auf die Streckung folgenden, längeren Ruhe (ohne Belastung) von einem oder mehrern Tagen und kann hierbei die Elasticitätsgrenze selbst über die Belastung hinausgehoben werden, mit welcher die Streckung hervorgebracht wurde.“ Aus einer und derselben längeren Stange von Bessemerstahl ließ ich 4 je 40cm lange und nahezu 2cm,50 im Durchmesser haltende Rundstäbe C, D, E, F und noch einen doppelt so langen, eben so dicken fünften A herstellen. Die Enden waren mit conischen Verstärkungen zum Einspannen versehen. Die durch Belastung auf Zug hervorgebrachten Verlängerungen dieser Stäbe wurden für eine Länge von 15cm gemessen, innerhalb der Elasticiätsgrenze und etwas über dieselbe hinaus mittels meines Spiegelapparates, und dann weiter mit Hilfe eines kleinen Justrumentes, das, nach demselben Princip construirt, die Verlängerungen mittels eines Zeigers gibt, der in 10facher Uebersetzung auf einem in ganze Grade von je 1mm Länge getheilten Kreisbogen mittels eines Nonius 0mm,005 ablesen läßt. Die Elasticitätsgrenze fand sich bei allen Stäben ursprünglich ungefähr bei 12t = 2400k pro 1qc Belastung. Innerhalb derselben betrug die Verlängerung der 15cm Länge für 1t oder für nahezu 200k pro 1qc im Mittel 0mm,0147 = 1/10000. Bei zwei von den Stäben D und E wurde, nachdem von 14t Belastung auf Null gegangen und dann der Zeigerapparat aufgesetzt worden war, sofort wieder die Belastung von 13t aufgegeben und dann in Intervallen von je 1t, ohne wieder auf Null zurückzukehren, bis 25t fortgeschritten. Hier wurde dann, ohne die Belastung zu ändern, der Meßapparat abgenommen und hierauf in Intervallen von 0t,5 fortgegangen, bis der Bruch erfolgte. Bei dem einen dieser beiden Stäbe, E, wurde dabei die jedesmal aufgelegte Belastung so lange belassen, bis am Zeigerapparat in einer Minute keine merkliche Verlängerung mehr sichtbar wurde; bei dem zweiten Stab dagegen wurde, ohne Rücksicht auf das Fortschreiten der Verlängerung, immer genau nach einer Minute eine neue Tonne aufgelegt. Die Resultate dieser Messungen sind in der Zusammenstellung auf Seite 7 enthalten. Hieraus folgt, wie nur nebenbei als nicht hierher gehörig bemerkt werden mag, die überraschende Thatsache, daß der Stab D, bei welchem immer schon nach 1 Minute eine neue Tonne zugelegt wurde, in dieser Minute immer dieselbe Verlängerung erreichte wie der Stab E in je einer Minute nach Aufgabe der größern Belastung, obwohl bei letzterm nach Auflegen jeder neuen Tonne 7 bis 10 Minuten lang gewartet wurde. Auch der Bruch erfolgte bei beiden Stäben bei der gleichen Belastung. Stab E: 2cm,51 Durchmesser. Stab D: 2cm,50 Durchmesser. Textabbildung Bd. 224, S. 7 Die Belastung; bringt in Minuten nach dem Auflegen; auf 15cm die Verlängerung hervor:; Differenzen pro 1t; Die Belastung; bringt in Mittuten nach dem Auflegen; auf 15cm die Verlängerung hervor:; Differenzen pro 1t.; t; mm; t; mm; Unmittelbar nach dem Ablesen dieser Zahl fiel der Meßapparat in Folge der stattgefundenen Quercontraction des Stückes ab; er wurde rasch wieder angesetzt und die letzte Zahl für 10 Minuten interpolirt, was leicht möglich war; aber jene Zahl selbst scheint in Folge einer Neigung des Apparates, welche dem Abfallen vorausging, schon unrichtig gewesen zu sein. Der Bruch erfolgt bei 27t,5 = 5560k pro 1qc, die zwar erreicht, aber nicht mehr gehalten wurden. Der Bruch erfolgt bei 27t = 5500k pro 1qc. Beim dritten Stab F wurde nach Ueberschreitung der Elasticitätsgrenze noch bis 13t,5 fortgeschritten, dann auf Null gegangen, der Spiegelapparat abgenommen und der Zeigerapparat aufgesetzt, darauf sofort wieder die Belastung 13t gegeben und nun von Tonne zu Tonne bis 17t fortgeschritten. — Nachdem auf die Belastung Null gegangen war, wurde der Versuch um 4 Uhr 30 Min. Nachm. abgebrochen, der Stab ausgespannt und erst am nächsten Tag um 10 Uhr 15 Min. Vorm. wieder eingespannt. Der Zeigerapparat wurde auf 1mm,235 gestellt, die Belastung von 17t aufgelegt und dann von Tonne zu Tonne vorwärts gegangen. Es ergaben sich in diesen zwei Versuchsreihen folgende Verlängerungen: Stab F:2cm,52 Durchmesser. Textabbildung Bd. 224, S. 8 Die Belastung; bringt in Minuten nach dem Auflegen; auf 15cm die Verlängerung hervor:; Differenzen.; t; mm Stab F (Fortsetzung.) Textabbildung Bd. 224, S. 8 Die Belastung; bringt in Minuten nach dem Auflegen; auf 15cm die Verlängerung hervor:; Differenzen.; t; mm Der Bruch erfolgte bei 26t,5 (5300k pro 1qc, die einige Minuten lang gehalten worden waren. Hier zeigte sich also die auffallende Erscheinung, daß nach der auf das Strecken mit 17t folgenden, etwa 18stündigen Ruhe der Stab durch die 18. Tonne nur um 0mm,02, um etwa so viel verlängert wurde als durch die Belastungszunahme um 1t innerhalb der Elasticitätsgrenze, während bei den Stäben D und E, wo die 18. Tonne 1 oder 7 Minuten nach der 17. aufgelegt worden war, diese Belastungszunahme eine Verlängerung von 0,415 bezieh. 0mm,40 hervorbrachte. Auch zeigte sich, wie innerhalb der Elasticitätsgrenze, die Verlängerung bei 18t ganz constant, während sie beim Stab E in 6 Minuten um 0mm,08 zunahm. Und daß die in Rede stehende Erscheinung in der That durch die längere Ruhe bedingt ist, zeigen die obigen Beobachtungen nach der 23. Tonne. Ein bloses Zurückgehen auf Null und bald, nach etwa 9 Minuten, folgendes Belasten mit 24 und hierauf mit 24t ergab, daß die 24. Tonne eine normale Verlängerung von 0mm,73, entsprechend derjenigen bei den Stäben D und E, bei denen nicht auf Null gegangen worden war, hervorbrachte. Behufs weiterer Constatirung und näherer Untersuchung der Erscheinung wurden nun folgende Messungen an einem vierten Stab C angestellt. Derselbe ergab zunächst folgende Resultate mit dem Zeigerapparat: Stab C: 2cm,50 Durchmesser. Textabbildung Bd. 224, S. 9 Die Belastung; bringt in Minuten nach dem Auflegen; auf 15cm die Verlängerung hervor:; Differenzen; t mm Hierauf wurde der Meßapparat abgeschraubt, der Stab ausgespannt und am nächsten Tage, nach etwa 24stündiger Ruhe, wieder eingespannt, überhaupt ganz so behandelt wie der vorige Stab bei diesem Belastungsstadium. Die Resultate der hierauf folgenden Beobachtungen waren: Stab C. (Fortsetzung.) Textabbildung Bd. 224, S. 10 Die Belastung; bringt in Minuten nach dem Auflegen; auf 15cm die Verlängerung hervor:; Differenzen. Auch hier also brachte nach 24stündiger Ruhe die 18. Tonne nur eine Verlängerung von 0mm,035 hervor, und der Einfluß erstreckt sich noch bis auf die 19. Tonne, die anfangs auch nur eine geringe Vergrößerung der Verlängerung — blos 0mm,035 — erzeugt; aber mit der Zeit wächst diese Verlängerung rasch, anfangs mit zunehmender, dann mit wieder abnehmender Geschwindigkeit, bis sie endlich erst nach etwa 21 Minuten ein Maximum von im Ganzen 0mm,39, immerhin noch weniger als bei den Stäben D, E und F, erreicht; erst bei der folgenden 20. Tonne tritt eine so bedeutende Verlängerung von 0mm,805 ein, daß das vorher Versäumte beinahe vollständig wieder eingebracht wird. Nachdem, wie oben angegeben, die 20t Belastung abgenommen und eine bleibende Verlängerung von 2mm,385 gemessen worden waren, wurde behufs Neubestimmung der Elasticitätsgrenze der Spiegelapparat angebracht und mit demselben bis 14t gemessen, worauf er durch den Zeigerapparat ersetzt wurde. Die Resultate waren die in der obern Tabelle auf Seite 11 eingetragenen. Man sieht, der Stab verhält sich ganz steif, fast so wie ursprünglich unterhalb der Elasticitätsgrenze, bis zur Belastung von 19t; erst bei der 20. Tonne streckt er sich etwas mehr, jedoch immerhin nur wenig; aber die 21. bringt wieder eine normale Streckung von 0mm,57 hervor. Das blose Zurückgehen auf Null, und das langsame Wiederaufwärtsschreiten, unterbrochen von mehrmaligem Zurückgehen auf Null, kann also auch über die letzte Belastung (20t) hinaus keine Wirkung üben. Stab C. (Fortsetzung.) Textabbildung Bd. 224, S. 11 Die Belastung; bringt in Minuten nach dem Auflegen; auf 15cm eine Verlängerung hervor:; Differenzen.; t; mm; s. oben; t; mm; Spiegelapp. Zeigerapp. Es blieb nun noch übrig zu constatiren, ob nicht etwa die Erschütterungen beim Ein- und Ausspannen des Stabes jene Erhöhung der Elasticität über die Streckbelastung hinaus hervorgebracht haben. Zu dem Behufe wurde, nachdem die Belastung von 21t abgenommen und eine bleibende Verlängerung von 2mm,98 abgelesen war, der Stab aus- aber sofort wieder eingespannt und die Messungen nach wieder angesetztem Zeigerapparat fortgesetzt, wie folgt: Stab C. (Fortsetzung.) Textabbildung Bd. 224, S. 11 Die Belastung; bringt in Minuten nach dem Auflegen; auf 15cm die Verlängerung hervor:; Differenz.; t; mm In der That bringt also auch das blose Aus- und Einspannen und die damit unvermeidlich verbundenen Erschütterungen nicht die Wirkung hervor wie die Ruhe. Und um dies nochmals bestimmt zu beweisen, wurde nach Abnehmen der letzten Belastung von 22t Stab und Meßapparat alles ganz ruhig etwa 22 Stunden stehen gelassen. Der Zeigerapparat zeigte währenddem keinen merklichen Rückgang der bleibenden Verlängerung, er blieb unverrückt auf 3mm,535 stehen; der weitere Verlauf der Messungen aber war folgender: Stab C. (Schluß.) Textabbildung Bd. 224, S. 12 Die Belastung; bringt in Minuten nach dem Auflegen; auf 15cm eine Verlängerung hervor:; Differenz pro 1t; t; mm Die Erhöhung der Elasticität durch einfache Ruhe nach der Streckung mit 22t reicht also auch hier bis in die zweitnächste Tonne, die 24. hinein, und erst bei der 25. Tonne beginnt ein so starkes Strecken, im Ganzen um 2mm,25, daß alles vorher Versäumte wieder eingeholt wird. Der Bruch erfolgt bei 25t,5 oder ungefähr 5100k pro 1q, die kaum 1½ Minuten lang getragen wurden. Damit ist nun die Existenz der im obigen Satze ausgesprochenen Erscheinung für das vorliegende Material zur Evidenz erwiesen. Die Ursache derselben ist ohne Zweifel in einer Aenderung der gegenseitigen Lagerung der Molecüle zu suchen, die während der Streckung, aber auch in der darauf folgenden längern Ruhezeit vor sich geht, und durch welche eine Vergrößerung der Cohäsion hervorgebracht wird. Diese Lagenänderung der Molecüle während der Ruhe müßte grade nicht eine Zusammenziehung des Stabes zur Folge haben, wie denn auch der Zeigerapparat keine solche angab. Daß sie aber, entsprechend der längst bekannten elastischen Nachwirkung, doch stattfand, wird durch weitere Versuche mit dem Spiegelapparat, über welche nun noch berichtet werden soll, constatirt. Diese Versuche wurden noch zu einem andern Zwecke angestellt, der hier sogleich mitbesprochen werden kann. (Schluß folgt.)