Ueber physikalische Veränderungen von Eisen und Stahl bei hoher Temperatur. Wrightson, über Eisen und Stahl. Eine genaue Beobachtung der Molecularveränderungen von Metallen gehört, wenn sie wissenschaftlichen Werth haben soll, zu den schwierigeren Aufgaben. Bei gewöhnlichen Temperaturgraden vollziehen sich dieselben so langsam, daſs sehr lange Zeiträume erforderlich sind, um zuverlässige Resultate zu erhalten; bei hoher Temperatur gehen die Veränderungen zwar rasch vor sich, allein die Schwierigkeiten der Beobachtung mehren sich so sehr, daſs letztere in einer groſsen Anzahl von Fällen angestellt werden muſs, um ein einigermaſsen sicheres Urtheil zu gestatten. Diesen Weg hat Thomas Wrightson nach einem im Engineering, 1879 Bd. 28 * S. 483 ff. abgedruckten Vortrage im Iron and Steel Institute beschritten. Wenn die von ihm gemachten Versuche auch einen verhältniſsmäſsig nur geringen Beitrag zur Kenntniſs der physikalischen Eigenschaften des Eisens liefern, so haben sie doch jedenfalls den Werth der Zuverlässigkeit, nicht nur weil sie mit gröſster Gewissenhaftigkeit und Ausdauer angestellt worden sind, sondern auch weil sie mit anderen an maſsgebender Stelle gewonnenen Erfahrungen übereinstimmen. Die vorzuführende Versuchsreihe ist eine dreifache, in so fern sie sich erstreckt auf: I) Die Veränderungen in Schmiedeisen und Guſseisen bei wiederholter Erhitzung und darauf folgender Abkühlung; II) die Wirkung auf Stäbe und Ringe, wenn nach dem Erhitzen verschiedene Theile derselben auf verschiedene Weise abgekühlt werden; III) die Veränderungen, welche in geschmolzenem Eisen während des Erstarrens und umgekehrt vorgehen. I) Daſs durch den Gebrauch grobkrystallinisch und brüchig gewordenes Eisen, sei es in Stäben oder Platten, durch Ausglühen wieder sehnig und dehnbar gemacht werden kann, ist eine bekannte Thatsache; weniger bekannt dagegen dürfte die Art der Formveränderungen sein, welchen Eisen und Stahl bei bedeutenden plötzlichen Temperaturunterschieden unterliegen. Um dies zu erfahren, wurden folgende Versuche angestellt: a) Zwei Stangen aus Schmiedeisen, die eine von gewöhnlicher, die andere von bester Qualität, je 76cm,33 lang und 2cm,86 im Quadrat, wurden 15 mal hinter einander dunkel rothglühend gemacht, alsdann plötzlich in Wasser von gewöhnlicher Temperatur abgekühlt und zwischen je zwei solcher Behandlungen genau in der Längsrichtung gemessen. Schlieſslich ergab sich eine bleibende Verkürzung bei ersterer von 17mm,27 oder 2,26 Proc. und bei letzterer von 14mm,22 oder 1,86 Proc. Die Zunahme der Verkürzung zwischen je zwei Abkühlungen war ungefähr gleich und betrug durchschnittlich 0,13 Proc. b) Eine schmiedeiserne Stange von derselben Gröſse wie vorher, 5 mal hinter einander dunkel rothglühend gemacht und in atmosphärischer Luft allmählicher Abkühlung ausgesetzt, erlitt keine Formveränderung. c) Ein schmiedeiserner Reifen mit 1m,465 äuſserem Umfang, zusammengeschweiſst aus einem Stab von 2cm,86 im Quadrat, wurde 25 mal dunkel rothglühend gemacht und dann plötzlich in Wasser abgekühlt. Das Umfassungsmaſs nahm dabei um 4cm,47 gleich 3,05 Proc. und zwischen je zwei Abkühlungen ziemlich regelmäſsig um 0,122 Proc. ab. Die Resultate von a und c sind demnach ungefähr dieselben. Da sich obige Versuche nur auf das Verhalten von Eisenstäben in der Längsrichtung beziehen, so wurden erstere in folgender Weise ausgedehnt: d) Eine genau winklig bearbeitete schmiedeiserne Platte, 30cm,48 lang, 15cm,24 breit und 18mm,8 dick, von guter Qualität und nach zwei verschiedenen Ermittlungen von 7,629 und 7,651 oder durchschnittlich von 7,64 sp. G. wurde 50 mal rothglühend gemacht und in Wasser von gewöhnlicher Temperatur abgekühlt. Nach je 10 Vornahmen wurden genaue Messungen vorgenommen, wobei sich ergab, daſs mit jeder Abkühlung die Lange und Breite abgenommen hatte, während die Platte zum Schlusse der Versuche in der Richtung der Dicke mehrfach Ausbauchungen und Risse zeigte. Nach der 50. Abkühlung hatte die Platte in der Längsrichtung 6,2, in der Breite 6,52 Proc. abgenommen, dagegen in der Dicke 4,6 Proc. zugenommen bei einer Zunahme des Gesammtvolumens von 8,2 Proc. – Es wurden nun 3 Stücke und zwar je eins aus dem schwächsten, mittleren und stärksten Theile der Platte herausgehauen, welche 7,552, 7,574 bezieh. 7,560 oder durchschnittlich 7,562 sp. G. ergaben. Letzteres hatte demnach um 1,02 Proc. abgenommen. Weiter fortgesetzte Versuche ergaben, daſs das specifische Gewicht bis zur 100. Erhitzung bezieh. Abkühlung um etwa 1,57 Proc. abnimmt und von da ab unverändert bleibt. Aus dem oben Mitgetheilten folgt, daſs die Form Veränderung verschiedene Ursachen hat: 1) Durch die fortwährende Zusammenziehung der äuſseren Haut wird entweder eine Verkleinerung der Masse veranlaſst, oder es entstehen seitliche Ausbauchungen. 2) Aus der Abnahme des specifischen Gewichtes folgt eine Vergröſserung der Masse, welche in den Ausbauchungen ihre Bestätigung findet. 3) Auſserdem muſs eine Verminderung der Masse stattfinden durch die bei jeder Erhitzung und Abkühlung sich wiederholenden Schalenbildungen. e) Zur Ermittlung der Schalenbildungen wurde mit einem rechteckigen Plattenstück von denselben Gröſsenverhältnissen wie oben gearbeitet. Dasselbe wurde ebenfalls 50 mal zur Rothglut erhitzt und darauf in Wasser von gewöhnlicher Temperatur plötzlich abgekühlt. Die Erscheinungen in Bezug auf die Veränderungen der Form boten nichts Neues. Das Gewicht des Platten-Stückes betrug vor der Erhitzung 6k,66 und nach der 50. Abkühlung 6k,056, entsprechend einer Gewichtsverminderung von 9,07 Proc. durch Abschalung und einer Verminderung der Dicke von 0mm,72 über die ganze Oberfläche. Unter der Annahme, daſs die Abschalung des Plattenstückes überall eine gleichmäſsige ist, folgt daraus eine Verminderung der Umfassung, sowohl nach der langen als nach der breiten Seite gemessen, von 8 × 0,73 = 5mm,84. Es ergibt sich sonach folgende Berechnung: Der gesammte Umfassungsverlust betrug: Nach der Länge Breite Bei Plattenstück d 35,05mm 21,84mm    „          „          e       30,48   13,21 –––––––––––––––––––––––– Durchschnittlich also       32,76   17,52 Hiervon ab Verlust durch Abschalung         5,84     5,84 –––––––––––––––––––––––– Bleibt Verlust durch Zusammenziehen der Masse       26,92   11,68 Ursprüngliche Umfassung betrug     646,68 341,12 Somit Verminderung in Procent     4,16 Proc. 3,42 Proc. Oder für jede Abkühlung     0,083 0,07 Die Zusammenziehung der Eisenplatte in der Längsrichtung verhält sich also zu derjenigen eines Eisenstabes wie 0,083 zu 0,125. Wir kommen demnach aus den Resultaten obiger Versuche zu nachfolgenden Schlüssen: 1) Wenn schmiedeiserne Stäbe oder Platten bis zur Rothglut erhitzt und dann in Wasser von gewöhnlicher Temperatur plötzlich abgekühlt werden, so findet eine Verminderung des specifischen Gewichtes statt, welche nach der 50. Abkühlung ungefähr 1 Proc., nach der 100. Abkühlung 1,57 Proc. beträgt und von da ab sich nicht weiter verändert. – 2) Bei jeder Abkühlung findet ferner eine Oberflächenverminderung statt, welche begründet ist: a) In der Oberflächenabschalung, im Betrage von 0mm,73 für je 50 oder 0mm,014 für jede Abkühlung, b) In einer bleibenden Zusammenziehung, welche mit jeder Abkühlung zunimmt. Dieselbe beträgt für Eisen in Platten nach der Längsrichtung 0,07 bis 0,083 Proc. und für Stäbe 0,122 bis 0,15 Proc. Diese Zahlen sind erwiesen bis zur 50. Abkühlung. – 3) Bei Eisenplatten finden an den Breitseiten Ausbauchungen statt, welche nach dem Plattenmittel zu ihre gröſste Ausdehnung erreichen. – 4) Schmied eiserne Stäbe, bis zur Rothglut erhitzt, erleiden, wenn sie in atmosphärischer Luft allmählich abgekühlt werden, keine Formveränderung. Die Gröſsenverminderung durch Abschalung bedarf keiner weiteren Erklärung; die fortschreitende Volumenverminderung durch wiederholte Erhitzung und darauf folgende Wiederabkühlung dagegen ist nur dadurch erklärlich, daſs die Entfernung der einzelnen Eisenmolecüle unter einander sich durch plötzliche Temperaturwechsel ändert. Dieses Verhalten ist indessen bei anderen Metallen wesentlich verschieden. Stäbe aus gegossenem Kupfer zeigten in der Luft abgekühlt gar keine Formveränderung, im Wasser abgekühlt, nach dem 10. Versuch eine Ausdehnung von 0,125 Proc. Stäbe aus Guſseisen dehnten sich sowohl bei allmählicher, als plötzlicher Abkühlung um 0,13 und 0,10 Proc. aus, während Radreifen aus Stahl sich bei plötzlicher Abkühlung um 0,14 Proc. zusammenzogen. II) Ein von dem bisher beschriebenen ganz abweichendes und jeder Voraussetzung widersprechendes Verhalten zeigen Eisenstäbe, wenn dieselben im rothglühenden Zustand nur theilweise in Wasser eingetaucht werden. Es wurden folgende Versuche angestellt: a) Ein schmiedeiserner Ring von 45cm,72 äuſserem Durchmesser, entsprechend einem Umfang von 1m,47, zusammengeschweiſst aus einer Stange von 8cm,89 Breite und 1cm,27 Dicke, wurde, nachdem er rothglühend gemacht, flach gelegt und bis zur halben Höhe in kaltes Wasser eingetaucht. Nach der 20. Abkühlung zeigte derselbe eine Ausdehnung am unteren Ende von 3cm,15 oder 2,14 Proc. und eine Zusammenziehung am oberen Ende von 20cm,07 oder 13,65 Proc. Die Ausdehnung bezieh. Zusammenziehung war zwischen je 2 Abkühlungen eine ziemlich gleichmäſsig fortschreitende. Hierbei fällt sofort die Ausdehnung im Wasser und die Zusammenziehung in der Luft auf. b) Eine schmiedeiserne Stange 72cm,13 lang, 8cm,89 breit und 1cm,27 dick wurde ebenfalls rothglühend gemacht und mit der flachen Seite, hochkantig zur Hälfte in Wasser eingetaucht, worauf dieselbe sich krümmte und am unteren Ende eine Ausdehnung von 1cm,117 oder 1,55 Proc. und am oberen Ende eine Zusammenziehung von 4cm,98 oder 6,9 Proc. nach der 12. Abkühlung zeigte. Auch hier schritt Ausdehnung und Zusammenziehung zwischen je zwei Abkühlungen ziemlich gleichmäſsig fort. c) Um zu zeigen, welche Wirkung der umgekehrte Abkühlungsproceſs hat, wurde eine schmiedeiserne Stange von 71cm,12 Länge, 8cm,89 Breite und 1cm,27 Dicke rothglühend gemacht und ganz wie oben 5 mal bis zur halben Höhe in Wasser eingetaucht, worauf dieselbe sich mit einer Bogenhöhe von 3cm,81 an der concaven Seite krümmte. Darauf wurde die Stange umgedreht und wieder 5 mal mit dieser Seite in Wasser abgekühlt, während die convexe Seite der Luft ausgesetzt blieb. Hierbei ereignete es sich, daſs die Stange bei der 10. Abkühlung wieder gerade gerichtet wurde und bei der 11. Abkühlung sich entgegengesetzt bog. Zur weiteren Bestätigung dieser Erscheinungen wurde hierauf noch eine Reihe von Versuchen mit schmiedeisernen Ringen verschiedener Gröſse vorgenommen und letztere zur Abkühlung in verschiedenen Tiefen in Wasser eingetaucht. Das Endresultat war in allen Fällen in so fern dasselbe, als der dem Wasser ausgesetzte Theil eine Ausdehnung und der der Luft ausgesetzte eine Zusammenziehung erlitt. Die Erklärung dieser Erscheinungen ist weniger einfach als diejenige der vorhin besprochenen. Das beschriebene Verhalten läſst sich nur zurückführen auf die wechselseitigen Einflüsse der die Abkühlung in verschiedenem Maſse fördernden Mittel. Der in das Wasser eingetauchte Theil hat das Bestreben, sich schnell zusammenzuziehen, wird aber durch den der Luft ausgesetzten Theil hieran theil weise verhindert, erstarrt und übt seine Wirkung auf letzteren nur in so weit aus, als er dessen Masse bis zu einem gewissen Grade einengt. Hierauf beginnt erst bei diesem die Wirkung der ihm durch die Abkühlung eigenthümlichen Zusammenziehung, welche durch die vorausgegangene Einschnürung sich in höherem Grade äuſsert, als dies der Fall gewesen wäre ohne die Verbindung mit dem in das Wasser eingetauchten Theil. Da nun aber während der Zusammenziehung des oberen Theiles die in der Nähe des Wasserspiegels befindliche Metallmasse schon erstarrt ist, während die höher liegenden Theile derselben noch glühen, so muſs nothwendig nach vollendeter Erstarrung der Stab oder Ring eine conische Form annehmen, welche sich auch den dem Wasser ausgesetzten Massen mittheilt und dieselben an der unteren Kante aus einander zu reiſsen bestrebt ist. Hieraus folgt die geringe Ausdehnung im Wasser und die starke Zusammenziehung in der Luft. Auch hier finden wir wieder ein abweichendes Verhalten bei den verschiedenen Metallen: d) Ein gegossener Kupferring, ausgebohrt und abgedreht, von 15cm,24 äuſserem Durchmesser, 5cm,08 hoch und 0cm,95 dick, rothglühend gemacht und 20 mal zur Hälfte in Wasser abgekühlt, zeigte am oberen Ende im Umfang eine Zusammenziehung von nur 5mm,08 oder 0,10 Proc., welche indessen schon von der 4. Abkühlung an nicht mehr zunahm; am unteren Ende dagegen war im Umfang eine Ausdehnung von 17mm,78 oder 3,70 Proc. bemerkbar. e) Ein Stahlring, ausgebohrt und abgedreht, von 47cm,07 äuſserem Umfang, 6cm,03 hoch und 6mm,86 dick, ebenfalls rothglühend gemacht und 3 mal in Wasser bis zur Hälfte eingetaucht, ergab am oberen Ende eine Zusammenziehung von 5mm,08 oder 1,08 Proc. und am unteren Ende eine Ausdehnung von 1mm,27 oder 0,27 Proc. Der dem Wasser ausgesetzte Theil war an verschiedenen Stellen geborsten. III) Der einfachste Weg, um die Vorgänge in geschmolzenem und erstarrendem Guſseisen zu beobachten, besteht darin, voll gegossene eiserne Kugeln in die geschmolzene Masse einzutauchen und deren Verhalten bis zum Flüssigwerden aufzuzeichnen. Es mag hier vorausgeschickt werden, daſs oft die irrige Ansicht herrscht, festes Eisen sei specifisch leichter als geschmolzenes, weil ersteres auf letzterem schwimmt. Dies beruht jedoch auf einer ungenauen Beobachtung, wie aus nachstehenden Versuchen zur Genüge hervorgeht. Jedes in geschmolzenes Roheisen geworfene oder frei eingetauchte Eisenstück sinkt in ersterem bis zu einer gewissen Tiefe nieder, erhitzt sich dadurch, vergröſsert sein Volumen und tritt erst an die Oberfläche, nachdem die erlittene Ausdehnung so groſs geworden ist, daſs das Gewicht der von ihm verdrängten flüssigen Masse sein eigenes Gewicht übersteigt. Zur bequemen Beobachtung des Verhaltens von Eisenkugeln, welche in flüssiges Eisen eingetaucht worden sind, ist eine Federwage mit rundem Zifferblatt und darauf drehbarem Zeiger sehr geeignet. Man befestigt ringförmig um den äuſseren Rand des Zifferblattes, jedoch ohne die Ziffern zu bedecken, einen Papierstreifen. An die Schale hängt man eine steife eiserne Stange von etwa 1k Schwere und markirt auf dem Papierstreifen die Stelle, welche der Zeiger in Folge dessen einnimmt. In diesem Zustand stellt man die Wage über einen Behälter mit flüssigem Eisen so auf, daſs das untere Ende der Stange unmittelbar über dem Eisenspiegel schwebt; befestigt man nun an demselben eine eiserne Kugel derart, daſs dieselbe in dem geschmolzenen Eisen schwimmt, so müſste, wenn die specifischen Gewichte der Kugel und des flüssigen Eisens gleich wären, die Stellung des Zeigers unverändert bleiben. Dies ist indessen, wie wir gleich sehen werden, nicht der Fall. Unmittelbar nach dem Eintauchen gibt der Zeiger ein höheres Gewicht an, geht dann sehr rasch bis über die zuerst gezeichnete Stelle zurück und kommt erst zum Stillstand, nachdem die Kugel zum gröſsten Theil über der Oberfläche sichtbar geworden ist. Von dem Augenblick ab, wo die Kugel zu schmelzen beginnt, macht der Zeiger den umgekehrten Weg und bleibt schlieſslich auf der ersten Marke stehen. Diese Zeigerbewegung läſst sich, unter Berücksichtigung der zwischen den einzelnen Zeigerstellungen verlaufenen Zeiträumen, zur Aufzeichnung von Diagrammen auf dem Papierstreifen benutzen, aus welchem das Gewichtsverhältniſs zwischen flüssigem und festem Eisen in jedem Augenblick ersichtlich ist. Es wurden beispielsweise 5 Kugeln von verschiedener Gröſse in die geschmolzene Masse eingetaucht und dabei Folgendes beobachtet: Nr. Durchmesser Gewicht 1. Versuch 2. Versuch 1      2,54cm 0,057k          5 Sec.          3 Sec. 2   5,08 0,496 25 – 3   7,62 1,644 20 15 4 10,16 3,657   6 15 5 12,70 7,654   5 10. (Die verzeichneten Secunden geben den Zeitunterschied zwischen dem Eintauchen und Wiedererscheinen der Kugeln an der Metalloberfläche an.) Die auf den ersten Augenblick auffallenden Zeitunterschiede im Aufsteigen der Kugeln haben ihren Grund lediglich in dem verschiedenen Verhältniſs zwischen Oberfläche und Inhalt derselben. Kugel Nr. 1 stieg am schnellsten, weil in Folge ihrer geringen Masse die Hitze sehr rasch bis zum Mittelpunkt vorgedrungen war, was bei Nr. 2 und 3 nicht in dem Maſse der Fall sein konnte. Da nun bei Kugeln die Oberflächen sich wie die zweiten und die Inhalte wie die dritten Potenzen der Durchmesser verhalten, so brauchte bei den schwereren Kugeln Nr. 4 und 5 die Erhitzung in linearer Richtung weniger tief in das Innere vorzudringen, um die zum Steigen erforderliche Verminderung des specifischen Gewichtes zu erzeugen, als bei Nr. 2 und 3. Genau umgekehrt, wie ein in flüssigem Eisen sich erhitzendes und schmelzendes, festes Eisenstück, muſs sich eine flüssige und allmählich erstarrende Eisenmasse verhalten. Wir finden dies in der That bei Beobachtung frisch angefertigter Guſsstücke. Die Form wird gewöhnlich in linearer Richtung 1 Proc. gröſser gemacht, als das Guſsstück nach dem Erkalten sein soll. Trotzdem dehnt sich das Eisen unmittelbar nach dem Eingieſsen aus; den Beweis dafür finden wir in der scharfen Auszeichnung sämmtlicher Kanten und Ecken in der Formmasse. Sobald aber die äuſsere Haut erstarrt, zieht dieselbe sich zusammen und übt einen gewaltigen Druck auf die innere noch groſsentheils flüssige Masse, so daſs dieselbe theilweise aus der Einguſsöffnung herausquillt. Dieser Vorgang ist, nebenbei bemerkt, von auſserordentlicher Wichtigkeit für das Zustandekommen dichter Güsse. Sobald die innere Masse nun aber ebenfalls zu erstarren beginnt, zieht sich ein Theil des emporgequollenen Metalles wieder in den zuerst gebildeten Mantel zurück. Wir haben also zunächst eine kurze schnelle Abnahme und darauf folgende stetige Zunahme des specifischen Gewichtes vom Augenblick des Eingieſsens in die Form bis zur vollendeten Erstarrung. Um die auf einander folgenden Aenderungen des specifischen Gewichtes von festen Eisenstücken, welche in geschmolzenem Eisen erhitzt werden, genau graphisch darstellen zu können, haben Elliott Brothers in London einen Apparat construirt mit einem senkrecht stehenden und durch ein Uhrwerk gleichförmig drehbaren Cylinder, welcher mit Papier überkleidet wird. Der gegen den Cylindermantel federnd angedrückte Schreibstift steckt an dem Ende des Zeigers der Federwage, an welcher das einzutauchende Eisenstück hängt. Während nun der Zeiger beim Erhitzen des Eisenstückes in der Fluſsmasse senkrecht auf- und abgehende Bewegungen macht und der Cylinder durch das Uhrwerk in Drehung versetzt ist, zeichnet der Schreibstift auf letzterem eine stetige Curve als Diagramm der zu beobachtenden Erscheinungen. Die mit diesem Instrument ausgeführten Versuche stimmen genau mit den oben angegebenen Resultaten überein. – r.