Der Einfluß erhöhter Temperaturen auf die mechanischen Eigenschaften der Metalle. Von Prof. M. Rudeloff, Gr. Lichterfelde. Der Einfluß erhöhter Temperaturen auf die mechanischen Eigenschaften der Metalle. Die Veränderungen, welche die Festigkeitseigenschaften der Metalle mit Aenderung ihrer Temperatur erleiden, sind nicht nur von dem Technologen bei der Verarbeitung (Schmieden, Walzen usw.) sondern auch von dem Konstrukteur bei Festsetzung der Abmessungen in Rücksicht zu ziehen; sie sind sogar häufig ausschlaggebend für die Verwendbarkeit des Materials zu bestimmten Zwecken. Bei ihrer hohen praktischen Bedeutung ist es nicht zu verwundern, daß die ersten Untersuchungen, sie durch Festigkeitsversuche zu ergründen, weit zurückliegen. So stellten Tremery und Proirier-Saint-Brice [1]Nummerfolge der am Schluß gegebenen Literaturübersicht. schon im Jahre 1828 fest, daß die Zugfestigkeit gehämmerten Schmiedeeisens von 43,5 kg/qmm bei Zimmerwärme auf 7,8 kg/qmm bei Rotglut zurückging. Wie die am Schluß gegebene Literaturübersicht zeigt, liegt jetzt eine stattliche Reihe einschlägiger Untersuchungen über den Temperatureinfluß vor; daß sie bis in die neueste Zeit hineinreichen, hat seinen Grund nicht allein darin, daß immer neue Materialien zu erforschen sind, sondern vielfach gilt es auch, die früher gewonnenen Ergebnisse entsprechend den Fortschritten in der Versuchstechnik nachzuprüfen unter Verwendung vervollkommneter Hilfsmittel und unter Berücksichtigung der Umstände, die nach der heutigen Kenntnis die Ergebnisse beeinflussen können. Im Nachstehenden sollen die bis jetzt vorliegenden Ergebnisse, so weit sie dem Verfasser bekannt geworden sind, nach Material getrennt zusammengefaßt werden. Im voraus mögen aber die angewendeten Verfahren und ihr Einfluß auf das Ergebnis besprochen sein. Die Art der Erprobung des Wärmeeinflusses war bei den meisten Untersuchungen der Zerreißversuch; daneben finden sich vereinzelt Stauchproben und neuerdings hat auch die Kugeldruckprobe nach Brinell (s. D. P. J. 1903, S. 188; 1905, S. 280; 1907, S. 33) zur Ermittlung von Härteänderungen mit Erfolg Anwendung gefunden [36] [38]. Unter den Umständen, welche Nebeneinflüsse veranlassen können, kommen in Frage: 1. Die Erzeugung und Bestimmung der Versuchstemperatur (die Versuchseinrichtung). 2. Die Form des Probestabes und seine Einspannung in die Festigkeitsprobiermaschine. 3. Die Belastungsgeschwindigkeit. 4. Die Verfahren zur Bestimmung der Formänderungen – Dehnung – während des Versuches. 5. Der Bearbeitungszustand des Probematerials. Die Versuchseinrichtungen. Textabbildung Bd. 324, S. 564 Fig. 1. Flüssigkeitsbad von Martens mit Spiegelapparat. Zur Erzeugung der Versuchs-Temperaturen höher als Zimmerwärme diente als ältestes Verfahren das Erhitzen der Probe im Ofen oder im Wärmebad und hierauf folgende Prüfung an der Luft. Um hierbei den Einfluß des allmählichen Erkaltens der Probe möglichst hinten anzuhalten, hat man zu sehr schneller Durchführung des Versuches gegriffen (Kollmann [9]). Elastizitätsbestimmungen sind hierbei völlig ausgeschlossen, da die Zeit nicht ausreicht, um die Zunahme der Dehnung mit wachsender Belastung oder Spannung zu ermitteln. Aber auch die endlichen Werte für die Bruchdehnung und Bruchfestigkeit sind höchst unzuverlässig, zumal der Stab beim Bruch ungleichmäßig, innen höher als außen, erwärmt ist, und weil daneben der Einfluß der Belastungsgeschwindigkeit sich geltend macht. Das von Kollmann angewendete Verfahren – neben der Zerreißprobe eine zweite gleicher Form in demselben Ofen gleichzeitig zu erhitzen, und an ihr die Anfangstemperatur ta kalorimetrisch zu bestimmen, ferner die Endtemperatur te des Versuchsstabes entweder an Hand einer vorher bestimmten Abkühlungskurve oder an dem Bruchstück ebenfalls kalorimetrisch zu ermitteln und dann (ta + te)½ als Versuchstemperatur anzusehen –, vermag die genannten Mängel nicht zu beseitigen. Bei den neueren Versuchen ist man daher wohl allgemein zur Anwendung von Wärmebädern übergegangen, in denen die Probe während der ganzen Dauer des Versuches verbleibt. Zu unterscheiden sind: Flüssigkeits-, Luft- oder Gasbäder. Textabbildung Bd. 324, S. 564 Fig. 2. Flüssigkeitsbad von v. Bach.a Handhabe; b Brenner; c Ablaßrohr; d Stützschrauben; e Kaminrohr. Textabbildung Bd. 324, S. 564 Fig. 3. Flüssigkeitsbad von Unwin. Zu den Flüssigkeitsbädern ist der Stoff so auszuwählen, daß der Probestab weder davon angegriffen wird noch sich damit legiert. Daher gelangen zweckmäßig zur Anwendung für Temperaturen bis 100° C Wasser, bis 200° C Paraffin, bis 300° C Mineralöl. Für höhere Temperaturen dienen Salz- oder Metallbäder. Sehr gut bewährt hat sich bei 350 bis 600° C nach dem Vorschlage der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt zu Charlottenburg ein Gemisch aus gleichen Teilen Kali- und Natronsalpeter [23]. Auch Bäder aus Blei-Zinnlegierungen und reinem Blei haben bei Temperaturen von 300–400° C und der Versuchsdauer bis zu zwei Stunden sogar zur Prüfung von Metallegierungen anstandslos verwendet werden können [14]. Das Heizen der Bäder erfolgt entweder durch Gasflammen, die unter dem Ofen (s. Fig. 3 u. 7), über ihm (Fig. 8) und seitlich davon (Fig. 1, 2 u. 10, s. später) angebracht sind, oder elektrisch (Fig. 6 und 9). Textabbildung Bd. 324, S. 565 Fig. 4. Anschluß des Probestabes an den Kraftmesser nach Martens. Bei Zerreißversuchen auf Stehenden Festigkeitsprobiermaschinen, in denen der Probestab in senkrechter Stellung sich befindet, empfiehlt es sich, nach dem Vorgehen von Martens [11] (Fig. 1) von der unteren Einspannvorrichtung aus eine Zugstange durch den Boden des Wärmebades (Ofens) hindurchzuführen und ihn auf einen dichtschließenden Konus der Stange aufsitzen zu lassen (s. a. Fig. 2 u. 9). Von oben ragt dann eine ebensolche Stange durch den Deckel in den Ofen hinein und zwischen den Enden der beiden Stangen ist mit letzteren konzentrisch die Zerreißprobe eingeschaltet. Bei wagerchter Lage des Stabes werden die Verlängerungsstangen entweder durch die Seitenwände des Bades hindurchgeführt und mit Stopfbüchsen abgedichtet, Fig. 3 (Unwin) [21], oder man schaltet zwischen der Probe und den Zugstangen je ein ∩-förmiges Stück ein, das die Wandungen des Wärmebades übergreift (Martens [10] s. Fig. 4 und Charpy [16]). Die Anwendung dieses Stückes an dem mit dem Kraftmesser der Zerreißmaschine verbundenen Stabende hat den Vorteil, daß der in der Stopfbüchse herrschende Reibungswiderstand aus der Kraftmessung ausgeschaltet ist. Die lichte Schenkelweite dieses Stükkes braucht bei feststehendem Bade nur gering zu sein; es genügt, wenn sie dem Spiel des Kraftmessers entspricht. Textabbildung Bd. 324, S. 565 Fig. 5. Ofen von Rudeloff mit Spiegelapparat. Die Länge des Bades und somit auch der Zugstangen ist im Verhältnis zur Länge des Probestabes möglichst groß zu wählen, damit die Wärmeableitung durch die Zugstangen von dem Probestabe möglichst fern gehalten und der Stab in seiner ganzen Länge gleichmäßig erwärmt werden kann. Mit Rücksicht auf gleichmäßige Erwärmung verdienen die Versuchsanordnungen mit wagerecht liegendem Probestabe den Vorzug vor denen mit aufrecht stehendem Stabe. Bei letzterem sind Rührvorrichtungen zur Erzielung gleichmäßiger Erwärmung der Flüssigkeitssäule unerläßlich. Sie erschweren aber die Dehnungsmessungen während des Versuches und führen nicht immer zum Ziel. Es ist dies deutlich daran zu erkennen, daß die Probe dann am oberen oder unterem Ende reißt, je nachdem die Bruchfestigkeit des Materials innerhalb der jeweilig verschiedenen Temperaturen des Bades mit wachsender Temperatur ab- oder zunimmt [11]. Textabbildung Bd. 324, S. 565 Fig. 6. Elektrisch geheizter Ofen (Stickstoffbad) von Hopkinson und Rogers. Textabbildung Bd. 324, S. 565 Fig. 7. Luftbad von CharpyB Verbindungsstück; E Einspannklauen; G Brenner; S Probestab; Th Thermoelement. Luftbädern haftet der Mangel an, daß sie zur Oxydation des Probestabes führen; die allmählich von der Oberfläche nach dem Innern vordringt. Wie Le Chatelier hervorhebt [26], geschieht dies besonders schnell bei hüttenmännisch gewonnenem unreinen Kupfer, aber auch bei elektrolytisch erzeugtem. Das Kupfer wird dann brüchig und zerfällt schließlichS.a. Heyn, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1902, S. 1115.. Stribeck [29] hält die oberflächlich gebildete dünne Oxydschicht für einen wirksamen Schutz, sofern sie nicht abspringt, oder nicht einzelne Bestandteile der Legierung ausdampfen, wie bei Messing von gewissen Temperaturen ab. Ein weiterer Mangel des Luftbades ist der unvollkommene Wärmeausgleich zwischen dem Probestabe und der umgebenden Luft; er macht es erforderlich, die Temperatur des Stabes selbst zu messen, statt der des Bades. Zur Vermeidung der Oxydation im Luftbade verwendete ich in einem besonderen Ofen (Fig. 5) Bäder aus Wasserdampf (100° C), Naphthalindampf (200° C), sowie Naphthylamindampf (300° C) [14]. Die Dämpfe, in einer kupfernen Vorlage erzeugt, treten bei L in den Ofen ein, nehmen den durch Pfeile gekennzeichneten Weg zwischen zwei teleskopartig in einander geschobenen Rohren und gehen dann, nachdem sie unmittelbar zum Probestabe P gelangt sind, durch die obere Einspannvorrichtung durch das Rohr L1 ab. Hopkinson und Rogers [35] benutzten in ihrem Ofen (Fig. 6), mit Quecksilberverschlüssen an den Enden, Stickstoffbäder. Textabbildung Bd. 324, S. 566 Fig. 8. Luftbad von Le Chatelier. Zum Heizen der Luftbäder verwendeten Charpy [18] und Le Chatelier [26] Gasflammen (s. Fig. 7 u. 8), Stribeck [29] und Hopkinson und Rogers [35] elektrische Heizspiralen (s. Fig. 9 u. 6). Die letzteren gewähren den großen Vorteil, daß man durch engere Wicklung an den Enden des Ofens (Stribeck) oder durch Dreiteilung der Spirale und Regulierung des Stromes in den einzelnen Teilen (Hopkinson) die Wärmeableitung durch die Zugstangen und Einspannungen besser ausgleichen und dadurch gleichmäßigere Erhitzung des Probestabes innerhalb seiner ganzen Länge erzielen kann. – Carpenter [19] legt einen zweiteiligen gußeisernen Mantel von beträchtlicher Stärke um den Probestab und erhitzt ihn von außen mit Bunsenbrenner. Der Mantel überragt die Meßlänge des Probestabes an beiden Enden um 25 mm. An einem durch den Mantel hindurchgehenden Stickstoffthermometer wird die Versuchstemperatur abgelesen. Daß Fehler in der Temperaturbestimmung dadurch völlig vermieden sind, daß die Versuche erst angestellt wurden, nachdem die Thermometeranzeigen einige Minuten lang konstant geblieben waren, erscheint mindestens zweifelhaft, zumal der Zwischenraum zwischen Mantel und Stab mit der Dehnung des letzteren beim Versuch wächst. Zur Ausführung von Kugeldruckproben im Wärmebade hat Kürth [38] ein sehr zweckmäßiges Verfahren angegeben. Die Probe hat die Form eines Streifens von 200 mm Länge und 35 mm Breite. Sämtliche Druckstellen werden in seiner Mittellinie angeordnet und zwar immer bei derselben Temperatur mehrere in größeren Entfernungen (40–50 mm) voneinander und dazwischen dann je eine für die anderen Temperaturen. Auf diese Weise läßt sich der Einfluß der Ungleichmäßigkeiten des Materials leicht in Rücksicht ziehen, indem man die Beobachtungen für die gleichen Temperaturen über Abszissen gleich der Entfernung der Druckstellen zu Schaulinien aufträgt. Die letzteren verlaufen meist stetig und parallel zu einander und bei chemisch reinen Stoffen parallel zur Abszissenachse; ihr gegenseitiger Abstand entspricht den Härteunterschieden bei den angewendeten Versuchstemperaturen. Der Streifen ist, um den Druck an der gewünschten Stelle ausüben zu können, auf seinem Auflager (untere Druckplatte) an einem geteilten Schieber mit Mitnehmerstift parallel zur Achse um Strecken der gewünschten Größe verschiebbar und zwar in dem Bade bei unveränderter Temperatur. Der Behälter des Bades, ein schmaler Blechkasten mit doppelten Seitenwänden und dazwischen eingestampfter Infusorienerde, von unten durch mehrere Bunsenbrenner heizbar, trägt in der Mitte die untere Druckplatte. Die Stahlkugel ist mittels dünnen gelochten Bleches an der oberen Druckplatte befestigt; sie taucht mit der Platte in das Bad ein, kann aber zwecks wiederholter Besichtigung bequem angehoben werden. Das Anlassen und die hiermit verbundene Härteabnahme der Kugel sowie die durch das Bad verursachte Reibungsverminderung zwischen Kugel und Probestück erwiesen sich bei den untersuchten Materialien und Temperaturen (etwa 500° C) ohne Einfluß. Textabbildung Bd. 324, S. 566 Fig. 9. Elektrisch geheiztes Luftbad von Stribeck. Als allgemeines Ergebnis der Versuche von Kürth möge an dieser Stelle hervorgehoben werden, daß während des Versuches das Wachstum der Härte mit steigender Belastung für Kupfer bei 500° C das Gleiche war wie bei 20° C, wonach auch bei hohen Temperaturen kein Einfluß von Ausglühwirkungen auf die Härtezahl sich bemerkbar machte, sofern die Probe vorher völlig ausgeglüht war. (Fortsetzung folgt.)