Der Einfluß erhöhter Temperaturen auf die mechanischen Eigenschaften der Metalle. Von Prof. M. Rudeloff, Gr. Lichterfelde. (Fortsetzung von S. 566 d. Bd.) Der Einfluß erhöhter Temperaturen auf die mechanischen Eigenschaften der Metalle. Zur Bestimmung des elastischen Verhaltens des Materials und der Streckgrenze nach der Größe der bleibenden Dehnung ist der Verlauf der Dehnung mit wachsender Spannung während des Versuches festzustellen. Die Bestimmung der Bewegungen der Einspannteile gegeneinander reicht hierzu nicht hin, vielmehr sind zuverlässige Werte nur zu erzielen, wenn die Meßwerkzeuge unmittelbar an die Probe angelegt werden. Große Schwierigkeiten entstehen hierbei dadurch, daß die Meßwerkzeuge aus dem Bade oder Ofen herausragen müssen und daher ihre Teile verschiedenen Wärmeeinflüssen unterliegen. Die ersten brauchbaren Einrichtungen hat Martens [11] geschaffen. Unter Verwendung seiner bekannten Spiegelapparate, bei denen die Dehnung in Kippbewegung rhombischer Stahlkörper und mit ihnen verbundener Spiegel umgesetzt wird. Die Messung erstreckt sich (s. Fig. 1) über zwei Stabteile von verschiedenem Durchmesser; der auf die Versuchslänge (dünnerer Stabteil) entfallende Betrag der beobachteten Gesamtdehnung ist daher durch Rechnung zu ermitteln. Eine geringe Ungenauigkeit entsteht hierbei dadurch, daß der obere, aus dem Ofen herausragende Teil der Meßlänge nicht gleichmäßig erwärmt ist und ihm daher nicht, wie der Rechnung zugrunde gelegt, die gleiche Dehnungszahl α zukommt als dem unteren, höher erhitzten Teil. Eine weitere Fehlerquelle liegt darin, daß auch Wärmeschwankungen in die Messung eingehende Längenänderungen verursachen. Diesem Fehler ist aber dadurch möglichst begegnet worden, daß mit dem Versuch erst begonnen wurde, nachdem konstanter Wärmezustand im Stabe und den Einspannteilen errreicht war – daran zu erkennen, daß der Wagehebel unter der Anfangsbelastung dauernd feststand – und an der Heizeinrichtung dann während des Versuches nichts mehr geändert wurde. Bei meinen Versuchen sind ebenfalls Martenssche Spiegelapparate verwendet, die Uebertragung der Dehnung- auf den Spiegelträger erfolgte aber in anderer. Weise. Bei Benutzung des Ofens Fig. 5 lagen die Endpunkte o und u der Meßlänge in der Achse des kurzen Probestabes P und zwar im Innern der beiden Stabköpfe, von wo mittels Federn f angepreßte Gestänge S, a, t und S1 zu dem Spiegelträger hinführten. Letzterer ruhte bei h mit einer Spitze auf der oberen Endfläche der Stange S1 und mit einer zweiten Spitze auf dem Ringe g, der mit dem unteren Meßpunkt verbunden war. Die Bewegung dieser beiden Stützpunkte gegeneinander entsprach der Dehnung des Probestabes und bewirkte das Kippen des an dem Arm n gestützten Spiegels m. Auch bei dieser Einrichtung umfaßt die Meßlänge Stab teile von verschiedenem Durchmesser; die wahre Dehnung ist also ebenfalls zu berechnen. Die Länge des stärkeren Teiles ist aber nur gering und vor allem liegt sowohl der ganze Meßbereich als auch der Meßapparat innerhalb des Ofens, so daß die Beobachtungen durch Wärmeschwankungen nicht beeinflußt werden. Vergleichende Versuche [14] bei Zimmerwärme mit diesem Apparat und dem gewöhnlichen Martensschen Spiegelapparat haben dargetan, daß die Unterschiede in den Ergebnissen beider Reihen nicht größer waren, als diejenigen bei mehreren Versuchen mit dem Apparat alter Bauart. Die Handhabung des Apparates erwies sich aber als sehr schwierig, zumal Erschütterungen leicht Gleiten der Stützspitzen verursachten. Daher sind auch bei meinen späteren Versuchen [15], [20], [23] wieder die Martensschen Spiegelapparate verwendet; nur die Meßfedern erhielten die aus Fig. 10 ersichtlich veränderte Form, bei der zwei Paar Federn m und m' an den Stab angelegt und oben die Spiegelträger S dazwischen eingeklemmt werden. Hierdurch ist der Vorteil erreicht, daß Längenänderungen der Federn infolge Temperaturschwankungen die Dehnungsmessungen kaum beeinflussen, weil alle Federn gleichweit aus dem Ofen herausragen, also den gleichen Temperaturschwankungen unterliegen. Textabbildung Bd. 324, S. 577 Fig. 10. Spiegelapparat nach Rudeloff. Beiliegender Anordnung des Probestabes und Flüssigkeitsbädern haben sich die gewöhnlichen Martensschen Spiegelapparate gut bewährt. Die Achse der Spiegelträger ist möglichst lang aus dem Deckel des Bades herauszuführen und unter dem Spiegel sind leichte Scheiben zum Abhalten der aufsteigenden Dämpfe anzubringen. Der Bestimmung der Temperatur des Probestabes ist besondere Aufmerksamkeit zuzuwenden. Bei Flüssigkeitsbädern dürfte es genügen, die Temperatur des Bades zu bestimmen, sofern der Beginn des Versuches bis zum völligen Wärmeausgleich hinausgeschoben wird, was leicht daran zu erkennen ist, wie schon oben erwähnt wurde, daß der Wagehebel unter der Anfangslast oder Nullast in der Gleichgewichtslage bleibt, während Wärmeschwankungen infolge der damit verbundenen Längenänderungen des Stabes Anheben oder Abfallen des Hebels verursachen. Bei Luftbädern ist die Wärme des Stabes unmittelbar zu messen. Am besten eignen sich hierzu Thermoelemente, die eng an den Stab anzulegen und gegen das Luftbad durch Asbest zu trennen sind. Die sichersten Messungen wird man erzielen, wenn neben dem Probestab ein zweiter Stab desselben Materials und von denselben Abmessungen in das Bad gebracht wird, dessen Achse zur Aufnahme des Thermoelementes ausgebohrt ist. Die Abmessungen der Probe und die Anordnung der Einspannvorrichtungen können insofern von wesentlichem Einfluß auf das Ergebnis sein, als von ihnen ganz besonders die gleichmäßige Erwärmung des Stabes innerhalb der Meßlänge abhängt. Daß die Länge des Stabes zu diesem Zweck wesentlich geringer sein soll, als die des Bades, ist oben bereits gesagt. Martens [11] verwendete daher möglichst lange Stäbe, die nur innerhalb einer verhältnismäßig kurzen Strecke auf den gewünschten Versuchsquerschnitt abgedreht wurden, (s. Fig. 1.) Wegen des hiermit verbundenen großen Aufwandes an Material und an Bearbeitungskosten, kamen bei meinen Versuchen [14, 15, 20, 23] möglichst kurze Stäbe (l = 100 mm), s. Fig. 5 u. 10, zur Anwendung, die mit Gewindeköpfen in Verlängerungsstangen eingeschraubt wurden. Aehnliche Stäbe haben später auch Bach [24, 25, 30, 31, 33] Fig. 2 und Stribeck [29, 32] Fig. 9 verwendet. Die Materialanhäufungen an den beiden Verbindungsstellen sind nur von Nutzen, indem sie gleichsam als Wärmespeicher dienen und den Einfluß der Wärmeableitung nach außen vom Probestab fernhalten. Der Einfluß der Belastungs- oder Streckgeschwindigkeit macht sich bekanntlich bei den Versuchen bei Zimmertemperatur insofern geltend, als unter sonst gleichen Umständen mit abnehmender Geschwindigkeit geringere Festigkeiten und größere Dehnungen erzielt werden. Die Abnahme der Festigkeit mit der Belastungsgeschwindigkeit tritt auch bei höheren Temperaturen deutlich hervor und zwar besonders dann, wenn die Probe vorher nicht mindestens bei der Versuchstemperatur ausgeglüht wird, sondern durch die voraufgegangene Behandlung irgendwie eine Härtung erfahren hat, weil dann auch der Einfluß der Glühdauer auf die Enthärtung mitwirkt. So fand z.B. Le Chatelier [26] für hartgezogenen Kupferdraht mit 50 kg/qmm Festigkeit bei 250° C folgende Werte: Dauer: 20 Sek.; 10 Min.; 30 Min.: Festigkeit: 34 „ 24,7 „ 18 kg/qmm; dagegen ergaben sich für geglühte Kupferstäbe folgende Werte: Temperatur 200° C 330°C 440° C Versuchs-dauer 45'' 1' 50'' 10' 2' 15'' 10' 20' 56'' 2' 5' 30'' 17' 30'' Zugfestigkeitkg/qmm 20,4 18,6 17,9 15,7 15,2 14,7 10,6 9,7 8,2 7,8 Bruchdeh-nung v.H. 39,0 35,0 36,0 37,9 34,4 31,1 21,0 16,2 12,9 11,4 Stribeck [29] stellte für Kupfer fest, daß die Festigkettsabnahme mit wachsender Temperatur beim schnellen Versuch erst bei 300° C begann, beim sehr langsamen Versuch dagegen schon bei 200° C. Ganz besonders empfindlich gegen die Belastungsgeschwindigkeit ist Zink (s. Martens [10]). Auch Kürth [38] fand bei Kugeldruckproben, daß bei Zink und Zinn selbst nach einigen Stunden gleicher Belastung noch kein Gleichgewichtszustand erreicht war, während er bei den meisten Metallen schon nach 5–10 Minuten eintrat. Die Bruchdehnung unterliegt bei höheren Temperaturen nicht dem gleichen Einfluß der Geschwindigkeit wie bei Zimmerwärme. Wie schon vorstehende Beobachtungen von Le Chatelier zeigen, nimmt die Dehnung bei Kupfer mit abnehmender Geschwindigkeit nicht zu, sondern ab. Stribeck gelangte zu demselben Ergebnis und gibt an, daß die Stäbe bei langer Dauer stumpf abbrachen, während beim schnellen Versuch und derselben Temperatur dem Bruch erhebliche Einschnürung voraufging. Ob und in wie weit der eingangs besprochene Einfluß der Oxydation im Luftbad mitwirkte, möge dahingestellt bleiben. Die angeführten Beispiele dürften zur Genüge beweisen, daß zur Erzielung vergleichbarer Ergebnisse einheitliche Belastungsgeschwindigkeit erforderlich ist. Sie sollte, um praktisch wertvolle Ergebnisse zu erhalten, möglichst gering gewählt und das Probematerial sollte vorher ausgeglüht werden. Versuchsergebnisse. 1. Schweißeisen. Textabbildung Bd. 324, S. 578 Fig. 11. Schweißeisen. Zugfestigkeit σB, Streckgrenze σS, Dehnung δ; ● nach. Kollmann, ○ nach Rudeloff. Aus den schon 1837 angestellten Versuchen des Franklin-Institutes [2] geht hervor, daß die Zugfestigkeit des Schweißeisens mit steigender Temperatur zunimmt. Knut Styffe [6] kam 1863 zu demselben Ergebnis, zugleich nahm bei seinen Versuchen die Bruchdehnung ab. Sie erstreckten sich auf Temperaturen nur bis etwa 170° C und ihre Ergebnisse sind wegen der nach heutigen Verhältnissen mangelhaften Versuchseinrichtung unzuverlässig, weshalb von der Wiedergabe der Beobachtungswerte Abstand genommen ist. Huston [8] fand für Holzkohleneisen ebenfalls Festigkeitszunahme und zugleich Abnahme der Querschnittsverminderung bis 500° C. Kollmann [9] dagegen fand keine Festigkeitssteigerung, sondern stetige Festigkeitsabnahme (s. Fig. 11). Letzere war bis 300° C nur gering (von 37,5 auf 33,8 kg/qmm), bei höheren Temperaturen bis zu 600° C aber erheblich. Wenngleich die Kollmannschen Temperaturbestimmungen mittels Kalorimeters keine große Genauigkeit erwarten lassen, so können doch seine von den älteren abweichenden Beobachtungen nicht ohne weiteres auf Versuchsfehler zurückgeführt werden, zumal ihre Ergebnisse außerordentlich stetig verlaufen. Meine Versuche [14] (s. Fig. 11), bestätigen die Beobachtung Styffes und zwar ergab sich der Höchstwert der Zugfestigkeit bei etwa 260° C (schätzungsweise 50 kg/qmm gegen 34 kg/qmm bei 20° C) und bei höheren Temperaturen trat wie bei den Kollmannschen Versuchen starke Festigkeitsabnahme ein. Die Streckgrenze nahm zwischen 100 und 200° C stark ab, vorher und nachher (bis 400° C) blieb sie fast unverändert. Die Bruchdehnung nahm zwischen 20 und 130° C von 30 auf 13 v.H. ab und stieg dann im Gegensatz zu den Versuchen von Huston (Abnahme der Querschnittsverminderung) mit wachsender Temperatur schnell an (bei 400° C bis 40 v.H.). Carpenters Versuche [19] ergaben ebenfalls die höchste Festigkeit bei etwa 250° C und die geringste Dehnung bei etwa 130° C. 2. Flußeisen. Mit Flußeisen liegen Zug-Versuche bei verschiedenen Temperaturen vor von Huston [8], Kollmann [9], Martern [11], Rudeloff [14], Charpy [16], Carpenter [19], Le Chatelier [26] und Bach [31]. Die Versuche von Kollmann ergaben für Bessemereisen stetige Abnahme der Zugfestigkeit mit wachsender Temperatur, alle übrigen stimmen dahin überein, daß die Zugfestigkeit bei etwa 250° C einen Höchstwert erreicht, der weit über der Festigkeit bei Zimmertemperatur liegt, und dann mit weiterem Erhitzen schnell abnimmt. Nach den Versuchen von Martens und des Verfassers geht der erwähnten Festigkeitszunahme eine Abnahme der Festigkeit vorauf, und zwar scheint der geringste Wert bei etwa 50° C erreicht zu werden. Aehnliches Verhalten des Flußeisens fanden Brinell [36] und Kürth [38] bei Kugeldruckproben; während aber Brinell sowohl für saures als auch für basisches Material, bei fast völliger Uebereinstimmung des Verlaufes der zu Schaulinien aufgetragenen Beobachtungen, den ersten Geringstwert bei etwa 200° C und die Höchstwerte bei 300–400° C fand, liegen die beiden Wendepunkte der Schaulinien von Kürth bei 150–190° C, beziehungsweise bei 250° C. Textabbildung Bd. 324, S. 579 Fig. 12. Stahlguß. Zugfestigkeit σB und Bruchdehnung δ ; Nach Bach: Material: O = ●, K = ○, M = ×, OE = △; Nach Rudeloff = □ Die Streckgrenze des Flußeisens nimmt mit wachsender Temperatur stetig ab. Die Bruchdehnung nimmt mit steigender Temperatur zunächst ebenfalls beträchtlich ab, z.B. nach Martens in einem Falle von 28,4 auf 8,4 v.H. und dann schnell zu; die geringsten Werte liegen im allgemeinen bei etwa 150° C, also bei niedrigeren Temperaturen als die Höchstwerte für die Bruchfestigkeit. Die anfängliche Abnahme der Dehnung und Zunahme der Festigkeit mit steigender Temperatur erklärt die Blaubrüchigkeit des Eisens, auf die schon Valton 1877 (Berg- und Hüttenmännische Zeitung 1877, S. 25) auf Grund von Biegeversuchen hinwies. Textabbildung Bd. 324, S. 579 Fig. 13. Gußeisen. Zugfestigkeit σB : ○ nach Bach, ● nach Rudeloff. 3. Stahlguß. Fig. 12 zeigt die vom Verfasser [23] und von Bach [30, 31] ermittelten Werte für die Zugfestigkeit σs und Bruchdehnung δ von Stahlguß. Bach macht folgende Angaben über die Zusammensetzung seiner vier Stahlsorten: Sorte C Mn Cu Si S P As O 0,193 0,322 0,096 0,187 0,087 0,081 0,056 K 0,165 0,726 0,121 0,498 0,038 0,019 0,041 M 0,200 0,819 0,273 0,112 0,048 0,053 0,073 OE 0,180 0,360 0,060 0,280 0,080 0,071 0,079 Der allgemeine Verlauf der Schaulinien ist für alle fünf Sorten der gleiche. Die Zugfestigkeit wächst mit steigender Temperatur, erreicht zwischen 200 und 300° C den Höchstwert und nimmt dann verhältnismäßig schnell ab. Die Bruchdehnung ist durch die Temperatur im entgegengesetzten Sinne beeinflußt: sie nimmt zunächst ab und dann schnell zu; die geringsten Werte sind bei etwa 200° C erreicht. Textabbildung Bd. 324, S. 579 Fig. 14. Temperguß. Spannungen, Dehnungen für Temperguß; Bruchspannung für Gußeisen. Seiner Größe nach schwankt der Wärmeeinfluß bei den verschiedenen Stahlsorten; besonders die Linien für die Dehnung gehen bei Temperaturen über 200°C weit auseinander. Hierzu dürfte der Einfluß der Belastungsgeschwindigkeit jedenfalls mit beigetragen haben, aber auch im übrigen lassen die Bachschen Versuche keinen gesetzmäßigen Einfluß der chemischen Zusammensetzung des Materials auf dessen Widerstand gegen Temperatureinflüsse erkennen. Es möge aber darauf hingewiesen sein, daß das Material OE, bei dessen Herstellung ganz besonders auf günstiges Verhalten bei hohen Temperaturen Bedacht genommen war, die größte Festigkeitssteigerung und im allgemeinen auch die größten Bruchdehnungen aufweist. Textabbildung Bd. 324, S. 580 Fig. 15. Stahlguß. Bei der mittleren Zugfestigkeit σB von 41 kg/qmm und Bruchdehnung δ von 27 v.H. bei Zimmerwärme wird man für Stahlguß folgende Annäherungswerte für die Veränderung der Festigkeitseigenschaften bei höheren Temperaturen annehmen können: Temperatur °C 100 200 300 400 Aenderungin v.H. gegen20° C σB + 6 + 12 + 10 – 7 δ – 30 – 50 – 33 ± 0 Aehnlich. der Dehnung verhielt sich die Querschnittsverminderung; ihre Abnahme mit wachsender Temperatur war aber geringer. Die Streckgrenze ging mit wachsender Temperatur stetig zurück. Textabbildung Bd. 324, S. 580 Fig. 16. Gußeisen. 4. Gußeisen. Howard [12] fand, daß Gußeisen bis 386° C. nur wenig an Festigkeit einbüßte. Bei höherer Temperatur nahm die Festigkeit allmählich ab, jedoch in so geringem Maße, daß es schließlich dieselbe Festigkeit besaß wie weicher Stahl. Vor dem Bruch traten zahlreiche Risse auf. Meine Versuche [23] und die von Bach [25] s. Fig. 13 bestätigen die Beobachtung von Howard, daß die Festigkeit von Gußeisen erst bei Temperaturen über 300–400° C nennenswert an Festigkeit verliert. Setzt man die Festigkeit bei Zimmerwärme gleich 100, so ergeben sich folgende Verhältniszahlen: Temperatur °C 20 300 400 500 570 Ver-hältnis-zahlennach Bach 100 99 92 76 52 Rude- loff 100 88 107 68 38 Textabbildung Bd. 324, S. 580 Fig. 17. Temperguß. Dabei war die durchschnittliche Zusammensetzung des Versuchsmaterials: bei denVer-suchenvon Graphit ge-bund.Koh-lenstoff Ge-samt.Koh-lenstoff Man-gan Sili-cium Kupfer Schwe-fel Phos-phor Bach 2,85 0,79 3,64 1,73 1,178 0,170 0,085 0,158 Rude- loff – – 3,56 0,93 2,650 – 0,054 0,517 Die Versuche von Kürth [38] ergaben, daß die Kugeldruckhärte des untersuchten Gußeisens mit steigender Temperatur zunächst langsam abnahm, zwischen 200 u. 300° C wieder etwas wuchs und bei über 300° C sehr schnell abnahm. Die Versuche zeigen also eine annähernde Uebereinstimmung mit den Zugversuchen des Verfassers (s. Fig. 13). 5. Temperguß (getemperter Eisenguß). Versuche des Verfassers [23] mit Stäben von 12 × 6,5 mm Querschnitt lieferten die in Fig. 14 dargestellten Ergebnisse, denen auch die Linie für die Zugfestigkeit des Gußeisens [23] beigefügt ist. Nach ihnen wachsen σP, σS und σB anfänglich mit der Temperatur, erreichen bei etwa 250–300° C ihre Höchstwerte und nehmen dann bei höherer Temperatur schnell ab. Die Werte für σP stimmen bei allen Temperaturen annähernd mit der Bruchfestigkeit des Gußeisens überein. Die Dehnung α innerhalb σP nimmt bis 400° C wenig, bei höheren Temperaturen schnell zu. Die an sich geringe Bruchdehnung ist durch Temperaturänderungen kaum beeinflußt. Fig. 15–17 sind körperliche Darstellungen der Versuchsergebnisse [23] für Stahlguß, Gußeisen und Temperguß. Fig. 15 zeigt deutlich, wie die bei Zimmertemperatur scharf ausgeprägte Streckgrenze des Stahlgusses bei höheren Temperaturen immer mehr verwischt wird und heruntergeht, so daß die Schaulinie bei 600° C schließlich ähnlichen Verlauf zeigt, wie die für Gußeisen (Fig. 16) bei Zimmertemperatur. Zwischen Gußeisen (Fig. 16) und Temperguß (Fig. 17) tritt ein scharfer Unterschied darin zutage, daß die Festigkeit des Gußeisens bei über 400° C schroff abfällt, beim Temperguß dagegen allmählich. (Schluß folgt.)