Titel: Hood, über die Umstände, unter welchen das zähe Stabeisen in krystallinisches oder sprödes Eisen übergeht.
Autor: Hood, Charles
Fundstelle: 1842, Band 86, Nr. XXV. (S. 96–102)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj086/ar086025

XXV. Ueber einige eigenthümliche Veränderungen in der inneren Structur des Eisens, welche von den verschiedenen Processen bei seiner Fabrication unabhängig sind und erst nach denselben eintreten; von Charles Hood.

Aus dem Philosophical Magazine. Aug. 1842, S. 130.

Die wichtigen Zweke, zu welchen das Eisen dient, haben es schon zu einem Gegenstand von besonderem Interesse erhoben; zu keiner Zeit aber war es von so allgemeiner und großer Wichtigkeit, als gegenwärtig, wo sich dessen Anwendung noch täglich erweitert und kaum wird irgend ein Gegenstand in Beziehung zur Technik stehen, wobei es nicht direct oder indirect im Spiel ist. Ich beabsichtige in Vorliegender Abhandlung einige Eigenthümlichkeiten des Eisens kennen zu lehren, welche bisher den Gelehrten beinahe gänzlich entgangen zu seyn scheinen und, wenn einigermaßen auch den praktischen Arbeitern bekannt, doch allgemein von ihnen als isolirte Thatsachen und nicht als Resultate eines wichtigen, allgemeinen Gesezes angesehen wurden. Die anzuführenden Umstände aber verdienen der Folgen wegen, zu welchen sie führen, alle Beachtung der Gelehrten.

Die beiden Hauptunterschiede, welche beim schmiedbaren Stabeisen vorkommen, sind unter den Namen rothbrüchig und kaltbrüchig bekannt. Von ersterer Art ist das zähe faserige Eisen, welches kalt in der Regel eine bedeutende Stärke besizt; das andere hat einen glänzenden krystallinischen Bruch und ist kalt sehr spröde, in der Hize aber strekbar. Diese Unterschiede sind allen mit den verschiedenen Eisensorten umgehenden Personen wohl bekannt; nicht allgemein bekannt aber ist es, daß das zähe rothbrüchige Eisen auf Verschiedene Weisen rasch in krystallisirtes umgewandelt werden kann |97| und durch diese Veränderung die Stärke desselben bedeutend vermindert wird.

Die Wichtigkeit dieses Gegenstandes zu jeziger Zeit wird man nicht in Abrede stellen. Der schrekliche Vorfall auf der Paris-Versailler-Eisenbahn entstand durch das Brechen einer Locomotivenachse, deren Bruchflächen jene großen Krystalle zeigten, welche immer kaltbrüchiges, sprödes Eisen anzeigen. Es ist wohl nicht zu bezweifeln, daß diese Achse, obschon sie zur Zeit des Vorfalls offenbar von spröder, kaltbrüchiger Beschaffenheit war, doch nicht lange vorher im höchsten Grade zähe und faserig war. Ich will nun zeigen, wie diese höchst auffallende und wichtige Veränderung vor sich geht, und wenigstens einige Mittel angeben, wodurch man sich von der Richtigkeit meiner Angaben auf experimentellem Wege überzeugen kann.

Die Hauptursachen, welche diese Veränderungen hervorbringen, sind Stoß, Wärme und Magnetismus; es ist zweifelhaft, ob eine dieser Kräfte für sich allein diese Wirkung hervorbringe, vielmehr viel Grund vorhanden, anzunehmen, daß sie in der Regel bei der Bewirkung dieser Erscheinung alle in einem gewissen Grade betheiligt sind.

Ein oft vorkommendes Beispiel, daß die Hize die Krystallisation des faserigen Eisens bewirkt, ist das Brechen einer Ofenroststange von Stabeisen, die, welcher Beschaffenheit sie auch Anfangs gewesen seyn mag, in kurzer Zeit sicherlich in krystallisirtes Eisen umgewandelt wird; durch Erhizen und schnelles Abkühlen (Ablöschen mit Wasser) irgend eines Stüks Stabeisen wird dieselbe Wirkung noch weit schneller hervorgebracht.

Es sind in diesen Fällen wenigstens zwei der oben genannten Ursachen thätig, Wärme und Magnetismus: bei jeder starken Erhizung erfährt das Eisen eine Veränderung in seinem elektrischen oder magnetischen Zustande; denn sehr stark erhiztes Eisen verliert seine magnetische Kraft gänzlich, welche wieder zurükkehrt, so wie es sich nach und nach wieder abkühlt. Beim Ablöschen des erhizten Eisens mit Wasser sind die elektrischen und magnetischen Kräfte noch thätiger, indem Humphry Davy schon vor langer Zeit (Chemical Philosophy, S. 183) zeigte, daß bei jeder Verdampfung negative Elektricität in den mit dem Dampf in Berührung stehenden Körpern erzeugt werde, welche Thatsache vor Kurzem erst sehr viele Aufmerksamkeit auf sich zog, in Folge der Entdekung der großen Menge negativer Elektricität im ausströmenden Dampfe.

Doch sind diese Resultate praktisch von geringerem Werthe; die Wirkungen des Stoßes aber sind eben so mannichfaltig als bedeutend und von großer Wichtigkeit.

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Bei der Darstellung einiger Arten gehämmerten Eisens wird die Stange zuerst gewalzt, dann die halbe Länge derselben in einem Ofen erhizt und sogleich unter den Hammer gebracht und gehämmert; ihre andere Hälfte wird dann ebenso behandelt. Um jede Unebenheit der Stange oder jede Verschiedenheit ihrer Farbe an der Stelle, wo die beiden einzelnen Operationen endigten, zu vermeiden, gibt der Arbeiter oft ein paar Hammerschläge auf jenen Theil, welchen er zuerst bearbeitet hatte. Dieser Theil der Stange aber ist unterdessen verhältnißmäßig kalt geworden, und wenn die Abkühlung zur Zeit, wo die nachträglichen Hammerschläge darauf fallen, schon zu weit vorangeschritten ist, so wird besagter Theil der Stange sogleich krystallinisch und so außerordentlich spröde, daß er durch bloßes Hinwerfen auf den Boden in Stüke zerbricht, obschon die ganze übrige Stange von der besten, zähesten Beschaffenheit ist, die man sich nur denken kann. Diese Veränderung wird demnach durch den Stoß (als primäre Ursache) herbeigeführt, wenn die Stange bis unter die Schweißhize abgekühlt ist.

Wir sehen hier die Wirkungen des Stoßes auf eine sehr instructive Weise und es muß bemerkt werden, daß nicht das zu viele Hämmern diese Wirkung hat, sondern der Mangel an einem gehörigen Hizgrade während des Hämmerns, und wahrscheinlich kann der Uebelstand schon durch vier bis fünf Hammerschläge herbeigeführt werden, wenn die Stange von kleinen Dimensionen ist. In diesem Fall rührt die Wirkung von Stoß, Wärme und Magnetismus zusammengenommen her. Wird die Stange bei gehöriger Temperatur gehämmert, so findet keine solche Krystallisation statt, weil die Stange für den Magnetismus unempfindlich ist. Sobald sie aber so weit abgekühlt wird, daß sie vom Magnetismus afficirt werden kann, so bringen die darauf fallenden Schläge eine magnetische Induction hervor, welche bei der eingetretenen Polarität der Theilchen und unterstüzt durch die ferneren von den hinzukommenden Stößen hervorgerufenen Schwingungen ein krystallinisches Gefüge erzeugt. Denn es ist sehr wohl bekannt, daß in geschmeidigem Eisen der Magnetismus durch Stoß beinahe augenbliklich erregt werden kann, und es ist wahrscheinlich, daß, je höher die Temperatur der Stange in dem Augenblike ist, wo sie den Magnetismus empfängt, desto lieber sie die Wiederanordnung ihrer Molecüle, durch welche die Krystallisation des Eisens entsteht, gestattet.

Es ist nicht schwer, dieselben Wirkungen durch wiederholte Schläge mit einem Handhammer bei kleinen Eisenstangen hervorzubringen; doch scheint dieß von einer Eigenthümlichkeit im Schlag abzuhängen, welcher, wenn er die Wirkung hervorbringen soll, eine |99| vollkommene Schwingung der Theilchen, die den geschlagenen Theil Umgeben, herbeiführen muß. Merkwürdig ist es, daß die Wirkung der Schläge immer auf gewisse Entfernungen von der Stelle, worauf sie fallen, beschränkt zu seyn scheint. Hr. Manby erwähnte gegen mich eines Falles, welcher diesen Saz vollkommen bestätigt. Bei der Gebläsemaschine der Eisenhütten in Beaufort gab die Kolbenstange des Gebläsecylinders lange Zeit einen sehr unangenehmen Ton bei ihrer Bewegung von sich, wovon der Grund nicht entdekt werden konnte. Endlich brach die Kolbenstange ganz kurz und nahe am Kolben ab, und man fand nun, daß der Schlüssel den Kolben und die Stange nicht gut miteinander verbunden hatte. Die Stange zeigte auf dem Bruch ein sehr krystallinisches Gefüge, was sehr in Erstaunen sezte, da man wußte, daß sie vom besten Eisen verfertigt worden war; die Stange wurde nun in geringer Entfernung vom Bruch abgeschnitten und hier in hohem Grade zähe und faserig befunden, woraus hervorgeht, was oben schon gesagt wurde, daß die Wirkungen des Stoßes in der Regel sich nicht weit erstreken. Es ließ sich natürlich erwarten, daß so wie die Wirkung der Schwingung im Verhältniß der Entfernung von dem Schlage, der sie hervorbringt, abnimmt, auch die Krystallisation, wenn sie auf diese Weise herbeigeführt wird, in demselben Verhältniß abnehme. Die magnetische Wirkung für sich kann ebenfalls von diesem Fall abgeleitet werden. Die Stange war wohl ihrer ganzen Länge nach magnetisch; es ist dieß schon, abgesehen von anderen Umständen, eine notwendige Folge ihrer Stellung; allein die Schwingung ihrer kleinsten Theile erstreite sich in der erforderlichen Stärke nur auf einen kurzen Abstand, bis zu welchem allein auch die Krystallisation nur fortschritt. Was die Wirkung des Magnetismus zur Beförderung der Krystallisation betrifft, so glaube ich nicht dabei verweilen zu müssen, da die ausgedehnte Anwendung galvanischer Ströme in der neuesten Zeit ihr Vermögen, die Krystallisation einiger sehr widerstehender Körper zu bewirken, erwiesen hat; für sich allein aber sind sie nicht im Stande, beim Eisen diese Wirkung hervorzubringen, oder es müßte doch der Proceß sehr langsam vor sich gehen.

Ein anderer Fall, welchen Hr. Manby beobachtete, bestätigt in Allgemeinen diese Ansichten. Eine kleine Stange von zähem Eisen wurde aufgehangen und beständig mit kleinen Handhämmern geschlagen, um sie fortwährend in Schwingung zu erhalten. Die Stange wurde, nachdem dieses Experiment ziemlich lange Zeit fortgesezt worden war, so außerordentlich spröde, daß sie unter den leichten Hammerschlägen ganz in Stüke zerfiel, welche durchaus ein krystallinisches Gefüge zeigten.

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Das Brechen der Achsen bei Fuhrwerken aller Art ist ein Beispiel derselben Art. Ich untersuchte zu verschiedenen Zeiten viele zerbrochene Achsen gewöhnlicher Fuhrwerke und fand niemals eine solche, die nicht einen krystallinischen Bruch gehabt hätte, während man doch beinahe mit Sicherheit annehmen kann, daß dieß nicht die ursprüngliche Beschaffenheit des Eisens seyn konnte, da sie oft jahrelang unter größeren Lasten Dienste thaten und zulezt ohne sichtbare Ursache brachen, wo sie nicht so stark beladen waren und nicht so stark angestrengt wurden, als früher. Die auf die Wagenachsen statt habende Einwirkung ist in der Regel eine äußerst langsame und dieß, wie ich glaube, aus dem Grunde, weil sie troz der bedeutenden Schwingung nur sehr wenig magnetisch und sehr wenig erhizt werden. Die Magnetisirung derselben kann wegen ihrer Stellung und des beständigen Wechsels hinsichtlich des magnetischen Meridians, endlich wegen Mangel an Rotation und ihrer Isolirung durch die hölzernen Radspeichen nur äußerst gering seyn. Ob die Wirkung bei eisernen Rädern auf gewöhnlichen Straßen eben so langsam stattfindet, muß noch dahin gestellt bleiben.

Bei Eisenbahnachsen hingegen ist der Fall sehr verschieden. Bei jedem Bruch einer Achse auf Eisenbahnen zeigte das Eisen dasselbe krystallisirte Ansehen; aber diese Wirkung geht, wie ich glaube, bei weitem schneller vor sich, als man glauben möchte, da diese Achsen anderen Einwirkungen unterworfen sind, welche, wenn die aufgestellte Theorie richtig ist, auch die in einigen anderen Fällen hiezu erforderliche Zeit bedeutend abkürzen müssen. Im Gegensaz mit anderen Achsen rotiren diejenigen der Eisenbahnen mit den Rädern und müssen daher während ihrer Rotation stark magnetisch werden. Die HHrn. Barlow und Christie wiesen zuerst den durch Rotation im Eisen erregten Magnetismus nach, welcher nachher von den HHrn. Herschel und Babbage auf andere Metalle im Allgemeinen ausgedehnt wurde, als sie einige Versuche Arago's wiederholten. Es unterliegt daher, wie ich glaube, keinem Zweifel, daß alle Eisenbahnachsen aus diesem Grunde, so lange sie in Bewegung sind, höchst magnetisch werden, obgleich sie diesen Magnetismus nicht fortwährend behalten dürften. Bei den Achsen der Locomotivmaschinen aber ist noch eine Ursache vorhanden, durch welche die Wirkung erhöht werden kann. Die Verdampfung des Wassers nämlich und das Ausströmen des Dampfes bringen, wie schon nachgewiesen wurde, große Quantitäten negativer Elektricität in den mit dem Dampf in Berührung stehenden Körpern hervor und Dr. Ure zeigte (Journal of Science Bd. V. S. 106), daß in allen gewöhnlichen Fällen der Krystallisation die negative Elektricität augenbliklich die krystallinische |101| Anordnung veranlaßt. Natürlich kann ein eiserner Körper nicht auf dieselbe Weise wie eine Salzlösung influencirt werden; doch sehen wir, daß die Wirkungen dieser verschiedenen Ursachen alle dahin gehen, einen schnelleren Wechsel in dem inneren Gefüge des Eisens einer Locomotivachse hervorzubringen, als er in irgend einem anderen Fall stattfindet.

Dr. Wollaston zeigte zuerst, daß die Formen, in welchen das gediegene Eisen brechen kann, das regelmäßige Oktoëder und Tetraëder oder das aus diesen Formen zusammengesezte Rhomboeder sind. Die zähe und faserige Beschaffenheit des Stabeisens ist gänzlich durch die Kunst hervorgebracht und in den beschriebenen Veränderungen erbliken wir das Streben zur natürlichen und zur Grundform zurükzukehren; die krystallinische Structur ist auch in der That der natürliche Zustand einer großen Anzahl von Metallen und Humphry Davy zeigte, daß alle diejenigen, welche durch die gewöhnlichen Mittel geschmolzen werden können, durch langsames Abkühlen eine regelmäßige Krystallform annehmen.

Die allgemeine Folgerung, zu welcher uns diese Bemerkungen führen, ist unstreitig die, daß das Stabeisen unter gewissen Umständen ein beständiges Bestreben besizt, in den krystallisirten Zustand zurükzukehren; daß aber diese Krystallisation zu ihrer Entwikelung nicht nothwendig von der Zeit, sondern ausschließlich von anderen Umständen abhängt, von welchen offenbar die Vibration der hauptsächlichste ist. Wärme ist innerhalb gewisser Gränzen, wenn sie schon die Veränderung sehr beschleunigt, sicherlich nicht wesentlich nöthig; der Magnetismus aber, sey er nun durch Stoß oder auf andere Weise inducirt, ist dabei wesentlich thätig.

In einer neulichen Sizung der Akademie der Wissenschaften in Paris machte Hr. Boquillon einige Bemerkungen hinsichtlich der Ursachen des Brechens der Achse auf der Versailles Eisenbahn; er scheint diese Krystallisation als die vereinigte Wirkung der Zeit und der Vibration zu betrachten, oder vielmehr dafür zu halten, daß diese Veränderung erst nach einer gewissen Zeit eintrete. Aus dem hier Gesagten aber geht hervor, daß eine bestimmte Zeit kein Element des Resultats ist, daß vielmehr diese Veränderung unter gewissen Umständen sehr schnell eintreten und daß eine Achse in äußerst kurzer Zeit in den krystallisirten Zustand übertreten kann, wenn sich derselben nur hinlänglich starke und große Schwingungen mittheilen. Dieser Umstand erheischt, daß man bei den Eisenbahnachsen alles Geklapper und alle Stöße so viel als möglich zu verhüten sucht. Unstreitig ist einer der größten Fehler der Maschinen sowohl als der Wagen aller Art, vorzüglich aber der lezteren, daß sie viel zu |102| steif sind; die Kraft eines jeden durch die zahlreichen zufälligen Ursachen beim Eisenbahnverkehr hervorgebrachten Stoßes wird hiedurch erhöht, indem das sämmtliche Gewicht des ganzen sich bewegenden Körpers in Folge der vollkommenen Steifheit der einzelnen Theile und der Art ihrer Verbindung untereinander durch sein Moment wirkt, während im Gegentheil so viel Elasticität vorhanden seyn sollte, daß die verschiedenen Theile bei einem plözlichen Stoße beinahe unabhängig von einander würden; diese Steifheit muß der Bahn sowohl als der auf derselben sich bewegenden Maschinerie sehr nachtheilig werden. Die Lokerheit der Achsen in ihren Büchsen ist eine weitere Ursache, welche diesen Uebelstand noch vergrößert.

Obwohl ich hier eigentlich nur in Beziehung auf Eisenbahnwagenachsen sprach, so brauche ich doch kaum zu bemerken, daß das Gesagte in vielen anderen Fällen Anwendung findet, wo Eisen durch gleiche Machen gleiche Wirkungen erfährt. Was aber die Eisenbahnachsen betrifft, so verdient dieser Gegenstand dringend der Aufmerksamkeit der Gelehrten und den auf Eisenbahnen Beschäftigten, so wie den Maschinenfabriken zur Prüfung empfohlen zu werden. Zu bemerken ist noch, daß gegenwärtig alle Eisenbahnachsen um Vieles stärker gemacht werden, als es nöthig wäre, damit sie jeder einen Bruch herbeizuführen fähigen Kraft Widerstand leisten können, vorausgesezt, daß das Eisen von bester Qualität ist; diesem Umstande kann es vielleicht zugeschrieben werden, daß verhältnißmäßig durch das Brechen der Achsen so wenig bedeutende Unglüksfälle entstehen. Die Nothwendigkeit, der Biegung und den Wirkungen der Torsion zu widerstehen, verbietet schon, sie nur so stark zu machen, daß sie dem bloßen Bruch widerstehen; sehr wünschenswerth wäre es aber, daß genaue Versuche angestellt würden über die Stärke des Stabeisens in den verschiedenen Stadien seiner Krystallisation, da in dieser Hinsicht sicher große Verschiedenheit obwaltet, und wahrscheinlich ist es, daß die Krystallisation, wenn sie einmal begonnen hat, in den meisten Fällen durch die Fortdauer der Ursachen auch immer zunimmt und hiedurch die Cohäsionskraft des Eisens aufgehoben wird.

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