Titel: Gruner, über die Eigenschaften des phosporhaltigen Stahles.
Autor: Gruner, L.
Fundstelle: 1870, Band 196, Nr. XCV. (S. 336–340)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj196/ar196095

XCV. Ueber die mechanischen Eigenschaften des phosphorhaltigen Stahles; von L. Gruner, Professor der Metallurgie an der Bergschule zu Paris.

Aus den Comptes rendus, t. LXX p. 571; März 1870.

In meiner im Jahre 1869 veröffentlichten Abhandlung über das Heaton'sche Frischverfahren wies ich nach, daß ein Phosphorgehalt des Stahles von 2 bis 3 Tausendteln für die Verarbeitung des Stahles in der Hitze nicht nachtheilig ist, und daß sogar der Bruchwiderstand, wenn man ihn auf dem Wege stufenweise verstärkter Zugkraft bestimmt, dadurch schwach erhöht wird; daß aber der Phosphor gleichzeitig die Sprödigkeit des Stahles erhöht, so daß der phosphorhaltige Stahl weniger Körper (Sehne) hat als der reine Stahl (m. s. dieses Journal Bd. CXCV S. 129).

Seitdem ist W. Fairbairn in Manchester bei Vergleichung des Heatonstahles mit den gewöhnlichen Stahlsorten zu viel günstigeren Schlüssen gelangt. Dieser Ingenieur hatte i. J. 1867 der British Association in ihrer 37. Versammlung die Resultate seiner zahlreichen Versuche über die mechanischen Eigenschaften des Stahles mitgetheilt; er hatte damals 45 Stahlbarren von den bedeutendsten Fabrikanten zu Sheffield der dreifachen Probe der Biegung, des Zuges und des Druckes unterworfen. Im letzten Jahre theilte nun Fairbairn demselben Verein in dessen 39. Versammlung die Resultate von eben solchen Versuchen mit, welche mit 6 Barren Heatonstahl der Fabrik zu Langley Mill angestellt wurden, wornach dieser Stahl dem Sheffielder überlegen ist.

Fairbairn's Schlußfolgerungen sind nämlich folgende:

„Der Heatonstahl zeigt im Widerstand gegen Querdurchbiegung eine auffallende Ueberlegenheit gegen alle früher probirten Stahlsorten, durchschnittlich im Verhältniß von 1,3 zu 1.

Der lebendige elastische Widerstand dieser Barren ist sogar 1 3/4 mal so groß als das Mittel der anderen Stahlsorten, was beweist (fügt Fairbairn bei) daß der Heatonstahl ganz besonders geeignet ist dem Stoß (force of impact) und einem bedeutenden Querdruck zu widerstehen.

Die Biegsamkeit und der Elasticitätscoefficient des Heatonstahles sind jedoch etwas geringer, liegen aber nicht viel unter dem allgemeinen Mittelwerth.

Die mittlere Bruchbelastung der 6 Heatonbarren ist größer als das allgemeine Mittel, und da gleichzeitig die Verlängerung dieser Barren eine beträchtliche ist, so ergibt sich daraus ein großer lebendiger Bruchwiderstand.

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Endlich ist der Widerstand gegen das Zusammendrücken ebenfalls ein großer.

Hiernach, sagt Fairbairn, hat der Heaton'sche Stahl eine bedeutende Zukunft, um so mehr als er aus Roheisen von sehr geringer Qualität dargestellt wird und dasselbe sehr vortheilhaft zu verwerthen gestattet.

Da diese neueren Versuche mit dem Heaton stahl keine Uebereinstimmung mit den Resultaten zeigten, welche ich aus den Versuchen von Kirkaldy abgeleitet hatte (diese waren mit Stahl aus Roheisen von Longwy und Hayange angestellt), so beschloß ich die von Fairbairn benutzten Stäbe – von welchen er mir auf Ersuchen Stücke überließ – auf ihren Phosphorgehalt zu untersuchen und auch das Roheisen zu analysiren, aus welchem dieselben dargestellt worden waren.

Dieses Roheisen (welches ich von Heaton's Hütte bezog) ist hellgrau und wenig graphitisch; es ergab bei der Analyse:

Silicium 0,0210
Phosphor 0,0106
Schwefel 0,0019

Die übrigen Bestandtheile wurden nicht bestimmt.

Dieses Roheisen war im Heaton'schen Converter mit 12,4 Proc. Chilisalpeter und 1,2 Proc. Quarzsand verfrischt worden.

Nach meinen früheren Untersuchungen erscheint die angewandte Salpetermenge unzulänglich, so daß das gefrischte Metall noch fremdartige Substanzen enthalten muß.

In der That ergab auch die Analyse der 6 Stahlbarren:

1. 2. 3. 4. 5. 6.
Kohlenstoff 0,0049 0,0057 0,0052 0,0054 0,0054 0,0047
Silicium 0,0010 0,0012 0,0016 0,0010 0,0012 0,0009
Phosphor 0,0030 0,0023 0,0024 0,0024 0,0028 0,0023
Schwefel keine 0,0001 0,0001 0,0001 sehr geringe keine Spur.
Spur höchstens höchstens höchstens Spuren

Man sieht aus diesen Resultaten, daß die 6 Barren sich sehr gleichen, was mit ihrem gemeinschaftlichen Ursprung übereinstimmt. Es ist dieß ein wenig harter Stahl, welcher sich leicht feilen läßt und nur 0,005 bis 0,006 Kohlenstoff, aber noch 0,0023 bis 0,0030 Phosphor enthält.

Daraus würde in der That hervorgehen, wenn anders die Schlüsse Fairbairn's richtig wären, daß 0,002–0,003 Phosphorgehalt den Stahl in vieler Beziehung besseren und besonders die Elasticitäts- so wie die Festigkeitsgrenzen erweitern. Das kann auch in Bezug auf die letztgenannten Functionen der Cohäsionskraft zutreffen, doch darf man daraus nicht folgern, daß die nämlichen Stahlstäbe auch den |338| schwingenden Wirkungen eines Stoßes widerstehen können. An Fairbairn's Resultaten selbst kann man ganz leicht entwickeln, daß auch diese Proben dieselben Fehler im Stahl nachweisen, wie die s. Z. von Kirkaldy angestellten. Auch die vorliegenden Stäbe zeigten eine gewisse Sprödigkeit und einen Mangel an Körper; sie erscheinen deßhalb außer Stande, die molecularen Erschütterungen der Stöße und Schläge zu ertragen.

Zunächst muß bemerkt werden, daß das Maximum der elastischen Dehnung welches aus den Biegungsversuchen berechnet wird, nothwendigerweise kleiner ausfallen muß als das Zerreißungsgewicht welches bei directen Versuchen durch Zug angewendet wird. Trotzdem tritt der Fall ein, daß bei der Inangriffnahme auf Zug ein Stab zerreißt, ehe die volle Belastung angehängt wurde; die Veranlassung zu diesem nichtnormalen Verhalten kann eine leichte Erschütterung, ein Stoß oder etwas dergleichen seyn. Die Ursache aber liegt in der Beschaffenheit des Stahles selbst, in einer gewissen Sprödigkeit und Kürze des Korns.

Bereits bei den früheren Versuchen Fairbairn's mit englischen Stahlsorten (1867) zeigte sich ein solches Verhalten, als sehr harter Werkzeugstahl probirt wurde.

Ein Stahl mit Nr. 1 bezeichnet zerriß bei 37,96 Tonnen, seine Elasticitätsgrenze lag bei 30,53 Tonnen;

ein Stahl mit Nr. 37 bezeichnet zerriß bei 39,75 Tonnen, seine Elasticitätsgrenze lag bei 39,08 Tonnen;

ein Stahl mit Nr. 39 bezeichnet zerriß bei 38,02 Tonnen, seine Elasticitätsgrenze lag bei 35,02 Tonnen.

Dieselben Proben ergaben:

Contraction elastische
Dehnung
permanente
Dehnung
für Nr. 1 0,00 0,006 0,0025
für Nr. 37 0,02 0,0106 0,0106
für Nr. 39 0,01 0,002 0,0012.
Dagegen zeigt weicher Stahl oft 0,50 als Werth der Contraction,
0,10 – 0,15 als elastische Dehnung,
0,15 – 0,20 als permanente Dehnung.

Bei den Versuchen mit den 6 Barren Heaton stahl zeigen sich folgende durchaus verschiedene Resultate. 2 Stäbe zerrissen, ehe die Belastung das der Elasticitätsgrenze entsprechende Maximum erreicht hatte, und zwar:

Nr. 2 bei 41,70 Tonnen, anstatt bei 47,27 Tonnen,
„ 4 46,82 „ „ „ 48,56 „

Auch hierbei ist entschieden Sprödigkeit vorhanden, die noch aus der |339| weiteren Thatsache hervorgeht, daß 4 Stäbe ohne jede Contraction, also ganz plötzlich, zerrissen, aber starke Dehnungen von 0,031–0,094 erlitten. Die Sprödigkeit hängt somit hier nicht mit einem etwaigen hohen Härtegrad zusammen, sondern rührt von einer Kürze des Gefüges her.

Die Weichheit des Stahles wird nicht allein durch den geringen Kohlenstoffgehalt und die Feilbarkeit, sondern auch durch die Dehnungen bewiesen, denen sich die Zusammenpressungen beim Druck an die Seite stellen. Die letzteren erreichen nämlich 0,247–0,333 per 100 Tonnen pro Quadratzoll, während harte Stahlsorten der ersten Versuchsreihe höchstens 0,15–0,24 ergeben.

Folglich sind die phosphorhaltigen Stahlsorten spröde, ohne hart zu seyn.

Eine andere Eigenthümlichkeit dieser Producte ist ihre Starrheit und die eminente Elasticität; bezieht man alle Durchbiegungen auf die Elasticitätsgrenze und auf die durchschnittliche Stärke von 1 Quadratzoll engl., so zeigen die 6 Stäbe Heaton stahl Werthe, die zwischen 1,01 und 1,88 Zoll liegen; das Mittel der anderen Stäbe ist dagegen 1,30–1,50 Zoll und nur in 3 Fällen von 45 überschreitet die Durchbiegung 1,60 Zoll.

Dabei ist aber zu bemerken, und dieses wurde von Fairbairn übersehen, daß diese gesteigerten Leistungen sich nur bei allmählicher Belastung, niemals bei plötzlicher, ruckweiser erzielen lassen.

Aus dem Vorstehenden ergeben sich folgende Schlußfolgerungen:

1) Der Phosphor, im Verhältniß von 0,002–0,003 macht den Stahl starr und elastisch, vermehrt die elastische Spannkraft und die Bruchfestigkeit, ohne die Härte zu verändern. Aber dieser Stahl, auch wenig gekohlt, mangelt des Körpers (der Sehne) und ist kurzbrüchig und spröde.

2) Um diese nachtheiligen Eigenschaften zu erkennen, ist es nothwendig, außer Zug und Querbelastung, noch Stoß und Schlag anzuwenden.

3) Die Fairbairn'schen Versuche gestatten nicht, über den Heaton'schen Proceß endgültig abzusprechen; auch hierbei, wie bei den Versuchen mit Lothringer Eisen waltet der Umstand ob, daß die Salpetermenge eine zu geringe war, um sämmtliche fremdartige Bestandtheile des Roheisens zu oxydiren.

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Nach dem Vortrage vorstehender Mittheilung in der (französischen) Akademie bemerkte Boussingault, er theile vollkommen die von |340| Gruner ausgesprochene Ansicht, daß man noch keineswegs berechtigt sey anzunehmen, die Qualität des Stahles werde durch geringe Mengen von Phosphor verbessert. Er fügte bei, daß von Salet, Präparator bei Prof. Wurtz, ein sehr sinnreicher Apparat construirt worden sey, um die geringsten Mengen von Phosphor im Stabeisen und Stahl zu erkennen, nämlich durch das Spectrum welches sich während der Verbrennung des Wasserstoffgases zeigt, das sich bei der Behandlung des Metalles mit Chlorwasserstoffsäure entwickelt.

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