Titel: Kick's technologische Studien.
Autor: Kick, Friedrich
Fundstelle: 1882, Band 244 (S. 36–41)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj244/ar244019

Technologische Studien über Materialien und deren Formänderung; von Friedr. Kick.

Mit Abbildungen auf Tafel 4.

Wir bringen im Folgenden einen Auszug der vom Verfasser in den Technischen Blättern, 1881 S. 150 und 185 veröffentlichten Abhandlungen über Formänderungen, in so weit durch dieselben gewissermaſsen abschlieſsende Ergebnisse gewonnen wurden, aber unter vorläufiger Weglassung des letzten Theiles, für welchen eine ergänzende Fortsetzung in Aussicht steht.

Der durch Kick (1879 234 257) aufgestellte Satz: „Die Arbeitsgröſsen, welche erforderlich sind, um geometrisch ähnliche Körper gleicher materieller Beschaffenheit gleichartig und unter gleichen Geschwindigkeiten zu deformiren, verhalten sich wie die Volumen oder Gewichte dieser Körper“, wurde dazu verwendet, durch Benutzung geometrisch ähnlicher, kleiner Versuchskörperchen die Widerstandsdiagramme gröſserer Probestücke über die direct durch die verfügbare Festigkeitsmaschine erreichbare Inanspruchnahme hinaus fortzusetzen.

Die Linie A (Fig. 2 Taf. 4) zeigt in ihrem unteren Verlaufe bis zur Ordinate, welche dem Druck von 20000k entspricht, das Deformationsdiagramm eines Kupfercylinders von 18mm,0 Höhe und 18mm,0 Durchmesser, und zwar entsprechen die angegebenen Einzelpunkte mehreren gleichartigen Proben. Darüber hinaus, bis gegen 50000k Pressung ist das Diagramm, wie erwähnt, durch Umrechnung aus kleineren, geometrisch ähnlichen Probestücken erhalten.

In gleicher Weise sind die Linien B und D erhalten, welche die Druckdiagramme für Schmiedeisen- bezieh. Fluſseisen-Cylinder von h = d = 18mm darstellen. Die. Linie C des Diagrammes entspricht einem ebensolchen Bleicylinder, welcher trotz aller bei dessen Herstellung angewendeten Sorgfalt sich nicht so gleichförmig deformirte, daſs der Versuch weiter fortgesetzt worden wäre. Hierzu gesellt sich bei Blei noch ein anderer sehr hinderlicher Umstand. Das Blei flieſst nämlich unter Druck auſserordentlich langsam nach. Um genauere Daten zu erhalten, wurde ein Bleicylinder h = d = 18mm aus einer überhämmerten, ausgestreckten Bleistange gedreht. Der erste Theil des Diagrammes stimmte gut mit dem gezeichneten, der weitere Verlauf |37| blieb aber etwas unter der gezeichneten Linie C, weil bei derselben Belastung (750k), welche während 4 Tagen bei öfterem Einstellen der Maschine erhalten wurde, die Bewegung fortdauerte und der Cylinder endlich bis 7mm,6 Höhe zusammengedrückt wurde, ohne daſs Gleichgewicht eintrat.

Reducirt man die Kupferlinie A auf 1/20 ihrer Ordinaten, so erhält man die punktirt gezeichnete Linie E, welche auf eine längere Strecke ihres Laufes mit der Bleilinie zusammenfällt, so daſs man innerhalb dieser Strecke den Widerstand des Bleies als gleich dem 20. Theil des Kupferwiderstandes bezeichnen könnte. Dieses Verhältniſs ändert sich aber im weiteren Verlaufe und wird selbst 1 : 40. Aehnliches zeigt der Vergleich der Diagramme A, B und D.

Es stehen also die Widerstände verschiedener Materialien bei denselben Formänderungen in keinem constanten Verhältnisse.

Es erklärt sich diese befremdende Thatsache, welche durch Schlagversuche gleichfalls bestätigt wurde, dadurch, daſs dieselben Formveränderungen in den Spannungszuständen verschiedener Materialien verschiedene Aenderungen herbeiführen, oder mit anderen Worten, durch dieselbe Formänderung ändert sich die Beschaffenheit der Materialien in verschiedener Weise. Hiermit will nichts Neues gesagt sein; denn Jedermann weiſs, daſs sich z.B. Kupfer hart schlagen läſst, Blei nicht; aber es verdient die Thatsache doch ausdrücklich auch an den gegebenen Diagrammen festgestellt zu werden um so mehr, als Fig. 1 hierzu einen weiteren schlagenden Beleg liefert, wovon später gesprochen werden soll.

Die Curve F (Fig. 2) gibt das Deformationsdiagramm eines Kupfercylinders desselben Volumens, aber anderer ursprünglicher Abmessungen h = 22mm,4, d = 16mm,4. Für diesen Versuchskörper rückt die Nulllinie O O', welche der Zusammendrückung bis zur Höhe Null entsprechen würde, nach O1 O1'. Um diese Curve besser mit dem Diagramm A vergleichen zu können, empfiehlt es sich, sie um O O1 nach links zu rücken, bezieh. sowohl das Diagramm A als F auf dieselbe Nulllinie zu beziehen. Dies ist in Curve F' geschehen. Auch das Diagramm G von einem Cylinder nahe gleichen Volumens, jedoch abermals anderer Abmessungen ist auf dieselbe Nulllinie bezogen. Die Druckcurven nähern sich ziemlich rasch asymptotisch einander und sind auch die Probestücke, welche je mit 20000k Druck deformirt wurden, nahezu congruent. Es gibt daher die Curve A bei stärkerer Zusammendrückung von Kupfercylindern gleichen Volumens auch sehr näherungsweise die Pressungen an. Diese Versuche zeigen zugleich deutlich, daſs man bei hämmerbaren Metallen von einer rückwirkenden Festigkeit im gewöhnlichen Wortsinne nicht sprechen darf.

Es wurde oben gesagt, daſs durch die Deformationen in dem deformirten Materiale Spannungen entstehen, welche die für eine bestimmte |38| Formänderung erforderliche Pressung sehr wesentlich beeinflussen. Fig. 1 macht dies besonders deutlich. Dem Versuche wurden 3 Kupfercylinder von h = d = 18mm unterworfen und in folgender Weise behandelt. Der Cylinder I wurde einem Drucke von 5000k ausgesetzt und lieferte Punkt 1 der Curve A; hierauf wurde derselbe ausgeglüht und abermals (kalt) derselben Pressung unterworfen, gab Punkt 1'; wieder ausgeglüht und ebenso belastet, lieferte er Punkt 1'', endlich Punkt 1'''. Der Cylinder II wurde ebenso bei 10000k behandelt, lieferte die Punkte 2, 2', 2'' und 2'''; der Cylinder III bei 15000k die Punkte 3, 3', 3'', 3'''. Als vierter Cylinder wurde ein solcher mit d = h = 15mm benutzt, im übrigen ebenso verfahren. Die effectiven Pressungen waren 15000k, was umgerechnet 21600k gab. Man erhielt die Punkte 4, 4', 4'' und 4'''. Die zusammengehörigen Punkte, durch continuirliche Linien verbunden, lieferten die Figur, aus welcher ersichtlich ist, daſs bei 4maligem Ausglühen schon ein Druck von 11800k (Punkt α) dieselbe Formänderung bewirkt, welche 20000k sonst zu Wege brachten.

Durch jedes Ausglühen werden die ins Material gelangten Spannungen behoben und dieselbe Pressung vermag wieder neuerdings, wenn auch stets minder ausgiebig, die Form zu ändern. Setzt man die Linie D (Fig. 1) mit der Bleilinie C (Fig. 2) in Vergleich, so findet man, daſs das so behandelte Kupfer nur etwa 11mal so widerstandsfähig wie Blei ist.

An diesen wenigen Beispielen, welche keine Grenzwerthe geben, ist mithin gezeigt worden, daſs das Verhältniſs des Deformationswiderstandes von Blei und Kupfer zwischen 1 : 11 und 1 : 40 wechselt. Will man daher betreffs des Arbeitswiderstandes der verschiedenen Materialien Verhältniſszahlen aufstellen, so können dies nur ganz beiläufige Näherungszahlen sein, oder man muſs sie für specielle Deformationen suchen und nur in diesem beschränkten Kreise verwerthen:

Beiläufiges Verhältniſs der Deformationsarbeiten und der Arbeitswiderstände einiger Materialien.

Material Für Schlag Für Druck
Fluſseisen (kalt) 3000
Schmiedeisen (kalt) 4000 bis 4500 2000
„ (roth glühend) 600 bis 900 (300 bis 400)
„ (gelbroth glühend) 500 (250)
Kupfer (kalt) 1000 1000
„ (rothglühend) 550 (250)
Messing (kalt) 800 bis 1200
Zinn (kalt) 500 (250)
Blei (kalt) 70 bis 90 20 bis 50
Guttapercha (bei 60 bis 70°) 0,01 bis 0,02
Modellirthon 0,3 bis 0,4
Porzellanmasse (20 bis 24 Proc. Wasser) 0,2 bis 0,3
|39|

Die in Klammern stehenden Werthe der letzten Spalte vorstehender Tabelle sind nicht direct aus Druckversuchen abgeleitet, sondern aus den Schlag versuchen geschätzt. – Jede Zahlenreihe ist nur für sich zu verwenden und sind dadurch die Beziehungen zwischen Schlag und Druckarbeit nicht gegeben.

Bei Betrachtung der Tabelle wird zunächst auffallen und scheinbar eine Bestätigung des Gesagten liefern, daſs die Verhältniſszahlen für Schlag andere sind als jene für Druck. Doch diese Differenzen sind weit weniger in Zustandsänderungen, als vielmehr darin gelegen, daſs bei den Verhältniſszahlen für die Schlagbarkeit als solche, das Product aus activem Fallgewicht mal Hubhöhe in Rechnung oder in Vergleich gestellt wurde und der sehr wesentliche Theil dieser Arbeit, welcher in den Ambos und die Fundamente geht, nicht berücksichtigt erscheint. Unterliegt es auch keinem Zweifel, daſs zu einer raschen Formänderung eine gröſsere Arbeitsmenge aufgewendet werden muſs als zu einer langsamen, weil bei der raschen Formänderung ein gröſserer Theil der Arbeit zur Erwärmung des Arbeitstückes verbraucht wird, oder als innere Arbeit verloren geht, so ist es andererseits gewiſs leicht einzusehen, daſs bei einem sehr widerstandsfähigen oder harten Körper ein viel gröſserer Theil der Schlagarbeit in die Fundamente geht als bei einem weichen Materiale. Wenn Thon oder Blei durch einen Schlag deformirt wird, so werden die Fundamente des Schlagwerkes wenig erschüttert; deformirt man Kupfer, so ist der Schlag härter, bei kaltem Schmiedeisen noch härter, bei gehärtetem Stahle wird fast die ganze Schlagarbeit in den Fundamenten und durch den Rückstoſs verloren gehen. Da nun die Arbeit eines Hammers stets durch Gewicht mal Fallhöhe bestimmt ist und dieser Ausdruck für die thatsächlich aufgewendete Arbeit in Rechnung gestellt werden muſs, so werden sich die Verhältniſszahlen für den Arbeitswiderstand gegen Schläge nothwendig um so ungünstiger stellen, je härter das Material, d.h. ein je gröſserer Theil der Schlagarbeit auf die Fundamente übertragen wird. Die Erklärung, daſs die Zahlen der ersten Spalte obiger Tabelle mit jenen der zweiten nicht übereinstimmen können, ist daher eine sehr einfache. Jede Zahlenreihe ist nur für sich anzuwenden.

Da bei allen Vergleichen zum Zwecke ziffermäſsigen Ausdruckes eine Einheit oder ein Maſs zu Grunde gelegt werden muſs, so wurde der Arbeitswiderstand des Kupfers bei Druck wie bei Schlag mit 1000 angenommen und die Arbeitswiderstände der anderen Materialien hierauf bezogen. Hiermit ist über das Verhältniſs des Arbeitswiderstandes desselben Materials bei Druck und Schlag Nichts bestimmt, vielmehr diese Frage offen gelassen.

Kick's Abhandlung wendet sich dann Versuchen zu, durch welche die Aenderung der Dichte bei Bearbeitungen von Blei, hierauf von Kupfer untersucht wurde. Die Resultate dieser Versuche sind, soweit sie sich auf Blei beziehen, in nachfolgender Uebersicht zusammengestellt:

Bezeichnung des Probestückes und Art seiner Inanspruchnahme Spec. Gew.
bei 20°
1) Bleicylinder gegossen, abgedreht 11,3546
2) Derselbe gepreſst mit 6000k Gesammtdruck 11,3557
3) „ „ „ 10000k 11,3572
4) Derselbe unter dem Dampfhammer zu einer Scheibe geschlagen
(1 Schlag G = 1339k, H = 0m,85)

11,3560
5) Vom Probestück 4 ein Segment vom Rande geschnitten 11,3540
6) Vom Probestück 4 ein Stück aus der Mitte genommen 11,3590
7) Ein Stück aus der Mitte in würfelförmige Form durch kräftiges
Ueberhämmern während ½ Stunde gebracht, hierauf blank
geschnitten


11,3653

Diese Resultate sind um so interessanter, wenn man dieselben mit der Zahl 11,3739 vergleicht, welche die Dichte des Probestückes Nr. 1 |40| bei 0° darstellt. Es ist also selbst durch die kräftigste Bearbeitung eines an sich blasenfreien Stückes nicht jene Aenderung der Dichte erzielt worden, welche einer Temperaturerniedrigung von nur 20° entspricht. Wird die cubische Ausdehnung für Blei für 1° zu 0,0000854 angenommen, so würde eine Temperaturerniedrigung von etwa 11° bereits genügen, um das specifische Gewicht des Probestückes Nr. 1 von 11,3546 auf 11,3653 zu erhöhen, also auf die Dichte des überhämmerten Stückes Nr. 7 zu bringen. Wäre das Probestück Nr. 1 nicht mit der Vorsicht hergestellt worden, dasselbe dadurch von unten auf in der Form erstarren zu machen, daſs die Oberfläche des Bleies durch eine directe Flamme erhitzt und längere Zeit flüssig erhalten wurde, so wäre nie das feine, dichte Gefüge erhalten worden und die Bearbeitung hätte, die Hohlräume füllend, eine wesentlichere Vermehrung der Dichte ergeben.

Ein zweiter ebenso sorgfältig hergestellter Bleicylinder, gleichfalls von 11,3546 sp. G. (bei 20°) wurde in einer Stahlfassung einem Drucke von 784k/qc unterworfen, das specifische Gewicht veränderte sich nur auf 11,3591.

Kupfer von 8,8877 sp. G. (auf 20° bezogen) wurde durch Ueberhämmern nur auf 8,8909 verdichtet, entsprechend der bei einer Temperaturdifferenz von 7° eintretenden Dichtenänderung.

Ein zweites Probestück (Kupfer) von einer anderen Stange wurde im Stahlgehäuse hartgeschlagen und zeigte nur 8,8727 sp. G. Durch Ausglühen reducirte sich dasselbe (nach Entfernung der Oxydschicht und ebenfalls auf 20° bezogen) auf 8,8656, einer Temperaturdifferenz von etwa 15° entsprechend.

Diese Resultate sind im Grunde genommen sehr natürliche; denn aus welcher Ursache sollte sich z.B. Kupfer, Stabeisen, Stahl u. dgl. durch die Bearbeitung noch weiter verdichten lassen, nachdem diese Materialien bei ihrer Erzeugung doch sehr intensiven Einwirkungen unterworfen wurden? Das Ausflieſsen der Hohlräume wurde durch Hammerarbeit, Walzen u. dgl. bei gutem Materiale bereits vollkommen oder nahezu vollkommen besorgt und es kann dies nachhaltiger durch die weiteren mechanischen Mittel der Bearbeitung nur dann geschehen, wenn dieselben noch kräftiger einzuwirken vermögen, was in der Regel nicht der Fall ist.

Die bedeutenden Differenzen in den Angaben der specifischen Gewichte der Metalle, z.B. bei Kupfer zwischen 7,720 bis 8,965, bei Blei (auf 0° bezogen) zwischen 11,300 bis 11,445, rühren theils von dem Einflüsse der Verunreinigungen, theils von den Hohlräumen her, welche letzteren bei Guſsstücken sehr abhängig von der Art des Erstarrens sind. Blei, Zinn, Schriftgieſsermetall krystallisirt dann grob, wenn diese Metalle in gut leitende, kalte Formen gegossen werden, hingegen feinkörnig, wenn das Erstarren in der gut vorgewärmten |41| Form sehr allmählich erfolgt. Im letzteren Falle ist das Material dichter, specifisch schwerer; im ersteren Falle kann durch die Bearbeitung das Gefüge feinkörniger und dichter gemacht werden; das specifische Gewicht nimmt dann zu, weil Hohlräume durch den Fluſs der Theile geschlossen werden. Manche mit Gasarten erfüllte Hohlräume lassen sich schwer beseitigen; so gehört z.B. eine anhaltende hohe Pressung der warm gehaltenen Masse dazu, um aus weicher Guttapercha die enthaltene (durch Kneten hinein gebrachte) Luft auszupressen. Ebenso spielt die in Porzellanmasse und Thon enthaltene Luft, sowie sie merkliche Bläschen bildet, eine für die Fabrikation sehr unangenehme Rolle, indem sie zu einem Springen der Waare beim Brennen Veranlassung geben kann; um sie zu beseitigen, werden diese Materialien nach eigenthümlichen Regeln geschlagen.

Sieht man aber von den Hohlräumen ab und ebenso von jenen Unterschieden im specifischen Gewichte, welche dadurch bedingt sind, daſs die käuflichen Metalle nichts weniger denn rein sind, so kann man aus den gemachten Versuchen die Folgerung ziehen: Metalle, welche frei von Hohlräumen sind, ändern ihre Dichte durch die Bearbeitung nur innerhalb der Grenzen der durch mäſsige, ja geringe Erwärmung oder Abkühlung erzielbaren Dichtenänderung.

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