Titel: H. Fischer, zur mechanischen Untersuchung plastischer Körper.
Autor: Fischer, Hugo
Fundstelle: 1886, Band 259 (S. 70–74)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj259/ar259033

Beitrag zur mechanischen Untersuchung plastischer Körper; von Prof. Hugo Fischer.

Die Bildsamkeit oder Plasticität ist diejenige Eigenschaft eines Körpers, vermöge welcher derselbe unter der Einwirkung beliebig gerichteter mechanischer Kräfte und ohne Störung des stetigen Zusammenhanges seiner Massentheilchen bleibende Formänderungen anzunehmen vermag. Die Gröſse der Bildsamkeit, der Bildsamkeits- oder Plasticitätsgrad, hängt ab: 1) von der Gröſse der Kraft, welche die erste, nach dem Aufhören der Kraftwirkung nicht wieder verschwindende Formänderung hervorbringt; 2) von dem Höchstwerthe der ohne Lösung des Zusammenhanges möglichen gegenseitigen Lagenänderung der Körpertheilchen.

Man nennt denjenigen Körper, dessen bleibende Formänderung den geringsten Kraftaufwand erfordert und welcher die gröſsten bleibenden Formänderungen zu ertragen vermag, den bildsamsten. Die Festsetzung des Bildsamkeitsgrades setzt daher die Untersuchung der Festigkeitseigenschaften des Materials, insbesondere die Bestimmung des elastischen Verhaltens und der Gröſse der Formänderungen voraus (vgl. Hugo Fischer 1882 245 * 67.) Wenn derartige Untersuchungen trotz der Wichtigkeit des Gegenstandes bisher nur in beschränkter Zahl zur Ausführung gelangten1), so dürfte nicht zum wenigsten dem Umstände die Schuld beizumessen sein, daſs die für gewöhnlich zur Bestimmung der Festigkeit eines Körpers in Verwendung stehenden Apparate wenig geeignet sind, über das Verhalten des Körpers während der Beanspruchung aufzuklären-sie geben vielmehr nur gewisse Endwerthe mit mehr oder weniger Zuverlässigkeit an (Elasticitätsgrenze, Bruchmodul, Bruchdehnung), Werthe, welche für die Untersuchung sehr bildsamer Körper deshalb von geringer Wichtigkeit sind, weil sich der Bruch bei diesen meist nur langsam und allmählich vollzieht und der Zeitpunkt desselben selten mit der erforderlichen Schärfe festzustellen ist. Für solche Materialien von groſser Bildsamkeit ist daher die stetige Beobachtung ihres Verhaltens während der Beanspruchung von besonderer Wichtigkeit. Eine derartige Untersuchung ist aber nur mit Hilfe solcher Meſsinstrumente möglich, welche in dem selbstthätigen Aufzeichnen eines Diagrammes das Mittel |71| bieten, jeden Augenblick den Vergleich von Beanspruchung und Formänderung des Versuchsstückes zu ziehen. Der schon so vielfach bewährte Zerreiſsapparat des Norwegers Detlef Reusch (vgl. 1880 235 * 414) ist daher auch für die Untersuchung sehr bildsamer Körper mit Vortheil verwendbar, zumal wenn derselbe durch Hinzufügen von Hilfsapparaten für die Ermittelung der Druck- und Scherfestigkeit vervollständigt wird. Im Folgenden seien einige Versuchsergebnisse mitgetheilt, welche einer denselben Gegenstand ausführlicher behandelnden Veröffentlichung im Civilingenieur, 1885 * S. 481 auszugsweise entnommen sind. Zu den in Rede stehenden Versuchen wurden drei Sorten Modellirthon aus der Gegend von Halle, Kamenz und Prohlis verwendet, welche theils im hochplastischen Zustande (d.h. bei einem Wassergehalte W = 22 bis 27 Proc.), theils bei geringeren Wassergehalten zur Anwendung kamen. Das Material wurde durch Kneten und Schlagen gut durchgearbeitet und möglichst vergleichmäſsigt und hierauf für die Zerreiſsversuche cylindrische Stäbe von 30mm Dicke und 200 bis 250mm Länge, für die Druckversuche verschieden groſse Cylinder (Durchmesser gleich Höhe) und für die Ab-scherungsversuche quaderförmige Körper daraus geformt.

Besonderes Interesse boten die bei den drei verschiedenen Beanspruchungsarten beobachteten eigenthümlichen und, wie es scheint, in einem gewissen Zusammenhange stehenden Formänderungen und Brucherscheinungen, darin bestehend, daſs die Zerstörung des Probestückes stets von dem Auftreten geneigt zur Kraftrichtung liegender Einbrüche bezieh. Trennungsflächen begleitet war; die Zahl und Neigungsgröſse derselben ändert sich hierbei, wie zahlreiche Druckversuche lehrten, mit dem Wassergehalte des Thones, also mit der von diesem abhängenden Sprödigkeit bezieh. Bildsamkeit desselben. Wenn derartige Erscheinungen auch schon vielfach bei dem Zerreiſsen faseriger, dem Zerdrücken spröder Materialien und der Spanbildung bei Metallen beobachtet worden sind, so lassen diese Beobachtungen, weil an verschiedenartigen Materialien angestellt, eine gleiche Ursächlichkeit doch weniger leicht erkennen als die vorliegenden Versuche mit Materialien gleicher Art und gleichem physikalischen Allgemeinverhalten.

Lieſse sich die Anschauung vertreten, daſs die Cohäsion und innere Reibung eines Festkörpers in einem ebensolchen Abhängigkeitsverhältnisse zu einander stehen wie die Reibung, welche bei der gegenseitigen Verschiebung zweier sich unter Druck berührender Körper in die Erscheinung ritt und die von dem herrschenden Drucke abhängig ist, so würde ohne weiteres folgen, daſs die Cohäsion stets ein Vielfaches der inneren Reibung sein müſste. Dies vorausgesetzt, würde man zu der weiteren Folgerung geführt, daſs bei der allmählich wachsenden Beanspruchung eines Körpers nicht dessen Cohäsion, sondern die von dieser abhängende innere Reibung als die kleinere der widerstehenden inneren Kräfte vor und bei dem Eintritte des Bruches zur Messung gelangt. Der Grund für die Trennung |72| des bildsamen Körpers in Theilstücke durch Belastungssteigerung würde daher von diesem Gesichtspunkte aus nicht im Voneinanderreiſsen der kleinsten Körpertheilchen, sondern in deren so weit geführten gegenseitigen Verschiebung zu finden sein, daſs dieselben an einander abgleiten. Es ist zu wünschen, daſs durch ausführliche anderweite geeignete Untersuchungen die Berechtigung der angedeuteten Erklärung geprüft werde; die Technologie der bildsamen Materialien könnte durch solche Versuche vielleicht eine nicht zu unterschätzende Bereicherung erfahren.

Während die bei den Zerreiſsungsversuchen von dem Festigkeitsmesser gelieferten Diagramme besondere Eigenthümlichkeiten in Bezug auf ihre Gestalt nicht darbieten und daher zu besonderen Bemerkungen nicht Veranlassung geben, zeigen die bei Druckbeanspruchung des plastischen Thones erhaltenen Diagramme die von Prof. Kick (vgl. 1882 244 * 36) auch bei Versuchen mit verschiedenen Metallen beobachtete eigenthümliche Gestalt der Diagrammcurve. Dieselbe steigt anfänglich concav zur Abscissenachse gekrümmt empor und wendet sich dann allmählich der Ordinatenachse zu. Der so entstehende Wendepunkt entspricht der Beobachtung zu Folge den ersten Einbrüchen am äuſseren Umfange des anfangs cylindrischen, durch die Zusammenpressung tonnenförmig gestalteten Versuchskörpers, sowie gewissen Aenderungen in dem elastischen Verhalten dieses letzteren.

Unter den erhaltenen Festigkeitswerthen sind diejenigen Zahlen besonders lehrreich, welche sich auf die Druckfestigkeit und Zusammendrückbarkeit der drei Modellirthone sowie einer Probe Seilitzer Kaolins aus der Kgl. Porzellanmanufactur in Meiſsen, bei verschiedenen Wassergehalten der Probestücke, beziehen.

Bei allen untersuchten Thonen steigt im Allgemeinen die Tragfähigkeit mit der Abnahme des Wassergehaltes, so daſs der bildsamste Thon die geringste Druckspannung zu erfragen vermag. Der Thon von Halle zeigt im lufttrocknen Zustande den gröſsten Druckmodul; mit Zunahme des Wassergehaltes nimmt derselbe stetig ab derart, daſs sich bis etwa W = 14 Proc. die Tragfähigkeit vermindert von 234 auf 164g/qmm. Im weiteren Verlaufe findet bis etwa W = 23 Proc. eine rasche Abnahme auf 8,68g/qmm statt, worauf bis zum Eintritte, der höchsten Bildsamkeit (etwa 26 Proc.) wiederum nur allmähliche Abnahme (Endwerth 3,96g/qmm) beobachtet wird.

Anders ist das Verhalten der Thone von Prohlis und Kamenz. Bei dem ersteren, welcher wegen Unzulänglichkeit des Festigkeitsapparates im lufttrocknen Zustande nicht untersucht werden konnte, ergibt sich bei 8,89 Proc. Wassergehalt die höchste Druckfestigkeit mit 580g/qmm. Während der Wassergehalt auf ungefähr 10 Proc. anwächst, sinkt die Tragfähigkeit bedeutend und erreicht mit 267g/qmm ihren ersten Mindestwerth. Einer erneuten Steigerung der Festigkeit auf 395g/qmm bei 12,6 Proc. Wassergehalt folgt dann die anfangs rasche, später langsame stetige |73| Abnahme der specifischen Bruchspannung (Endwerth 3,8g/qmm bei W = 26,3 Proc).

Die Druckfestigkeit des Kamenzer Thones endlich wächst von 199g/qmm Belastung, welche dem lufttrocknen Zustande (W = 1,88 Proc.) entspricht, auf 312g bei 15,8 Proc. Wassergehalt und nimmt dann ebenfalls anfänglich rasch, später langsamer ab (Endwerth 7,9g/qmm bei W = 29,0 Proc).

Für den Seilitzer Kaolin fand sich der Wassergehalt der lufttrocknen Masse zu 2,24 Proc., derjenige, welchen die Masse im Zustande der gröſsten Bildsamkeit befaſs, zu 30,3 Proc. Hierbei ergaben sich als Grenzen der Druckfestigkeit 136,4 bezieh. 3,95g/qmm. Im lufttrocknen Zustande und bis zu einem Wassergehalte von etwa 15 Proc.(P = 150g/qmm) steht die Festigkeit der geschlämmten Seilitzer Porzellanerde den anderen untersuchten Thonen bedeutend nach; sie übertrifft dagegen die Festigkeit dieser bei gröſseren Wassergehalten und kommt derselben erst im Zustande gröſster Bildsamkeit ungefähr gleich. Während bis W = 22 Proc. eine geringe Steigerung der specifischen Festigkeit wahrzunehmen ist, nimmt dieselbe von diesem Procentsatze an mit Zunahme des Wassergehaltes sehr rasch ab.

Aehnliche Beziehungen ergeben sich für die Abhängigkeit der Zusammendrückbarkeit der Probestücke von dem Wassergehalte.

Die Untersuchung der Spanbildung durch scherend wirkende Kräfte lieferte eine Anzahl beachtenswerther Ergebnisse, von denen nur das Folgende hier mitgetheilt werde. Sowohl durch das Eindringen des Schermessers, als durch das Abflieſsen des Spanendes wird der Abstand zwischen Messerkante und Oberkante der dem Messer gegenüber stehenden Druckplatte (Gegenmesser), also die Länge der Abscherungsfläche stetig kleiner, während die Schubkraft nach Ausweis der Diagramme eine stetige Steigerung erfährt und schlieſslich eine solche Gröſse erreicht, daſs ihr die in der Scherfläche wirksame innere Reibung nicht mehr das Gleichgewicht zu halten vermag und die Abschiebung des ganzen Spanes eintritt. Die in diesem Augenblicke herrschende Messerpressung, bezogen auf die beim Beginne der Abschiebung noch vorhandene Berührungsfläche zwischen Span und Werkstück (also nicht das bei der Berechnung von Schubbeanspruchungen gewöhnlich eingeführte Anfangsmaſs des Probestückes) liefert dann die für den Vergleich verschiedener Materialien geeignete specifische Scherkraft. Mit Rücksicht hierauf führte die Untersuchung für verschiedene Spandicken s zu den folgenden Werthen der letzteren:

Spandicke s = 3 5 8 10 12mm
Thon von Kamenz (W = 27,2%) P = 5,22 4,30 3,47 3,47 2,70g/qmm
Thon von Halle (W = 23,8%) P = 2,47 2,04 1,87 1,83g/qmm

Hierbei trat, sofern die Länge des Spanes die Dicke desselben um das 4,4 bis 4,9 fache übertraf, die Ablösung eines geschlossenen Spanes ein, während im anderen Falle der vorgegebene Span in Form einzelner dreiseitig: prismatischer Theilstücke zur Abtrennung von dem Werkstücke |74| gelangte, welche aber in Folge der nicht aufgehobenen, zwischen den partiellen Abscherungsflächen wirkenden Cohäsion ein zusammenhängendes Ganze bildeten. Bei sämmtlichen Abscherungsversuchen betrug der Schneidwinkel, ebenso wie der Aufsetzwinkel des Schermessers stets 90°, so daſs die Vorderebene desselben genau normal zur ideellen Abscherungsebene stand. Der Zuschärfungswinkel des Messers war nur wenig kleiner als 90°. Vor jedem Versuche wurde die Angriffsfläche des Messers gut geölt, um die Adhäsion des Thones an derselben zu vermindern und die freiere Spanbildung zu fördern. Bezüglich weiterer Ergebnisse und Folgerungen sei auf die oben genannte Veröffentlichung hingewiesen.

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Vgl. auch Hugo Fischer: Experimentelle Untersuchungen über die Zugfestigkeit und Zugelasticität von Metalldrähten im Civilingenieur, 1884 * S. 391.

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