Titel: Die Anwendbarkeit der Brinell'schen Kugelprobe bei Feststellung der Streckfestigkeit bei Eisen und Stahl.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1902, Band 317/Miszelle 1 (S. 419–420)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj317/mi317mi26_1

Die Anwendbarkeit der Brinell'schen Kugelprobe bei Feststellung der Streckfestigkeit bei Eisen und Stahl.

(Jern-kontorets Annales, 1902, 2.)

In einer seitens des schwedischen technologischen Vereins durch Verleihung der Polherns-Medaille ausgezeichneten Preisschrift hat Oberingenieur J. A. Brinell erst kürzlich sein Verfahren veröffentlicht, die Härte eines Materials dadurch festzustellen, dass er in dasselbe eine gehärtete Stahlkugel mit einem gewissen Druck einpresst und den auf diese Weise erhaltenen Eindruck durch die Kugel aufmisst. Den per Oberflächeneinheit des sphärischen kalotteförmigen Eindrucks angewendeten |420| Druck nennt Brinell „die Härtezahl“ und nimmt an, dass diese Ziffer ein Mass für die Härten des Materials darstellt. Gleichzeitig weist er darauf hin, dass, wenn bei Probung von Eisen und Stahl diese Härtezahl mit einem Koeffizienten vervielfältigt wird, den er für Stahl von Fagersta zu 0,346 feststellt, das dann erhaltene Produkt das Mass der Streckfestigkeit des vorliegenden Materials ist. Weiterhin schlägt Brinell auch vor, in gleicher Weise mit der Kugelprobe sowohl die Dehnbarkeit wie die Streckgrenze bei Stahl zu bestimmen.

Zum Zwecke, die Genauigkeit und Anwendbarkeit des Brinell'schen Verfahrens bei der Feststellung der Streckfestigkeitseigenschaften bei Eisen und Stahl zu ermitteln, beauftragten die Vollmachtsinhaber im Jernkontor die Materialprüfungsanstalt der königl. technischen Hochschule in Stockholm, in dieser Richtung und Auffassung eine möglichst erschöpfende Ermittelung anzustellen, wozu erforderliches Versuchsmaterial seitens verschiedener schwedischer Eisenwerke in zuvorkommendster Weise zur Verfügung dieser Anstalt gestellt worden ist. Bei den aufgegebenen Untersuchungen sind während des grösseren Teils des Jahres bei etwa 300 Streckproben 1500 Kugelproben und 60 vollständige Analysen zur Ausführung gelangt.

Zuerst wurde ein Versuch zu theoretischer Ermittelung des Verlaufs bei der Kugelprobe durchgeführt, bei dem die Berechnungen an die Hand gaben, dass die Härtezahl nicht vom Kugeldurchmesser abhängig ist und vom angewendeten Drucke wenigstens nicht in so hohem Grade, wie Brinell annimmt. Die Verschiedenheit der Härtezahl bei Druck und Kugeldurchmesser, auf welche Brinell seine Annahme basiert, scheinen in der Hauptsache darauf zurückzuführen, dass die Härtezahl mit wachsender Tiefe der Presseindrücke, bis zu der die Kugeln in das Probestück eindringen, d.h. mit dem Winkel des Eindrucks, wenn mit diesem Namen der Winkel bezeichnet wird, zwischen zwei in derselben Ebene liegenden und von der Begrenzungslinie des Kugeleindrucks ausgehenden Radien in der Kugel. Völlig vergleichbare Härtezahlen dürften somit nur in dem Falle erhalten werden, wenn bei allen Proben die Kugel so tief in das zu probende Materialstück eingepresst wird, bis ein bestimmter Eindruckswinkel erreicht ist und alsdann die dazu erforderlich gewesene Belastung genau festgestellt wurde. Die Härtezahl wird alsdann, wie früher, dadurch festgestellt, dass der angewendet gewesene Totaldruck durch die Fläche des Kugeleindrucks dividiert wird.

Für dieses Probierverfahren – Kugelprobe mit konstantem Eindruckwinkel – ist ein besonderer Apparat konstruiert worden, der während des Verlaufs der Probe durch elektrisches Signal zu erkennen gibt, dass die gewünschte Eindrucktiefe erreicht ist.

Die bei den theoretischen Ermittelungen festgestellten Hauptergebnisse sind in Kürze die folgenden:

1. Die Grösse der Härtezahl wird durch den bei der Probe angewendeten Druck nicht beeinflusst, wohl aber durch die Grösse des Eindruckwinkels.

2. Der Radius bei der zur Probe benutzten Kugel scheint beim Versuch mit konstantem Eindruckwinkel insofern einzuwirken, dass man, je kleiner die dabei benutzte Kugel ist, eine um so grössere Härtezahl erhält.

3. Die Kugelprobe wird somit am besten ausgeführt unter Anwendung von Kugeln mit einem und demselben Durchmesser, die in das Material eingepresst werden, bis ein für alle Proben gleicher Eindruckswinkel erreicht ist. Diese Arbeitsweise dürfte ihrer Umständlichkeit halber aber nur bei Härtebestimmungen für wissenschaftliche Zwecke Anwendung finden.

4. Bei Belastung der Kugel durch Schlag bei Ausführung der Kugelprobe werden kleinere Härtezahlen erhalten, als bei ruhig wirkender Belastung, und die Differenz wächst zwischen Härtezahlen und dem Kohlegehalte des Materials bei beiden Belastungsweisen.

5. Die Kugelprobe bei niedriger Temperatur (– 25° C.) liefert im Durchschnitt eine grössere Härtezahl, als eine gleiche Probe bei höherer Temperatur.

Der andere Hauptteil der Untersuchung hatte zu ermitteln, welches Verhältnis zwischen Bruchgrenze und Härtezahl bei Eisen und Stahl ein konstantes bleibt und ob der von Brinell angegebene Zifferwert dabei oder 0,346 Gültigkeit zu beanspruchen hat, sowohl für Material von Fagersta wie anderes und auch für Eisen und Stahl in verschiedenem Grade von Bearbeitung.

Es sind vergleichende Streck- und Kugelproben zur Ausführung gekommen mit Eisen verschiedenen Kohlegehalts und verschiedener Bearbeitung von sieben schwedischen Eisenwerken und einige mit ausländischem Material, ihre Zahl übersteigt 300 bei den Streckproben. Gleichzeitig wurden von den gesamten Probematerialien vollständige chemische Analysen ausgeführt zur Feststellung der Beeinflussung durch die chemische Zusammensetzung in Bezug auf die gewonnenen Resultate der Proben. Dieser Teil der Untersuchungen umfasste:

1. Streckproben und chemische Analysen des Untersuchungsmaterials.

2. Bestimmungen der Härte und der Bruchgrenze nach Brinell's ursprünglichem Verfahren bei einem konstanten Druck von der Kugel = 3000 kg.

3. Härte- und Bruchgrenzbestimmungen mit Anwendung konstantem Eindruckwinkels.

4. Ermittelung der Einwirkung der chemischen Zusammensetzung des Untersuchungsmaterials in Bezug auf die gewonnene Härtezahl und die Bruchgrenze.

5. Ermittelung der Einwirkung des Bearbeitungsgrades des Materials in Bezug auf die gefundene Härtezahl und die Bruchgrenze.

Eine detailliertere Berichterstattung über die Versuche würde zu weitläufig ausfallen; die Hauptresultate mögen aber in folgende Punkte zusammengefasst werden:

1. Eine Bestimmung der Bruchgrenze eines Materials erfolgt am einfachsten mittels Kugelprobe in der Weise, dass auf einer abgeputzten Fläche des Probestückes eine Stahlkugel mit 10 mm Durchmesser mit einer Druckgrösse in Höhe von 3000 kg eingepresst wird. Dieser Druck, dividiert durch die Fläche des sphärisch kalotteförmigen Kugeleindrucks und das dabei erhaltene Resultat – die Härtezahl – mit einem festgestellten mittleren Koeffizienten multipliziert, gibt die Bruchgrenze des Materials.

Wird dabei die Kugel im Zentrum des Probequerschnitts eingepresst und die Druckrichtung parallel mit der Walz- oder Bearbeitungsrichtung des Probestückes disponiert, so ist der mittlere Koeffizient für Material mit geringerem Kohlegehalte als 0,55 % = 0,348, übersteigt der Kohlegehalt die eben genannte Grösse aber = 0,323. Wird der Kugeleindruck auf die Oberschicht der Probe und winkelrecht gegen die Walzrichtung verlegt, so sind die mittleren Koeffizienten für einen Kohlegehalt unter und über 0,55 % = 0,366 bezw. 0,349. Bei Vergleichung zwischen den durch soeben erwähnten Kugelprobeverfahren ermittelten Bruchgrenzwerten und den bei Streckproben festgestellten, im Mittel bis 2,9 % vom geringsten Werte, wenn der Kugeldruck parallel mit der Walzrichtung und bis 4,8 % kleiner, wenn er winkelrecht gegen letzteren disponiert wird.

2. Wird die Kugelprobe so ausgeführt, dass ein gleich tiefer Kugeleindruck, d.h. ein gleich grosser Eindruckswinkel daraus erfolgt, so ermittelt man die Bruchgrenze dadurch, dass die zum Eindruck angewendete Belastung durch die Kalottefläche des Kugeleindrucks dividiert und die so gewonnene Härtezahl, wie vorher angegeben, mit einem festgestellten mittleren Koeffizienten multipliziert.

Bei einer auf solche Weise durchgeführten Kugelprobe kann der gleiche mittlere Koeffizient angewendet werden für alle Stahlsorten und ganz abgesehen von ihrem Kohlegehalt. Versuche wurden lediglich bei winkelrechtem Druck gegen die Walzrichtung ausgeführt und ergaben in diesem Fall als mittleren Koeffizienten die Zahl 0,350.

3. Sämtliche oben angeführten Untersuchungen wurden an unausgeglühtem Material durchgeführt. Die gleichen Koeffizienten, welche sich für solches Material bei der Kugelprobe winkelrecht gegen die Walzrichtung als geltend zeigten, können nach dabei festgestellten und gesammelten Erfahrungen bei gleichgerichteter Kugelprobe auch bei gewalztem und unausgeglühtem Konstruktionsmaterial benutzt werden.

Bei gehärtetem und bei kaltbearbeitetem Material wurden verschiedene gleichgeartete Versuche wie bei Schweisseisen durchgeführt, jedoch konnte die Richtigkeit der Bruchgrenzenbestimmung mittels Kugelprobe dabei endgültig nicht ermittelt werden.

4. Die chemische Zusammensetzung des Versuchsmaterials scheint nicht mit bei schwedischem Eisen gewöhnlichen Veränderungen auf die Korrektheit der Bruchgrenzbestimmung mittels Kugelprobe in Wirkung zu kommen. Ein Herabdrücken der Härtezahlen und damit auch der berechneten Bruchprobenwerte wird vorzugsweise durch hohen Kiesel- und Mangangehalt des Materials veranlasst.

Ausser den Versuchen, deren Hauptergebnisse jetzt hier angeführt wurden, wurden auch umfassende Untersuchungen durchgeführt in Bezug auf die Möglichkeit der Anstellung von Berechnung der Dehnbarkeits- und Streckgrenzbestimmungen mittels der Kugelprobe. Unter den von Brinell projektierten Arbeitsweisen wurde eine grosse Anzahl anderer Versuchsverfahren zum gleichen Zweck in Prüfung genommen und es scheinen Möglichkeiten vorzuliegen, durch Kugelproben mit wenmgstens für praktischen Bedarf genügender Genauigkeit auch diese Festigkeitseigenschaften beim Eisen festzustellen. Die betreffenden Versuche sind noch nicht abgeschlossen, ein Bericht über dieselben ist infolgedessen noch verfrüht und unterbleibt bis auf weiteres.

Dr. Leo.

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