Ergebnisse neuerer Dauerversuche an Metallen.

Von E. Preuß.

(Fortsetzung von S. 102 d. Bd.)

3. Versuchsergebnisse von Rogers. Die Versuche von Rogers erstrecken sich im wesentlichen auf den Einfluß der Wärmebehandlung auf die Arbeitsfestigkeit. Geprüft wurden drei Eisensorten A, B, C, von der Zusammensetzung (Tab. 4):

Tabelle 4.

Entsprechend der Verminderung der beim Zugversuch mit stetig wachsender Belastung erhaltenen Werte für σP und σB durch vorheriges Ausglühen zeigten die untersuchten Materialien A und C auch beim Dauerversuch geringere Festigkeit, wenn ein Ausglühen vorhergegangen war; hatte Ueberhitzung stattgefunden, so sank die Arbeitsfestigkeit wesentlich (siehe Versuch No. 4 Tab. 5). Wiedererhitzen des überhitzten Materials hob den Wert für die Arbeitsfestigkeit wieder etwas, aber nicht in dem erwarteten Maße. Durch Abschrecken wurde die Arbeitsfestigkeit gesteigert.

Tab. 5 gibt die Hauptergebnisse von Rogers wieder. In ihr bedeutet δ100 die Bruchdehnung, gemessen auf 100 mm Länge, die beim Dauerversuch angewandte Spannung, d.h. die Summe der Zug- und Druckspannung. Da Wöhlersche Maschinen mit sich drehendem Probestab verwendet wurden, so ist die Zugspannung stets gleich der Druckspannung.

Rogers hat auch den Einfluß der Wiedererhitzung von Material, das bereits längere Zeit der Dauerbeanspruchung unterworfen war, untersucht und ebenfalls gefunden, daß das Wiedererhitzen nicht vorteilhaft ist. Als Grund dafür gibt er an, daß sich beim Dauerversuch mehr oder weniger lange Haarrisse ausgebildet hatten, deren Oberfläche durch das nachfolgende Erhitzen oxydiert war, so daß eine Wiedervereinigung des Materials ausgeschlossen war. Je höher das Material erhitzt wird, desto mehr oxydieren diese Risse und um so ungünstiger wird die Erhitzung auf die Lebensdauer des Materials einwirken. Rogers schlägt Erhitzen, gegebenenfalls bis zur Glühwärme, vor, um die Risse bei dauernd beanspruchtem Material gut sichtbar zu machen.

4. Die Versuche von Stanton und Bairstow, die bisher noch nicht abgeschlossen sind, gingen hauptsächlich von folgenden Gesichtspunkten aus: Die noch heute benutzten Angaben über die Arbeitsfestigkeit beruhen im wesentlichen auf den bereits 3½ Jahrzehnte zurückliegenden Versuchen Wählers und wurden an Materialien festgestellt, wie sie zur Zeit nicht mehr benutzt werden. Daher ist besonders die Prüfung von modernem Material wünschenswert und zwar in dem Zustand, in den es im Maschinenbau verwendet wird, ohne jede vorherige Wärmebehandlung. Von einigen Seiten wird Schweißeisen als besonders widerstandsfähig gegen Dauerbeanspruchung empfohlen, was von anderer Seite bestritten wird. Diese Frage ist zu klären. Der Einfluß der Geschwindigkeit der Lastwechsel auf die Arbeitsfestigkeit ist zu bestimmen. Die bei den Hauptversuchsreihen benutzten Lastwechselzahlen sollen den bei modernen schnellaufenden Maschinen

Tabelle 5.

auftretenden Spannungswechselzahlen entsprechen. Der Einfluß scharfer Uebergänge bei Querschnittsänderungen des Probestabes ist zu untersuchen und die Ursachen des Bruches bei Dauerbeanspruchung durch mikroskopische Untersuchung festzustellen.

Untersucht wurden die in Tab. 6 aufgeführten Materialien.

Tabelle 6.

Die Probestäbe hatten die in Fig. 7 abgebildeten Formen. Form 1 ist die gleiche wie bei den Versuchen von Smith. Form 2 hat aufgeschnittenes Gewinde, Form 3 hat wenig abgerundete, Form 4 scharfe Querschnittsübergänge. Form 5 hat rechteckigen Querschnitt, dessen Zweck weiter unten bei Besprechung der metallographischen Untersuchungen noch erörtert werden wird.

Bei der von Stanton verwendeten Maschine erhält der Probestab bei jedem Spannungswechsel sowohl Zug- wie Druckbeanspruchung und zwar standen beide meistens im Verhältnis 1,4 : 1 zu einander. Durch die Versuche von Wöhler und Bauschinger ist nun nachgewiesen, daß die Widerstandsfähigkeit eines Stabes nicht vom absoluten Wert der angewendeten Spannung, sondern vom Unterschied zwischen der Höchst- und Niedrigstspannung abhängt, also wenn der Stab Zug- und Druckspannung erhält, von der Summe der beiden letzteren. Um die Richtigkeit dieser Ergebnisse nachzuprüfen, wurde das Verhältnis beider Spannungen bei einigen Versuchsreihen Stantons von 1,4 auf 1,09, 0,92 und 0,72 verändert. Dabei zeigte sich, daß, wie auch das Verhältnis der Zug- zur Druckspannung war, die gleichen Wirkungen erzielt wurden, wenn die Summe beider Spannungen gleich war. Dies Ergebnis bestätigte also die Angaben von Wöhler und Bauschinger.

Die mit Versuchsstäben ohne scharfe Querschnittsübergänge (Form 1) erhaltenen Versuchsergebnisse sind im Schaubild (Fig. 8) enthalten. Die Kurven haben bei etwa 400000 Lastwechseln bereits nahezu ihre Asymptote, die Arbeitsfestigkeit σA, erreicht. Daher bezeichnete Stanton |120| mit Arbeitsfestigkeit σA diejenige Spannung, bei der das Material nach 1000000 Anspannungen noch nicht zum Bruch gekommen war. Er meint, es sei zwecklos einen Stab mit mehr als 1000000 Anspannungen zu belasten; denn wenn er eine bestimmte Spannung 1000000 mal ausgehalten habe, werde er diese oder eine nur unwesentlich geringere Spannung auch unendlich oft aushalten können.

Gleiches ergaben die Versuche von Smith. Bei den Wöhlerschen Versuchen mit ihren niedrigen Lastwechselzahlen hatten die nach Art des Schaubildes Fig. 8 aufgetragenen Kurven bei 1000000 Anspannungen noch nicht ihre Asymptote erreicht.

Fig. 9 zeigt den Einfluß des Kohlenstoffgehalts auf die Arbeitsfestigkeit von schwedischem Eisen¹⁰⁾. Die drei oberen Kurven geben die Bruchgrenze, Streckgrenze und Proportionalitätsgrenze beim Zugversuch mit stetig wachsender Belastung an. In Vergleich damit ist der Wert ½ σA gesetzt, der in den vier unteren Kurven dargestellt ist, d.h. es ist angenommen, daß das Material sowohl auf Zug als auch auf Druck bis ½ σA beansprucht wird, die Summe beider Spannungen also σA beträgt. Benutzt wurden für die Zusammenstellung dieses Schaubildes die drei schwedischen Bessemerstahlsorten No. 1–3 und das schwedische Holzkohleneisen, deren Analysen bereits in Tab. 6 gegeben sind. Bemerkt sei, daß die Stahlsorten No. 2 und 3 einen in Vergleich zu den beiden anderen Sorten hohen Mangangehalt haben, der aber keinen wesentlichen Einfluß ausgeübt zu haben scheint. Das Schaubild zeigt, daß höherer Kohlenstoffgehalt, ebenso wie er beim gewöhnlichen Zugversuch höhere Festigkeit, so auch bei Dauerbeanspruchung höhere Arbeitsfestigkeit bedingt. Dies ist natürlich nur für die angewandte Lastwechselzahl n = 800 erwiesen. Bei den Versuchen von Smith mit höheren Lastwechselzahlen zeigt Material mit höherem Kohlenstoffgehalt keine wesentlich höhere Arbeitsfestigkeit, als Material mit niedrigem Kohlenstoffgehalt.

Einige Versuche sind mit geglühtem Material ausgeführt. Dabei wurde bis 1000° erhitzt und langsam an der Luft abgekühlt. In Uebereinstimmung mit den Versuchen von Rogers fand sich eine Abnahme der Arbeitsfestigkeit um 15–25 v. H. durch das Glühen.

Das Verhältnis der Proportionalitätsgrenze beim gewöhnlichen Zugversuch zur Arbeitsfestigkeit schwankte für die einzelnen Materialien sehr. Stanton und Bairstow kommen bei dieser Gelegenheit auf die Bauschingersche Theorie der „natürlichen“ P-Grenze zu sprechen. Bauschinger hat darauf hingewiesen¹¹⁾, daß die P-Grenze für ein und dasselbe Material keinen festliegenden Wert hat, sondern je nach dem Zustande der Bearbeitung verschieden ist. Man erhält aber einen jedem Material eigentümlichen und gleichbleibenden Wert für die P-Grenze, wenn man folgendermaßen vorgeht. Das Material wird zunächst einmal auf Zug bis zur P-Grenze beansprucht, darauf auf Druck bis zur Druck-P-Grenze und einige Male so fort, bis ein gleichbleibender Wert für die P-Grenze erreicht ist. Stanton hat nun vermutet, daß diese „natürliche“ P-Grenze gleich der Arbeitsfestigkeit sein könnte. Er hat an drei Materialien diesbezügliche Versuche angestellt und mit seinen Annahmen überraschend gut übereinstimmende Ergebnisse erhalten. Dies scheint jedoch belanglos und nur ein Zufall zu sein. Denn sobald eine Aenderung in der Lastwechselzahl eintritt oder Probestäbe mit scharfen Querschnittsänderungen untersucht werden, ändert sich die Arbeitsfestigkeit sehr stark, während die natürliche P-Grenze des Materials stets gleich bleibt. Die Arbeitsfestigkeit scheint überhaupt weniger zur Bruchfestigkeit und P-Grenze in Beziehung zu stehen, als zur Streckgrenze. In Fig. 10 (s. später) sind nach dem Vorgange von Robertson die Bruchfestigkeit, Streckgrenze und Arbeitsfestigkeit für die von Stanton und Bairstow untersuchten Materialien No. 1–10 dargestellt. Man erkennt deutlich den parallelen Verlauf der Linie für die Arbeitsfestigkeit und für die Streckgrenze.

Zu den Versuchen über den Einfluß mehr oder weniger plötzlicher Querschnittsübergänge auf die Arbeitsfestigkeit wurden die Stabformen 2, 3, 4 (Fig. 7) gewählt. In allen Fällen zeigte sich eine wesentliche Verringerung der Arbeitsfestigkeit gegenüber dem Stabe ohne plötzliche Querschnittsänderungen. |121| Die Ergebnisse sind in Tab. 7 zusammengestellt.

Tabelle 7.

Material	Form 2		Form 3		Form 4
	σ'A		σ'A		σ'A
Schwed. Bessemer- stahl No. 3	34,5	0,69	34,0	0,68	24,1	0,48
Schwed. Bessemer- stahl No. 2	33,6	0,70	34,3	0,72	22,7	0,47
Schwed. Bessemer- stahl No. 1	28,3	0,67	28,8	0,68	20,4	0,48
Schwed. Holzkohlen- eisen	20,4	0,68	19,4	0,65	16,3	0,54
Kolbenstangenstahl	29,3	0,66	31,5	0,71	26,6	0,60
Flußeisen No. 2	29,0	0,71	29,2	0,72	22,3	0,55
Flußeisen No. 1	21,7	0,74	21,3	0,72	19,2	0,64
Schweißeisen No. 1	26,3	0,77	27,5	0,81	20,3	0,60

Hierin bedeutet σA die bei der Stabform 1, σ'A die bei der jeweiligen Stabform 2–4 erreichte Arbeitsfestigkeit. Das Verhältnis läßt die starke Abnahme der Arbeitsfestigkeit bei plötzlicher Querschnittsänderung sehr deutlich erkennen¹²⁾.

Die Versuchsstäbe erhielten in der Regel an einem Tage etwa 400000 Lastwechsel. Besondere Untersuchungen über den Einfluß der Betriebspausen bei längeren Versuchsreihen ergaben, daß Betriebspausen von 15–20 Stunden keinen merklichen Einfluß auf die Arbeitsfestigkeit ausüben.

Aus der Erörterung, die sich an den Vertrag von Stanton über die hier mitgeteilten Versuchsergebnisse anschloß, sei die Mitteilung Unwins erwähnt, der Dauerversuche mit Flußeisen bei 150 Lastwechseln i. d. Minute und Wärmestufen von 200°–260° ausgeführt hat. Entsprechend der bei diesen Wärmegraden erhöhten Festigkeit beim Zugversuch mit stetig wachsender Belastung zeigte das Material auch beim Dauerversuch eine etwas erhöhte Arbeitsfestigkeit.

(Schluß folgt.)