390 I2[AUPT und IKRISC~: Die Kerbschlagz~higkeit metallischer Werkstoffe. Die Natur~ wissenschaften

Es m u g zunXchst of ten b le iben , ob die Stei- ge rung des Druckes die B i l d u n g won Kr is ta l l - k e i m e n oder die Kr i s t a l l i s a t i onsgeschwind igke i t oder beides gle ichzei t ig begf ins t ig t . A n t alle FXlle d a r t die F u n k t i o n de r Zei t bet so lchen V e r s u c h e n nie a u g e r a e h t gelassen werden . Zwischen de r Zeit , die zur Kr i s t a l l i s a t ion b e n 6 t i g t wird, der T e m - p e r a t u r u n d d e m D r n c k , sche inen b e s t i m m t e Ab- h ~ n g i g k e i t e n zu be s t ehen , d e r e n q u a n t i t a t i v e An- gabe wei te re r U n t e r s u c h u n g v o r b e h a l t e n b le ib t . B i she r k o n n t e q u a l i t a t i v fes tges te l l t werden , d a b die tLr is ta l l i sa t ionszei t m i t fa l lender T e m p e r a t u r k le iner wi rd u n d d a b sie ftir eine b e s t i m m t e T e m p e r a t u r m i t s t e i g e n d e m D r u c k ebenfa l l s ab- n i m m t .

Die e x a k t e B e s t i m m u n g de r D r u c k a b h a n g i g k e i t des S c h m e l z p u n k t e s is t i n de r vor I i egenden A r b e i t b i she r e x p e r i m e n t e l l n i c h t m6gl ieh gewesen. Es i s t irides s icher d a m i t zu r echnen , d a b de r Schmelz - p u n k t , de r bet n o r m a i e m D r u c k zwischen 2o ° a n d 23 o ge funden w o r d e n ~st, s ich m i t s t e i g e n d e m D r u c k zu h 6 h e r e n T e m p e r a t u r e n h i n ve r l age r t . Die B e o b a c h t u n g e n won RUH~5~ANN u n d SIS~ON (t. c.) bet de r Messung der spezi f ischen W ~ r m e sp reehen daft ir , u n d ebenfa l l s die yon G. v. Sus lcH (8) ge- fundene Schmelzkurve , die in A b h £ n g i g k e i t yon de r T e m p e r a t u r die D e h n u n g ang ib t , be t de r ein F a s e r d i a g r a m m e r sche in t (9)- Gegenw~r t ig s ind

Druckgef~Be im Bau, weIche dieser F r a g e exper i - m e n t e l l d i e n e n sol len.

Die vo r l i egenden E r g e b n i s s e bewei sen e indeut ig , d a b de r D r u c k bet de r Kr i s t a l l i s a t i on i m tKau t schuk ein P r inz ip yon g r u n d l e g e n d e r W i c h t i g k e i t da r s t e l l t ~.

H e r r n Dr . W. WITCSTADT v e r d a n k e n wir m a n c h e r l e i A n r e g u n g e n u n d U n t e r s t f i t z u n g e n bet d ieser U n t e r s u c h u n g . Der D e u t s c h e n Fo r schungs - g e m e i n s c h a f t d a n k e n wi t ftir ih re Hilfe bet der Aus f t i h rung dieser Arbe i t .

Liieratur, I. P. A. THIESSEN U. \V. "WI~STADT, Z. physik.

Chem. ]3 29, 359 (1935). - - 2. Vgl. W. KIRSCH, Diss. Berlin. I937. -- 3- M. RUHXMAXN U. F. SIMOn', Z. physik. Chem. A 138, 17 (I928) --- W . L . HOLT u. A. T. McP~ERSON, Nat. Bur Stand. I7, 657 (1936). -- 4- t{. H~ss, C. TROGUS u. K. DZlENaZL, Ann. d. Chem. 5oi, 62 (I933). - - 5. J. K. K;aTz, Erg. exakt. Naturwiss. 4, i61--162. -- 6. E. A. HAUSER U. P. IROSBAUD, I(aut- schuk 19e7, I8. - - 7- L. HocK; MEM~L~R, Handbuch der Kautschuk-Wissenschaft 469. - - 8. O. v. SUSlCH, Naturwiss. 8, 915 (I93O). - - 9. Vgl. terrier eine dem- n~ehst erscheinende Arbei t yon P. A. TnlBSSE~¢ u. %V. WIT~STADT, Erzwungene und spontane )knderung der molekularen Ordnung im gedehntea Kautschuk.

1 In letzter Zeit konnten wir auch an vulkani- siertem t (au tschuk tfr istal i isation in einem geeigneten Temperaturbereich beobachten. Die Untersuchung des Druckeinflusses ist im Gange.

Die Kerbschlagz~ihigkeit metallischer Werkstoffe bet tiefen Temperaturen bis zur Temperatur des fliissigen Wasserstoffes.

Von GEORG HAUPT u n d ALFRED ~]:RISCH, Dtisseldorf .

(Aus dem ~Kaiser Wilhe lm-Ins t i tu t ftir ]Eisenforschung.)

Die E r z e u g u n g t iefer T e m p e r a t u r e n g e w i n n t ftir die phys ika l i s che F o r s c h u n g d a u e r n d a n Be- d e u t u n g , u n d einige L a b o r a t o r i e n a r b e i t e n be re i t s m i t T e m p e r a t u r e n , die n u r u m B r u c h t e i l e eines Grades yore a b s o l u t e n N u l l p u n k t e n t f e r n t s ind. A u c h in de r I n d u s t r i e w e r d e n t iefe T e m p e r a t u r e n in i m m e r s t e i g e n d e m MaBe a n g e w a n d t . Z u m Bet- spiel a r b e i t e n die m e i s t e n Saue r s to f fwerke t iber die Luf tve r f l i i s s igung ; die A m m o n i a k s y n t h e s e er- f o r d e r t Z u g a b e n yon St ickstofI , de r ebenfMIs f iber die Luf tve r f l t i s s igung e rzeug t wi rd ; bet de r I i e r - s t e l l ung won M e t M l d r a h t l a m p e n w e r d e n die t e t z t e n S p u r e n yon Q u e c k s i l b e r d a m p f d u t c h Gasfal len, die sich in flfissiger L u f t be f inden , a u f g e f a n g e n ; a u c h zur tReinigung yon ErdSl w e r d e n t iefe T e m - p e r a t u r e n g e b r a u c h t .

N a t u r g e m ~ B s te l l t die t t e r s t e l l u n g und A n w e n - d u n g yon t i e fen T e m p e r a t u r e n h o h e A~lfordernn- gen an die dabe i v e r w e n d e t e n Werks to f fe , die n i c h t n u t h o h e Fes t igke i fen , s o n d e r n a n c h h o h e p las t i sche V e r f o r m b a r k e i t aufweisen mtissen. Da de r Z u g v e r s u c h ke in ]gild yon de r Z~higke i t de r W'erks toffe i m ungte ichmXBigen S p a n n u n g s z u - s t a n d v e r m i t t e l t , lag sowohl p r ak t i s ches wie wis- sensehaf t I iches In t e re s se vor , eine grSBere A n z a h l won S t~h len i m K e r b s c h l a g v e r s u c h n i c h t n u r bis zu r T e m p e r a t u r de r flfissigen Luf t , s o n d e r n bis

zur T e m p e r a t u r des fl t issigen Wassers to f f s zu un- t e r suchen , u m nachzupr f i fen , ob die bet e in igen St&hlen bet - - 1 8 3 ° (9o ° abs.) n o c h v o r h a n d e n e Z~h igke i t bet f i e fe ren T e m p e r a t u r e n a b s i n k t oder ob die St&hle auch bei - - 253 o (2o ° abs.) eine meg- b a r e Z&higkeit aufweisen .

Die Versuche bei R a u m t e m p e r a t u r u n d bet - - I 8 3 ° w u r d e n im Ka i se r W i i h e l m - I n s t i t u t Itir E i s en fo r schung in Diisseldorf , die Ver suche in flfis- s igem Wasse r s t o f f in d e m n e u e n I (~ i l t e l abora to r ium des Ka i se r W i l h e l m - I n s t i t u t e s ftir P h y s i k in Ber l in - D a h l e m durchge f / ih r t . H e r r n P ro fesso r P. DEB¥~ u n d H e r r n Dr . L. BEWILOGUA set a u c h a n dieser Stel le ftir i h r f reund l iches E n t g e g e n k o m m e n n n d ihre ta tkr&f t ige U n t e r s t i i t z u n g bes t ens gedank t .

Die U n t e r s u c h u n g e n w u r d e n m i t e i n e m z5 mkg- C h a r p y - K e r b s c h l a g h a m m e r (Fig. I) du rchge f i i h r t ; die P r o b e n f o r m is t aus Fig. 2 e rs ich t l ich . Der P e n - d e l h a m m e r H t r i f f t m i t se iner Schneide S die d e m K e r b de r P r o b e JP gegent iber l iegende Sei te u n d zerschl&gt sie. D u t c h den A r b e i t s b e d a r f ftir die V e r f o r m u n g bis z u m B r u c h de r P r o b e ve r l i e r t de r H a m m e r e inen b e s t i m m t e n Ene rg i ewer t , d e r d u t c h e inen Schleppze iger Z auf de r Ska la Sk als D u r c h - schIagswinke l angeze ig t wird. D a r a u s l&13t s ich d a n n die Kerbsch lagzAhigke i t in m k g / c l n 2 er- r e chnen .

Heft 24/25,] I7. 6. I938]

HAm~ und Kt~ISCI~: Die Kerbsc5lagzXhigkeit metallischer Werkstoffe. 391

Die aus dem Schrifttum bekannten Versuche zur Ermit t lung der Kerbschlagz~higkeit bei tiefen Temperaturen werden meist so dnrchgeffihrt, dab die Kerbschlagproben in. einem I~51temitteI vor- gekfihlt, dana schnell auf dell Hammer aufgelegt und geschlagen werden. Dadurcll t r i t t stets eine Erh6hung der Tempetatur his zuln Schlag ein, so

vorgekfihlt war. Dagegen gelang es, die Verdamp- lung zu verhindern, wenn zwei K~stchen ineinander- gesetzt und auf den Boden des gr613eten zwei Streich- h61zer als Distanzstficke gelegt wurden (Fig. 3). Auf dieses doppelwandige Papiergef~.B wurde ein Papierdeckel gesetzt, dutch dessen Offnung der flfissige Wasserstoff aus einem Dewar-Gef~B

Fig. 3- Doppelwandiges Papierk&stchen mit Kerb- schlagprobe.

(Fig. 4, D) mittels eines Hebers H eingeffillt wet- den konnte. Da sich fiber dem flfissigen Wasser- stoff nunmehr eine Wasserstoffatmosph~te befand, verdampfte er so langsam, dab die Probe bis zu i Minute bei der Temperatur yon 2o ° abs. gehal- ten werden konnte, bevor ein Temperaturanstieg

Fig. I. Kerbschlagpendelhammer.

dab man diese nut ann~hernd angeben kann. Tem- peraturmessungen im Gebiet der fltissigen Luft, bei denen ein ThermoeIement dem Kerb gegenfiber und ein anderes auf dem Probenende angel6tet war und bei denem die Tempera±ur fiber zwei Galvano- meter und eine Schreibvorrichtung aufgezeichnet wurden, ergaben, dab in dem Gebiet um 9 °° abs. die Temperatur aui dem Kerbschlaghammer um i °/s zunimmt. Das Schlagen der Probe in der oben

Fig. 2. KerbscMagprobe (DVM).

angeffihrten X~reise ist daher zut~ssig, wenn es ge- lingt, die Probe in 3--5 Sekunden nach dem Her- ausnehmen aus det flfissigen Luft zu schlagen.

Bei den Versucheu in flfissiger Luft war es m6g- lich, die Probe beliebig lange auf Temperatut zu halten, wenn sie in einem Papierk~stchen, das mit dem K~ltemittel geffilIt war, auf den Kerbschtag- hammer aufgesetzt und mit dem t<~stchen zusam- men gesehlagen wurde. Messungen mit Thermo- elementen in der bereits beschriebenen Anordnung zeigten keine Temperatur~nderuug, solange die Probe v611ig vom K~ltemittel iiberdeckt war.

]3ei den Versuchen mit flfissigem Wasserstoff ergab sich die Sehwierigkei% dab dieser selbst dann augenblicklich aus dem K~tstchen verdampfte, wenn die Probe sorgf~ltig in fltissigem Stickstoff

Fig. 4. Versuehsanotdnung am Kerbschlagh~mmer. D Dewar-Gef~B mit flflssigem Wasserstoff. / t D0ppel- wandiger Heber. 2~T2 Dewar-Gef~B mit flt~ssigem Stick- stoff zum Vorkfihlen. P Probe im doppelwandigen

Papierk~stchen.

beobachtet wurde. Zu dieser Messung wurde ein Kupier-Konstantanelement in Differentialanord- nung benutzt, das nach dem Geirierpunkt und der Dampfdruckkurve des Wasserstoffs geeieht war.

Da yon der Entfernung des Wasserstoffvor- tatsbeh~lters, die aus Sicherheitsgrfinden (Funken- bildung) notwendig war, bis zum Schlag nur wenige

392 HAvPr und K2,Isc~t: Die Kerbschlagzghigkeit metallischer Werkstoffe.

Tabelle I. C h e m i s c h e Z u s a m m e n s e t z u n g d e r u n t e r s u c h t e n W e r k s t o f f e .

F Die Natur- [wissenschaflen

Si Mn Cr Ni W C Nr. Bezeiehnung % ! % % % % %

I 2

3

4

5 6 7

8 9

I O

I I

I 2

Nickel . . . . Kupfer . . . ]31ei (HandelsbM)

Ni-Stahl . . .

C r - N i - S t a h l . . C r - N i - S t a h l . . C r - N i - S t a h l . .

Cr-Mn-Stahl . Cr-Mn-Stahl . Cr-IVln-Stahl .

Cr-Mn-Si-Stahl

Cr-Mo-V-Stahl

0,04

0, I0

0, II

0 ,2 4

O~fI

o,13 o,o9

0,08

0,39

0,03

0 , 0 2

0,48 o,56 o,64

0,48 0,47 o,46

3,25

o,23

0,56

0,29

0,4 ° 0 , 6 2

0,46

17,7 ° 15,5

9,38

17,2

0,63

17,98 17,72 24,95

9,88 14,2 i6,86

7,7 °

1,71

99,oo

35,98

8,07 8,48

24,36

1 ,o8

O, IO

o,o3

Mo V % %

0,28 0 , 2 0

0,96 0,08

o,41 0,24

O,O

I ,O3 o,53 0 , 2 2

Ti Cu % %

99,96

0,09 o,23

Co Fe % %

o,o2 0,36

S e k u n d e n ve r s t r i chen , k a n n m i t S iche rhe i t die V e r s u c h s t e m p e r a t u r zu 20 o abs . a n g e g e b e n werden .

Die chemische Z u s a m m e n s e t z u n g de r u n t e r - s u c h t e n W'erkstoffe zeigt Tabel le I . Die e r s t en

/ 32

30

23

26

g~z

.~zS

7g

8

4 G

2

0~ 30 2/0 50 60 70-8090100 150 200%bs283 "-258 -2~3 -238-223 -203--183 -123 -73 ~C +30

Temperatur

Fig. 5- Kerbschlagz~higkeit yon \Verkstoffen bei den Temperaturen des flt~ssigen Wasserstoffs, der flfissigen

Luf t und bei Raumtempera tur .

3 Werks to f f e s ind re ine Metal le, w ~ h r e n d Nr. 4 ein 36proz . N icke l s t ah l ist . Nr. 5 - - 1 1 s ind h i tze- , zunde r - u n d s~urebes t~nd ige S tab le m i t vo rwiegend a u s t e n i t i s c h e m Geffige, y o n d e n e n die e r s t en 3 hoch leg ie r t e Chrom-Nicke i -S t~h le , die f ibr igen hoch - legier te C h r o m - M a n g a n - bzw. Chrom-Mangan-S i l i - z i um-S tah l e sind, die in den l e t z t en J a h r e n zur Nicke le r sparn i s en twicke l t wurden . Der V~rerkstoff

Nr . 12 is t ein n iedr ig leg ie r te r C h r o m - M o l y b d ~ n - V a n a d i n - S t a h l .

I n Fig. 5 s ind die E rgebn i s se de r Ke rbsch l ag - p r f i fung bei R a u m t e m p e r a t u r , in flfissiger L u f t u n d in flfissigem Wasse r s to f f wiedergegeben , wobei au f de r Abszisse die abso lu t e T e m p e r a t u r in Ioga- r i t h m i s c h e m M a B s t a b u n d au f de r O r d i n a t e die K e r b s c h l a g z ~ h i g k e i t in m k g / c m ~ a u f g e t r a g e n ist . Die U n t e r s u c h u n g e n zeigen, d a b es eine R e i h e yon W e r k s t o f f e n gibt , die s ich bei de r T e m p e r a t u r des flfissigen Vv'asserstoffes se lbs t u n t e r den ungf in- s t igen B e d i n g u n g e n e iner K e r b s c h l a g p r o b e n o c h p las t i sch v e r f o r m e n k6nnen . E i n Teil de r P r o b e n w u r d e v o m H a m m e r n i c h t gebrochen , s o n d e r n d u t c h die Auf lager d u r c h g e z o g e n ; bei e in igen wei- t e r e n r e i ch t e da s A r b e i t s v e r m 6 g e n des H a m m e r s se lbs t bei de r T e m p e r a t u r des t lf issigen Wasse r - s toffs n i c h t ans , die ' P r o b e n zu d u r c h s c h l a g e n . In diesen Fa l l en k 6 n n e n ffir die KerbschIagz~h igke i - t en n u r 1Vfindestwerte a n g e g e b e n werden , die in Fig. 5 d u r c h e inen Pfei l g e k e n n z e i c h n e t sind. De r aus f r f iheren A r b e i t e n b e k a n n t e Abfa l l de r K e r b - sch lagz~higke i t bis zu r T e m p e r a t u r de r fifissigen L u f t s ch re i t e t i m a l lgemeinen auch bei noch t iefe- r en T e m p e r a t u r e n fort . E ine A u s n a h m e b i lden die l~Ietalle K u p f e r u n d Blei, die be i Mien T e m p e - r a t u r e n d u t c h die Auf lager des H a m m e r s ohne B r u c h d u r c h g e z o g e n wurden . Ob die K u r v e ffir Nickel n a c h t i e fen T e m p e r a t u r e n a n s t e i g t oder ab- f~llt, k a n n n i c h t b e u r t e i l t werden , d a diese P ro - ben yore H a m m e r n i c h t d u r c h s c h l a g e n werden . Dasse lbe gilt a u c h ffir die C h r o m - M a n g a n - S t ~ h l e 8 u n d 9, die yon d e n u n t e r s u c h t e n S t~h l en die h 6 c h s t e KerbschlagzS~higkeit h a b e n . Die n icke lha l - t i gen St~thle 4 - - 7 und der C h r o m - M a n g a n - S t a h l IO weisen m i t 8 - - 2 0 mkg/cm~ bei 20 ° abs . eben ia l l s noch gu te W e r t e auf. Der Chrom-Mangan-S i l i z ium- S t ah l I t l iegt m i t 4,5 mkg/cm~ bei 2o ° abs . e r h e b - t ich t iefer , w/~hrend de r C h r o m - M o l y b d i n - V a n a d i n - S t ah l I2 m i t 2,5 m k g / c m ~' be re i t s e inen fas t spr6- den B r u c h aufweis t .

Z u s a m m e n f a s s e n d e rg ib t sich, d a b eine A n z a h l yon Nickel- , Chrom-Nicke l - u n d C h r o m - M a n g a n - S t aMen n e b e n MetaI len wde Nickel, K u p f e r und

Heft 24/25.] VC'I~VER: EinfluI3 kleiner Abkt~hlungsgeschwindigkeiten bei Kohlenstof~stghlen. 17. 6. z938j

393

Blei b i s i zu r Temperatur des flfissigen Wasser- stoffs noch ein groBes plastisehes Formitnderungs- verm6gen auiweisen, so dab spr6de Brfiche bei Verwendnng dieser ~rerkstoffe nicht zu befiirctlten sind.

Weiteren Untersuchungen bleibt vorbehalten, wieweit die Xerbschlagz~thigkeit bei dieser Tem- peratur yon der chemischen Zusammensetzung ab- h~ngt nnd wieweit sie dutch die ~r~rmebehand- lung beeinfluB£ werden kann.

EinfluB kleiner Abktihlungsgeschwindigkeiten auf die Umwandlungstemperaturen der Kohlenstoffst~ihle.

Von FRA~Z \VEv]~, DfisseldorL

(Aus dem Kaiser Wilhelm-Institut ttir Eiseniorschung.)

Die Phasenumwandtungen metalliseher Ein- und Mehrstoffsysteme laufen im kristMlisierten Zustand meist mit erheblicher Temperaturhysterese ab, sie werden schon dureh verh~ltnism~Big lang- same Temperatur~indermagen betr~ichtlich nach tieferen oder hSheren Temperaturen versehoben. Daraus folgt, daI3 die Umwandlungsgesehwindig- keit in der Nfille der Gleichge~dchtstemperatnren nur gering sein kann. Uber ihre Gr6Benordnung bestand bis vor kurzem keine Ydarheit. Die all- gemeine Auffassung ging dahin, dab die Tempera- turhysterese der Umwandlungen bei einiger- maBen kIeinen Temperatur~nderungsgesch~dndig- keiten nur kleine Werte ann immt und daher bei der thermischen Analyse vernachl~ssigt werden kann. Die groge ?¢Iehrzahl der heute vorliegenden Zustandsdiagramme metallischer Systeme gibt die Umwandlungstemperaturen im kristallisierten Zu- stand nur mit dieser Einschr~tnkung riehtig wieder.

Seit einigen Jahren werden im Kaiser Wilhelm- Ins t i tu t ffir Eisenforschung aus anderen Zusam- menhgngen heraus Untersuchlmgen fiber den iso- thermen Ablauf yon Umwandlungen der Eisen- legierungen, insbesondere der Stable, durchge- ffihrt ~. Dabei wurde immer wieder die Beobach- tung gemaeht, dab die Umwandlungsgeschwindig- keit der St~hle am A~- und A1-Punkt erst in fiber- raschend groBem Abstande yon den Gleichge- wichtstemperaturen merkliche Werte annimmt. In der gleichen Richtung liegen Ergebnisse yon R. F. MEHL und C. WELLS 2 fiber den EinfluB der Abkiihlungsgeschwindigkeit anf die Umwandlungs- temperaturen reiner Eisen-Kohlenstoff-Legierun- gem Danach wird z. t3. die Perl i tumwandlung durch eine Abktihtungsgeschwindigkeif yon 1]s °]min schon um io ° nach tieferen Temperaturen verlagert.

Ffir die Technik der thermischen Analyse folgt aus diesen Beobachtungen, dab es sinnlos ist, die Bestimmung yon Gleichgewichtstemperaturen im kristallisierten Zustand mi~ Hilfe yon Verfahren zu versuchen, die eine endliche Abkfihlungsgeschwin- digkeit voranssetzen. W-Jr haben uns daher ver- st~rkt um die Entwicklung yon Get , t en ffir die thermische Analyse bemfiht, die yon dieser Vor- aussetzung frei sind. Die in diesem Zusammen- hange entstandenen Ausdehnungsschreiber mit elektriseher Anzeige wurden zuerst auI eine Unter- suchung der Kohlenstoffst~hle angesetzt. Das Er- gebnis soll nachstehend im Auszuge mitgeteilt werden 8.

Die Zusammensetzung der untersuchten St~hle ist in Tabelle I angegeben. Von diesen St~thlen wurden Ausdehnungskurven mit Erhitzungs- und

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800 ~ AbhdhluaoO"°72°/s

"700 ~ - o ~ : : ,,,

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Fig. z. Ar 3- und Arz-Umwandlung der Kohlenstoff- st~hle bei verschiedenen Abkfihlungsgeschwindigkeiten.

Abkiihlungsgeschwindigkeiten zwischen 4 ° nnd o,oi °/sec, bei IOOO ° gemessen, aufgenommen. Die aus dell Abkiihlungskurven abgeleitete!l Tempe- raturen der Ar 3- und Arl-Umwandlung sind in