Uber die Schrumpfungskraft der Blattrnetalle bei hoher Temperatur

TO11 IKt7T-4RO SAW.41 Llnd J r o R I O XISHID.4

Mit 10 Figuren im Text

Einleitiing

Xs ist wohl lieliannt, daB die Blattinetalle bei hoher Tri i iperatur clnrch ilire Ohrrflaclienspannung zusammenschrurnpfrn. Ilie Tlierte diestir Spannung werden aber, sovieit wir when, nnr von SCHOTTKY nngegehen.') Die &aft genau au liennen, ist jedoch soivolil fur die Tlieorie tvie fur die Praxis von Interesse. Darunl stellten die Ver- fasser einige Versuche an, imi diese Kraft zii inessen, uncl trilen die R,esultxte irri folgeiiden liurz n i t .

I . Experimentellet Teil A. Versuchsmaterial, Versuchsanordnung und Arbeitsmethode

-41s ~rrsnclwniaterialien tvurden Hlnttgold niid -silber benutzt. h i s Blnt,tgoltl war '7,'i. ~iiiii dicl; nnd bestand aus 9S,OY'/,, Au untl Ig. Fur das Blattsill)rr, das ails 99,5Go/, d g l)estancl, hahen wir z w i Brten von tler Stlrlie 6,3 * niin untl Y , 1 . mil

benntxt . Hat tgoltl tvir 131at8tsilber waren durch Haminrrn vor- hereit r t word tin nnd hei beid en wiir de r iin t geiiogra phi s ch fcs t g es t r 11 t , daB sie lirinr rrgelinafiige ?tIikroliristallorientier~iri~ hat ten. Nacli- deiii u-ir den EinfluB voii verschiedrnrn ht~nosl)Iiarrn aiif die Hcliruiii~~fuiigsg~scli~~indiglieit der Blattinet.alle verglrichend unter- suclit Iiatt8rn, tvShlten wir die nnch M O S E R ~ ) gereinigte Sticlistoff- utiiiospliiire, die fiir unseren Fall an1 beqiienisten ist. Die Vrrsuchs- anortliiung isl in Fig. 1 a scheniatiscli dargesttellt. Das Qnarzrohr Q, das iiii O f m 0 lieizhar ist, liat einen Drcliel (', tler iriit t l w i in (,i bewghiuen P~rzella~nrohr I' verselieri ist. 1)iesc~s ist iiiit t l rm (~uiiiiiiirolir .(I und iriit (Juecksilber geclicht8et. Ain nnterrn Eride von P sirid ein Halien H (Fig. 1 a nnd h) atis Kichroniclraht untl eine

I ) H. ~"HOTTXY, (iott. Nachr. Math-Physik. Klasse, 1912. S. 480. ? ) L. MOSER, Die Reindarstellung van Gasen, S. 58.

376 I. Sawai und M. Xishida

Scheibe a i i k Nickel befestigt, die zur Verrniiiclerung der Gashewegung 5rhr niitzlich ist. Tkr Stickstoff wird durcli den Hahn 71 , eingefalirt, tlamit er ancli aus c h i riiit Vakuuiiiol gefullten (;lase 1, ausgehlasen

werden kann. ]>as nnterr Hnde von I$ ist mit einem Ghsrolir, an dem das Rlano- riirtrr X , tlrr Hahn h, und die GBxssLEn'sche Rohrr an- gehracht sind, niit der Purnpe wrbundrn. Ein Sebrnrohr wit tlrni Hahn h , ist untui in ein init Queclisilber urid Valiuuiiiol gefulltes (+lab 1, eirig&nicht. Es vird f ~ r den Gasaustritt Ewnutzt. Sehr miclitig ist die Kesei- tigurig aller ( h e ails d w i lilattrrirtall. Zu diesem Z\\-?cli 1st cler T'orraurn I' vorhan- tlcn, tvo eine Tempemtur \-on

Pt.Pr+Rh Thermo 300--400° beibphalt,en w r - c1t.n kann.

The Probe wurdr iiiit ei iicr a"/,, igpn Slliol iollos nng

von ('olophoniiirn auf den z w i Sicliell)latten, mie aus Pig. 1 I) er- +icIiilicli iht , aufgrhlebt. Dir beidcri Endrn tnmlen vierfacli untl

clarin zn-cifacli rnit &em iiberstehentlen pin- ,--' faclien nest ~ u g e l i l ~ b t , ixiii die RiBhilclnng -ivkhrrnd der Versuche ail verliindern.

7 he 1)ichtiglieit drs Xpparates war tlcrart, $ihs, 2 5 - 8 daB, naclidem er zur ~ luo resz rn~b i ldu r i~ bri G evaliniert untl h, und 11, geschlossen rTorclrn aaren, nach 24 Stunden Irein Binlicn tlpr

'OdW' Bixcch.;ilt,ersaixlr tZes llanometers beobaclitet, IP1q. l b m u & , . l>ir lieinlicd des Stickst o f f h tvnrde

strts tlurcli die (:lanzandrrimg vines poliertcm Kupfcrdralites Iwi 7000 grpriift.

I )I? Bro1xieliturig tvurile SO ~orgenoninien, daB rin reales IMtl tles mi t ~rionocli~onratiscliriii Licht bcleucht eten Probcrndrs iiii 11Iiliro\hop enthiun(l, dr

G

Fig. l a

I

Die Schrumpfungskraft der Blattmetalle bei hoher Temperatur 377

meter gernrssen wurde, bei den1 pinem BhaIrfiteil 0,07 inn1 en& sprachen.

Naclidem die Probe in den Vorraixm T‘ gehangt worden war, wurde die Temperatur des Ofens rrhbht. Als tiit. Ternprratur er- reicht tvar, wurde der Apparat innzrhalb von 30-60 hlinuten bis ziir E’luoreszenzbildung in G evakuiert. Sach dreiinaligein tvieder- holten Evakuieren und Gaseinfiihren wurde h3 geschlossen und 71,

geoffnet, urn das Gas durch I , auseublasen. Unter der Konstant- haltung der Temperatur tvurde h, gesehlossen und tlas untere Ende cles Hohres r etwas in das Quecksilber in I , hineingetauclit. 1)ann ivurdc die Probe mittels des Porzellanrohres P an einer bcstirnmten Stelk in ($ aufgestellt. Die Versuchsdauer schrvanlctr je nach rler Geschwindigkeit der Langenanderung von 15 Ninuten bis 2 Stunden.

B. Resultat

1. Schrurnpfungsmeise der B l a t t m e t a l l r

I n der Sticl~stoffatmosphare schrunipfen das 13lattgold und Bei noeh hoherer Temperatur stellen -sillier nicht bis etwa 600O.

die Schrumpfungskurven verscl-iiedene Figuren dar, von denen die drei typi- schen in Fig. 2 graphisch tlargestellt sind. Nach einigen Minuten aber br- mgen sic11 die Probeh mit stet$ konstanter Geschtvin- digkeit (a-b). Urn die Sclx umpfurigsgeschurindig - Iceit unter versehiedenen Hedingungen vergleichen zu lannen, haben v-ir die Zahlen, die 8chrurnl)fnngs:Boeffizient

A1 genannt seien, R = ~ L x A t

eines einseitigen Teiles der Hlattnictalle (rt m a 10 mm) betlenten. Zixnachst murden fiinf lileine Kreiso init einein Durchnlesser

von etwa 0,2 n m in tlrr Langsrichtnng aaf den1 Blattrnrtall auf-

378 I. Sawai und N. Kishida

Tcmp. in “ C

800 (Ag) 800 (An, 800 (do )

4

I?,: Aus der Ahstnndsanderung hxechnet.

8,: -ZUS I? - barechnet. , I 1 - L-I I

In tkr TaMle grhoren die Kunimcrn 2-4 drr einsoitigen uml I wwie 5 (k in xiisiiiiiiiengefalt~teri Teil dcr Probe an. In den letxten Iit.idcn Spalirn iirid die cherseits BUS tlw Veranderung des Ah- standes und antlererscits die aus der 1koh:uAitung herechneteii Sclrruiiil~furigshoeffizieriteri iiiiteiiiaritlcr verglichen. Xns dirsen Zahlrn liann man scl-ien, dalS

1. f in die Sclrrurnpfnng des rineelnen Teils der I’robc ]wine licgelin6Biglirit fest mist ellen ist , nntl (la6

2. dicl Schrurnpfung a,n hcit1t.n Enden fast licirien Einflu8 auf dic (;t.sclitvindigkeit ausiibt.

Nach den1 T’ersuche erwirs sicli dir l’robe hetrrfrs ilires L~USSebt~JlS fast unveriintlrrt . Wur \Term sie stark zusanimeri- grsclirumpft w u , vrrlor sip ilirrn Glanz, und ztmr konntr inan rnit (lerii IIlilcrosliop, wie in Pig. 3 eii when ist, zahlreiche fcinr lhl ten beohachten. Einige l’roben. tlir als Vertreter aller Typen betrachtet werden Lon-

1712. 3 ric’n, niirden rontgenographisch unterbncht. Aus den Kesnl-

tatcan stcilltrii uir f r i t , daIj duuch die $ckn.uinpfurig Iirine 4ndrrung be trtJffi, tlrr Iiinenst r ubt iiren s t a t t gefnntltin hat t c>.

Die Schrumpfunpkraft der Blattmrhllc h i hoher Tempcratur 379

2 . Beziehung ztvi>cllcn de r 'Yetiiperatnr und d e n S c h r u nip f tin g s lio e f f i z i e n t e n

Ill11 die Ueziehung zwischen der Teinperatur utitl den Scliruinp- fnngsliorffizientPn unter versehiedenen Lasten zu bebtinimeri, wnrde die Probe init versehiedenen Lasten helaqtet und ihre Schrumpfungs- geschwindiglieit bei Bonstanter Teniperatur gemessen. Die Last wnrdr so gewalilt, daB die Ue- hstung, nach der Breite des Blatt- metalls gerechnet, jedesnial unl etcva 10 mg/nini zunahm.

Die Resultate tvzrden im fol- genden ;in ztvei Figuren erliutert'. In Fig. 4 tverden die Reziehun- gen zwischen den Schrmnpfungs- koeffizirntrn und der Last so-ivia der Teniperatur niit drei Kurven tviedergegeben. Aus diesen Kurven kann man sogleich ersehen, daI3 die Probe bei niedriger Temperatur innerhalb drr beiden iiuI3ersten Belastung~grenzen keine Langen- knderung der Probe eingpgangen ist (Kurve 1). Diese Grenzen aber naliern sich tiacli und nacli bei hoherrr Teinperntur, bis sie bei iiber 76W) ZIX etwa einem Punlit zu- sannm.nsclimrlzen (Kurve 2 und 3). I3eirn b&wnipfen der Blntt- nietalle wird die Geschwincliglieit der Mclinnnpfung stets groBer mit abnrhniender Last nnd riiit er- hohter Temperatur. E'erner ist die Sc~irumpfangsgesch\YindigBeit des dimnen Blntttnetalls vie1 griiDer als die dcs starlieren bei derselben Teniyeratur. Xber die zur Gleicli- grtvichtshaltung benbtigte Last ist, liann, fast diesrlbe. Das Oewicht

Fig. 4

Fig. 5. Hg bei 800° X 6.3 . 1O-'mm o 3,1 . lo-* mm

wic man aus Fig. 5 leicht clrsehen der Last, bei dem bei der Probe

380 I. Snivai und Irl. Sishida

\ 1 > tung I als auch in der Richtung Y. Sber v r n n

---- __ i wir den Endeffekt vernachliissigen, wirli~n beide h' ''''7'&n Koniponrntcn der Kraft senkrecht zueinantler, S O - -+I

\ daB (lie eine Iiom~-~onrrilc lieinen Einfliil3 auf die 6

-r

das Gleichgcwicht hergestrllt ist, ocler dessrn Greiizwert, wurde bpi verschictlener Temperatiir bestimrnt. Die Result ate sintl in l'abrlle 2 zusanimengefal3t.

Tabelle 2

-

Last in mg/mm A g 6,3.10-4 mm

30,o

i 5 , 4

118,O

123,2 136,6 )

___ ___ _ _ _ ~

144,s

133,2

-

- - - - - - andere ansiibt. Daraus rrqibt sicli, da5 es fur '

A g 3,l . lop4 niw

40.2 151,2 77,6

138,O 114,4 124.2 1 2 8 4 1 37 ,O ' )

~ _ _ _ ~ _ _ _

380 I. Snivai und Irl. Sishida

das Gleichgcwicht hergestrllt ist, ocler dessrn Greiizwert, wurde bpi verschictlener Temperatiir bestimrnt. Die Result ate sintl in l'abrlle 2 zusanimengefal3t.

- Tabelle 2

) Graphisch interpolirrt .

3. Y, e r e c h nu ng tl e r M clir u 111 p f ii rigs lir a f t

An.: dtm Zshlrn in Tabelle EL ktnn man die Schriiiuy)funXskraft, der H1:it t met allr leiclit bereclinrn. I)as Tlieoretisclie der lkrechriurig stellt sich dar tvip folgt :

Zimachst ~~.o l lcn wir einrn Tcsil (leu Blattrnrtalls (vgl. Fig. (il), desscn 1)icke 6 , dessen Jlrrit#cI 1' und dessrn Lange 1 ist,, brtrachtrn.

1 lie Ychrnmpfnn raft wirkt sowolil in d t ~ Iiicli- tung I als auch in der Richtung Y. Sber v r n n wir den Endeffekt vernachliissigen, wirli~n beide Koniponrntcn der Kraft senkrecht zueinantler, S O

daB (lie eine Iiom~-~onrrilc lieinen Einfliil3 auf die andere ansiibt. Daraus rrqibt sicli, da5 es fur die Herrchnung drr Kmft geniigt, wenn inan eine Richtimg betrachtet. \Trnn das Blattnietall

iiiit ilrr Last belastet wird, ist die BiiBrre Kraft V 7 / d r in beeiig auf die Flschenrin2ieit diesrllir. Die ~chrur~ipf~ri~~: ' l , r t l f t tlsgegcn wirkt in ilrr entgegengeietztcn Kiclitimg, iind owar brtrbgt ihr \Vert, 2a/d pro E'lffchcneinlieit , mobci cc die Schrurnpfungdiraft lietlent rt . Sei p die auf tlic I"1iicheneinlrieit bezogene inncre &aft,

en (leu I3clastung in, 13lattiiietall auftritt, so rrhklt marl die

Fig. 6

Die Schrumpfungskraft der Blattmctsllc bei hoher Temperatur 331

Metalls befindet. Bei noch griiBerer Relastung W' findet eine T'er- langerung der Probe statt. Tn diesem Yalle ergibt sich die Beziehung

( 2 ) wo p' die pro E'lacheneinheit, bezogene Kraft ist. Wahrend 11 oder p' innerhalb der FlieBgrenzen liegen, befindet sich die Probe im Gleichgewicht mit der Belastung, und zwar isb an den beiden Grenzen

TIT' 2u (Y r C Y

p' = ~ - ~~

m. -+ IT" p = p'. Also u = ---.

4r (3)

Die Werte IT und W' sowie r kann man leicht bestinimen nnd damit die Bchrumpfungskraft a berechnen.

Tabelle 3 ~ - ~-

Schrumpfungskraft in mg/mm ~ l a t t g o ~ d ' Blattsilber Temperatur

in OC 7 , 7 . 10k4 mm

61,6 1 64,O 68,3 68,s

F F Q Q S 3% 8

S Q 9 % . C Q

& E F F kb C

% P $ % c $ % $ $ : 3% %

<8 g ? :h 3 8 P

4 2 8 % %- p1

F 4 &

s th

% c

& P

B 600 BUG 7UOU I N 0 Temperatur in "r

Fig. 7 600 800 2?i?U 7200 7WQ Ginp in "C o Oberfl achenspannung

geschmolzenen Silbcrs Fig. s X Schrnmpfungskraft des Blstt- o Oberflachenspannung geschmolzeneii Golds

silbcrs ( 3 , l . 10-* mm) x Schrumpfungskraft des Blattgolds

Aus den Zahlen in Tabelle 2 haben wir die 'Cl'erte a berechnet. Die Hesultate Bind in Tabelle 3 viedergegeben. Es ist festgestellt, daB die Blattnietalle durch die OberflBchenspannun6 zusammen- schrumpfen, darum niuB die Schrumpfungskraft jedenfalls in inniger Beziehung our Oberflachenspannung stehen. In Figg. 7 und S

382 1. Sawai urid &I. Pu‘ishirh

11. Theoretischer Teil I’m tlic voii uni erhaltenrn Rcwiltatr theoretiscli mi er l i ld~~r l ,

XI rrden iir i folgentlen ciriige l k t rachtiingrn ixhcr d c r i Jlechanisnin\ gegeben, riacli tleiii die Schriinipfnnp der Ulattnirtalle Fie11 Tolleiclit.

h i 1irist;dl lialteri die Xtonir riniilltl~r tlas (1leiclige\\iclit, so da13 sir imi cirien bestininitrn T\littt>lpuiil1t iiii (iitter sc1rningt.n. An tler Obrrfl8che des Kristalli, tvo die C:rwizscliiclit xtwiei. Phaseri ((hspliase uncl festr Plinsv) ist , niiibscri iich tlagrgrn die Atoine, t w g t ~ i der einsritigen -~~~~irh ixngi l i ra f t ~ 0 1 1 1 Inr icwri her, ettvas antlers als im Inncrri verliulten. 1 )arans hariri ninn sofoi t scliliefkn, ilaB an drr 0k)erfliiche drs Kristdls das Gitter in eineni r t m i ge- sp:tnntt>n Ziisiantl srin muB. 13ei riicdnger ‘J’rnipcratnr ist, jedoch die ,\nt\ri.ung der GroUr tics (:itters $0 grring, tlaW die Spannurig inrirrlialb drs Abstancles einiger Ato i i r v chnindet. Es ist sclion festgehtrllt, delS der Kcistall iiii allgenieinen ( I P ~ :LuBeYrn Kruft tlixrch die nixr lileinr htlcrixng der (iittergridk nidcrstelien l imn. Je hohrr clip Teniperatnr wirtl, tleyto grol3t.r Vvircl die ~ n t l e n m g tler (iittergroBe dixrch die Hpannung, his t l ie~e endlich Yicli sogar itnf

das lniirrr tlrs Kristalls rrstrrclit. Erst in dic srin Zustantl cwchciiit dip innerci Brttft , (lie die 1:lattnictalle scliruniyferi la&, iind zwar riiinrrit sie lint anstcigrridrr 7 riiipcwitur (la (1 zu, 01) niin die Spanniing unigehelirt an clrr Oberfliiche init endrr Trailmat iir a,bniniint odrr minimnit. Sacli tlieser 1;l)rrlogiing lisriri nlitn leicl it cinsehrn, dal3 die Scliruinpfunqsltraft mil ansteigenclrr Trniprr:tt iir stiintlig grolkr wirtl.

A us un’;crcri T’rrsitchen war ersiclitlj cli, dalS die Bc1iriinil)fungs-

Die Schrumpfungskraft der Blattmetalle bei hoher Terriperntur 383

Blattiiietalls die Neigung so gering, daB sie betreffs des Einflusses der I h l i e fast die- $

?’

Zusammenfassung

1 . Die Rchrumyf ungsgesch~~7indiglieit cles init verschiedener Las: t, brlasteten I3lattgolcls und Blattsilbers Tvurcle bei verschiedenen Teniperaturen grrnessen.

2 . Hei niedriger Temperatur befindet sich das Blaitmetall selbst bei der verschiedencten Belastung im Glcichgesi icht,

3. Die Schrurnpfungqkraft ~ ~ - u r c l e bestiinirit , id z war miirde fcstgrstellt , daB sie riiit der Teniperatur standig ziiriirnnit.

4. llurch einige throretische Betrachtungrn iikm den Mwhanis- iim der Schruunpfungsliraft wurcle dargetan, n odurcli deren Auf- treten xu erLlarrn ist.

Es i s t iins cine angenehriie Pflicht, Hewn Prof. Dr. 31. CHIKA- SI-IJGC fiir seine lebhaflen Anregungen zu ohigen Untersuchungen unseren herzlichsten Dank ~usxusprechcn

l) Uber diesen Punkt wird in einer nachsten Mitteilung noch eingehend

Kyoto ( J a p n n ) .

berichtet .

Bei der Redsktion eingegniigen am 17. Marz 1930.

Die Schrumpfungskraft der Blettmetalle bei hoher Terriperntur 383

liraft dcr beiden Arten des Blattsilbers fait diesrlbe ist, und xwar, dafi das tiunnere Blattnietall cirirn etmw grofi('re,J JTert gibt. K i r konncm annehinen, daO die btarlie h-cigung der Spannurigsverteilung in ganz lilcinem hbstand von tier Oberflache ljegrenzt, ist,. und %war ist, im Inneren des Blattnietalls die Neigung so gering, daB sie betreffs des Einflusses der I h l i e fast die- selben Kesultste gibt. Die geririge Ter- schiedenlicit der Schramnpfungskraft jec1ocl.i tvird bei hoher Temperatur bri derselben Belastung den Geschwin~igk~itsunterscliied 1. D~~ Blattrn&el1 (vgl. Fig. 5) hervorrufen.') A \ ~ i S dieser Be- schrumpft noch nicht trachtnng heraus wird in Pig. 9 die Span- 2. Es beginnt m

Fig. 9

nurigsverteilung Lei versehiedenen Tern- schrumpfen

pereturen, wie sie vw mnutlich anzunehnien ist, dargestellt. Kach obigen Resultaten kann

3. Schrumpfungskraft 21at zugcnommen

man wohl annehmen, daB es fiir ein Blattmetall von bestimriter Dicke einen bestimrnten Temperblurgrad giht, nnttr tlein lceine Schrunipfung stattfindet.

Zusammenfassung

1 . Die Rcl.irurnyf ungsgesch~~7indiglieit cles iiiit verschiedener Las: t' brlasteten I3lattgolcls und Blattsilbers Tvurcle bei versehiedenen Teniperaturen grrnessen.

2 . Hei niedriger Temperatur befindet sich das Blaitmetall selbst bei der verschiedencten Belastung im Glcidigesi iclit,

3. Die Schrumnpfungqkraft ~~-urde bestiinirit , id z war murde fcstgrstellt , daB sie riiit der Teniperatur standig zunirnnit.

4. 1)urch einige throretische Betrachtungrn iikm den M~chanis- nim der Schruunpfungsltraft wurcle dargetan, n odurcli deren Auf- treten xu erLlarrn ist.

Es ist uns cine angenehriie Pflicht, Hewn Prof. Dr. 31. CHIKA- SI-IJGC fiir seine lebliaflen hnregungen zu oliigen Untersuchungen unseren herzlichsten Dank ~usxusprechcn

1) Uber diesen Punkt wird in einer nachsten Mitteilung noch eingehend

Icyoto ( J a p n n ) .

berichtet .

Bei der Redsktion eingegaiigen am 17. Marz 1930.