Dauerversuche [1]

Dauerversuche bezwecken, das Verhalten der Materialien gegenüber mehr oder weniger lange anhaltender oder mehr oder weniger oft wiederholter Inanspruchnahme durch äußere mechanische oder chemische Einflüsse zu ermitteln. Im nachstehenden tollen indes nur die Dauerversuche mit Baustoffen durch mechanische Inanspruchnahme und die Veränderungen, welche die Festigkeitseigenschaften hierbei erleiden, besprochen sein.

A. Veränderungen der Festigkeitseigenschaften des Materials durch Beanspruchungen geringer Zahl.

Aus älteren Untersuchungen ist bekannt, daß die Elastizitätsgrenze des Eisens durch Dehnen erhöht wird, und wie Bauschinger berichtet [1], wurde diese Tatsache schon im Jahre 1854 von L. Werder praktisch ausgenutzt, indem er beim Bau des Münchner Glaspalastes die Zugstangen zum Dachstuhle vor dem Einbauen kalt streckte. Später wurde das Verfahren des Kaltstreckens von Uchatius angewendet, der bei Herstellung bronzener Geschützrohre deren Fertigkeit durch Aufdornen erhöhte [2]. Eingehende Untersuchungen über den Einfluß des Dehnens in kaltem Zustande liegen vor von Bauschinger [3]. Ihre Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Die Proportionalitätsgrenze wird durch Dehnen mit Belastungen, die über der Proportionalitätsgrenze, aber noch unter der Streckgrenze liegen, sofort erhöht, und zwar um so mehr, je höher die vorausgegangene Belastung war. Ueberschreitet letztere die Streckgrenze, so wird die Proportionalitätsgrenze bei Eisen und Stahl herabgeworfen, oft bis auf Null. Bei sofortiger Wiederholung des Versuches ist dann bei Eisen und Stahl entweder gar keine Proportionalitätsgrenze vorhanden oder sie liegt bedeutend niedriger als ursprünglich. Bleibt der Stab aber nach dem Dehnen längere Zeit entlastet, so hebt sich die Proportionalitätsgrenze wieder, und zwar schließlich bis über die vorausgegangene Belastung hinaus. Diese Erhebung scheint bei [669] Eisen und Stahl nur sehr langsam vor sich zu gehen, wenn die erstmalige Belastung nahe der Bruchgrenze lag. – Bei Kupfer liegt die Elastizitätsgrenze schon unmittelbar nach dem ersten Strecken und Entlasten höher als ursprünglich und rückt durch wiederholtes Strecken noch höher hinaus. Bei längerem Entlasten nach dem Strecken geht die Elastizitätsgrenze bis über die vorherige Streckgrenze hinaus. – Bei Rotguß hebt Strecken ebenfalls die Elastizitätsgrenze sofort. Sie geht dann aber weder durch wiederholtes Strecken noch bei längerem Entlasten höher.

2. Die Streckgrenze wird sofort bis zu der Belastung hinaufgehoben, mit der gestreckt wurde. Mit der Zeit der Ruhe zwischen der ersten und zweiten Belastung erhebt sich die Streckgrenze bei Eisen und Stahl über die vorausgegangene Belastung hinaus; die Erhebung schreitet mit der Zeit fort und dauert vielleicht jahrelang an. – Bei Kupfer geht die Streckgrenze auch mit der Zeit der Ruhe wenig oder gar nicht über die Streckbelastung hinaus, und bei Rotguß bleibt sie sogar hinter dieser zurück.

3. Der Elastizitätsmodul wird durch Strecken erniedrigt. Mit der Zeit hebt er sich ebenfalls wieder, wahrscheinlich aber langsamer als die Proportionalitätsgrenze.

4. Durch heftiges Erschüttern ohne Formänderung wird die durch Dehnen heruntergeworfene Proportionalitätsgrenze bis auf den ursprünglichen Wert wieder gehoben; die gehobene Streckgrenze wird erniedrigt, sie bleibt aber noch weit über der Höhe, die sie ursprünglich hatte.

5. Erwärmen und langsames Abkühlen erniedrigt die Proportionalitätsgrenze und in geringerem Grade auch die Streckgrenze.

6. Die Proportionalitätsgrenze für Druck wird durch Dehnen, und diejenige für Zug durch vorangegangene Druckbelastung sofort heruntergeworfen, und zwar um so mehr, je weiter die Proportionalitätsgrenze bei der erstmaligen Belastung im entgegengesetzten Sinne überschritten wurde. Die Zeit der Ruhe zwischen beiden Belastungen bleibt hierbei ohne wesentlichen Einfluß.

Nach Versuchen von Ewing [4] ist es für die Rückkehr der durch Dehnen heruntergeworfenen Proportionalitätsgrenze gleichgültig, ob der Stab während der Ruhezeit entlastet ist oder belastet bleibt, ebenso wird die Rückkehr durch Erschüttern und Magnetisieren nicht beeinflußt, wohl aber durch schwaches Erwärmen beschleunigt. Wie Ledebur mitteilt, wird auch die durch Kaltbearbeitung bereits gehobene Proportionalitätsgrenze bei Stahl noch weiter gehoben, wenn das Material auf 150–350° erhitzt wird [5]. – Charpy [6] fand für dasselbe Material bei Zugversuchen mit ausgeglühten Stäben ausgeprägtes Strecken, während kalt bearbeitete Stäbe kein Strecken zeigten. Zug- und Druckproben, aus Stäben entnommen, die bis über die Streckgrenze hinaus belastet worden waren, zeigten bei Prüfung im ungeglühten Zustande ebenfalls kein Strecken, wohl aber nach dem Ausglühen. – Unwin [7] belastete Stäbe aus weichem Stahl (Mild steel) und Schmiedeeisen wiederholt (fünf- bis achtmal) bis über die Streckgrenze, nachdem die Stäbe vor jeder neuen Belastung immer wieder bei dunkler Rotglut ausgeglüht waren. Die Spannung an der Streckgrenze, bezogen auf den durch das Dehnen geschwächten Querschnitt, wurde stets annähernd gleichgroß gefunden, und der Verlauf der Schaulinie für die Beziehungen zwischen Spannung und Dehnung bis zum Bruch war bei der letzten Reihe der gleiche wie für das Material im ursprünglichen Zustande. Wurden die Stäbe vor der wiederholten Belastung nicht ausgeglüht, so konnte die ursprünglich scharf ausgeprägte Streckgrenze bei der wiederholten Belastung nicht mehr wahrgenommen werden; die Schaulinie verlief ähnlich wie bei dem aus Rotglut in Wasser abgeschreckten Material. Hiernach wurde also die durch das Kaltstrecken verursachte Materialveränderung durch das Ausglühen jedesmal wieder beseitigt. – Bach [8] stellte bei seinen Untersuchungen über die Formänderungen flacher, durch Anker oder Stehbolzen unterstützter Kesselwandungen vergleichende Versuche an mit dem Ankermaterial im Anlieferungszustande und nachdem es in dem belasteten Kessel gedehnt war. Er fand hierbei:

Durch das Strecken hatte also die Zugfestigkeit um 10% zugenommen, die Dehnung um 38% abgenommen. Von demselben Verfasser liegen auch einige Versuche über den Einfluß des kalten Biegens und Richtens vor. Die Proben wurden Kesselböden entnommen, die bei Beanspruchung des Kessels durch inneren Druck ausgebeult und vor der Bearbeitung kalt geradegerichtet waren. Ihre Ergebnisse sind mit denen für das gleiche Material im Anlieferungszustande, also ungebogen, in Vergleich gestellt. Die Versuche ergeben:

Hiernach waren durch das kalte Biegen und Richten die Streckgrenze und Zugfestigkeit gehoben und die Dehnung vermindert. – Martens [9] ließ fünf Rundstäbe von 20 mm Durchmesser aus der gleichen Stange Flußeisen zunächst bis zur Höchstspannung (Beginn des Einschnürens) und hierauf nach verschieden langer Ruhepause wieder bis zum eintretenden Strecken belasten. Aus dem Verlauf der aneinander gereihten Schaulinien, die von der Maschine selbsttätig aufgezeichnet waren, folgert Martens in Bestätigung der vorstehend unter 2. genannten [670] Beobachtungen von Bauschinger, daß die Streckgrenze bei sofortiger Wiederholung des Versuches und nach einem Tage Ruhepause fast auf die Größe der vorausgegangenen Anspannung gehoben wurde und die Schaulinien aus den Wiederholungsversuchen ganz gut an den allgemeinen Verlauf der ersten Schaulinie, wie sie ohne Entlastung gewonnen worden wäre, sich anschlossen. Nach einer Woche und noch mehr nach längeren Ruhepausen lag die Streckgrenze höher als die vorausgegangene Anspannung. Die Schaulinien fielen aber nach Erreichung der neuen Streckgrenze sofort ab. – Rudeloff führte vier Versuchsreihen über den Einfluß des Streckens sowie des Biegens und Richtens an Proben aus einem Flußeisenblech mit 40 kg/qmm Zugfestigkeit aus [10]. In Reihe I wurden je fünf Stäbe durch Zugbelastung um etwa 0,2–2–5–10–14 und 18% und bis zum Beginn des Einschnürens vorgestreckt, und dann immer je einer der fünf annähernd gleich viel vorgestreckten Stäbe sofort und nach 1, 7, 21 und 63 Tagen Ruhe zum zweitenmal belastet. In Reihe II wurden Stäbe bis zu etwa 6% vorgestreckt, und dann wurden aus ihnen kleinere Zerreißproben kalt herausgeschnitten, derart, daß das Material bei der zweiten Belastung in der gleichen Richtung beansprucht war wie bei der ersten. In Reihe III wurden breite, stufenförmig abgesetzte Stäbe zuerst so hoch beansprucht, daß der schmalste Stahlen einzuschnüren begann, und dann wurden aus jeder Stufe drei neue kleinere Stäbe kalt derart herausgeschnitten, daß ihre Längsachse senkrecht zu der des stufenförmigen Stabes lag, so daß das Material also bei Prüfung der kleinen Stäbe senkrecht zur erstmaligen Streckung beansprucht war. In Reihe IV wurden Stäbe kalt nach verschiedenen Halbmessern gebogen und dann wieder kalt gerichtet. Hierbei wurde ein Teil der Stäbe vor, der andre nach dem Richten ausgeglüht, während der Rest ohne vorausgegangenes Glühen geprüft wurde. – Eine V. Reihe erstreckte sich auf die Untersuchung über den Einfluß des Streckens bei verschiedenen Wärmegraden (bis zu 400° C.) auf die nachherige Zugfestigkeit. Untersucht wurden Schweißeisen, Siemens-Martin-Eisen, Deltametall, Manganbronze und Kupfer.

Aus Reihe I ergab sich, wenn die Belastungswerte bei der zweiten Belastung auf die Abmessungen der gestreckten Stäbe bezogen werden, folgendes:

1. Die Proportionalitätsgrenze fand sich bei sofortiger nochmaliger Prüfung an den um mehr als 20% vorgestreckten Stäben erhöht, im übrigen war sie heruntergedrückt, und zwar durch Vorstrecken um 4, 5 und 9% auf Null. Bei längerem Entlasten hob sich die Proportionalitätsgrenze wieder, und zwar um so höher, je mehr der Stab vorgestreckt war. Schon nach einem Tage lag sie höher als die ursprüngliche Proportionalitätsgrenze, blieb aber noch hinter der Höchstspannung, mit der gestreckt wurde, zurück. Nach 7 Tagen scheint sie die erreichbaren Höchstwerte angenommen zu haben, die nun höher lagen als die Spannung beim Vorstrecken.

2. Die Dehnungszahl α (Dehnung der Längeneinheit für die Spannungseinheit innerhalb der Proportionalitätsgrenze) wurde durch das Vorstrecken, gleichviel wie groß es war oder wie lange die Stäbe bis zur nochmaligen Prüfung entlastet waren, nur unwesentlich verändert.

3. Die Streckgrenze wurde (von drei Fällen abgesehen) sofort gehoben, und zwar um so mehr, je größer die Vorstreckung gewesen war und je länger die Entlastung bis zur zweiten Prüfung gedauert hatte. Die Erhebung erfolgte mit wachsender Vorstreckung bis 5% sehr schnell, war dann der letzteren annähernd proportional, und schließlich lag die Streckgrenze um etwa 42% höher als die Höchstspannung beim Vorstrecken. Das ausgeprägte Fließen im ursprünglichen Zustande (Knick in der Schaulinie) wurde schon durch Vorstrecken um 0,2–0,5% zurückgedrängt; nach Vorstrecken um 2% war der Knick in der Schaulinie ganz verschwunden, stellte sich aber nach stärkerem Vorstrecken wieder ein.

4. Die Bruchfestigkeit wurde durch das Vorstrecken ebenfalls gehoben, erreichte ihren Höchstwert bei Vorstreckung um etwa 14% und blieb dann bei stärkerem Vorstrecken konstant. Am größten waren die Erhebungen nach 21tägiger Ruhepause zwischen der erstmaligen und zweiten Belastung.

5. Die Bruchdehnung der Stäbe, bezogen auf die ursprüngliche Länge (Gesamtdehnung), nahm mit wachsender Vorstreckung zunächst ab und dann wieder zu. Der Einfluß der Ruhedauer scheint hierbei insofern von Einfluß zu sein, als die geringsten Dehnungen bei um so größerer Vorstreckung sich ergaben, je kürzer die Ruhedauer gewesen war. – Reihe II und III ergaben:

6. Bei Entnahme neuer Proben aus den vorgestreckten Stäben wurde der Einfluß der Vorstreckung auf die Spannungsgrenzen geringer und auf die Bruchdehnung größer befunden als bei unmittelbarer nochmaliger Prüfung der vorgestreckten Stäbe selbst.

7. Die Veränderungen der Materialeigenschaften waren größer, wenn die erstmalige Streckung in der gleichen Richtung stattgefunden hatte wie die wiederholte Beanspruchung, als wenn letztere senkrecht zur Vorstreckung gerichtet war. – Aus Reihe IV folgt:

8. Durch Kaltrichten der gebogenen und dann ausgeglühten Stäbe wurden die Proportionalitätsgrenze und Streckgrenze heruntergedrückt, und zwar erstere auf Null;, die Bruchfestigkeit wurde gehoben und die Bruchdehnung vermindert.

9. Durch Kaltbiegen und Kaltrichten wurde die Proportionalität zwischen Spannung und Dehnung gestört, Streckgrenze und Bruchgrenze wurden gehoben, die Bruchdehnung wurde vermindert. Die Veränderungen waren um so größer, je kleiner die Biegungshalbmesser gewesen waren.

10. Durch Ausglühen wurde die Proportionalität zwischen Spannung und Dehnung wiederhergestellt, im übrigen aber der Einfluß des Kaltbiegens und hierauf folgenden Kaltrichtens nicht vollkommen wieder beseitigt.

11. Streckung bei höheren Temperaturen (bis 400° C), Reihe V, erhöhte im allgemeinen die Festigkeit und verminderte die Dehnbarkeit des Materials. Der Einfluß war am größten für Schweißeisen, Martinstahl und Manganbronze bei 200–250° C., für Deltametall bei 100°; beim Kupfer, das anscheinend vorher kalt bearbeitet war, wurden die höchsten Werte für die[671] Spannungsgrenze und die geringsten für die Dehnung nach dem Strecken bei Zimmerwärme gefunden. Das Strecken bei 100° C. hatte nur die Proportionalitätsgrenze noch erhöht, Strecken bei höheren Wärmegraden hatte die Proportionalitätsgrenze auf Null und auch die Streck- und Bruchgrenze heruntergedrückt.

B. Verhalten des Materials bei Dauerbeanspruchung.

a) Die Wöhlerschen Versuche. Die ersten Dauerversuche mit besonders hergerichteten Probestäben unter wiederholtem Spannungswechsel bis zum Bruch der Proben wurden von Wöhler angestellt. Sie bildeten die Fortsetzung seiner auf der Kgl. niederschlesisch-märkischen Eisenbahn ausgeführten »Versuche über Biegung und Verdrehung von Eisenbahnwagenachsen während der Fahrt«, bei denen die genannten Formänderungen mit Hilfe besonderer Meßwerkzeuge beobachtet wurden, die zwischen der Achse und je einer Speiche der beiden zugehörigen Räder eingeschaltet waren [11]. – Diese Versuche hatten ergeben, daß die größte Kraft, die auf Biegung der Achse wirkte, 62–68% des Bruttowagengewichtes betrug und daß als Bedingung der Sicherheit an die Achsen die Forderung gestellt werden mußte, daß solche Belastungen, mit denen das Material abwechselnd auf Zug und Druck in Anspruch genommen wird, nicht die Gefahr eines Bruchs herbeiführen. Um nun die Grundlagen für die Berechnung der erforderlichen Achsenstärken aus den beobachteten Kräften zu gewinnen, stellte Wöhler zunächst (1860) Dauerbiegeversuche an, bei denen die Proben – ganze Eisenbahnwagenachsen und dünnere Rundstäbe – paarweise mit dem einen Ende bei f und f₁ in eine in zwei Lagern b ruhende gußeiserne Welle a fest eingelassen und am andern Ende bei e mit Hilfe eines Dynamometers g belastet wurden (s. Fig. 1). Die Welle wurde dann durch einen Schnurantrieb c in Umdrehung versetzt, so daß die Proben übereinstimmend mit der Betriebsinanspruchnahme einer Eisenbahnwagenachse einem wiederholten Biegen bei stetig wechselnder Biegungsebene unterworfen wurden. Bei einzelnen dieser Versuche wurden die Proben nebenbei dadurch wiederholt erschüttert, daß ein 2 kg schwerer Hammer bei jeder Umdrehung der Welle durch einen mit ihr verbundenen Daumen angehoben wurde und, von dem Daumen abgleitend, auf den Wellenkopf aufschlug. Von den gemachten Beobachtungen möge angeführt sein, daß 1. glatte Stäbe eine größere Dauerhaftigkeit zeigten als solche, die an der Austrittsstelle aus der Welle scharf abgesetzt waren, und 2. die Erschütterungen den Eintritt des Bruches beschleunigten. Den schädlichen Einfluß des scharfen Absatzes erklärt Wöhler damit, daß die mit den Zug- und Druckspannungen verbundenen Querschnittsänderungen an der Biegestelle durch den benachbarten größeren Querschnitt beeinträchtigt werden, wobei Schubspannungen entstehen, die den Bruch beschleunigen. Anschließend an diese Versuche führte Wöhler zur Kennzeichnung der Eigenschaften der Probematerialien Biegeversuche mit ruhender Belastung aus, bei denen die Proben mittels einer in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung an beiden Enden unterstützt und in zwei symmetrisch zwischen den Stützpunkten gelegenen Querschnitten gleichmäßig belastet wurden. Diese Anordnung war gewählt, um zwischen den Angriffspunkten der Belastung für alle Querschnitte gleiche Kraftmomente zu erzielen und somit für prismatische Stäbe bei kreisförmiger Verbiegung die Elastizitätsgrenze innerhalb dieser ganzen Länge gleichzeitig zu erreichen, wodurch die bleibende Durchbiegung weit früher meßbar werden mußte als bei Stäben, die nur in einem Querschnitt belastet sind. Die Stützpunkte des Stabes und die Angriffspunkte der Last wurden durch Schneiden gebildet, die von den Schwingen a, a₁ und b, b₁ (Fig. 2) getragen wurden. An den letzteren hing der Querbaum d mit der Belastungsschale c. Um den Stab zu entlasten, konnte der Querbaum mit Hilfe von zwei durch Schraubengetriebe betätigten Hebelwerken angehoben werden. Hierbei traten die oben an den Schwingen b und b₁ befindlichen Stifte in die Halter n und n₁ ein und hinderten die Schwingen am Umschlagen. Die Durchbiegungen der Probe wurden mit Hilfe eines Fühlhebels mit zehnfacher Uebersetzung gemessen, der an der Probe aufgehängt wurde und dessen Nonius so geteilt war, daß 0,001 Zoll (0,025 mm) abgelesen und 0,0002 Zoll (0,005 mm) geschätzt werden konnten. Diese Versuche führten unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus den mit demselben Material angestellten Dauerbiegeversuchen zu dem Schluß, daß die bleibende Durchbiegung einen Maßstab für die Widerstandsfähigkeit des Körpers liefert, derart, daß von zwei Körpern derjenige der widerstandsfähigere ist, der bei gleicher Spannung die geringste bleibende Durchbiegung erleidet. Ferner zeigte lieh, daß bei[672] längerer konstanter Belastung die elastische Biegung einen konstanten Wert behielt, während die bleibende Durchbiegung ständig zunahm. Wöhler folgerte hieraus, daß die bleibenden und die elastischen Formänderungen nicht Folgen derselben Eigenschaft des Körpers sein können, und führt die letzteren auf Formänderungen der als vollkommen elastisch anzunehmenden Moleküle des Körpers, die bleibenden Formänderungen aber auf Verschiebung dieser Moleküle zurück. In Uebereinstimmung mit dieser Erklärung steht die Beobachtung, daß die elastische Formänderung der Belastung stets proportional bleibt, gleichviel, ob eine bleibende Formänderung stattgefunden hat oder nicht [12]. – Die dritte, im Jahre 1863 abgeschlossene Versuchsreihe [13] bestätigte den bereits bei der ersten Reihe erkannten Einfluß der Stabform und der Erschütterungen auf die Dauerhaftigkeit des Materials. Ferner ergab sich die Zahl der Umdrehungen (Beanspruchungen) bis zum Bruch um so größer, je geringer die Spannung und je länger die Dauer der einzelnen Umdrehungen war. – Auch die vierte Wöhlersche Versuchsreihe [14] betraf den Einfluß der Stabform. Nach ihren Ergebnissen besitzen scharfe Absätze eine um etwa ein Viertel geringere Widerstandsfähigkeit als durch Hohlkehle vermittelte Uebergänge. Die Spannungen für gleiche Betriebsdauer verhalten sich etwa wie 3 : 4. Unterbrechungen des scharfen Ansatzes gaben sich im Bruchaussehen zu erkennen, indem der Anbruch sich nicht über den ebenen Teil erstreckte. Die Stäbe brachen vielmehr dem ebenen Teil gegenüber zuletzt, was an dem frischen Bruch deutlich zu erkennen war. Neu hinzu traten bei der vierten Reihe die Dauerversuche mit wiederholter Biegung nach einer Richtung unter Belastung der an den Enden frei aufliegenden Stäbe in der Mitte. Die Belastungen wechselten hierbei zwischen 0 und einem größten Wert oder zwischen zwei Belastungen von bestimmten endlichen Größen. Der zu diesen Versuchen benutzte Belastungsapparat ist in Fig. 3 dargestellt. Die Probe A ruht wagerecht mit den beiden Enden auf den Trageschneiden der Schwingen a und b, von denen erstere bei o an dem festen Maschinengestell aufgehängt ist, während die Schwinge b bei c an dem kürzeren Ende eines Hebels angreift. Dieser ist bei e mittels einer Schneide gestützt und bei f durch ein Federdynamometer belastet, das dazu dient, den bei b herrschenden größten Auflagedruck (gleich der halben Belastung der Probe) zu messen. Die Belastung der Probe A erfolgt durch die Zugstange q, an die bei n ein Daumen der Welle g angreift, die durch den Hebel hk und die Exzenterstange p in schwingende Bewegung versetzt wird. Zum Versuch wird die Dynamometerfeder unter Berücksichtigung ihrer zuvor ermittelten Dehnungszahl (Dehnung für die Belastungseinheit) so weit angespannt, daß die Summe der an dem langen Arm des Hebels cd wirkenden Kraftmomente gleich dem Moment aus dem für die gewünschte Belastung des Stabes berechneten Auflagedruck und dem kürzeren Hebelarm ist. Alsdann wird die Zugstange q durch eine Mutter mit Rechts- und Linksgewinde so weit verkürzt, daß sich die Schraube d am längeren Hebelarm beim Betriebe der Maschine von ihrem Stützpunkte soeben abhebt. Der Schlitz am unteren Ende der Stange q dient dazu, daß der Daumen der Welle g keinen Druck nach oben auf die Probe ausüben kann. Soll die Entladung des Stabes nach den einzelnen Anstrengungen keine vollständige sein, sondern stets eine gewisse Spannung in dem Stabe verbleiben, so wird das Federdynamometer, wie oben erörtert, zunächst dieser kleineren Spannung entsprechend angespannt. Hierzu wird mit der Schraube m₁, ein solcher Druck auf die Probe ausgeübt, daß der Hebel bei d sich von der Unterlage abhebt, und nun erst wird die Feder der gewünschten größten Belastung entsprechend angespannt. Die Versuche mit Belastungswechsel zwischen 0 und einer höchsten Spannung ergaben, daß 1. die Bruchgrenze,[673] d.h. die Spannung, die auch bei wiederholter Inanspruchnahme keinen Bruch herbeiführt, bei demselben Material und Biegung nach einer Richtung nahezu doppelt so hoch lag als bei den Biegungen nach allen Seiten, d.h. beim Wechsel zwischen Zug- und Druckbelastungen; 2. die bleibenden Formänderungen bei Versuchen mit Spannungen über die Elastizitätsgrenze hinaus in den ersten Stunden des Versuches sich vollzogen und dann konstant blieben, so daß die Stäbe bis zum erfolgten Bruch oder Einbruch keine Einbuße an Spannkraft erlitten, die Annäherung des Bruches sich also durch eine Verminderung der Fertigkeit nicht bemerkbar machte. Die Versuche mit Spannungswechsel zwischen zwei verschiedenen Grenzen führten ferner zur Aufstellung des folgenden sogenannten Wöhlerschen Gesetzes: »Der Bruch des Materials läßt sich nicht nur durch eine die absolute Fertigkeit überschreitende ruhende Belastung, sondern auch durch Vielfach wiederholte Schwingungen, von denen keine die absolute Bruchgrenze erreicht, herbeiführen. Die Differenzen der Spannungen, welche die Schwingungen eingrenzen, sind dabei für die Zerstörung des Zusammenhanges maßgebend. Die absolute Größe der Grenzspannungen ist nur insoweit von Einfluß, als mit wechselnder Spannung die Differenzen, die den Bruch herbeiführen, sich verringern.« – In einer fünften Versuchsreihe, die im Jahre 1870 zum Abschluß gelangte [15], legte Wöhler die allgemeine Gültigkeit seines Gesetzes, das bis dahin nur aus Biegeversuchen abgeleitet war, auch für Inanspruchnahmen auf Zug- und Torsionsfestigkeit dar und wies zugleich nach, daß die verschiedenen Arten der Fertigkeit in bestimmten Beziehungen zueinander stehen. Die hierbei für Zugversuche und Torsionsversuche benutzten Maschinen sind in Fig. 4–7 dargestellt. Bei der Maschine für wiederholte Zugbelastung (Fig. 4) ist der Probestab A am unteren Ende durch die mit der Schraube b versehene Einspannklaue am Maschinengestell festgelegt, während die Einspannklaue des oberen Stabendes in Schneiden an dem kürzeren Arm des Hebels h aufgehängt ist. Die Anspannung des Stabes erfolgt durch eine mittels Exzenterantrieb betätigte Daumenwelle, indem die Schwingung des Daumens durch die Zugstange d und die Feder g zunächst auf das wagerechte Zwischenstück em und durch dessen Arm e auf den längeren Arm des Hebels h übertragen wird. Der Arm m des Zwischenstückes ruht auf einem zweiten Hebel, dessen längerer Arm durch das Federdynamometer f so belastet ist, daß er sich eben anhebt, sobald die gewünschte Belastung in dem Probestabe erreicht ist und sofern die Längen der Schraube b und der Zugstange d vor dem Versuch auf das erforderliche Maß eingestellt sind. Die Spannvorrichtung k dient dazu, dem Probestabe eine bestimmte Anfangsbelastung geben zu können. – Bei der Maschine zum wiederholten Verwinden (Fig. 5–7) ist der Probestab an beiden Enden in dem Bock b gelagert und außerhalb der Lager mit je einem Hebel fest verbunden. Von letzteren wird h₀ durch den mittels Exzenterstange betätigten Zwischenhebel c, mit dem er durch die Stange 5 verbunden ist, in schwingende Bewegung gesetzt, welcher der gleicharmige Hebel h h₁ am andern Stabende folgt, bis sich die an seinen Enden angebrachten Stellschrauben auf die kurzen Arme der bei d und d₁ in Schneiden gelagerten Hebel g und g₁ aufsetzen. Diese Hebel sind durch die Federdynamometer f so belastet, daß sie erst nachgeben, sobald durch den Unterschied in der Winkelbewegung der beiden Hebel h₀ und hh₁ die gewünschte Torsionsspannung in dem Probestabe erreicht ist. Zur richtigen Einstellung des Hubes ist die Zugstange S, die durch die Lenkerstange l geführt wird, mit Stellmuttern versehen. Die Wöhlerschen Versuche sind später mit denselben Maschinen durch Spangenberg an der ehemaligen Gewerbeakademie in Berlin fortgesetzt [16].

[674] b) Die Bauschingerschen Dauerversuche. Im Jahre 1881 begann auch Bauschinger in München die Ausführung von Dauerversuchen unter Zugbelastung mit Maschinen, die den Wöhlerschen nachgebildet waren. Aus den Ergebnissen seiner Versuche zieht Bauschinger folgende Schlüsse [17] und [18]:

1. »Wenn bei wiederholten Anstrengungen auf Zug, deren untere Grenze Null ist, die obere Grenze in der Nähe der ursprünglichen Elastizitätsgrenze liegt, so wird auch durch 5–16000000malige Wiederholung dieser Anstrengungen der Bruch nicht erreicht.« Als Einschränkung der allgemeinen Gültigkeit dieses Schlusses ist hierbei zu beachten, daß das Material vollkommen fehlerfrei sein muß. Geringe Fehlstellen auf der Oberfläche und auch im Innern des Stabes machen sich besonders bei dem homogenen Flußeisen in einem frühzeitigen Bruch geltend. Schweißeisen scheint dagegen für kleine Oberflächenfehler fast unempfindlich zu sein. Ferner ist zu berücksichtigen, ob die gefundene Elastizitätsgrenze des Materials nicht schon vorher durch mechanische Bearbeitung künstlich allzu hoch gehoben war.

2. »Durch oftmals wiederholte Anstrengungen zwischen Null und einer oberen Spannung, die in der Nähe oder auch mehr oder weniger über der ursprünglichen Elastizitätsgrenze gelegen ist, wird diese gehoben, und zwar bis über, manchmal weit über die obere Grenze der Anstrengungen hinaus und um so höher, je größer die Anzahl der Anstrengungen ist, ohne jedoch eine gewisse Höhe überschreiten zu können.« In dieser Beobachtung liegt zugleich die Erklärung für die durch Wöhler nachgewiesene Tatsache, daß Schwingungen, deren obere Grenze über der Elastizitätsgrenze des Materials liegt, dessen Bruch nicht notwendig herbeiführen müssen, sondern in unbeschränkter Zahl ausgehalten werden können, sofern nur die Spannungsdifferenzen, entsprechend der höchsten Spannung, klein genug sind.

3. »Wiederholte Anstrengungen (Schwingungen) zwischen Null und einer oberen Grenze, welche die ursprüngliche Elastizitätsgrenze noch über ihre obere Spannung hinauszuheben vermögen, führen den Bruch nicht herbei; wenn aber ihre obere Grenze so hoch liegt, daß die Elastizitätsgrenze nicht mehr darüber hinausgehoben werden kann, so muß der Bruch nach einer beschränkten Anzahl solcher Anstrengungen erfolgen.«

4. »Die Zugfestigkeit zeigt sich durch millionenmal wiederholte Anstrengungen nicht vermindert, eher erhöht, wenn das Probestück nach jenen Anstrengungen mit ruhender (stetig wachsender?! Der Verfasser) Belastung abgerissen wird.«

5. »Oftmal, millionenmal wiederholte Anstrengungen des Eisens und Stahls bringen keine Aenderung der Struktur hervor.« Die eigentümlichen Zeichnungen, die an Brüchen ersichtlich sind, die während solcher wiederholten Anstrengungen entstanden, rühren von einer Strukturänderung her, die sich lediglich auf die äußerste Oberfläche der Bruchstellen beschränkt.

c) Die Versuche von Jerome Sondericker [19], begonnen im Jahre 1890, dienten zur Ermittlung des Einflusses wiederholter Anstrengungen auf die elastischen Eigenschaften von Eisen und Stahl.

Die hierbei benutzte Maschine ist in Fig. 8 dargestellt. Der Probestab Heckt mit beiden Enden in Lagerbüchsen, die mit zur Stabachse senkrecht stehenden Schneiden bei B auf dem Maschinengestell gestützt werden. An dem einen Ende ist er durch die bewegliche Kupplung F mit einer mechanisch angetriebenen Welle verbunden, so daß er deren Umdrehungen (500 in der Minute) mitmacht. Symmetrisch zu den Stützpunkten B sitzen auf dem Probestabe die Hülsen C mit seitlichen Schneiden zur gemeinsamen Aufnahme der Belastung, die durch den Hebel D bewirkt wird. Zwischen der Zugstange E des Hebels und dem von den Hülsen C getragenen Gehänge ist eine Feder eingeschaltet, die verhindern soll, daß der Hebel D bei wechselnden Durchbiegungen des beständig gedrehten Stabes in Schwingungen gerät. Zur Bestimmung der Durchbiegungen sind in gleichen Entfernungen von den Stützschneiden C die Stangen H an den Probestab senkrecht zu seiner Achse angeschraubt, die an[675] ihren unteren Enden in Kugellagern das Meßwerkzeug K tragen. Dieses besteht nach Art der Schublehren aus zwei Teilen, die sich bei Schrägstellung der Stangen H entsprechend der Verbiegung des mittleren Stabteiles A gegeneinander verschieben. Die Größe dieser Verschiebung wird als Maß für die Durchbiegung mit Hilfe einer Mikrometerschraube gemessen. Hierbei wurde wie folgt verfahren: Die Stangen H blieben während des Dauerversuches an dem Stabe, nach Erreichung der gewünschten Anzahl Anstrengungen wurde die Maschine angehalten, die Belastung bei aufrechter Stellung der Stangen H entfernt, der Stab um 180° gedreht und nun die erste Messung ausgeführt, dann wurde die Belastung wieder aufgebracht und die zweite Messung angefleht und schließlich vor einer dritten Messung die Belastung nochmals entfernt. Der Unterschied zwischen der ersten und zweiten Messung ergab die gesamte, derjenige zwischen der zweiten und dritten die elastische und derjenige zwischen der ersten und dritten die bleibende Durchbiegung. Als vorläufiges Ergebnis seiner noch nicht abgeschlossenen Untersuchungen teilt Sondericker mit, daß 1. Aenderungen im elastischen Verhalten und bleibende Formänderungen erst mit Ueberschreitung der Elastizitätsgrenze durch die Versuchsspannung eintreten, sich dann vornehmlich zu Anfang des Versuches vollziehen und nach und nach für die gleiche Anzahl Anstrengungen geringer werden, um schließlich keine weitere Aenderung zu erleiden, 2. daß die Dauerhaftigkeit des Materials nach seiner Elastizitätsgrenze nicht zuverlässig beurteilt werden kann und in hohem Grade von Fehlstellen im Material abhängig ist.

d) Gefügeänderungen beim Dauerversuch. Die eigenartigen Brucherscheinungen, die bei Dauerversuchen auftreten und zum Teil in den Fig. 9–15 veranschaulicht sind, sowie die mehrfach gemachte Beobachtung, daß im Betriebe gebrochene Konstruktionsteile ein ausgeprägt körniges, kristallinisches Bruchgefüge zeigen, während Zerreißstäbe aus demselben Stück matten, sehnigen Bruch aufweisen, führten zu der Annahme, daß durch wiederholte Anstrengungen Gefügeänderungen in dem Material veranlaßt werden [20]–[22]. Spangenberg sagt hierüber [16]: »Das eigentümliche Aussehen sämtlicher Bruchflächen (von Dauerversuchsstäben) und der Umstand, daß die glatten, dem Einbruch zunächst liegenden Flächen im allgemeinen um so größer sind, je größer die Zahl der Anstrengungen bis zum Bruch, also je geringer die Maximalspannung war, und endlich die Wahrnehmung, daß der Einbruch sich stets in den gezogenen Fasern zeigt, diese Erscheinungen veranlaßten mich zu der Annahme, daß durch oft wiederholte Dehnungen das kristallinische Gefüge der Metalle nach und nach in das amorphe übergeführt werde, daß auf solche Weise verschiedene Gleichgewichtszustände der Moleküle entstehen, deren jeder einer Elastizitätsgrenze entspricht, daß dann durch Fortsetzung der Dehnungen die letzte Elastizitätsgrenze überschritten und endlich die Widerstandskraft des Querschnittes so verringert werde, daß die sich konstant gebliebene Kraft des Federdynamometers zur Bruchlast für den restierenden Teil des Querschnittes wird und dessen Bruch plötzlich bewirkt.« Autenheimer [23] erklärt die vermeintliche Gefügeänderung wie folgt: »Vor Beginn der Spannung haben die kleinsten Teile des Körpers eine bestimmte Lage zueinander. Während nun die Spannung steigt, ändert sich diese Lage. Hält die Spannung in gleicher Höhe an, so verbleiben auch die Teile in dieser neuen Lage. Sowie aber die Spannung auf die ursprüngliche zurückkehrt, so ist die Tendenz vorhanden, die ursprüngliche Lage der Teile wiederherzustellen. Bei Materialien, wie sie zu Konstruktionen verwendet werden, wird diese Herstellung nicht vollständig erreicht, selbst dann nicht, wenn die Formänderung innerhalb der sogenannten Elastizitätsgrenze erfolgt. Bei einem derartigen Spannungswechsel ist indessen diese Aenderung nicht immer bemerkbar, selbst nicht bei einer mäßigen Anzahl solcher Wechsel. Da nun aber jeder Spannungswechsel eine molekulare Verschiebung hervorbringt, so muß nach einer genügend großen Anzahl solcher Wechsel der neue Zustand wahrnehmbar vom ursprünglichen abweichen. Der neue Zustand charakterisiert sich dadurch, daß die Struktur des Materials grobkörniger, selbst blätterig und kristallinisch wird.« Nach dieser Erklärung müßte die Aenderung des Gefüges sich über die ganze Länge des Stabes erstrecken, sofern alle Querschnitte, wie z.B. bei prismatischen Zugstäben, dem Spannungswechsel in gleichem Grade unterworfen waren, da sie dann doch alle[676] auch an der Gesamtdehnung, wenn auch vielleicht nicht in gleichem Maße, beteiligt sind. Dem widerspricht aber der Umstand, daß das anscheinend veränderte Gefüge sich selbst bei Stäben und Konstruktionsteilen mit großem Querschnitt immer nur in dem meist ebenen Bruchquerschnitt zeigt, und daß Proben, die unmittelbar neben der Bruchstelle solcher Stücke entnommen wurden, das gleiche (sehnige) Bruchgefüge aufweisen wie Stäbe aus solchem Material, das dem Spannungswechsel nicht unterlag. – Bauschinger sagt in seinem obenangeführten Satz 5, daß die Aenderung des Gefüges sich lediglich auf die äußerste Oberfläche der Bruchstelle beschränkt, gibt aber für deren Entstehung keine nähere Erklärung [17]. Sorby [24] verneint die Entstehung der Gefügeänderung durch wiederholte Anstrengungen und erklärt das eigenartige Aussehen der Bruchflächen von Dauerversuchsstäben und von im Betriebe gebrochenen Konstruktionsteilen im Gegensatz zu dem Bruchaussehen von Zerreißproben aus denselben Stücken lediglich mit Verschiedenartigkeiten im Verlauf der Brüche. Beim Zerreißversuch mit allmählich gesteigerter Belastung werden die einzelnen Massenteilchen (Kristalle) lang gestreckt, gleichsam spitz ausgezogen, so daß der Bruch dann ein sehniges, mattes Gefüge darstellt. Bei wiederholten Anstrengungen mit Spannungen, die nicht hinreichen, den Bruch des Materials auf einmal herbeizuführen, lösen sich dagegen die Kristalle voneinander los, ohne vorausgegangene erhebliche Formänderung, bis ihr Zusammenhang in dem schwächsten, meist gespannten Querschnitt so weit gelöst ist, daß der Bruch nun bei unveränderter Inanspruchnahme des Stückes eintritt. Der Bruch verläuft alsdann in den Trennungsebenen der einzelnen Kristalle und zeigt somit ein kristallinisches Aussehen. Hingeführt wurde Sorby auf diese Erklärung durch Ergebnisse von Dauerversuchen, die er in der Weise anstellte, daß er eine Stange an einen Schwanzhammer so befestigte, daß sie beim Aufschlagen des Hammers durch Schwingungen hin und her gebogen wurde. Ein Längsschnitt durch das gebrochene Ende zeigte, daß das Gefüge am Bruch im Korn von dem ursprünglichen nicht abwich, wohl aber erschienen einzelne Kristalle um weniges von den benachbarten gelöst, statt mit ihnen ringsum in enger Berührung zu sein. – Gegen das Kristallinischwerden und die Festigkeitsverminderung des Eisens durch den Gebrauch sprechen ferner die Versuche von Bauschinger [25] und Belelubsky mit Brückengliedern gleicher Fertigung, von denen ein Teil viele Jahre im Bauwerk beansprucht war, während andre als Reserveglieder aufbewahrt gewesen waren und die weder bezüglich der Elastizitäts- und Festigkeitseigenschaften noch im Gefüge Unterschiede wahrnehmen ließen. – Kurrein untersuchte den Einfluß der Formänderungen durch Strecken auf das Gefüge von kohlenstoffarmem Flußeisen an Aetzproben aus den gestreckten Stäben [26], Nach seinen Untersuchungen sind die Körner im unbelasteten Zustande nahezu kubisch, ohne eine besonders bevorzugte Richtung zu zeigen, sie liegen nach allen möglichen Richtungen. Bei Beanspruchung über die Streckgrenze erleiden auch die Körner Formänderungen. Letztere sind beim Beginn des Fließens außerordentlich klein und konnten nur an den Gleitlinien nach Ewing und Rosenhain erkannt werden. Mit wachsendem Strecken geht die kubische Form der Körner in die länglich parallelepipedische über. Die Aenderung ist und bleibt innerhalb der ganzen Stablänge gleichmäßig bis zum Beginn der örtlichen Einschnürung. Bei weiterem Strecken werden nur die Körner innerhalb des Bereichs der Einschnürung auffallend in die Länge gezogen und durchaus in die Kraftrichtung gelegt. Die Deformation der Körner ist (mit großer Wahrscheinlichkeit genau) proportional der Stabdeformation. Der Bruch erfolgt schließlich durch Gleiten. Diese Beobachtungen decken sich im wesentlichen mit den Darlegungen, die Rudeloff über den Verlauf der Formänderungen und des Bruches gab [27].

Ueber den Einfluß der Betriebsbeanspruchung liegen Untersuchungen vor mit Teilen aus 24–40 Jahre alten Brücken. Teile, die mit 16 kg/qmm beansprucht waren, zeigten die gleichen Festigkeitseigenschaften wie gering beanspruchte Teile [28], [29]. Feuerbleche aus Schweißeisen, 4–8 Jahre im Betrieb und zum Teil stark angestrengt, zeigten geringe Verminderung der Festigkeit, die auch auf die Bearbeitung zurückgeführt werden kann; dagegen war die Dehnung auf 75–330 des ursprünglichen Wertes zurückgegangen [30].

Literatur: [1] Dingl. Polytechn. Journal 1877, Bd. 224, S. 1. – [2] Ebend. 1875, Bd. 217, S. 122. – [3] Mitteilungen aus dem mech.-techn. Laboratorium der Kgl. Techn. Hochschule München, Heft 13, 1886. – [4] The Engineer 1899, S. 420. – [5] Die Vorgänge beim Härten des Stahles, Stahl und Eisen 1895, II, S. 947; Howe, Metallurgy of steel, S. 214 und 219. – [6] Stahl und Eisen 1895, I, S. 459, und II, S. 745. – [7] On the Yield point of iron and steel and the effect of repeated straining and annealing, Proc. of the Royal Soc., Vol. 57, p. 178. – [8] Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ingen. 1894, S. 347. – [9] Handbuch der Materialienkunde für den Maschinenbau, S. 212, Berlin 1898. – [10] Rudeloff, Untersuchungen über den Einfluß vorausgegangener Formänderungen auf die Festigkeitseigenschaften der Metalle, Mitteilungen aus den Kgl. techn. Versuchsanstalten zu Berlin, 1901, Ergänzungsheft I, S. 1–76. – [11] Wöhler, Bericht über die Versuche, die auf der Kgl. niederschlesisch-märkischen Eisenbahn mit Apparaten zum Messen der Biegung und Verdrehung von Eisenbahnwagenachsen während der Fahrt angestellt wurden, Zeitschr. f. Bauwesen 1858, S. 641. – [12] Wöhler, Versuche zur Ermittelung der auf die Eisenbahnwagenachsen einwirkenden Kräfte und die Widerstandsfähigkeit der Wagenachsen, Zeitschr. f. Bauwesen 1860, S. 583. – [13] Wöhler, Ueber die Versuche zur Ermittelung der Fertigkeit von Achsen, Zeitschr. f. Bauwesen 1863, S. 233. – [14] Resultate der in der Zentralwerkstatt der niederschlesisch-märkischen Eisenbahn zu Frankfurt a. O. angestellten Versuche über die relative Fertigkeit von Eisen, Stahl und Kupfer, Zeitschr. f. Bauwesen 1866, S. 67. – [15] Wöhler, Ueber die Festigkeitsversuche mit Eisen und Stahl, Berlin 1870. – [16] Spangenberg, Ueber das Verhalten der Metalle bei wiederholten Anstrengungen, Zeitschr. f. Bauwesen 1874, S. 473. – [17] Bauschinger, Mitteilungen aus dem mech.-techn. Laboratorium der Kgl. Techn. Hochschule München, Heft 13, 1886. – [18] Bauschinger, Ueber die Veränderlichkeit der Elastizitätsgrenze von Eisen und Stahl, Dingl. Polytechn. Journal 1887, Bd. 266, S. 216. – [19] Sondericker,[677] A description of some repeated stress-experiments, Technology Quarterly 1892, p. 70. – [20] Ueber das sogenannte Kristallinischwerden von Schmiedeeisen durch Erschütterungen, Prometheus 1890, S. 412. – [21] Does the vibrations of stamp-stemps change the molecular structure? Transactions of the Amer. Institute of mining Eng., 1894, – [22] Kreuzpointner, Kristallisieren Eisen und Stahl im Betriebe? »Stahl und Eisen« 1895, S. 474. – [23] Autenheimer, Ueber die Schwächung des Arbeitsvermögens der Materialien durch Spannungswechsel, Schweiz. Bauztg. 1893, S. 47. – [24] Rudeloff, Das Kleingefüge von Eisen und Stahl nach den Untersuchungen von Sorby, Glasers Annalen für Gewerbe und Bauwesen 1887, S. 123. – [25] Bauschinger, Ueber das Kristallinischwerden und die Festigkeitsverminderung des Eisens durch den Gebrauch, Dingl. Polytechn. Journal 1880, Bd. 235, S. 169. – [26] Kurrein, Gefügeänderungen in Flußeisen von 0,1 o/o C unter mechanischer Beanspruchung, Baumaterialienkunde 1904, Heft 13–16. – [27] Rudeloff, Connerts Untersuchungen über den Einfluß der Arbeitsgeschwindigkeit auf die Zerreißfestigkeit und Bruchdehnung von ausgeglühtem Kupferdraht und der Fließvorgang beim Zugversuch, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ingen. 1887, S. 773. – [28] Zentralblatt der Bauverwaltung 1895, S. 414. – [29] Ebend. 1900, S. 364. – [30] Lechner, Beobachtungen bei der Verarbeitung von Eisen und Stahl, »Stahl und Eisen« 1895, S. 60.

Rudeloff.

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4.

Fig. 5, Fig. 6.

Fig. 7.

Fig. 8.

Fig. 9.

Fig. 10.

Fig. 11., Fig. 12., Fig. 13., Fig. 14., Fig. 15.