Ueber die Einwirkung von Strukturänderungen auf die physikalischen, insb. elektrischen Eigenschaften von Kupferdrähten und über die Struktur des Kupfers in seinen verschiedenen Behandlungsstadien. Von Dipl.-Ing. Hermann Gewecke, Darmstadt. (Fortsetzung von S. 793 d. Bd.) Ueber die Einwirkung von Strukturänderungen. 4. Versuchsergebnisse. a) Einfluß der Erhitzungstemperatur. Serie 9. Sechszehn Drähte von etwa 50 cm Länge wurden auf Temperaturen von 100 bis 600° erhitzt und die Widerstände vor und nach dem Erhitzen gemessen. Die erhaltenen Werte sowie die in Prozenten errechnete Aenderung des Leitvermögens sind in Tabelle IX Tabelle IX. Serie No. 9. Glühdauer: 2 Min.

No. Strom-stärkein Amp. Er-hitzungs-Temp.in Grad C Widerstandin Ohm × 10– 6 Abnahme des Wider-standes (resp. Zunahmedes Leitverm.) vor nach d. Glühen in Ohm× 10– 6 in v.T.   1   6.8 100 3900 3896     4   1.0   2   8.2 150 3858 3846   12   3.4   3   8.6 170 3860 3846   14   3.9   4   9.3 200 3897 3869   28   7.2   5   9.5 210 3855 3810   45 11.6   6   9.7 220 3851 3787   64 16.8   7   9.9 230 3864 3793   71 18.6   8 10.1 240 3819 3741   78 20.6   9 10.3 250 3849 3768   81 21.0 10 10.6 270 3854 3767   87 22.5 11 11.2 300 3842 3748   94 24.4 12 12.1 350 3857 3757 100 26.2 13 13.0 400 3827 3732   95 25.1 14 15.0 500 3818 3734   84 22.2 15 17.0 600 3815 3759   56 14.8

eingetragen. Die Temperaturen des Bades ändern sich so wenig, – die Differenzen betragen maximal 0.1°, das würde einer Widerstandsänderung von etwa 0.4 v.T. entsprechen – daß ein Bezug auf eine Einheitstemperatur überflüssig ist. Die Wahl der Erhitzungstemperaturen ist dadurch begründet, daß schon aus der Arbeit Beilbys38)G.T. Beilby: l.c.S. 471. und aus eigenen Vorversuchen die Temperatur der maximalen Aenderung ungefähr bekannt war. Die Glühdauer betrug 2 Minuten, nach Ablauf dieser Zeit war längstens die Einstellung des Millivoltmeters konstant geworden.

Fig. 12.

Die Abhängigkeit der prozentualen Aenderung des Leitvermögens von der Erhitzungstemperatur wurde in einer Kurve (Figur 12) aufgetragen. Für die gleiche Serie wurde der Temperaturkoeffizient des Leitvermögens bestimmt. Die Temperatur des Petroleumbades wurde auf etwa 50° gebracht. Die Temperaturdifferenzen zwischen oberem und unterem Teile des Bades betrugen noch nicht 0,1°. Ist w1 der Widerstand bei der Temperatur t1, w2 derjenige bei t2, so ist der Temperaturkoeffizient $$\alpha =\frac{w_2-w_1}{w_1(t_2-t_1)}$$ Die erhaltenen Werte sind in Tabelle X zusammengestellt. Die Aenderung des Temperaturkoeffizienten α gegen den von ungeglühtem Draht in Funktion von der Erhitzungstemperatur ist in einer Kurve aufgetragen. (Figur 13.) Schließlich wurde noch die Aenderung der Zerreißfestigkeit für die gleiche Serie ermittelt. Die berechneten Werte der Zerreißfestigkeit und ihrer prozentualen Aenderung gegenüber derjenigen bei hartgezogenem nicht erhitztem Draht wurde in Tabelle XI eingetragen. Auch hier wurden diese letzteren Werte als Funktion der Erhitzungstemperatur in einer Kurve aufgezeichnet. (Fig. 14.)

Fig. 13.

Bei dem Vergleich der drei Kurven ergibt sich die außerordentlich gute Uebereinstimmung derjenigen Temperatur, bei welcher die Hauptänderung der physikalischen Eigenschaften eintritt. Der Charakter der Kurve für die Leitfähigkeit und Festigkeit zeigt sich den entsprechenden von L. Addicks und G.T. Beilby sehr ähnlich. Die Kurve für den Temperaturkoeffizienten des Leitvermögens läuft derjenigen für dieses selbst nahezu parallel. Wir sehen, also daß Leitvermögen sowohl wie Temperaturkoeffizient desselben und ebenso Zerreißfestigkeit Tabelle X. Serie No. 9.

No. Erhitzungs-Temp.in Grad C. w1in Ohm× 10– 6 t1inGrad C w2in Ohm× 10– 6 t2inGrad α × 10– 6 inv.T. 1 Ungeglüht 3875 18.20 4381 51.68 3901 0.0 2 100 3896 17.15 4410 51.45 (3846) (– 14.1)? 3 150 3846 17.35 4357 51.38 3904 0.8 4 170 3846 17.41 4354 51.20 3909 2.1 5 200 3869 17.21 4382 51.10 3912 2.8 6 210 3810 17.42 4313 50.98 3934 8.5 7 220 3787 17.26 4295 51.02 3973 18.2 8 230 3793 17.33 4303 50.95 3999 25.2 9 240 3741 17.36 4245 50.96 4010 27.9 10 250 3768 17.42 4277 50.96 4028 32.6 11 270 3767 17.50 4324 54.03 4048 37.7 12 300 3748 17.54 4297 53.90 4029 32.8 13 350 3757 17.50 4309 53.78 4050 37.9 14 400 3732 17.60 4276 53.65 4043 36.4 15 500 3734 17.12 4279 53.56 4005 26.7 16 600 3759 17.16 4307 53.46 4016 29.5

Dieser Draht ist von dem Ausgangsmaterial entnommen, also hartgezogen und nicht geglüht. Tabelle XI. Serie No. 9.

No. Erhitzungs-temperaturin Grad C Bruchlastin kg Zerreiß-festigkeit inkg/qmm Abnahme derZerreißfestig-keit in v.H.   1 Ungeglüht 10.3 52.5   0.0   2 100 10.1 51.5   1.9   3 150 Verunglückt – –   4 170 10.3 52.5   0.0   5 200     8.90 45.4 13.5   6 210     8.02 40.9 22.1   7 220     6.96 35.5 32.4   8 230     6.65 33.9 35.4   9 240     6.18 31.5 40.0 10 250     5.98 30.5 41.9 11 270     5.97 30.4 42.0 12 300     5.88 30.0 42.9 13 350     5.82 29.7 43.5 14 400     5.73 29.3 44.2 15 500     5.63 28.7 45.3 16 600     5.47 27.9 46.8

bei etwa 200–210° eine plötzliche starke Aenderung erleiden. Diese Aenderung erreicht beim Leitvermögen und beim Temperaturkoeffizienten ein Maximum, um dann wieder abzunehmen, während die Festigkeit mit steigender Temperatur immer mehr abnimmt, wenn auch von 250° ab nicht mehr in dem gleichen Maße. Die von mir bestimmte Temperatur der starken Aenderung des Kupfers zeigt gegen die Bestimmung G.T. Beilbys (etwa 225°) eine geringe Abweichung. (M. Rudeloff gibt als Grenztemperatur 200–300° an). Der Grund für diese Abweichung liegt vielleicht in der Verschiedenheit der verwendeten Materialen.

Fig. 14.

Ueber die Aenderung der Dichte infolge von Erhitzung wurden nur ein paar Stichproben gemacht. Hartgezogener Kupferdraht von etwa 0,6 mm , der gut ausgelagert war, bei dem also zeitliche Aenderungen nicht mehr zu befürchten waren, wurde das eine Mal auf etwa 350°, das andere Mal auf Hellrotglut erhitzt. Die Dichten waren:

    1. bei Erhitzung auf 350° vor dem Glühen 8,8845 nach dem Glühen 8,8861 –––––––– Differenz 0,0016 = 0,18 v.T. 2. bei Erhitzung auf Hellrotglut vor dem Glühen 8.8998 nach dem Glühen 8,9028 –––––––– Differenz 0,0030 = 0,34 v.T.

Der Versuch zeigt, daß infolge der Erhitzung die Dichte wächst. Selbst bei Erhitzung über die oben erwähnte kritische Temperatur steigt die Dichte weiter an, sie ähnelt also in ihrem Verlauf vielleicht dem der Festigkeit. b) Einfluß der Erhitzungszeit auf die Aenderung des Leitvermögens. Serie 10. Um den Einfluß der Erhitzungszeit auf die Aenderung des Leitvermögens kennen zu lernen, wurden Kupferdrähte von der gleichen Art wie die vorher benutzten in dem beschriebenen Apparate geglüht. Die Temperaturbestimmung geschah wieder durch Beobachtung resp. Regulierung der Stromstärke.

Fig. 15.

Die Dauer der Erhitzung betrug bis zu 4 Stunden und zwar wurden die Drähte untersucht nach einer Erhitzungsdauer von 10 Min., 30 Min., 90 Min., 180 Min. und 240 Min. Mit den Temperaturen konnte leider nur bis 350° gegangen werden, da bei höheren Temperaturen der Draht trotz möglichst sorgfältigen Evakuierens des Apparates etwas oxydierte, was natürlich die Messungen in ziemlich unkontrollierbarer Weise beeinflußt. Um das Vakuum noch höher treiben zu können, müßte die Abdichtung des Stopfens mit größeren Mitteln in anderer Weise vorgenommen werden. Die Untersuchung wurde angestellt für die Temperaturen 100°, 200°, 250° und 350°. Es mußten hier die Widerstände wegen der Temperaturänderungen, die im Petroleumbade während der langen Dauer zwischen den einzelnen Messungen auftraten, auf eine Normaltemperatur von 18° C. bezogen werden. Die Resultate der Untersuchung sind in Tabelle XII zusammengestellt und zwar immer die 5 für jede Temperatur ausgeführten Messungen zusammengefaßt. Um über den Verlauf der Abnahme des Leitvermögens einen Ueberblick zu bekommen, wurde die Abhängigkeit desselben von Erhitzungszeit und -temperatur

Tabelle XII.Serie No. 10. ErhitzungszeitinMinuten Aenderung des Leitvermögens in v.T. bei denErhitzungstemperaturen von 100° 200° 250° 350°   10 1.3   9.6 21.7 24.7   30 0.8 14.6 22.0 25.2   90 0.9 22.0 22.4 23.6 180 1.0 22.2 22.8 21.1 240 1.0 22.8 23.3 22.0

räumlich dargestellt. Die Abszissen bilden die Aenderungen des Leitvermögens in v.T. Wir ersehen aus der Raumkurve (Fig. 15), daß die Kurven für die Widerstandsänderung mit der Temperatur einander sehr ähnlich sind, nur verschiebt sich das plötzliche Ansteigen der Widerstandsänderung mit wachsender Zeit auf immer niedrigere Temperaturen. Während sie bei 2 Min. Glühdauer bei etwas höher als 200° lag, ist sie bei 4stündiger Glühdauer etwa 175°. Desgleichen scheint auch das Maximum des Leitvermögens infolge der längeren Glühdauer bei niedrigeren Temperaturen erreicht zu werden und auch eher wieder abzunehmen. Die vorliegenden Untersuchungen zeigen, daß das Kupfer schon bei weit niedrigeren Temperaturen als 500–600°, wie gewöhnlich angenommen, und auch in kürzerer Zeit als die in der Praxis üblichen Glühzeiten sind, weich wird, und daß weiteres Erhitzen nur das elektrische Leitvermögen verschlechtert ohne den Draht wesentlich weicher zu machen. Es verlohnt sich deshalb für die Praxis, auf diesen Vorgang des Glühens genaueres Augenmerk zu richten. Das durch Vermeidung eines zu starken Glühens erzielte bessere Leitvermögen wird pekuniär wegen der geringeren Leitungsverluste ganz bedeutend ins Gewicht fallen, abgesehen davon, daß das kürzere Glühen bei niedrigerer Temperatur für die herstellende Fabrik eine große Ersparnis bedeutet. Nach folgenden Richtungen erscheint es wünschenswert, die vorstehenden Untersuchungen auszudehnen: Zunächst wäre der Einfluß der Erhitzungs dauer für höhere Temperaturen (über 350°) unter Beobachtung eines besseren Vakuums zu studieren. Dann würde es als Ergänzung der Kurve Fig. 12–14 interessant sein, den Verlauf der Dichteänderungen als Funktion der Erhitzungstemperatur kennen zu lernen. Man muß nur möglichst große Materialmengen verwenden, um die Dichtebestimmung genügend genau ausführen zu können. B. Aufnahme von Erhitzungskurven. Eine Stütze für die vorhergehenden Untersuchungen sollte die Aufnahme von „Erhitzungskurven“ bilden. Ein Kupferdraht von etwa 0,5 mm und 50 cm Länge wurde durch elektrischen Strom geglüht, die Stromstärke, der Spannungsabfall und die Temperatur im Draht gemessen, und aus der Stromstärke und Spannung sein Widerstand berechnet. Der Widerstand wurde als Funktion der Temperatur aufgezeichnet, und aus dem Verlauf der Kurve sollten dann Schlüsse auf die Vorgänge im Draht gezogen werden. Eine Arbeit ähnlichen Charakters, die aber auf Messung der Längenausdehnung von hartgezogenen Kupferstäben basierte, wurde von T. Turner und D.M. Levy39)T. Turner und D.M. Levy: Proc. Roy. Soc. 1907 Ser. A. vol. 80 p. 1. ausgeführt. Die Verfasser erhalten bei Aufnahme der Längenausdehnung als Funktion der Temperatur bis zu 580° völlig geradlinige Kurven ohne jeden Knick und schließen daraus, daß man es beim Uebergang des Kupfers in den weichen Zustand nicht mit einer allotropen Umwandlung, sondern nur mit einer Strukturänderung zu tun hat. Eine bleibende Längenänderung war bei den untersuchten Kupferstäben nach Aufhören der Erhitzung nicht zu konstatieren. Die Beweisführung ist aber nicht ganz einwandfrei. Zunächst ist, wenn auch beim Eisen beispielsweise eine derartige plötzliche Volumänderung im Umwandlungspunkte konstatiert worden ist, noch nicht erwiesen, daß dieselbe bei einer Umwandlung des Kupfers auch auftreten müßte, und vor allem fehlen die Anhaltspunkte für die etwaige Größe derselben. Es tritt nämlich in der Tat eine Volumenänderung ein, da die Dichten, wie aus vielen übereinstimmenden Beobachtungen hervorgeht, durch das Glühen zunehmen. Daß diese Aenderung sich nicht in den Kurven von Turner und Levy bemerkbar macht, ist ein Zeichen, daß sie nicht plötzlich, sondern allmählich auftritt, und läßt in der Tat eine allotrope Umwandlung als unwahrscheinlich annehmen. Die dauernden Aenderungen beim Leitvermögen sind dagegen viel größer als beim Volumen; daher verspricht eine diesbezügliche Untersuchung zuverlässigere Resultate. Die Einrichtung zum Glühen war die gleiche wie im vorigen Abschnitt. Auch die Temperatur wurde mittels angelöteten Thermoelements bestimmt, was sich hier natürlich wegen der erforderlichen Genauigkeit nicht durch Messung der Stromstärke ersetzen ließ. Die Spannung, die an den Stromzuführungsklemmen gemessen wurde, wurde mit einem Weston-Millivoltmeter von 100 M.V. und zugehörigem Vorschaltwiderstand ermittelt, die Stromstärke mit drei Normalinstrumenten, Präzisionsamperemetern von Hartmann und Braun mit den Meßbereichen 2,5, 10 und 30 Amp. Die Ausschläge der drei Instrumente waren verglichen worden und stimmten vollkommen überein. Es wurde erst dann abgelesen, wenn ein annähernd stationärer Zustand eingetreten war, was am Stillstehen der Zeiger des Westoninstruments, sowie von Volt- und Amperemetern zu erkennen war. Von den zahlreichen aufgenommenen Kurven seien als Beispiel die Werte für eine derselben angegeben. Die Ablesungen sowie die aus Spannung und Strom berechneten Widerstände sind in Tabelle XIII eingetragen. Für die Millivolt wurden die zugehörigen Temperaturen aus der Eichkurve des Thermoelements entnommen und gleichfalls in die Tabelle eingetragen. Der Widerstand wurde dann als Funktion der zugehörigen Temperatur in einer Kurve (Fig. 16) aufgezeichnet. Die Kurve zeigt einen völlig stetigen Verlauf, bei sinkender Temperatur liegt sie infolge der Aenderung des Widerstandes und des Temperaturkoeffizienten desselben etwas unter der aufsteigenden Linie. Der Einfluß des veränderten Temperaturkoeffizienten auf die Neigung der Kurvenäste ist unter Zugrundelegung der maximalen Aenderung desselben, wie sie im vorigen Kapitel ermittelt wurde, berechnet und in

Fig. 16.

Tabelle XIII.

No. Thermo-E.M.K.in M.V. Erhitzungs-Temp.in Grad C Spg. an denEnden d. Dr.in Volt Stromstärkein Amp. Widerstandder Drähtein Ohm   1   0.72   21 0.0640   1.54 0.0416   2   2.73   70 0.2397   5.16 0.0465   3   4.14   98 0.3128   6.26 0.0500   4   4.75 112 0.3492   6.64 0.0526   5   5.53 124 0.3875   7.16 0.0542   6   6.61 145 0.4415   7.70 0.0573   7   7.62 164 0.4950   8.20 0.0604   8   8.58 183 0.5418   8.50 0.0638 9 10.14 212 0.6244   9.14 0.0683 10 11.08 230 0.6755   9.50 0.0712 11 12.00 248 0.7216   9.80 0.0737 12 13.82 284 0.8244 10.42 0.0791 13 15.44 315 0.9150 10.94 0.0836 14 12.88 265 0.7650 10.04 0.0762 15 10.02 211 0.6146   9.02 0.0682 16   6.82 150 0.4350   7.44 0.0585 17   4.66 107 0.3224   6.30 0.0512 18   2.48   66 0.1917   4.24 0.0405 19   0.60   20 0.0628   1.55 0.0452

Fig. 16 rechts unten angedeutet. Daraus erhellt, daß auch mit Rücksicht auf den veränderten Temperaturkoeffizienten ein größerer Unterschied im Verlauf der Kurven nicht zu erwarten ist. Bei Turner und Levy ist die bedeutend voneinander abweichende Lage der Aeste beim Ansteigen und Abfallen der Temperatur wohl auf die Trägheit des Pyrometers zurückzuführen. Denn der Temperaturkoeffizient der Längenausdehnung erleidet durch die Erhitzung keine dauernde Aenderung, also ist auch nicht anzunehmen, daß er in dem noch erhitzten Metall ein anderer sein sollte. Die Differenz zwischen Anfangs- und Endwert des Widerstandes 0,0416 – 0,0405 = 0,0009 = 21,6 v.T. stimmt gleichfalls recht gut mit den im vorigen Abschnitt bei Erhitzung bis auf etwa 300° erhaltenen Widerstandsänderungen überein. Die anfängliche kleine Krümmung in der Kurve ist ohne Bedeutung; sie rührt wahrscheinlich daher, daß die Eichkurve des Thermoelements bei diesen niederen Temperaturen nicht aufgenommen und vielleicht nicht ganz richtig interpoliert wurde. Die vorliegenden Versuche ergeben jetzt erst mit Sicherheit, daß die Ueberführung des Kupfers aus dem harten in den weichen Zustand infolge von Erhitzung nicht als allotrope Umwandlung, die bei einer bestimmten Temperatur plötzlich auftritt, sondern als allmählich vorsichgehende Strukturänderung aufzufassen sei, und bilden somit eine gute Ergänzung zu den Resultaten des vorigen Abschnitts. Es sei nämlich der Widerstand bei der Erhitzungstemperatur t : w1 = w0 (1 + αt) und wäre nun der spezifische Widerstand w0 während des ganzen Erhitzungsvorganges konstant, so würde der Verlauf des Widerstandes bei unverändertem Temperaturkoeffizienten α ein geradliniger sein. Aendert sich nun der spezifische Widerstand allmählich und ebenso der Temperaturkoeffizient α, so wird eine allmähliche Abweichung von der Geraden eintreten. Da der erstere sinkt und der letztere mit steigender Temperatur wächst, so ist es möglich, daß ihr Einfluß sich ungefähr ausgleicht und die Kurve praktisch geradlinig bleibt, und daß auch im Umwandlungspunkt keine Unstetigkeit auftritt. Dagegen wird bei einem plötzlichen Sinken des Widerstandes bei einer bestimmten Temperatur zwar nicht ein senkrechter Abfall in der Kurve auftreten, da mit sinkendem Widerstände sogleich Stromstärke und also Temperatur wächst, es wird sich aber doch eine Einbuchtung bemerkbar machen müssen, da mit der steigenden Temperatur das dadurch hervorgerufene Anwachsen des Widerstandes jedenfalls nicht in dem gleichen Maße erfolgt, wie in dem vorhergehenden Teil der Kurve. Da von einer solchen Unstetigkeit nichts zu bemerken ist, so dürfen wir auch aus diesen Versuchen entnehmen, daß wir es nicht mit einer allotropen Umwandlung, sondern einer allmählichen Strukturänderung zu tun haben. Anmerkung: Ein solcher Knick wurde von Turner und Levy (l.c.) für Eisen in bezug auf Längenausdehnung gefunden. Leider konnte ich meine Versuche nicht auf Eisen ausdehnen, da das den Rahmen der Arbeit überschritten hätte. (Schluß folgt.)