Teknisk Elasticitetslære/45

by Asger Ostenfeld

§ 45. Temperaturens Indflydelse. Kendskab hertil har Betydning for Praxis i mange Tilfælde, baade for Bedømmelsen af den Sikkerhed, man har for de færdige Konstruktioner ved abnormt eller under sædvanlige Forhold indtrædende høje eller lave Temperaturer (almindelige Jærnkonstruktioner, specielt Jærnbaneskinner, under særlig stærk Kulde, Jærn-Søjler og -Bjælker under en Ildebrand, Dampkedler o. s. v.), og for den rigtige Behandling af Jærnet under Bearbejdelsen. I den nyere Tid er der anstillet en Mængde Undersøgelser herover^[1]; vi skulle ganske kort referere de vigtigste Resultater, idet vi holde os til Konstruktionsjærn.

Udglødning, d. v. s. Opvarmning til ca. 700° med paafølgende langsom og jævn Afkøling, bringer Jærnet tilbage til sin normale Tilstand, hvis det af en eller anden Grund er undergaaet Forandringer. Indre Spændinger bringes til at forsvinde, Skørhed (omkring lokkede Huller, Blaaskørhed o. l.) ligesaa. I Almindelighed tabes der noget i Styrke og vindes i Sejghed ved Udglødning. Naar der findes indre Spændinger før Udglødningen, kan der dog vindes i Styrke, saaledes f. Ex. naar støbte Stykker udglødes for at bringe Støbespændinger til at forsvinde. Exempelvis anføres nogle Resultater af Udglødning af Staalstøbninger^[2]:

	Brudgrænse	Forlængelse
	kg./cm.2	%
ikke udglødet	6177	4
udglødet	7337	8
ikke udglødet	5055	4,2
udglødet	5763	14,6
ikke udglødet	3781	1
udglødet	4572	13

Hvis Proportionalitets- eller Flydegrænsen som Følge af en eller anden Behandling i kold Tilstand er bleven hævet (hvorom senere), vil den ved Udglødning helt eller tilnærmelsesvis vende tilbage til sin oprindelige Beliggenhed.

Virkningen af Temperaturer over 100° C. Som Le Chatelier har vist, har Forsøgets Varighed en betydelig Indflydelse paa Resultatet. Naar vi foreløbig tænke paa Forsøg, der gennemføres i Løbet af 5—6 Minutter, viser det sig, at Brudgrænsen i Begyndelsen aftager op til ca. 60° for blødt Jærn, 80—100° for haardere Materiale, og derefter voxer, indtil der ved 250—300° naas et Maximum, der ligger 800—1000 kg./cm.² højere end Brudgrænsen ved almindelig Temperatur, omtrent ens for al Slags smedeligt Jærn. Derefter aftager Brudgrænsen hurtigt. Disse Forhold ere illustrerede i Fig. 123, Pl. 14, der viser Resultatet af en Række Forsøg med Staal af højst forskellig Haardhed, Svejsjærn og Støbejærn i Watertown Arsenal^[3], 1888; Brudgrænsen er afsat som Ordinat, Temperaturen som Abscisse.

Af dette Forløb af Kurverne for Brudgrænsen skal man dog ikke slutte, at Jærnets Modstandsevne overfor ydre Paavirkninger er større ved 250—300° end ved almindelig Temperatur. Alle Forsøg vise nemlig, at Proportionalitetsgrænsen og Flydegrænsen aftage hele Tiden med stigende Temperatur. Dette ses tydeligt i Fig. 124, Pl. 13, hvor nogle Middelresultater, som Rudeloff^[4] har fundet, ere fremstillede. Heraf ses ogsaa, at Brudforlængelsen og Brudgrænsen variere næsten i modsat Retning; Forlængelsen har sit Minimum omtrent ved den Temperatur, der giver Maximum for Brudgrænsen. Endvidere ses i Fig. 124, hvorledes Kontraktionen og Elasticitetskoefficienten variere; for Staal synes den sidste at voxe i Begyndelsen, Forsøgene i Watertown have givet en jævn Aftagen hele Tiden.

Det vigtigste af de i det foregaaende nævnte Resultater er denne Sammentræffen af Brudgrænsens Maximum med Forlængelsens Minimum omtrent ved 2—300°. Dette tyder nemlig paa, at Materialet maa være skørt ved denne Temperatur, og denne Skørhed, Blaaskørhed, er ogsaa godt kendt, navnlig for Staal; af Hensyn til den maa man aldrig bearbejde Staal ved Temperaturer mellem 100—200° og forsvindende Rødglødhede. Sædvanlig foreskrives det da ogsaa ligefrem, at en saadan Bearbejdelse ikke maa finde Sted, og hvis det i enkelte Tilfælde ikke har kunnet undgaas, at da hele Stykket skal udglødes bagefter.

Naar Forsøget udføres hurtigt, i 40—50 Sekunder, forandres Forholdene noget, som det ses i Fig. 125, Pl. 14; Kurverne vise Brudgrænsens Variation med Temperaturen, som den er funden af Le Chatelier^[5] for langsom Paavirkning (5—6 Min., fuldt optrukken Kurve) og hurtig Paavirkning (40—50 Sek., punkteret Kurve); mellem ca. 100° og ca. 300° giver hurtig Paavirkning den mindste Brudgrænse og største Forlængelse, for højere Temperaturer er det omvendt. For hurtig Paavirkning indtræffer Brudgrænsens Maximum først ved en noget højere Temperatur end ved langsom Paavirkning; Blaaskørheden er derfor størst overfor Stød og Slag ved ca. 500°, overfor rolig Paavirkning ved 300—350°. — Blaaskørheden viser sig forøvrigt ikke blot, medens man bearbejder Jærnet ved den nævnte farlige Temperatur; naar blot en saadan Bearbejdelse har fundet Sted, er Materialet endnu skørt efter Afkølingen; man har adskillige Exempler paa, at Staalstænger, hvorpaa der er smedet ved »blaa Varme«, senere ere knækkede som Glas ved et ubetydeligt Stød eller Fald.

Af det ovenfor meddelte fremgaar det, at smedeligt Jærn i alt Fald ved 8—900° mister Størstedelen af sin Bæreevne. Denne Omstændighed spiller en stor Rolle i Praxis ved Bedømmelsen af Jærnkonstruktioners Brandsikkerhed, og Spørgsmaalet er derfor ogsaa adskillige Gange bleven undersøgt ved Prøver med Konstruktionsdele (Søjler) i fuld Størrelse, hvorved man kommer Virkeligheden nærmere end ved de ovenfor anførte Laboratorieforsøg. Saadanne Forsøg ere udførte af Bauschinger^[6] o. fl., i den nyeste Tid navnlig af en Kommission^[7], der blev nedsat i Hamburg i Anledning af en Pakhusbrand dér i 1891; Søjlerne belastedes omtrent med det Tryk, man vilde byde dem i en Bygning, udsattes derpaa for Ildens Virkning og tilsidst i Almindelighed for Paasprøjtning med koldt Vand. Som almindeligt Resultat kan angives, at ubeklædte Smedejærnsøjler, belastede med 800—1000 kg./cm.² give efter og bøje sig ud til Siden ved c. 600°; ved en god Beklædning med et ildfast Materiale^[8] kan Bruddet udsættes længe, 4-5 Timer.

Virkningen af Temperaturer under 100°. Det har længe været bekendt, at Jærn undertiden viser sig skørt i Frostvejr; der indtræffer f. Ex. gennemsnitlig langt flere Skinnebrud paa Jærnbanerne om Vinteren end om Sommeren. At dette ikke alene kan skyldes tilfældige ydre Omstændigheder (for Jærnbaneskinnernes Vedkommende den frosne Ballast), har ligeledes længe været klart. Allerede Knut Styffe^[9] viste ganske vist, at Brudgrænsen overfor Træk voxer i alt Fald ned til −40°, men Sandberg konstaterede (1867) ved Faldprøver, at Skinner virkelig vare mere skøre i Kulde end i Varme, og flere andre have senere vist det samme. Sandberg^[10] lod en Del Svejsjærns-Skinner skære i to Stykker og prøvede den ene Halvdel ved +29°, den anden ved −12°; som Middelværdi fandtes. at ved +29° behøvedes der en Faldhøjde af 11,9m for at frembringe Brud, ved −12° kun 3,4m Faldhøjde (med samme Faldvægt); Nedbøjningen var mindst 4 Gange saa stor i første som i sidste Tilfælde.

Denne Skørhed kunde man tænke sig forklaret ved, at Forlængelsen aftager samtidig med at Brudgrænsen voxer: men dette er dog neppe tilstrækkelig Aarsag. Steiner^[10] fandt rigtignok ved sine Forsøg (1891—92) baade med Thomas- og Martinjærn en ganske betydelig Aftagen af Forlængelsen — fra 28—30% til 17% ved en Variation i Temperaturen fra +25° til −40° —, og hans Forsøg bevirkede i sin Tid en vis Ængstelse overfor Staal som Konstruktionsmateriale, men man maa næsten antage, at det Staal, han experimenterede med, endnu har lidt noget af Børnesygdomme; i alt Fald have forskellige nyere Forsøg givet langt gunstigere Resultater for Staal, og navnlig synes Rudeloff's^[11] meget omfattende Undersøgelser ikke at give nær saa stærk en Aftagen af Forlængelsen. Vi skulle anføre nogle af hans Resultater (Forlængelsen maaltes paa 30m.m. paa hver Side af Bruddet.). (Se Tabellen næste Side.)

Den mest plausible Forklaring er fremsat af Le Chatelier^[12], som antager, at Skørheden er en Følge af Flydegrænsens Variation med Temperaturen og med Paavirkningens Hastighed. I Fig. 126, Pl. 14, hvor der er fremstillet nogle Forsøgsresultater med Traad af extra blødt Staal, angive de fuldt optrukne Kurver Flyde- og Brudgrænse ved meget langsom Paavirkning, de punkterede Kurver for en Varighed af Forsøget paa 1 Minut og den stiplede Kurve endelig Brudgrænsen, naar Forsøget gennemførtes i 2—3 Sekunder. Man ser, at ved langsom Paavirkning holder Afstanden mellem Flyde- og Brudgrænsen sig omtrent konstant; begge voxe langsomt med aftagende Temperatur. Ved 1 Minuts Varighed af Forsøget stiger Flydegrænsen mellem +10° og −65° langt stærkere end Brudgrænsen, og ved −65° falde de to Grænser sammen. At disse to Punkter af Arbejdslinien falde sammen, vil her dog kun sige, at de have samme Ordinat; naar Flydegrænsen er naaet, bliver Arbejdslinien omtrent vandret, Kraften holder sig konstant, indtil Bruddet indtræder, men der foregaar (eller kan foregaa) en betydelig Forlængelse, inden dette finder Sted. Kurven i Fig. 126 for 2—3 Sekunders Varighed af Forsøget har ganske samme Forløb som Kurven for Flydegrænsen ved 1 Minuts Varighed af Forsøget, i alt Fald fra −20° og nedad, og det ligger da nær at slutte, at ved pludselig Paavirkning falde Flyde- og Brudgrænse sammen, naar Temperaturen er under −20°. Hvis dette imidlertid er Tilfældet, kan man let tænke sig, at der paa Grund af Mangel paa Homogenitet kan findes et enkelt Punkt af Prøvestykket, hvor Brudgrænsen kan naas, inden man er kommen op til Flydegrænsen for det øvrige Materiale, og i saa Fald springer Prøvestykket dér uden først at forlænges, viser sig altsaa at være skørt.

Materiale	Temperatur	Flydegrænse	Brudgrænse	Forlængelse
		kg./cm2	kg./cm2	%
Blødt Nittejærn, Svejsjærn	+18°	2870	3970	30,2
	−20°	2920	4170	29,0
	−80°	3040	4270	26,6
Martinjærn, Skibsbygningsmateriale	+18°	2400	4040	39,5
	−20°	2470	4360	38,0
	−80°	2970	4520	—
Thomasjærn, Skibsbygningsmateriale	+18°	2870	4340	35,3
	−20°	3040	4550	33,8
	−80°	3200	4620	(31,9)
Fjederstaal	+18°	3870	7720	17,7
	−20°	4020	8420	15,7
	−80°	4440	84400	12,8

Almindelige Jærnkonstruktioner ere dog sjældent udsatte for saa lav en Temperatur eller for saa stødvis en Paavirkning, at denne Skørhed faar nogen Betydning.

1. Gode Oversigter findes i: Zeitschr d. Vereins deutsch. Ing., 1896. S. 565. 596, 635 (Ledebur), Johnson: Materials of construction, 1897, S. 557, Rapport XIX de la commission des méthodes d'essai, (Le Chatelier). Udførlig Kildeangivelse findes det førstnævnte Sted.
2. Thurston: Materials of engineering, New York 1894. Part II. S. 575.
3. Report of tests at Watertown Arsenal, 1888, S. 503—13. Ogsaa refereret af Johnson: Materials of construction, S. 558. Temperaturen maaltes ved Stangens Forlængelse, idet denne antoges ensformig, ogsaa ved højere Temperaturer, hvilket neppe er korrekt. Kurverne stemme dog meget godt med lignende andetsteds fra.
4. Mittheilungen aus den königl. techn. Versuchsanstalten zu Berlin, 1893. S 292. Kurven for Brudgrænsen viser her ikke det samme Minimum ved 60° — 100° som i Fig. 123.
5. Rapport XIX de la commission des méthodes d'essai, T. II.
6. Mittheilungen, Heft 12 og 15.
7. Dens Beretning er udkommen som særligt Værk: »Vergleichende Versuche über die Feuersicherheit von Speicherstützen«, Hamburg, 1895—96. Kort Omtale af de vundne Resultater i Centralbl. d. Bauverwaltung, 1896, S. 246 og 1897, S. 507.
8. En Beretning navnlig om de ved de hamburgske Forsøg gjorte Erfaringer om forskellige Beklædninger findes i »Ingeniøren«, 1896, S. 305, 313.
9. De nævnte Forsøg ere f. Ex. refererede af Ledebur i den ovenfor nævnte Art. i Zeitschr. d. V. deutsch. Ing. 1896.
10. De nævnte Forsøg ere f. Fx. refererede af Ledebur i den ovenfor nævnte Art i Zeitschr. d. V. deutsch. Ing. 1896.
11. Mittheilungen aus den königl. techn. Versuchsanstalten zu Berlin, 1895. S. 206.
12. Rapport XIX de la commission des méthodes d'essai, T. II.