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Der Einflu der Kaltbearbeitung auf das Wrmeleitvermgen.

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500
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 22. 1935
D e r EinfEtrp
d e r Kaltbeavbeitung auf d a s Wambeleit.r?errnSgen
Ton G . TamrnarPzw zcnd W. B o e h m e
(Mit 7 Figuren)
I m folgenden wird gezeigt, daB die durch Kaltbearbeitung hervorgerufene prozentuale Vermindernng des thermischen wie des elektrischen Leitvermogens einander gleich sind, und dd3 sich beide
Eigenschaften von der Kaltbearbeitung in gleichen Temperaturintervallen erholen. Ferner wurde der Frage nachgegangen , ob
durch das Walzen ein Anisotropieeflekt des Warmeleitvermogens in
den Walzplattchen entsteht.
Das Vergleichsverfahren
zur Messung der Warmeleitf ahigkeiten zweier Drahte
Die Temperatur t nimmt in einem langen an einem Ende er-
warmten Draht im Abstaude
e-Funktion ab.
2
vom erwiirmten Ende nach folgender
i?
Hier bedeuten h die innere, cc die auBere Warmeleitfahigkeit, 0 die
Oberflache und q den Querschnitt des Drahtes.
F u r zwei Drahte von gleichen Oberflachen, Querschnitten und
aukieren Warnieleitfahigkeiten, welche an je einem Ende auf dieselben Temperaturen erwarmt sind, gilt f u r zwei Abstande z1 und z2
von den erwarmten Drahtenden, bei denen die Temperaturen in
beiden Driihten dieselben sind, folgende Gleichung.
F u r gleiche auBere Warmeleitfahigkeiten gilt die Gleichung :
Die GI. (1) ist erfullt f u r einen unendlich langen Uraht, von
dem ein Ende uber die Temperatur seiner Umgebung erwarmt ist.
Praktisch ist aber der Temperaturverlauf in einem 1 mm dicken
und 30 cm langen Draht von dem eines unendlich langen Drahtes,
G. Tammann u. W . Boehme. Elrtflu/3 der li'clltbearbeitung usw.
501
gleichen Durchmessers, nicht verschieden, wenn ein Ende desselben
um S O o uber die Temperatur der Umgebung erhitzt wird.
Die augeren Warmeleitfahigkeiten a, und u2 sind durch Strahlung
und Konvektion bedingt. Bur zwei Drahte im harten und weichen
Zustande sind die BuBeren Wa.rmeleitungen wahrscheinlich dieselben.
Hierfiir kann man folgende Erfahrung anfiihren: U'enn auf Grunrl
von Messungen nach der G1. (3) das Verhsltnis der WBrmeleitfahigkeiten zweier Driihte aus Eisen und Nickel gleich gefunden wird
dem Verhaltnis der Warmeleitf ahigkeit, gemessen nach anderen Verfahren, bei denen das a d e r e Warmeleitvermogen eliminiert wurde,
so kann man erst recht den Unterschied in den augeren Warmeleitfahigkeiten eines harten und weic,hen Drahtes vernachlassigen.
Nimmt man fur das Warmeleitvermogen des Nickels den Wert
0,839 und fur den des Eisens den Wert 0,823l) an, so ergibt sich
das Verhaltnis der beiden Wiirmeleitfiihigkeiten zu 1,02, wahrend
die Messung nach der G1. (3) den Wert 1,04 ergab.
Die Ausfuhrung des Vergleicha der Wiirmeleitf lihigkeiten
von harten und weichen Drahten
Die beiden Drahte (20 cm lang und 1 mm dick) wurden durch
Einklemmen zwischen Kupferbacken mit den Wasserbadern A und B
(Fig. 1) verbunden. Durch Einleiten von Wasserdampf wurde das
A
B
-u
K
7
Fig. 1. Apparat
GefaB B auf 100°2) erhitzt, wahrend das GefaB A auf 20° gehalten
m-urde. Vor Luftstromungen waren beide Drahte durch Glasplatten
geschiitzt.
Nachdem sich in beiden Drahten eine stationare Temperaturverteilung nach 20 Min. hergestellt hatte, wurde auf dem harten
Draht eine Stelle im Abstande xp von der Warmequelle aufgesucht,
deren Temperatur gleich war der einer Stelle des weichen Drahtes
im Abstande x1 von der %'armequelle. Hierzu dienten zwei Thermoelemente (Eisen-Konstantan 0,05 mm Durchmesser), deren Lotstellen
1) A. Eucken u. K - D i t t r i c h , Ztschr. phys. Chem. YLk. S. 211. 1935.
2) Nur bei den Drahten aus Silber und Messing wurde das GefaB B auf
nur 50° erhitzt.
Annalesk der Physik. 5. Folge. Band 23. 1935
502
an den beiden zu untersuchenden Dr5hten verschoben werden konnten
bis beide Thermoelemente den ,gleichen Galvanometerausschlag hervorriefen. Es war bequem, die eine LotsteIle am weichen Uraht zu
befestigen und die andere auf dem harten Draht zu verschieoen.
Das befestigte Thermoelement zeigte eine um 0,5 O hohere Temperatur an als das angepreBte.
Die Differenz.x, - x2 wurde mit einem Mikroskop gemessen
und so die Werte x, und x2 ermittelt.
F u r den Vergleich des Einflusses der Kaltbearbeitung auf den
elektrischen Widerstand ist es bequemer, an Stelle der Warmeleitfahigkeit den thermischen Widerstand s einzufuhren:
.
Die prozentische thermische Widerstandsdifferenz As 100 ergibt sich zu:
- 1) loo=
100 = A S * 100.
ry).
+;(
S
As
fjber den Fehler der Bestimmung von - 100, der prozentischen thermischen Widerstandsanderung durch Kaltbearbeitung, ist
zu sagen: Nine Verschiebung des Thermoelements auf dem Draht
um 0,2 mm ergab einen Galvanometerausschlag von einem Skalenteil. Die MeBgenauigkeit der Langen x1 und x2 betrug 0,2 mm,
hieraus berechnet sich ein Fehler von 0,5
wenn x1= 80,O mm ist.
Beispielsweise wurde bei der Nessung der prozentischen therAs
mischen Widerstandsdifferenz
100 eines weichen und harten
Kupferdrahtes gefunden:
-
Fur den weichen Draht x = 80,O mm,
,, ,, harten
,7
x = 79,35 ,7
',
($-1)
- 100
= l,6°/0.
Die Kaltbearbeitung wurde bei 20° in folgender Weise ausgefiihrt: Die betreffenden Metallblockchen wurden durch eine Drahtwalze von einem Querschnitt 6,5 x 6,5 mm auf 2,O mm2 herunter gewalzt und darauf zu Drahten von l mm Durchmesser gezogen. Das
Durch einstiindiges
entspricht einem Bearbeitungsgrad von 98 O/,.
Erhitzen der harten Drahte von Ag, Cu, Al, (72 Cu + 28 Zn) und
(77 Ag 23 Zn) im Wasserstoffstrom auf 350° wurden sie in den
weichen Zustand iibergefiihrt, die Drahte von F e und Ni durch Erhitzen auf 750 O.
+
G. Tammann u. W. Boehme. Einflup der Kaltbearbeitung usw. 503
Die weichen und harten Drahte waren auf Hochglanz poliert
und ihre Durchmesser stimmten bis auf 0,003 mm uberein. I n der
folgenden Tabelle sind die prozentischen thermischen A8 100 und
-
A
to
.
elektrischen -U'- 100 Widerstandsanderungen
bearbeitungsgrad von 98
angegeben.
I
555 *
f iir einen Kalt-
100
I
6,8
Ag
cu
Fe
1,ci
Ni
A1
(77 Ag 23 Zn)
(72 Cu -!- 28 Zn)
+
3,2
5,4
0
22,o
5,2
195
371
5,2
0
20,4
19,o
Die prozentischen Anderungen des elektrischen
4.
$
100 und
100 Widerstandes sind fur die Metalle Ag, Cu,
thermischen
Fe und Nickel gleich und erreichen nur kleine Betrage von hochstens
6
Sluminium zeichnet sich vor allen Metallen dadurch aus,
da% sein elektrischer Widerstand bei der Kaltbearbeitung sich nicht
vergro6ert l). Dementsprechend wurde auch gefunden, daB sein
thermischer Widerstand d u d Kaltbearbeitung nicht beeinfluSt wird.
Die beiden Mischkristalldrahte (77 Ag + 23 Zn) und (72 Cu + 28 Zn)
zeigen einen besonders hohen EinfluB der Kaltbearbeitung auf ihren
thermischen Widerstand.
Auch fur die Anderung des thermischen und elektrischen Widerstandes durch Kaltbearbeitung gilt das W i e d e m a n n - F r a n z sche
Gesetz.
Die durch Kaltbearbeitung der Metalle veranderten Eigenschaften nahern sich beim sukzessiven Erhitzen ihren Werten im
weichen Zustande. Da der relative Einflul3 der Kaltbearbeitung
auf den thermischen und elektrischen Widerstand nahezu der gleiche
ist, so war zu erwarten, da% auch die Erholungskurven beider
Widerstande einander sehr ahnlich sein werden. Die Erholungskurven (Figg. 2-7) wurden in folgender Weise bestimmt. Der harte
Draht wurde je I/, Std. lang im Wasserstoffstrom erhitzt, beginnend
100
mit der tiefsten Temperatur, abgekuhlt und der Wert
bestimmt.
-$.
1) G. Tammann u. K. L. D r e y e r , Heraeus Vacuumschmelze, Festschrift 1933. S. 86.
504
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 22. 1935
h?
1;
Fig. 2
Fig. 3
A9
Fig. 5
72 Cu + 28 Zn
Fig. 6
77Ag tZ3Zn
Fig. 7
G. Tammann u. W . Boehme. Einflub der Iialtbearbeitung usw.
505
Bei den Mischkristalldrahten: (77 Ag + 23 Zn) und (72 CU + 28 Zn)
findet man auf den Erholungskurven des thermischen, wie auf denen
des elektrischen Widerstandes zwei Erholungsintervalle, von denen
das bei hoherer Temperatur liegende wahrscheinlich dem Kupfer
bzw. dem Silber, das niedriger liegende dem Zink zuzuordnen sind.
Wird durch dae Walsen von Metallen
der thermische Widerstand von der Richtung ablihgigt
Die elektrischen Widerstande des I-iupfers in der Walzrichtung
und senkrecht zu ihr unterscheiden sich voneinander nicht 1).
Da man fur den WBrmewiderstand die Frage, ob derselbe in
Walzplattchen von der Richtung unabhangig bleibt, durch Ausmessen von Anlaufringen oder Schmelzringen entscheiden kann, so
wurden solche Versuche an mehreren Metallen ausgefuhrt. Die
Beantwortung dieser Frage scheint nicht uberfliissig, weil bei der
Verformung von Steinsalz dauernde Doppelbrechung auftritt.
Zur Erzeugung von Anlaufringen auf Eisen- und Nickelwalzplattchen kann man sie durch einen Offnungsfunken punktfiirmig
erhitzen. Hierzu legt man das Plattchen auf einen Kupferring, der
zur Anode gemacht wird und beruhrt die Mitte des Plattchens mit
einem Pt-Draht. Nach kurzem Stromdurchgang hebt man den
Pt-Draht vom Plattchen ab, wobei ein Offnungsfunke entsteht,
welcher das Metallplattchen punktfijrmig erhitzt. Auf der Unterseite des Pliittchens entstehen schone Anlaufringe, deren Durchmesser besonders zwischen den Farben Gelb und Braungelb erster
Ordnung gut zu messen sind.
Fur Eisen- und Nickelplattchen von 97O/, Walzgrad ergab die
Ausmessung der beschriebenen Anlaufringe Durchmesser senkrecht
und parallel zur Walzrichtung, welche sich urn nicht mehr als
0,02 mm, den Fehler der Messung, bei einem Durchmesser von
1,5--0,5 mm, unterschieden.
Beim punktformigen Erhitzen durch den Offnungsfunken wird
die Temperatur des Metalles unter den Anlaufringen erheblich gesteigert. Es ware also moglich, daB hierdurch schon eine Erholung
von der Kaltbearbeitung eintritt.
Zur Erzeugung von Schmelzringen auf UTalzplattchen ist eine
diinne Schicht von Paraffin nicht geeignet, denn erhitzt man die
nicht mit Paraffin uberzogene Seite punktformig durch Anlegen
eines heiBen Drahtes, so schmilzt der Teil der Paraffinschicht uber
der erhitzten Stelle und zieht sich von hier aus gegen den Rand
des nicht geschmolzenen Paraffinringes , an dem er sich wallartig
1) G . Masing, Ergebn. d. exakt. Naturw. 2. S. 177, 1924.
Annalen der Physik. 5. FoIge. 22.
33
506
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 22. 1935
hiuft. Each Entfernung des erhitzten Drahtes flieWt d a m das
flussige Paraffin zuruck und erstarrt um den Erhitznngspunkt in
Form eines Walles. Es bildet sich also nicht ein eigentlicher
Schmelzkreis, der ein und dieselbe Temperatur des Metallplattchens
anzeigt. Daher empfiehlt sich zur Erzeugung von Schmelzkreisen
die von W. Voigtl) angegebene Mischung TOU Elaidinssure mit
10 O/,, Wachs. Der Znsatz des Wachses verwandel t allerdings den
scharfen Schmelzpunkt der Elaidinsiiure in ein Schmelzintervall,
aber er erhuht die Benetzbarkeit des Metalles mit der Schnzelze,
wodurch das Zuriickweichen der fliissigen Elaidinsiure vermindert
wird. Dazu kommt , dalj die Elaidinsiiure in kleinen Sphirolithen
kristallisiert wahrend heini Paraffin eine kristalline Struktur nicht
zu erkennen ist. Bei der Abkiihlung kristallisiert die fliissig gewordene Elaidins5ure in vie1 kleineren Sphiirolithen als die der
urspriinglichen Schicht, dadurch bildet sich eine scharfe Grenze
an der Stelle, wo die Elaidinsaure geschmolzen war. Auf dieser
Grenze herrschte also zum SchluB des Schmelzens ein und dieselbe
Temperatur, so daB man den Schnielzring auf dein Walzplittchen
als eine Isotherme ansprechen darf.
Beim Ausmessen der beschriebenen Schrnelzringe parallel und
senkrecht zur Walzrichtung wurden fur Walzpliittchen aus Eisen,
Xickel, Silber, Kupfer und Aluminium von 9'i0/, Walzgrad Durchmesser gefunden, die sich um nicht inehr als 0,5"/,, ihres Wertes
unterschieden. Diese Unterschiede liegen nocli iiinerhalb der' MeBfehler. Beim Kupfer und Messing (72 Cu + 28 Zn) schwankten die
Differenzen aus nicht aufgeklarten Griinden zwischen 0 und 5"/,.
Zusammenfassend darf man sagen, daB durch das J5-alzen eine
Anisotropie des T;C'&rmeleitrermiigens niclit erzeugt w i d .
,
1) W. V o i g t , Wied. Ann. 60. S. 362. 1897.
G o t t i n g e n , Institut fur physikalische Chemie.
(Eingegangen 1G. Februar 1935)
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