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Der Einflu von Ultraschall auf das Kriechen von Kupferfedern.

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Der EinfluB von Ultraschall
auf das Kriechen von Kupferfedern
~ 0 1 2R o l a n d
sipg~l
N i t 3 Abbildungen
Inlialtsiibersicht
Das Kriecheri von Metallen M ird clurch Antleruiig tier Belastuiig und der
'I'emperatur sowie durch IZorpuskularloestrahlurig beeinflufit. Uiitersuchungen
xum KinfluB voii Ultraschall auf das Iiriechen v a i zylindrischeri Schrauber,.
federn aus Kupfcr zeigeii eiiie Aktivieruiig des Porganges.
1. Einfiihrring
111 den letzteii Jahren n urde ill zuiiehmeiidem MaBe der EinfluR von
Borpuskularstrahlen auf die Kigenschaften von Werkstoffen untersucht. Auch
uber die Anderung von Festigkeit und Duktilitiit der Metalle infolge Bestrahlung wurden zahlreiche Arbeiten veroffentlicht. An d r a d e l ) fand fiir geriiig
vorgereckte Kadmiumkristalle bei BeschiiB mit a-Teilchen eine Erhohung der
FlieBgeschwindigkeit. Nach Versucheri von S c h m i d und Ljntner2)3)
dagegen zeigten Zinkkristalle nach dem BeschuD Veifestigung. Es konnte
nachgewiesen wertlen. daR a-Teilchen Prenkel-Defekte erzeugen. I n Zusammenfassuq umfarigreicher Untersucl-iungsergebnisse schreiben S c h m i d
und L i n t n e r :
,,I. Die durch 8-Bestrahlung gebiltieteii Defekte erschweren das Durchlauten
voii Versetzuiigen : sie wirken also verfestigend.
11. Bei vorher schon ,,festen" Metallen merden die Gitternelleri durch
Ikmpfung in therniische Energie umgewandelt, es tritt Entfestigung ein .'.
Rein erscheinungsmlBig wirkeii P-Strahlen gerade entgegengesetzt, d. h .
sie wirken eiitfestigend untl fordern die FlieBfrcudiglreit, da die Elektroneii
negen ihrer kleiiieren Masse als die a-Partikel weniger geeignet sind, F r e n k e l Defekte zu erzeugeii. Ahei. die Elektronen sind in der Lage, die geringen
Energiebetrage aiif Gitteratome zu iibertragen, die zur Beseitigung der durch
Vorreckimg entstandenen Gitterstiiruiigen notwendig sind.
6 b e r den EiriPluR von Ultraschall auf das Pormaiiderungsverrnogen von
Metallen ist dagegen wenig mitgeteilt wortlen.
L. B e r g m a n n 4 ) berichtet dariiber, daR Ultraschall das magnetische Verhalten von Nickel beeinflufit und die XJmmagnetisierung erleichtert. Die allo~~
l)
2,
?)
d,
E. N. da ('. Andradc, Ref. bei 2.
E. S c h m i d u. K . Lintner, Z. Metallkde 46, 71 (1955).
K. Lintnrr i i . E. Schmid, Erg. d. exakt. Naturwiss. Oh, 302-406 (1956).
1,. B e r p i n a n n , , , l k r L'ltraschall". Hirzel-17erlag Stuttgart 1964. S. 856-865.
108
A n d e n der Physik. 7 . Folge. Band 5 . 1969
tropen Umwandlurigen von Metallen gehen ebenfalls schneller vor sich. Das
lie13 alles erwarten, daB auch Verformungsvorgange unter dem EinfluB des
Ultraschalls leichter vonstatten gehen.
W. S ~ a t h ~hat
) ~sich
) mit dem Gleiten der Metalle urid dern EinfluB von
Ultraschall befaat. Er weist besonders auf eine Erscheinung hin, die sonst
kaum Beachtung findet : die RegelmgBigkeit der Gleitlinienabstande. Dafiir
schliigt er zwei Mechanismen vor:
1. An Gitterbaufehlern kann bei hoher Relastung das Gitter zusammenbrechen und Ultraschallschwingungen auslosen, die in ihrer RegelmaBigkeit
auch die Gleitlinienbildung bestimmen.
2. Beim Abgleiten zweier Ebenen treten Reibschwingungen auf, die von
sehr hoher (U.-Schall-)Frequenz sind.
E s ist niimlich interessant, daB zwischen Schallgeschwindigkeit und Gleitlamellendicke fur verschiedene Metalle ein lineares VerhBltnis entsteht.
F. B l a h a und B. Langenecker') haben Zinkkristalle unter Ultraschalleinwirkung gedehnt. Sie benutzten dazu eine P o l a n p i -Apparatur und
dehnten die Kristalldriihte bis zu 3%. Der Ultraschall wurde periodisch eingeschaltet und gab eine deutliche Beschleunigung des Abgleitens.
Da der EinfluB von Temperatur, Belastung und Korpuskularstrahlung
auf das Kriechen von Metallen schon eingehend untersucht worden ist, schien
es wiinschenswert, auch die Wirkung von Ultraschall zu studieren.
2. Versuehsanordnung
In etwas abgewandelter Form wurde eirie bereits mehrfach beschriebene
Versuchsanordnungs)9, benutzt, die im wesentlichen aus einer Analysenwaage
besteht (Abb. 1). Am linken Arm der Analysenwaage wurde die Probe senkrecht befestigt. Sie taucht~ein ein Wasserbad und wurde an ihrem unteren
Ende durch eine Klemmvorrichtung im Schalltopf
festgehalten. Der Sfhalltopf besteht ails einem
doppelwandigen GlasgefaD
(zwecks Wasserkiihlung),
im Boden befindet sich der
Schwingyuarz. Das GefBB
wurde stets so weit mit
~~
1
Abb. 1. Versuchsanordnung. K KuhlwasseranschluB,
Q Schwingquarz; F Schraubenfeder; S Spiegel; G Relastungsgewicht
5 ) W. S p l t h , ,,FlieOcnund
Kriechen der Metalle". MetallVerlag 1955,Berlin-Grunewald.
E, W. S p i l t h , z. Ifeta11 10,
910 (1956).
7 ) F.Rla1iau.B. L a n g e n e c k e r , Z. Naturwiss. 42, 556
(1955); Acta Met. 7, 93 (1969).
8) G.Ilti1leru. W.Enge1h a r d t , Ann. Physik (6) 9, 357
(1951).
9 ) D. K u h l m a n n u. G.
Masing, Z.illrtallkdc~39, 361
(1948).
R. Siegel: Einflup Tion C'ltrasekull
uuf das Kricxhen 7 on Kupferfedern
109
Wasser als Koppelmetliiim gefullt, dal3 die Feder bedeckt v a r . Die Belastung
erfolgte tiurch Auflegen von Gewichten auf die rechte Waagschale. Hierbei
mtstanden kurzfristige elastische Schwingungen, die durch eine aldiimpfung
ausgeglichen wurden. Im Drehpunkt der Waage war ein Spiegel befestigt. Auf
tliesen wurde ein heller Lichtspalt geleitet, der am Drehpunktspiegel auf einen
etwa 8 m entternten Spiegel reflektiert wurde. Von dort aus wurde er ituf eine
neben tier Analyseiiwaage stehende Skala zuriickgeworfen. Durch diese Anortlnmig war es miiglich, kleinste Langungen der Probe nach erfolgter Belastung
mit ciner Genauigkeit von 0 0 mm an d e r Skala abzulesen.
3. Versuchsmaterial
A i i \.t.~.snclisiriaterial wurde Kupferdraht von 0,s mm l~urchmesser
i n i t eiiieni Reingehalt von 99,998% Kupfer uncl einer Bruchfestigkeit von
17,skp/nim2gewahlt (6 = 2,5%). Die Proben erhielten die Form zylindrischer
Sclriraiibenfedern mit einern Windungsradius von 7,s mm. Zu diesem Zweck
wurde auf der Drehhank eine lange Feder gewickelt, aus der die einzelnen
Proben rnit j e 1 2 Windungen nngefertigt werden konnten. Danach erfolgte
eine 2stiindige Gliihung bei 120 "C, urn die bei der Probenherstellung hervorgerulenen Spannurigen auszugleichen. Um grobe Streuungeri von voriiherein
auszugleichen, wurde fiir die Hanptversuchsreihe nur eine Feder verwendet,
die nach erfolgter Reanspruchung jeweils eine halbe Stunde bei 80 "C getempert
wnrde, urn den gleichen Ausgangszustand wiederherzustellen 9).
4. Versuchsdurchfiihrung und Ergebnisse
Diirch Entarretieren der Waage wnrde die Probe belastet. Damder. Lichtspalt
unmittelbar nach der Belastung stark pendelte, war eine sichere Ablesung in den ersten Sekunden
4
iiicht moglich. Die Schwingungen
klangen jedoch diirch die am
rechten Waageiiarm angebrachte P
4
oldampiung so rasch ab. dal3 die 43
erste Ahlesung tier nun sclioii
,,kriechenden"
Delinung nach
10 Sekunden mit befriedigendcr a2
Genauigkeit erfolgen konnte. Wahrend des Kriechens wurcien die
Skalennerte i n bestimmten ZeitI
abstaiiden abgelescrt . Die Versuchstlauer betriig in jedeni Fall
Isr)Miniiten.
Infoige cler hohen Schallinten1~~60JOl9oiMIN 240300360
540
lZ0
HO
ZeitmSeKunden
sitat tles Cltraschallgcrates - die
maxiniale Schalleistung betrug bei Abb. 2. Krirchkurve einer Kupferfeder bis
5 g Bclastung, ohne und mit Ultraschall der
ciner Freyueiiz von 0,s MHz etwa
histungsstufcn 3 und 7
% W a t t - war trotz ununterbrochencr M7asserkuhlung wahrerid der Versuchsdauer von 1 5 Minuten
eine geringe Erhahung der Wassertemperatur im Schalltopf zii erwarten.
Da der Temperatureinflufi auf das Krierheii in gleicher Richtung liegt,
$
110
.lanulen der Physik. 7 . E'olge. Band 5. 1%9
\vie eine Regunstigung durrh Ultraschall, wurden eingehende Voruntersuchungen zu dieser Frage angestellt. Wahrenct einer Zeitdauer von 15 Miriuten wurde die Temperaturerhohung fur jede der sieben Leistungsstufeii
mit einem Quecksilberthermometer gemessen. Die maximale Temperaturerhohung bei der hochsten Leistungsstufe betrug 2,6 "C. Nun war zii erwarten,
tlaB durch Einbringen der Haltevorrichtimg ein Teil der durch den Ultraschall
erzeugten Warme von dieser aufgenommen wird, so daB die Temperaturerhohung sicher weniger als 2,6" betrug. Um djese Frage m i kliren, seien die
Versuchsergebnisse schon voransgenommen und mit Untersuchungen von
G. Mullera) uber den TemperatureinfluB auf das Kriechen zylindrisrheiSchraubenfedern aus Kupfer verglichen. Danach war fur eine Erhohung cler
Temperatur um 2,6 "C der Gesamtbetrag der kriechenden Dehnung nach
15 Minuten um 30 Einheit,en angestiegen. Fur einen analogen Versuch init
Ultraschall ergab sich aus unseren Versnchen ein doppelt so grol3er Gesamtbetrag fur die kriechende Dehnung.
In der Tabelle sind die Werte fur die Gesamtdehnung y zwischen 10 und
900 Sekunden fur jeden Einzelversuch zusammengestellt. Die Abb. 2 ixnd 3
zeigen die entsprechenden Kriechkurven. Die eingezeichneten Kurvenpunkte
sind Mittelwerte aus je 5 Versuchen.
Analoge Versuche an Silber zeigten das gleiche Ergebnis.
Tabelle
Jeder Il'ert stellt den Betrag der Dehnung zwisch(.n
10 und 900 Sekunden cines Einzelversuches d a i
5 g Belastung
Ohne
Ultraschall
Stufe 7
Nr .
Nr.
214
220
3,70
232
3.20
3-96
234
240
y
I
3,70
3,50
3.48
I
206
242
y
I
430
4,00
3,95
9 g Relastung
I
215
I
"3
239
I
7
I
6.45
6,OO
6.35
6,22
I
217
233
229
235
241
Y
6,25
6,80
6,90
6,95
6,86
6,76
219
225
231
237
243
6,8b
7,lb
7,Ob
735
7,25
5. SchluBfolgerungen
Aus den vorliegenden Versuchen ist ganz allgemein ersichtlich, daI3 Ultraschall das Kriechen von Metallen aktiviert. Dabei ist naturlich zu beaehten,
da13 die vom Ultraschall gleichzeitig bemirkte Temperaturerhohung des ganzen
Systems schori das Kriechen beschleunigt. Eingehende Betrachtungen uber
R.Siegel:
EiiijItiP von UltrascAall u u j dn,s Kriecheii
both
Kupfei fedel rt
111
GroWe und Auswirkung der Temperaturerhohung zeigen aber, darj die Aktivierung nicht allein darauf zuriickzufiihren ist, sondern daB ebenso eine
.,rein mechanische Wirkung" vorhanden ist. Nun ist es, betrachtet man das
Problem vom theoretischen Standpunkt, ungunstig, daB der UltraschalleinfluW nicht allein erfaflt werden kann. Rber andererseits mird fiir den
Techniker die Ultraschallwirkung
stets eine komplexe Grorje sein.
Es sei hier daraiif verwiesen,
daW beim Rau ron Strahitriebwerken bereits die Frage ,,Ultraschall und Werkstoff" tliskutiert
wird lo).
F. B l a h a untl R. L a n g e n ecker;) haben, auch weiin die
~~ersuchsbediiigunpeii
nicht ohne
weiteres vergleichbar sind, jedenfalls eine starkere Beschleiinigung
des Abgleitens bei Verformung
unter Ultraschall messen konnen,
als es bei den vorlicgentien Versuchen der Fall war. Rei einer Begriindung der unterschietllichcn Ergebnisse kanri man sich auf W.
Spath,F. BlahaundB. Langene c k e r stiitzen. W. S p a t h 5 ) hat
auf den engeii Zusammenhang
zwischen
Schallgeschv indigkeit
und
C*leitlamellendicke hingewiesen. Faat man das Kriechen
als einen Vorgang auf, der vorwiegend aus Atom-Platzn echselvorgangen an dafiir pradestiniert'en :,Storstellen" - niimlich Mosaikblockgrenzen wid Korngrenzen -- bestehb, so ist eine ausgepragte Gleitlamellenbildung erst bei starkerer plast,ischer Verformung zu beobachten.
Damit so11 kein qualitativer Unterschied z\vischeii Kriechen und FlieLjen11)
gemacht werden. Das Kriechen wird lediglich als Anfmgsstufe der plast,ischen
Verformung bet'racht>et und auf mehr oder weniger znhlreiche Atomplatzwechsel zuruckgefiihrt, wahrentl bei tler plast'ischen Umformung der gesamte
Werkstoff dem Zwang auswveichb, alle miiglichen Gleitehenen in Akt#iontreten
iind gegebrnenfalls auch Z\~iIlingsbilduiig eint,rit't,.
ti. Zusammenfassung
Nach einem Uberblick iiber verschiedene EinfluDmoglichkeiteri auf das
Kriechen von Metallen mirtl die Beeinflussung verschiedener Werkstoffeigenschaften durch Ultraschall kurz beschrieben.
lo) F.
S t a a b , Phys. Blitter S, 355 (1958).
Unter K r i e clien sei die eeitabhangige plastische~ormanderungbeiBelastungunter
dcr Elastizitiitsgrenzc vcrstandcn, mit F l i e n e n ist der WerkstofffluW bei Belastung im
plastischen Rereich qemrint.
11)
112
Annalen d e ~Physik. 7 . Folge. Band 5. 1959
I'ersuche an zylindrischen Schraubenfedern aus Kupfer wurden mit uiid
zum Vergleich auch ohne Ultraschall durchgefuhrt. Die Aktivierung des
Kriechens wird teilweise auf die gleichzeitige Erwarmung, aber vor allem auf
die mechanische Wirkung zuruckgefuhrt. Die MeBergebnisse werden im Vergleich mit denen von F. B l a h a und B. L a n g e n e c k e r diskutiert.
Z w i c k a u , Forschuugsinstitut fur bildsame Formung der Metalle.
Hei der Redaktion eingegangen am 21. Mai 1969.
~
Verantwortlich
fur die Schriftleitung: Prof. Dr. G. R i c h t e r , Zeuthen-Miersdorf, Platanenallee 6 ; fur den Anzeigenteil: DEWAG-Werbui g Lcipzig, Leipzig C 1. Friedrich-Eb-it-Str. 110, Ruf 7851. Z. Z. gilt
Anzeigenpreieliste 4. Verlag: Johann Ambrosius Earth, Leipzig C 1, Salomonstr. 18 B, Fernruf: 27681, 21682. ZLN 5066
Druck: Paul Dunnhaupt, Kothen (IV/5/1) L 209/59
Printed in Germany
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