Teknisk Elasticitetslære/46

by Asger Ostenfeld

§ 46. Indflydelsen af den kemiske Sammensætning.

Det ligger ganske udenfor denne Bogs Ramme at behandle Spørgsmaalet om Jærnets kemiske Sammensætning og de forskellige Indblandingers Virkning i Enkelthederne. En kort Redegørelse for Hovedpunkterne vil dog være af Betydning for en Ingeniør, der beskæftiger sig med Jærnkonstruktioner.

Kemisk rent Jærn har i Almindelighed forholdsvis ringe Styrke, men stor Seighed. I Praxis forekommer det aldrig; det er først ved Forbindelsen med forskellige andre Stoffer, og navnlig da Kulstof, at det bliver til et teknisk brugbart Materiale.

Kulstof forekommer i smedeligt Jærn i alle mulige Forhold mellem c. 0,1% og 2%; 2—2,3% er omtrent Grænsen mellem Støbejærn og smedeligt Jærn. Det kulstoffattige Jærn har mindst Styrke, størst Seighed; ved Forøgelse af Kulstofindholdet fra 0,1 til 1,0% kan man bringe Brudgrænse og Flydegrænse op til omtrent det dobbelte, men samtidig gaar Seigheden meget stærkt ned (sammenlign de i § 43 refererede Forsøg af Bauschinger med Jærn af forskelligt Kulstofindhold; se ogsaa Fig. 123).^[1] Ved c. 1% Kulstofindhold — Grænsen angives noget forskelligt, 0,8—1,3% — naar Brudgrænsen sit Maximum, og ved endnu større Kulstofindhold aftager baade Styrke og Seighed, saa Materialet nærmer sig mere og mere til at forholde sig som Støbejærn. De forskellige Former, hvori Kulstoffet optræder, og disses Betydning for Hærdning, Udglødning m. m. skulle vi ikke indlade os paa.

Af de mange andre Stoffer, der mere eller mindre almindeligt forekomme i Jærn (Staal), ere Silicium, Mangan, Phosphor og Svovl de vigtigste. Et godt Begreb om de forskellige Stoffers Virkning paa Styrke og Seighed faar man ved en Række Forsøg, der er anstillet af Arnold^[2] (Sheffield), og som vi her skulle referere. For at bestemme Virkningen af hvert Stof for sig fremstillede han Legeringer af tilnærmelsesvis rent Jærn og c. 1+1⁄2 % af vedkommende Stof, idet alle de andre sædvanlige Indblandinger saavidt muligt bleve holdte borte, og af hver Legering udvalsedes Rundstænger, der underkastedes Trækprøver. Analyser af de enkelte Prøvestykker viste, at der i intet af dem (undtagen naturligvis i den særlige Legering med vedkommende Stof) fandtes mere end 0,03 % Svovl, 0,03 % Phosphor, 0,08 % Silicium (i Manganlegeringen dog 0,37 % Si), 0,04 % Aluminium, 0,14 % Mangan (i Kullegeringen dog 0,28 % Mn.); Kulstofindholdet er nedenfor anført for hver af Legeringerne. I almindeligt Jærn forekommer intet af de nævnte Stoffer dog i saa store Mængder som 1+1⁄2 %, saa man kan ikke af Forsøgsresultaterne slutte noget bestemt om Indblandingernes Virkning under almindelige Forhold; men man faar et Begreb om, i hvilken Retning Virkningen af de enkelte Stoffer gaar. Resultaterne i Tabellen nedenfor skulle nærmest sammenlignes med Resultaterne for det valsede Jærn i 2den Linie.

Specialelement		Indhold af		Elasticitetsgrænse	Brudgrænse	Forlængelse pr. 5 cm.	Kontraktion
		Specialelement	Kulstof
		%	%	kg./cm.2	kg./cm.2	%	%
Jærn,	udstøbt	99,82	0,08	2250	3160	16,0	38,8
»	valset	99,87	0,04	2260	3430	47,0	76,5
Kulstof		1,35	1,35	7320	9060	5,0	5,6
Nikkel		1,51	0,11	3520	4210	35,3	62,0
Mangan		1,29	0,10	3570	5070	35,0	65,0
Kobber		1,81	0,10	4850	5480	30,5	62,2
Chrom		1,10	0,17	3100	4280	40,0	72,1
Wolfram		1,41	0,08	3150	4280	42,5	76,6
Aluminium		1,85	0,03	2680	4250	35,0	63,7
Silicium		1,94	0,08	3200	4990	36,0	62,4
Arsen		1,57	0,04	2780	4260	28,5	34,1
Phosphor		1,36	0,07	4560	4560	0,0	0,0
Svovl		0,97	0,08	400	400	0,0	0,0

Det ses af Tabellen, at saadanne Mængder som c. 1+1⁄2 % ikke have nogen særlig fremtrædende Virkning undtagen for Kulstof, Phosphor og Svovl; Kobber, Silicium og Mangan have dog aabenbart en afgjort gunstig Indflydelse. Undersøgelsen giver kun Oplysning om Virkningen af de nævnte Mængder af Stofferne; større Mængder give som bekendt ofte Legeringer med fremragende Egenskaber (Nikkel-, Chrom-, Wolfram-, Manganstaal o. fl.).

Silicium og Mangan forøge i de sædvanligt i Jærn forekommende Mængder Styrken, formindske Seigheden; dette er forøvrigt en almindelig Regel, som i forskellig Grad gælder næsten alle fremmede Stoffer i Jærn.

Silicium giver tættere Støbninger, Mangan modvirker Svovlets skadelige Indflydelse og tilsættes under Fremstillingen af Staal som Afiltningsmiddel. Disse to Stoffer forekomme altid i ikke ubetydelig Mængde i Staal. For at Seigheden ikke skal blive formindsket for meget, sættes i Almindelighed for Konstruktionsjærn 0,1 % Silicium og 0,3—0,5 % Mangan som Grænser, der ikke gerne maa overskrides.

Svovl gør Jærnet rødskørt, d. v. s. skørt ved Rødglødhede, i Almindelighed mest ved mørk Rødglødhede. Façonjærn med tynde Flanger kan derfor overhovedet ikke valses, naar Svovlindholdet overskrider en vis Størrelse; for Konstruktøren er dette en ganske beroligende Omstændighed, han behøver altsaa i Almindelighed kun at frygte Svovlet i Jærn, der leveres i simplere Former. Svovlets skadelige Virkning modarbejdes, som ovenfor bemærket, af Mangan, saa det tilladelige Svovlindhold kan være større, naar der er rigeligt Mangan til Stede. Medens f. Ex. 0,04 % Svovl allerede kan gøre Svejsjærn tydelig rødskørt, fordi der her intet eller næsten intet Mangan er til Stede, kan Staal endnu taale 0,08—0,1 %, naar det indeholder 0,7—0,8 % Mangan. Det tilladelige Svovlindhold varierer derfor gerne mellem 0,02 % og 0,1 %.

Phosphor forøger Styrken, men formindsker samtidig Seigheden i meget høj Grad; Jærnet bliver koldskørt. Virkningen voxer med Kulstofindholdet og viser sig langt tydeligere ved Staal end ved Svejsjærn; det forholdsvis store Procentindbold af Phosphor i Svejsjærn, der undertiden kan forekomme uden at gøre videre Skade, hidrører maaske dog som oftest fra Slaggedele og er derfor ikke i direkte Berøring med Jærnet. Det tilladelige Phosphorindhold varierer mellem 0,01 % og 0,08 %.

Der er gjort mange Forsøg paa at opstille Formler for Brudgrænse, Brudforlængelse, Kontraktion etc. som Funktion af den kendte Sammensætning^[3], uden at Bestræbelserne dog kunne siges at være lykkedes. Vanskeligheden herved ligger for en stor Del i, at den forskellige Bearbejdelse og Behandling af Jærnet spiller en ofte lige saa stor Rolle som den kemiske Sammensætning; den maa derfor i alt Fald ogsaa indgaa i Formlen paa en eller anden Maade, men at udtrykke Bearbejdelsens Effektivitet ved Tal har hidtil været umuligt.

Her i Europa har det hidtil ikke været almindelig Brug at specificere Grænser for Indholdet af skadelige Stoffer; i Nordamerika specificeres næsten altid et Maximumsindhold af Svovl og Phosphor.

1. En lang Række Resultater for Staal med forskelligt Kulstofindhold findes i »Hålfasthetsprof å svenska materialier« utg. af Järnkontoret, Stockholm, 1897, S. 19—38.
2. Refereret i Zeitschr. d. Vereins deutsch. Ing., 1894, S. 902.
3. En Del amerikanske Forsøg refereres af Johnson (Materials of construction, S. 157). En fransk Formel (Deshayes) findes i Ann. d. ponts et chaussées 1885, I, S. 767. Jüplner v. Johnstorff (Beziehungen zwischen Zerreisfestigkeit u. chemischer Zusammensetzung von Eisen u. Stahl« og »Beziehungen zwischen der chemischen Zusammensetzung u. den physikalischen Eigenschaften von Eisen u. Stahl«, Leipzig, 1895 og 1896) opregner de fleste tidligere opstillede Formler, førend han opstiller sine egne.