Verringerung der Wärmeleitfähigkeit von Eisen durch Torsion

Geisteswissenschaftler · Anmeldungsdatum: 27.08.2012 Beiträge: 7 Wohnort: Osnabrück

Liebe Leute,

mein Name ist Klaus und ich schreibe grade meine Abschlußarbeit im Fach Ur- und Frühgeschichte. Ist die Wissenschaft, die sich mit den schriftlosen und schriftarmen Kulturen Europas befasst. Wir interessieren uns also für die Stein-,Bronze- und Eisenzeit sowie für das frühe Mittelalter. Ich habe als völliger physikalischer Laie ein Anliegen bezüglich meiner Arbeit.
Ich schreibe über Herdgeräte. Das sind Gegenstände wie Bratspieße oder Herdschaufeln. Hier ist eine Abbildung von einer Herdschaufel, wie sie besonders von den Kelten zum Schüren des Herdfeuers benutzt wurde.

http://saarland.digicult-museen.net/objekte/digi_einzBild.php?s=1&pi=915_2008RMS0084

Ich bin Hobbyschmied und habe von einem Hobbykollegen erfahren, dass man durch die Tordierung von Eisenstäben die Wärmeleitfähigkeit dieser herabsetzen könne. Die Tordierung wird an dem warmen Werkstück durch ein Verdrehen mit einem Schraubenschlüssel oder Zange durchgeführt. Mir ist im Zuge meiner Arbeit aufgefallen, dass die Mehrzahl derartiger Herdgeräte tordiert ist.
Meine Frage an euch:
Haltet ihr es für denkbar, dass die Wärmeleitfähigkeit durch das Tordieren abnimmt und mein Hobbykollege recht hat?

vielen Dank für eure Zeit: Klaus

franz · Anmeldungsdatum: 04.04.2009 Beiträge: 11583

Hallo Klaus,

von der, an sich spannenden und enorm wichtigen, Metallurgie habe ich leider nur laienhafte Vorstellungen. Spontan fallen mir in diesem Zusammenhang solche Griff-Formen links im Bild ein, wo echt an eine Handhabung heißer Metallteile gedacht wurde (keine Werbung!). Dabei spielt jedoch meines Erachtens eher der stärkere Luftdurchtritt eine Rolle und die Vergrößerung der Fläche gegenüber der Hand.

Bei den historischen Funden würde ich eher vermuten, daß man schon zufrieden war mit halbwegs praktikablen Formen und sich soche "stangenförmigen" Teile vielleicht einfach besser durch Verdrillung herstellen ließen. An mögliche Feinheiten der Wärmeleitfähigkeit würde ich eher in zweiter Linie denken. Da hätte doch ein Lappen oder ein provisorischer Holzgriff gereicht?

Spekulative Grüße

magician4 · Anmeldungsdatum: 03.06.2010 Beiträge: 914

Geisteswissenschaftler · Anmeldungsdatum: 27.08.2012 Beiträge: 7 Wohnort: Osnabrück

Hallo Franz, hallo Magican,

der Vergleich mit dem Dutch Oven ist garnicht schlecht. So in etwa habe ich mir den Effekt vorgestellt.
Jedoch ist es nicht so, dass man damals längliche Formen nur durch tordieren herstellen konnte. Schon die Kelten vor 2500 Jahren konnten Eisen in nahezu JEDE beliebige Form bringen. Dies geschah durch Hämmern auf dem Amboss und einige wenige Zusatzwerkzeuge wie Meißel und Punzen.
Viele Stücke aus der Eisenzeit sehen aus, wie kunstvolle Skulpturen.
Hier eine kleine Auswahl an Werkzeugen aus jener Zeit:

http://hvwiggertal.ch/heimatkunde/2008/helvetier_wauwilermoos.php

Das Tordieren erfolgte damals wie heute als letzter Arbeitsgang. Würde man versuchen, durch das Tordieren das eigentliche Endprudukt zu formen, würde dieses aufgrund der hohen Scherrkräfte zu einer Überbeanspruchung des Materials führen.
Meistens geht es dabei auch eher um die Optik. Jedoch lassen sich damit auch Pferdetrensen schärfer machen, Fußfesseln mit einer sehr scharfkantigen Oberfläche versehen oder auch bei Angelhaken ein Verrutschen des Köders verhindern.
Ich bin mir auch sicher, dass die Biegfestigkeit keine größere Rolle gespielt haben kann. Zwar war das Material kostbar, aber auch immer hinreichend dimensioniert. Eisen ist wirklich recht stabil und Herdgeräte sind nun mal keiner hohen Belastung ausgesetzt. Auch ist die Tordierung in aller Regel nicht auf der ganzen Länge angebracht. Trotzdem ist der Asepekt sehr interessant und hat auch schon Eingang in meine Arbeit gefunden. Ich habe hier noch etwas gefunden. Ich muss gestehen, dass ich nur die Hälfte davon verstehe.
http://www.patent-de.com/19910124/DE3608563C2.html
Könnte das für mein Thema eventuell nützlich sein? Es geht ja um diesen austentischen Stahl bei niedrigen Temperaturen.

beste Grüße, Klaus

magician4 · Anmeldungsdatum: 03.06.2010 Beiträge: 914

wenn ich mir die im artikel beschriebenen bearbeitungstechnischen randbedingungen zur erzielung des effekts - tordieren bei - 160°C - sowie den temperaturbereich in dem sich die veraenderte waermeleitfaehigkeit sodann besonders bemerkbar macht - im mittel so bei -100°C - ansehe...

... glaub ich eher weniger dass die das um "deine" zeit hinbekommen haben, d.h. ob es fuer dich und deine staehle einschlaegig ist

gruss

ingo

franz · Anmeldungsdatum: 04.04.2009 Beiträge: 11583

Frage am Rande: Wie geschieht die Datierung dieser Funde?

Geisteswissenschaftler · Anmeldungsdatum: 27.08.2012 Beiträge: 7 Wohnort: Osnabrück

@magican

Das hatte ich befürchtet.....
Würde es sich vieleicht trotzdem lohnen, den Effekt zu untersuchen?

@Franz

Da gibt es viele Möglichkeiten. Neben den naturwissenschaftlichen Methoden, die in der Regel zu teuer, aufwendig und oft auch ungenau sind, spielen chronologische Merkmale und der Fundkontext die Hauptrolle.
Viele Fundgruppen (Waffen, Trachtbestandteile und Keramik) lassen sich in der Regel anhand ihres Aussehens recht genau zeitlich einordnen.
So sehen die römischen Gewandschließen im frühen ersten Jahrhundert nach Christus völlig anders aus, als die im späten ersten Jahrhundert.
Hier ein kleiner Eindruck, wie sich das in der Fachliteratur in etwa liest:

http://www.replik-shop.de/Replikate/Germanen/Fibeln/Fibel-Almgren-68-Bronze::218.html

Die Datierung von Werkzeugen ist recht schwer und funktioniert fast nur über den Kontext.
Ein einfacher Hammerkopf kann theoretisch 200 vor Christus oder 1000 nach Christus datieren. Die haben sich in dem Zeitraum, von wenigen Ausnahmen abgesehen, nicht groß verändert. Wird er jedoch in einem Grab mit gut datierbaren Beifunden (Waffen, Münzen etc.) gefunden, so ist das Alter bekannt. Wird der gleiche Hammerkopf bei der Kartoffelernte im Sieb der Erntemaschine gefunden, so lässt er sich kaum einordnen.
Schön ist immer, wenn man römische oder griechische Importe im Fundgut hat. Die lassen sich dann oft auf wenige Jahre genau datieren.
Wenn ich Dir ein Buch empfehlen darf. Es nennt sich "Spuren der Jahrtausende" und gibt einen allgemein verständlichen Überblick über die wichtigen Fundplätze und Kulturen in Deutschland. Besonders sehenswert sind die sehr guten Rekonstruktionszeichnungen.
Es gibt überings viele Leute, die versuchen Archäologie interessant zu vermitteln.

Hier die HP von einem sehr lieben Kollegen von mir.

http://www.historischerfischer.de/html/fischereigeschichte.html

Hier eine Impression aus meiner museumspädagogischen Arbeit.
http://www.noz.de/lokales/55838721/archaeologie-zum-anfassen-in-lembruch

beste Grüße, Klaus

franz · Anmeldungsdatum: 04.04.2009 Beiträge: 11583

Lieber Klaus,

ich bedanke mich sehr herzlich für die interessanten historischen Einblicke! Dieses Grundinteresse - woher kommen wir? - halte ich für sehr wichtig, egal, wie man die Einzelheiten interpretiert.

Und: Ist der Bogensport nicht eine supermoderne Freizeitbeschäftigung?
smile

mfG

magician4 · Anmeldungsdatum: 03.06.2010 Beiträge: 914

franz · Anmeldungsdatum: 04.04.2009 Beiträge: 11583

Hallo Klaus,

nochmal zur Datierung: Wenn diese metallischen Gegenstände an Originalstellen gefunden werden, dann müßten doch, laienhaft gedacht, auch andere zugehörige Sachen auftauchen: Müll, verkohltes Holz, Lumpen, Knochen pipapo - wunderbarer Kohlenstoff also. Was spricht gegen die Radiokarbondatierung?

Darf ich raten: Das liebe Geld. Anders gesagt, Du hast Deine Ofengabeln usw. nicht rechtzeitig mit dem "Klimawandel" etc. verbandelt. Jeder bio-ökosophische Schneckenforscher hat das inzwischen drauf.

mfG

Geisteswissenschaftler · Anmeldungsdatum: 27.08.2012 Beiträge: 7 Wohnort: Osnabrück

Hallo Franz,

das ist der Tat in sehr vielen Fällen zutreffend. Sehr interessant z.b. ist ein Fund aus dem Osnabrücker Land vom römerzeitlichen Schlachtfeld von Kalkriese. Hier fand sich eine römische Kuhglocke, die Offenbar in sekunddärer Verwendung den Beschlag einer Wagendeichsel bildete.
Um auf die Glocke aufnehmen zu können, wurde die Deichsel mit Stroh unwickelt, dass umfangreiche Naturwissenschaftliche Untersuchungen ermöglichte. Allerdings gibt es auch viele Fundplätze, die garkeine organischen Reste liefern. Das absolute Gegenteile sind die nordischen Mooropferplätze wo sich organische Reste sehr gut erhalten.
Sehr schönes Beispiel ist das Moor von Nydam in Angeln. Hier wurde vor etwa 1700 Jahren eine ganze Armeeausrüstung in einem später verlandeten See versenkt.
http://de.wikipedia.org/wiki/Nydam-Schiff
Ebenso fand sich Speerschäfte, Holzschilde und Textilien, die uns einen guten Eindruck von dem damaligen Lebensumständen geben.
Es macht allerdings wirklich keinen Sinn alle möglichen Fundstücke C 14 zu datieren. Die Chronologie ist nach fast 200 Jahren Forschung ziemlich gut. 1836 fiel einem dänischen Gelehrten mit Namen Thomsen auf, dass Fundinventare von Stücken aus Stein, Bronze und Eisen eine zeitliche Abfolge zu besitzen scheinen. Diese sehr grobe Schema wurde seitdem immer weiter verfeinert und heute können wir viele Funde anhand ihrer äußeren Merkmale gut datieren. Die 14 C Datierung bleibt besonderen Fundstücken von Bedeutung vorbehalten. Ob eine einzige keltische Herdschaufel 100 v. oder 50 v. datiert ist in der Regel nicht wirklich interessant. Ob allerdings zu Zeitpunkt der Absetzung des letzten römischen Kaisers noch römische Truppen in Süddeutschland stationiert waren hingegen schon. Hier würde es sich wirklich lohnen entsprechende Funde zu untersuchen.
Ich habe überings noch etwas Interessantes über mein Wärme-Problem entdeckt.

http://iopscience.iop.org/1478-7814/36/1/321/pdf/1478-7814_36_1_321.pdf

Das werde ich gleich mal durcharbeiten. Sind solche alten Publikationen glaubwürdig? In der Archäologie gibt es da oft Probleme. In dem Giftschrank in unserer Abteilung lagern epochale Werke wie: "Der Anteil der jüdischen Rasse am Untergangs des römischen Reiches" oder "Atlantis als Heimat der Urgermanen".

politisch korrekte Grüße aus der ULB Münster: Klaus

franz · Anmeldungsdatum: 04.04.2009 Beiträge: 11583

Danke für die interessante Schilderung! Über Glaubwürdigkeiten kann ich nichts sagen. Mich wundert bloß Eur Giftschrank; über sowas haben wir schon vor 50 Jahren gelacht - in DDR Bibliotheken. Sag bitte, daß das nicht stimmt!

Geisteswissenschaftler · Anmeldungsdatum: 27.08.2012 Beiträge: 7 Wohnort: Osnabrück

Diesen Schrank gibt es tatsächlich. Er enthält entweder sehr wertvolle oder sehr stark politisierte Literatur. Der Schlüssel kann bei der Sekretärin ohne Probleme empfangen werden. Ich bin mal von unserem Seminarleiter dabei erwischt worden, als ich eine 150 Jahre alte Publikation von besagten Herrn Thomsen auf den Kopierer kopiert habe. Ich hatte es auf die dort publizierten Schmiedewerkzeuge zwecks Anfertigung von Repliken abgesehen. Mein Vorhaben hat als Ausrede völlig ausgereicht.
An dieser Torsionsgeschichte könnte überings wirklich etwas dran sein.
Ich hatte gestern ein sehr gutes Gespräch mit einem sehr netten Materialprüfer von der Uni. Ich habe Kopien von Funden und den oben verlinkten Aufsatz vorgelegt und konnte ihn überzeugen, das die Sache untersuchenswert ist. Leider kann die Uni nur Kleinstproben untersuchen. Ich werde einige Probestücke anfertigen und die elektrische Leitfähigkeit vor und nach der Torsion untersuchen (Wiedemann Franzsche Gesetz). Das ist mit meinen Hausmitteln gut machbar und gibt vieleicht einen ersten Eindruck.

Klaus

magician4 · Anmeldungsdatum: 03.06.2010 Beiträge: 914

da bin ich jetzt aber mal wirklich neugierig, wie sich das im ergebnis ausnehmen wird (dein link im vorletzten post ist nur fuer subscriber zugaenglich), d.h. wenn du "verringerte waermeleitfaehigkeit nach torsion" einmal in verringerung der spez. leitfaehigkeit durch materialmanipulation auf metallurgischer microebene aufwschluesselst, und zum anderen in "verringerung des leitenden querschnitts", wie dann da konkret die gewichtungen liegen, i.e. ob ich mit meinen vermutungen richtig lag.

es waere daher nett von dir, wenn du entspechende messergebnisse dann spaeter auch mal mitteilen koenntest.

danke dir schonmal

ingo

Geisteswissenschaftler · Anmeldungsdatum: 27.08.2012 Beiträge: 7 Wohnort: Osnabrück

Hallo liebe Physiker,

die Untersuchungen sind gemacht und ich werde die Ergebnisse hier sehr bald einstellen.
Ich hätte jedoch vorher noch eine Bitte. Ich suche Literatur, in der die Mechanismen des Wärmeleitung von Metall erklärt werden. Es sollte hier grundlegend und leicht verständlich sein. Hat da jemand eine Idee?

beste Grüße, Klaus

Geisteswissenschaftler · Anmeldungsdatum: 27.08.2012 Beiträge: 7 Wohnort: Osnabrück

Moin zusammen,

nach vielen Problemen im letzten Jahr komme ich endlich dazu, meine Arbeit fertigzustellen. Der Aspekt mit der Wärmeleitfähigkeit habe ist geklärt. Bei der Torsion des Materials im kalten Zustand lässt sich eine ehebliche Reduktion der Wärmeleitfähigkeit erzielen. Die heute oft praktizierte Torsion im kalten Zustand war jedoch damals bei etwas größeren Querschnitten nicht möglich. Daher wurde im warmen Zustand tordiert, was ein wiederholtes Erhitzen über die Rekristallisationstemperatur erfordert.
Damit blieb die Wärmeleitfähigkeit erhalten.
Ich hätte noch eine Frage an euch. Mich interessiert jetzt ein völlig anderer Aspekt. Und zwar geht es um die Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit tordierter Metallgegenstände. Ich weiß, dass beim Tordieren im kalten Zustand Spannungen auftreten, die das Werkstück stabilisieren. Bei der Torsion im warmen Zustand kann dieses jedoch logischerweise nicht der Fall sein (s.o.). Beim Tordieren treten jedoch eine Verkürzung des Werkstücks und eine Stauchung desselben auf, so dass eine Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit naheliegend ist.
Ich würde gerne wissen:

1. Hat da jemand eine Meinung zu.

2. Kennt jemand Literatur zu dem Thema?

beste Grüße und vielen Dank,

Klaus