Als seine Aufgabe betrachtet auch Charpy, das Abhängigkeitsverhältnis zwischen chemischem Bestände und mechanischen Eigenschaften zu bestimmen und die Abänderung der Eigenschaften des Metalls mit denen der mittels des Mikroskops erkennbaren Struktur zu vergleichen.

Den Grund, warum die älteren Forschungen keine befriedigenden Ergebnisse in dieser Richtung geliefert haben, vermutet Charpy in dem Umstände, dass jene fast ausschliesslich mit geschmolzenen, noch in keiner Weise mechanisch bearbeiteten Probestücken ausgeführt worden sind. Da nun einerseits mechanische, andererseits kalorische Behandlung die Eigenschaften der Metalle sehr beeinflussen, konnte jenes Verfahren der Aufgabe keinesfalls gerecht werden, zumal nicht bei Messing, das in so verschiedenen Formen gebraucht wird. Ausserdem sei ein Metall nach dem Schmelzen am wenigsten einheitlich in seinen Eigenschaften, die je nach den Bedingungen des Schmelzflusses, der Schnelligkeit der Erstarrung, der Form und den Dimensionen des Schmelzstücks wechseln, und zwar können von verschiedenen Stellen desselben Schmelzstücks entnommene Probestückchen voneinander sehr abweichendes Verhalten zeigen; selbst ein kleiner Lingot sei nicht durchaus homogen und seine Eigenschaften würden zu sehr von der Herstellungsweise beeinflusst.

Dagegen erhalte man fast vollkommene Homogenität durch mechanische Bearbeitung, z.B. sorgfältiges Walzen; daher zeigen sich die von verschiedenen Stellen von Messingplatten entnommenen Proben von fast genau gleichen Eigenschaften. Dies gelte z.B. vom Messing der französischen Artillerie, das aus 67 Teilen Kupfer und 33 Teilen Zink besteht, und der Eskadronchef Pralon, der es untersuchte, habe für dessen Prüfungen richtige Grundsätze aufgestellt und befolgt. Jedes Messingprobestück, dem durch Walzen oder andere Bearbeitung eine bleibende Formveränderung gegeben worden, sei eben mehr oder weniger „kaltgehämmert“ (écroui), seine Elastizitätsgrenze werde dabei erhöht und es könne keine weitere Formveränderung erleiden, ausser wenn man eine diese erhöhte Elastizitätsgrenze übersteigende Energie einwirken lasse. Zwischen dem leicht schmiedbaren und dem stark verarbeiteten (écroui) Messing gibt es aber eine ganze Stufenleiter von feinen Unterschieden, die man nun auf zweierlei Art erzeugen könne, einmal, indem man von den leicht schmiedbarsten Proben ausgehe und durch schrittweis wachsende Bearbeitung die Form ändere, und dann den entgegengesetzten Weg, dass man nämlich stark durchgearbeitete Proben mit gradweis zunehmender Intensität ausglühe. Proton gelangte auch zu der Schlussfolgerung, dass der Grad des Ausglühens nur von der angewandten Hitze und nicht auch von der Dauer ihrer Einwirkung abhänge, sowie dass die Schnelligkeit der Abkühlung keinen Einfluss besitze. Dieses trifft nach Charpy ziemlich genau zu, trotz der gegenteiligen Beobachtung von Le Chatelier, der eben nur mit Messingdraht experimentierte und zwar bei relativ geringer Glühtemperatur und -dauer. Dagegen teilt Charpy nicht die Meinung Pralon's, dass von jenen beiden vorerwähnten Untersuchungswegen der erste der bessere sei, sondern gibt dem zweiten den Vorzug und zwar deshalb, weil einmal das nur von der Temperaturhöhe abhängige Ausglühen leicht in Ziffern festzustellen ist, was nicht ebenso von der mechanischen Durcharbeitung gilt, und dann, weil man in der Praxis andauernd seine Zuflucht zum Ausglühen nehme, um den durch eine mechanische Operation herbeigeführten Zustand der Kalthämmerung (écrouissage) abzuändern, und es deshalb wichtig erscheine, zu erfahren, unter welchen Bedingungen das Ausglühen stattzufinden habe, um ein bestimmtes Resultat zu erzielen. Doch räumt Charpy auch jenem anderen Wege die Wichtigkeit für bestimmte Zwecke ein, insbesondere um die verschiedenen Eigenschaften einer jeden einzelnen Legierung zu bestimmen.

Das von Charpy befolgte Programm ist danach folgendes: Gemäss dem bei der gewerblichen Herstellung von Messingplatten höherer Güte befolgten Wege, Kupfer-Zinklegierungen von in geregelter Weise abgeänderter Zusammensetzung anzufertigen, diese durch fortgesetztes, kalt ausgeführtes Hämmern und Walzen, ohne jedes Ausglühen, in den möglichst ausgesprochenen Zustand des Kaltgehämmertseins überzuführen, um dann von ihnen Proben zu entnehmen, diese bei gradweis bis zum Schmelzpunkt steigender Temperatur auszuglühen und einerseits die mechanischen Eigenschaften, andererseits die mikroskopische Struktur bei den verschiedenen Zuständen zu bestimmen.

Für die Versuche, die alle dreifach ausgeführt wurden, dienten 18 verschieden zusammengesetzte Legierungen, deren erste Reihe drei umfasste, mit den Gehalten an Zink von 14,3, 20,2 und 29,0%, während in die zweite Reihe solche mit 0,0, 10,1, 18,4, 30,2, 40,4, 49,7, 60,1, 80,1 und 99,6% Zink aufgenommen waren, und endlich die dritte Reihe Legierungen von 27,1, 32,3, 34,7, 37,6, 41,7 und 44,7% Zink enthielt. Die Legierungen der ersten Reihe wurden unmittelbar hergestellt mittels Elektrolyt-Kupfer und destilliertem Zink; sie enthielten nur etwa 0,2% Verunreinigungen, unter denen Blei vorwaltete; zu den Legierungen der zweiten und dritten Reihe dienten die besten Handelsmarken von Metallen, gegossen und zu Platten gewalzt von der Compagnie Française des métaux; sie enthielten an Verunreinigungen geringe Mengen von Blei, Zinn und Eisen, zusammen 0,3 bis 0,4%. Die Legierungen mit 49,7, 60,1 und 80,1% Zink vermochten gar keine Walzarbeit auszuhalten; von jener ersten und der letzten konnte man aber im rohen Schmelzzustande Probestücke für das Feilen abschneiden und diese nach dem Ausglühen prüfen, zum Zwecke der Auskunft über das Verhalten; die Legierung mit 60,1% Zink jedoch ist hart und zerbrechlich wie Glas und liess sich zu keinem mechanischen Versuche verwenden.

Zu den verschiedenen mechanischen Prüfungen erhielten die Probestücke nun passende Gestalten und Dimensionen, über deren Einzelheiten die Originalabhandlung mit ihren dem Text einverleibten Abbildungen nachzusehen ist; für die Zugproben ähnelten die Probestückchen Planchettestangen mit verbreiterten Enden; für die Kompressionsversuche dienten 13 mm hohe und 8 mm dicke Cylinder; Stauchung und Biegung wurde an einseitig befestigten Barren von 14 mm × 9 mm × 60 mm erprobt durch den Fall eines 10 kg schweren Blockes aus Höhen von 10, 20, 30 u.s.w. cm. Geprüft wurde endlich auch noch die Härte oder der Widerstand gegen ein eindringendes Messer aus hartem Stahl, das durch allmählich wachsende Belastung eingetrieben wurde, und wobei man die Tiefe des Schnittes der verschieden hohen Belastung gegenüber beachtete.

Ausgeglüht wurden die Probestücke, insoweit Temperaturen unterhalb von 400° erzielt werden sollten, in einem mit Wärmeregulator versehenen Bade, das aus einer Mischung von Kalium- mit Natriumnitrat bestand; für mehr als 400° wurde der elektrische Ofen benutzt, dessen sich Charpy bereits zu seinen Studien über das Härten des Stahls bedient hatte; bei jenen Ausglüharbeiten liess man die Legierung ungefähr ½ Stunde lang der Maximaltemperatur ausgesetzt, während man letztere im elektrischen Ofen nur 10 Minuten lang unterhielt, nachdem man allerdings vorher sehr langsam und oft fast 1 Stunde lang die Wärme gesteigert hatte. Alle Temperaturen wurden mittels Le Chatelier's thermoelektrischem Pyrometer gemessen, das nach dem Siedepunkte des Schwefels (448°) und dem Schmelzpunkte des Goldes (1045°) als Fixpunkte graduiert war, unter der Annahme, dass innerhalb dieses Intervalls die Temperatur der Galvanometerabweichung proportional ist.

Die Ergebnisse der Zugversuche sind ebenso wie die weiter zu betrachtenden in Tabellenform zusammengestellt der Abhandlung beigegeben und hat deren Ueberblick und graphische Interpretation Charpy zu folgenden Schlussfolgerungen geführt: Hinsichtlich des Einflusses der Ausglühtemperatur erkennt man sofort, dass man durch allmählich zunehmendes Erhitzen des Metalls für alle Legierungen eine Verringerung der Reiss- oder Bruchbelastung, eine Steigerung der Streckung oder Verlängerung und eine Verkleinerung des Bruchquerschnittes herbeiführt, was um so deutlicher hervortritt, je höher die Temperatur gesteigert wird, jedoch mit Ausnahme der dem Schmelzpunkte benachbarten Temperaturen, bei denen das Metall „verbrennt“ und sich manchmal die Streckung zugleich mit dem Widerstände mindert. Doch treten diese Abänderungen nicht in stetiger Weise ein und kann die Temperaturskala in eine Anzahl von bestimmten Wirkungen entsprechenden Zonen eingeteilt werden. Geht man nämlich von der gewöhnlichen Temperatur aus, so findet man zunächst, dass das Glühen erst Erfolg hat mit Ueberschreiten einer bestimmten Temperatur, die ersichtlich, wenigstens zumeist, vom Grade der Kaltbearbeitung abhängt, der das Metall unterworfen wurde. Man hat also nicht nach einem Abhängigkeitsverhältnis dieser Grenze der Ausglühtemperatur von der chemischen Zusammensetzung zu suchen, weil man, indem der Zustand des Kaltbearbeitetseins in keine festumschriebene Bestimmung (Definition) zu fesseln ist, die verschiedenen legierten Metalle nicht in miteinander vergleichbaren Anfangsstadien aufstellen kann. Wenn man nur die Legierungen einer und derselben Reihe betrachtet, die auf nahezu identische Weise kalt bearbeitet wurden, so findet man zwar, z.B. für die Legierungen der zweiten Reihe, dass die Anfangstemperatur des Ausglühens sich erniedrigt mit wachsendem Zinkgehalte, aber damit wird nur bezeugt, dass dieselbe mechanische Behandlung einen um so stärker ausgesprochenen Zustand des Kaltbearbeitetseins (des écrouissage) hervorruft, je höher der Gehalt an Zink ist.

Sobald die untere Temperaturgrenze überschritten ist, bei der überhaupt Ausglühen eintritt, trifft man auf eine Temperaturzone, innerhalb der die Wirkung des Glühens, insoweit diese durch die Belastung und Streckung bestimmt wird, sich mit steigender Temperatur erhöht. Dieser zweiten Zone folgt eine dritte, in der die Wirkung des Ausglühens konstant bleibt, d.h. die Eigenschaften des Metalls sind dieselben, bei welchen innerhalb dieser dritten Zone gelegene Temperaturgrade man auch geglüht haben mag; das Metall zeigt alsdann denjenigen Zustand, welcher der grössten Hämmerbarkeit entspricht. Man kann sagen, dass das Ausglühen da vollkommen erreicht ist. Die Anfangstemperatur dieser Zone des vollkommenen Ausglühens scheint um so niedriger zu liegen, je geringer der Zinkgehalt ist. So erhält das bis zu 420° erwärmte Rotkupfer dieselben Eigenschaften, als wenn es bei irgend welcher anderen, zwischen 420° und 900° belegenen Temperatur geglüht worden sei. Für die Legierung mit 30% Zinkgehalt treten die Eigenschaften ausgeglühten Metalls erst nach Erwärmung auf mehr als etwa 600° ein. Bei schwächerem Ausglühen erhält man grössere Bruchbelastung und schwächere Verlängerung (Streckung).

Die Bruchbelastung betrug nämlich in Kilogramm:

Diese Konstanz der Eigenschaften, die beim Rotkupfer in die Augen fällt, wird bei gewissen Legierungen teilweise verhüllt durch auf fehlerhafte Barren zurückführbare Resultate; nichtsdestoweniger gelte allgemein, dass jeder Legierung eine Temperaturzone von verschiedener Erstreckung zukomme, innerhalb welcher ausgeführtes Ausglühen nicht nur eine Gleichheit der Bruchbelastung erzielt, sondern auch, und dies ist noch wesentlicher, Uebereinstimmung der Zugdiagramme.

Endlich kommt es vor, dass bei den dem Schmelzpunkt benachbarten sehr hohen Temperaturen das Gesetz der Eigenschaftenabänderungen zu gelten aufhört; die Rissbelastung zwar nimmt auch weiterhin ab mit steigender Temperatur, aber die mit dieser bisher anwachsende Strekkung (Verlängerung) vermindert sich zu gleicher Zeit. Diese den Messingindustriellen wohl bekannte Erscheinung, bezeichnet man gewöhnlich als „Verbrennen“ des Metalls. Der Temperaturgrad, bei dem Verbrennen eintritt, ist je nach den verschiedenen Legierungen verschieden und lässt sich darüber kein. Gesetz aufstellen. Charpy neigt auf Grund seiner Beobachtungen der Meinung zu, dass dieser Temperaturgrad vom Betrage der Verunreinigungen, insbesondere an leicht schmelzbaren Metallen, wie Blei und Zinn, abhänge. So liessen die Legierungsproben der ersten Reihe, die aus sehr reinen Metallen hergestellt waren, die Erscheinung nicht erkennen, dagegen die aus Metallen des Handels dargestellten Legierungsproben der zweiten und dritten Reihe. Uebrigens tritt sie deutlicher auf in den an Zink reichen Legierungen, die sich schon bei grösserer Entfernung von ihrem Schmelzpunkte verschlechtern; es sind das eben auch diejenigen, welche die grösste Menge von Verunreinigungen enthalten, die bekanntlich fast ausschliesslich mit dem Zink einwandern. Endlich ist diese Erscheinung noch viel deutlicher bei den im Handel vorkommenden Messingsorten, selbst bei denen von bester Art. So erwähnt auch Pralon, dass das Messing für Patronen beim Ausglühen in 600° übersteigender Temperatur verbrenne, doch ist die Richtigkeit dieser Temperaturmessung anzuzweifeln und hat Charpy an eben solcher Legierung, die etwa 0,15 Zinn und 0,20 Blei enthielt, das Verbrennen erst oberhalb von 800° beobachtet, während bei der entsprechenden reinen Legierung aus der ersten Reihe der Probestücke die Streckung selbst bei 900° noch nicht abnahm. Doch sind diese Vergleiche nicht unbedingt massgebend, weil die Probestücke des Handelsmessings andere Dimensionen hatten.

Die Skala der Ausglühtemperaturen kann also in vier Zonen eingeteilt werden, die den verschiedenen Abänderungen der von der Temperatur abhängigen Eigenschaften entsprechen; doch meint Charpy, dass die unterste (diejenige des Nichtausglühens) und die oberste Zone (die des Verbrennens) nicht sowohl von der Temperatur, sondern jene vom Zustande der Kaltbearbeitung und diese von den Beimengungen abhänge, und dass also nur zwei Zonen übrigbleiben zur Bestimmung des Abhängigkeitsverhältnisses der Eigenschaften vom chemischen Bestände. Für ganz reine Legierungen, die herzustellen unglücklicherweise fast unmöglich sei, würde das Gesetz des Ausglühens also folgendes sein: Geht man von dem Metall in bei gegebener Temperatur vollkommen durchgearbeitetem Zustande aus, d.h. wo es ohne jede Formveränderung bricht, und steigert allmählich die Temperatur, so erhält man zunächst eine schrittweise Minderung der Rissbelastung und eine entsprechende Vermehrung der Streckung (Verlängerung), dann werden oberhalb einer bestimmten Temperatur Belastung und Streckung konstant bleiben bis nahe zu dem Schmelzpunkte. Diese Zone des vollkommenen Ausglühens wird an Erstreckung allmählich einbüssen, je höher der Zinkgehalt steigt, wobei ihre untere Grenze steigt zugleich mit dem Sinken ihrer oberen, welches Sinken durch die eintretende Erniedrigung des Schmelzpunktes bedingt wird.

Nur indem man die Legierungen in den an jedem Metall darstellbaren Zuständen der vollkommenen Durcharbeitung (des écrouissage complet) oder des vollkommenen Ausgeglühtseins miteinander vergleiche, vermöge man den Einfluss der Verschiedenheit des chemischen Bestandes zu ermitteln. Ersterer kann aber nur durch wiederholtes Drahtziehen erwirkt werden und ist also in den hier verwandten Probestücken nicht vorauszusetzen gewesen, hat überhaupt nur beschränktes praktisches Interesse; wie die Kompressionsversuche wahrscheinlich machen, würden mit Probestücken dieser Art ganz entsprechende Resultate erzielt werden, wie bei den Prüfungen mit vollkommen ausgeglühten Stücken. Charpy hat also nur letztere zu Vergleichen benutzen können.

Aus der von Charpy gegebenen Tabelle mögen hier nur die für Legierungen der zweiten Reihe gefundenen Werte angeführt sein:

Die Abänderungen treten also ziemlich regelmässig ein; geht man vom Rotkupfer aus, so wächst die Rissbelastung stetig, anfangs allerdings langsamer, dann von ungefähr 35% Zinkgehalt an schneller bis zu einem in Legierungen von etwa 45% Zinkgehalt vertretenen Maximum, von dem aus sie jäh fällt. Die Verlängerung oder Streckung wächst gleicherweise mit dem Zinkgehalte, bis letzterer etwa 30% beträgt und nimmt danach schnell ab. Die am Probestücke nach dem Reissen gemessene Verlängerung ist die Summe der proportionellen oder repartierten und der Striktionsverlängerung; misst man den mittleren Durchschnitt nach dem Reissen, so kann man die Grösse der proportionellen Streckung oder Verlängerung schätzen und aus der Differenz den Wert der Striktionsverlängerung berechnen; auf diese Weise fand Charpy für die vorstehend angeführten Legierungen eine Uebereinstimmung der Abänderungen von totaler Streckung (nach dem Reissen), proportioneller und Striktionsstreckung.