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EFB-Forschungsbericht Nr. 123

Untersuchungen zur Veränderung der Eigenschaften von Nietverbindungen nach und während einer thermischen Beanspruchung

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus-Jürgen Matthes, Dipl.-Ing. Jens Wehner, Institut für Fertigungstechnik/Schweißtechnik der Technischen Universität Chemnitz

144 Seiten (Sw 80 Abb., 9 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-255-7

Preis (Digital) EUR 59,00

Preis (Print) EUR 66,30

Schlagworte: Nietverbindung, Fertigungseinflüss, Legierung, Festigkeit, Stanzniet, Fügeverfahren

Zusammenfassung

Das Nieten besitzt insbesondere aufgrund wirtschaftlicher und ökologischer Vorteile im Vergleich zu anderen Fügeverfahren in der blechverarbeitenden Industrie unverändert Bedeutung. Insbesondere das Blindnieten und eine neue Verfahrensvariante, das Stanznieten mit Halbhohl- oder Vollniet konnten sich etablieren. Neben dem Einsatz dieser Verbindungen an mechanisch beanspruchten Bauteilen, gibt es auch zahlreiche Anwendungsfälle bei denen Nietverbindungen zusätzlich thermisch beansprucht werden. An genieteten Bauteilen können fertigungsbedingte (i. d. R. einmalige) und/oder funktionsbedingte (i. d. R. mehrmalige) thermische Beanspruchungen auftreten. Die Eigenschaften von Nietverbindungen während oder nach einer thermischen Beanspruchung sind aber kaum bekannt.

Eine umfassende Kenntnis dieser Eigenschaften bzw. Eigenschaftsänderungen solcher Verbindungen ist aber notwendig. Daraus leitet sich das Ziel dieses Forschungsvorhabens ab, die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von thermisch beanspruchten Nietverbindungen (Blind- und Stanznietverbindungen) an Stahl, Aluminium und der Kombination Stahl/Aluminium.

Für Blind- und Stanznietverbindungen an unbeschichteten und beschichteten Stahlwerkstoffen und an der Werkstoffkombination Stahl/Aluminium konnten nach einer ein- und mehrmaligen Erwärmung nur vereinzelte geringe Festigkeitsabfälle, unter die Festigkeit von thermisch unbeanspruchten Nietverbindungen, festgestellt werden. Prinzipiell fällt die Festigkeit nicht unter die Ausgangsfestigkeit thermisch unbeanspruchter Nietverbindungen und die statischen Festigkeitskennwerte steigen sogar signifikant in einem Temperaturbereich von T E = 300 °C bis T E = 400 °C auf bis zu 150 % der Höchstzugkraft thermisch unbeanspruchter Nietverbindungen (Stanznietverbindungen mit Halbhohlniet gefügt) an.

Die Ursachen dafür sind hauptsächlich Reckalterungsprozesse, die sich aber nicht negativ auf die dynamische Festigkeit auswirken, und auch Oxidationsprozesse, die die Reibverhältnisse in den Verbindungen verbessern. , Die mechanischen Eigenschaften von Blind- und Stanznietverbindungen an Aluminium nach einer einmaligen Erwärmung bleiben in der Regel unverändert, können sich aber auch, im Vergleich zu thermisch unbeanspruchten Verbindungen, in Abhängigkeit von der gefügten Legierung etwas verschlechtern. Die Ursache ist aber oft das thermische Verhalten der gefügten Grundwerkstoffe. Die mechanischen Eigenschaften von Blind- und Stanznietverbindungen während einer thermischen Beanspruchung verschlechtern sich an Stahl ab Temperaturen von ca. T E = 300 °C und an Aluminium ab Temperaturen von ca. T E = 100 °C deutlich auf bis zu 50 % der Ausgangsfestigkeit. Die Ursachen hierfür liegen aber auch im thermischen Verhalten der gefügten Grundwerkstoffe.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass Nietverbindungen nach einer praxisrelevanten thermischen Beanspruchung weitestgehend thermisch beständig sind. Die mechanischen Eigenschaften können sich aber auch unter bestimmten Bedingungen sowohl verschlechtern als auch verbessern. Die Anwender von Nietverbindungen, insbesondere kleine und mittlere Unternehmen, können im Ergebnis dieser Forschungsarbeit die Einsatzmöglichkeiten von Nietverbindungen an thermisch beanspruchten Bauteilen beurteilen und mögliche Eigenschaftsveränderungen konstruktiv berücksichtigen.

Das Forschungsvorhaben „Untersuchungen zur Veränderung der Eigenschaften von Nietverbindungen nach und während einer thermischen Beanspruchung“ wurde unter der Fördernummer AiF 10876B von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 123 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

Formelzeichen, Abkürzungen und Symbole
1 Einleitung
2 Nietverbindungen
2.1 Charakteristik und Herstellung
2.1.1 Stanznieten Halbhohlniet
2.1.2 Stanznieten Vollniet
2.1.3 Blindnieten
2.2 .Eigenschaften, Vor- und Nachteile der Nietverfahren und -Verbindungen
3 Stand der Erkenntnisse zu thermisch beanspruchten Nietverbindungen
4 Aufgabenstellung und Zielsetzung
5 Versuchsplanung
5.1 Thermische Beanspruchung
5.1.1 Möglichkeiten von thermischen Beanspruchungen für Nietverbindungen
5.1.2 Temperaturbereiche thermischer Beanspruchungen
5.1.2.1 Simulation fertigungsbedingter thermischer Beanspruchungen
5.1.2.2 Simulation funktionsbedingter thermischer Beanspruchungen
5.2 Versuchswerkstoffe
5.3 Nietverbindungen
5.4 Probengeametrien
6 Versuchsdurchführung
6.1 Herstellung der Versuchsproben
6.2 Thermische Beanspruchung von Nietverbindungen
6.2.1 Simulation einer einmaligen thermischen Beanspruchung
6.2.2 Simulation einer mehrmaligen thermischen Beanspruchung
6.2.3 Bestimmung der mechanischen Eigenschaften während einer thermischen Beanspruchung
7 Prüfverfahren und Auswertmethoden
7.1 Beurteilung der Ausbildung der Verbindungen
7.2 Bestimmung der mechanischen Eigenschaften
7.2.1 Statische Festigkeit
7.2.2 Dynamische Festigkeit
8 Festigkeitsverhalten thermisch beanspruchter Nietverbindungen
8.1 Stanznietverbindungen mit Halbhohlniet
8.1.1 Stanznietverbindungen mit Halbhohlniet an unbeschichtetem Stahl
8.1.1.1 Nach einer einmaligen thermischen Beanspruchung
8.1.1.2 Nach einer mehrmaligen thermischen Beanspruchung
8.1.1.3 Während einer thermischen Beanspruchung
8.1.2 Stanznietverbindungen mit Halbhohlniet an beschichtetem Stahl nach einer thermischen Beanspruchung
8.1.3 Stanznietverbindungen mit Halbhohlniet an Aluminium
8.1.3.1 Nach einer einmaligen thermischen Beanspruchung
8.1.3.2 Während einer thermischen Beanspruchung
8.1.4 Stanznietverbindungen mit Halbhohlniet an der Werkstoffkombination Stahl/Aluminium
8.1.4.1 Nach einer einmaligen thermischen Beanspruchung
8.1.4.2 Nach einer mehrmaligen thermischen Beanspruchung
8.2 Stanznietverbindungen mit Vollniet
8.2.1 Stanznietverbindungen mit Vollniet an unbeschichtetem Stahl
8.2.1.1 Nach einer einmaligen thermischen Beanspruchung
8.2.1.2 Nach einer mehrmaligen thermischen Beanspruchung
8.2.1.3 Während einer thermischen Beanspruchung
8.2.2 Stanznietverbindungen mit Vollniet an beschichtetem Stahl nach einer thermischen Beanspruchung
8.2.3 Stanznietverbindungen mit Vollniet an Aluminium
8.2.3.1 Nach einer einmaligen thermischen Beanspruchung
8.2.3.2 Während einer thermischen Beanspruchung 43
8.2.4 Stanznietverbindungen mit Vollniet an der Werkstoffkombination Stahl/Aluminium
8.2.4.1 Nach einer einmaligen thermischen Beanspruchung
8.2.4.2 Nach einer mehrmaligen thermischen Beanspruchung
8.3 Blindnietverbindungen
8.3.1 Blindnietverbindungen an Stahl
8.3.1.1 Nach einer einmaligen thermischen Beanspruchung
8.3.1.2 Nach einer mehrmaligen thermischen Beanspruchung
8.3.1.3 Während einer thermischen Beanspruchung
8.3.2 Blindnietverbindungen an Aluminium
8.3.2.1 Nach einer einmaligen thermischen Beanspruchung
8.3.2.2 Während einer thermischen Beanspruchung
8.3.3 Blindnietverbindungen an der Werkstoffkombination Stahl/Aluminium
8.3.3.1 Nach einer einmaligen thermischen Beanspruchung
8.3.3.2 Nach einer mehrmaligen thermischen Beanspruchung
9 Auswertung der Versuchsergebnisse
9.1 Thermisch beanspruchte Nietverbindungen an Stahlgrundwerkstoffen
9.2 Thermisch beanspruchte Nietverbindungen an Aluminiumgrundwerkstoffen
9.3 Thermisch beanspruchte Nietverbindungen an der Werkstoffkombination Stahl/Aluminium
10 Mechanismus der Eigenschaftsänderung thermisch beanspruchter Nietverbindungen an Stahlgrundwerkstoffen
11 Zusammenfassung
12 Literaturverzeichnis
Anlage 1 Bezeichnung, mechanische Kennwerte und chemische Zusammensetzung der Versuchswerkstoffe
Anlage 2 Kennwerte für Nietwerkzeuge bzw. Fügeelemente
Anlage 3 Mechanische Kenngrößen von Stanznietverbindungen mit Halbhohlniet nach und während einer thermischen Beanspruchung
Anlage 4 Mechanische Kenngrößen von Stanznietverbindungen mit Vollniet nach und während einer thermischen Beanspruchung
Anlage 5 Mechanische Kenngrößen von Blindnietverbindungen nach und während einer thermischen Beanspruchung