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EFB-Forschungsbericht Nr. 348

Einfluss von kombinierter mechanisch-medialer Beanspruchung auf die Schwingfestigkeit von stanz- und blindgenieteten Mischverbindungen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Reimund Neugebauer, Dr.-Ing. Reinhard Mauermann, Dipl.-Ing. Raik Grützner Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz

120 Seiten (sw, 84 Abb., 3 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-386-8

Preis (Digital) EUR 70,00

Preis (Print) EUR 79,00

Zusammenfassung

Nietverbindungen in Mischbauweise sind im technischen Einsatz komplexen werkstoffmechanischen Einflüssen ausgesetzt, die durch eine Überlagerung der mechanischen Schwingbeanspruchung mit dem Korrosionsangriff durch Umgebungsmedien hervorgerufen werden. In zahlreichen theoretischen und experimentellen Arbeiten wurden im Hinblick auf eine Eingrenzung der Parametervielfalt diese beiden unterschiedlichen Belastungsarten getrennt voneinander betrachtet.

Da die mechanischen und korrosionsinduzierten Beanspruchungen im Produktlebenszyklus in der Regel kombiniert auftreten und sich wesentlich beeinflussen, sind systematische Untersuchungen zum Strukturverhalten von Fügeverbindungen unter mechanischer Schwingbelastung bei gleichzeitigem Korrosionsangriff durch Medien ausschlaggebend für die Entwicklung zukünftiger Leichtbausysteme in Mischbauweise.



Zielstellung des Projektes war die systematische Untersuchung zum Einfluss von überlagerter mechanisch-medialer Beanspruchung auf das Festigkeitsverhalten von stanz- und blindgenieteten Mischverbindungen. Dabei standen neue aluminiumbasierte Nietbeschichtungen, deren Bewertung gegenüber Standardbeschichtungen sowie die Charakterisierung von Schädigungsmechanismen und Wechselwirkungen auf das Lastaufnahmevermögen unter mechanisch-medialer Ermüdung im Fokus. Die Beschreibung der integralen Zusammenhänge zwischen praxisrelevanten Einflussgrößen und den erzielten Effekten erfolgte für jeweils eine schienenfahrzeug- und automobilspezifische Fügeaufgabe.

Dabei wurden die Materialkombinationen feuerverzinkter Stahl/Aluminiumlegierung und CFK/Aluminiumlegierung betrachtet. Für die mechanische Ermüdung wurden Lastkombinationen gewählt, die sowohl der grundlegenden Klärung von werkstoffmechanischen Struktureffekten dienen, als auch anwendungsbezogene Prüfbedingungen abbilden. Ausgehend von der Charakterisierung der Ausgangszustände der unbelasteten Verbindungen durch zerstörende Festigkeitsprüfung wurde in umfangreichen experimentellen Versuchen der Einfluss einer überlagerten Ermüdung auf das zyklische und quasistatische Festigkeitsverhalten untersucht.

Im Ergebnis der zyklischen Prüfung konnte aufgrund der dominierenden Versagenscharakteristik ein geringer Einfluss der jeweiligen Ermüdungsart auf die Zeitfestigkeitsverläufe der untersuchten Verbindungen festgestellt werden. Somit konnten die vermuteten Einflüsse des aufgebrachten mechanischen und/oder medialen Ermüdungsregimes auf die festigkeitsrelevanten Bereiche unter den gewählten Prüfbedingungen nicht bestätigt werden. Dagegen konnte durch die quasistatische Prüfung der Blindnietverbindungen nach kombinierter mechanisch-medialer Ermüdung eine nietbeschichtungsunabhängige Erhöhung der Verbindungssteifigkeit festgestellt werden.

Bei den Halbhohlstanznietverbindungen zeigten die aluminiumbasierten Nietbeschichtungen gegenüber der Standardbeschichtung sowohl bei unbelasteten als auch bei ermüdeten Verbindungen eine höhere Tragfähigkeit bei verändertem Kraft-Weg-Verhalten. Die Analyse der anodischen Metallauflösung an der Materialpaarung zeigte, dass eine Überlagerung von medialer und mechanischer Belastung den Elektrolytzugang in den Spaltbereichen fördert und die Schädigungsabläufe beschleunigt.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Einfluss von kombinierter mechanisch-medialer Beanspruchung auf die Schwingfestigkeit von stanz- und blindgenieteten Mischverbindungen“ wurde im Rahmen des AiF/DFG-Clusters „Kombinierte mechanisch-mediale Alterung von Nietverbindungen in Mischbauweise (KOMMA)“ unter der Fördernummer AiF 16250 BR von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 348 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelzeichen und Abkürzungen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
3 Zielstellung
4 Einbindung des Teilprojektes in das gesamte Clustervorhaben
5 Versuchswerkstoffe, Fügeverfahren und Probengeometrien
5.1 Versuchswerkstoffe
5.2 Fügeverfahren
5.2.1 Stanznieten mit Halbhohlniet
5.2.2 Blindnieten
5.3 Nietbeschichtungen
5.4 Probengeometrien
6 Untersuchungsprogramm
7 Wechselwirkung von Nietbeschichtung, Fügeprozess und Verbindungsausbildung
8 Festigkeitsuntersuchungen an Blindnietverbindungen
8.1 Festigkeitsverhalten unter schwingender Belastung
8.2 Festigkeitsverhalten unter quasistatischer Belastung
8.2.1 Nietbeschichtung ZnNi
8.2.2 Nietbeschichtung Galvano-Aluminium
8.2.3 Nietbeschichtung PVD
8.2.4 Vergleich der Nietbeschichtungen
9 Festigkeitsuntersuchungen an Halbhohlstanznietverbindungen
9.1 Festigkeitsverhalten unter schwingender Belastung
9.2 Festigkeitsverhalten unter quasistatischer Belastung
9.2.1 Nietbeschichtung Almac
9.2.2 Nietbeschichtung Galvano-Aluminium
9.2.3 Nietbeschichtung PVD
9.2.4 Vergleich der Nietbeschichtungen
10 Projektauswertung
10.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen
10.2 Gegenüberstellung von Projektzielen und Forschungsergebnissen
11 Literatur
12 Anhang