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EFB-Forschungsbericht Nr. 255

Ableitung eines zuverlässigen Tests für die Wirkung der Korrosion auf die Lebensdauer von mechanischen Fügeverbindungen im Schienenfahrzeugbau

EFB255.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Hanel, Dr.-Ing. habil. Rainer Franke, Dr.-Ing. Bernd Donat, FST Struktur- und Werkstoffmechnikforschung Dresden GmbH - Dr. Wolf-Dieter Kaiser, Dr.-Ing. Susanne Friedrich, Dipl. Ing. Wolfgang Thate, Institut für Korrosionsschutz GmbH, Dresden

170 Seiten (sw 220, teils farbige Abb., 32 Tab)

ISBN: 978-3-86776-215-1

Preis (Digital) EUR 93,00

Preis (Print) EUR 104,90

Zusammenfassung

Aus Untersuchungen an einem alten Schienenfahrzeug wurde ein Korrosionstest definiert, mit dem an neuen 1-Punkt-Fügeproben an den Außenflächen der Fügeelemente ein zu denAltteilen vergleichbarer Korrosionsangriff eintritt.
An den Spaltflächen der verbundenen Profile wurde keine signifikante Abhängigkeit des Gehaltes an korrosionsfördernden Elementen in Abhängigkeit von der Beanspruchungsdauer gefunden.

Im inneren Bereich der Fügung wurde sowohl direkt an den Fügewerkstoffen als auch an den Profilflächen keine Korrosion nachgewiesen. Die Fügeverbindungen sind so dicht, dass während des Belastungszeitraumes und ohne starke Zerstörung des Fügelementes kein Korrosionsmedium in den Fügebereich eindringen konnte. Die Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten von 1-Punkt-Fügeproben zeigen, dass die für Werkstoffproben entwickelte Methodik zur statistischen Planung und Auswertung übertragbar ist. Sowohl im Zeitfestigkeits- als auch im Dauerfestigkeitsbereich konnten statistisch abgesicherte Lebensdauerkennwerts ermittelt werden.

Die Untersuchungen im Zeitfestigkeitsbereich der Ermüdung ergaben, dass nur in den hohen
Belastungsniveaus ein Einfluss der Vorkorrosion nachweisbar ist. Die vermutete Parallelverschiebung
der Zeitfestigkeitsgeraden und damit ein konstanter Wählerlinienexponent k mit zunehmender Dauer der Vorkorrosion ist nicht belegbar.
Die Dauerfestigkeit zeigt eine schwache Abhängigkeit von der Dauer der Vorkorrosion. Bei der Serie 2 mit dem Blindniet trat zwischen den unkorrodierten und den korrodierten Proben ein Wechsel im Versagensmechanismus ein.
Das geringfügige Absinken der Dauerfestigkeit mit der Dauer der Vorkorrosion kann mit der Veränderung der Steifigkeit der Proben durch den Flächenabtrag an den Aluminiumprofilen bei den Serien 2 und 3 und am Fügeelement der Serie 4 begründet werden. Dadurch tritt bei der Scherzugbelastung an der Kante zwischen Profil und Fügeelement ein etwas höherer Biegeanteil auf, das Fügelement wird stärker deformiert und versagt eher. Insgesamt ist die Verringerung der Dauerfestigkeit nach 1000 h Vorkorrosion maximal 11 % für die untersuchten Varianten.

Die statische Festigkeit der untersuchten Fügevarianten wird von der Korrosionsdauer nicht beeinflusst. Sowohl für die Streckkraft als auch für die Maximalkraft wurde keine Abminderung mit zunehmender Korrosionsdauer gefunden.

Die Korrosionsprozesse führten an den Fügeelementen nur außen zur Korrosion. An den Kontaktflächen zwischen den Teilen des Fügeelementes und den Profilen sowie in der Vorlochbohrung trat keine Korrosion auf. Da die Zugfestigkeit durch Bruch des Fügeelementes zwischen den Profilen bestimmt wird und sich der Querschnitt der Fügeelemente nicht ändert, müssen auch die Streckkraft und die Maximalkraft konstant bleiben.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das Forschungsvorhaben „Ableitung eines zuverlässigen Tests für die Wirkung der Korrosion auf die Lebensdauer von mechanischen Fügeverbindungen im Schienenfahrzeugbau“ wurde unter der Fördernummer AiF 13827 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. 255 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

0 Zusammenfassung
1 Einleitung
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Leichtbau im Schienenfahrzeugbau
2.2 Kaltfügetechniken  im Schienenfahrzeugbau
2.2.1 Einleitung
2.2.2 Nieten
2.2.3 Vollnieten
2.2.4 Schließringbolzen
2.2.4.1 Standard-Schließringbolzen
2.2.4.2 Hochfest vorgespannte Schließringbolzen
2.2.5 Stanznietsysteme
2.2.5.1 Stanzniete
2.2.5.2 Stanzmuttern und -bolzen
2.2.6 Blindnietsysteme
2.2.6.1 Standard-Biindniete
2.2.6.2 Mehrbereichs-Biindniete
2.2.6.3 Hochfeste Blindniete
2.2.6.4 Blindnietmuttern und -bolzen
2.3 Werkstoffermüdung
2.3.1 Einleitung
2.3.2 Ermüdungsbruch
2.3.3 Ermüdungsfestigkeit
2.3.4 Wöhlerlinie und -versuch
2.4 Planung und Auswertung von Schwingversuchen
2.4.1 Grundlagen
2.4.2 Versuche auf einem Prüfhorizont des Zeitfestigkeitsgebietes
2.4.3 Versuche auf mehreren Prüfhorizonten des Zeitfestigkeitsgebietes
2.4.4 Treppenstufenverfahren zur Bestimmung der Dauerfestigkeit
2.4.4.1 Planung
2.4.4.2 Auswertung
3 Korrosionsprozesse
3.1 Eigenkorrosion
3.2 Bimetallkorrosion
3.3 Spaltkorrosion
4 Proben und experimentelle Bedingungen
4.1 Probenformen und Verbindungselemente
4.2 Statische und zyklische Beanspruchung
4.3 Korrosionsbeanspruchung
4.3.1 Analyse des Korrosionsmechanismus
4.3.1.1 Probe 1, Anbaukasten
4.3.1.2 Probe 2, SchlossabdeckunQ
4.3.1.3 Probe 3, Rangiertritt
4.3.1.4 Probe 4, Klappenaufhängung
4.3.1.5 Probe 5, Aufhängungsöse
4.3.1.6 Probe 6, Aufhängungsöse
4.3.1.7 Probe 7, Befestigungsschraube für Türgriff
4.3.1.8 Probe 8, EI-Abdeckung
4.3.1.9 Dämpfungsreifen
4.3.2 Ergebnisse der Oberflächenanalysen
4.3.3 Definition eines schienenfahrzeugspezifischen Korrosionstests
5 Ergebnisse
5.1 Ergebnisse der Korrosionsprozesse
5.1.1 Stanznietnietverbindung
5.1.2 Blindnietverbindung
5.1.3 Stanzmutterverbindung
5.1.4 Schließringbolzenverbindung
5.1.5 Korrosionsversuche an Stanznietverbindung mit erhöhten S02-Gehalten
5.1.5.1 S02-Gehalt: 10 ppm
5.1.5.2 S02-Gehalt: 0,21/300I Luft (0,067%)
5.1.6 Zusammenfassung der Ergebnisse der Korrosionsuntersuchungen
5.2 Ergebnisse der statischen Belastung
5.2.1 Stanzniet - Serie 1
5.2 Ergebnisse der statischen Belastung
5.2.1 Stanzniet - Serie 1
5.2.2 Blindniet- Serie 2
5.2.3 Stanzmutter- Serie 3
5.2.4 Schließringbolzen - Serie 4
5.3 Ergebnisse der zyklischen Belastung
5.3.1 Steifigkeitsmessung an Einpunktfügeproben
5.3.1.1 Stanzgenietete Proben - Serie 1
5.3.1.2 Blindniet-Serie 2
5.3.1.3 Stanzmutter-Serie 3
5.3.1.4 Schließringbolzen - Serie 4
5.3.2 Bestimmung der Zeitfestigkeit
5.3.2.1 Bestimmung der Zeitfestigkeit ohne Vorkorrosion
5.3.2.1.1 Stanzgenietete Proben - Serie 1
5.3.2.1.2 Proben mit Blindniet-Serie 2
5.3.2.1.3 Proben mit Stanzmutter- Serie 3
5.3.2.1.4 Proben mit Schließringbolzen- Serie 4
5.3.2.2 Bestimmung der Zeitfestigkeit mit Vorkorrosion
5.3.2.2.1 Stanzgenietete Proben - Serie 1
5.3.2.2.2 Proben mit Blindniet-Serie 2
5.3.2.2.3 Proben mit Stanzmutter- Serie 3
5.3.2.2.4 Proben mit Schließringbolzen -Serie 4
5.3.3 Bestimmung der Dauerfestigkeit
5.3.3.1 Bestimmung der Dauerfestigkeit  ohne Vorkorrosion
5.3.3.1.1 Stanzgenietete Proben - Serie 1
5.3.3.1.2 Proben mit Blindniet-Serie 2
5.3.3.1.3 Proben mit Stanzmutter- Serie 3
5.3.3.1.4 Proben mit Schließringbolzen -Serie 4
5.3.3.2 Bestimmung der Dauerfestigkeit  mit Vorkorrosion
5.3.3.2.1 Proben mit Stanzniet- Serie 1
5.3.3.2.2 Proben mit Blindniet-Serie 2
5.3.3.2.3 Proben mit Stanzmutter- Serie 3
5.3.3.2.4 Proben mit Schließringbolzen -Serie 4
5.4 Ergebnisse der metallegraphischen Untersuchungen
5.4.1 Analyse der Bruchmechanismen
5.4.1.1 Stanzgenietete Proben - Serie 1
5.4.1.2 Proben mit Blindniet-Serie 2
5.4.1.3 Proben mit Stanzmutter-Serie 3
5.4.1.4 Proben mit Schließringbolzen- Serie 4
6 Auswertung und Diskussion
6.1 Vergleich der Kennwerte aus statischer Belastung
6.2 Vergleich der Kennwerte aus den Zeitfestigkeitsuntersuchungen 
6.3 Vergleich der Kennwerte aus den Dauerfestigkeitsuntersuchungen
6.4 Zusammenhang von Ermüdungskennwerten und Korrosionsprozessen
7 Literatur