Fatigue behaviour of material-adapted fibre-reinforced polymer/metal joints

Abstract

By regarding the needs and requirements in modern multi-material joining, the Flow Drill Joining Concept (FDJ) was developed at the Chemnitz University of Technology. The technology allows an efficient and material-adapted joining of thin metal sheets with continuous fibre-reinforced thermoplastics, as required in modern lightweight engineering. For a better understanding of their fatigue behaviour, single-lap FDJ joints were examined in quasi-static and dynamic tests regarding shear loads, cross tension and superimposed shear/cross tension loads. By way of example, joints between micro-alloyed steel with high yield strength for cold forming and a continuous glass/carbon fibre-reinforced polyamide 6 were investigated. The fatigue curves show inclinations between k = 8.01 (shear loads) and k = 5.17 (cross tension loads), depending on the applied load angle. The results of the fatigue testings represent a basis for the enhancement of a failure criterion for FRP/metal joints in highly stressed multi-material designs.Unter Berücksichtigung der bekannten Probleme und Anforderungen im Bereich moderner Fügetechnologien, wurde am Institut für Strukturleichtbau der TU Chemnitz das Thermomechanische Ausformfügeverfahren (TAF) entwickelt. Die Technologie erlaubt das effiziente und materialgerechte Verbinden von dünnwandigen Metallblechen mit endlosfaserverstärkten Thermoplasten. Für ein tieferes Verständnis des Ermüdungsverhaltens von TAF-Verbindungen, wurden einschnittige TAF-Proben in Scherzug-, Kopfzug- und überlagerten Scher- und Kopfzugversuchen quasi-statisch und dynamisch geprüft. Dabei wurden exemplarische Verbindungen zwischen einem mikrolegierten Stahl mit hoher Streckgrenze zum Kaltumformen (HX420LAD+Z100, 1,5 mm) und endlosfaserverstärktem Polyamid 6 (Glas- und Kohlenstofffaser) untersucht. Die Wöhlerlinien zeigen je nach Lastfall Steigungen zwischen k = 7,51 (Scherzug) und k = 4.10 (Kopfzug). Die Ergebnisse der Schwingfestigkeitsuntersuchungen werden als Basis für die Erweiterung einer neuartigen Auslegungsstrategie für Faser-Kunststoff-Verbund/Metall-Verbindungen in hochbelasteten Strukturanwendungen verwendet

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