Inżynieria materiałowa połączeń spawanych

Książka Inżynieria materiałowa połączeń spawanych jest pierwszym w kraju opracowaniem wyczerpująco i na dobrym poziomie tłumaczącym zjawiska fizyczne i chemiczne występujące w ciekłym metalu w procesie wytwarzania złączy spawanych przede wszystkim stali, ze szczególnym uwzględnieniem stali odpornej na korozję także stopów aluminium i nadstopów niklu. Obecny rozwój techniki – wprowadzanie nowych technologii oraz zaleceń przemysłu 4.0 – głównie automatyzacji procesów – skutkuje często koniecznością łączenia elementów metalowych maszyn, urządzeń i instalacji wykonanych z materiałów o specjalnych właściwościach. Stąd w tej publikacji skupiono uwagę na zjawiska cechujące topienie małej objętości metali skoncentrowanymi źródłami ciepła. Wykazano jednocześnie charakterystyczne dla procesów spawania zjawiska fizyczne determinujące jakość i właściwości wytwarzanych złączy spawanych. Omówiono m.in. rozcieńczanie spoiwa przez materiał spawany oraz procesy dyfuzyjne w ciekłym metalu spoiny w warunkach dużej prędkości krystalizacji, także kinetykę i sekwencję występujących przemian fazowych dla stali – w tym dla stali odpornej na korozję oraz stopów aluminium i nadstopów niklu. Określono kształtowanie mikrostruktury złączy spawanych oraz przyczyny powstawania pęknięć: krystalizacyjnych, gorących i zimnych. Książka Inżynieria materiałowa połączeń spawanych daje kompleksową wiedzę dla konstruktorów oraz technologów – niezbędną do uwzględnienia już w procesie projektowania wyrobów efektów zjawisk fizycznych występujących podczas spawania w następujących gałęziach gospodarki: - przemysł samochodowy, maszynowy, lotniczy, - budowlanka (dachy, blacha, słupy, mosty, pręty stalowe), - przemysł zbrojeniowy, - infrastruktura, media itp. Może być też przydatna dla studentów uczelni technicznych dla kierunków: inżynieria materiałowa, mechanika i budowa maszyn, inżynieria produkcji, także pokrewnych.

Wstęp 9 Wykaz używanych skrótów 13 1. Wprowadzenie 15 2. Procesy spawania 27 2.1. Klasyfikacja procesów spawania 27 2.2. Spawanie gazowe (OAW) 28 2.2.1. Charakterystyka płomienia spalania C₂H₂ z O₂ 30 2.2.2. Zalety i niedoskonałości spawania gazowego 31 2.3. Spawanie łukowe 31 2.4. Gaz osłonowy 32 2.5. Spawanie ręczne elektrodą otuloną SMAW 34 2.5.1. Otuliny elektrod 35 2.5.2. Funkcje otuliny elektrody 35 2.5.3. Zalety i niedoskonałości procesu SMAW 36 2.6. Spawanie elektrodą nietopliwą w osłonie gazowej GTAW 37 2.6.1. Biegunowość podłączenia źródła prądu 38 2.6.2. Zalety i wady GTAW 40 2.7. Spawanie elektrodą topliwą w osłonie gazowej GMAW 41 2.7.1. Transport ciekłego spoiwa 43 2.7.2. Zalety i wady procesu GMAW 44 2.8. Spawanie plazmowe PAW 44 2.8.1. Zajarzenie łuku w procesie PAW 46 2.8.2. Zalety i wady procesu PAW 46 2.9. Spawanie łukowe drutem rdzeniowym FCAW 46 2.10. Spawanie łukiem krytym (pod topnikiem) SAW 48 2.11. Spawanie elektrożużlowe ESW 49 2.12. Spawanie źródłem ciepła o dużej gęstości mocy 51 2.12.1. Spawanie wiązką elektronów EBW 51 2.12.2. Spawanie wiązką lasera LBW 53 3. Reakcje chemiczne w procesach spawania 55 3.1. Charakterystyka gazów 55 3.2. Ochrona ciekłego i gorącego metalu przed atmosferą powietrza 56 3.2.1. Wodór 59 3.2.2. Azot 61 3.2.3. Tlen 62 3.3. Topniki – zasadowość i reakcje metal↔topnik 63 4. Metale – procesy – mikrostruktura 67 4.1. Wprowadzenie 67 4.2. Umocnienie metali 71 4.2.1. Umocnienie roztworowe 72 4.2.2. Umocnienie dyslokacyjne 72 4.2.3. Umocnienie cząstkami innej fazy 74 4.2.4. Umocnienie przez rozdrobnienie ziarna 74 4.2.5. Charakterystyka umocnienia metali 75 4.3. Odporność na pękanie – udarność stali 76 4.4. Wykresy fazowe, przemiany fazowe i inne zmiany strukturalne 78 4.4.1. Przemiany fazowe 78 4.4.2. Wykresy fazowe 79 4.4.3. Składniki mikrostruktury w stopach układu Fe-Fe₃C 81 4.5. Termodynamika i kinetyka przemian fazowych 82 4.5.1. Siła pędna przemiany fazowej 83 4.5.2. Dyfuzja 83 4.6. Przemiany fazowe 84 4.6.1. Zarodkowanie i wzrost 85 4.6.2. Szybkość przemiany dyfuzyjnej 86 4.7. Procesy wytwarzania wyrobów metalowych 88 4.7.1. Odlewnictwo metali 89 4.7.2. Krystalizacja 90 4.7.3. Formy odlewnicze 92 4.8. Procesy wytwarzania odkształceniowego 94 4.8.1. Walcowanie 95 4.8.2. Kucie 96 4.9. Tarcie w procesach kształtowania odkształceniowego 96 4.10. Temperatura w procesach kształtowania odkształceniowego 98 4.11. Obróbka cieplna stopów metali 99 5. Stal na konstrukcje spawane – z wyjątkiem stali odpornej na korozję 101 5.1. Stopy żelaza 101 5.2. Wpływ pierwiastków na właściwości stali 102 5.2.1. Pierwiastki w stali 102 5.2.2. Zanieczyszczenia w stali 103 5.2.4. Postać występowania pierwiastków w stali 106 5.2.5. Wykresy czas-temperatura-przemiana – krytyczna szybkość chłodzenia 108 5.3. Kinetyka przemian dyfuzyjnych austenitu w stali 109 5.3.2. Przemiana martenzytyczna w stali 111 5.3.3. Umocnienie martenzytu 117 5.3.4. Przemiana bainityczna 118 5.3.5. Odpuszczanie 121 5.4. Stal na konstrukcje spawane 125 5.4.1. Stal niskostopowa o podwyższonej wytrzymałości 125 5.4.2. Stal do pracy w podwyższonej temperaturze 132 6. Stal odporna na korozję na konstrukcje spawane 139 6.1. Charakterystyka ogólna 139 6.2. Pierwiastki stopowe w stali odpornej na korozję 143 6.3. Kruchość stali odpornej na korozję 146 6.4. Stal odporna na korozję ferrytyczna 148 6.5. Stal odporna na korozję austenityczna 151 6.6. Stal odporna na korozję martenzytyczna 152 6.7. Stal odporna na korozję ferrytyczno-austenityczna (dwufazowa) 154 6.8. Stal odporna na korozję umacniana wydzieleniowo 155 6.9. Korozja stali odpornej na korozję 156 6.9.1. Rodzaje korozji stali odpornej na korozję 156 6.9.2. Zapobieganie korozji międzykrystalicznej 160 6.9.3. Korozja strefy wpływu ciepła złącza spawanego 161 7. Stopy umacniane wydzieleniowo na konstrukcje spawane 165 7.1. Stopy aluminium 165 7.1.1. Charakterystyka ogólna 165 7.1.2. Właściwości aluminium 166 7.1.3. Stopy aluminium do obróbki plastycznej 167 7.1.4. Umocnienie wydzieleniowe 171 7.2. Nadstopy niklu 179 7.2.1. Wprowadzenie 179 7.2.2. Umocnienie wydzieleniowe nadstopów niklu 179 8. Struktura połączeń spawanych 183 8.1. Rodzaje połączeń spawanych 183 8.2. Rozcieńczenie (zmieszanie) 185 8.3. Strefy makroskopowe połączenia spawanego 186 8.4. Strefy mikroskopowe połączenia spawanego 187 8.5. Ciekły metal w SCS w temperaturze poniżej równowagowego solidus 191 8.5.1. Mechanizm segregacyjny i stężeniowy tworzenia się ciekłego metalu na granicach ziarn – likwacja stężeniowa 192 8.5.2. Ciekły metal na granicy ziarn 195 9. Mikrostruktura strefy wpływu ciepła 197 9.1. Wprowadzenie 197 9.2. Mikrostruktura strefy wpływu ciepła – wpływ stanu materiału 198 9.2.1. Materiał wyżarzony, w którym nie zachodzą przemiany fazowe 199 9.2.2. Materiał w stanie odkształconym, w którym nie zachodzą przemiany fazowe 200 9.2.3. Stopy umacniane wydzieleniowo 202 9.3. Mikrostruktura strefy wpływu ciepła stali 203 9.3.1. Stal niestopowa i niskostopowa o małej zawartości węgla 207 9.3.2. Stal o średniej zawartości węgla 209 9.3.3. Stal odporna na korozję austenityczna 211 9.3.4. Stal nierdzewna ferrytyczna 211 9.4. Mikrostruktura strefy wpływu ciepła stopów aluminium do obróbki cieplnej 212 9.5. Mikrostruktura strefy wpływu ciepła nadstopów niklu do obróbki cieplnej 215 10. Mikrostruktura spoiny 219 10.1. Wprowadzenie 219 10.2. Krystalizacja metali 220 10.2.1. Rozdział (redystrybucja) pierwiastków rozpuszczonych 220 10.2.2. Przemieszczanie się pierwiastka rozpuszczonego w procesie krystalizacji 222 10.3. Przechłodzenie stężeniowe i kształt frontu krystalizacji 226 10.3.1. Przechłodzenie stężeniowe 227 10.3.2. Wpływ parametrów spawania na stabilność i kształt frontu krystalizacji 228 10.3.3. Krystalizacja spoiny 230 10.4. Mikrostruktura krystalizacyjna spoiny 231 10.4.1. Segregacja makroskopowa 232 10.4.2. Mikrosegregacja 234 10.4.3. Niejednorodność składu chemicznego spoiny 235 10.4.4. Wzrost ziarn w spoinie 237 10.4.5. Wpływ parametrów spawania na kształt ziarn w spoinie 239 10.5. Mikrostruktura krystalizacyjna stali odpornej na korozję austenitycznej 243 10.5.1. Mikrostruktura krystalizacyjna stali Fe-Cr 25-Ni 20% (stal 310) 247 10.5.2. Mikrostruktura krystalizacyjna stali Fe-Cr 23-Ni 14% (stal 309) 247 10.5.3. Zawartość optymalna ferrytu w spoinie stali austenitycznej 249 10.5.4. Przewidywanie mikrostruktury spoiny stali odpornej na korozję 250 10.5.5. Mikrostruktura spoiny w połączeniach różnych metali 253 11. Pęknięcia w połączeniach spawanych 257 11.1. Pęknięcia gorące 257 11.1.1. Rozszerzalność cieplna metali 258 11.1.2. Naprężenia w połączeniach spawanych 259 11.2. Pęknięcia krystalizacyjne – charakterystyka i przyczyny tworzenia 260 11.2.1. Czynniki wpływające na skłonność do pękania krystalizacyjnego 261 11.2.2. Metody zmniejszenia skłonności do pękania krystalizacyjnego 264 11.3. Pęknięcia likwacyjne 267 11.3.1. Skłonność do tworzenia pęknięć 268 11.3.2. Pęknięcia likwacyjne spoiny 270 11.4. Pęknięcia ciepłe (w stanie stałym) 270 11.4.1. Pęknięcia w zakresie zmniejszonej plastyczności 271 11.4.2. Pęknięcia ponownego nagrzewania (obróbki cieplnej po spawaniu) 275 11.4.3. Pęknięcia starzeniowo-odkształceniowe nadstopów niklu 279 11.5. Pęknięcia lamelarne w złączach stali 282 11.6. Pęknięcia w połączeniach spawanych spowodowane miedzią 283 11.7. Pęknięcia wodorowe w połączeniach spawanych 285 11.7.1. Tworzenie się pęknięć wodorowych 286 11.7.2. Wodór w złączu spawanym stali 286 11.7.3. Wpływ warunków procesu spawania na zawartość wodoru w połączeniach spawanych 290 11.7.4. Wpływ mikrostruktury na skłonność złącza spawanego stali do pękania wodorowego 291 11.7.5. Usztywnienie połączeń spawanych 293 11.7.6. Charakterystyka pęknięć wodorowych 294 11.7.7. Zapobieganie pęknięciom wodorowym 295 11.8. Pęknięcia w heterogenicznych złączach spawanych 297