The Effect of Stand-Off Distance on the Structure and Properties of Zirconium - Carbon Steel Bimetal Produced by Explosion Welding

This study focuses on the effect of the stand-off distance between the bonded plates on the properties of zirconium (Zr700) - steel (P355NL2) bimetal produced by explosion welding. Bonding trials were carried out in parallel arrangement at constant detonation velocity. The analyses of microstructural transformations occurring in the bond zone and mechanical properties of the clad were performed for as-bonded welds, i.e. immediately following explosion welding. A general description of the obtained welds was made (height and length of the wave was determined) and the quantitative fraction of the melt zones was calculated along the bond's length. Using optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM) enabled the assessment of the quality of the formed bonds, initial identification of phases and quantitative analysis of the individual phases on the longitudinal section. The microhardness results were used in the analysis of hardening changes at the interface area. The completed research proves the potential to obtain a proper bond for zirconium/carbon steel sheets. A strong effect of the stand-off distance on the strength properties of the fabricated plates was observed, and the 'direction' of these transformations was pointed out. Optical microscopy and SEM examinations allowed determining the characteristic of the bond interface for diverse stand-off distances. It was established that increasing the stand-off distance between the plates causes the reduction of the melt area along the length of the bond, which improves strength properties of the bimetal. The analysis of the strength distribution performed based on the microhardness measurements showed that the changes occur within the distances up to 500μm from the bond interface and the highest hardening, for both zirconium and steel, is directly at the interface and then successively decreases.

W pracy analizowano wpływ odległości pomiędzy płytami na własności układu warstwowego cyrkon (Zr700) - stal (P355NL2) wytworzonego technologia zgrzewania wybuchowego. Próby łączenia wykonano w układzie równoległym, przy stałej prędkości detonacji. Analizy zmian mikrostrukturalnych, jakie dokonują się w strefie połączenia oraz zmian we własnościach mechanicznych plateru prowadzono dla złączy w stanie wyjściowym, tj. bezpośrednio po zgrzewaniu. Dokonano ogólnej charakterystyki otrzymanych połączeń (określono wysokość i długość fali) oraz obliczono ilościowy udział warstwy przetopień na długości połączenia. Zastosowanie mikroskopii optycznej oraz skaningowej mikroskopii elektronowej pozwoliło na ocenę jakości powstających złączy, wstępna identyfikacje faz oraz analizę ilościowa poszczególnych faz na przekroju wzdłużnym złącza. Badania mikrotwardości wykorzystano w analizie zmian umocnienia w strefie połączenia. Przeprowadzone badania dokumentują możliwość uzyskania poprawnego połączenia dla układu blach cyrkon/(stal węglowa). Wykazano silny wpływ odległości pomiędzy płytami na własności wytrzymałościowe wytworzonych płyt próbnych, a także udokumentowano 'kierunek', w jakim te zmiany podążają. Badania z wykorzystaniem mikroskopii optycznej oraz elektronowej mikroskopii skaningowej pozwoliły na scharakteryzowanie granicy połączenia dla zróżnicowanych odległości pomiędzy blachami. Stwierdzono, ze zwiększenie odległości pomiędzy łączonymi płytami powoduje zmniejszenie powierzchni przetopień na długości złącza, co polepsza własności wytrzymałościowe bimetalu. Analiza rozkładów umocnienia przeprowadzona w oparciu o pomiary mikrotwardości wykazała, ze zmiany występują w odległości do 500μm od granicy złącza; największe umocnienie, zarówno dla cyrkonu jak i stali, występuje bezpośrednio przy granicy po czym sukcesywnie spada.