Dodatkowo, rozdział 2.4 ( Wybrane zagadnienia zużycia ściernego powierzchni tocznych ), w moim przekonaniu, bardziej pasuje merytorycznie do

Transkrypt

1 dr hab. inż. Dariusz Fydrych Gdańsk, 27 lipca 2018 r. Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania Wydział Mechaniczny Politechnika Gdańska ul. Narutowicza 11/ Gdańsk RECENZJA rozprawy doktorskiej Pana mgr. inż. Zbigniewa Żurka pt.: Struktura i własności połączeń zgrzewanych materiałów stosowanych w rozjazdach kolejowych wykonanej pod opieką promotora Pana Prof. dr. hab. inż. Tadeusza Telejko opracowana na zlecenie Rady Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie z dnia 3 lipca 2018 r. 1. Wprowadzenie Następujący w naszym kraju rozwój transportu kolejowego przejawia się m.in. we wzroście wymagań eksploatacyjnych w stosunku do materiałów stosowanych na elementy linii kolejowych. Zapewnienie bezpiecznych i komfortowych przejazdów z prędkością ponad 200 km/h wymusza stosowanie na szyny stopów żelaza o wysokiej wytrzymałości oraz odporności na zużycie ścierne. Kluczowym zagadnieniem technologicznym jest wymóg łączenia bezstykowego szyn, co stanowi poważny problem ze względu na duże przekroje poprzeczne i znaczną objętość łączonych elementów, wysoką wartość równoważnika węgla w przypadku stali niestopowych oraz konieczność wykonywania złączy różnoimiennych. Jedną z kilku technologii umożliwiających wykonywanie połączeń bezstykowych szyn jest zgrzewanie rezystancyjne doczołowe iskrowe. Nie ulega wątpliwości, że złącze spajane jest newralgicznym miejscem szyny kolejowej, która stanowi specyficzną konstrukcję poddaną wyjątkowo złożonym obciążeniom. Procesy spawalnicze powodują zmiany struktury i własności wytrzymałościowych materiału rodzimego, które decydują o wytrzymałości i plastyczności obszaru, ale również o jego odporności na zużycie i procesy korozyjne. Podjęcie tematu przez Doktoranta uważam za w pełni uzasadnione, gdyż jest to zagadnienie aktualne, ważne oraz interesujące z praktycznego i naukowego punktu widzenia. 2. Charakterystyka i ocena formalna rozprawy Układ opiniowanej rozprawy doktorskiej jest klasyczny, składa się z trzynastu rozdziałów przedstawionych na 133 stronach (109 stron tekstu właściwego), które obejmują trzy główne części: wstęp (jeden rozdział), stan zagadnienia w świetle literatury (pięć rozdziałów), badania własne (siedem rozdziałów) oraz spis przytoczonych źródeł literaturowych. Klasyczny układ pracy jest nieco zaburzony przez stosowanie powtarzającej się numeracji rozdziałów w drugiej i trzeciej części pracy, co może sprawiać trudności np. podczas odwoływania się do fragmentów w innych rozdziałach. Zauważalny jest również brak sformułowania tezy pracy. Z jednej strony przyjęty, mający charakter ewaluacyjny, temat pracy nie sprzyja postawieniu tradycyjnej, wymagającej zweryfikowania, tezy, a z drugiej można podjąć próbę zaadaptowania w tym celu pierwszej części wniosku nr 8 rozprawy brzmiącego: Możliwe jest wykonanie wysokiej jakości złącza pomiędzy staliwem Hadfielda i stalą perlityczną metodą zgrzewania iskrowego z wykorzystaniem przekładki ze staliwa austenitycznego pod warunkiem spełnienia ostrych wymagań technologicznych dotyczących sposobu nagrzewania i chłodzenia złącza oraz określonych parametrów procesu. 1

2 Dodatkowo, rozdział 2.4 ( Wybrane zagadnienia zużycia ściernego powierzchni tocznych ), w moim przekonaniu, bardziej pasuje merytorycznie do rozdziału 1 drugiej części pracy ( Transport kolejowy ), gdyż traktuje głównie o uszkodzeniach w układzie koło-szyna. Pierwszy rozdział stanowiący wstęp zawiera informacje wprowadzające do zagadnień ściśle związanych z podjętą tematyką. Rozdział II stanowi opracowanie stanu zagadnienia w świetle literatury. Doktorant omawia w nim pojęcia podstawowe z zakresu transportu kolejowego, również w ujęciu historycznym, materiałów i problemów wiążących się z ich spajaniem, co bardzo dobrze wprowadza czytelnika do aktualnego stanu wiedzy. Studium literaturowe zostało zakończone podsumowaniem, w którym Autor dobrze umotywował celowość podjęcia tematu. Przedstawiony stan wiedzy jest wystarczający do wprowadzenia czytelnika do części badawczej pracy, a Doktorant wykazał się dobrą znajomością zagadnień związanych z podjętym tematem. Na główną i najobszerniejszą część pracy składa się opis badań własnych. W tej części, na stronie 55, przedstawiono cele pracy. Są one bardzo ogólnie sformułowane i nie zawierają całego, szerszego niż sugerują, zakresu pracy. Następnie Autor przedstawił charakterystykę zastosowanych materiałów podstawowych (strony 55 i 56), w kolejnych rozdziałach zakres pracy (strony 56 i 57) oraz metodykę badawczą (strony 57-63). Ten fragment rozprawy oceniam jako poprawny, szczegółowe uwagi zamieszczam w dalszej części niniejszej recenzji. Rozdział 5 (strony ) poświęcony jest prezentacji wyników badań. Doktorant racjonalnie podzielił ich opis na 4 etapy: badania wstępne obejmujące wykonanie i badania złączy zgrzewanych iskrowo z prętów 3 gatunków stopów żelaza (GX120Mn13, R260 i X10CrNi18-8), badania wpływu obróbki cieplnej na własności i strukturę staliwa GX120Mn13, badania złącza szyn zgrzewanych iskrowo (stopy: GX120Mn13, R350HT i X10CrNi18-8) oraz badania odporności na ścieranie tego złącza. Ostatnie dwa merytoryczne rozdziały (6 i 7) zawierają niemal pięciostronicową dyskusje wyników badań oraz 8 wynikających z niej wniosków. Spis literatury obejmuje 104 pozycje (różnorodne i uzasadnione merytorycznie pozycje z całego świata: artykuły z czasopism naukowych, materiałów konferencyjnych, podręczniki, a także przepisy normy i patenty), w tym 26 z ostatnich 10 lat i jedną pozycję autorstwa Doktoranta. Wszystkie źródła zostały zacytowane w treści pracy. Odwołania do starszej literatury uznaję za uzasadnione bądź podstawowym charakterem zaczerpniętych z nich informacji, bądź specyfiką podjętego tematu pracy. Uwagi edycyjne: Do najważniejszych usterek technicznych występujących w rozprawie można zaliczyć: Strony ze spisem treści nie powinny być numerowane. Tabele 4 i 5 można połączyć w jedną bez utraty informacji. Strona 29: Badania zarodkowania perlitu w staliwie Hadfielda donoszą o (niefortunne sformułowanie). Podpis rys. 28 powinien brzmieć: Zależność rezystywności żelaza od temperatury. Niekonsekwentne stosowanie terminologii: wyiskrzenie i wyiskrzanie, np. strona 43. Informacje literaturowe na stronach 44 i 45, a także 51 i 52 są zamieszczone bez cytowania źródeł. Strona 56: odległość między szczękami równa 15 mm jest wartością stałą, a nie zmienną jak sugeruje początek zdania. 2

3 Rys. 47 (strona 68) i rys. 50 (strona 71): zbyt mały rozmiar czcionki cyfr oznaczających punkty pomiaru. Nadanie Bibliografii numeru sugeruje, że spis literatury odnosi się tylko do III części pracy (Badania własne). Stwierdziłem również kilkanaście błędów interpunkcyjnych oraz literówek, które wynikły prawdopodobnie z funkcji autokorekty edytora tekstu. Poza tymi uwagami na podkreślenie zasługuje staranne przygotowanie pracy od strony graficznej, a zwłaszcza wysoka jakość zdjęć metalograficznych. 3. Ocena merytoryczna rozprawy Analizując zakres i treść pracy stwierdzam, że wpisuje się ona jednoznacznie w dyscyplinę naukową: Inżynieria Materiałowa. Pracę uważam za interesującą i merytorycznie wartościową. Pod tym względem Pan mgr inż. Zbigniew Żurek prawidłowo zrealizował zadanie badawcze będące przedmiotem rozprawy. Doktorant zaplanował i przeprowadził obszerne i komplementarne badania doświadczalne zmierzające do zweryfikowania możliwości zgrzewania złączy z dwóch stopów żelaza o różnym składzie chemicznym i odmiennej strukturze, a następnie zaproponował technologię zgrzewania iskrowego, wykonał i poddał badaniom złącze z dodatkową przekładką austenityczną. Autor prawidłowo zinterpretował wyniki badań, chociaż nie ustrzegł się pewnych błędów przy ich opracowaniu. Za szczególnie wartościowe wyniki analiz należy uznać wskazanie relacji technologiastruktura-własności badanych złączy. Szkoda, że Doktorant nie podjął próby zastosowania technik statystycznych do wyliczenia błędów pomiarowych, czy wyznaczenia zależności np. metodą analizy regresji. Do najważniejszych dokonań Doktoranta zaliczam: a) opracowanie zaleceń technologicznych do zgrzewania iskrowego badanych stopów, b) wyznaczenie charakterystyk eksploatacyjnych złącza w warunkach zbliżonych do panujących podczas użytkowania szyn, c) zbadanie skłonności do fragilizacji staliwa GX120Mn13 pod wpływem obróbki cieplnej symulującej cykl cieplny zgrzewania. Na podkreślenie zasługuje fakt, że wszystkie te osiągnięcia techniczne zostały poparte bardzo wnikliwą analizą strukturalną badanych złączy, co potwierdza bardzo dobre przygotowanie metodologiczne Doktoranta oraz jego duży potencjał jako pracownika naukowego. Praca napisana jest językiem przystępnym, jednak pojawiają się w kilku jej miejscach skróty myślowe. Na przykład: rozdział 4 ma w tytule szyny dziobowe, a w pracy nie podano ani wyjaśnienia tego terminu, ani nie jest on później stosowany; wysoki równoważnik węgla zamiast: wysoka wartość równoważnika węgla (strona 6); Zwiększenie czystości (metalurgicznej?) stali wpłynęło pozytywnie na zmniejszenie uszkodzeń (jakich? czego?). (strona 13); Gatunki (stali) dopuszczone do produkcji szyn kolejowych (strona 14); Zgrzewanie jest procesem zapewniającym trwałe połączenie w wyniku nagrzania rezystancyjnego w miejscu (strona 35); informacja, że złącza wykonano we współpracy z KZN Bieżanów w Krakowie pojawia się dopiero w dyskusji wyników badań. Lektury pracy nie ułatwia również swobodne traktowanie przez Autora kolejności opisu badań i ich wyników, co można zauważyć zarówno w tekście rozprawy, jak i na rysunkach (np. rys. 42a, rys. 52, rys. 55, rys. 56, rys. 78). Podobnie niekonsekwentnie Autor przedstawił wyniki badań mikroskopowych: przy opisie badań LM zaczynając od strony austenitycznej do perlitycznej, natomiast wyniki badań TEM scharakteryzował w odwrotnej kolejności. 3

4 Wprawdzie w zakresie badań Doktorant założył przeprowadzenie badań wizualnych i penetracyjnych, jednak nie skomentował ich wyników w dalszej części pracy. Mając jednak na uwadze, że praca jest realizowana w dyscyplinie Inżynieria Materiałowa, brak szczegółowego omówienia tych wyników nie powinien być traktowany jako poważna usterka. Na stronie 41 Autor podaje informację, że ciepło z tworzących się mostków prądowych, promieniuje do łączonych elementów.... Z literatury wynika, że decydującym mechanizmem transportu ciepła jest tym przypadku przewodzenie. Na stronie 54 Autor pisze: Istotnym czynnikiem ograniczającym zgrzewalność jest niejednorodny przekrój poprzeczny szyny mający wpływ na rozkład ciepła podczas łączenia., w mojej opinii jest to zbyt duże uproszczenie, gdyż poza przekrojem poprzecznym istotne są również inne czynniki definiujące rozkład ciepła, np. temperatura otoczenia, czy właściwości fizykochemiczne materiału podstawowego. Dyskusja wyników badań stanowiąca podsumowanie rozprawy jest napisana poprawnie i dotyczy wszystkich zaprezentowanych w pracy badań. Mankamentem w moim odczuciu jest niepodjęcie w podsumowaniu próby skonfrontowania efektów pracy z wynikami z literatury oraz wskazania kierunków kontynuacji badań. Na podstawie analizy wyników badań Pan mg inż. Zbigniew Żurek sformułował prawidłowe wnioski, jednak pewne zastrzeżenia może budzić ich forma (z ominięciem konwencji: od najbardziej ogólnych do szczegółowych, bez sformułowania wniosków perspektywicznych). Podsumowując, pod względem formalnym i merytorycznym rozprawę oceniam jednoznacznie pozytywnie, pomimo przedstawionych uwag i wątpliwości. Wszystkie powyższe i inne drobniejsze uwagi omówiłem bezpośrednio z Doktorantem. 4. Uwagi Poniżej wyszczególniam uwagi i pytania ogólne i szczegółowe, które nasunęły mi się podczas lektury pracy. Bardzo proszę o odpowiedź na postawione pytania. Uwagi ogólne: 1. Doktorant od strony 58 zamiennie stosuje terminy stal X10CrNi18-8 i staliwo X10CrNi18-8. Najbardziej jaskrawym przykładem jest tabela 24 (strona 93) oraz zdanie ze strony 106: Powtórny proces zgrzewania związany z wykonaniem połączenia pomiędzy stalą X10CrNi18-8 i staliwem GX120Mn13 nie wpłynął na mikrostrukturę uzyskanego wcześniej złącza zgrzewanego stali R350HT ze staliwem X10CrNi18-8 obserwowaną za pomocą mikroskopu świetlnego (rys. 96a, b). Czy jest to uzasadnione? 2. Termin rozstaw (rozstawienie) szczęk nie jest, moim zdaniem, dokładny. Sugeruje, że dotyczy odległości między nimi, a z punktu widzenia technologii zgrzewania złączy różnoimiennych ważniejszym parametrem geometrycznym jest umiejscowienie szczęk względem zgrzewanych brzegów. A taki parametr należałoby nazwać: odległością szczęki od krawędzi elementu albo, jak podaje literatura, długością mocowania i podawać jego wartości (tak, jak Autor rozprawy to robi na rys. 77) osobno dla obydwu łączonych elementów. Czy dobór rozstawu szczęk podyktowany był tylko wynikami dodatkowych prób zgrzewania metodą prób i błędów? Czy nie można było oprzeć się bezpośrednio na relacji między wartościami zmierzonych rezystywności badanych stopów (a to było, jak przypuszczam, celem tych badań)? 3. Jak należy rozumieć sformułowania: gotowe odlewy szynowe, technologiczne złącza, technologiczne próby zgrzewania, produkcyjne połączenia, warunki przemysłowe 4

5 odnoszące się do złączy szyn? Czy te terminy są stosowane jako synonimy mające na celu podkreślenie wykonania złączy w warunkach poza laboratoryjnych? 4. W rozdziale 5.2 opisano wpływ warunków obróbki cieplnej na mikrostrukturę i własności staliwa GX120Mn. Warunki podane w akapicie otwierającym rozdział nie są zgodne z warunkami zestawionymi w tabelach 20 i 21. Być może wynika to z podsumowującego charakteru pierwszego akapitu. Dlaczego wybrano takie warunki? Na rys. 72 brakuje punktu dla 600 C. Uwagi szczegółowe: 1. Strona 51: przytoczony wzór na ilość wprowadzonego ciepła nie jest zaczerpnięty z normy, którą Autor wskazał jako źródło (PN-EN ). Proszę podać źródło literaturowe. 2. Z czego wynikają różnice w rozkładach twardości na rys. 52 (wzrost twardości po stronie stali perlitycznej w porównaniu do rozkładu dla stopów austenitycznych)? 3. Jaka jest przyczyna innych wyników pomiarów twardości staliwa GX120Mn13 na rys. 52 i rys. 100? 4. Strony 55 i 56: Autor w tabeli 15 podaje skład chemiczny badanych materiałów, a w tabeli 16 ich właściwości wytrzymałościowe. Nie podaje jednak, na podstawie jakich dokumentów czy badań wartości te są przywołane. Czy zostały one określone na podstawie badań spektroskopowych, czy na podstawie atestów materiałowych? 5. Dlaczego podczas badań wstępnych złącza wykonano przy symetrycznym ustawieniu szczęk względem brzegów łączonych elementów? 6. Strona 56: Autor pisze: Badania wstępne technologii rezystancyjnego zgrzewania doczołowego przeprowadzono na próbkach o przekroju kwadratowym 10x10 mm i długości 55 mm. Na podstawie jakich wytycznych, czy założeń dobrano geometrię elementów do zgrzewania i w jakim stopniu odzwierciedlają one warunki zgrzewania rzeczywistych szyn? Wymienione usterki nie umniejszają wysokiej oceny, na którą zasługuje przedstawiona do recenzji rozprawa, a część moich uwag ma charakter dyskusyjny. Mam nadzieję, że okażą się one pomocne w dalszych badaniach złączy szyn kolejowych. 5. Wniosek końcowy Rozprawa jest oryginalna i ma charakter zarówno poznawczy, ponieważ wnosi nowe elementy do wiedzy o spajaniu szyn, jak i niewątpliwie aplikacyjny, gdyż jej wyniki zostały wdrożone do praktyki produkcyjnej. Autor wykazał się samodzielnością w planowaniu, realizacji badań i interpretacji ich wyników. Dojrzałość badawczą Pana mgr. inż. Zbigniewa Żurka potwierdza dobór właściwych, różnorodnych, a jednocześnie komplementarnych i nowoczesnych metod badawczych, które umożliwiły osiągnięcie celu pracy i sformułowanie wniosków oraz wdrożenie wyników pracy do zastosowania przemysłowego. Na tej podstawie stwierdzam, że opiniowana praca doktorska Pana mgr. inż. Zbigniewa Żurka pod tytułem Struktura i własności połączeń zgrzewanych materiałów stosowanych w rozjazdach kolejowych spełnia w pełni wymagania określone w Ustawie o Stopniach i Tytule Naukowym oraz o Stopniach i Tytule Naukowym w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65 z dnia 16 kwietnia 2003 roku poz. 595 z późniejszymi zmianami) i wnioskuję do Rady Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie o dopuszczenie Pana mgr. inż. Zbigniewa Żurka do publicznej obrony. Sporządził: 5