Эквивалентное содержание углерода

Концепция эквивалентного содержания углерода используется в черных материалах, обычно в стали и чугуне , для определения различных свойств сплава, когда не только углерод используется в качестве легирующего вещества , что является типичным. Идея состоит в том, чтобы преобразовать процентное содержание легирующих элементов, отличных от углерода, в эквивалентное процентное содержание углерода, поскольку фазы железо-углерод лучше изучены, чем другие фазы сплавов железа. Чаще всего эта концепция используется при сварке , но также применяется при термообработке и литье чугуна.

Сталь

При сварке эквивалентное содержание углерода (CE) используется, чтобы понять, как различные легирующие элементы влияют на твердость свариваемой стали. Это напрямую связано с холодным растрескиванием , вызванным водородом , которое является наиболее распространенным дефектом сварного шва стали, поэтому его чаще всего используют для определения свариваемости . Более высокие концентрации углерода и других легирующих элементов, таких как марганец , хром , кремний , молибден , ванадий , медь и никель, имеют тенденцию увеличивать твердость и снижать свариваемость. Однако каждый из этих элементов имеет тенденцию влиять на твердость и свариваемость стали в разной степени, что делает необходимым метод сравнения, чтобы судить о разнице в твердости между двумя сплавами, изготовленными из разных легирующих элементов. Есть две обычно используемые формулы для расчета эквивалентного содержания углерода. Один из них разработан Американским обществом сварщиков (AWS) и рекомендован для конструкционных сталей, а другой — это формула, основанная на Международном институте сварки (IIW).

AWS утверждает, что при эквивалентном содержании углерода выше 0,40% существует вероятность растрескивания в зоне термического влияния (ЗТВ) на кромках огневой резки и сварных швах. Однако стандарты проектирования конструкций редко используют CE, а скорее ограничивают максимальный процент определенных легирующих элементов. Эта практика началась еще до появления концепции CE, поэтому ее продолжают использовать. Это привело к проблемам, поскольку в настоящее время используются некоторые высокопрочные стали с CE выше 0,50%, которые имеют хрупкие разрушения.

$CE=\%{\text{C}}+{\frac {\%{\text{Mn}}+\%{\text{Si}}}{6}}+{\frac {\%{\text{Cr}}+\%{\text{Mo}}+\%{\text{V}}}{5}}+{\frac {\%{\text{Cu}}+\%{\text{Ni}}}{15}}$

Другая и наиболее популярная формула — формула Дирдена и О’Нила, принятая IIW в 1967 году. Эта формула оказалась подходящей для прогнозирования прокаливаемости широкого спектра обычно используемых простых углеродистых и углеродисто-марганцевых сталей, но не для микролегированных высокопрочных низколегированных сталей или низколегированных хромомолибденовых сталей. Формула определяется следующим образом:

$CE=\%{\text{C}}+{\frac {\%{\text{Mn}}}{6}}+{\frac {\%{\text{Cr}}+\%{\text{Mo}}+\%{\text{V}}}{5}}+{\frac {\%{\text{Cu}}+\%{\text{Ni}}}{15}}$

Для этого уравнения свариваемость на основе диапазона значений CE можно определить следующим образом:

Углеродный эквивалент (CE)	Свариваемость
До 0,35	Отличный
0.36–0.40	Очень хороший
0.41–0.45	Хороший
0.46–0.50	Справедливый
Более 0,50	Бедный

Японское общество инженеров-сварщиков приняло критический параметр металла (Pcm) для растрескивания сварных швов, который был основан на работе Ито и Бессио:

$Pcm=\%{\text{C}}+{\frac {\%{\text{Si}}}{30}}+{\frac {\%{\text{Mn}}+\%{\text{Cu}}+\%{\text{Cr}}}{20}}+{\frac {\%{\text{Ni}}}{60}}+{\frac {\%{\text{Mo}}}{15}}+{\frac {\%{\text{V}}}{10}}+5B$

Если некоторые значения недоступны, иногда используется следующая формула:

$CE=\%{\text{C}}+{\frac {\%{\text{Mn}}}{6}}+{\frac {1}{20}}$

Углеродный эквивалент является мерой склонности сварного шва к образованию мартенсита при охлаждении и хрупкому разрушению. Если углеродный эквивалент составляет от 0,40 до 0,60, может потребоваться предварительный нагрев сварного шва. Когда углеродный эквивалент превышает 0,60, необходим предварительный нагрев, может потребоваться последующий нагрев.

Следующая формула углеродного эквивалента используется для определения того, ли из строя точечная сварка выйдет высокопрочной низколегированной стали из -за чрезмерной прокаливаемости:

$CE=\%{\text{C}}+{\frac {\%{\text{Mn}}}{6}}+{\frac {\%{\text{Cr}}+\%{\text{Mo}}+\%{\text{Zr}}}{10}}+{\frac {\%{\text{Ti}}}{2}}+{\frac {\%{\text{Cb}}}{3}}+{\frac {\%{\text{V}}}{7}}+{\frac {UTS}{900}}+{\frac {h}{20}}$

Где UTS — предел прочности на разрыв в тысячах фунтов на квадратный дюйм , а h — толщина полосы в дюймах. Значение CE 0,3 или менее считается безопасным.

Специальный углеродный эквивалент разработал Юриока. что позволило бы определить критическое время в секундах Δt _8-5 образования мартенсита в зоне термического влияния (ЗТВ) в низкоуглеродистых легированных сталях. Уравнение задается как:

$CE*=\%{\text{C}}*+{\frac {\%{\text{Mn}}}{3.6}}+{\frac {\%{\text{Cu}}}{20}}+{\frac {\%{\text{Ni}}}{9}}+{\frac {\%{\text{Cr}}}{5}}+{\frac {\%{\text{Mo}}}{4}}$

где:

$\%{\text{C}}*={\begin{cases}5\%{\text{C}}&{\mbox{ for }}\%{\text{C}}\leq 0.30\%\\{\frac {1}{6}}\%{\text{C}}&{\mbox{ for }}\%{\text{C}}\geq 0.30\%\end{cases}}$

Тогда критическая продолжительность времени в секундах Δt _8-5 может быть определена следующим образом:

$\log _{10}\Delta t_{8-5}=2.69CE*$

Чугун

Для чугуна используется концепция эквивалентного содержания углерода (CE), чтобы понять, как легирующие элементы повлияют на термообработку и поведение отливки. Он используется в качестве показателя прочности чугуна, поскольку дает приблизительный баланс аустенита и графита в конечной структуре. Для определения CE в чугунах доступен ряд формул, в которые входит все большее количество элементов:

$CE=\%{\text{C}}+0.33\left(\%{\text{Si}}\right)$

$CE=\%{\text{C}}+0.33\left(\%{\text{Si}}+\%{\text{P}}\right)$

$CE=\%{\text{C}}+0.33\left(\%{\text{Si}}\right)+0.33\left(\%{\text{P}}\right)-0.027\left(\%{\text{Mn}}\right)+0.4\left(\%{\text{S}}\right)$

$CE=\%{\text{C}}+0.28\left(\%{\text{Si}}\right)+0.303\left(\%{\text{P}}\right)-0.007\left(\%{\text{Mn}}\right)+0.033\left(\%{\text{Cr}}\right)+0.092\left(\%{\text{Cu}}\right)+0.011\left(\%{\text{Mo}}\right)+0.054\left(\%{\text{Ni}}\right)$

Этот CE затем используется для определения того, является ли сплав доэвтектическим , эвтектическим или заэвтектическим ; для чугунов эвтектика составляет 4,3% углерода. При литье чугуна это полезно для определения окончательной зернистой структуры; например, заэвтектический чугун обычно имеет крупнозернистую структуру и графита киш . образуются крупные чешуйки уменьшается . усадка Кроме того, при увеличении CE При термообработке чугуна тестируются различные образцы CE, чтобы эмпирически определить корреляцию между CE и твердостью. Ниже приведен пример серого чугуна индукционной закалки:

Состав [%] †		Углеродный эквивалент ‡	Твердость [HRC] (пересчитать из теста на твердость)
С	И		СПЧ	HR 30 Н	Микротвердость
3.13	1.50	3.63	50	50	61
3.14	1.68	3.70	49	50	57
3.19	1.64	3.74	48	50	61
3.34	1.59	3.87	47	49	58
3.42	1.80	4.02	46	47	61
3.46	2.00	4.13	43	45	59
3.52	2.14	4.23	36	38	61
† В каждом образце также содержалось 0,5–0,9 Mn, 0,35–0,55 Ni, 0,08–0,15 Cr и 0,15–0,30 Mo. ‡ Используя первое уравнение CE.

Ссылки

Библиография

• Брюно, Мишель; Уанг, Цзя-Мин; Уиттакер, Эндрю Стюарт (1998), Пластичный расчет стальных конструкций , McGraw-Hill Professional, ISBN  978-0-07-008580-0 .
• Руднев Валерий (2003), Справочник по индукционному нагреву , CRC Press, ISBN  978-0-8247-0848-1 .

Дальнейшее чтение

• Линкольн Электрик (1994). Справочник по технологиям дуговой сварки . Кливленд : Линкольн Электрик. ISBN   99949-25-82-2 . (стр. 3.3-3)
• Веман, Клас (2003). Справочник по сварочным процессам . Нью-Йорк : CRC Press LLC. ISBN   0-8493-1773-8 .
• Американское общество сварщиков (2004 г.). Нормативы по структурной сварке, AWS D1.1 . ISBN   0-87171-726-3 .