Эквивалентное содержание углерода - Equivalent carbon content

В эквивалентное содержание углерода концепция используется для черных металлов, обычно стали и чугун, чтобы определить различные свойства сплава, когда не только углерод используется как легирующий, что типично. Идея состоит в том, чтобы преобразовать процентное содержание легирующих элементов, отличных от углерода, в эквивалентное процентное содержание углерода, поскольку фазы железо-углерод более понятны, чем другие фазы сплава железа. Чаще всего это понятие используется в сварка, но он также используется, когда термическая обработка и Кастинг чугун.

Стали

При сварке эквивалентное содержание углерода (C.E) используется для понимания того, как различные легирующие элементы влияют на твердость свариваемой стали. Тогда это напрямую связано с индуцированным водородом холодное растрескивание, который является наиболее распространенным дефектом сварного шва для стали, поэтому его чаще всего используют для определения свариваемость. Более высокие концентрации углерода и других легирующих элементов, таких как марганец, хром, кремний, молибден, ванадий, медь, и никель имеют тенденцию к увеличению твердости и снижению свариваемости. Каждый из этих элементов имеет тенденцию влиять на твердость и свариваемость стали в разной степени, однако необходим метод сравнения, чтобы судить о разнице твердости между двумя сплавами, состоящими из разных легирующих элементов.^[1][2] Есть две часто используемые формулы для расчета эквивалентного содержания углерода. Один из Американское сварочное общество (AWS) и рекомендуется для конструкционных сталей, а другая формула основана на Международный институт сварки (IIW).^[3]

AWS заявляет, что при эквивалентном содержании углерода выше 0,40% существует вероятность растрескивания в зона термического влияния (HAZ) на резка пламенем кромки и сварные швы. Однако стандарты проектирования конструкций редко используют CE, а скорее ограничивают максимальное процентное содержание определенных легирующих элементов. Эта практика началась до того, как существовала концепция 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.^[3]

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

Другой и наиболее популярной формулой является формула Дирдена и О'Нила, которая была принята IIW в 1967 г.^[4] Эта формула оказалась подходящей для прогнозирования прокаливаемости в большом диапазоне обычно используемых простых углеродистых и углерод-марганцевых сталей, но не для микролегированных высокопрочных низколегированных сталей или низколегированных Cr-Mo сталей. Формула определяется следующим образом:^[2]

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

Для этого уравнения свариваемость на основе диапазона значений CE может быть определена следующим образом:^[2][5]

Углеродный эквивалент (CE)	Свариваемость
До 0,35	Отлично
0.36–0.40	Отлично
0.41–0.45	Хороший
0.46–0.50	Справедливый
Более 0,50	Бедные

Японское общество сварщиков приняло критический параметр металла (Pcm) для растрескивания сварного шва, который был основан на работе Ито и Бессио:^[4][6]

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

Если некоторые из значений недоступны, иногда используется следующая формула:^{[нужна цитата ]}

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

Углеродный эквивалент - это мера склонности сварного шва к образованию мартенсит при охлаждении и хрупком разрушении. Если углеродный эквивалент составляет от 0,40 до 0,60, может потребоваться предварительный нагрев сварного шва. Когда углеродный эквивалент выше 0,60, необходим предварительный нагрев, может потребоваться последующий нагрев.

Следующая формула эквивалента углерода используется для определения того, точечная сварка потерпит неудачу в высокопрочная низколегированная сталь из-за чрезмерной закаливаемости:^[2]

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

Где UTS - это предел прочности на растяжение в ksi h - толщина полосы в дюймах. Значение CE 0,3 или менее считается безопасным.^[2]

Юриока разработал специальный углеродный эквивалент,^[7] который может определить критическое время в секундах Δt_8-5 для образования мартенсита в зоне термического влияния (HAZ) в низкоуглеродистых легированных сталях. Уравнение имеет вид:

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

куда:

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

Тогда критическая продолжительность времени в секундах Δt_8-5 можно определить следующим образом:

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

Чугун

Для чугуна концепция эквивалентного содержания углерода (CE) используется для понимания того, как легирующие элементы будут влиять на термическую обработку и поведение отливки. Он используется в качестве показателя прочности чугунов, потому что он дает приблизительный баланс аустенита и графита в конечной структуре.^{[нужна цитата ]} Для определения CE в чугунах существует ряд формул, в которые входит все большее количество элементов:

${\displaystyle CE=\%{\text{C}}+0.33\left(\%{\text{Si}}\right)}$^[8]

${\displaystyle CE=\%{\text{C}}+0.33\left(\%{\text{Si}}+\%{\text{P}}\right)}$^[9]

${\displaystyle CE=\%{\text{C}}+0.33\left(\%{\text{Si}}\right)+0.33\left(\%{\text{P}}\right)-0.027\left(\%{\text{Mn}}\right)+0.4\left(\%{\text{S}}\right)}$^[10]

${\displaystyle CE=\%{\text{C}}+0.28\left(\%{\text{Si}}\right)+0.303\left(\%{\text{P}}\right)-0.007\left(\%{\text{Mn}}\right)+0.033\left(\%{\text{Cr}}\right)+0.092\left(\%{\text{Cu}}\right)+0.011\left(\%{\text{Mo}}\right)+0.054\left(\%{\text{Ni}}\right)}$^[11]

Этот CE затем используется, чтобы определить, является ли сплав доэвтектический, эвтектика, или же заэвтектический; для чугунов эвтектика составляет 4,3% углерода. При литье чугуна это полезно для определения окончательной зерно структура; например, заэвтектический чугун обычно имеет крупнозернистую структуру и большие киш графит образуются хлопья.^[12] Кроме того, меньше усадка по мере увеличения CE.^[9] При термообработке чугуна различные образцы CE испытываются, чтобы эмпирически определить корреляцию между CE и твердостью. Ниже приведен пример серого чугуна с индукционной закалкой:^[8]

Сочинение [%]^†		Углеродный эквивалент^‡	Твердость [HRC] (преобразовано из теста твердости)
C	Si		HRC	HR 30 N	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
^†Каждый образец также содержал 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.

Рекомендации

1. Бруно, Уанг и Уиттакер, 1998 г., п. 29.
2. Гинзбург, Владимир Б .; Баллас, Роберт (2000), Основы плоской прокатки, CRC Press, стр. 141–142, ISBN  978-0-8247-8894-0.
3. Бруно, Уанг и Уиттакер, 1998 г., п. 31.
4. Ланкастер, Дж. Ф. (1999). Металлургия сварки - Издание шестое. Abington Publishing. п. 464. ISBN  978-1-85573-428-9. Архивировано из оригинал на 2013-12-29. Получено 2011-11-14.
5. SA-6 / SA-6M - Технические условия для общих требований к стержням, пластинам, профилям и шпунтовым шпунтам из конструкционной стали. ASME BPVC Раздел II: ASME. 2001 г.
6. «Эквиваленты углерода (мас.%)». 1.1 Эквиваленты углерода и температура превращения. Японское общество сварщиков. Получено 14 ноября 2011.
7. Юриока, Н. (1990). «Свариваемость современных высокопрочных сталей». Первый американо-японский симпозиум по достижениям в сварочной металлургии (Американское сварочное общество): 79–100.
8. Руднев 2003, п. 53.
9. Бекс, Том (1 июня 1991 г.), «Испытания на охлаждение: влияние углеродного эквивалента», Современный кастинг.
10. Руднев 2003, п. 51.
11. Стефанеску, Доро, Принципы термодинамики применительно к чугуну, Справочник ASM, 1A Наука и технология чугуна (изд., 2017), ASM International, стр. 42, ISBN  978-1-62708-133-7
12. Гиллеспи, ЛаРу К. (1988), Устранение неполадок производственных процессов (4-е изд.), МСБ, стр. 4-4, ISBN  978-0-87263-326-1.

Библиография

• Бруно, Мишель; Уанг, Чиа-Мин; Уиттакер, Эндрю Стюарт (1998), Податливая конструкция 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). Руководство по дуговой сварке. 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 сварочное общество (2004 г.). Нормы сварки конструкций, AWS D1.1. ISBN  0-87171-726-3.

внешняя ссылка

• Онлайн-калькулятор углеродного эквивалента
• Калькулятор индекса свариваемости стали (углеродного эквивалента)
• Приложение для Android с эквивалентным содержанием углерода