Эквивалентное содержание углерода
Свойства стали и чугуна

Концепция эквивалентного содержания углерода используется для черных металлов, как правило, стали и чугуна , для определения различных свойств сплава, когда в качестве легирующего вещества используется не только углерод , что типично. Идея состоит в том, чтобы преобразовать процент легирующих элементов, отличных от углерода, в эквивалентный процент углерода, поскольку фазы железа и углерода изучены лучше, чем другие фазы железа и сплава. Чаще всего эта концепция используется при сварке , но также применяется при термообработке и литье чугуна.

Сталь

В сварке эквивалентное содержание углерода (CE) используется для понимания того, как различные легирующие элементы влияют на твердость свариваемой стали. Затем это напрямую связано с холодным растрескиванием , вызванным водородом , которое является наиболее распространенным дефектом сварки для стали, поэтому оно чаще всего используется для определения свариваемости . Более высокие концентрации углерода и других легирующих элементов, таких как марганец , хром , кремний , молибден , ванадий , медь и никель, как правило, увеличивают твердость и уменьшают свариваемость. Каждый из этих элементов, как правило, влияет на твердость и свариваемость стали в разной степени, однако, что делает метод сравнения необходимым для оценки разницы в твердости между двумя сплавами, изготовленными из различных легирующих элементов. [1] [2] Существуют две обычно используемые формулы для расчета эквивалентного содержания углерода. Одна из них принадлежит Американскому обществу сварки (AWS) и рекомендуется для конструкционных сталей, а другая — это формула, основанная на Международном институте сварки (IIW). [3]

AWS утверждает, что при эквивалентном содержании углерода выше 0,40% существует вероятность образования трещин в зоне термического влияния (HAZ) на кромках пламенной резки и сварных швах. Однако стандарты структурной инженерии редко используют CE, а скорее ограничивают максимальный процент определенных легирующих элементов. Эта практика началась до того, как появилась концепция CE, поэтому она просто продолжает использоваться. Это привело к проблемам, поскольку в настоящее время используются определенные высокопрочные стали с CE выше 0,50%, которые имеют хрупкие разрушения. [3]

С Э = % С + % Мн + % Си 6 + % Кр + % Мо + % В 5 + % Cu + % Ни 15 {\displaystyle 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 самая популярная формула — это формула Дирдена и О'Нейла, которая была принята IIW в 1967 году. [4] Эта формула оказалась подходящей для прогнозирования закаливаемости в широком диапазоне обычно используемых простых углеродистых и углеродисто-марганцевых сталей, но не для микролегированных высокопрочных низколегированных сталей или низколегированных Cr-Mo сталей. Формула определяется следующим образом: [2]

С Э = % С + % Мн 6 + % Кр + % Мо + % В 5 + % Cu + % Ни 15 {\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 можно определить следующим образом: [2] [5]

Углеродный эквивалент (УЭ)Свариваемость
До 0,35Отличный
0,36–0,40Очень хороший
0,41–0,45Хороший
0,46–0,50Справедливый
Более 0,50Бедный

Японское общество инженеров-сварщиков приняло критический параметр металла (Pcm) для растрескивания сварного шва, основанный на работе Ито и Бессё: [4] [6]

П с м = % С + % Си 30 + % Мн + % Cu + % Кр 20 + % Ни 60 + % Мо 15 + % В 10 + 5 Б {\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 значения недоступны, иногда используется следующая формула: [ необходима ссылка ]

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

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

Следующая формула углеродного эквивалента используется для определения того, разрушится ли точечный сварной шов высокопрочной низколегированной стали из -за чрезмерной прокаливаемости: [2]

C E = % C + % Mn 6 + % Cr + % Mo + % Zr 10 + % Ti 2 + % Cb 3 + % V 7 + U T S 900 + h 20 {\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 — предел прочности на растяжение в ksi , а h — толщина полосы в дюймах. Значение CE 0,3 или меньше считается безопасным. [2]

Специальный углеродный эквивалент был разработан Юриокой [7] , который мог определить критическое время в секундах Δt 8-5 для образования мартенсита в зоне термического влияния (ЗТВ) в низкоуглеродистых легированных сталях. Уравнение имеет вид:

C E ∗ = % C ∗ + % Mn 3.6 + % Cu 20 + % Ni 9 + % Cr 5 + % Mo 4 {\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}}}

где:

% C ∗ = { 5 % C  for  % C ≤ 0.30 % 1 6 % C  for  % C ≥ 0.30 % {\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 критическую длительность времени в секундах Δt 8-5 можно определить следующим образом:

log 10 ⁡ Δ t 8 − 5 = 2.69 C E ∗ {\displaystyle \log _{10}\Delta t_{8-5}=2.69CE*}

Чугун

Для чугуна концепция эквивалентного содержания углерода (CE) используется для понимания того, как легирующие элементы повлияют на термообработку и поведение литья. Она используется в качестве предиктора прочности чугуна, поскольку она дает приблизительный баланс аустенита и графита в конечной структуре. [ необходима цитата ] Существует ряд формул для определения CE в чугуне, в которые включено все большее количество элементов:

C E = % C + 0.33 ( % Si ) {\displaystyle CE=\%{\text{C}}+0.33\left(\%{\text{Si}}\right)} [8]
C E = % C + 0.33 ( % Si + % P ) {\displaystyle CE=\%{\text{C}}+0.33\left(\%{\text{Si}}+\%{\text{P}}\right)} [9]
C E = % C + 0.33 ( % Si ) + 0.33 ( % P ) − 0.027 ( % Mn ) + 0.4 ( % S ) {\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]
C E = % C + 0.28 ( % Si ) + 0.303 ( % P ) − 0.007 ( % Mn ) + 0.033 ( % Cr ) + 0.092 ( % Cu ) + 0.011 ( % Mo ) + 0.054 ( % Ni ) {\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 для определения того, является ли сплав доэвтектическим , эвтектическим или гиперэвтектическим ; для чугунов эвтектика составляет 4,3% углерода. При литье чугуна это полезно для определения окончательной структуры зерна ; например, гиперэвтектический чугун обычно имеет крупнозернистую структуру и образуются крупные хлопья графита. [12] Кроме того, по мере увеличения CE происходит меньшая усадка . [9] При термообработке чугуна различные образцы CE испытываются для эмпирического определения корреляции между CE и твердостью. Ниже приведен пример для серых чугунов, закаленных индукционным способом: [8]

Состав [%] †Углеродный эквивалент ‡Твердость [HRC] (перевести из теста на твердость)
ССиЧРКHR30 НМикротвердость
3.131.503.63505061
3.141.683.70495057
3.191.643.74485061
3.341.593.87474958
3.421.804.02464761
3.462.004.13434559
3.522.144.23363861
† 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.
‡ С использованием первого уравнения CE.

Ссылки

  1. ^ Брюно, Уанг и Уиттакер 1998, с. 29.
  2. ^ abcde Гинзбург, Владимир Б.; Баллас, Роберт (2000), Основы плоского проката, CRC Press, стр.  141– 142, ISBN 978-0-8247-8894-0.
  3. ^ аб Бруно, Уанг и Уиттакер 1998, стр. 31.
  4. ^ ab Lancaster, JF (1999). Металлургия сварки - Шестое издание. Abington Publishing. стр. 464. ISBN 978-1-85573-428-9. Архивировано из оригинала 2013-12-29 . Получено 2011-11-14 .
  5. ^ SA-6/SA-6M — Технические условия на общие требования к прокатным конструкционным стальным пруткам, пластинам, профилям и шпунтовым сваям . ASME BPVC Раздел II: ASME. 2001.
  6. ^ "Углеродные эквиваленты (мас.%)". 1.1 Углеродные эквиваленты и температура превращения . Японское общество инженеров сварки . Получено 14 ноября 2011 г.
  7. ^ Юриока, Н (1990). «Свариваемость современных высокопрочных сталей». Первый американо-японский симпозиум по достижениям в области сварочной материалургии (Американское общество сварки): 79–100 .
  8. ^ ab Руднев 2003, стр. 53.
  9. ^ Бекс, Том (1 июня 1991 г.), «Испытание на холод: влияние углеродного эквивалента», Modern Casting .
  10. ^ Руднев 2003, стр. 51.
  11. ^ Стефанеску, Доро (2017), Принципы термодинамики в применении к чугуну, Справочник ASM, т. 1A Наука и технология чугуна (издание 2017 г.), ASM International, стр. 42, ISBN 978-1-62708-133-7
  12. ^ Джиллеспи, Лару К. (1988), Устранение неполадок в производственных процессах (4-е изд.), SME, стр. 4-4, ISBN 978-0-87263-326-1.

Библиография

  • Бруно, Мишель; Уанг, Чиа-Мин; Уиттакер, Эндрю Стюарт (1998), Проектирование стальных конструкций из пластичного материала, 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

  • Lincoln Electric (1994). Справочник по процедурам дуговой сварки . Кливленд : Lincoln Electric. ISBN 99949-25-82-2 . (Страница 3.3-3) 
  • Weman, Klas (2003). Справочник по процессам сварки . Нью-Йорк : CRC Press LLC. ISBN 0-8493-1773-8 . 
  • Американское общество сварки (2004). Правила сварки конструкций, AWS D1.1 . ISBN 0-87171-726-3 . 
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Equivalent_carbon_content&oldid=1265473353"