Как найти эквивалент углерода

From Wikipedia, the free encyclopedia

The equivalent carbon content concept is used on ferrous materials, typically steel and cast iron, to determine various properties of the alloy when more than just carbon is used as an alloyant, which is typical. The idea is to convert the percentage of alloying elements other than carbon to the equivalent carbon percentage, because the iron-carbon phases are better understood than other iron-alloy phases. Most commonly this concept is used in welding, but it is also used when heat treating and casting cast iron.

Steel[edit]

In welding, equivalent carbon content (C.E) is used to understand how the different alloying elements affect hardness of the steel being welded. This is then directly related to hydrogen-induced cold cracking, which is the most common weld defect for steel, thus it is most commonly used to determine weldability. Higher concentrations of carbon and other alloying elements such as manganese, chromium, silicon, molybdenum, vanadium, copper, and nickel tend to increase hardness and decrease weldability. Each of these elements tends to influence the hardness and weldability of the steel to different magnitudes, however, making a method of comparison necessary to judge the difference in hardness between two alloys made of different alloying elements.^[1][2] There are two commonly used formulas for calculating the equivalent carbon content. One is from the American Welding Society (AWS) and recommended for structural steels and the other is the formula based on the International Institute of Welding (IIW).^[3]

The AWS states that for an equivalent carbon content above 0.40% there is a potential for cracking in the heat-affected zone (HAZ) on flame cut edges and welds. However, structural engineering standards rarely use CE, but rather limit the maximum percentage of certain alloying elements. This practice started before the CE concept existed, so just continues to be used. This has led to issues because certain high strength steels are now being used that have a CE higher than 0.50% that have brittle failures.^[3]

The other and most popular formula is the Dearden and O’Neill formula, which was adopted by IIW in 1967.^[4] This formula has been found suitable for predicting hardenability in a large range of commonly used plain carbon and carbon-manganese steels, but not to microalloyed high-strength low-alloy steels or low-alloy Cr-Mo steels. The formula is defined as follows:^[2]

For this equation the weldability based on a range of CE values can be defined as follows:^[2][5]

The Japanese Welding Engineering Society adopted the critical metal parameter (Pcm) for weld cracking, which was based on the work from Ito and Bessyo, is:^[4][6]

If some of the values are not available, the following formula is sometimes used:^{[citation needed]}

The carbon equivalent is a measure of the tendency of the weld to form martensite on cooling and to suffer brittle fracture. When the carbon equivalent is between 0.40 and 0.60 weld preheat may be necessary. When the carbon equivalent is above 0.60, preheat is necessary, postheat may be necessary.

The following carbon equivalent formula is used to determine if a spot weld will fail in high-strength low-alloy steel due to excessive hardenability:^[2]

Where UTS is the ultimate tensile strength in ksi and h is the strip thickness in inches. A CE value of 0.3 or less is considered safe.^[2]

A special carbon equivalent was developed by Yurioka,^[7] which could determine the critical time in seconds Δt_8-5 for the formation of martensitic in the Heat Affected Zone (HAZ) in low-carbon alloy steels. The equation is given as:

where:

Then the critical time length in seconds Δt_8-5 can be determined as follows:

Cast iron[edit]

For cast iron the equivalent carbon content (CE) concept is used to understand how alloying elements will affect the heat treatment and casting behavior. It is used as a predictor of strength in cast irons because it gives an approximate balance of austenite and graphite in final structure.^{[citation needed]} A number of formulas are available to determine the CE in cast irons, where an increasing number of elements are included:

^[8]

^[9]

^[10]

^[11]

This CE is then used to determine if the alloy is hypoeutectic, eutectic, or hypereutectic; for cast irons the eutectic is 4.3% carbon. When casting cast iron this is useful for determining the final grain structure; for example, a hypereutectic cast iron usually has a coarse grain structure and large kish graphite flakes are formed.^[12] Also, there is less shrinkage as the CE increases.^[9] When heat treating cast iron, various CE samples are tested to empirically determine the correlation between CE and hardness. The following is an example for induction hardened gray irons:^[8]

References[edit]

Bibliography[edit]

• Bruneau, Michel; Uang, Chia-Ming; Whittaker, Andrew Stuart (1998), Ductile design of steel structures, McGraw-Hill Professional, ISBN 978-0-07-008580-0.
• Rudnev, Valery (2003), Handbook of induction heating, CRC Press, ISBN 978-0-8247-0848-1.

Further reading[edit]

• Lincoln Electric (1994). The Procedure Handbook of Arc Welding. Cleveland: Lincoln Electric. ISBN 99949-25-82-2. (Page 3.3-3)
• Weman, Klas (2003). Welding processes handbook. New York City: CRC Press LLC. ISBN 0-8493-1773-8.
• American Welding Society (2004). Structural Welding Code, AWS D1.1. ISBN 0-87171-726-3.

Углеродный эквивалент конструкционной стали Решение

ШАГ 0: Сводка предварительного расчета

ШАГ 1. Преобразование входов в базовый блок

Процент углерода: 15 –> Конверсия не требуется
Содержание марганца: 150 –> Конверсия не требуется
Содержание хрома: 50 –> Конверсия не требуется
Молибден: 50 –> Конверсия не требуется
Ванадий: 50 –> Конверсия не требуется
Содержание никеля: 150 –> Конверсия не требуется
Медь: 50 –> Конверсия не требуется

ШАГ 2: Оцените формулу

ШАГ 3: Преобразуйте результат в единицу вывода

83.3333333333333 –> Конверсия не требуется

8 Сварные соединения Калькуляторы

Углеродный эквивалент конструкционной стали формула

Эквивалентный углерод =
Процент углерода+(Содержание марганца/6)+(Содержание хрома+Молибден+Ванадий)/5+(Содержание никеля+Медь)/15

C^eq =
C%+(_Mn/6)+(_Cr+_Mo+_V)/5+(_Ni+_Cu)/15

Что такое молибден?

Молибден встречается только в минералах в различных степенях окисления. Свободный элемент, серебристый металл с серым оттенком, имеет шестую по величине температуру плавления среди всех элементов.

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

Содержание

• 1 Сталь
• 2 Чугун
• 3 Ссылки
  • 3.1 Библиография
• 4 Дополнительная литература
• 5 Внешние ссылки

Сталь

При сварке, Эквивалентное содержание углерода (CE) используется для понимания того, как различные легирующие элементы влияют на твердость свариваемой стали. Тогда это напрямую связано с индуцированным водородом холодным растрескиванием, которое является наиболее распространенным дефектом сварного шва для 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 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. Есть две часто используемые формулы для расчета эквивалентного содержания углерода. Один разработан Американским сварочным обществом (AWS) и рекомендован для конструкционных сталей, а другой – формула, основанная на Международном институте сварки (IIW).

AWS заявляет, что для эквивалентного содержания углерода выше 0,40% существует вероятность растрескивания в зоне термического влияния (HAZ) на кромках и сварных швах газовой резки. Однако стандарты проектирования конструкций редко используют CE, а скорее ограничивают максимальное процентное содержание определенных легирующих элементов. Эта практика началась еще до того, как появилась концепция CE, поэтому ее продолжают использовать. Это привело к проблемам, поскольку сейчас используются некоторые высокопрочные стали с CE выше 0,50%, которые имеют хрупкие разрушения.

CE =% C +% Mn +% Si 6 +% Cr +% Mo +% V 5 +% Cu +% Ni 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}}}

Другой и наиболее популярной формулой является формула Дирдена и О’Нила, которая была принята IIW в 1967. Эта формула была признана подходящей для прогнозирования прокаливаемости в большом 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:

CE =% C +% Mn 6 +% Cr +% Mo +% V 5 +% Cu +% Ni 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 Значения CE можно определить следующим образом:

Японское общество сварщиков приняло критический металл параметр (Pcm) для растрескивания сварного шва, который был основан на работе Ито и Бессио, составляет:

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

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

Углеродный эквивалент – это мера тенденции сварного шва к образованию мартенсита на охлаждение и хрупкое разрушение. 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 углеродного эквивалента используется для определения того, не откажет ли точечная сварка в высокопрочной низколегированной стали из-за чрезмерной закаливаемости:

CE =% C +% Mn 6 +% Cr +% Mo +% Zr 10 +% Ti 2 +% Cb 3 +% V 7 + UTS 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 разрыв в тысяч фунтов / кв. Дюйм, а h – толщина полосы в дюймах. Значение CE, равное 0,3 или меньше, считается безопасным.

Юриока разработал специальный углеродный эквивалент, который может определять критическое время в секундах Δt 8-5 для образования мартенсита в Зона термического влияния (ЗТВ) в низкоуглеродистых сталях. Уравнение имеет следующий вид:

CE ∗ =% 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 для% C ≤ 0,30% 1 6% C для% C ≥ 0,30% { displaystyle % { text {C}} * = { begin {cases} 5 % { text {C}} { t_dv {for}} % { text {C}} leq 0.30 % \ { frac {1} {6}} % { text {C }} { t_dv {for}} % { text {C}} geq 0.30 % end {cases}}}

Тогда критическая длительность времени в секундах Δt 8-5 можно определить следующим образом:

log 10 ⁡ Δ t 8-5 = 2,69 CE ∗ { 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 термическую обработку и поведение отливки. Он используется в качестве показателя прочности чугунов, поскольку дает приблизительный баланс аустенита и графита в окончательной структуре. Существует ряд формул для определения CE в чугунах, в которые входит все большее количество элементов:

CE =% C + 0,33 (% Si) { displaystyle CE = % { text {C}} +0,33 влево (% { text {Si}} right)}

CE =% C + 0,33 (% Si +% P) { displaystyle CE = % { text {C}} + 0,33 left (% { text {Si}} + % { text {P}} right)}

CE =% 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)}

CE =% 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)}

Этот CE затем используется для определения того, является ли сплав i s заэвтектика, эвтектика или заэвтектика ; для чугунов эвтектика составляет 4,3% углерода. При литье чугуна это полезно для определения окончательной структуры зерна ; например, заэвтектический чугун обычно имеет крупнозернистую структуру и образуются крупные хлопья. Кроме того, при увеличении CE уменьшается усадка. При термообработке чугуна различные образцы CE испытываются, чтобы эмпирически определить корреляцию между CE и твердостью. Ниже приведен пример серого чугуна с индукционной закалкой:

Список литературы

Библиография

• Брюно, Мишель; Уанг, Чиа-Мин; Уиттакер, Эндрю Стюарт (1998), Дуктильное проектирование 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.

Дополнительная литература

• Lincoln Electric (1994). Справочник по методике дуговой сварки. Кливленд : Линкольн Электрик. ISBN 99949-25-82-2. (Стр. 3.3-3)
• Weman, Klas (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.

Внешние ссылки