Ekvivalent kolhalt

Det ekvivalenta kolinnehållskonceptet används på järnhaltiga material, typiskt stål och gjutjärn , för att bestämma olika egenskaper hos legeringen när mer än bara kol används som legeringsmedel , vilket är typiskt. Tanken är att omvandla andelen andra legeringsämnen än kol till motsvarande kolprocent, eftersom järn-kol-faserna är bättre förstådda än andra järnlegeringsfaser. Oftast används detta koncept vid svetsning , men det används också vid värmebehandling och gjutning av gjutjärn.

Stål

Vid svetsning används ekvivalent kolinnehåll (CE) för att förstå hur de olika legeringselementen påverkar hårdheten hos stålet som svetsas. Detta är sedan direkt relaterat till väte-inducerad kallsprickning , som är den vanligaste svetsdefekten för stål, och därför används den oftast för att bestämma svetsbarhet . Högre koncentrationer av kol och andra legeringsämnen som mangan , krom , kisel , molybden , vanadin , koppar och nickel tenderar att öka hårdheten och minska svetsbarheten. Vart och ett av dessa element tenderar att påverka stålets hårdhet och svetsbarhet till olika storlek, vilket gör en jämförelsemetod nödvändig för att bedöma skillnaden i hårdhet mellan två legeringar gjorda av olika legeringselement. Det finns två vanliga formler för att beräkna den ekvivalenta kolhalten. Den ena är från American Welding Society (AWS) och rekommenderas för konstruktionsstål och den andra är formeln baserad på International Institute of Welding (IIW).

AWS anger att för en ekvivalent kolhalt över 0,40 % finns risk för sprickbildning i den värmepåverkade zonen (HAZ) på flamskurna kanter och svetsar. Men konstruktionstekniska standarder använder sällan CE, utan begränsar snarare den maximala procentandelen av vissa legeringselement. Denna praxis började innan CE-konceptet existerade, så det fortsätter bara att användas. Detta har lett till problem eftersom vissa höghållfasta stål nu används som har ett CE högre än 0,50 % som har spröda brott.

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

Den andra och mest populära formeln är Dearden och O'Neill-formeln, som antogs av IIW 1967. Denna formel har visat sig vara lämplig för att förutsäga härdbarhet i ett stort antal vanligt använda vanligt kol- och kol-manganstål, men inte för att mikrolegerade höghållfasta låglegerade stål eller låglegerade Cr-Mo-stål. Formeln definieras enligt följande:

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

För denna ekvation kan svetsbarheten baserad på en rad CE-värden definieras enligt följande:

Kolekvivalent (CE)	Svetsbarhet
Upp till 0,35	Excellent
0,36–0,40	Mycket bra
0,41–0,45	Bra
0,46–0,50	Rättvis
Över 0,50	Fattig

Japanese Welding Engineering Society antog den kritiska metallparametern (Pcm) för svetssprickning, som baserades på arbetet från Ito och Bessyo, är:

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

Om några av värdena inte är tillgängliga används ibland följande formel:

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

Kolekvivalenten är ett mått på svetsens tendens att bilda martensit vid avkylning och att drabbas av spröd fraktur. När kolekvivalenten är mellan 0,40 och 0,60 kan svetsförvärmning vara nödvändig. När kolekvivalenten är över 0,60 är förvärmning nödvändig, eftervärmning kan vara nödvändig.

Följande kolekvivalent formel används för att avgöra om en punktsvets kommer att misslyckas i höghållfast låglegerat stål på grund av överdriven härdbarhet:

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

Där UTS är den ultimata draghållfastheten i ksi och h är remstjockleken i tum. Ett CE-värde på 0,3 eller mindre anses säkert.

En speciell kolekvivalent utvecklades av Yurioka, som kunde bestämma den kritiska tiden i sekunder Δt _8-5 för bildning av martensitic i den värmepåverkade zonen (HAZ) i lågkollegerade stål. Ekvationen ges som:

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

var:

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

Sedan kan den kritiska tidslängden i sekunder Δt _8-5 bestämmas enligt följande:

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

Gjutjärn

För gjutjärn används begreppet ekvivalent kolinnehåll (CE) för att förstå hur legeringselement kommer att påverka värmebehandlingen och gjutningsbeteendet. Det används som en prediktor för styrka i gjutjärn eftersom det ger en ungefärlig balans mellan austenit och grafit i slutlig struktur. Ett antal formler finns tillgängliga för att bestämma CE i gjutjärn, där ett ökande antal element ingår:

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

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

$CE=\%{\text{C}}+0,33\left(\%{ \text{Si}}\right)+0.33\left(\%{\text{P}}\right)-0.027\left(\%{\text{Mn}}\right)+0.4\left(\% {\text{S}}\right)$

$CE=\%{\text{C}}+0,28\left(\%{\text{Si}}\right)+0,303\left(\%{\text{ P}}\right)-0,007\left(\%{\text{Mn}}\right)+0,033\left(\%{\text{Cr}}\right)+0,092\left(\%{\text {Cu}}\right)+0.011\left(\%{\text{Mo}}\right)+0.054\left(\%{\text{Ni}}\right)$

Denna CE används sedan för att avgöra om legeringen är hypoeutektisk , eutektisk eller hypereutektisk ; för gjutjärn är eutektiken 4,3 % kol. Vid gjutning av gjutjärn är detta användbart för att bestämma den slutliga kornstrukturen ; till exempel har ett hypereutektiskt gjutjärn vanligtvis en grov kornstruktur och stora kish-grafitflingor bildas. Dessutom är det mindre krympning när CE ökar. Vid värmebehandling av gjutjärn testas olika CE-prover för att empiriskt fastställa korrelationen mellan CE och hårdhet. Följande är ett exempel på induktionshärdade gråa strykjärn:

Komposition [%] †		Kolekvivalent ‡	Hårdhet [HRC] (konvertera från hårdhetstest)
C	Si		HRC	HR 30 N	Mikrohårdhet
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
† Varje prov innehöll också 0,5–0,9 Mn, 0,35–0,55 Ni, 0,08–0,15 Cr och 0,15–0,30 Mo. ‡ Med den första CE-ekvationen.

Bibliografi

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

Vidare läsning

•   Lincoln Electric (1994). Procedurhandboken för bågsvetsning . Cleveland : Lincoln Electric. ISBN 99949-25-82-2 . (Sida 3.3-3)
•   Weman, Klas (2003). Handbok för svetsprocesser . New York City : CRC Press LLC. ISBN 0-8493-1773-8 .
•   American Welding Society (2004). Strukturell svetskod, AWS D1.1 . ISBN 0-87171-726-3 .