Contenido de carbono equivalente

El concepto de contenido de carbono equivalente se utiliza en materiales ferrosos, normalmente acero y hierro fundido, para determinar diversas propiedades de la aleación cuando se utiliza algo más que carbono como aleación, lo cual es típico. La idea es convertir el porcentaje de elementos de aleación distintos del carbono al porcentaje de carbono equivalente, porque las fases hierro-carbono se comprenden mejor que otras fases de aleaciones de hierro. Este concepto se utiliza más comúnmente en soldadura, pero también se utiliza en el tratamiento térmico y en la fundición de hierro fundido.

Acero

En soldadura, el contenido de carbono equivalente (C.E) se utiliza para comprender cómo los diferentes elementos de aleación afectan la dureza del acero que se está soldando. Esto entonces está directamente relacionado con el agrietamiento en frío inducido por hidrógeno, que es el defecto de soldadura más común en el acero, por lo que se usa más comúnmente para determinar la soldabilidad. Las concentraciones más altas de carbono y otros elementos de aleación como manganeso, cromo, silicio, molibdeno, vanadio, cobre y níquel tienden a aumentar la dureza y disminuir la soldabilidad. Sin embargo, cada uno de estos elementos tiende a influir en la dureza y soldabilidad del acero en diferentes magnitudes, lo que hace necesario un método de comparación para juzgar la diferencia de dureza entre dos aleaciones hechas de diferentes elementos de aleación. Hay dos fórmulas comúnmente utilizadas para calcular el contenido de carbono equivalente. Uno es de la American Welding Society (AWS) y recomendado para aceros estructurales y el otro es la fórmula basada en el Instituto Internacional de Soldadura (IIW).

La AWS establece que para un contenido de carbono equivalente superior al 0,40 % existe la posibilidad de que se produzcan grietas en la zona afectada por el calor (HAZ) en los bordes cortados con llama y en las soldaduras. Sin embargo, las normas de ingeniería estructural rara vez utilizan CE, sino que limitan el porcentaje máximo de ciertos elementos de aleación. Esta práctica comenzó antes de que existiera el concepto de EC, por lo que continúa utilizándose. Esto ha generado problemas porque ahora se utilizan ciertos aceros de alta resistencia que tienen un CE superior al 0,50% y tienen fallas frágiles.

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La otra fórmula, y la más popular, es la fórmula de Dearden y O'Neill, que fue adoptada por IIW en 1967. Se ha encontrado que esta fórmula es adecuada para predecir la templabilidad en una amplia gama de carbono simple y carbono-manganeso de uso común. aceros, pero no a los aceros microaleados de alta resistencia y baja aleación ni a los aceros Cr-Mo de baja aleación. La fórmula se define de la siguiente manera:

${\displaystyle CE=\%{\f}+{\frac} {\fnK} {\fnh}}} {\fnMic}} {\fn}} {\fn}}} {\fn}} {\fn\fn}}}}}} {\fn\fn\fn\fn\fn\fn\fn\\fn\fn\fn\fnMic}}}}}}}}} {\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fn\fn\\\\fn\fn\\fn\fn\\fn\fn\fn\\\fn\fn\fn\\fn\fn\fn\\fn\fn\\\fn\\\\\\fn\fn\fn\fn\fn\fn\\fn\fn\fn\fn\\\\fn\fn\fn\fn\\\\fn {\%{\f}\\fn}\\\fnK}\\\fn}\\\fn}\\\\fn}\\\fn}}\\\fn}}\\\\fn}}\\\\fn}\\\\fn\\\\fn}}}\\\\\\fn}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fn}}}}}}}}}}}}}\\\\\\\\\\\\\fn}}}}}}}}}}}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ {\fnK}} {\f}}} {\f}}} {\f}}} {\f}}}} {\f}}} {\f}}}}} {\f}} {\f}}}}}}}}}} {\f}}}} {\\\\\\\f}}}}}}}}}}}}}}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\$

Para esta ecuación, la soldabilidad basada en un rango de valores CE se puede definir de la siguiente manera:

La Sociedad Japonesa de Ingeniería de Soldadura adoptó el parámetro crítico del metal (Pcm) para el agrietamiento de la soldadura, que se basó en el trabajo de Ito y Bessyo y es:

${\displaystyle Pcm=\%{C}+{\frac} {\fnMicroc} {\fnMicroc}} {\fnMicroc}}} {\fnMicroc}}} {\f}} {\fn}}}} {\fnMicroc}}}}}} {\fn\f}} {\\fnMicroc}}}}}} {\\\fnMicroc}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fn\\\\\\\\fn\fn\\fnMicroc\\fnMicroc\\\\fn\\\\\\\\\\\\\\\\\\fnMicroc}}}}}}}}}}}}}\\\\\fn\\\\\\\\\\\fnMicroc\\fn}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\%{\fn}\\fn}\\\fnK}\\\fn}\\\fn}\\\fn}\\fn}\\fn}\\fnK}\\\\fnK}}\\\\\\fnK}}\\\\\fnK\\fnK\fnK}}}}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fn}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fn}}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fn}}}}}}}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fn {\fnK} {\fnMicroc}} {\fnMicroc}} {\fnMicroc}} {\fn}} {\fn}} {\fn}}}}}} {\fnMicroc}}} {\fn}}}} {\fn\f}}}}}\\\\fn\fn\fn\fn\fnMicroc}}}}}}}}}}}}}}}}}\\\\\\\\\\\\\fn\fn\\\\fn\fn\fn\fn\fn\\fn\fn\\\\fn\fn\\\fn\fn\fnMicroc\fn\fn\\fn\\\\\\\\fn\\fn\fn\fn\fn\fn\fn\fn\fn\fn\\\\\\\\\fn\fn\\\\fn {\fnMicrosoft}} {\fnMicroc}} {\fnMicroc}}} {\fnMicroc} {\f}}} {\fn}} {\fnMicroc}}}}}} {\fnMicroc}}}} {\f}}}}} {\fnMicroc}}}} {\f}}}}}}}}}}}}}\\\\\\\\\\\\\fn\\\\\\\\\\\\fnMicroc\\\\\\fn\fn\fn\fn\fn\fnMicroc\\\fn\fn\\\\fnMicroc\fn\fn}}}}}}}}}}}\\\\\\\fn\fn\fn\\\\fn}}}}}}}}}}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ {\fnMicrosoft Sans Serif} {\fnMicrosoft Sans Serif}} {\fnK}}}} {\cH0}}}}}}}}}\5B}$

Si algunos de los valores no están disponibles, a veces se usa la siguiente fórmula:

${\displaystyle CE=\%{\text{C}+{\frac} {\fnK} {\fnh}} {\fnh00}}} {\fn\fn\fn}} {\fn}} {\fn\fn}}}}\\fn\fn\fn\fn\fn}}}\\\\\fn\\\\\fn\fn\fn\fn\fn\fn\fn\fn\fn\fn}}}}}}}}}}\\\\\\\\\\\\\\\\fn\\\\\\\fn\\\\\\\\\\\\fn\fn\\fn\fn\fn\fn\fn\fn\fn\\fn\fn\fn\fn\\\\\fn\fn\fn\fn\\fn\fn\fn\\fn\fn\\\\\fn\fn\\fn}}}}}}}\\ {1}{20}}}$

El equivalente de carbono es una medida de la tendencia de la soldadura a formar martensita al enfriarse y a sufrir una fractura frágil. Cuando el equivalente de carbono está entre 0,40 y 0,60, puede ser necesario precalentar la soldadura. Cuando el equivalente de carbono es superior a 0,60, es necesario precalentar y puede ser necesario poscalentar.

La siguiente fórmula de carbono equivalente se utiliza para determinar si una soldadura por puntos fallará en acero de alta resistencia y baja aleación debido a una templabilidad excesiva:

${\displaystyle CE=\%{\f}+{\frac} {\fnK} {\fnh}}} {\fnMic}} {\fn}} {\fn}}} {\fn}} {\fn\fn}}}}}} {\fn\fn\fn\fn\fn\fn\fn\\fn\fn\fn\fnMic}}}}}}}}} {\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fn\fn\\\\fn\fn\\fn\fn\\fn\fn\fn\\\fn\fn\fn\\fn\fn\fn\\fn\fn\\\fn\\\\\\fn\fn\fn\fn\fn\fn\\fn\fn\fn\fn\\\\fn\fn\fn\fn\\\\fn {\\fnK}\\fnK}\\fnK}\\fnK}\\\fnK} {\\fnK}}\\fnK}}\\\\fnK}}\\\\\fnK}}}\\\\\\\fnK}}\\\fnMic}}}}}}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\f}}}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fn}}}}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ {\fnMicroc} {\fnMicroc}} {\fnMicroc}}}} {\fnMicroc}}} {\f}}} {\fn}}} {\fnMicroc}}}}} {\fn}}} {\\fnMicroc}}}}} {\fn\\fnMicroc}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}\\\\\\\\\\\\\\\\fn\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fnMicroc\fnMicroc\fn\fn\\fnMicroc\fn\\\fnMicroc}}}}}}}}}}}\\\\\\\fn\\\\fn}}}}}}}}}}}}}}}}}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ {\fnMicrosoft Sans} {\fnMicroc}} {\fnMicroc}}} {\fnMicroc} {\f}}}} {\fn}}} {\fnMicroc}}}}} {\fn}}} {\\fnMicroc}}}}}} {\\fnMicroc} {\fnMicroc} {\fnMicroc} {\fnMicroc}} {\fnMicroc}} {\f}}} {\fnMicroc}}}} {\fn}}}}}} {\fn\f}}}}} {\\fn\f}}}\\\fnMicroc}}}}}}}}}}}}}}\\\\\\\\\\\\\\\\fn\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fnMicroc\\fn\\\\\fnMicroc\\\\fn\\\\\\\fn\\\\fnMicroc\fn}}}}}}}\\\\\\\fn\\\\fn}}}}}}}}}}}}}}}}}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ {UTS}{900}}+{\frac {h}{20}} {\f}} {\f}} {\f}} {\f}}} {\f}}}} {\f}}}}} {\f}}}} {\f}}}}} {\f}}}}} {\f}}}} {\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\\\\\\\\\\\\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\$

Donde UTS es la resistencia máxima a la tracción en ksi y h es el espesor de la tira en pulgadas. Un valor CE de 0,3 o menos se considera seguro.

Yurioka desarrolló un equivalente de carbono especial que podría determinar el tiempo crítico en segundos Δt_8-5 para la formación de martensítico en la zona afectada por el calor (HAZ). ) en aceros aleados con bajo contenido de carbono. La ecuación viene dada como:

${\displaystyle CE*=\%{\text{C}*+{\frac} {\fnMicroc} {\fnK}} {\fnMicroc}} {\fn}}}} {\fn\fn}}} {\fn}}}}}}}\\\\fn\fn\fn\fn\\fn\fn\fn}}}\\\\fnMicroc} {\fnMicroc} {\fnMicroc}} {\fnMicroc}}}} {\fnMicroc} {\f}}} {\fn}} {\fnMicroc}}}}}} {\fnMicroc} {\fnMicroc} {\fnMicroc}} {\fnMicroc}}} {\fnMicroc}}}} {\fn}}}}} {\\fnMicroc} {\fnK} {\fnMicroc}} {\fnMicroc}}}} {\fnMicroc}}} {\f}}} {\fn}} {\fn}} {\fn}}} {\fnMicroc}}}}}}}}}} {\\\fn\fnMicroc}}}}}}}}}}}}}} {\\\\\\\\\\\\\\\fn\\\\\\\\\\\\fn\fn\\\\\\fnMicroc\\fn\fn\\fn\fn\\\\fn\fn\fn\\\\fnMicroc\fn\\\fnMicroc\fn\\\\\\fnMicroc\\fn}}}}}}}}}}}}}}}}}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fn {\fnK}} {\f}}} {\f}}} {\f}}} {\f}}}}} {\f}}}}}} {\f}}}} {\f}}}}}}}}}} {\f}}}}}}}}}}}} {\$

Dónde:

${\displaystyle\%{\text{C}*={\begin{cases}5\%{\text{C} {\mbox{ for }}\%{\text{C}\leq 0,30\%\\\\\\\cH00\\\\\\\\\\\\\\\c\\\\\\\\\\\\cH00\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\c\\\\\\\c\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\c\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\c\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\c\\\\\\\\\\\\\\\\\\ {1} {\fn}\f}\fnK}\f}\f}\fn\fn}\gn}\gn}\gq} 0.30\%\end{cases}}$

Entonces la duración del tiempo crítico en segundos Δt_8-5 se puede determinar de la siguiente manera:

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

Hierro fundido

Para el hierro fundido, el concepto de contenido de carbono equivalente (CE) se utiliza para comprender cómo los elementos de aleación afectarán el tratamiento térmico y el comportamiento de la fundición. Se utiliza como predictor de resistencia en hierros fundidos porque proporciona un equilibrio aproximado de austenita y grafito en la estructura final. Para determinar la CE en fundiciones se dispone de diversas fórmulas, en las que se incluyen cada vez más elementos:

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

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

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

${\displaystyle {\fnMicrosoft Sans Serif}\fnMicrosoft Sans Ser)}\fnMicrosoft Sans Serif}\fnMicrosoft)$

Este CE se utiliza luego para determinar si la aleación es hipoeutéctica, eutéctica o hipereutéctica; para las fundiciones, el eutéctico es 4,3% de carbono. Al fundir hierro fundido, esto resulta útil para determinar la estructura final del grano; por ejemplo, una fundición hipereutéctica suele tener una estructura de grano grueso y se forman grandes escamas de grafito kish. Además, hay menos contracción a medida que aumenta la CE. Cuando se trata térmicamente hierro fundido, se prueban varias muestras de CE para determinar empíricamente la correlación entre CE y dureza. El siguiente es un ejemplo de fundiciones grises endurecidas por inducción: