Contenido de carbono equivalente

El concepto de contenido equivalente de carbono se utiliza en materiales ferrosos, típicamente acero y hierro fundido , para determinar diversas propiedades de la aleación cuando se emplean otros elementos además del carbono , lo cual es habitual. La idea es convertir el porcentaje de elementos de aleación distintos del carbono al porcentaje equivalente de carbono, ya que las fases hierro-carbono se comprenden mejor que otras fases de aleación de hierro. Este concepto se utiliza con mayor frecuencia en la soldadura , pero también en el tratamiento térmico y la fundición de hierro.

En soldadura, el contenido equivalente de carbono (CE) se utiliza para comprender cómo los diferentes elementos de aleación afectan la dureza del acero que se está soldando. Esto 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 utiliza comúnmente para determinar la soldabilidad . Mayores concentraciones 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 la soldabilidad del acero en diferentes magnitudes, lo que hace necesario un método de comparación para juzgar la diferencia de dureza entre dos aleaciones compuestas por diferentes elementos de aleación. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Existen dos fórmulas comúnmente utilizadas para calcular el contenido equivalente de carbono. Una es de la Sociedad Americana de Soldadura (AWS) y se recomienda para aceros estructurales, y la otra es la fórmula basada en el Instituto Internacional de Soldadura (IIW). ^{[ 3 ]}

La AWS establece que para un contenido de carbono equivalente superior al 0,40 % existe la posibilidad de agrietamiento en la zona afectada por el calor (ZAC) en los bordes cortados con llama y en las soldaduras. Sin embargo, las normas de ingeniería estructural rara vez utilizan el CE, sino que limitan el porcentaje máximo de ciertos elementos de aleación. Esta práctica comenzó antes de que existiera el concepto de CE, por lo que simplemente se sigue utilizando. Esto ha generado problemas, ya que ahora se utilizan ciertos aceros de alta resistencia con un CE superior al 0,50 % que presentan fallas frágiles. ^{[ 3 ]}

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

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]

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

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]

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

If some of the values are not available, the following formula is sometimes used:

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

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]

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

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:

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

where:

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

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

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

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. A number of formulas are available to determine the CE in cast irons, where an increasing number of elements are included:

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

Este CE se utiliza para determinar si la aleación es hipoeutéctica , eutéctica o hipereutéctica ; para los hierros fundidos, el eutéctico es 4,3 % de carbono. Al fundir hierro, esto es útil para determinar la estructura de grano final ; por ejemplo, un hierro fundido hipereutéctico suele tener una estructura de grano grueso y se forman grandes escamas de grafito kish . ^{[ 12 ]} Además, hay menos contracción a medida que aumenta el CE. ^{[ 9 ]} Al tratar térmicamente el hierro fundido, se prueban varias muestras de CE para determinar empíricamente la correlación entre CE y dureza. El siguiente es un ejemplo para hierros grises endurecidos por inducción: ^{[ 8 ]}

• 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.