Оценка свариваемости сталей. Формулы углеродного эквивалента

Оценка свариваемости сталей включает в себя такие показатели, как:

1. Склонность стали к образованию холодных и горячих трещин при сварке в металле сварного шва или зоне термического влияния.

2. Склонность к образованию закалочных структур и изменению структуры металла в зоне термического влияния. В этой области происходит сильное укрупнение зёрен, и, как следствие, снижение прочности.

3. Физико-механические характеристики сварного соединения

4. Соответствие специальных показателей сварного соединения (таких как жаропрочность, износостойкость и др.) заданным требованиям.

Формулы углеродного эквивалента сталей и других параметрических выражений для оценки свариваемости

Для оценки свариваемости сталей применяют такую величину, как углеродный эквивалент сталей (Сэкв). При определении углеродного эквивалента учитывается химический состав сталей, т.к. влияние легирующих элементов на свариваемость стали очень большое. Особенно сильно на свариваемость влияет углерод (С). Для определения склонности металла к образованию холодных трещин при сварке, применяют следующие формулы расчёта углеродного эквивалента:

Сэкв=С+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15, % - данная формула принята для расчёта в Европейском стандарте

Сэкв=С+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4, % - эта формула для определения углеродного эквивалента стали в стандартах Японии

Cэкв=C+Mn/20+Ni/15+(Cr+Mo+V)/10, % - такая формула углеродного эквивалента предлагается Британским институтом сварки

Однако, как оказалось на практике, для микролегированных сталей с пониженным содержанием углерода эти уравнения не могут охарактеризовать снижение прочности из-за роста зёрен. Немцем Дюреном была выведена формула углеродного эквивалента микролегированных сталей, которая достаточно точно характеризует их склонность к образованию холодных трещин:

Сэкв=С+Si/25+(Mn+Cu)/16+Cr/20+Ni/20+Mo/40+V/15, %

Значение углеродного эквивалента позволяет определить, к какой группе свариваемости сталей относится та, или иная марка, кроме того, это значение понядобится, чтобы определить температуру предварительного подогрева при сварке металлов. Определяется она по формуле:

где С - общий эквивалент углерода, который можно вычислить следующим образом:

С=Сэкв+Сs,

Сэкв - химический эквивалент углерода, вычисляется по формулам, приведённым выше;
Сs - эквивалент углерода, в зависимости от толщины листа, в мм. Вычисляется по формуле:

Cs=0,005*S*Сэкв.

В итоге, получаем: С=Сэкв*(1+0,005*S)

Кроме углеродного эквивалента для определения и оценки свариваемости сталей существуют несколько параметрических формул, из которых наибольшую популярность получила формула Ито-Бессио:

Рсм=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/15+5B, %

Pw=Pcм+Н/60+К/(40*104), %

Где К - коэффициент интенсивности жёсткости, который Ито и Бессио применяли при расчётах на основании данных, которые они получили при оценке свариваемости сталей с У-образной разделкой кромок.

К=Ко*S, где Ко - константа, равная 69; S - толщина листа, мм. Исследования, проведённые позже, показали, что константу Ко=69 можно применять для приблизительных определений величины К в случае, когда свариваются листы большой толщины, до 150 мм включительно.

Рсм - коэффициент, характеризующий снижение прочности вследствие структурного преобразования сплава;
Н - количество растворённого водорода в металле, образующего сварной шов, измеряется в мл/100г. В Японских стандартах величина Н=0,64, в Европейских Н=0,93.

Многочисленные измерения показали, что при Рw>0,286, то возникает риск возникновения холодных трещин в сварном соединении.

Если речь идёт об опасности образования горячих трещин в металле сварного шва, то оценить свариваемость стали по этому критерию можно при помощи показателя HCS, вычисляемого по формуле:

HCS=(C*[S+P+Si/25+Ni/100]*1000)/(3Mn+Cr+Mo+V)

Если получившаяся величина HCS>4, то возникает риск образования горячих трещин. Однако, если выполняется сварка высокопрочных сталей большой толщины, то риск возникновения данного дефекта сварного шва возникает уже при показателе HCS>1,6…2.

Основной способ оценки теоретической свариваемости сталей

На практике одним из основных и, зачастую, трудноопределимым дефектом сварного шва являются холодные трещины. Поэтому, наиболее популярной оценкой свариваемости стали, является определение углеродного эквивалента Сэкв по вышеуказанным формулам.

Исходя из получившейся величины, можно условно разделить стали на 4 группы свариваемости:

Сэкв не более 0,2 - свариваемость стали хорошая;
Сэкв свыше 0,2 и не более 0,35 - свариваемость стали удовлетворительная;
Сэкв свыше 0,35 и не более 0,45 - сталь ограниченно свариваемая;
Сэкв свыше 0,45 - свариваемость стали плохая (трудносвариваемая).

Об этом мы более подробно поговорим на странице: "Классификация сталей по свариваемости".

Дополнительные материалы по теме: