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碳当量基本原理用于预测钢性质
2020/11/25
修复天然气或输油管线时，需要确保新焊缝绝对牢固。在基本层面上，焊缝的完整性依赖于两段管道完全兼容。如果两段管道的性质不同，或在焊接过程期间变脆，焊接将会失败，从而带来潜在的灾难性后果。
因此，需要确保使用正确钢号。但是仅依靠牌号会存在风险，因为即使在同一个牌号内，精确成分也存在足够差异，从而导致焊接完整性问题。为此，必须单独测量每个部件的精确成分，才能完全理解部件的性质。
这便是碳当量概念的由来。通过碳当量，可获得详细的材料成分，并将这些信息转化为有用信息，以用于评价材料的可焊性。
碳当量对于预测钢性质至关重要
当不仅仅将碳用作合金元素时，等效碳含量的概念可用于含铁材料，通常为钢和铸铁，以确定合金的各种性质。
众所周知，铁或钢中的碳含量会影响其强度和脆度，以及材料的加工和焊接方式。然而，碳不是唯一的合金元素，其他元素对材料性质也有贡献。
难题在于，需考虑每个元素的影响以及其如何单独与所有其他元素相互作用。因此，转而使用碳当量概念，采用一个公式将所有的合金元素“转换”成碳当量百分比。该想法是将除碳之外的合金元素的百分比转换成碳当量百分比，因为与其他铁-合金相相比，铁-碳相更容易被理解。该单一数值随后可被用于评价性质，如下表所示的可焊性：
| 碳当量（CE） | 可焊性 |
最高达 0.35 | 极好 |
0.36–0.40 | 很好 |
0.41–0.45 | 良好 |
0.46–0.50 | 一般 |
超过 0.50 | 不良 |
从表中可以看出，CE数值越大，可焊性越差。如此说来，如何得出这个数值？以下便是碳当量方程的由来：
国际焊接学会（IIW）CE：CE = (%C)+((%Mn)/6)+(((%Cr)+(%Mo)+(%V))/5)+(((%Cu)+(%Ni))/15)
日本焊接学会PCM：
PCM = (%C)+((%Si)/30)+(((%Cr)+(%Cu)+(%Cr))/20)+((%Ni)/60)+((%Mo)/15)+((%V)/10)+((%B)*5)Düren CEM:
CEM = (%C)+((%Si)/25)+(((%Mn)+(%Cu))/20)+(((%Cr)+(%V))/10)+((%Mo)/15) +((%Ni)/40)Thyssen CET:
CET = (%C)+(((%Mn)+(%Mo))/10)+(((%Cr)+(%Cu))/20)+((%Ni)/40)EN 10025-1 CEV:
CEV = (%C)+((%Mn)/6)+(((%Cu)+(%Ni))/15)+(((%Cr)+(%Mo)+(%V))/5)
上文展示了五个方程；实际上，需使用与钢种非常匹配的方程。
可发现每个方程使用已测量的碳百分比的情况，随后加上其他元素的修正百分比。例如，出现在第一个方程中的（锰%/6）使用锰百分比，但将其除以6，从而缩小其效应。
为什么有多个方程？
在一定时间段内，创建新方程，以提高不同钢种的精度，如低碳钢。此外，还可将此等方程扩展至估算钢的氢裂易感性。
应该选择哪个方程？
国际焊接学会所采用的第一个方程最常用。但是，如果分析低碳钢，则PCM和CEM表达式更合适。然而，第二个PCM方程被用于管线制造中所使用的现代钢，其中碳含量通常小于0.11%（重量百分比）。
实际上需要在管道中测量什么？
为了精确确定管线的可焊性，需要测量PCM方程中的元素：
碳、硅、铬、铜、镍、钼、钒和硼。
可能还需要测量磷和硫以进行更全面的分析。如果需要识别双相钢，则需要测量氮。
使CE计算变得容易
为实现精确CE计算结果，日立的火花OES仪器系列能测量相关必要元素，进行仔细计算，并提供CE编号。