Carbono equivalente

O conceito de carbono equivalente é usado em materiais ferrosos, normalmente aço e ferro fundido, para se determinar diversas propriedades da liga quando mais do que apenas o carbono é usado como um elemento de liga, o que é típico. A ideia é converter a porcentagem de outros elementos de liga em equivalentes à porcentagem de carbono, uma vez que as fases ferro-carbono são mais bem compreendidos do que outras fases de aço-liga. Normalmente, este conceito é usado em soldagem, mas também é utilizado no tratamento térmico e na fundição.

Aço

Em soldagem, o carbono equivalente (%Ce) é usado para entender como os diferentes elementos de liga afetam a dureza do aço a ser soldado. Este é, então, diretamente relacionado com a fratura a frio induzida por hidrogênio, que é o defeito de soldagem mais comum no aço, sendo assim mais comumente usado para determinar a soldabilidade. As adições de carbono e outros elementos de liga, tais como manganês, cromo, silício, molibdênio, vanádio, cobre e níquel, tende a aumentar a dureza, aumentar a temperabilidade e diminuir a soldabilidade. Cada um destes elementos tende a influenciar a dureza e a soldabilidade do aço em diferentes magnitudes, no entanto, se faz necessário um método de comparação para julgar a diferença de dureza entre as duas ligas feitas de diferentes elementos de liga. Existem algumas fórmulas para o cálculo do carbono equivalente, sendo mais comuns a da Sociedade Americana de Soldagem (AWS) e a do Instituto Internacional de Soldagem (IIW).

A AWS afirma que, para um carbono equivalente acima de 0,40% há um potencial de formação de trincas na zona termicamente afetada (ZTA) em soldas e cortes à chama. No entanto, normas de engenharia estrutural raramente usam o %Ce mas limitam o percentual máximo de certos elementos de liga. Essa prática começou antes do conceito de %Ce existir, então continua a ser usada. Isso tem levado a problemas devido a certos aços de alta resistência poderem apresentar fratura frágil.

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

Outra fórmula popular é a Dearden e O'Neill, que foi adotada pelo IIW em 1967. Esta fórmula tem sido considerada adequada para a previsão de temperabilidade em uma grande variedade de aços carbono e aços carbono-manganês, mas não para aços microligados de alta resistência e baixa liga ou aços de Cr-Mo baixa-liga. A fórmula é definida da seguinte forma:

$CE=\%C+{\frac {\%Mn}{6}}+\left({\frac {\%Cr+\%Mo+\%V}{5}}\right)+\left({\frac {\%Cu+\%Ni}{15}}\right)$

Para esta equação, a soldabilidade pode ser definida da seguinte forma:

Carbono equivalente (%Ce)	Soldabilidade
Até 0,35	Excelente
0.36–0.40	Muito bom
0.41–0.45	Bom
0.46–0.50	Razoável
Mais de 0.50	Ruim

A Sociedade Japonesa de Engenharia de Soldagem adotou o parâmetro de metal crítico (Pcm) para trincas por soldagem, que foi baseada no trabalho de Ito e Bessyo:

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

O carbono equivalente é uma medida da tendência de solda para formar martensita no resfriamento e sofrer fratura frágil. Quando o carbono equivalente está entre a 0,4 e 0,6, pode ser necessário o pré-aquecimento da solda. Quando o carbono equivalente está acima de 0,6, pré-aquecimento é necessário e um pós-aquecimento pode ser necessário.

A seguinte fórmula de carbono equivalente é utilizada para determinar se uma solda ponto irá falhar em um aço de alta resistência e baixa liga , devido ao excesso de temperabilidade:

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

Onde UTS é a resistência à tração máxima em ksi e h é a faixa de espessura (em polegadas). Um %Ce de 0,3 ou menos é considerado seguro.

Um carbono equivalente especial foi desenvolvido por Yurioka, que poderia determinar o tempo crítico em segundos Δt_8-5 para a formação de martensita na ZTA em aços-liga de baixo carbono. A equação é dada como:

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

onde:

$\%C*=5\%C{\mbox{ para }}\%C\leq 0.30\%$

$\%C*=\%C/6{\mbox{ para }}\%C\geq 0.30\%$

Então o tempo crítico, em segundos, Δt_8-5, pode ser determinado da seguinte forma:

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

Ferro fundido

Para o ferro fundido, o teor de carbono equivalente (%Ce) é usado para entender como os elementos de liga afetarão o tratamento térmico e o comportamento do metal fundido. Ele é usado como um indicador de resistência em ferros fundidos porque dá uma noção da quantidade de grafita presente na estrutura final. As fórmulas a seguir são utilizadas para determinar o %Ce em ferros fundidos:

$CE=\%C+0.33\left(\%Si\right)+0.33\left(\%P\right)-0.027\left(\%Mn\right)+0.4\left(\%S\right)$

$CE=\%C+0.33\left(\%Si\right)$

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

Este %Ce, em seguida, é usado para determinar se a liga é hipoeutética, eutética, ou hipereutética; para ferros fundidos o ponto eutético fica em 4,3%C. Isto é útil para determinar a estrutura final dos grãos; por exemplo, um ferro fundido hipereutético normalmente tem uma estrutura de grãos grandes e grosseiros com flocos de grafita. Além disso, há menos contração conforme o %Ce aumenta.

Referências

Bibliografia

• Bruneau, Michel; Uang, Chia-Ming; Whittaker, Andrew Stuart (1998), Ductile design of steel structures, ISBN 978-0-07-008580-0, McGraw-Hill Professional0 
• Rudnev, Valery (2003), Handbook of induction heating, ISBN 978-0-8247-0848-1, CRC Press1 

Leitura complementar

• Lincoln Electric (1994). O Manual de procedimentos de Soldagem a Arco. Cleveland: Lincoln Electric. ISBN 99949-25-82-2. (Página 3.3-3)
• Weman, Klas (2003). Processos de soldagem manual. Nova Iorque: CRC Press LLC. ISBN 0-8493-1773-8.
• A American Welding Society (2004). O Código de Soldagem estrutural, a AWS D1.1. ISBN 0-87171-726-3.