Metallografi: Inspeksi Baja yang Penting untuk Kualitas & Kinerja

Definisi dan Konsep Dasar

Metallografi adalah studi ilmiah dan pemeriksaan mikroskopis dari mikrostruktur logam dan paduan, termasuk baja. Ini melibatkan persiapan, pengamatan, dan analisis struktur internal dari sampel baja untuk memahami komposisi fase, ukuran butir, inklusi, dan fitur mikrostruktur lainnya.

Dalam konteks pengendalian kualitas baja dan pengujian material, metallografi berfungsi sebagai alat dasar untuk menilai integritas mikrostruktur, mengidentifikasi cacat, dan memverifikasi hasil pemrosesan. Ini memberikan wawasan penting tentang hubungan antara parameter pemrosesan, mikrostruktur, dan sifat mekanik yang dihasilkan.

Metallografi cocok dalam kerangka kerja yang lebih luas dari jaminan kualitas baja dengan memungkinkan deteksi anomali mikrostruktur yang dapat mengkompromikan kinerja. Ini melengkapi metode pengujian lainnya seperti pengujian kekerasan, pengujian tarik, dan evaluasi non-destruktif, membentuk bagian integral dari karakterisasi material yang komprehensif.

Sifat Fisik dan Dasar Metalurgi

Manifestasi Fisik

Di tingkat makro, pemeriksaan metallografi biasanya melibatkan pengamatan sampel baja yang dipoles dan di etsa di bawah mikroskop, mengungkapkan fitur seperti batas butir, distribusi fase, dan inklusi. Fitur makro seperti cacat permukaan atau inklusi besar kadang-kadang dapat terlihat dengan mata telanjang atau pembesaran rendah.

Secara mikroskopis, metallografi mengungkapkan fitur mikrostruktur yang rinci, termasuk ferrit, perlit, bainit, martensit, karbida, dan inklusi. Fitur-fitur ini dicirikan oleh bentuk, ukuran, distribusi, dan karakteristik antarmuka mereka, yang penting untuk memahami sifat baja.

Fitur karakteristik yang mengidentifikasi fenomena metallografi termasuk ukuran butir, morfologi fase, dan keberadaan mikrovoid atau retakan. Misalnya, struktur perlit halus menunjukkan laju pendinginan tertentu, sementara butir kasar dapat menunjukkan perlakuan panas yang tidak tepat.

Mekanisme Metalurgi

Mikrostruktur yang diamati dalam metallografi merupakan hasil dari mekanisme metalurgi yang kompleks yang diatur oleh komposisi baja dan kondisi pemrosesan. Selama pembekuan, pendinginan, dan perlakuan panas selanjutnya, atom-atom tersusun menjadi fase tertentu berdasarkan stabilitas termodinamika dan faktor kinetik.

Misalnya, pendinginan cepat dapat menghasilkan mikrostruktur martensitik, yang dicirikan oleh karbon yang terlarut dalam kisi ferrit yang terdistorsi. Pendinginan lambat memungkinkan pembentukan perlit, campuran lamelar ferrit dan semenit, sementara pendinginan menengah dapat menghasilkan bainit.

Mikrostruktur juga dipengaruhi oleh elemen paduan seperti karbon, mangan, krom, dan nikel, yang memodifikasi suhu dan kinetika transformasi fase. Kotoran dan inklusi dapat bertindak sebagai situs nukleasi atau konsentrator stres, mempengaruhi evolusi mikrostruktur.

Fitur mikrostruktur secara langsung mempengaruhi sifat mekanik, ketahanan korosi, dan kemampuan las. Memahami mekanisme ini memungkinkan metalurgis untuk menyesuaikan parameter pemrosesan untuk mencapai sifat yang diinginkan.

Sistem Klasifikasi

Klasifikasi standar mikrostruktur dalam baja sering kali didasarkan pada ukuran butir, distribusi fase, dan kandungan inklusi. Standar ASTM E112 memberikan klasifikasi ukuran butir, mulai dari sangat halus (nomor ukuran butir 10) hingga sangat kasar (nomor ukuran butir 1).

Fitur mikrostruktur juga dikategorikan berdasarkan jenis fase—ferrit, perlit, bainit, martensit—dan morfologinya. Inklusi diklasifikasikan berdasarkan ukuran, bentuk, dan komposisi, mengikuti standar seperti ASTM E45.

Tingkat keparahan atau penilaian kualitas dapat diberikan berdasarkan sejauh mana fitur yang tidak diinginkan, seperti butir kasar atau inklusi yang berlebihan. Misalnya, mikrostruktur "butir halus" umumnya lebih disukai untuk ketangguhan, sementara butir kasar dapat dinilai sebagai suboptimal.

Dalam aplikasi praktis, klasifikasi ini membimbing kriteria penerimaan, penyesuaian proses, dan keputusan pengendalian kualitas.

Metode Deteksi dan Pengukuran

Teknik Deteksi Utama

Metode utama untuk mendeteksi dan menganalisis fitur metallografi adalah mikroskopi optik, sering kali dikombinasikan dengan etsa kimia. Sampel dipoles hingga permukaan cermin, kemudian di etsa dengan reagen tertentu untuk mengungkap detail mikrostruktur.

Mikroskop optik beroperasi pada cahaya tampak, dengan pembesaran biasanya berkisar antara 50x hingga 1000x. Mereka dilengkapi dengan pencahayaan yang dapat disesuaikan, filter, dan sistem pengambilan gambar untuk analisis rinci.

Mikroskop Elektron Pemindaian (SEM) juga dapat digunakan untuk pencitraan resolusi lebih tinggi, terutama untuk menganalisis inklusi, karbida, atau fitur mikrostruktur halus. SEM memberikan informasi topografi dan komposisi yang rinci melalui pencitraan elektron sekunder dan backscattered.

Teknik lain termasuk Difraksi Elektron Backscatter (EBSD) untuk analisis kristalografi dan difraksi sinar-X (XRD) untuk identifikasi fase, melengkapi metallografi.

Standar dan Prosedur Pengujian

Standar internasional yang relevan termasuk ASTM E3 (Panduan Standar untuk Persiapan Spesimen Metallografi), ASTM E112 (Metode Uji Standar untuk Jumlah dan Ukuran Butir dalam Baja dan Logam Lainnya), dan ISO 17025 untuk akreditasi laboratorium.

Prosedur tipikal melibatkan pemotongan sampel yang representatif, memasangnya dalam resin, menggiling dengan abrasif yang semakin halus, dan memoles hingga permukaan cermin. Sampel kemudian di etsa dengan reagen yang sesuai—seperti Nital atau Picral—untuk mengungkap fitur mikrostruktur.

Parameter kritis termasuk tekanan penggilingan, durasi pemolesan, konsentrasi etsa, dan waktu etsa. Parameter ini mempengaruhi kejernihan dan kontras fitur mikrostruktur, mempengaruhi akurasi interpretasi.

Persyaratan Sampel

Sampel harus representatif dari batch baja, dengan dimensi biasanya sekitar 10 mm x 10 mm x 5 mm untuk spesimen kecil. Persiapan permukaan melibatkan penggilingan dengan kertas abrasif, diikuti dengan pemolesan menggunakan suspensi berlian atau pasta alumina.

Kondisi permukaan sangat penting; pemolesan yang tidak tepat dapat memperkenalkan goresan atau deformasi, mengaburkan detail mikrostruktur. Etsa harus dikendalikan dengan hati-hati untuk mencegah etsa berlebihan atau kurang, yang dapat mendistorsi interpretasi mikrostruktur.

Pemilihan sampel mempengaruhi validitas pengujian; pengambilan sampel yang representatif memastikan bahwa analisis mikrostruktur mencerminkan kondisi material secara keseluruhan. Beberapa sampel dapat diperiksa untuk keandalan statistik.

Akurasi Pengukuran

Mikroskopi optik menawarkan tingkat pengulangan yang tinggi ketika prosedur standar diikuti. Namun, kesalahan pengukuran dapat muncul dari pemolesan yang tidak tepat, etsa yang tidak konsisten, atau subjektivitas operator.

Reproduksibilitas ditingkatkan melalui kalibrasi mikroskop, protokol etsa yang distandarisasi, dan pelatihan. Perangkat lunak analisis gambar digital dapat mengukur ukuran butir, fraksi fase, dan kandungan inklusi, meningkatkan objektivitas.

Sumber ketidakpastian termasuk variasi dalam persiapan sampel, konsentrasi etsa, dan kondisi lingkungan. Pengendalian kualitas secara teratur, seperti kalibrasi dengan bahan referensi bersertifikat, memastikan keandalan pengukuran.

Kuantifikasi dan Analisis Data

Satuan dan Skala Pengukuran

Ukuran butir diukur menggunakan nomor ukuran butir ASTM, yang berkaitan dengan diameter butir rata-rata melalui rumus:

$$d = \frac{2}{\sqrt{N}} $$

di mana ( d ) adalah diameter butir rata-rata dalam milimeter, dan $N$ adalah jumlah butir per unit area.

Fraksi fase dinyatakan sebagai persentase dari total mikrostruktur, ditentukan melalui penghitungan titik atau analisis gambar. Kandungan inklusi dapat diukur dengan menghitung inklusi per unit area atau volume.

Pengukuran mikrokeras, jika dilakukan, dinyatakan dalam satuan kekerasan