Metalograph: Analisis Mikrostruktur Baja yang Penting untuk Pengendalian Kualitas

Definisi dan Konsep Dasar

Metalograph adalah teknik pemeriksaan metalografi yang khusus digunakan untuk menganalisis mikrostruktur baja dan bahan logam lainnya. Ini melibatkan persiapan, penghalusan, dan penggoresan spesimen untuk mengungkap fitur internalnya, seperti batas butir, fase, inklusi, dan konstituen mikrostruktural. Tujuan utama metalografi adalah untuk menilai kualitas, sifat, dan potensi kinerja baja dengan memvisualisasikan mikrostrukturnya pada berbagai pembesaran.

Dalam konteks pengendalian kualitas baja dan pengujian bahan, metalograph memberikan wawasan penting tentang sejarah pembuatan material, efek perlakuan panas, dan potensi cacat. Ini berfungsi sebagai alat penting bagi metalurgis dan insinyur kualitas untuk memverifikasi apakah mikrostruktur baja sesuai dengan standar dan persyaratan kinerja yang ditentukan. Analisis yang diperoleh melalui metalografi membantu dalam mendiagnosis masalah seperti perlakuan panas yang tidak tepat, segregasi, atau kandungan inklusi, yang secara langsung mempengaruhi sifat mekanik dan masa pakai.

Dalam kerangka yang lebih luas dari jaminan kualitas baja, metalograph bertindak sebagai jembatan antara komposisi bahan baku, parameter pemrosesan, dan kinerja produk akhir. Ini melengkapi metode pengujian lainnya seperti pengujian kekerasan, pengujian tarik, dan evaluasi non-destruktif, memberikan pemahaman yang komprehensif tentang keadaan internal material. Sebagai teknik karakterisasi yang mendasar, metalograph mendukung upaya untuk mengoptimalkan proses manufaktur dan memastikan produksi baja yang konsisten dan berkualitas tinggi.

Sifat Fisik dan Dasar Metalurgi

Manifestasi Fisik

Di tingkat makro, hasil analisis metalografi diamati sebagai spesimen yang dipoles dan diukir yang mengungkap fitur mikrostruktural yang berbeda. Fitur-fitur ini termasuk batas butir, distribusi fase, inklusi, dan mikrovoid, yang terlihat di bawah mikroskop optik atau elektron. Penampilan makro dari spesimen metalografi biasanya muncul sebagai permukaan halus seperti cermin setelah dipoles, dengan daerah yang diukir menunjukkan warna atau bayangan yang kontras yang membedakan konstituen mikrostruktural yang berbeda.

Secara mikroskopis, manifestasi mikrostruktur baja muncul sebagai jaringan butir, fase, dan inklusi. Misalnya, ferrit dan perlit dalam baja karbon menampilkan struktur lamelar yang khas, sementara martensit muncul sebagai fitur seperti jarum atau pelat. Ukuran, bentuk, dan distribusi elemen mikrostruktural ini adalah indikator kritis dari sejarah pemrosesan dan kualitas baja. Fitur karakteristik seperti ukuran butir, morfologi fase, dan distribusi inklusi digunakan untuk mengevaluasi kesesuaian baja untuk aplikasi tertentu.

Mekanisme Metalurgi

Mikrostruktur yang diungkap oleh metalografi dipengaruhi oleh komposisi kimia baja, sejarah termal, dan pemrosesan mekanis. Selama pembekuan dan pendinginan, mikrostruktur baja berkembang melalui transformasi fase, pertumbuhan butir, dan fenomena segregasi. Misalnya, pendinginan cepat dapat menghasilkan struktur martensitik, yang ditandai dengan karbon yang terlarut berlebih dalam kisi tetragonal berpusat badan (BCT), yang memberikan kekerasan dan kerapuhan.

Pembentukan fase yang berbeda—ferrit, perlit, bainit, atau martensit—dikendalikan oleh elemen paduan dan laju pendinginan. Karbon, mangan, silikon, dan elemen lainnya mempengaruhi stabilitas fase dan suhu transformasi. Inklusi seperti oksida, sulfida, atau silikat berasal dari kotoran atau praktik deoksidasi dan dapat bertindak sebagai konsentrator stres atau situs nukleasi untuk fitur mikrostruktural.

Perkembangan mikrostruktural juga dipengaruhi oleh perlakuan termomekanis sebelumnya seperti penggilingan, penempaan, atau perlakuan panas. Proses-proses ini mempengaruhi ukuran butir, distribusi fase, dan stres residual, yang semuanya dapat diamati melalui metalografi. Memahami mekanisme ini memungkinkan metalurgis untuk menyesuaikan parameter pemrosesan untuk mencapai sifat yang diinginkan dan meminimalkan cacat.

Sistem Klasifikasi

Klasifikasi standar mikrostruktur dalam baja didasarkan pada konstituen fase, ukuran butir, dan keberadaan cacat. Kategori umum meliputi:

• Ferrit: Fase lembut, ulet, dan rendah karbon dengan struktur kubik berpusat badan (BCC).
• Perlit: Lamela bergantian dari ferrit dan semenit, menawarkan keseimbangan antara kekuatan dan keuletan.
• Bainit: Mikrostruktur halus dan akicular yang terbentuk pada laju pendinginan menengah, dengan ketangguhan yang baik.
• Martensit: Karbon terlarut berlebih dalam struktur BCT, ditandai dengan kekerasan tinggi dan kerapuhan.
• Inklusi dan Kotoran: Partikel non-logam seperti oksida, sulfida, atau silikat, yang diklasifikasikan berdasarkan ukuran, bentuk, dan distribusi.

Peringkat keparahan atau kualitas sering diberikan berdasarkan ukuran dan distribusi inklusi, ukuran butir, dan keseragaman fase. Misalnya, standar seperti ASTM E112 menentukan klasifikasi ukuran butir, sementara ASTM E45 menyediakan metode untuk penilaian inklusi. Klasifikasi ini membantu dalam menilai apakah mikrostruktur memenuhi spesifikasi untuk aplikasi tertentu, seperti komponen struktural atau bejana tekan.

Metode Deteksi dan Pengukuran

Teknik Deteksi Utama

Metode inti untuk mendeteksi dan menganalisis mikrostruktur adalah metalografi optik, yang melibatkan persiapan spesimen, penghalusan hingga permukaan cermin, dan penggoresan dengan reagen yang sesuai. Permukaan yang diukir mengungkap fitur mikrostruktural di bawah mikroskop cahaya, biasanya pada pembesaran berkisar antara 50x hingga 1000x.

Mikroskop Elektron Pemindaian (SEM) juga digunakan untuk pencitraan resolusi lebih tinggi, terutama untuk analisis rinci inklusi, batas fase, dan mikrovoid. SEM memberikan kontras yang lebih baik dan kedalaman bidang, memungkinkan karakterisasi yang tepat dari fitur mikrostruktural yang tidak mudah terlihat dengan mikroskop optik.

Difraksi sinar-X (XRD) dapat melengkapi metalografi dengan mengidentifikasi fase dan struktur kristalografi, terutama ketika fitur mikrostruktural tidak jelas atau ketika analisis fase kuantitatif diperlukan. Selain itu, perangkat lunak analisis citra dapat digunakan untuk mengukur ukuran butir, proporsi fase, dan kandungan inklusi dari mikrograf.

Standar dan Prosedur Pengujian

Standar internasional seperti ASTM E112 (Metode Uji Standar untuk Menentukan Ukuran Butir Rata-rata), ASTM E407 (Praktik Standar untuk Mikro-ukiran Logam dan Paduan), dan ISO 17024 mengarahkan proses pemeriksaan metalografi.

Prosedur tipikal melibatkan:

• Memotong spesimen representatif dari komponen baja.
• Memasang spesimen dalam resin yang sesuai untuk memudahkan penanganan.
• Penggilingan dengan kertas abrasif yang semakin halus untuk menghilangkan ketidakteraturan permukaan.
• Penghalusan dengan pasta berlian atau suspensi alumina untuk mencapai permukaan seperti cermin.
• Penggoresan dengan reagen yang sesuai (misalnya, Nital, Picral, atau Vernier) untuk mengungkap mikrostruktur.
• Mengamati di bawah mikroskop, menangkap gambar, dan menganalisis fitur.

Parameter kritis termasuk konsentrasi etan, waktu penggoresan, dan pembesaran, yang mempengaruhi kejernihan dan kontras fitur mikrostruktural. Konsistensi dalam persiapan spesimen memastikan hasil yang dapat diandalkan dan dapat dibandingkan.

Persyaratan Sampel

Persiapan spesimen standar melibatkan pemotongan sampel dari baja dengan cara yang mempertahankan mikrostruktur yang representatif, menghindari deformasi atau kontaminasi. Permukaan harus bebas dari goresan, oksidasi, atau residu yang dapat mengaburkan fitur mikrostruktural.

Kondisi permukaan mencakup penggilingan dan penghalusan hingga permukaan cermin, biasanya menggunakan kertas abrasif dan kain penghalus dengan suspensi berlian atau alumina. Penggoresan yang tepat sangat penting untuk secara selektif mengungkap fase tanpa menggores berlebihan atau kurang, yang dapat mendistorsi interpretasi mikro