Kerapuhan Suhu: Wawasan Utama untuk Kualitas & Pengujian Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Kerapuhan temper adalah cacat metalurgi yang ditandai dengan penurunan mendadak dalam ketangguhan dan keuletan baja setelah perlakuan panas tertentu, terutama tempering. Ini muncul sebagai kecenderungan untuk patah rapuh di bawah stres, sering kali tanpa deformasi plastik yang signifikan, yang mengkompromikan keselamatan dan kinerja material. Fenomena ini sangat penting dalam pengendalian kualitas baja karena dapat menyebabkan kegagalan katastropik pada komponen struktural, mesin, dan bejana tekan.

Dalam konteks yang lebih luas dari jaminan kualitas baja, kerapuhan temper adalah indikator kunci dari stabilitas mikrostruktur dan efektivitas proses perlakuan panas. Ini mencerminkan kemampuan baja untuk menyerap energi selama deformasi dan menahan patahan, terutama di bawah kondisi beban dinamis atau dampak. Mengenali dan mengendalikan kerapuhan temper memastikan bahwa produk baja memenuhi standar keselamatan dan berfungsi secara andal di lingkungan layanan.

Sifat Fisik dan Dasar Metalurgi

Manifestasi Fisik

Di tingkat makro, kerapuhan temper muncul sebagai penurunan mendadak dalam ketangguhan, sering kali diamati sebagai permukaan patah rapuh selama pengujian mekanis atau analisis kegagalan. Permukaan patah biasanya menunjukkan penampilan granular atau intergranular, dengan deformasi plastik minimal, menunjukkan mode kegagalan rapuh.

Secara mikroskopis, kerapuhan temper ditandai oleh keberadaan karbida kasar yang mengendap di sepanjang batas butir, yang bertindak sebagai situs inisiasi retakan. Di bawah pembesaran, dapat diamati jaringan patahan intergranular rapuh, dengan mikrostruktur menunjukkan pengurangan fase ulet seperti ferrit atau perlit dan peningkatan fase karbida rapuh.

Mekanisme Metalurgi

Penyebab inti dari kerapuhan temper terletak pada perubahan mikrostruktur yang diinduksi oleh perlakuan panas tertentu. Selama tempering, terutama pada rentang suhu tertentu (biasanya 150°C hingga 300°C), karbida seperti semenit (Fe₃C) mengendap di sepanjang batas butir. Karbida kasar ini melemahkan kohesi batas, membuat baja rentan terhadap patahan intergranular.

Mekanisme ini melibatkan segregasi elemen pengotor seperti fosfor, sulfur, atau arsenik ke batas butir, yang lebih lanjut mengurangi kekuatan batas. Selain itu, pembentukan karbida kasar mengurangi jumlah fase ulet, menghasilkan mikrostruktur yang mendukung patahan rapuh. Stabilitas mikrostruktur dipengaruhi oleh elemen paduan; misalnya, baja paduan dengan komposisi tertentu lebih tahan terhadap kerapuhan temper.

Sistem Klasifikasi

Klasifikasi standar kerapuhan temper sering melibatkan penilaian tingkat keparahan berdasarkan pengujian ketangguhan dampak, seperti pengujian Charpy V-notch. Klasifikasinya adalah:

• Tidak rapuh (Diterima): Energi dampak melebihi ambang batas minimum yang ditentukan, menunjukkan ketangguhan yang baik.
• Agak rapuh: Energi dampak di bawah ambang batas tetapi masih dalam batas yang dapat diterima untuk aplikasi tertentu.
• Rapuh: Energi dampak berkurang secara signifikan, menunjukkan kerentanan tinggi terhadap patahan rapuh.
• Rapuh parah: Energi dampak sangat rendah atau nol, dengan permukaan patah menunjukkan kegagalan rapuh intergranular atau granular.

Klasifikasi ini membantu dalam pengambilan keputusan praktis, mengarahkan apakah baja dapat digunakan apa adanya, memerlukan penyesuaian perlakuan panas, atau perlu ditolak atau diperbaiki.

Metode Deteksi dan Pengukuran

Teknik Deteksi Utama

Metode utama untuk mendeteksi kerapuhan temper adalah pengujian dampak, khususnya pengujian Charpy V-notch, yang mengukur energi yang diserap selama patahan pada suhu tertentu. Pengujian ini melibatkan memukul spesimen yang memiliki notched dengan pendulum dan mencatat energi yang diperlukan untuk mematahkannya.

Pemeriksaan mikroskopis juga digunakan, melibatkan analisis metalografi dari sampel yang dipoles dan di etsa untuk mengidentifikasi karbida kasar dan fitur batas butir yang terkait dengan kerapuhan. Fraktografi menggunakan mikroskop elektron pemindai (SEM) dapat mengungkap mode patahan, membedakan kegagalan intergranular rapuh dari patahan ulet.

Standar dan Prosedur Pengujian

Standar internasional seperti ASTM A370, ISO 148-1, dan EN 10025 menetapkan prosedur untuk pengujian dampak untuk menilai kerapuhan temper. Prosedur tipikal melibatkan:

• Mempersiapkan spesimen dengan dimensi dan geometri notch yang distandarisasi.
• Mengondisikan spesimen pada suhu pengujian yang ditentukan, sering kali di bawah suhu kamar, untuk mensimulasikan kondisi layanan.
• Melakukan pengujian dampak pada berbagai suhu untuk menentukan transisi ulet-ke-rapuh.
• Mencatat energi dampak dan membandingkannya dengan kriteria penerimaan.

Parameter kritis termasuk suhu pengujian, dimensi spesimen, geometri notch, dan laju pemuatan. Variasi dalam parameter ini dapat mempengaruhi hasil, sehingga kepatuhan yang ketat terhadap standar sangat penting.

Persyaratan Sampel

Sampel harus representatif dari batch baja, dengan penyelesaian permukaan dan persiapan notch yang sesuai dengan spesifikasi standar. Spesimen biasanya diambil dari produk baja di lokasi yang mencerminkan mikrostruktur dan kondisi perlakuan panas yang khas.

Pemrosesan permukaan melibatkan penggilingan dan pemolesan untuk menghilangkan dekaburisasi permukaan atau skala, yang dapat mempengaruhi hasil dampak. Pemilihan spesimen yang tepat memastikan bahwa hasil pengujian mencerminkan kerentanan material terhadap kerapuhan temper dengan akurat.

Akurasi Pengukuran

Hasil pengujian dampak dapat bervariasi karena persiapan spesimen, lingkungan pengujian, dan teknik operator. Memastikan akurasi pengukuran yang tinggi melibatkan kalibrasi peralatan pengujian secara teratur, mempertahankan prosedur persiapan spesimen yang konsisten, dan melakukan beberapa pengujian untuk keandalan statistik.

Sumber kesalahan termasuk penyelarasan spesimen yang tidak tepat, fluktuasi suhu, dan dimensi notch yang tidak konsisten. Untuk meningkatkan kualitas pengukuran, laboratorium menerapkan protokol kontrol kualitas, menggunakan bahan referensi bersertifikat, dan melakukan pengujian ulang untuk memverifikasi reproduksibilitas.

Kuantifikasi dan Analisis Data

Satuan dan Skala Pengukuran

Ketangguhan dampak dinyatakan dalam satuan energi, biasanya Joule $J$ atau foot-pounds (ft-lb). Energi dampak yang diserap selama patahan diplot terhadap suhu untuk menghasilkan kurva ketangguhan-suhu, yang membantu mengidentifikasi suhu transisi ulet-ke-rapuh.

Secara matematis, energi dampak $E$ dihitung langsung dari ayunan pendulum, dengan faktor konversi diterapkan jika perlu. Misalnya, dalam pengujian Charpy, energi dampak diperoleh dari perbedaan energi potensial sebelum dan setelah patahan.

Interpretasi Data

Hasil pengujian diinterpretasikan dengan membandingkan nilai energi dampak dengan ambang batas penerimaan yang ditetapkan. Misalnya, energi dampak minimum pada suhu tertentu menunjukkan ketangguhan yang dapat diterima, sementara nilai di bawah ambang ini menunjukkan kerapuhan temper.

Suhu transisi ulet-ke-rapuh (DBTT) adalah parameter kritis; DBTT yang lebih tinggi menunjukkan peningkatan kerapuhan. Spesifikasi material sering kali menetapkan DBTT maksimum yang diizinkan atau energi dampak minimum pada suhu tertentu untuk memastikan kesesuaian untuk aplikasi yang dimaksud.

Analisis Statistik

Beberapa pengujian dampak dilakukan untuk memperhitungkan variabilitas, dan hasilnya dianalisis secara statistik untuk menentukan nilai rata-rata, deviasi standar, dan interval kepercayaan. Analisis ini membantu menilai konsistensi ketangguhan material dan mengidentifikasi nilai yang menyimpang.

Rencana pengambilan sampel mengikuti standar seperti ASTM E122 atau ISO 8256, yang menetapkan jumlah spesimen dan kondisi pengujian yang diperlukan untuk penilaian kualitas yang dapat diandalkan. Grafik kontrol proses statistik dapat memantau tren ketangguhan selama batch produksi, memungkinkan deteksi awal penyimp