Austenitizing: Proses Perlakuan Panas Kritis untuk Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Austenitizing adalah proses perlakuan panas yang kritis di mana baja dipanaskan hingga suhu di atas titik transformasi kritis atasnya (A3 atau Acm) untuk membentuk austenit, struktur kristal kubik berpusat muka (FCC) dari besi. Proses ini melarutkan karbida dan mengubah mikrostruktur menjadi fase austenitik yang homogen, membangun dasar untuk perlakuan panas selanjutnya seperti pendinginan dan tempering.

Dalam ilmu material dan teknik, austenitizing merupakan langkah dasar yang menentukan mikrostruktur akhir dan sifat komponen baja. Proses ini memungkinkan pengendalian ukuran butir, pelarutan elemen paduan, dan homogenisasi mikrostruktur.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, austenitizing berdiri sebagai proses dasar yang menghubungkan produksi baja primer dan pengembangan sifat akhir. Ini berfungsi sebagai tahap persiapan untuk sebagian besar operasi pengerasan dan secara langsung mempengaruhi kemampuan pengerasan, kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan aus dari produk baja yang selesai.

Sifat Fisik dan Dasar Teoritis

Mekanisme Fisik

Pada tingkat atom, austenitizing melibatkan transformasi ferrit kubik berpusat badan (BCC) dan karbida besi menjadi austenit kubik berpusat muka (FCC). Transformasi polimorfik ini terjadi saat atom besi mengatur ulang posisi kristalografi mereka sementara atom karbon bermigrasi dari partikel karbida ke posisi interstisial dalam kisi austenit.

Pelarutan karbida melepaskan karbon dan elemen paduan ke dalam matriks austenit. Atom karbon menempati situs interstisial oktahedral dalam kisi FCC, menyebabkan distorsi dan ekspansi kisi. Secara bersamaan, elemen paduan substitusi mendistribusikan diri di seluruh matriks austenit.

Model Teoritis

Model teoritis utama yang menggambarkan austenitizing didasarkan pada kinetika transformasi fase yang dikendalikan difusi. Persamaan Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) membentuk dasar untuk memahami transformasi yang bergantung pada waktu selama austenitizing.

Secara historis, pemahaman tentang austenitizing berkembang dari pengamatan empiris pada abad ke-19 menjadi penjelasan ilmiah dengan pengembangan diagram fase oleh Roozeboom dan diagram fase besi-karbon oleh Roberts-Austen pada awal abad ke-20. Pemahaman modern menggabungkan teori difusi dan termodinamika komputasional.

Berbagai pendekatan teoritis mencakup model transformasi isotermal dan model transformasi pemanasan kontinu. Sementara model isotermal lebih sederhana untuk analisis teoritis, model pemanasan kontinu lebih baik mewakili praktik industri.

Dasar Ilmu Material

Austenitizing secara langsung terkait dengan struktur kristal karena mengubah struktur BCC ferrit menjadi struktur FCC austenit. Transformasi ini mengubah faktor pengemasan atom dari 0,68 menjadi 0,74, meningkatkan kelarutan karbon dalam besi.

Proses ini secara signifikan mempengaruhi batas butir, dengan suhu austenitizing yang lebih tinggi mendorong pertumbuhan butir. Batas butir dalam austenit menjadi daerah energi tinggi di mana pelarutan karbida terjadi secara preferensial dan berfungsi sebagai situs nukleasi selama transformasi pendinginan selanjutnya.

Austenitizing terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk kesetimbangan fase, kinetika difusi, dan fenomena rekristalisasi. Ini menggambarkan bagaimana gaya pendorong termodinamik dan proses kinetik berinteraksi untuk menentukan evolusi mikrostruktural dalam sistem logam.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Fraksi austenit yang terbentuk selama austenitizing isotermal dapat dinyatakan menggunakan persamaan JMAK:

$$X = 1 - \exp(-kt^n)$$

Di mana $X$ adalah fraksi austenit yang tertransformasi, $k$ adalah konstanta laju yang bergantung pada suhu, $t$ adalah waktu, dan $n$ adalah eksponen Avrami yang mencerminkan mekanisme transformasi.

Formula Perhitungan Terkait

Ketergantungan suhu dari konstanta laju mengikuti hubungan Arrhenius:

$$k = k_0 \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$$

Di mana $k_0$ adalah faktor pra-eksponensial, $Q$ adalah energi aktivasi untuk pembentukan austenit, $R$ adalah konstanta gas, dan $T$ adalah suhu mutlak.

Perkembangan ukuran butir austenit selama austenitizing dapat diperkirakan dengan:

$$D = D_0 \exp\left(\frac{-Q_g}{RT}\right) \cdot t^{1/n_g}$$

Di mana $D$ adalah diameter butir austenit, $D_0$ adalah konstanta material, $Q_g$ adalah energi aktivasi untuk pertumbuhan butir, $t$ adalah waktu, dan $n_g$ adalah eksponen pertumbuhan butir (biasanya 2-4).

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku untuk kondisi isotermal dan pembentukan austenit yang homogen. Mereka menjadi kurang akurat untuk baja dengan kandungan paduan tinggi atau mikrostruktur awal yang kompleks.

Kondisi batas mencakup rentang suhu di atas A3 atau Acm tetapi di bawah suhu solidus. Model-model ini mengasumsikan pelarutan karbida yang lengkap dan distribusi karbon yang homogen.

Model matematis ini mengasumsikan pemanasan yang seragam, tidak adanya dekaburisasi, dan efek yang dapat diabaikan dari sejarah pemrosesan sebelumnya. Aplikasi praktis memerlukan modifikasi untuk memperhitungkan kondisi non-isotermal dan inhomogenitas.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM A255: Metode Uji Standar untuk Menentukan Kemampuan Pengerasan Baja, yang mencakup parameter austenitizing untuk uji akhir Jominy.

ISO 643: Baja - Penentuan mikrografis ukuran butir yang tampak, mencakup pengukuran ukuran butir austenit setelah austenitizing.

ASTM E112: Metode Uji Standar untuk Menentukan Ukuran Butir Rata-rata, berlaku untuk evaluasi ukuran butir austenit.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Dilatometer mengukur perubahan dimensi selama austenitizing, mendeteksi ekspansi volume yang terkait dengan transformasi dari ferrit ke austenit. Instrumen ini memberikan kontrol yang tepat atas laju pemanasan dan suhu.

Kalorimetri Pemindaian Diferensial (DSC) mengukur aliran panas selama transformasi, mengidentifikasi suhu transformasi kritis dan perubahan energi selama austenitizing.

Karakterisasi lanjutan menggunakan difraksi sinar-X in-situ atau difraksi neutron untuk mengamati perubahan struktur kristal secara langsung selama austenitizing secara real-time.

Persyaratan Sampel

Sampel standar biasanya mencakup sampel silindris dengan diameter 3-10 mm dan panjang 10-25 mm untuk dilatometri, atau cakram dengan diameter 3-5 mm untuk analisis DSC.

Persiapan permukaan memerlukan penggilingan hingga hasil akhir 600-grit dan pembersihan dengan aseton atau alkohol untuk menghilangkan kontaminan yang mungkin mempengaruhi perilaku transformasi.

Sampel harus representatif dari material bulk dengan sejarah pemrosesan sebelumnya yang konsisten. Untuk studi ukuran butir, sampel harus disiapkan untuk mengungkap batas butir austenit sebelumnya melalui teknik etsa khusus.

Parameter Uji

Suhu austenitizing standar berkisar antara 750°C hingga 1300°C tergantung pada komposisi baja, dengan sebagian besar baja rekayasa diaustenitizing antara 850°C dan 950°C.

Laju pemanasan biasanya berkisar antara 0,1°C/detik untuk studi kesetimbangan hingga 100°C/detik untuk simulasi proses industri. Waktu penahanan bervariasi dari menit hingga jam berdasarkan ukuran bagian dan kandungan paduan.

Atmosfer pelindung (argon, nitrogen, atau vakum) mencegah dekaburisasi dan oksidasi selama pengujian.

Pengolahan Data

Pengumpulan data utama