Tingkat Pendinginan Kritis: Kunci untuk Pengendalian Mikrostruktur & Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Critical Cooling Rate (CCR) mengacu pada laju pendinginan minimum yang diperlukan untuk mengubah austenit menjadi martensit dalam baja, menghindari pembentukan fase yang lebih lunak seperti perlit, bainit, atau ferit. Properti ini sangat mendasar untuk proses perlakuan panas, terutama pendinginan cepat, di mana pencapaian sifat mekanik yang diinginkan bergantung pada pengendalian transformasi fase yang tepat.

Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, CCR berfungsi sebagai parameter kunci yang menghubungkan komposisi, mikrostruktur, dan sifat mekanik. Ini menentukan kemampuan pengerasan baja—kemampuan untuk membentuk martensit di seluruh penampang selama pendinginan—dan dengan demikian secara langsung mempengaruhi kekuatan, kekerasan, dan ketahanan aus yang dapat dicapai dalam produk akhir.

Konsep ini sangat penting bagi insinyur material untuk memprediksi dan mengendalikan perkembangan mikrostruktur selama proses manufaktur, terutama saat merancang komponen dengan persyaratan mekanik tertentu atau saat bekerja dengan baja dengan ketebalan penampang yang bervariasi.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, CCR mewakili kecepatan pendinginan yang diperlukan untuk menekan transformasi yang dikendalikan oleh difusi. Selama pendinginan cepat, atom karbon terjebak dalam kisi austenit, menyebabkan distorsi saat struktur kubik berpusat muka (FCC) berubah menjadi martensit tetragonal berpusat tubuh (BCT).

Transformasi tanpa difusi ini terjadi karena laju pendinginan melebihi mobilitas atom yang diperlukan untuk redistribusi karbon. Atom karbon yang terjebak menciptakan regangan kisi, mencegah pembentukan fase keseimbangan dan menghasilkan struktur martensit metastabil yang jenuh.

Mekanisme ini melibatkan nukleasi dan pertumbuhan pelat atau lath martensit melalui gerakan atom yang terkoordinasi, menciptakan fitur mikrostruktur khas yang berkontribusi pada kekuatan dan kekerasan tinggi dari baja martensitik.

Model Teoretis

Persamaan Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) membentuk dasar teoretis utama untuk memahami kinetika transformasi yang terkait dengan CCR. Model ini menggambarkan fraksi volume material yang tertransformasi sebagai fungsi dari waktu dan suhu.

Secara historis, pemahaman tentang CCR berkembang dari pengamatan empiris pada awal abad ke-20 menjadi model yang lebih canggih yang menggabungkan prinsip termodinamika dan kinetika. Karya perintis Davenport dan Bain pada tahun 1930-an menetapkan dasar untuk diagram transformasi yang memvisualisasikan CCR.

Pendekatan alternatif termasuk aturan aditif Scheil untuk transformasi non-isotermal dan model komputasi yang didasarkan pada basis data termodinamika. Pendekatan modern sering menggabungkan analisis elemen hingga untuk memprediksi perilaku transformasi dalam geometri kompleks.

Dasar Ilmu Material

CCR sangat terkait dengan transisi struktur kristal, terutama transformasi dari FCC ke BCT. Batas butir bertindak sebagai situs nukleasi heterogen untuk transformasi yang dikendalikan oleh difusi, membuat austenit butir halus lebih tahan terhadap transformasi martensitik.

Mikrostruktur yang dihasilkan dari berbagai laju pendinginan secara dramatis mempengaruhi sifat mekanik. Pendinginan yang lebih lambat menghasilkan struktur yang lebih kasar dengan kekerasan dan kekuatan yang lebih rendah, sementara laju yang melebihi CCR menghasilkan struktur martensitik halus dengan kekerasan tinggi tetapi berpotensi meningkatkan kerapuhan.

Properti ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk kinetika difusi, stabilitas fase, dan teori nukleasi. Persaingan antara gaya pendorong termodinamik dan hambatan kinetik selama pendinginan menentukan mikrostruktur yang dihasilkan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Laju pendinginan kritis dapat dinyatakan menggunakan hubungan empiris:

$$CCR = \frac{T_s - T_f}{t}$$

Di mana:
- $CCR$ adalah laju pendinginan kritis (°C/s)
- $T_s$ adalah suhu transformasi awal (°C)
- $T_f$ adalah suhu transformasi akhir (°C)
- $t$ adalah waktu yang diperlukan untuk transformasi (s)

Formula Perhitungan Terkait

CCR dapat diperkirakan menggunakan komposisi kimia baja melalui formula empiris seperti:

$$\log(CCR) = 10.6 - 4.8(\%C) - 1.8(\%Mn) - 0.7(\%Cr) - 0.5(\%Mo) - 0.3(\%Ni)$$

Di mana persentase mewakili persen berat dari elemen paduan.

Untuk aplikasi praktis, uji akhir Jominy menghubungkan kemampuan pengerasan dengan laju pendinginan menggunakan jarak dari ujung yang didinginkan:

$$CR_d = \frac{k}{(d+a)^2}$$

Di mana $CR_d$ adalah laju pendinginan pada jarak $d$ dari ujung yang didinginkan, $k$ adalah konstanta, dan $a$ adalah faktor penyesuaian.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk baja karbon rendah dan menengah dengan elemen paduan konvensional. Baja yang sangat paduan mungkin menyimpang secara signifikan dari model ini.

Formula berbasis komposisi empiris mengasumsikan ukuran butir austenit yang homogen dan kondisi austenitisasi standar. Variasi dalam sejarah pemrosesan sebelumnya dapat menyebabkan penyimpangan signifikan dari nilai yang diprediksi.

Model ini biasanya mengasumsikan kondisi pendinginan kontinu dan mungkin tidak secara akurat merepresentasikan siklus termal yang kompleks. Selain itu, mereka umumnya mengabaikan efek transformasi yang diinduksi deformasi dan austenit yang tertahan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM A255: Metode Uji Standar untuk Menentukan Kemampuan Pengerasan Baja
• ISO 642: Baja - Uji Kemampuan Pengerasan dengan Pendinginan Akhir (uji Jominy)
• JIS G 0561: Metode Uji Kemampuan Pengerasan dengan Pendinginan Akhir untuk Baja

ASTM A255 mencakup prosedur untuk melakukan dan menginterpretasikan uji pendinginan akhir Jominy, sementara ISO 642 menyediakan standardisasi internasional dari metode pengujian serupa. JIS G 0561 adalah standar setara Jepang dengan variasi prosedural yang sedikit.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Dilatometer adalah instrumen utama untuk pengukuran CCR langsung, mendeteksi perubahan dimensi selama transformasi fase. Instrumen ini mengontrol laju pemanasan dan pendinginan dengan tepat sambil memantau perubahan panjang spesimen.

Dilatometer pendinginan beroperasi berdasarkan prinsip bahwa transformasi fase menyebabkan perubahan volume dalam material. Dengan memplot perubahan dimensi versus suhu, suhu awal dan akhir transformasi dapat ditentukan dengan tepat.

Karakterisasi lanjutan dapat menggunakan Kalorimetri Pemindaian Diferensial (DSC) untuk mendeteksi panas yang dilepaskan selama transformasi atau difraksi sinar-X in-situ untuk mengamati perubahan kristalografi secara langsung selama pendinginan.

Persyaratan Sampel

Spesimen standar untuk pengujian dilatometri biasanya berbentuk silinder dengan dimensi diameter 3-4 mm dan panjang 10 mm. Dimensi yang tepat sangat penting untuk pengendalian suhu dan pengukuran yang akurat.

Persiapan permukaan memerlukan penggilingan halus dan sering kali pemolesan untuk memastikan kontak yang baik dengan alat pengukuran. Oksida permukaan atau dekarburisasi dapat secara signifikan mempengaruhi hasil.

Spesimen harus homogen dan representatif dari material bulk. Sejarah termal sebelumnya harus dihilangkan melalui perlakuan austenitisasi yang distandarisasi sebelum pengujian.

Parameter Uji

Pengujian biasanya dimulai dengan austenitisasi pada 30-50°C di atas suhu Ac3 selama waktu yang cukup untuk memastikan transformasi dan homogenisasi yang lengkap.

Laju pendinginan yang berkisar dari 0.1°C/s hingga 500°C/s diterapkan menggunakan aliran gas yang terkontrol atau pendinginan langsung. Beberapa pengujian pada