Menggambar Kembali: Proses Tempering untuk Pengendalian Mikrostuktur Baja yang Dikeraskan

Definisi dan Konsep Dasar

Drawing back mengacu pada proses perlakuan panas yang terkontrol yang diterapkan pada baja setelah pengerasan, di mana material dipanaskan kembali ke suhu di bawah titik transformasi kritisnya dan kemudian didinginkan untuk mencapai sifat mekanik tertentu. Proses ini adalah bentuk tempering yang mengurangi kekerasan dan kerapuhan sambil meningkatkan duktilitas dan ketangguhan.

Drawing back sangat penting dalam ilmu material dan rekayasa karena memungkinkan metalurgis untuk menyempurnakan keseimbangan antara kekuatan dan duktilitas pada komponen baja yang telah dikeraskan. Proses ini menciptakan material yang lebih dapat digunakan dengan mengurangi stres internal yang diperkenalkan selama pendinginan.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, drawing back merupakan langkah kritis dalam urutan perlakuan panas yang menentukan sifat material akhir. Ini merupakan teknik penting untuk mengoptimalkan kinerja baja dalam aplikasi di mana kekuatan dan ketahanan terhadap benturan diperlukan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, drawing back melibatkan dekomposisi martensit yang terkontrol yang terbentuk selama pendinginan. Proses ini mendorong difusi karbon keluar dari struktur martensit yang terlampaui jenuh, membentuk presipitat karbida yang terdispersi halus dalam matriks ferrit.

Transformasi ini mengurangi distorsi kisi dalam struktur kristalin, mengurangi stres internal yang berkontribusi pada kerapuhan. Karbida yang terpresipitasi berfungsi sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi, mempertahankan kekuatan yang wajar sementara matriks yang telah diringankan stres memberikan duktilitas yang lebih baik.

Kecepatan difusi karbon selama drawing back tergantung pada suhu, dengan suhu yang lebih tinggi mempercepat proses transformasi dan menghasilkan efek pelunakan yang lebih besar.

Model Teoretis

Parameter Hollomon-Jaffe (HJP) mewakili model teoretis utama yang menggambarkan proses drawing back, menghubungkan suhu tempering dan waktu:

$P = T(C + \log t)$

Di mana T adalah suhu mutlak, t adalah waktu dalam jam, dan C adalah konstanta yang bergantung pada material (biasanya 20 untuk baja).

Pemahaman historis tentang drawing back berkembang dari pengamatan empiris pada abad ke-19 menjadi penjelasan ilmiah pada awal abad ke-20. Kemajuan signifikan terjadi dengan pengembangan mikroskop elektron, yang memungkinkan pengamatan langsung terhadap perubahan mikrostruktur.

Pendekatan modern mencakup model kinetik berdasarkan energi aktivasi untuk difusi karbon dan presipitasi, sementara metode komputasi menggunakan basis data termodinamika untuk memprediksi transformasi fase selama proses.

Dasar Ilmu Material

Drawing back secara langsung mempengaruhi struktur kristal dengan mengurangi tetragonality pada martensit saat atom karbon difusi keluar dari posisi interstisial. Proses ini secara bertahap mengubah struktur tetragonal berpusat tubuh (BCT) menuju susunan kubik berpusat tubuh (BCC) yang lebih stabil.

Batas butir berfungsi sebagai situs preferensial untuk nukleasi karbida selama drawing back, dengan keadaan energi tinggi mereka mendorong presipitasi. Proses ini memiliki efek minimal pada ukuran butir austenit sebelumnya tetapi secara signifikan mengubah substruktur dalam butir.

Prinsip dasar ilmu material yang mengatur drawing back adalah dorongan termodinamik menuju keseimbangan. Martensit yang baru saja didinginkan mewakili keadaan metastabil, dan drawing back memberikan energi termal yang diperlukan bagi sistem untuk mendekati konfigurasi energi yang lebih rendah melalui difusi yang terkontrol.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Hubungan antara suhu drawing back dan kekerasan yang dihasilkan dapat dinyatakan menggunakan parameter tempering Hollomon-Jaffe:

$H = H_0 - K \cdot \log(P)$

Di mana $H$ adalah kekerasan yang dihasilkan, $H_0$ adalah konstanta spesifik material yang mewakili kekerasan awal, $K$ adalah koefisien yang bergantung pada material, dan $P$ adalah parameter Hollomon-Jaffe.

Formula Perhitungan Terkait

Kesetaraan waktu-suhu untuk mencapai efek drawing back yang identik dapat dihitung menggunakan:

$t_2 = t_1 \cdot \exp\left$$\frac{Q}{R}\left(\frac{1}{T_1} - \frac{1}{T_2}\right)\right$$$

Di mana $t_1$ dan $t_2$ adalah waktu pada suhu $T_1$ dan $T_2$ masing-masing, $Q$ adalah energi aktivasi untuk proses, dan $R$ adalah konstanta gas.

Insinyur menerapkan formula ini untuk menyesuaikan parameter pemrosesan saat memodifikasi jadwal drawing back, memungkinkan hasil yang setara pada kombinasi suhu-waktu yang berbeda.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini umumnya berlaku untuk baja karbon biasa dan baja paduan rendah dengan kandungan karbon antara 0,3% dan 0,6%. Di luar rentang ini, faktor tambahan harus dipertimbangkan.

Model-model ini mengasumsikan laju pemanasan dan pendinginan yang seragam, yang mungkin tidak berlaku untuk komponen besar atau kompleks di mana terdapat gradien termal. Selain itu, mereka tidak memperhitungkan efek sejarah pemrosesan sebelumnya.

Hubungan matematis ini mengasumsikan bahwa presipitasi karbida adalah mekanisme dominan selama drawing back. Untuk baja yang mengandung elemen pembentuk karbida yang kuat seperti vanadium atau molibdenum, efek pengerasan sekunder dapat membatalkan hubungan sederhana ini.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam - Menyediakan metode pengujian kekerasan utama yang digunakan untuk mengevaluasi hasil drawing back.

ASTM E8: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam - Menyediakan prosedur untuk mengukur sifat tarik yang dipengaruhi oleh drawing back.

ISO 6508: Material logam - Uji kekerasan Rockwell - Standar internasional untuk pengujian kekerasan yang berlaku untuk material yang telah di-drawing back.

ASTM A255: Metode Uji Standar untuk Menentukan Hardenability Baja - Termasuk metode untuk mengevaluasi respons baja terhadap perlakuan panas termasuk drawing back.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Penguji kekerasan (Rockwell, Vickers, Brinell) adalah peralatan utama yang digunakan untuk mengukur efek drawing back. Perangkat ini menerapkan beban standar pada permukaan material dan mengukur indentasi yang dihasilkan.

Mesin pengujian tarik mengevaluasi perubahan dalam kekuatan dan duktilitas yang dihasilkan dari drawing back. Sistem ini menerapkan beban uniaxial terkontrol hingga kegagalan spesimen, mencatat hubungan stres-regangan selama pengujian.

Karakterisasi lanjutan menggunakan mikroskop elektron pemindaian (SEM) dan mikroskop elektron transmisi (TEM) untuk mengamati perubahan mikrostruktur secara langsung, terutama pola presipitasi karbida dan morfologi.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji kekerasan standar memerlukan permukaan datar dan paralel dengan persyaratan ketebalan minimum (biasanya >10× kedalaman indentasi). Finishing permukaan harus 32 μin atau lebih baik.

Spesimen tarik mengikuti geometri standar dengan panjang gauge biasanya 4-5 kali diameter untuk spesimen bulat atau lebar untuk spesimen datar.

Spesimen harus bebas dari dekarburisasi, yang dapat terjadi selama proses drawing back itu sendiri dan harus dihilangkan dengan penggilingan sebelum pengujian.

Parameter Uji

Pengujian standar dilakukan pada suhu ruangan (20-25°C) di bawah kondisi kelembaban yang terkontrol untuk memastikan reproduktifitas.

Untuk pengujian sifat dinamis, laju regangan biasanya berkisar dari 10^-3 hingga 10^-4 s^-1 untuk pengujian tarik quasi-statis.

Pengujian benturan untuk mengevaluasi perubahan ketangguhan biasanya dilakukan pada suhu tertentu, sering kali termasuk kondisi sub-nol untuk mengevaluasi kerapuhan pada suhu rendah.

Pengolahan Data