Suhu Penyelesaian: Titik Kontrol Kritis dalam Mikrostruktur Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Suhu penyelesaian mengacu pada suhu di mana penggulungan panas atau penempaan baja selesai sebelum material mengalami pendinginan. Ini mewakili suhu akhir dalam proses deformasi panas dan merupakan parameter kritis yang secara signifikan mempengaruhi mikrostruktur akhir dan sifat mekanik produk baja.

Suhu penyelesaian berfungsi sebagai titik kontrol penting dalam pemrosesan baja, menandai transisi dari kerja panas ke pendinginan. Ini menentukan kondisi awal untuk transformasi fase berikutnya dan perkembangan mikrostruktur selama pendinginan, yang secara langsung mempengaruhi ukuran butir, distribusi fase, dan perilaku presipitasi.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, suhu penyelesaian berdiri sebagai parameter pemrosesan kunci yang menghubungkan pemrosesan termomekanik dengan sifat material akhir. Ini mewakili salah satu variabel yang paling penting dan dapat dikendalikan dalam produksi baja yang dimanipulasi oleh metalurgis untuk mencapai sifat mekanik yang diinginkan, akurasi dimensi, dan kualitas permukaan dalam produk jadi.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, suhu penyelesaian mengontrol keadaan austenit sebelum transformasi selama pendinginan. Suhu penyelesaian yang lebih tinggi menghasilkan butir austenit yang lebih kasar dengan lebih sedikit dislokasi yang terakumulasi dan energi regangan yang lebih sedikit. Suhu penyelesaian yang lebih rendah menghasilkan butir austenit yang lebih halus dengan kepadatan dislokasi yang lebih tinggi dan energi yang tersimpan.

Mekanisme fisik melibatkan proses pemulihan dinamis dan rekristalisasi yang terjadi selama deformasi panas. Proses ini bergantung pada suhu dan menentukan kondisi austenit akhir sebelum transformasi. Suhu penyelesaian mempengaruhi laju difusi, konsentrasi kekosongan, dan mobilitas dislokasi, yang secara kolektif mempengaruhi bagaimana mikrostruktur berkembang selama pendinginan berikutnya.

Suhu pada akhir secara langsung mempengaruhi gaya pendorong untuk transformasi fase dan kinetika transformasi ini. Ini menentukan apakah austenit sepenuhnya atau sebagian direkristalisasi sebelum pendinginan dimulai, yang secara signifikan mempengaruhi lokasi nukleasi yang tersedia untuk pembentukan ferit, perlit, bainit, atau martensit.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan efek suhu penyelesaian didasarkan pada kinetika rekristalisasi dan fenomena pertumbuhan butir. Persamaan Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) membentuk dasar untuk memahami bagaimana suhu mempengaruhi perilaku rekristalisasi selama dan setelah deformasi.

Secara historis, pemahaman tentang efek suhu penyelesaian berkembang dari pengamatan empiris pada awal abad ke-20 hingga model kuantitatif pada tahun 1950-an dan 1960-an. Sellars dan Whiteman mengembangkan karya seminal tentang kinetika rekristalisasi pada tahun 1970-an, menetapkan hubungan antara parameter deformasi, suhu, dan evolusi mikrostruktur.

Berbagai pendekatan teoretis termasuk: (1) model empiris yang mengaitkan suhu penyelesaian secara langsung dengan sifat akhir; (2) model berbasis fisik yang menggabungkan evolusi kepadatan dislokasi dan kinetika rekristalisasi; dan (3) model komputasi yang menggunakan analisis elemen hingga yang dipadukan dengan persamaan evolusi mikrostruktur untuk memprediksi pengembangan sifat di seluruh geometri yang kompleks.

Dasar Ilmu Material

Suhu penyelesaian secara mendalam mempengaruhi struktur kristal dengan mempengaruhi ukuran dan kondisi butir austenit sebelum transformasi. Suhu penyelesaian yang lebih rendah biasanya menghasilkan butir austenit yang lebih halus dengan kepadatan dislokasi yang lebih tinggi, yang menyediakan lebih banyak lokasi nukleasi untuk transformasi fase berikutnya.

Di batas butir, suhu penyelesaian menentukan mobilitas batas dan sejauh mana pertumbuhan butir setelah deformasi. Suhu yang lebih tinggi meningkatkan mobilitas batas, mendorong pertumbuhan butir, sementara suhu yang lebih rendah membatasi pergerakan batas, menjaga struktur yang lebih halus.

Parameter ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material melalui pengaruhnya pada proses yang dikendalikan oleh difusi, fenomena nukleasi dan pertumbuhan, serta mekanisme penyimpanan dan pelepasan energi regangan. Ini menggambarkan bagaimana parameter pemrosesan dapat dimanipulasi untuk mengontrol mikrostruktur dan, akibatnya, sifat material sesuai dengan paradigma pemrosesan-struktur-sifat yang menjadi pusat ilmu material.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Suhu penyelesaian ($T_f$) dalam proses penggulungan panas dapat dinyatakan sebagai:

$$T_f = T_i - \Delta T_d - \Delta T_r$$

Di mana $T_i$ adalah suhu awal sebelum deformasi akhir, $\Delta T_d$ adalah penurunan suhu akibat pemanasan dan pendinginan deformasi selama pemrosesan, dan $\Delta T_r$ adalah penurunan suhu akibat radiasi dan konveksi antara deformasi akhir dan titik pengukuran.

Formula Perhitungan Terkait

Penurunan suhu selama deformasi dapat diperkirakan menggunakan:

$$\Delta T_d = \frac{0.8 \times \sigma_{avg} \times \varepsilon}{\rho \times C_p} - \Delta T_{cooling}$$

Di mana $\sigma_{avg}$ adalah tegangan aliran rata-rata selama deformasi, $\varepsilon$ adalah regangan, $\rho$ adalah densitas, $C_p$ adalah kapasitas panas spesifik, dan $\Delta T_{cooling}$ adalah pendinginan selama deformasi.

Suhu penyelesaian kritis ($T_{fc}$) di bawah mana tidak ada rekristalisasi yang terjadi dapat dihitung sebagai:

$$T_{fc} = A \times \exp(B \times X) \times \dot{\varepsilon}^m \times \varepsilon^n \times d_0^p$$

Di mana $A$, $B$, $m$, $n$, dan $p$ adalah konstanta material, $X$ adalah parameter kandungan paduan, $\dot{\varepsilon}$ adalah laju regangan, $\varepsilon$ adalah regangan, dan $d_0$ adalah ukuran butir awal.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk baja karbon dan baja paduan rendah dalam proses penggulungan panas konvensional dengan suhu deformasi di atas 750°C. Mereka mengasumsikan deformasi dan distribusi suhu yang seragam di seluruh benda kerja.

Model memiliki batasan ketika diterapkan pada baja yang sangat paduan di mana kinetika presipitasi secara signifikan mempengaruhi perilaku rekristalisasi. Mereka juga menjadi kurang akurat untuk produk yang sangat tipis di mana efek permukaan mendominasi atau untuk produk yang sangat tebal dengan gradien suhu yang signifikan.

Model matematis ini mengasumsikan kondisi deformasi keadaan tetap dan tidak sepenuhnya memperhitungkan jalur deformasi yang kompleks, pita geser lokal, atau mikrostruktur yang tidak homogen yang mungkin berkembang selama pemrosesan industri.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM A1030: Praktik standar untuk mengukur suhu strip baja yang digulung panas menggunakan instrumen kontak.

ISO 13773: Baja dan besi — Pengukuran suhu penyelesaian produk baja yang digulung panas.

JIS G 0551: Metode untuk mengukur suhu produk baja.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Pyrometer optik mengukur suhu penyelesaian dengan mendeteksi radiasi inframerah yang dipancarkan dari permukaan baja. Perangkat non-kontak ini dikalibrasi untuk memperhitungkan emisivitas baja pada suhu dan kondisi permukaan yang berbeda.

Termokopel kontak, biasanya tipe K atau tipe S, memberikan pengukuran suhu langsung ketika kontak fisik dengan baja memungkinkan. Ini bergantung pada efek Seebeck, menghasilkan tegangan yang sebanding dengan perbedaan suhu antara sambungan pengukuran dan sambungan referensi.

Sistem canggih termasuk pyrometer pemindaian garis yang mengukur profil suhu di seluruh lebar produk yang digulung, dan kamera pencitraan termal yang memberikan data distribusi suhu seluruh bidang dengan resolusi spasial tinggi.

Persyaratan Sampel

Tidak ada persiapan sampel khusus yang diperlukan karena pengukuran dilakukan langsung pada material produksi. Namun, permukaan pengukuran harus representatif dari suhu material bulk.

Oksidasi