Peleburan Penuh: Mengembalikan Keterkerjaan Baja Melalui Pemanasan Terkontrol

Definisi dan Konsep Dasar

Pemanasan penuh adalah proses perlakuan panas yang diterapkan pada baja dan logam lainnya di mana material dipanaskan hingga suhu tertentu di atas suhu kritis atasnya (biasanya 30-50°C di atasnya), dipertahankan pada suhu tersebut untuk waktu yang cukup agar austenisasi lengkap terjadi, dan kemudian didinginkan perlahan (biasanya di dalam furnace) hingga suhu ruangan. Proses ini menghasilkan material yang lembut, ulet dengan kemampuan mesin yang baik dan stabilitas dimensi.

Pemanasan penuh merupakan salah satu metode perlakuan panas dasar dalam pengolahan metalurgi, berfungsi sebagai cara untuk menghilangkan stres internal, melembutkan material, dan memperhalus struktur butir. Ini sangat penting untuk mempersiapkan baja untuk operasi pembentukan atau proses pemesinan selanjutnya di mana ulet maksimum diperlukan.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, pemanasan penuh berdiri sebagai perlakuan panas dasar yang sering dibandingkan dengan proses lain seperti normalisasi, pendinginan, dan tempering. Ini menghasilkan mikrostruktur mendekati keseimbangan yang berfungsi sebagai titik referensi untuk memahami bagaimana berbagai proses termal dan mekanis mempengaruhi sifat baja.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pemanasan penuh melibatkan transformasi fase lengkap dari struktur kristal baja. Ketika dipanaskan di atas suhu kritis, struktur ferrit kubik pusat badan (BCC) dan karbida yang ada berubah menjadi austenit kubik pusat wajah (FCC). Selama proses pendinginan yang lambat, austenit ini berubah kembali menjadi ferrit dan semenit, tetapi dalam struktur yang lebih terorganisir dan seimbang.

Kecepatan pendinginan yang lambat memungkinkan atom karbon untuk berdifusi dalam jarak yang relatif jauh, membentuk pearlit kasar dengan lamela semenit besar. Proses yang dikendalikan oleh difusi ini meminimalkan distorsi kisi dan mengurangi kerapatan dislokasi dalam material. Mikrostruktur yang dihasilkan mengandung lebih sedikit cacat dan stres internal dibandingkan dengan keadaan sebelum pemanasan.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan pemanasan penuh didasarkan pada kinetika transformasi fase, khususnya diagram waktu-suhu-transformasi (TTT) dan diagram transformasi pendinginan kontinu (CCT). Model-model ini, yang awalnya dikembangkan oleh Bain dan Davenport pada tahun 1930-an, menggambarkan bagaimana baja berubah dari austenit ke berbagai fase tergantung pada laju pendinginan.

Secara historis, pemahaman tentang pemanasan berkembang dari pengetahuan kerajinan empiris menjadi pemahaman ilmiah melalui karya metalurgis seperti Adolf Martens dan Henry Clifton Sorby pada akhir abad ke-19. Pemeriksaan mikroskopis mereka terhadap mikrostruktur baja meletakkan dasar bagi teori pemanasan modern.

Pendekatan modern menggabungkan model komputasi berdasarkan persamaan difusi dan prinsip termodinamika untuk memprediksi evolusi mikrostruktur selama pemanasan. Ini termasuk model bidang fase dan metode CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams) yang dapat mensimulasikan proses pemanasan dengan akurasi yang semakin meningkat.

Dasar Ilmu Material

Pemanasan penuh secara mendalam mempengaruhi struktur kristal baja dengan memungkinkan atom untuk menyusun ulang menjadi konfigurasi energi yang lebih rendah. Proses ini mengurangi kerapatan dislokasi dan cacat kristal lainnya, yang merupakan penghalang untuk deformasi plastis, sehingga meningkatkan ulet.

Batas butir secara signifikan dimodifikasi selama pemanasan. Perendaman suhu tinggi memungkinkan pertumbuhan butir, sementara pendinginan yang lambat mendorong pembentukan fase seimbang dengan stres internal minimal. Ini menghasilkan struktur pearlit kasar pada baja hipoeutektik atau pearlit dengan jaringan semenit proeutektik pada baja hipereutektik.

Proses ini secara fundamental menunjukkan prinsip-prinsip kunci ilmu material termasuk transformasi fase, difusi, rekristalisasi, dan pertumbuhan butir. Ini mewakili pendekatan terkontrol untuk membawa material lebih dekat ke keadaan keseimbangan termodinamikanya, mengurangi energi bebas Gibbs dari sistem.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Suhu pemanasan untuk pemanasan penuh baja hipoeutektik dapat dihitung sebagai:

$$T_{annealing} = A_3 + (30\text{ hingga }50°\text{C})$$

Di mana $A_3$ adalah suhu kritis atas yang dapat diperkirakan untuk baja hipoeutektik menggunakan rumus Andrews:

$$A_3(°\text{C}) = 910 - 203\sqrt{\text{C}} - 15.2\text{Ni} + 44.7\text{Si} + 104\text{V} + 31.5\text{Mo} + 13.1\text{W}$$

Di mana simbol kimia mewakili persentase berat dari elemen-elemen yang bersangkutan dalam baja.

Formula Perhitungan Terkait

Waktu penahanan yang diperlukan untuk austenisasi lengkap dapat diperkirakan menggunakan:

$$t = k \cdot d^2$$

Di mana $t$ adalah waktu penahanan dalam menit, $d$ adalah ketebalan bagian dalam milimeter, dan $k$ adalah konstanta spesifik material yang biasanya berkisar antara 0.5-1.0 min/mm² untuk baja karbon.

Kecepatan pendinginan untuk pemanasan penuh harus cukup lambat untuk menghindari transformasi non-keseimbangan dan dapat dihitung sebagai:

$$R_c = \frac{T_{annealing} - T_{room}}{t_{cooling}}$$

Di mana $R_c$ adalah laju pendinginan dalam °C/jam, $T_{annealing}$ adalah suhu pemanasan, $T_{room}$ adalah suhu ruangan, dan $t_{cooling}$ adalah waktu pendinginan dalam jam.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk baja karbon biasa dan baja paduan rendah dengan kandungan karbon di bawah 2%. Untuk baja yang sangat paduan, penentuan empiris suhu kritis sering kali diperlukan karena model teoretis menjadi kurang akurat.

Rumus Andrews memiliki batasan ketika beberapa elemen paduan berinteraksi, yang dapat menggeser suhu transformasi dengan cara yang tidak ditangkap oleh persamaan linier. Selain itu, perhitungan ini mengasumsikan material homogen tanpa segregasi signifikan atau riwayat deformasi sebelumnya.

Formula waktu penahanan mengasumsikan pemanasan yang seragam dan austenisasi lengkap sebagai tujuan, yang mungkin tidak berlaku untuk proses pemanasan khusus di mana transformasi parsial diinginkan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM A1033: Praktik Standar untuk Pengukuran Kuantitatif dan Pelaporan Transformasi Fase Baja Karbon Hipoeutektik dan Paduan Rendah
• ASTM E3: Panduan Standar untuk Persiapan Spesimen Metalografi
• ASTM E407: Praktik Standar untuk Mikro-etching Logam dan Paduan
• ISO 643: Baja - Penentuan ukuran butir yang tampak secara mikrografis
• ASTM E112: Metode Uji Standar untuk Menentukan Ukuran Butir Rata-rata

Standar ini mencakup persiapan spesimen, analisis mikrostruktur, dan metode penentuan ukuran butir yang penting untuk mengevaluasi struktur baja yang telah dipanaskan.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mikroskopi optik tetap menjadi alat utama untuk mengevaluasi mikrostruktur yang telah dipanaskan, biasanya menggunakan pembesaran antara 100x dan 1000x. Mikroskop mengungkapkan ukuran butir, distribusi fase, dan morfologi setelah etsa yang tepat.

Peralatan pengujian kekerasan (Brinell, Rockwell, atau Vickers) memberikan penilaian kuantitatif tentang efektivitas pemanasan, karena pemanasan penuh biasanya mengurangi kekerasan ke tingkat yang dapat diprediksi. Metode ini mengukur ketahanan material terhadap penekanan menggunakan indentor dan beban standar.

Karakterisasi lanjutan dapat menggunakan mikroskop elektron pemindaian (SEM) dengan spektroskopi sinar-X energi-disperif (EDS) untuk menganalisis komposisi dan distribusi fase pada pembesaran yang lebih tinggi. Difraksi elektron backscatter (EBSD) dapat mengungkapkan orientasi