Penguatan: Meningkatkan Kekuatan Baja Melalui Proses Perlakuan Panas

Definisi dan Konsep Dasar

Penguatan adalah proses perlakuan panas yang diterapkan pada paduan ferrous untuk meningkatkan kekerasan dan kekuatannya dengan mengubah mikrostruktur melalui operasi pemanasan dan pendinginan yang terkontrol. Proses ini melibatkan pemanasan baja hingga suhu di atas titik transformasi kritisnya, menahannya pada suhu tersebut untuk mencapai austenitisasi lengkap atau sebagian, diikuti dengan pendinginan cepat (quenching) pada laju yang cukup untuk membentuk martensit atau bainit. Transformasi ini secara fundamental mengubah sifat mekanik material, secara signifikan meningkatkan kekerasan, kekuatan hasil, dan ketahanan aus.

Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, penguatan merupakan salah satu proses perlakuan panas yang paling penting yang memungkinkan baja mencapai fleksibilitas luar biasa sebagai material rekayasa. Ini menjadi dasar bagi banyak aplikasi industri di mana kekuatan tinggi, ketahanan aus, dan daya tahan diperlukan. Kemampuan untuk menguatkan baja melalui proses termal yang relatif sederhana telah menjadi pusat kemajuan teknologi sejak Zaman Besi, menjadikannya konsep dasar dalam rekayasa material.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, penguatan melibatkan transformasi fase keadaan padat di mana austenit kubus pusat muka (FCC) berubah menjadi martensit tetragonal pusat tubuh (BCT). Selama pendinginan cepat, atom karbon terjebak dalam kisi besi, menyebabkan distorsi dan mencegah pembentukan struktur ferrit kubus pusat keseimbangan (BCC). Distorsi kisi ini menciptakan banyak dislokasi dan tegangan internal yang menghambat pergerakan dislokasi lebih lanjut.

Transformasi martensitik terjadi melalui mekanisme jenis geser tanpa difusi di mana pergerakan atom yang terkoordinasi menciptakan struktur kristal baru tanpa memerlukan difusi jarak jauh. Transformasi ini menghasilkan morfologi lath atau pelat yang khas tergantung pada kandungan karbon. Mikrostruktur yang dihasilkan mengandung kepadatan dislokasi tinggi dan kristalit halus yang secara efektif menghalangi pergerakan dislokasi, sehingga meningkatkan kekerasan dan kekuatan.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan penguatan baja adalah diagram Waktu-Suhu-Transformasi (TTT), yang memetakan hubungan antara suhu, waktu, dan evolusi mikrostruktur selama transformasi isothermal. Ini kemudian dilengkapi dengan diagram Transformasi Pendinginan Berkelanjutan (CCT), yang lebih baik mewakili proses quenching industri.

Pemahaman tentang penguatan berkembang secara signifikan dari pengetahuan empiris pandai besi menjadi teori ilmiah pada awal abad ke-20. Pekerjaan perintis oleh Bain dan Davenport pada tahun 1930-an menetapkan diagram TTT komprehensif pertama, sementara penelitian selanjutnya oleh Koistinen dan Marburger mengembangkan model kuantitatif untuk kinetika transformasi martensitik.

Pendekatan modern menggabungkan termodinamika komputasional melalui metode CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams) dan pemodelan fase-lapangan untuk memprediksi evolusi mikrostruktur selama proses penguatan dengan lebih presisi.

Dasar Ilmu Material

Penguatan secara fundamental berkaitan dengan transformasi struktur kristal, di mana austenit FCC berubah menjadi martensit BCT. Transformasi ini menciptakan kisi yang sangat tertekan dengan banyak dislokasi yang memperkuat material melalui mekanisme penguatan regangan. Kepadatan dislokasi yang tinggi secara efektif menjepit dislokasi yang ada, memerlukan tegangan yang lebih tinggi untuk memulai deformasi plastis.

Keefektifan penguatan sangat bergantung pada ukuran butir dan batas butir austenit sebelumnya. Butir austenit yang lebih halus biasanya menghasilkan paket dan blok martensit yang lebih halus, meningkatkan kekuatan melalui mekanisme penguatan batas butir yang dijelaskan oleh hubungan Hall-Petch.

Penguatan mencerminkan beberapa prinsip inti ilmu material, termasuk transformasi fase, kinetika difusi, dan hubungan struktur-sifat. Proses ini menunjukkan bagaimana manipulasi mikrostruktur yang terkontrol dapat secara dramatis mengubah sifat mekanik makroskopis, menggambarkan hubungan fundamental antara pengaturan atom dan kinerja rekayasa.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kekerasan yang dicapai melalui penguatan dapat diperkirakan menggunakan persamaan Maynier untuk kekerasan martensit:

$$HV_M = 127 + 949C + 27Si + 11Mn + 8Ni + 16Cr + 21\log(V_r)$$

Di mana:
- $HV_M$ adalah kekerasan Vickers martensit
- $C, Si, Mn, Ni, Cr$ adalah persentase berat dari elemen-elemen ini
- $V_r$ adalah laju pendinginan pada 700°C dalam °C/jam

Formula Perhitungan Terkait

Fraksi volume martensit yang terbentuk selama quenching dapat dihitung menggunakan persamaan Koistinen-Marburger:

$$f_m = 1 - \exp[-b(M_s - T)]$$

Di mana:
- $f_m$ adalah fraksi volume martensit
- $b$ adalah konstanta material (biasanya 0.011 K⁻¹ untuk banyak baja)
- $M_s$ adalah suhu awal martensit dalam Kelvin
- $T$ adalah suhu quenching dalam Kelvin

Suhu awal martensit dapat diperkirakan menggunakan persamaan linier Andrews:

$$M_s(°C) = 539 - 423C - 30.4Mn - 12.1Cr - 17.7Ni - 7.5Mo$$

Di mana elemen kimia mewakili persentase beratnya dalam baja.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini umumnya berlaku untuk baja karbon rendah hingga sedang (0.1-0.6 wt% C) dengan konsentrasi elemen paduan yang khas. Persamaan Maynier menjadi kurang akurat untuk baja yang sangat paduan atau yang mengandung elemen pembentuk karbida yang kuat seperti vanadium atau tungsten.

Persamaan Koistinen-Marburger mengasumsikan kondisi quenching yang ideal dan menjadi kurang akurat ketika pembentukan bainit yang signifikan terjadi selama pendinginan. Ini juga tidak memperhitungkan mekanisme stabilisasi austenit yang tersisa di luar efek suhu sederhana.

Model ini mengasumsikan komposisi austenit yang homogen sebelum quenching dan tidak memperhitungkan mikrosegregasi, yang dapat secara signifikan mempengaruhi kemampuan pengerasan lokal pada material yang dicetak atau tersegregasi berat.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam
• ASTM E92: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Vickers Material Logam
• ASTM E384: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Mikroindentasi Material
• ISO 6508: Material logam — Uji kekerasan Rockwell
• ISO 6507: Material logam — Uji kekerasan Vickers

ASTM E18 dan ISO 6508 mencakup pengujian makro-kekerasan menggunakan metode Rockwell, sementara ASTM E92 dan ISO 6507 merinci prosedur untuk pengujian kekerasan Vickers, yang sangat berguna untuk baja yang diperkuat karena rentang pengukuran yang lebih luas.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Pengujian kekerasan baja yang diperkuat biasanya menggunakan metode berbasis indentasi dengan menggunakan penguji kekerasan khusus. Penguji kekerasan Rockwell menerapkan gaya yang telah ditentukan melalui kerucut berlian atau bola baja yang diperkeras, mengukur kedalaman penetrasi untuk menentukan kekerasan.

Penguji mikrohardness Vickers dan Knoop menggunakan indentor piramida berlian dan mengukur dimensi diagonal dari impresi yang dihasilkan di bawah pemeriksaan mikroskopis. Metode ini memungkinkan pemetaan kekerasan yang tepat di seluruh fitur mikrostruktur.

Karakterisasi lanjutan dapat mencakup sistem nanoindentasi yang menyediakan data beban-pergeseran kontinu selama indentasi, memungkinkan penentuan modulus elastis dan kekerasan pada skala nano.

Persyaratan Sampel

Sampel kekerasan standar memerlukan permukaan datar dan paralel dengan kekasaran permukaan biasanya kurang dari 0.8μm Ra. Keteb