Pekerjaan Panas: Mengubah Baja Di Atas Suhu Rekristalisasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Definisi dan Konsep Dasar
Pengerjaan panas adalah proses pembentukan logam yang dilakukan pada suhu di atas suhu rekristalisasi material, biasanya pada 50-60% dari titik lebur pada skala suhu absolut. Proses pemrosesan suhu tinggi ini secara signifikan mengurangi gaya yang diperlukan untuk mendekati logam sambil memungkinkan pemulihan dinamis dan rekristalisasi terjadi selama deformasi.
Pengerjaan panas merupakan pendekatan manufaktur dasar dalam industri baja, memungkinkan produksi komponen struktural besar dengan sifat mekanik yang lebih baik. Proses ini mengubah struktur kasar, dendritik, dan sering terpisah dari hasil cor menjadi struktur yang ditempa dengan butiran yang lebih halus dan lebih seragam.
Dalam metalurgi, pengerjaan panas menempati posisi kritis antara pembuatan baja primer dan langkah pemrosesan berikutnya, berfungsi sebagai metode utama untuk memecah struktur cor dan memberikan dasar untuk pengerjaan dingin, perlakuan panas, dan operasi penyelesaian di hilir.
Sifat Fisik dan Dasar Teoretis
Mekanisme Fisik
Di tingkat mikrostruktur, pengerjaan panas melibatkan pembentukan dan pergerakan dislokasi di seluruh kisi kristal baja. Suhu yang tinggi memberikan energi termal yang cukup bagi atom untuk berdifusi dengan cepat, memungkinkan dislokasi untuk mendaki dan melintasi rintangan daripada mengumpul.
Seiring dengan kemajuan deformasi, daerah dengan kepadatan dislokasi tinggi membentuk subbutir yang akhirnya berkembang menjadi butir baru yang bebas regangan melalui rekristalisasi dinamis. Pembentukan butir baru yang terus menerus ini mencegah pengerasan kerja menjadi berlebihan dan mempertahankan duktilitas material selama proses pembentukan.
Suhu tinggi juga memungkinkan proses yang dikendalikan oleh difusi yang dapat melarutkan presipitat, mengurangi segregasi kimia, dan menyembuhkan cacat internal seperti porositas atau rongga penyusutan yang ada dalam struktur cor.
Model Teoretis
Parameter Zener-Hollomon ($Z = \dot{\varepsilon} \exp(Q/RT)$) berfungsi sebagai model teoretis utama untuk pengerjaan panas, menghubungkan laju regangan ($\dot{\varepsilon}$), suhu deformasi ($T$), energi aktivasi ($Q$), dan konstanta gas ($R$). Parameter ini secara efektif menangkap efek gabungan dari suhu dan laju regangan pada perilaku deformasi.
Pemahaman tentang pengerjaan panas berkembang secara signifikan dari pendekatan empiris awal dalam pengolahan logam kuno hingga studi ilmiah di awal abad ke-20. Karya seminal oleh Zener, Hollomon, dan Sellars menetapkan kerangka pemrosesan termomekanik yang terus membimbing praktik modern.
Pendekatan teoretis alternatif termasuk persamaan konstitutif seperti persamaan tipe Arrhenius, model Johnson-Cook, dan berbagai model tegangan aliran yang berusaha memprediksi perilaku material di bawah berbagai kondisi pengerjaan panas.
Dasar Ilmu Material
Pengerjaan panas secara langsung mempengaruhi struktur kristal dengan memecah butir kolumnar hasil cor dan mendorong pembentukan butir equiaxed melalui rekristalisasi. Batas butir menjadi lebih banyak dan terdistribusi secara merata, meningkatkan sifat material secara keseluruhan.
Proses ini secara dramatis mengubah mikrostruktur baja dengan memperhalus ukuran butir, mengurangi segregasi, memecah stringer inklusi, dan mendistribusikan partikel fase kedua lebih homogen. Perubahan ini secara signifikan meningkatkan sifat mekanik dan isotropi.
Prinsip dasar difusi, mekanika dislokasi, dan kinetika transformasi fase mengatur perilaku pengerjaan panas, menjadikannya contoh yang sangat baik tentang bagaimana pemrosesan termomekanik dapat digunakan untuk merekayasa sifat material.
Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan
Formula Definisi Dasar
Tegangan aliran selama pengerjaan panas dapat dinyatakan sebagai:
$$\sigma = K \dot{\varepsilon}^m \exp(Q/RT)$$
Di mana $\sigma$ adalah tegangan aliran, $K$ adalah konstanta material, $\dot{\varepsilon}$ adalah laju regangan, $m$ adalah sensitivitas laju regangan, $Q$ adalah energi aktivasi untuk deformasi panas, $R$ adalah konstanta gas, dan $T$ adalah suhu absolut.
Formula Perhitungan Terkait
Parameter Zener-Hollomon menghubungkan efek suhu dan laju regangan:
$$Z = \dot{\varepsilon} \exp(Q/RT)$$
Ukuran butir yang dihasilkan dari pengerjaan panas dapat diperkirakan menggunakan:
$$d = A Z^{-n}$$
Di mana $d$ adalah ukuran butir yang direkristalisasi, $A$ adalah konstanta material, dan $n$ adalah eksponen ukuran butir (biasanya 0.15-0.25 untuk baja).
Formula ini membantu metalurgis memprediksi perilaku material selama proses pengerjaan panas industri dan merancang parameter pemrosesan yang sesuai.
Kondisi dan Batasan yang Berlaku
Model ini umumnya berlaku ketika pemrosesan terjadi di atas suhu rekristalisasi tetapi di bawah suhu yang menyebabkan oksidasi berlebihan atau pencairan awal (biasanya 0.5-0.85 dari titik lebur pada skala absolut).
Persamaan ini mengasumsikan deformasi homogen dan mungkin tidak secara akurat memprediksi perilaku di dekat permukaan, tepi, atau di daerah dengan gradien regangan yang parah atau pemanasan lokal.
Kebanyakan model pengerjaan panas mengasumsikan deformasi keadaan tetap dan mungkin tidak menangkap perilaku transien selama deformasi awal atau perubahan jalur regangan yang umum terjadi dalam proses industri.
Metode Pengukuran dan Karakterisasi
Spesifikasi Pengujian Standar
ASTM E209: Praktik Standar untuk Pengujian Kompresi Material Logam pada Suhu Tinggi dengan Laju Pemanasan Konvensional atau Cepat dan Laju Regangan. Standar ini mencakup prosedur untuk menentukan tegangan aliran selama kompresi panas.
ISO 6892-2: Material Logam - Pengujian Tarik pada Suhu Tinggi. Standar ini menyediakan metode untuk mengevaluasi sifat tarik di bawah kondisi pengerjaan panas.
ASTM E1269: Metode Uji Standar untuk Menentukan Kapasitas Kalor Spesifik dengan Kalorimetri Pemindaian Diferensial. Metode ini membantu menentukan sifat termal yang relevan dengan pengerjaan panas.
Peralatan dan Prinsip Pengujian
Simulator termomekanik Gleeble umumnya digunakan untuk meniru kondisi pengerjaan panas industri di lingkungan laboratorium. Sistem ini memberikan kontrol yang tepat terhadap suhu, regangan, dan laju regangan sambil mengukur respons gaya.
Mesin pengujian torsi panas menerapkan deformasi memutar pada suhu tinggi, memungkinkan regangan besar tanpa komplikasi gesekan atau pembulatan yang terlihat dalam pengujian kompresi.
Karakterisasi lanjutan sering menggunakan difraksi sinar-X sinkrotron in-situ atau difraksi neutron untuk mengamati evolusi mikrostruktur selama pengerjaan panas yang disimulasikan.
Persyaratan Sampel
Sampel pengujian kompresi panas standar biasanya berbentuk silindris dengan rasio tinggi terhadap diameter antara 1.5:1 dan 2:1, dengan dimensi berkisar antara 10-15mm dalam diameter.
Persiapan permukaan harus memastikan paralelisme antara wajah kompresi dan bebas dari cacat permukaan yang dapat memicu retak selama pengujian.
Sampel harus bebas dari efek riwayat regangan sebelumnya kecuali secara khusus mempelajari pemrosesan multi-tahap, dan harus mewakili komposisi dan struktur material secara keseluruhan.
Parameter Uji
Suhu pengujian biasanya berkisar dari sedikit di atas rekristalisasi (sekitar 0.5Tm) hingga di bawah pencairan awal (sekitar 0.85Tm), yang untuk baja karbon berarti sekitar 900-1250°C.
Laju regangan dalam pengujian laboratorium umumnya berkisar dari 0.001 hingga 100 s⁻¹, dengan proses industri biasanya beroperasi antara 0.1 dan 50 s⁻¹.
Atmosfer pelindung atau kondisi vakum sering diperlukan untuk mencegah oksidasi berlebihan atau dekarbonisasi selama pengujian suhu tinggi.