Penghentian Terputus: Mengoptimalkan Mikrostruktur Baja & Sifat Mekanik

Definisi dan Konsep Dasar

Pendinginan terputus adalah proses perlakuan panas di mana benda kerja baja didinginkan dengan cepat dari suhu austenitisasi tetapi sengaja dihentikan sebelum mencapai suhu kamar, kemudian ditahan pada suhu menengah atau dipindahkan ke media yang mendingin dengan laju yang lebih lambat. Proses pendinginan yang terkontrol ini memungkinkan transformasi sebagian austenit menjadi konstituen mikrostruktur yang diinginkan sambil meminimalkan stres termal dan distorsi.

Teknik ini merupakan kompromi kritis antara kekerasan tinggi yang dicapai melalui pendinginan langsung dan stres internal yang berkurang yang diperoleh melalui metode pendinginan yang lebih lambat. Dengan menghentikan proses pendinginan, metalurgis dapat mencapai kombinasi sifat mekanik tertentu yang tidak mungkin dicapai melalui pendinginan konvensional atau normalisasi saja.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, pendinginan terputus menempati posisi penting antara perlakuan panas konvensional, berfungsi sebagai pendekatan canggih untuk rekayasa mikrostruktur. Ini menjembatani kesenjangan antara ekstrem pendinginan cepat dan pendinginan lambat, menawarkan kontrol yang tepat kepada metalurgis atas transformasi fase dan sifat material yang dihasilkan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pendinginan terputus mengontrol transformasi austenit kubus berpusat muka (FCC) menjadi berbagai fase termasuk martensit tetragonal berpusat badan (BCT), bainit, dan perlit. Pendinginan cepat awal menekan transformasi yang dikendalikan oleh difusi, memungkinkan baja mencapai suhu di mana transformasi tertentu yang diinginkan dapat terjadi.

Ketika austenit didinginkan di bawah suhu kritisnya, atom karbon terjebak dalam kisi kristal yang sedang berubah. Dengan menghentikan pendinginan, baja ditahan pada suhu di mana difusi terkontrol dapat terjadi, memungkinkan atom karbon untuk memposisikan diri dalam konfigurasi yang menguntungkan secara energetik sambil mencegah transformasi martensitik yang lengkap.

Mikrostruktur yang dihasilkan biasanya mengandung campuran martensit, bainit, dan austenit yang tertahan, dengan proporsi yang ditentukan oleh suhu penghentian, waktu penahanan, dan laju pendinginan selanjutnya. Mikrostruktur campuran ini memberikan keseimbangan antara kekerasan, kekuatan, dan ketangguhan yang tidak dapat ditawarkan oleh martensit murni.

Model Teoretis

Kerangka teoretis utama untuk memahami pendinginan terputus adalah diagram Waktu-Suhu-Transformasi (TTT), yang memetakan hubungan antara suhu, waktu, dan evolusi mikrostruktur. Model ini memvisualisasikan bagaimana austenit berubah menjadi fase yang berbeda tergantung pada laju pendinginan dan kondisi penahanan isotermal.

Secara historis, pemahaman tentang pendinginan terputus berkembang dari pengamatan empiris awal pada tahun 1920-an hingga model yang lebih canggih pada tahun 1950-an ketika Davenport dan Bain pertama kali mengembangkan diagram transformasi yang komprehensif. Pendekatan modern menggabungkan diagram Transformasi Pendinginan Berkelanjutan (CCT) yang lebih baik mewakili kondisi pendinginan industri yang sebenarnya.

Model komputasi sekarang melengkapi pendekatan TTT/CCT klasik, dengan model kinetik seperti persamaan Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) yang memberikan deskripsi matematis tentang laju transformasi fase. Model-model ini memungkinkan prediksi yang tepat tentang evolusi mikrostruktur selama siklus termal yang kompleks.

Dasar Ilmu Material

Pendekatan pendinginan terputus secara fundamental berkaitan dengan transisi struktur kristal, khususnya transformasi dari austenit FCC menjadi martensit BCT atau struktur perantara lainnya. Proses ini menciptakan batas butir yang kompleks antara fase yang berbeda, yang secara signifikan mempengaruhi sifat mekanik.

Mikrostruktur yang dihasilkan biasanya menampilkan jarum martensit halus yang tersebar di antara daerah bainit dan film austenit yang tertahan di sepanjang batas butir. Struktur heterogen ini menciptakan banyak antarmuka yang menghambat pergerakan dislokasi, meningkatkan kekuatan sambil mempertahankan ketangguhan yang wajar.

Proses ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material tentang difusi, nukleasi, dan pertumbuhan. Dengan mengontrol profil suhu selama pendinginan, metalurgis memanipulasi laju difusi karbon dan elemen paduan, sehingga merekayasa mikrostruktur tertentu dengan sifat yang disesuaikan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Laju pendinginan selama pendinginan dapat dinyatakan sebagai:

$$CR = \frac{T_i - T_f}{t}$$

Di mana:
- $CR$ adalah laju pendinginan (°C/s)
- $T_i$ adalah suhu awal (°C)
- $T_f$ adalah suhu akhir (°C)
- $t$ adalah waktu yang berlalu (s)

Formula Perhitungan Terkait

Fraksi transformasi yang selesai selama penahanan isotermal mengikuti persamaan JMAK:

$$X = 1 - \exp(-kt^n)$$

Di mana:
- $X$ adalah fraksi yang tertransformasi
- $k$ adalah konstanta laju yang bergantung pada suhu
- $t$ adalah waktu
- $n$ adalah eksponen Avrami yang terkait dengan mekanisme nukleasi dan pertumbuhan

Kekerasan setelah pendinginan terputus dapat diperkirakan menggunakan:

$$HRC = \alpha HRC_m + \beta HRC_b + \gamma HRC_f$$

Di mana:
- $HRC$ adalah kekerasan yang dihasilkan
- $HRC_m$, $HRC_b$, dan $HRC_f$ adalah nilai kekerasan martensit, bainit, dan ferrit
- $\alpha$, $\beta$, dan $\gamma$ adalah fraksi volume dari masing-masing fase

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk baja karbon rendah hingga sedang dengan komposisi paduan yang relatif sederhana. Baja paduan kompleks mungkin menyimpang dari perilaku yang diprediksi karena efek interaksi antara elemen paduan.

Persamaan JMAK mengasumsikan nukleasi acak dan pertumbuhan isotropik, yang mungkin tidak secara akurat mewakili semua kondisi transformasi, terutama pada baja yang sangat paduan atau yang mengalami deformasi sebelumnya yang signifikan.

Model-model ini umumnya mengasumsikan distribusi suhu yang seragam di seluruh benda kerja, yang jarang dicapai dalam praktik industri dengan geometri besar atau kompleks di mana gradien termal dapat signifikan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM A255: Metode Uji Standar untuk Menentukan Hardenability Baja
• ISO 642: Baja - Uji Hardenability dengan pendinginan akhir (uji Jominy)
• ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam
• ASTM E3: Panduan Standar untuk Persiapan Spesimen Metalografi

ASTM A255 dan ISO 642 menyediakan metode standar untuk mengevaluasi hardenability baja, yang secara langsung berkaitan dengan kinerja pendinginan terputus. ASTM E18 mencakup metode pengujian kekerasan yang umum digunakan untuk mengevaluasi material yang telah didinginkan, sementara ASTM E3 merinci persiapan spesimen untuk analisis mikrostruktur.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Dilatometer umumnya digunakan untuk mengukur perubahan dimensi secara tepat selama pemanasan dan pendinginan, memungkinkan penentuan suhu transformasi dan kinetika yang akurat selama pendinginan terputus.

Simulator pendinginan memungkinkan pendinginan terkontrol dengan profil suhu yang dapat diprogram, biasanya menggunakan pemanasan induksi dan sistem pendinginan gas untuk meniru kondisi pendinginan industri dengan presisi tinggi.

Karakterisasi canggih bergantung pada mikroskop elektron pemindaian (SEM) dengan kemampuan difraksi elektron backscatter (EBSD) untuk mengidentifikasi dan mengkuantifikasi fase-fase berbeda yang dihasilkan dari perlakuan pendinginan terputus.

Persyaratan Sampel

Spesimen standar biasanya memiliki diameter 10mm dan panjang 100mm untuk pengujian dilatometri, sementara sampel metalografi memerlukan pemotongan yang hati-hati untuk menghindari perubahan mikrostruktur melalui deform