Martempering: Proses Perlakuan Panas Kritis untuk Mengurangi Distorsi

Definisi dan Konsep Dasar

Martempering adalah proses perlakuan panas khusus untuk baja yang melibatkan austenitisasi diikuti dengan pendinginan ke suhu sedikit di atas suhu awal martensit (Ms), menahan pada suhu tersebut hingga merata, kemudian mendinginkan perlahan melalui rentang transformasi martensit untuk meminimalkan distorsi dan retak.

Proses ini merupakan modifikasi kritis dari pendinginan konvensional yang mengurangi gradien termal dan stres internal yang terkait sambil tetap mencapai mikrostruktur martensitik yang diinginkan. Martempering menempati posisi penting dalam teknologi perlakuan panas karena menjembatani kesenjangan antara pendinginan konvensional dan proses yang lebih kompleks seperti austempering.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, martempering menggambarkan kontrol canggih dari transformasi fase untuk mencapai kombinasi sifat mikrostruktur dan mekanik tertentu. Ini menunjukkan bagaimana prinsip kinetik dapat dimanipulasi untuk mengoptimalkan kinerja material sambil meminimalkan efek samping yang tidak diinginkan dari pemrosesan termal.

Sifat Fisik dan Dasar Teoritis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, martempering mengontrol transformasi austenit kubik berpusat muka (FCC) menjadi martensit tetragonal berpusat badan (BCT). Transformasi tanpa difusi ini terjadi ketika atom karbon terjebak di posisi interstitial selama pengaturan kisi yang cepat dari FCC ke struktur BCC yang terdistorsi.

Proses ini meminimalkan gradien termal antara permukaan dan inti komponen dengan menahan pada suhu sedikit di atas Ms, memungkinkan distribusi suhu yang merata di seluruh bagian. Distribusi suhu yang merata ini memastikan bahwa pembentukan martensit terjadi lebih merata di seluruh komponen selama fase pendinginan lambat berikutnya.

Gradien termal yang berkurang meminimalkan stres internal yang biasanya menyebabkan distorsi dan retak pada bagian yang dipendinginkan secara konvensional. Transformasi martensit tetap terjadi, tetapi dengan cara yang lebih terkontrol yang menyeimbangkan pengembangan kekerasan dengan stabilitas dimensi.

Model Teoritis

Model teoritis utama yang menggambarkan martempering didasarkan pada diagram waktu-suhu-transformasi (TTT), yang memetakan kinetika dekomposisi austenit. Diagram ini menggambarkan bagaimana jalur martempering secara sengaja menghindari hidung kurva TTT untuk mencegah pembentukan pearlit atau bainit.

Secara historis, pemahaman tentang martempering berkembang dari pekerjaan awal oleh Edgar C. Bain pada tahun 1920-an dan 1930-an, yang mempelajari mekanisme transformasi austenit. Proses ini dikembangkan lebih lanjut selama tahun 1940-an ketika metalurgis mencari cara untuk mengurangi retak pendinginan pada baja karbon tinggi dan paduan.

Pendekatan modern menggabungkan model komputasi yang memprediksi gradien termal dan kinetika transformasi di seluruh geometri kompleks. Model-model ini berbeda dari pendekatan TTT klasik dengan mempertimbangkan kondisi pendinginan kontinu dan variasi spasial dalam perilaku transformasi.

Dasar Ilmu Material

Martempering secara langsung berkaitan dengan struktur kristal karena mengelola transformasi dari austenit FCC menjadi martensit BCT. Proses ini meminimalkan pembentukan dislokasi yang diinduksi oleh transformasi di batas butir, yang merupakan lokasi konsentrasi stres umum selama pendinginan konvensional.

Mikrostruktur yang dihasilkan terdiri terutama dari martensit dengan austenit yang tersisa minimal, tergantung pada komposisi baja tertentu. Martensit yang terbentuk melalui proses ini biasanya menunjukkan distribusi yang lebih merata di seluruh penampang dibandingkan dengan bagian yang dipendinginkan secara konvensional.

Proses ini menggambarkan prinsip dasar ilmu material bahwa sifat mekanik ditentukan tidak hanya oleh komposisi tetapi juga oleh jalur pemrosesan. Martempering menunjukkan bagaimana mengontrol kinetika transformasi dapat menghasilkan kombinasi sifat yang lebih unggul yang tidak dapat dicapai melalui jalur pemrosesan keseimbangan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Proses martempering dapat dicirikan oleh hubungan antara suhu penahanan ($T_h$) dan suhu awal martensit ($M_s$):

$$T_h = M_s + \Delta T$$

Di mana $T_h$ adalah suhu penahanan dalam °C, $M_s$ adalah suhu awal martensit dalam °C, dan $\Delta T$ adalah offset suhu (biasanya 20-40°C).

Formula Perhitungan Terkait

Suhu awal martensit dapat diperkirakan untuk banyak baja menggunakan rumus Andrews:

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

Di mana persentase mewakili persen berat dari elemen paduan masing-masing.

Fraksi volume martensit yang terbentuk ($f_m$) selama pendinginan dapat diperkirakan menggunakan persamaan Koistinen-Marburger:

$$f_m = 1 - \exp[-0.011(M_s - T)]$$

Di mana $T$ adalah suhu saat ini dalam °C di bawah $M_s$.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini umumnya berlaku untuk baja paduan rendah hingga sedang dengan kandungan karbon antara 0,3% dan 1,0%. Untuk baja yang sangat paduan, penentuan empiris $M_s$ disarankan karena rumus prediksi menjadi kurang akurat.

Persamaan Koistinen-Marburger mengasumsikan laju pendinginan yang seragam dan komposisi austenit yang homogen. Penyimpangan terjadi dalam kasus segregasi, deformasi sebelumnya, atau laju pendinginan yang sangat cepat.

Model-model ini mengasumsikan austenitisasi lengkap sebelum pendinginan dan tidak memperhitungkan efek transformasi parsial atau pelarutan karbida yang mungkin terjadi dalam praktik.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM A1033: Praktik Standar untuk Pengukuran Kuantitatif dan Pelaporan Transformasi Fase Baja Karbon Hypoeutectoid dan Baja Paduan Rendah - Menyediakan metode untuk menentukan suhu transformasi dan kinetika.

ISO 643: Baja - Penentuan Mikrograpik Ukuran Butir yang Tampak - Menyediakan metode untuk mengevaluasi ukuran butir austenit sebelumnya, yang mempengaruhi efektivitas martempering.

ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam - Umumnya digunakan untuk mengevaluasi profil kekerasan setelah martempering.

ASTM E384: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Mikroindentasi Material - Digunakan untuk pemetaan mikrohardness di seluruh bagian yang dimartemper.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Dilatometer mengukur perubahan dimensi selama pemanasan dan pendinginan, memungkinkan penentuan suhu transformasi dan kinetika yang tepat selama siklus martempering.

Dilatometer pendinginan menggabungkan pemanasan/pendinginan yang terkontrol dengan pengukuran dimensi untuk mensimulasikan dan menganalisis proses martempering dalam kondisi laboratorium.

Mikroskop elektron pemindaian (SEM) dengan kemampuan difraksi elektron backscatter (EBSD) memungkinkan karakterisasi rinci dari mikrostruktur martensitik dan kuantifikasi austenit residual.

Persyaratan Sampel

Spesimen metalografi standar biasanya memiliki diameter 10-30mm atau penampang persegi dengan permukaan datar yang disiapkan dengan hati-hati.

Persiapan permukaan memerlukan penggilingan melalui ukuran grit berturut-turut diikuti dengan pemolesan hingga hasil akhir cermin (biasanya 1μm atau lebih halus), diikuti dengan etsa yang sesuai untuk mengungkapkan mikrostruktur.

Sampel harus representatif dari material bulk dan harus menangkap setiap gradien dalam mikrostruktur yang mungkin ada di seluruh penampang komponen.

Parameter Uji

Analisis termal biasanya dilakukan dari suhu ruangan hingga sekitar 50°C di atas suhu austenitisasi, dengan laju pendinginan yang terkontrol yang mensimulasikan kondisi martempering industri.

Laju pemanasan 5-10°C/menit dan laju pendinginan terkontrol antara 0,