Penguatan Minyak: Proses Perlakuan Panas Kritis untuk Daya Tahan Baja Alat

Definisi dan Konsep Dasar

Pengerasan minyak mengacu pada proses perlakuan panas untuk baja di mana material dipanaskan hingga suhu austenitizing-nya, ditahan pada suhu tersebut hingga sepenuhnya berubah menjadi austenit, dan kemudian didinginkan dengan cepat dengan cara mendinginkan dalam minyak. Proses ini menciptakan mikrostruktur yang mengeras dengan mengubah austenit menjadi martensit, yang mengakibatkan peningkatan kekerasan dan kekuatan yang signifikan.

Pengerasan minyak menempati posisi penting dalam metodologi perlakuan panas baja, menawarkan tingkat pendinginan yang sedang antara pendinginan dengan air dan udara. Tingkat pendinginan yang moderat ini memberikan keseimbangan optimal antara mencapai kekerasan yang diinginkan sambil meminimalkan distorsi dan risiko retak yang umum terjadi dengan media pendingin yang lebih parah.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, pengerasan minyak merupakan teknik pengerasan dasar yang menjembatani kesenjangan antara ilmu material teoritis dan aplikasi industri praktis. Ini menunjukkan bagaimana transformasi fase yang terkontrol dapat dimanfaatkan untuk secara dramatis mengubah sifat mekanik komponen baja untuk kebutuhan rekayasa tertentu.

Sifat Fisik dan Dasar Teoritis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pengerasan minyak melibatkan transformasi tanpa difusi dari austenit kubik berpusat muka (FCC) menjadi martensit tetragonal berpusat badan (BCT). Ketika baja didinginkan dengan cepat dari keadaan austenitik, atom karbon terjebak dalam kisi kristal yang berubah, menciptakan struktur yang terdistorsi.

Tingkat pendinginan yang diberikan oleh minyak cukup untuk menekan transformasi yang dikendalikan oleh difusi (seperti pembentukan perlit atau bainit) sambil memungkinkan transformasi martensitik berbasis geser terjadi. Ini menciptakan larutan padat yang jenuh di mana atom karbon mendistorsi kisi besi, menghambat pergerakan dislokasi.

Fase martensit yang dihasilkan mengandung tegangan internal yang tinggi dan banyak dislokasi, menciptakan penghalang yang efektif terhadap deformasi plastik. Fitur mikrostruktur ini secara langsung bertanggung jawab atas peningkatan kekerasan dan kekuatan yang diamati pada baja yang dikeraskan dengan minyak.

Model Teoritis

Model teoritis utama yang menggambarkan pengerasan minyak adalah diagram Waktu-Suhu-Transformasi (TTT), yang memetakan hubungan antara tingkat pendinginan dan mikrostruktur yang dihasilkan. Ini dilengkapi dengan diagram Transformasi Pendinginan Berkelanjutan (CCT) yang lebih baik mewakili kondisi pendinginan industri.

Secara historis, pemahaman tentang pengerasan minyak berkembang dari pengamatan empiris pada akhir abad ke-19 hingga penjelasan ilmiah pada awal abad ke-20. Karya perintis Edgar C. Bain pada tahun 1920-an dan 1930-an menetapkan pemahaman dasar tentang transformasi martensitik yang mendasari proses pengerasan minyak.

Pendekatan modern menggabungkan model komputasi yang memprediksi kekerasan berdasarkan komposisi kimia, kondisi austenitizing, dan tingkat pendinginan. Model-model ini telah berkembang dari persamaan empiris sederhana menjadi algoritma kompleks yang menggabungkan prinsip termodinamika dan kinetika transformasi fase.

Dasar Ilmu Material

Pengerasan minyak secara langsung berkaitan dengan transformasi struktur kristal, di mana austenit FCC berubah menjadi martensit BCT. Transformasi ini menciptakan distorsi kisi yang signifikan dan memperkenalkan jaringan dislokasi dengan kepadatan tinggi yang memperkuat material.

Efektivitas pengerasan minyak tergantung pada pengendalian ukuran butir selama austenitizing, karena butir austenit yang lebih halus mendorong pembentukan martensit yang lebih seragam. Batas butir berfungsi sebagai situs nukleasi untuk martensit dan mempengaruhi distribusi fase akhir.

Mekanisme pengerasan ini menggambarkan prinsip dasar ilmu material bahwa mikrostruktur mengontrol sifat. Transformasi martensitik merupakan contoh klasik tentang bagaimana mengendalikan susunan atom dan struktur kristal dapat secara dramatis mengubah perilaku mekanik makroskopik.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kekerasan yang dicapai melalui pengerasan minyak dapat diperkirakan menggunakan hubungan berikut:

$$HRC = 60 - \frac{1}{k} \ln\left(\frac{t}{t_0}\right)$$

Di mana $HRC$ adalah kekerasan Rockwell C, $t$ adalah waktu pendinginan antara 800°C dan 500°C (dalam detik), $t_0$ adalah konstanta waktu referensi, dan $k$ adalah konstanta spesifik material yang terkait dengan kemampuan pengerasan.

Formula Perhitungan Terkait

Diameter ideal ($D_I$) untuk pengerasan lengkap dapat dihitung menggunakan:

$$D_I = f(C) \cdot \prod_{i} f_i(X_i)$$

Di mana $f(C)$ adalah fungsi dari kandungan karbon, dan $f_i(X_i)$ mewakili faktor pengali untuk setiap elemen paduan $X_i$.

Tingkat pendinginan di pusat spesimen silindris selama pendinginan minyak dapat diperkirakan dengan:

$$\frac{dT}{dt} = -\frac{h \cdot A}{m \cdot c_p} \cdot (T - T_0) \cdot \left(\frac{r_0}{r}\right)^2 \cdot J_0\left(\frac{\alpha \cdot r}{r_0}\right)$$

Di mana $h$ adalah koefisien transfer panas, $A$ adalah luas permukaan, $m$ adalah massa, $c_p$ adalah kapasitas panas spesifik, $T$ adalah suhu saat ini, $T_0$ adalah suhu minyak, $r$ adalah posisi radial, $r_0$ adalah jari-jari spesimen, $J_0$ adalah fungsi Bessel, dan $\alpha$ adalah difusivitas termal.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model matematis ini umumnya berlaku untuk baja karbon sedang hingga tinggi (0,3-1,0% C) dan baja paduan rendah hingga sedang. Mereka menjadi kurang akurat untuk baja yang sangat paduan dengan perilaku transformasi yang kompleks.

Formula ini mengasumsikan struktur austenit awal yang seragam dan kondisi pendinginan yang konsisten sepanjang proses. Penyimpangan signifikan terjadi ketika berhadapan dengan geometri yang kompleks, ketebalan bagian yang bervariasi, atau mikrostruktur awal yang tidak seragam.

Model-model ini biasanya mengabaikan efek tegangan internal, austenit yang tertahan, dan presipitasi karbida yang dapat mempengaruhi nilai kekerasan akhir. Mereka juga mengasumsikan kondisi transfer panas yang ideal yang mungkin tidak mencerminkan variabilitas industri.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM A255: Metode Uji Standar untuk Menentukan Kemampuan Pengerasan Baja - mencakup uji akhir Jominy untuk mengevaluasi kemampuan pengerasan.

ISO 642: Baja - Uji kemampuan pengerasan dengan pendinginan akhir (uji Jominy) - memberikan standar internasional untuk pengujian kemampuan pengerasan.

ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam - merinci prosedur untuk pengukuran kekerasan komponen yang dikeraskan dengan minyak.

ASTM E3: Panduan Standar untuk Persiapan Spesimen Metalografi - menguraikan metode untuk pemeriksaan mikrostruktur baja yang dikeraskan.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Pengujian kekerasan komponen yang dikeraskan dengan minyak biasanya menggunakan penguji kekerasan Rockwell (terutama skala HRC) atau peralatan mikrohardness Vickers. Instrumen ini mengukur ketahanan terhadap penekanan di bawah beban standar.

Pemeriksaan metalografi menggunakan mikroskop optik dan mikroskop elektron pemindai (SEM) untuk menganalisis fitur mikrostruktur. Teknik-teknik ini mengungkap morfologi martensit, ukuran butir, dan keberadaan austenit yang tertahan atau karbida.

Karakterisasi lanjutan dapat mencakup difraksi sinar-X (XRD) untuk mengukur austenit yang tertahan dan mikroskop elektron transmisi (TEM) untuk analisis rinci tentang substruktur martensitik dan susunan dislokasi.

Persyaratan Sampel

Spesimen