Proses Annealing: Pengurangan Stres & Kerja dalam Manufaktur Baja

Table Of Content

Table Of Content

Definisi dan Konsep Dasar

Pemanasan proses adalah prosedur perlakuan panas yang diterapkan pada baja yang telah dikerjakan dingin untuk mengurangi kekerasan, meningkatkan duktilitas, dan mengurangi stres internal tanpa mengubah struktur mikro atau sifat mekanik secara signifikan. Berbeda dengan pemanasan penuh, pemanasan proses dilakukan pada suhu di bawah suhu transformasi kritis (A1), biasanya antara 550-650°C untuk baja karbon.

Pemanasan panas menengah ini memungkinkan operasi pengerjaan dingin lebih lanjut dengan mengembalikan kemampuan kerja pada material tanpa rekristalisasi lengkap. Pemanasan proses sangat penting dalam operasi pembentukan multi-tahap di mana material harus mengalami beberapa langkah deformasi tanpa retak atau kegagalan.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, pemanasan proses menempati posisi antara pemanasan pelepasan stres (dilakukan pada suhu lebih rendah) dan pemanasan penuh (dilakukan di atas suhu kritis). Ini mewakili kompromi praktis antara efisiensi manufaktur dan persyaratan sifat material, memungkinkan modifikasi terkendali dari sifat mekanik sambil meminimalkan konsumsi energi dan waktu proses.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pemanasan proses terutama melibatkan pemulihan dan rekristalisasi parsial dari struktur butir yang terdeformasi. Selama pengerjaan dingin, dislokasi terakumulasi dalam kisi kristal, menyebabkan pengerasan regangan dan mengurangi duktilitas.

Ketika dipanaskan hingga suhu pemanasan proses, energi termal memungkinkan pergerakan dan pengaturan dislokasi. Dislokasi dengan tanda yang berlawanan dapat saling menghilangkan, sementara yang lain membentuk batas subbutir melalui poligonisasi. Ini mengurangi densitas dislokasi secara keseluruhan tanpa sepenuhnya menghilangkan struktur yang terdeformasi.

Pada material yang sangat dikerjakan dingin, rekristalisasi terbatas dapat terjadi pada suhu pemanasan proses yang lebih tinggi, di mana butir baru yang bebas regangan muncul dan tumbuh, mengkonsumsi struktur yang terdeformasi. Namun, ini biasanya diminimalkan untuk mempertahankan beberapa efek pengerasan kerja.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan pemanasan proses adalah model urutan pemulihan-rekristalisasi-pertumbuhan butir. Model ini, yang dikembangkan sepanjang pertengahan abad ke-20, menggambarkan pemulihan progresif mikrostruktur yang dikerjakan dingin melalui proses yang diaktifkan secara termal.

Secara historis, pemahaman tentang proses pemanasan berkembang dari pengamatan empiris pada abad ke-19 hingga model kuantitatif pada tahun 1940-an-1960-an. Peneliti seperti Mehl, Burke, dan Turnbull menetapkan hubungan dasar antara parameter pemanasan dan evolusi mikrostruktur.

Pendekatan modern mencakup model kinetik Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) untuk rekristalisasi, model variabel keadaan internal yang memperhitungkan evolusi densitas dislokasi, dan pendekatan komputasional menggunakan automata seluler atau metode bidang fase. Model-model ini berbeda dalam perlakuan heterogenitas spasial dan penerapannya pada paduan industri yang kompleks.

Dasar Ilmu Material

Pemanasan proses secara langsung mempengaruhi struktur kristal dengan mengurangi distorsi kisi yang disebabkan oleh pengerjaan dingin. Sementara struktur kristal utama (biasanya kubus berpusat badan untuk baja feritik) tetap tidak berubah, densitas dan pengaturan cacat kristalografi sangat diubah.

Batas butir memainkan peran penting selama pemanasan proses. Batas butir sudut tinggi tetap relatif stabil pada suhu pemanasan proses, sementara batas subbutir dapat terbentuk atau dihilangkan. Stabilitas batas ini mempengaruhi sifat mekanik akhir.

Proses ini mengikuti prinsip dasar ilmu material tentang termodinamika dan kinetika. Keadaan yang dikerjakan dingin mewakili konfigurasi energi yang lebih tinggi, dan pemanasan mendorong sistem menuju keseimbangan melalui proses difusi yang diaktifkan secara termal. Laju pemulihan tergantung pada energi aktivasi untuk pergerakan dislokasi dan difusi atom, mengikuti ketergantungan suhu tipe Arrhenius.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kinetika pemulihan selama pemanasan proses dapat dinyatakan menggunakan persamaan peluruhan logaritmik:

$$\sigma = \sigma_0 - k \ln(t)$$

Di mana:
- $\sigma$ adalah tegangan aliran setelah pemanasan selama waktu $t$
- $\sigma_0$ adalah tegangan aliran awal dari material yang dikerjakan dingin
- $k$ adalah konstanta yang bergantung pada suhu
- $t$ adalah waktu pemanasan

Formula Perhitungan Terkait

Untuk rekristalisasi parsial, persamaan Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) berlaku:

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

Di mana:
- $X$ adalah fraksi volume yang direkristalisasi
- $k$ adalah konstanta laju yang bergantung pada suhu mengikuti persamaan Arrhenius $k = k_0\exp(-Q/RT)$
- $t$ adalah waktu pemanasan
- $n$ adalah eksponen Avrami (biasanya 1-4)
- $Q$ adalah energi aktivasi
- $R$ adalah konstanta gas
- $T$ adalah suhu mutlak

Rasio pelunakan dapat dihitung sebagai:

$$S = \frac{H_i - H_a}{H_i - H_0}$$

Di mana:
- $S$ adalah rasio pelunakan
- $H_i$ adalah kekerasan setelah pengerjaan dingin
- $H_a$ adalah kekerasan setelah pemanasan
- $H_0$ adalah kekerasan awal sebelum pengerjaan dingin

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk material fase tunggal dengan deformasi yang relatif seragam. Untuk baja multi-fase atau material dengan gradien deformasi yang parah, model yang lebih kompleks diperlukan.

Persamaan JMAK mengasumsikan nukleasi acak dan pertumbuhan isotropik, yang mungkin tidak secara akurat mewakili material yang sangat tertekstur atau yang memiliki situs nukleasi yang diutamakan. Penyimpangan terjadi terutama pada fraksi rekristalisasi yang tinggi.

Model-model ini mengasumsikan kondisi isotermal dan tidak memperhitungkan laju pemanasan dan pendinginan. Dalam praktik industri, kondisi transien ini dapat mempengaruhi struktur mikro dan sifat akhir secara signifikan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

  • ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam
  • ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam
  • ASTM E112: Metode Uji Standar untuk Menentukan Ukuran Butir Rata-rata
  • ISO 6507: Material logam — Uji kekerasan Vickers
  • ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Bagian 1: Metode uji pada suhu ruang

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Penguji kekerasan (Rockwell, Vickers, atau Brinell) umumnya digunakan untuk mengukur efek pelunakan dari pemanasan proses. Instrumen ini mengukur ketahanan material terhadap penekanan menggunakan penekan dan beban yang distandarisasi.

Mesin pengujian tarik mengukur sifat mekanik seperti kekuatan luluh, kekuatan tarik, dan perpanjangan. Prinsipnya melibatkan penerapan ketegangan uniaxial pada spesimen yang distandarisasi hingga kegagalan sambil mencatat hubungan gaya-pergeseran.

Karakterisasi lanjutan menggunakan mikroskop optik dan elektron untuk mengamati perubahan mikrostruktur. Difraksi elektron backscatter (EBSD) dapat mengukur densitas dislokasi, pembentukan subbutir, dan fraksi rekristalisasi melalui analisis data orientasi kristalografi.

Persyaratan Sampel

Spesimen tarik standar biasanya mengikuti dimensi ASTM E8/E8M, dengan panjang gauge 50mm dan area penampang yang sesuai untuk ketebalan material.

Kembali ke blog

Tulis komentar