Pengerasan Quench: Proses Pendinginan Cepat untuk Meningkatkan Kekuatan Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Pengerasan quench adalah proses perlakuan panas yang diterapkan pada logam ferrous, khususnya baja, untuk meningkatkan kekerasan dan kekuatan dengan mendinginkan (quenching) material dari suhu austenitizing ke suhu kamar dengan cepat. Proses termal yang terkontrol ini mengubah mikrostruktur baja, menghasilkan pembentukan martensit, sebuah struktur metastabil yang keras.

Proses ini merupakan salah satu mekanisme penguatan dasar dalam metalurgi ferrous, memungkinkan insinyur untuk secara dramatis mengubah sifat mekanik tanpa mengubah komposisi kimia. Pengerasan quench menjadi dasar bagi banyak proses perlakuan panas lanjutan dalam pembuatan baja modern.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, pengerasan quench menempati posisi sentral dalam keluarga transformasi fase tanpa difusi. Ini menjembatani aspek teoritis dari kinetika transformasi fase dengan aplikasi industri praktis, menjadikannya pengetahuan yang penting bagi metalurgis, insinyur material, dan spesialis manufaktur.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pengerasan quench melibatkan transformasi austenit kubik berpusat muka (FCC) menjadi martensit tetragonal berpusat tubuh (BCT). Ini terjadi ketika atom karbon terjebak dalam kisi besi selama pendinginan cepat, mencegah difusi mereka dan menyebabkan distorsi kisi.

Transformasi ini tanpa difusi, yang berarti atom karbon tidak memiliki waktu untuk bermigrasi selama pendinginan. Sebaliknya, mereka tetap berada di posisi interstisial, menciptakan tegangan internal yang signifikan dalam struktur kristal. Tegangan ini muncul sebagai dislokasi yang menghambat pergerakan dislokasi lebih lanjut, menghasilkan kekerasan khas martensit.

Transformasi martensitik berlangsung athermal—ia bergantung pada suhu daripada waktu. Setelah di bawah suhu awal martensit (Ms), transformasi dimulai dan berlanjut saat suhu menurun hingga mencapai suhu akhir martensit (Mf).

Model Teoretis

Persamaan Koistinen-Marburger mewakili model teoretis utama yang menggambarkan transformasi martensitik selama quenching:

$V_m = 1 - \exp$$-\alpha(M_s - T)$$$

Di mana $V_m$ adalah fraksi volume martensit, $M_s$ adalah suhu awal martensit, $T$ adalah suhu saat ini, dan $\alpha$ adalah konstanta spesifik material.

Secara historis, pemahaman tentang pengerasan quench berkembang dari pengamatan empiris oleh pandai besi menjadi penjelasan ilmiah pada awal abad ke-20. Karya perintis Edgar Bain pada tahun 1920-an menetapkan dasar kristalografi untuk transformasi martensitik, sementara peneliti selanjutnya seperti Koistinen dan Marburger mengembangkan model kuantitatif.

Pendekatan teoretis alternatif termasuk teori fenomenologis kristalografi martensit (PTMC) dan model fase-lapangan yang lebih baru yang menggabungkan pertimbangan energi regangan elastis.

Dasar Ilmu Material

Efektivitas pengerasan quench secara langsung berkaitan dengan transformasi struktur kristal dari austenit FCC menjadi martensit BCT. Transformasi ini menciptakan antarmuka energi tinggi dan distorsi kisi yang signifikan yang memperkuat material.

Batas butir memainkan peran penting dalam pengerasan quench, karena mereka mempengaruhi stabilitas austenit dan lokasi nukleasi martensit. Ukuran butir austenit yang lebih halus umumnya menurunkan suhu Ms dan menghasilkan martensit yang lebih halus, meningkatkan kekerasan sambil meminimalkan risiko distorsi dan retak.

Proses ini menggambarkan prinsip dasar ilmu material bahwa mikrostruktur mengontrol sifat. Dengan memanipulasi laju pendinginan, metalurgis dapat mengontrol mikrostruktur yang dihasilkan dan dengan demikian menyesuaikan sifat mekanik untuk aplikasi tertentu.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Uji akhir Jominy memberikan metode standar untuk mengukur kemampuan pengerasan, dinyatakan sebagai:

$H_d = f(D, t, \lambda)$

Di mana $H_d$ adalah kekerasan pada jarak d dari ujung yang dikuench, $D$ adalah koefisien difusi karbon dalam austenit, $t$ adalah waktu pendinginan, dan $\lambda$ mewakili faktor komposisi paduan.

Formula Perhitungan Terkait

Laju pendinginan kritis (CCR) yang diperlukan untuk mencapai transformasi martensitik penuh dapat diperkirakan menggunakan:

$CCR = \frac{T_A - M_s}{t_c}$

Di mana $T_A$ adalah suhu austenitizing, $M_s$ adalah suhu awal martensit, dan $t_c$ adalah waktu kritis untuk menghindari pembentukan pearlite atau bainite.

Faktor keparahan quench Grossmann ($H$) mengukur efektivitas quenching:

$H = \frac{h}{2k}$

Di mana $h$ adalah koefisien transfer panas di antarmuka logam-quenching dan $k$ adalah konduktivitas termal baja.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk baja hipoeutektik dan eutektik dengan kandungan karbon antara 0,3% dan 0,8%. Untuk baja hipereutektik, penyesuaian diperlukan untuk memperhitungkan austenit yang tersisa.

Model-model ini mengasumsikan komposisi austenit yang seragam sebelum quenching dan mengabaikan efek segregasi atau pita. Mereka juga menganggap bahwa laju pendinginan melebihi laju pendinginan kritis di seluruh komponen.

Gradien suhu di bagian yang lebih besar dapat membatalkan model-model sederhana ini, memerlukan analisis elemen hingga untuk prediksi yang akurat dalam geometri yang kompleks.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM A255: Metode Uji Standar untuk Menentukan Kemampuan Pengerasan Baja
• ISO 642: Baja — Uji Kemampuan Pengerasan dengan Quenching Akhir (uji Jominy)
• SAE J406: Metode Menentukan Kemampuan Pengerasan Baja
• ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam

ASTM A255 dan ISO 642 merinci prosedur untuk uji akhir Jominy, sementara SAE J406 menyediakan metode penentuan kemampuan pengerasan yang spesifik untuk industri. ASTM E18 mencakup prosedur pengujian kekerasan yang berlaku untuk spesimen yang dikuench-hardened.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Penguji kekerasan (Rockwell, Vickers, atau Brinell) berfungsi sebagai alat pengukuran utama, mengukur ketahanan material terhadap penekanan. Instrumen ini menerapkan beban standar melalui indentor yang dikalibrasi dan mengukur dimensi impresi yang dihasilkan.

Mikroskop metalografi memungkinkan pemeriksaan mikrostruktur untuk memverifikasi transformasi martensitik. Ketika dipasangkan dengan teknik etsa seperti nital (2-5% asam nitrat dalam etanol), mereka mengungkapkan struktur martensit yang khas seperti jarum atau lath.

Karakterisasi lanjutan dapat menggunakan difraksi sinar-X (XRD) untuk mengukur austenit yang tersisa atau mikroskop elektron pemindaian (SEM) untuk memeriksa morfologi martensit yang halus.

Persyaratan Sampel

Spesimen uji Jominy standar memiliki diameter 25,4mm (1 inci) dan panjang 100mm (4 inci) dengan penyelesaian permukaan yang dimesin 0,8μm Ra atau lebih baik. Spesimen uji kekerasan Rockwell memerlukan permukaan datar dan paralel yang bebas dari skala atau dekarburisasi.

Persiapan permukaan biasanya melibatkan penggilingan untuk menghilangkan lapisan dekarburisasi, diikuti dengan pemolesan untuk mencapai penyelesaian permukaan yang diperlukan. Untuk pemeriksaan metalografi, spesimen harus dipoles hingga hasil akhir cermin dan di etsa dengan tepat.

Spesimen harus bebas dari pekerjaan dingin sebelumnya yang dapat mempengaruhi karakteristik transformasi dan harus mewakili komposisi material secara keseluruhan.

Parameter Uji

Peng