Penguatan Sekunder: Mekanisme Kunci untuk Baja Alat Berperforma Tinggi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Definisi dan Konsep Dasar
Pengerasan sekunder adalah fenomena metalurgi di mana baja paduan tertentu mengalami peningkatan kekerasan kedua selama pemanasan pada suhu tinggi (biasanya 500-600°C), setelah pengerasan awal yang dicapai melalui pendinginan cepat. Proses ini terjadi terutama pada baja yang mengandung elemen pembentuk karbida yang kuat seperti kromium, molibdenum, vanadium, dan tungsten.
Konsep dasar melibatkan pengendapan karbida paduan halus yang menggantikan karbida transisi dan semenit yang terbentuk selama tahap pemanasan awal. Karbida paduan ini memberikan hambatan yang efektif terhadap pergerakan dislokasi, sehingga meningkatkan kekuatan dan kekerasan material melebihi apa yang biasanya diharapkan selama pemanasan konvensional.
Pengerasan sekunder merupakan aspek kritis dari rekayasa metalurgi, terutama dalam pengembangan baja alat berkinerja tinggi dan paduan tahan panas. Ini menunjukkan interaksi kompleks antara komposisi, mikrostruktur, dan pemrosesan termal yang mendefinisikan metalurgi baja modern.
Sifat Fisik dan Dasar Teoretis
Mekanisme Fisik
Di tingkat mikrostruktur, pengerasan sekunder dihasilkan dari pengendapan karbida paduan yang sangat halus, koheren atau semi-koheren dalam matriks martensit yang dipanaskan. Karbida ini biasanya berukuran 5-10 nanometer dalam diameter dan terbentuk ketika elemen pembentuk karbida yang kuat (V, Mo, Cr, W) bergabung dengan karbon pada suhu tinggi tertentu.
Proses dimulai dengan pelarutan karbida epsilon dan semenit (Fe₃C) yang terbentuk selama tahap pemanasan sebelumnya. Saat pemanasan berlanjut pada suhu yang lebih tinggi, elemen paduan, yang awalnya berada dalam larutan padat jenuh di dalam martensit, difusi dan bergabung dengan karbon untuk membentuk karbida kompleks tipe MC, M₂C, M₇C₃, atau M₂₃C₆ (di mana M mewakili atom logam).
Presipitasi nanoscale ini menciptakan regangan koherensi di matriks sekitarnya dan secara efektif menghambat pergerakan dislokasi melalui penguatan dispersi dan mekanisme pengerasan presipitasi, yang menghasilkan peningkatan kekerasan yang khas.
Model Teoretis
Parameter Hollomon-Jaffe (HJP) memberikan kerangka teoretis utama untuk memahami fenomena pemanasan termasuk pengerasan sekunder. Parameter ini dinyatakan sebagai:
$P = T(C + \log t)$
Di mana T adalah suhu mutlak, t adalah waktu dalam jam, dan C adalah konstanta yang bergantung pada material (biasanya 20 untuk baja).
Pemahaman tentang pengerasan sekunder berkembang secara signifikan melalui karya Bain dan Davenport pada tahun 1930-an, yang pertama kali mendokumentasikan fenomena ini pada baja molibdenum. Kemudian, penelitian Geller pada tahun 1950-an menetapkan model komprehensif untuk urutan presipitasi karbida.
Pendekatan modern menggabungkan pemodelan termodinamika menggunakan alat komputasi seperti CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams) untuk memprediksi stabilitas karbida dan kinetika presipitasi. Model-model ini dilengkapi dengan teori nukleasi dan pertumbuhan yang menggambarkan evolusi ukuran dan distribusi karbida selama pemanasan.
Dasar Ilmu Material
Pengerasan sekunder sangat terkait dengan struktur kristal tetragonal berpusat tubuh (BCT) dari martensit, yang berubah menjadi struktur kubik berpusat tubuh (BCC) selama pemanasan. Jaringan yang terdistorsi dari martensit menyediakan banyak situs nukleasi untuk presipitasi karbida.
Fenomena ini sangat bergantung pada karakteristik batas butir, karena antarmuka ini berfungsi sebagai situs nukleasi preferensial untuk karbida yang lebih besar. Namun, pengerasan sekunder yang paling efektif terjadi melalui presipitasi seragam karbida halus di dalam matriks daripada di batas butir.
Prinsip difusi keadaan padat mengatur proses ini, dengan difusi substitusi elemen paduan menjadi langkah yang membatasi laju. Koherensi antara karbida yang terpresipitasi dan matriks, morfologi karbida, dan distribusi spasial mereka secara kolektif menentukan besarnya efek pengerasan sesuai dengan mekanisme penguatan Orowan.
Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan
Formula Definisi Dasar
Efek pengerasan sekunder dapat diukur menggunakan persamaan diferensial kekerasan:
$\Delta H = H_s - H_m$
Di mana $\Delta H$ adalah peningkatan pengerasan sekunder, $H_s$ adalah kekerasan puncak yang dicapai selama pengerasan sekunder, dan $H_m$ adalah kekerasan minimum yang diamati sebelum pengerasan sekunder dimulai.
Formula Perhitungan Terkait
Kinetika pengerasan sekunder mengikuti persamaan Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK):
$f = 1 - \exp(-kt^n)$
Di mana $f$ adalah fraksi yang tertransformasi, $k$ adalah konstanta laju yang bergantung pada suhu, $t$ adalah waktu, dan $n$ adalah eksponen Avrami yang mencerminkan mekanisme nukleasi dan pertumbuhan.
Kontribusi penguatan presipitasi dapat diperkirakan menggunakan persamaan Orowan:
$\Delta\tau = \frac{Gb}{L}$
Di mana $\Delta\tau$ adalah peningkatan kekuatan luluh, $G$ adalah modulus geser, $b$ adalah vektor Burgers, dan $L$ adalah jarak rata-rata antara presipitat.
Formula-formula ini diterapkan untuk memprediksi evolusi kekerasan selama siklus pemanasan dan untuk mengoptimalkan parameter perlakuan panas untuk komposisi paduan tertentu.
Kondisi dan Batasan yang Berlaku
Model matematis ini berlaku terutama untuk baja yang mengandung jumlah elemen pembentuk karbida yang kuat yang cukup (biasanya >0,5 wt% secara gabungan). Formula ini mengasumsikan distribusi seragam elemen paduan dan karbon dalam struktur martensitik awal.
Model-model ini memiliki batasan suhu, umumnya berlaku antara 500-650°C, karena mekanisme pembentukan karbida yang berbeda mendominasi di luar rentang ini. Pada suhu yang lebih tinggi, pengasahan karbida yang cepat menyebabkan pelunakan yang mengalahkan efek pengerasan.
Formula ini mengasumsikan kondisi pemanasan isotermal dan mungkin memerlukan modifikasi untuk skenario pemanasan atau pendinginan kontinu. Selain itu, mereka tidak memperhitungkan efek ukuran butir austenit sebelumnya atau transformasi austenit yang tertahan selama pemanasan.
Metode Pengukuran dan Karakterisasi
Spesifikasi Pengujian Standar
- ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam
- ASTM E92: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Vickers Material Logam
- ASTM E384: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Mikro Material
- ISO 6508: Material logam - Uji kekerasan Rockwell
- ISO 6507: Material logam - Uji kekerasan Vickers
ASTM E18 dan ISO 6508 mencakup metode pengujian makro-kekerasan yang cocok untuk pengukuran kekerasan massal. ASTM E92, E384, dan ISO 6507 membahas pengujian mikro-kekerasan yang sesuai untuk pengukuran lokal dan spesimen tipis.
Peralatan dan Prinsip Pengujian
Penguji kekerasan Rockwell (biasanya menggunakan skala C) umum digunakan untuk mengukur efek pengerasan sekunder pada baja alat. Instrumen ini menerapkan beban yang telah ditentukan melalui penunjuk kerucut berlian dan mengukur kedalaman penetrasi.
Penguji mikro-kekerasan Vickers dan Knoop menggunakan penunjuk piramida berlian untuk membuat lekukan mikroskopis di bawah beban yang dikendalikan dengan tepat. Diagonal lekukan yang dihasilkan diukur secara optik untuk menghitung nilai kekerasan.
Karakterisasi lanjutan menggunakan mikroskop elektron transmisi (TEM) untuk mengamati secara langsung presipitasi karbida, ukuran, dan distribusi. Tomografi probe atom (APT