Annealing Subkritikal: Proses Kunci untuk Penyempurnaan Mikrostuktur Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Pemanasan subkritikal adalah proses perlakuan panas yang dilakukan di bawah suhu transformasi kritis (A1) baja, biasanya antara 650-700°C, untuk mengurangi stres internal tanpa menyebabkan transformasi fase dalam mikrostruktur. Proses ini mengurangi stres sisa, meningkatkan kemampuan mesin, dan meningkatkan stabilitas dimensi sambil mempertahankan distribusi fase yang ada.

Pemanasan subkritikal menempati posisi penting di antara spektrum perlakuan panas, memberikan pengurangan stres tanpa rekristalisasi penuh dan transformasi fase yang terjadi dalam proses pemanasan penuh. Ini berfungsi sebagai perlakuan kompromi ketika reset mikrostruktur lengkap tidak diinginkan tetapi pengurangan stres diperlukan.

Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, pemanasan subkritikal mewakili pendekatan terkontrol untuk memodifikasi sifat material melalui pemrosesan termal tanpa melampaui ambang transformasi. Ini menunjukkan bagaimana kontrol suhu yang tepat dalam perlakuan panas dapat menargetkan perbaikan sifat tertentu sambil mempertahankan fitur mikrostruktur yang diinginkan.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pemanasan subkritikal memfasilitasi difusi atom dalam fase yang ada tanpa memicu transformasi fase. Suhu yang lebih tinggi meningkatkan mobilitas atom, memungkinkan dislokasi untuk menyusun ulang dan sebagian menghilang melalui proses pemulihan.

Mekanisme ini terutama melibatkan pengurangan kerapatan dislokasi melalui proses pendakian dan slip silang. Atom karbon dan elemen interstitial lainnya mendapatkan mobilitas terbatas, memungkinkan mereka untuk mendistribusikan lebih merata dalam struktur kisi, mengurangi medan regangan lokal.

Stres sisa, yang ada sebagai energi regangan elastis yang tersimpan dalam kisi, secara bertahap menghilang saat atom berpindah ke konfigurasi energi yang lebih rendah. Ini terjadi melalui proses difusi jarak pendek daripada difusi jarak jauh yang khas dari perlakuan suhu tinggi.

Model Teoretis

Kerangka teoretis utama untuk pemanasan subkritikal didasarkan pada model kinetika pemulihan, khususnya persamaan Zener-Wert-Avrami, yang menggambarkan hubungan waktu-suhu untuk proses pengurangan stres. Model ini memperhitungkan sifat termal yang diaktifkan dari gerakan dan penghilangan dislokasi.

Secara historis, pemahaman tentang pemanasan subkritikal berkembang dari pengamatan empiris pada awal abad ke-20 hingga model yang lebih canggih pada tahun 1950-an. Peneliti seperti Zener dan Hollomon membangun dasar teoretis dengan menghubungkan pengurangan stres dengan teori dislokasi dan kinetika difusi.

Pendekatan alternatif termasuk model gesekan internal yang melacak perubahan kapasitas redaman selama pemanasan, dan pendekatan komputasi terbaru menggunakan dinamika molekuler untuk mensimulasikan gerakan atom selama proses pemulihan. Model-model ini berbeda terutama dalam perlakuan heterogenitas mikrostruktur dan aplikabilitas mereka di berbagai skala waktu.

Dasar Ilmu Material

Dalam struktur kristal baja, pemanasan subkritikal terutama mempengaruhi fase ferit (struktur kubus berpusat badan), memungkinkan dislokasi untuk menyusun ulang tanpa mengubah distribusi fase. Di batas butir, proses difusi terbatas dapat mengurangi segregasi dan konsentrasi stres lokal.

Mikrostruktur mempertahankan karakter dasarnya selama pemanasan subkritikal, dengan fase tetap tidak berubah tetapi mengalami penyempurnaan halus dalam substruktur dislokasi. Partikel karbida mungkin mengalami pembesaran terbatas tetapi tetap pada pola distribusi aslinya.

Proses ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material tentang pemulihan, yang mendahului rekristalisasi dalam hierarki proses restorasi. Ini menunjukkan bagaimana energi termal di bawah ambang transformasi masih dapat mendorong perubahan sifat yang signifikan melalui modifikasi struktur cacat.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Pengurangan stres selama pemanasan subkritikal mengikuti hubungan peluruhan eksponensial:

$$\sigma_r = \sigma_i \cdot e^{-kt}$$

Di mana $\sigma_r$ adalah stres sisa setelah pemanasan, $\sigma_i$ adalah stres sisa awal, $k$ adalah konstanta laju yang bergantung pada suhu, dan $t$ adalah waktu pemanasan.

Formula Perhitungan Terkait

Ketergantungan suhu dari konstanta laju mengikuti hubungan Arrhenius:

$$k = A \cdot e^{-\frac{Q}{RT}}$$

Di mana $A$ adalah faktor frekuensi, $Q$ adalah energi aktivasi untuk mekanisme pengurangan stres, $R$ adalah konstanta gas, dan $T$ adalah suhu mutlak.

Fraksi pengurangan stres yang dicapai dapat dihitung menggunakan:

$$X = 1 - e^{-(kt)^n}$$

Di mana $X$ adalah fraksi stres yang dikurangi, $k$ adalah konstanta laju, $t$ adalah waktu, dan $n$ adalah eksponen Avrami yang bergantung pada mekanisme pengurangan stres.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini hanya berlaku di bawah suhu kritis A1 (biasanya 723°C untuk baja karbon biasa) di mana tidak terjadi transformasi fase. Di atas suhu ini, kinetika yang berbeda berlaku karena mekanisme rekristalisasi dan transformasi fase mendominasi.

Model-model ini mengasumsikan distribusi suhu yang seragam di seluruh benda kerja, yang mungkin tidak valid untuk penampang besar atau siklus pemanasan yang cepat. Gradien suhu dapat menyebabkan pengurangan stres yang tidak seragam.

Persamaan ini juga mengasumsikan bahwa deformasi sebelumnya relatif seragam dan bahwa tidak ada presipitasi signifikan atau perubahan mikrostruktur lainnya yang terjadi selama proses pemanasan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E837: Metode Uji Standar untuk Menentukan Stres Sisa dengan Metode Lubang-Penggerindaan, yang mengkuantifikasi efektivitas perlakuan pengurangan stres.

ISO 6892-1: Material Logam - Pengujian Tarik, digunakan untuk mengevaluasi perubahan dalam sifat mekanik sebelum dan setelah pemanasan subkritikal.

ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam, umum digunakan untuk melacak perubahan kekerasan yang dihasilkan dari proses pemanasan.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Peralatan difraksi sinar-X mengukur regangan kisi melalui pergeseran puncak, memberikan penilaian kuantitatif tingkat stres sisa sebelum dan setelah pemanasan.

Pengukur kekerasan (Rockwell, Vickers, Brinell) mengukur ketahanan terhadap penekanan, yang berkorelasi dengan derajat pemulihan yang dicapai selama pemanasan subkritikal.

Mikroskop elektron, khususnya mikroskop elektron transmisi (TEM), memungkinkan pengamatan langsung struktur dislokasi dan penyusunannya setelah proses pemanasan.

Persyaratan Sampel

Sampel tarik standar mengikuti spesifikasi ASTM E8/E8M, biasanya dengan panjang gauge 50mm dan area penampang yang sesuai dengan kekuatan material.

Persiapan permukaan memerlukan penghilangan lapisan dekaburisasi, biasanya melalui penggilingan dan pemolesan hingga hasil akhir 600-grit untuk pengujian kekerasan atau 1200-grit untuk pengukuran stres sisa.

Sampel harus representatif dari material bulk, dengan mempertimbangkan orientasi relatif terhadap arah kerja dan posisi dalam benda kerja asli.

Parameter Uji

Pengujian biasanya dilakukan pada suhu ruangan (20-25°C) di bawah kondisi kelembaban terkontrol untuk memastikan reproduktifitas pengukuran sifat mekanik.

Kecepatan pemuatan untuk pengujian tarik harus mengikuti spesifikasi standar, biasanya 0.5-5 mm/menit tergantung pada dimensi sampel.

Untuk pengukuran stres sisa, kecepatan pengeboran bertahap yang terkontrol dan kedalaman sangat penting, biasanya 0.1-0.2 mm bertahap pada 1000-2000 RPM dengan alat karbida.

Pengolahan Data

Data mentah dari gauge regangan atau pola difraksi dikonversi menjadi nilai stres menggunakan konstanta elastis yang spesifik untuk material yang diuji.

Analisis statistik biasanya mencakup perhitungan nilai rata-rata dan deviasi