Temper: Proses Perlakuan Panas untuk Mengoptimalkan Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Temper mengacu pada pemanasan ulang yang terkontrol dari baja yang telah dikeraskan ke suhu di bawah titik kritisnya, diikuti dengan pendinginan yang terkontrol, untuk mencapai sifat mekanik tertentu. Proses perlakuan panas ini mengurangi kekerasan dan kerapuhan yang diberikan selama pendinginan cepat sambil meningkatkan ketangguhan dan keuletan ke tingkat yang diinginkan. Temper sangat penting untuk menyeimbangkan sifat mekanik dalam komponen baja, karena baja yang sepenuhnya dikeraskan biasanya terlalu rapuh untuk sebagian besar aplikasi praktis.

Dalam istilah metalurgi, tempering merupakan langkah kritis dalam urutan perlakuan panas secara keseluruhan yang mencakup austenitisasi, pendinginan cepat, dan tempering. Ini menempati posisi penting dalam metalurgi karena memungkinkan insinyur untuk menyempurnakan sifat mekanik baja, menciptakan material dengan kombinasi kekuatan, kekerasan, dan ketangguhan yang dioptimalkan untuk aplikasi tertentu.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, tempering melibatkan dekomposisi martensit, suatu larutan padat supersaturasi karbon dalam besi dengan struktur tetragonal berpusat badan. Selama tempering, atom karbon berdifusi keluar dari kisi martensit yang terdistorsi, membentuk presipitat karbida. Difusi ini mengurangi stres internal dan distorsi kisi dalam struktur martensit.

Proses ini terjadi dalam tahap-tahap yang berbeda seiring dengan peningkatan suhu: segregasi atom karbon ke cacat kisi (25-100°C), presipitasi karbida transisi (100-200°C), transformasi austenit yang terjaga (200-300°C), dan pembentukan serta pengasaran sementit (250-700°C). Perubahan mikrostruktur ini secara progresif memodifikasi sifat mekanik baja.

Model Teoretis

Parameter Hollomon-Jaffe (HJP) merupakan model teoretis utama yang digunakan untuk menggambarkan efek tempering, menghubungkan waktu dan suhu:

$P = T(C + \log t)$

Di mana T adalah suhu (K), t adalah waktu (jam), dan C adalah konstanta yang bergantung pada material (biasanya 20 untuk baja). Parameter ini memungkinkan prediksi kondisi tempering yang setara di berbagai kombinasi waktu-suhu.

Pemahaman sejarah tentang tempering berkembang dari pengetahuan kerajinan empiris menjadi pemahaman ilmiah pada awal abad ke-20. Pekerjaan awal oleh Bain dan Davenport pada tahun 1930-an menetapkan tahap dasar tempering melalui studi difraksi sinar-X.

Pendekatan modern mencakup model kinetik berdasarkan energi aktivasi untuk difusi karbon dan model kinetika presipitasi yang menggabungkan teori nukleasi dan pertumbuhan untuk pembentukan karbida.

Dasar Ilmu Material

Tempering secara langsung mempengaruhi struktur kristal dengan memungkinkan atom karbon berdifusi dari martensit supersaturasi untuk membentuk presipitat karbida. Ini mengurangi tetragonality dari kisi martensit, mendekati struktur kubik berpusat badan.

Batas butir berfungsi sebagai situs preferensial untuk presipitasi karbida selama tempering. Distribusi dan morfologi presipitat ini secara signifikan mempengaruhi sifat mekanik, dengan karbida yang halus dan terdistribusi merata umumnya memberikan ketangguhan yang optimal.

Proses ini mengikuti prinsip dasar ilmu material tentang difusi, presipitasi, dan transformasi fase. Gaya pendorong untuk transformasi ini adalah pengurangan energi bebas Gibbs saat struktur martensit metastabil bertransformasi menuju konfigurasi yang lebih stabil.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Parameter tempering Hollomon-Jaffe didefinisikan sebagai:

$P = T(C + \log t) \times 10^{-3}$

Di mana:
- $P$ = parameter tempering
- $T$ = suhu mutlak (K)
- $C$ = konstanta material (biasanya 15-20 untuk baja)
- $t$ = waktu (jam)

Formula Perhitungan Terkait

Hubungan antara kekerasan dan parameter tempering dapat dinyatakan sebagai:

$HRC = A - B \log(P)$

Di mana:
- $HRC$ = kekerasan dalam skala Rockwell C
- $A$ dan $B$ = konstanta spesifik material
- $P$ = parameter tempering

Untuk memperkirakan kekuatan tarik dari kekerasan setelah tempering:

$UTS (MPa) \approx 3.45 \times HV$

Di mana $HV$ adalah angka kekerasan Vickers.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini umumnya berlaku untuk baja paduan rendah dan baja karbon konvensional dengan kandungan karbon antara 0.3-0.6%. Parameter Hollomon-Jaffe menjadi kurang akurat untuk baja yang sangat paduan, terutama yang mengandung elemen pembentuk karbida yang kuat seperti vanadium atau molibdenum.

Model ini mengasumsikan mikrostruktur awal yang seragam (sepenuhnya martensitik) dan distribusi suhu yang homogen selama tempering. Penyimpangan signifikan terjadi ketika diterapkan pada struktur yang sebagian martensitik atau ketika tempering komponen yang sangat besar dengan gradien termal.

Hubungan ini juga mengasumsikan suhu tempering konvensional (150-650°C); mereka mungkin tidak secara akurat memprediksi sifat untuk proses tempering suhu sangat rendah atau tinggi.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM A1033: Praktik Standar untuk Pengukuran Kuantitatif dan Pelaporan Transformasi Fase Baja Karbon dan Paduan Rendah Hypoeutectoid
• ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam
• ASTM E92: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Vickers Material Logam
• ISO 6508: Material logam — Uji kekerasan Rockwell
• ISO 6507: Material logam — Uji kekerasan Vickers

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Penguji kekerasan (Rockwell, Vickers, Brinell) adalah peralatan utama untuk mengevaluasi efek tempering. Alat ini mengukur ketahanan material terhadap penekanan menggunakan indentor dan beban yang distandarisasi.

Mikroskop metalografi dengan kemampuan pencitraan digital memungkinkan pemeriksaan mikrostruktur yang telah di-temper. Prinsipnya melibatkan persiapan sampel melalui penggilingan, pemolesan, dan penggoresan untuk mengungkap fitur mikrostruktur.

Karakterisasi lanjutan menggunakan mikroskop elektron pemindaian (SEM) dengan spektroskopi sinar-X energi-disperif (EDS) untuk pencitraan resolusi tinggi dan analisis kimia presipitat karbida.

Persyaratan Sampel

Sampel uji kekerasan standar memerlukan permukaan datar dan paralel dengan ketebalan minimum 10 kali kedalaman penekanan. Finishing permukaan harus 0.8μm Ra atau lebih baik untuk hasil yang akurat.

Sampel metalografi memerlukan persiapan yang hati-hati termasuk pemotongan, pemasangan, penggilingan (120-1200 grit), pemolesan (finishing 1μm), dan penggoresan kimia (biasanya larutan nital 2-5%).

Sampel harus representatif dari komponen yang dievaluasi, mempertimbangkan variasi potensial dalam laju pendinginan selama pendinginan cepat dan gradien termal selama tempering.

Parameter Uji

Pengujian standar dilakukan pada suhu ruangan (23±5°C) dengan kelembapan relatif di bawah 70%. Untuk pengujian suhu tinggi, peralatan khusus yang mempertahankan akurasi ±3°C diperlukan.

Pengujian kekerasan menggunakan beban yang distandarisasi (misalnya, 150kgf untuk Rockwell C) dengan waktu tunda yang ditentukan (10-15 detik) dan laju pemuatan yang terkontrol.

Pengujian dampak untuk baja yang telah di-temper biasanya menggunakan spesimen Charpy V-notch standar yang diuji di seluruh rentang suhu untuk menentukan suhu transisi.

Pengolahan Data