Tempering: Proses Perlakuan Panas Kritis untuk Mengoptimalkan Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Tempering adalah proses perlakuan panas yang diterapkan pada baja yang telah dikeraskan atau paduan ferrous lainnya untuk mencapai sifat mekanik tertentu dengan mengurangi kerapuhan sambil mempertahankan kekerasan dan kekuatan yang memadai. Proses ini melibatkan pemanasan baja yang sebelumnya telah dikuenching atau dinormalisasi ke suhu di bawah suhu kritis bawahnya (A1), menahan pada suhu tersebut selama waktu tertentu, dan kemudian mendinginkan dengan laju yang sesuai.

Proses ini merupakan langkah penting dalam perlakuan panas secara keseluruhan pada baja, memungkinkan metalurgis untuk menyeimbangkan kekerasan dengan ketangguhan dengan meredakan stres internal dan memodifikasi mikrostruktur. Tempering mengubah struktur martensit metastabil yang terbentuk selama proses quenching menjadi fase yang lebih stabil, menghasilkan material dengan sifat mekanik yang dioptimalkan.

Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, tempering mencerminkan prinsip dasar bahwa sifat material dapat direkayasa melalui pemrosesan termal yang terkontrol. Ini merupakan salah satu perlakuan panas sekunder yang paling penting, memungkinkan baja untuk memenuhi berbagai persyaratan kinerja di berbagai aplikasi industri.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, tempering melibatkan dekomposisi martensit, yaitu larutan padat supersaturasi karbon dalam besi dengan struktur kristal tetragonal berpusat badan (BCT). Selama proses tempering, atom karbon difusi keluar dari kisi martensit yang terdistorsi, mengurangi regangan internal.

Proses difusi ini menyebabkan pembentukan presipitat karbida dan transformasi struktur BCT menuju struktur kubik berpusat badan (BCC) yang lebih stabil. Mikrostruktur yang dihasilkan terdiri dari martensit yang telah di-temper—dispersi halus partikel karbida dalam matriks ferit—yang menunjukkan ketangguhan yang lebih baik dibandingkan martensit yang tidak di-temper.

Kecepatan dan tingkat transformasi ini tergantung terutama pada suhu dan waktu tempering, mengikuti kinetika yang dikendalikan oleh difusi. Suhu yang lebih tinggi mempercepat difusi karbon dan transformasi fase, menghasilkan efek pelunakan yang lebih nyata.

Model Teoretis

Parameter Hollomon-Jaffe (HJP) merupakan model teoretis utama untuk menggambarkan perilaku tempering, dinyatakan sebagai:

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

Di mana T adalah suhu absolut, t adalah waktu dalam 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 historis tentang tempering berkembang dari pengamatan empiris dalam pengolahan logam kuno hingga penyelidikan ilmiah pada awal abad ke-20. Kemajuan signifikan terjadi dengan pengembangan teknik difraksi sinar-X dan mikroskopi elektron, yang mengungkapkan perubahan struktural yang terjadi selama proses tempering.

Pendekatan modern mencakup model komputasi yang didasarkan pada prinsip termodinamika dan kinetika, memungkinkan prediksi yang lebih tepat tentang evolusi mikrostruktur selama siklus perlakuan panas yang kompleks.

Dasar Ilmu Material

Tempering secara langsung mempengaruhi struktur kristal baja dengan mempromosikan transisi dari martensit BCT menuju ferrit BCC sambil memfasilitasi presipitasi karbida. Perubahan ini mengurangi distorsi kisi dan stres internal pada dislokasi dan batas butir.

Mikrostruktur yang dihasilkan memiliki matriks martensit karbon rendah atau ferrit dengan partikel karbida yang terdispersi halus. Ukuran, distribusi, dan jenis karbida ini (misalnya, epsilon-karbida, semenit) tergantung pada kondisi tempering dan komposisi baja.

Proses ini mencerminkan prinsip dasar ilmu material termasuk transformasi fase, kinetika difusi, dan hubungan struktur-sifat. Dekomposisi martensit yang terkontrol menunjukkan bagaimana fase metastabil dapat dimanipulasi untuk mencapai sifat material yang diinginkan melalui aktivasi termal dari proses difusi.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Parameter tempering Hollomon-Jaffe menyediakan kerangka matematis untuk tempering:

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

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

Parameter ini memungkinkan perhitungan kondisi tempering yang setara, memungkinkan prediksi sifat mekanik yang serupa dari berbagai kombinasi waktu-suhu.

Formula Perhitungan Terkait

Parameter Larson-Miller, yang sering digunakan untuk perhitungan tempering dan creep:

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

Di mana variabel mewakili kuantitas yang sama seperti dalam parameter Hollomon-Jaffe.

Pengurangan kekerasan selama tempering dapat diperkirakan dengan:

$HRC_t = HRC_0 - K \log t \cdot \exp\left(\frac{-Q}{RT}\right)$

Di mana:
- $HRC_t$ = kekerasan setelah tempering
- $HRC_0$ = kekerasan awal
- $K$ = konstanta material
- $Q$ = energi aktivasi
- $R$ = konstanta gas
- $T$ = suhu absolut

Formula ini membantu insinyur memprediksi perubahan kekerasan dan merancang siklus tempering yang sesuai untuk aplikasi tertentu.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model ini umumnya berlaku untuk suhu tempering konvensional (150-650°C) dan waktu (0.5-24 jam) untuk baja karbon dan baja paduan rendah. Mereka menjadi kurang akurat untuk waktu tempering yang sangat singkat (<30 menit) atau untuk baja paduan tinggi dengan urutan pembentukan karbida yang kompleks.

Parameter Hollomon-Jaffe mengasumsikan bahwa tempering mengikuti kinetika tipe Arrhenius dengan satu energi aktivasi, yang mungkin tidak berlaku di semua rentang suhu. Beberapa tahap tempering dengan energi aktivasi yang berbeda dapat terjadi, terutama pada baja paduan tinggi.

Model ini juga mengasumsikan mikrostruktur awal yang seragam dan mengabaikan efek ukuran butir austenit sebelumnya, keparahan quenching, dan kandungan austenit yang tertinggal, yang dapat mempengaruhi respons tempering secara signifikan.

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 E384: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Mikroindentasi Material
• ISO 6508: Material logam — Uji kekerasan Rockwell
• ISO 6507: Material logam — Uji kekerasan Vickers

Standar ini menyediakan prosedur untuk mengevaluasi kekerasan dan perubahan mikrostruktur yang dihasilkan dari perlakuan tempering.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Penguji kekerasan (Rockwell, Vickers, Brinell) adalah peralatan utama yang digunakan untuk mengukur efek tempering. Perangkat ini menerapkan beban terkontrol pada indentor dengan geometri tertentu, mengukur indentasi yang dihasilkan untuk menentukan kekerasan material.

Mikroskopi optik dan mikroskopi elektron pemindaian (SEM) memungkinkan pengamatan langsung terhadap perubahan mikrostruktur. Teknik ini bergantung pada pengembangan kontras melalui etsa untuk mengungkap distribusi fase dan morfologi.

Karakterisasi lanjutan menggunakan difraksi sinar-X (XRD) untuk mengukur parameter kisi dan stres residu, serta mikroskopi elektron transmisi (TEM) untuk memeriksa presipitat karbida halus dan struktur dislokasi.

Persyaratan Sampel

Spesimen metalografi standar biasanya memiliki diameter atau dimensi persegi 10-30 mm dengan ketebalan minimum 5 mm. Permukaan harus digiling dan dipoles hingga hasil akhir c