Penguatan Air: Proses Pendinginan Cepat untuk Kekerasan Baja Maksimum

Definisi dan Konsep Dasar

Pengerasan air mengacu pada proses perlakuan panas dalam pembuatan baja di mana baja yang dipanaskan didinginkan dengan cepat (dijemur) dalam air untuk meningkatkan kekerasan dan kekuatan. Proses ini mengubah mikrostruktur baja dengan mengubah austenit menjadi martensit, yang mengakibatkan peningkatan signifikan dalam kekerasan dan kekuatan dengan mengorbankan beberapa duktilitas.

Pengerasan air merupakan salah satu metode penjemuran tertua dan paling mendasar dalam praktik metalurgi. Laju pendinginan yang cepat yang dicapai melalui penjemuran air menciptakan larutan padat supersaturasi yang menjebak atom karbon dalam struktur kristal yang terdistorsi, mencegah pembentukan fase keseimbangan.

Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, pengerasan air termasuk dalam keluarga proses penjemuran yang mencakup penjemuran minyak, penjemuran polimer, dan pendinginan udara. Ini biasanya menghasilkan efek penjemuran yang paling parah, menghasilkan kekerasan maksimum tetapi juga memperkenalkan risiko tertinggi dari retak dan distorsi akibat kejutan termal.

Sifat Fisik dan Dasar Teoritis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pengerasan air bekerja dengan menekan transformasi austenit menjadi pearlit dan bainit yang dikendalikan oleh difusi. Pendinginan yang cepat menjebak atom karbon di posisi interstisial dalam kisi besi, memaksa struktur austenit kubik berpusat muka (FCC) untuk berubah menjadi struktur martensit tetragonal berpusat tubuh (BCT) yang sangat tertekan.

Transformasi martensitik ini terjadi melalui mekanisme jenis geser tanpa difusi. Atom karbon terjebak di situs interstisial oktahedral, mendistorsi kisi kristal dan menciptakan ketegangan internal yang signifikan. Distorsi ini menghambat pergerakan dislokasi, yang merupakan mekanisme utama untuk peningkatan dramatis dalam kekerasan.

Transformasi dimulai pada suhu awal martensit (Ms) dan berlanjut hingga suhu akhir martensit (Mf) tercapai atau hingga baja dipanaskan kembali. Ekspansi volume yang terkait dengan transformasi ini menciptakan stres internal yang dapat menyebabkan retak jika tidak dikendalikan dengan baik.

Model Teoritis

Persamaan Koistinen-Marburger mewakili model teoritis utama yang menggambarkan transformasi martensitik selama pengerasan air:

$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 air berkembang dari pengetahuan kerajinan empiris menjadi pemahaman ilmiah. Pandai besi kuno mengenali efek pengerasan dari penjemuran baja panas dalam air berabad-abad sebelum mekanisme yang mendasarinya dipahami. Pemahaman ilmiah berkembang pesat pada awal abad ke-20 dengan karya Bain dan Davenport, yang pertama kali mengidentifikasi martensit menggunakan difraksi sinar-X.

Pendekatan modern menggabungkan model komputasi yang memprediksi laju pendinginan, transformasi fase, dan distribusi stres yang dihasilkan. Diagram Waktu-Suhu-Transformasi (TTT) dan Transformasi Pendinginan Berkelanjutan (CCT) memberikan representasi grafis dari transformasi fase selama pendinginan.

Dasar Ilmu Material

Efektivitas pengerasan air secara langsung berkaitan dengan transformasi struktur kristal dari austenit menjadi martensit. Struktur martensit BCT mengandung distorsi kisi yang signifikan yang menghambat pergerakan dislokasi di sepanjang batas butir, secara dramatis meningkatkan kekerasan.

Batas butir memainkan peran penting dalam proses pengerasan air. Ukuran butir austenit yang lebih halus umumnya menghasilkan kekerasan yang lebih tinggi setelah penjemuran karena peningkatan area batas butir yang menghambat pergerakan dislokasi. Namun, mereka juga menyediakan lebih banyak situs nukleasi untuk pembentukan martensit, yang dapat mengurangi stres internal.

Pengerasan air mencerminkan prinsip dasar ilmu material bahwa pemrosesan menentukan struktur, dan struktur menentukan sifat. Dengan mengendalikan laju pendinginan melalui penjemuran air, metalurgis memanipulasi mikrostruktur untuk mencapai sifat mekanik yang diinginkan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Laju pendinginan selama pengerasan air dapat dinyatakan sebagai:

$\frac{dT}{dt} = h \cdot \frac{A}{V \cdot \rho \cdot c_p} \cdot (T - T_0)$

Di mana:
- $\frac{dT}{dt}$ adalah laju pendinginan (°C/s)
- $h$ adalah koefisien perpindahan panas (W/m²·K)
- $A$ adalah luas permukaan komponen (m²)
- $V$ adalah volume komponen (m³)
- $\rho$ adalah densitas baja (kg/m³)
- $c_p$ adalah kapasitas panas spesifik (J/kg·K)
- $T$ adalah suhu saat ini dari baja (°C)
- $T_0$ adalah suhu media penjemuran (°C)

Formula Perhitungan Terkait

Uji akhir Jominy mengaitkan kekerasan dengan laju pendinginan menggunakan:

$HRC = HRC_{max} - K \cdot \log(d)$

Di mana:
- $HRC$ adalah kekerasan Rockwell C pada jarak d dari ujung yang dijemur
- $HRC_{max}$ adalah kekerasan maksimum yang dicapai
- $K$ adalah konstanta spesifik material
- $d$ adalah jarak dari ujung yang dijemur (mm)

Faktor keparahan penjemuran Grossmann (H) mengukur intensitas penjemuran:

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

Di mana:
- $h$ adalah koefisien perpindahan panas (W/m²·K)
- $k$ adalah konduktivitas termal baja (W/m·K)

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk geometri sederhana dan mengasumsikan distribusi suhu yang seragam sebelum penjemuran. Geometri kompleks memerlukan analisis elemen hingga untuk prediksi yang akurat.

Model-model ini mengasumsikan suhu dan agitasi media penjemuran yang konsisten selama proses. Dalam praktiknya, pembentukan uap di permukaan baja menciptakan koefisien perpindahan panas yang bervariasi yang berubah selama penjemuran.

Perhitungan ini biasanya mengabaikan panas laten yang dilepaskan selama transformasi fase, yang dapat mempengaruhi laju pendinginan secara signifikan, terutama pada bagian yang lebih besar.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

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

ASTM A255 dan ISO 642 menstandarkan uji akhir Jominy, yang mengevaluasi hardenability baja dengan mengukur kekerasan sepanjang batang yang dijemur di satu ujung. ASTM E18 menyediakan metode standar untuk pengujian kekerasan setelah penjemuran.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

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

Mikroskop metalografi memungkinkan pemeriksaan mikrostruktur setelah pengerasan air. Kehadiran dan morfologi martensit, austenit yang terjaga, dan fase lainnya dapat diamati setelah etsa yang tepat.

Teknik karakterisasi lanjutan termasuk difraksi sinar-X (XRD) untuk identifikasi dan kuantifikasi fase, mikroskop elektron pemindaian (SEM) untuk analisis mikrostruktur resolusi tinggi, dan dilatometri