Stres Pendinginan pada Baja: Pembentukan Mikrostruktur & Dampaknya terhadap Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Stres pendinginan dalam baja mengacu pada stres residu internal yang dihasilkan selama proses pendinginan setelah perlakuan termal seperti pendinginan cepat, annealing, atau pengerjaan panas. Stres ini muncul akibat gradien suhu yang tidak merata dan kontraksi diferensial dalam mikrostruktur saat baja mendingin dari suhu tinggi ke suhu lingkungan.

Di tingkat atom dan kristalografi, stres pendinginan berasal dari ekspansi dan kontraksi termal anisotropik dari berbagai fase atau konstituen mikrostruktur. Variasi dalam parameter kisi, transformasi fase, dan heterogenitas mikrostruktur menyebabkan regangan lokal. Regangan ini, ketika dibatasi oleh material di sekitarnya atau fitur mikrostruktur, menghasilkan stres internal.

Dalam konteks metalurgi baja dan ilmu material, stres pendinginan sangat signifikan karena mempengaruhi perkembangan fitur mikrostruktur, distribusi stres residu, dan pada akhirnya sifat mekanik seperti kekuatan, ketangguhan, dan umur lelah. Pemahaman dan pengendalian yang tepat terhadap stres ini sangat penting untuk memastikan integritas struktural dan kinerja komponen baja.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Stres pendinginan terkait erat dengan fitur kristalografi dari mikrostruktur baja. Baja terutama terdiri dari ferit kubik pusat badan (BCC) (α-Fe) dan austenit kubik pusat wajah (FCC) (γ-Fe), bersama dengan berbagai karbida dan fase paduan lainnya.

Selama pendinginan, transformasi fase melibatkan perubahan dalam struktur dan parameter kisi. Misalnya, austenit (FCC) dengan parameter kisi sekitar 0,36 nm berubah menjadi ferit (BCC) dengan parameter kisi yang berbeda (~0,286 nm). Transformasi ini melibatkan perubahan volume dan distorsi kisi, yang menginduksi regangan internal.

Orientasi kristalografi juga mempengaruhi perkembangan stres. Misalnya, hubungan orientasi antara fase induk dan fase yang ditransformasikan, seperti hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, menentukan bagaimana regangan diakomodasi pada tingkat atom. Koefisien ekspansi termal anisotropik sepanjang arah kristalografi yang berbeda berkontribusi pada kontraksi diferensial, yang mengarah pada stres lokal.

Fitur Morfologis

Fitur mikrostruktur yang terkait dengan stres pendinginan termasuk batas butir, antarmuka fase, dan heterogenitas mikrostruktur seperti inklusi atau presipitasi. Fitur-fitur ini mempengaruhi bagaimana regangan internal didistribusikan dan diringankan.

Ukuran konstituen mikrostruktur bervariasi secara luas—dari karbida skala nanometer hingga butir berukuran mikrometer. Misalnya, lath martensitik biasanya memiliki lebar antara 0,2 hingga 2 mikrometer, dengan morfologinya mempengaruhi distribusi stres.

Bentuk dan distribusi sangat penting; fase yang memanjang atau berbentuk pelat, seperti sheaves bainitik atau lath martensitik, dapat menghasilkan medan stres anisotropik. Fitur-fitur ini sering muncul sebagai zona kontras yang berbeda di bawah mikroskop, dengan stres residu muncul sebagai distorsi atau dislokasi di dekat antarmuka.

Sifat Fisik

Stres pendinginan mempengaruhi beberapa sifat fisik baja. Stres residu dapat sedikit mengubah densitas karena distorsi kisi, meskipun efeknya minimal. Mereka juga dapat mempengaruhi konduktivitas listrik, karena kepadatan dislokasi meningkat di daerah yang tertekan.

Sifat magnetik terpengaruh karena stres internal mempengaruhi struktur domain magnetik, terutama pada baja ferromagnetik. Konduktivitas termal mungkin terpengaruh secara lokal karena heterogenitas mikrostruktur dan cacat yang diinduksi oleh stres.

Jika dibandingkan dengan mikrostruktur yang tidak tertekan, baja dengan stres pendinginan yang signifikan sering menunjukkan peningkatan kepadatan dislokasi, bidang regangan residu, dan distorsi mikrostruktur, yang dapat dideteksi melalui berbagai teknik karakterisasi.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Asal usul termodinamika dari stres pendinginan terletak pada perbedaan energi bebas yang terkait dengan transformasi fase dan kontraksi termal. Saat baja mendingin, sistem berusaha meminimalkan energi bebas dengan mengubah fase atau meredakan regangan.

Perubahan volume selama transformasi fase, seperti dari austenit ke martensit atau bainit, melibatkan perubahan energi bebas volumetrik yang menghasilkan regangan internal. Regangan ini dibatasi oleh fase tetangga atau matriks di sekitarnya, yang mengarah pada stres residu.

Diagram fase, seperti diagram fase Fe-C, menggambarkan daerah stabilitas berbagai fase pada suhu yang berbeda. Menyebrang batas fase selama pendinginan memicu transformasi yang melibatkan distorsi kisi dan perubahan volume, yang berkontribusi pada perkembangan stres internal.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan stres pendinginan tergantung pada laju nukleasi dan pertumbuhan fase, serta laju perubahan suhu. Pendinginan cepat, seperti pendinginan cepat, menekan transformasi kesetimbangan, yang mengarah pada regangan internal yang tinggi akibat perkembangan fase yang tidak merata.

Nukleasi martensit terjadi hampir seketika setelah mencapai suhu awal martensit (Ms), dengan pertumbuhan yang didorong oleh transformasi geser. Pembentukan martensit yang cepat melibatkan distorsi kisi yang signifikan (~0,2% ekspansi volume), yang menginduksi stres residu yang tinggi.

Kinetika pertumbuhan dikendalikan oleh laju difusi, mobilitas antarmuka, dan gradien suhu. Pendinginan lambat memungkinkan relaksasi stres melalui deformasi plastis atau penyesuaian fase, sedangkan pendinginan cepat menjebak stres dalam mikrostruktur.

Langkah-langkah yang mengendalikan laju termasuk difusi atom, pergerakan dislokasi, dan migrasi batas fase. Energi aktivasi yang terkait dengan proses ini mempengaruhi besaran dan distribusi stres pendinginan.

Faktor yang Mempengaruhi

Komposisi paduan sangat mempengaruhi perkembangan stres pendinginan. Unsur-unsur seperti karbon, mangan, dan tambahan paduan mempengaruhi suhu transformasi fase dan besaran perubahan volume.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, gradien suhu, dan waktu penahanan sangat penting. Misalnya, pendinginan cepat dari suhu tinggi menginduksi gradien termal yang tinggi, meningkatkan besaran stres.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir austenit sebelumnya atau deformasi sebelumnya, mempengaruhi bagaimana stres berkembang dan diringankan. Mikrostruktur yang halus cenderung mendistribusikan stres lebih merata, mengurangi konsentrasi lokal.

Faktor lain termasuk keberadaan porositas residu, inklusi, dan elemen mikro paduan, yang dapat bertindak sebagai konsentrator stres atau memfasilitasi relaksasi stres.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Besaran stres pendinginan residu (σ) dapat diperkirakan menggunakan teori elastis:

$$\sigma = E \times \varepsilon $$

di mana:

• $E$ adalah modulus elastis dari fase atau mikrostruktur,

• ( (\varepsilon) ) adalah regangan yang diinduksi oleh kontraksi termal atau transformasi fase.

Regangan termal ( \varepsilon_{th} ) akibat perubahan suhu ( \Delta T ) adalah:

$$\varepsilon_{th} = \alpha \times \Delta T $$

di mana:

• ( \alpha ) adalah koefisien ekspansi termal, yang bervariasi dengan fase dan suhu.

Ketika batasan mencegah kontraksi bebas, stres internal berkembang sebagai:

$$\sigma = E \times \alpha \times \Delta T $$

Untuk regangan yang diinduksi oleh transformasi fase, regangan transformasi ( \varepsilon_{trans} ) dipertimbangkan:

$$\sigma_{trans} = E \times \varepsilon_{trans} $$

Persamaan ini diterapkan dalam model elemen hingga untuk memperkirakan distribusi stres residu dalam mikrostruktur yang kompleks.

Model Prediktif

Model komputasi, seperti analisis elemen hingga (FEA), mensimulasikan gradien termal dan kinetika transformasi fase untuk memprediksi stres residu. Model bidang fase menggabungkan parameter termodinamika dan kinetik untuk mensimulasikan evolusi mikrostruktur dan