Hardenability: Kunci untuk Kinerja Baja yang Dapat Diprediksi dalam Perlakuan Panas

Definisi dan Konsep Dasar

Kemampuan pengerasan adalah kapasitas baja atau paduan ferrous untuk membentuk martensit ketika didinginkan dari suhu austenitizing-nya. Ini secara khusus merujuk pada kedalaman dan distribusi di mana suatu material dapat dipengeraskan melalui pembentukan martensit saat pendinginan, daripada kekerasan maksimum yang dapat dicapai.

Kemampuan pengerasan mewakili sifat material yang kritis dalam operasi perlakuan panas, menentukan seberapa dalam komponen baja dapat dipengeraskan di seluruh penampangnya. Sifat ini secara fundamental mempengaruhi pemilihan kelas baja yang tepat untuk aplikasi tertentu di mana pengerasan menyeluruh atau pola pengerasan yang terkontrol diperlukan.

Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, kemampuan pengerasan berfungsi sebagai jembatan antara komposisi paduan, parameter pemrosesan, dan sifat mekanik akhir. Ini membedakan dirinya dari kekerasan, yang mengukur ketahanan terhadap penekanan, dengan mengukur respons material terhadap pemrosesan termal di seluruh profil dimensinya.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, kemampuan pengerasan tergantung pada kemampuan baja untuk menekan transformasi yang dikendalikan difusi (seperti pembentukan ferrit dan perlit) demi transformasi martensitik tanpa difusi. Penekanan ini terjadi ketika atom karbon terjebak di posisi interstitial dalam kisi besi selama pendinginan cepat.

Mekanisme ini melibatkan atom karbon yang dicegah untuk difusi keluar dari posisi energi tinggi mereka dalam kisi austenit selama pendinginan. Ini menciptakan struktur tetragonal pusat tubuh yang tertekan (martensit) daripada membiarkan pembentukan fase keseimbangan yang memerlukan difusi atom.

Kemampuan pengerasan secara fundamental dipengaruhi oleh faktor-faktor yang menghambat difusi karbon dan dekomposisi austenit, terutama elemen paduan yang tersegregasi ke batas butir dan antarmuka, menciptakan penghalang energi untuk nukleasi ferrit, perlit, atau bainit.

Model Teoretis

Uji akhir Jominy memberikan kerangka teoretis utama untuk mengukur kemampuan pengerasan, menetapkan metode standar untuk mengukur kekerasan sebagai fungsi jarak dari ujung yang didinginkan. Pendekatan ini, yang dikembangkan pada tahun 1930-an oleh Walter Jominy dan A.L. Boegehold, merevolusi penilaian kemampuan pengerasan.

Pemahaman historis berkembang dari pengamatan empiris dalam pandai besi menjadi ilmu metalurgi kuantitatif pada awal abad ke-20. Korelasi antara laju pendinginan dan pembentukan mikrostruktur menjadi formal melalui diagram waktu-suhu-transformasi (TTT) dan transformasi pendinginan kontinu (CCT).

Pendekatan modern mencakup model komputasi yang didasarkan pada kinetika difusi dan termodinamika, yang dapat memprediksi kemampuan pengerasan dari komposisi kimia. Model-model ini melengkapi tetapi tidak menggantikan uji Jominy empiris, karena mereka menggabungkan interaksi kompleks antara beberapa elemen paduan.

Dasar Ilmu Material

Kemampuan pengerasan secara langsung berkaitan dengan ukuran butir austenit, dengan butir yang lebih besar menyediakan lebih sedikit situs nukleasi untuk transformasi yang dikendalikan difusi, sehingga meningkatkan kemampuan pengerasan. Batas butir berfungsi sebagai situs nukleasi preferensial untuk ferrit dan perlit, bersaing dengan pembentukan martensit.

Mikrostruktur sebelum pendinginan secara signifikan mempengaruhi kemampuan pengerasan, terutama homogenitas austenit dan pelarutan karbida. Karbida yang tidak terlarut mengurangi kandungan karbon dalam matriks austenit, mengurangi potensi pembentukan martensit.

Sifat ini terhubung dengan prinsip-prinsip dasar kinetika transformasi fase, terutama persaingan antara transformasi yang dikendalikan difusi dan tanpa difusi. Kemampuan untuk menekan yang pertama demi yang terakhir mendefinisikan kemampuan pengerasan dalam konteks ilmu material.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Diameter kritis ideal ($D_I$) mewakili diameter maksimum dari batang bulat yang akan berubah menjadi persentase martensit tertentu di pusatnya ketika didinginkan dalam pendingin ideal:

$$D_I = f(composition, grain size, austenitizing temperature)$$

Parameter ini berfungsi sebagai ukuran kuantitatif dari kemampuan pengerasan, dengan nilai yang lebih besar menunjukkan kemampuan pengerasan yang lebih besar. Fungsi ini mencakup beberapa variabel termasuk kandungan karbon, elemen paduan, dan ukuran butir austenit.

Rumus Perhitungan Terkait

Rumus Grossmann menyediakan metode untuk menghitung diameter kritis ideal:

$$D_I = D_0 \times f_{Mn} \times f_{Si} \times f_{Ni} \times f_{Cr} \times ... \times f_G$$

Di mana $D_0$ adalah kemampuan pengerasan dasar untuk baja karbon biasa, $f_X$ mewakili faktor pengali untuk setiap elemen paduan, dan $f_G$ adalah faktor ukuran butir. Setiap faktor mengkuantifikasi bagaimana elemen tertentu atau ukuran butir meningkatkan kemampuan pengerasan.

Hubungan antara diameter kritis aktual ($D_C$) dan diameter kritis ideal menggabungkan tingkat keparahan pendingin:

$$D_C = D_I \times H$$

Di mana $H$ adalah faktor keparahan pendingin, berkisar dari sekitar 0.2 untuk udara tenang hingga 5.0 untuk pendingin yang parah seperti air garam yang diaduk.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus-rumus ini mengasumsikan komposisi austenit yang seragam sebelum pendinginan dan paling akurat untuk baja dengan kandungan karbon antara 0.3% dan 0.6%. Di luar rentang ini, koreksi mungkin diperlukan.

Model-model ini memiliki batasan ketika berhadapan dengan interaksi paduan yang kompleks, terutama ketika beberapa elemen pembentuk karbida yang kuat hadir. Kasus semacam itu mungkin memerlukan pengujian empiris daripada perhitungan.

Pendekatan matematis ini mengasumsikan kondisi ideal termasuk distribusi suhu yang seragam selama austenitizing, tidak adanya dekarburisasi, dan suhu serta agitasi pendingin yang konsisten. Penyimpangan dari kondisi ini dalam praktik industri memerlukan faktor penyesuaian.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM A255: Metode Uji Standar untuk Menentukan Kemampuan Pengerasan Baja - merinci prosedur uji akhir Jominy, persiapan spesimen, dan teknik pengukuran kekerasan.

ISO 642: Baja - Uji Kemampuan Pengerasan dengan Pendinginan Akhir (Uji Jominy) - menyediakan standar internasional untuk melakukan uji pendinginan akhir dengan variasi prosedural kecil dari ASTM.

SAE J406: Metode Menentukan Kemampuan Pengerasan Baja - berfokus pada aplikasi industri otomotif dengan pedoman khusus untuk menginterpretasikan data kemampuan pengerasan.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Perangkat uji akhir Jominy terdiri dari alat semprot air yang mengarahkan air pada tekanan standar ke permukaan akhir spesimen silinder yang dipanaskan. Ini menciptakan gradien pendinginan yang terkontrol sepanjang panjang spesimen.

Pengukur kekerasan Rockwell atau Vickers mengukur kekerasan pada interval standar dari ujung yang didinginkan. Prinsipnya bergantung pada pengukuran ketahanan terhadap penekanan, yang berkorelasi dengan kandungan martensit.

Karakterisasi lanjutan dapat menggunakan dilatometer yang mengukur perubahan dimensi selama pendinginan terkontrol, memungkinkan penentuan suhu transformasi dan kinetika yang tepat untuk pengembangan diagram CCT.

Persyaratan Sampel

Spesimen Jominy standar berbentuk silinder dengan dimensi diameter 25.4 mm (1 inci) dan panjang 101.6 mm (4 inci), dengan flensa 3.2 mm (1/8 inci) di salah satu ujung untuk dukungan selama pendinginan.

Persiapan permukaan memerlukan pemesinan ke dimensi yang tepat dengan perhatian khusus pada datar dari ujung yang didinginkan. Dekarburisasi permukaan harus dihindari atau dihilangkan sebelum pengujian.

Spesimen harus homogen dan representatif dari baja yang dievaluasi, biasanya diambil dari posisi jari-jari tengah