Kekerasan Merah: Kemampuan Baja untuk Mempertahankan Kekerasan pada Suhu Tinggi

Definisi dan Konsep Dasar

Kekerasan merah mengacu pada kemampuan suatu material untuk mempertahankan kekerasan dan kekuatan mekaniknya pada suhu tinggi, terutama ketika material tersebut menyala merah panas. Properti ini sangat penting dalam aplikasi suhu tinggi di mana komponen baja harus mempertahankan integritas struktural dan ketahanan aus meskipun terkena kondisi termal yang ekstrem.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, kekerasan merah mewakili subset khusus dari sifat kekerasan panas. Ini membedakan beberapa baja alat dan baja kecepatan tinggi dari baja karbon konvensional, yang biasanya melunak secara dramatis pada suhu tinggi. Karakteristik ini memungkinkan alat pemotong untuk mempertahankan ketajaman dan integritas strukturalnya bahkan ketika gesekan menghasilkan panas yang signifikan selama operasi pemesinan.

Kekerasan merah berfungsi sebagai indikator kinerja dasar untuk material yang ditujukan untuk aplikasi suhu tinggi di industri mulai dari pengolahan logam hingga rekayasa dirgantara.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, kekerasan merah berasal dari keberadaan karbida dan senyawa intermetallic yang stabil secara termal yang tersebar di seluruh matriks baja. Partikel keras ini bertindak sebagai penghalang terhadap pergerakan dislokasi, mempertahankan kekuatan pada suhu tinggi di mana baja konvensional akan mengalami pelunakan yang signifikan akibat peningkatan mobilitas atom.

Ketahanan terhadap pelunakan terjadi karena karbida khusus ini (yang biasanya mengandung tungsten, molibdenum, vanadium, atau kobalt) memiliki titik lebur yang sangat tinggi dan tetap stabil bahkan ketika matriks sekitarnya mulai melemah. Ini menciptakan struktur internal seperti komposit di mana partikel keras yang tertanam dalam matriks yang melunak terus menahan deformasi.

Efek pengerasan sekunder juga dapat berkontribusi pada kekerasan merah, di mana reaksi presipitasi tertentu sebenarnya dipercepat pada suhu tinggi, sementara secara sementara mengimbangi mekanisme pelunakan normal.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan kekerasan merah adalah model penguatan dispersi, yang mengukur bagaimana partikel keras yang terdistribusi menghalangi pergerakan dislokasi melalui struktur kristal material. Model ini dikembangkan pada awal abad ke-20 bersamaan dengan pengembangan baja kecepatan tinggi pertama oleh Frederick Winslow Taylor dan Maunsel White.

Model pengerasan presipitasi juga berlaku, terutama untuk baja yang menunjukkan efek pengerasan sekunder pada suhu tinggi. Pendekatan ini berfokus pada bagaimana presipitat halus terbentuk dan berinteraksi dengan dislokasi.

Pendekatan komputasi modern menggabungkan model-model ini dengan basis data termodinamika untuk memprediksi kinerja suhu tinggi, mewakili kemajuan signifikan dibandingkan dengan metode empiris yang sebagian besar digunakan sepanjang abad ke-20.

Dasar Ilmu Material

Kekerasan merah berkorelasi kuat dengan stabilitas struktur kristal pada suhu tinggi. Dalam struktur besi kubik berpusat badan (BCC), peningkatan getaran atom pada suhu tinggi biasanya memfasilitasi pergerakan dislokasi, tetapi karbida khusus dengan struktur kristal yang berbeda mempertahankan integritasnya.

Batas butir memainkan peran kompleks dalam kekerasan merah. Meskipun mereka dapat berfungsi sebagai fitur penguatan pada suhu kamar, mereka sering menjadi jalur untuk difusi yang dipercepat dan pelunakan pada suhu tinggi. Baja dengan kekerasan merah yang luar biasa sering menggabungkan mekanisme untuk menstabilkan batas butir.

Prinsip dasar ilmu material yang mendasari kekerasan merah adalah hubungan antara stabilitas mikrostruktur dan sifat mekanik di seluruh rentang suhu. Properti ini menggambarkan bagaimana paduan dan pemrosesan yang terkontrol dapat secara dramatis mengubah kinerja material.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Kekerasan merah biasanya diukur sebagai rasio retensi kekerasan pada suhu tinggi dibandingkan dengan suhu kamar:

$$RH = \frac{H_T}{H_{RT}} \times 100\%$$

Di mana:
- $RH$ adalah persentase retensi kekerasan merah
- $H_T$ adalah kekerasan yang diukur pada suhu tinggi T
- $H_{RT}$ adalah kekerasan yang diukur pada suhu kamar

Rumus Perhitungan Terkait

Perilaku kekerasan yang bergantung pada suhu sering mengikuti hubungan tipe Arrhenius:

$$H_T = H_0 \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$$

Di mana:
- $H_T$ adalah kekerasan pada suhu T (Kelvin)
- $H_0$ adalah konstanta material
- $Q$ adalah energi aktivasi untuk pelunakan (J/mol)
- $R$ adalah konstanta gas (8.314 J/mol·K)
- $T$ adalah suhu absolut (Kelvin)

Parameter Larson-Miller dapat digunakan untuk memprediksi perilaku kekerasan merah jangka panjang:

$$P_{LM} = T(C + \log t)$$

Di mana:
- $P_{LM}$ adalah parameter Larson-Miller
- $T$ adalah suhu absolut
- $C$ adalah konstanta material (biasanya 20 untuk baja)
- $t$ adalah waktu pada suhu

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus-rumus ini umumnya berlaku untuk suhu antara 25°C dan sekitar 700°C, tergantung pada komposisi baja tertentu. Di luar suhu ini, transformasi fase dapat memperkenalkan perilaku non-linear.

Model-model ini mengasumsikan bahwa keseimbangan termal telah tercapai dan tidak memperhitungkan efek pemanasan transien atau gradien termal dalam material.

Hubungan ini paling akurat untuk waktu paparan pendek hingga menengah. Paparan yang berkepanjangan pada suhu tinggi dapat memperkenalkan mekanisme pelunakan tambahan seperti pembesaran presipitat atau transformasi fase yang tidak tertangkap dalam model-model ini.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam - Menyediakan pengujian kekerasan suhu kamar yang berfungsi sebagai dasar untuk perhitungan kekerasan merah.

ASTM E92: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Vickers dan Kekerasan Knoop Material Logam - Menyediakan metode untuk pengujian mikrohardness yang sering digunakan untuk evaluasi kekerasan merah.

ISO 3738: Hardmetals - Uji kekerasan Rockwell (skala A) - Secara khusus membahas pengujian karbida semen dan material keras terkait dengan kekerasan merah yang sangat baik.

ASTM E2546: Praktik Standar untuk Pengujian Indentasi Terinstrumentasi - Mencakup teknik canggih untuk mengukur kekerasan pada suhu tinggi.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Penguji kekerasan panas terdiri dari mesin pengujian kekerasan khusus yang dilengkapi dengan ruang suhu tinggi. Sistem ini mempertahankan suhu yang terkontrol sambil memungkinkan pengujian indentasi terjadi dalam lingkungan yang dipanaskan.

Sistem indentasi terinstrumentasi mengukur baik gaya maupun perpindahan selama proses indentasi, memberikan data sifat mekanik yang lebih komprehensif dibandingkan dengan pengujian kekerasan tradisional.

Sistem canggih dapat menggabungkan lingkungan vakum atau gas inert untuk mencegah oksidasi spesimen selama pengujian suhu tinggi, yang sebaliknya dapat mempengaruhi akurasi pengukuran.

Persyaratan Sampel

Spesimen standar biasanya berupa blok persegi panjang dengan dimensi sekitar 10mm × 10mm × 25mm, dengan dimensi yang tepat tergantung pada metode pengujian tertentu.

Persiapan permukaan memerlukan penggilingan dan pemolesan untuk mencapai kekasaran permukaan 0.8μm Ra atau lebih baik. Untuk pengujian suhu tinggi, pembersihan tambahan untuk menghilangkan kontaminan yang mungkin bereaksi pada suhu tinggi sangat penting.

Spesimen harus distabilkan secara termal melalui perlakuan panas yang sesuai sebelum pengujian untuk memastikan bahwa perubahan mikrostruktur selama pengujian mencerminkan hanya efek dari suhu pengujian, bukan transformasi fase yang sedang berlangsung.

Parameter Uji

Suhu