Temper: Proses Perlakuan Panas untuk Mengoptimalkan Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Temper mengacu pada proses pemanasan kembali baja yang telah dikeraskan ke suhu di bawah titik kritisnya, diikuti dengan pendinginan terkontrol untuk mengurangi kerapuhan dan meningkatkan ketangguhan sambil mempertahankan tingkat kekerasan yang dapat diterima. Prosedur perlakuan panas ini memodifikasi mikrostruktur baja yang sebelumnya dikeraskan untuk mencapai keseimbangan tertentu dari sifat mekanik yang disesuaikan dengan kebutuhan aplikasi.

Tempering adalah langkah kritis dalam urutan perlakuan panas secara keseluruhan dari baja, biasanya mengikuti operasi pendinginan yang menciptakan struktur martensitik yang keras tetapi rapuh. Proses ini mengurangi stres internal, mengendapkan karbida, dan memodifikasi mikrostruktur untuk mencapai kombinasi optimal dari kekuatan, duktilitas, dan ketangguhan.

Dalam ilmu metalurgi, tempering mewakili pendekatan dasar untuk rekayasa mikrostruktur, memungkinkan metalurgis untuk mengontrol sifat material secara tepat melalui manipulasi termal. Ini mencerminkan prinsip metalurgi inti bahwa sifat mekanik terkait langsung dengan mikrostruktur, yang dapat diubah secara sengaja melalui pemrosesan termal yang terkontrol.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, tempering melibatkan dekomposisi martensit metastabil menjadi fase yang lebih stabil. Selama tempering, atom karbon difusi keluar dari martensit yang terlampau jenuh, membentuk endapan karbida sementara matriks martensit tetragonal secara bertahap bertransformasi menuju struktur ferrit kubik yang lebih stabil.

Proses ini terjadi dalam tahap yang berbeda: pertama, pengendapan karbida epsilon (100-200°C); kedua, transformasi austenit yang tertahan (200-300°C); ketiga, transisi menuju pembentukan semenit dan pemulihan martensit (300-400°C); dan akhirnya, pengasaran semenit dan rekristalisasi pada suhu yang lebih tinggi (di atas 400°C). Setiap tahap secara progresif mengurangi stres internal dan memodifikasi struktur dislokasi.

Gerakan dislokasi menjadi semakin mungkin saat karbon meninggalkan kisi martensit, memungkinkan peningkatan duktilitas sambil mempertahankan kekuatan yang signifikan melalui mekanisme pengerasan endapan dan fitur mikrostruktur yang lebih halus.

Model Teoretis

Parameter Hollomon-Jaffe (HJP) mewakili model teoretis utama yang menggambarkan proses tempering, dinyatakan sebagai:

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

Di mana T adalah suhu mutlak, t adalah waktu dalam jam, dan C adalah konstanta yang bergantung pada material (biasanya 20 untuk baja). Parameter ini menetapkan hubungan waktu-suhu dalam tempering.

Pemahaman historis tentang tempering berkembang dari pengetahuan kerajinan empiris menjadi pemahaman ilmiah melalui karya metalurgis seperti Bain dan Davenport pada tahun 1930-an, yang pertama kali mengkarakterisasi tahap-tahap tempering menggunakan teknik difraksi sinar-X.

Pendekatan modern mencakup model kinetik berdasarkan konsep energi aktivasi, model transformasi yang dikendalikan difusi, dan termodinamika komputasional menggunakan metode CALPHAD, yang memberikan prediksi yang lebih tepat tentang transformasi fase selama tempering.

Dasar Ilmu Material

Tempering secara langsung memodifikasi struktur kristal dengan memungkinkan atom karbon difusi dari posisi interstisial dalam martensit tetragonal yang terdistorsi (BCT) menuju pembentukan karbida yang lebih stabil, secara bertahap mengembalikan matriks menuju struktur ferrit kubik berpusat (BCC).

Batas butir berfungsi sebagai situs nukleasi untuk pengendapan karbida selama tempering, dengan kepadatan dan karakteristiknya mempengaruhi respons tempering. Batas butir austenit sebelumnya, batas lath martensit, dan batas paket semuanya berperan dalam urutan pengendapan dan sifat mekanik yang dihasilkan.

Proses tempering mencerminkan prinsip dasar ilmu material tentang metastabilitas dan transformasi fase, di mana suatu sistem bergerak menuju keseimbangan termodinamika melalui proses yang dikendalikan difusi ketika diberikan energi termal yang cukup untuk mengatasi hambatan aktivasi.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Parameter tempering Hollomon-Jaffe adalah persamaan dasar yang menggambarkan perilaku tempering:

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

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

Formula Perhitungan Terkait

Pengurangan kekerasan selama tempering dapat diperkirakan dengan:

$HRC = HRC_0 - K \log(P)$

Di mana:
- $HRC$ = kekerasan yang dihasilkan dalam skala Rockwell C
- $HRC_0$ = kekerasan awal sebelum tempering
- $K$ = konstanta yang bergantung pada material
- $P$ = parameter tempering

Energi aktivasi untuk tempering dapat dihitung menggunakan:

$\ln(t_1/t_2) = (Q/R)[(1/T_1) - (1/T_2)]$

Di mana:
- $t_1, t_2$ = waktu untuk mencapai tempering yang setara pada suhu $T_1$ dan $T_2$
- $Q$ = energi aktivasi untuk proses tempering
- $R$ = konstanta gas universal
- $T_1, T_2$ = suhu mutlak dalam Kelvin

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk baja karbon biasa dan baja paduan rendah dengan mikrostruktur martensitik yang mendominasi. Mereka menjadi kurang akurat untuk baja yang sangat paduan, terutama yang mengandung elemen pembentuk karbida yang kuat seperti Cr, Mo, V, dan W.

Parameter Hollomon-Jaffe mengasumsikan bahwa efek waktu dan suhu dapat dipertukarkan sesuai dengan hubungan yang ditentukan, yang berlaku dengan cukup baik dalam rentang suhu tempering yang tipikal (150-650°C) tetapi menjadi kurang akurat pada ekstrem suhu.

Model ini mengasumsikan laju pemanasan dan pendinginan yang seragam, mikrostruktur awal yang homogen, dan tidak adanya reaksi bersaing seperti pengerasan sekunder, yang dapat secara signifikan mengubah respons tempering dalam sistem paduan tertentu.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM A1033: Praktik Standar untuk Pengukuran Kuantitatif dan Pelaporan Transformasi Fase Baja Karbon dan Paduan Rendah Hypoeutectoid - Menyediakan prosedur untuk mengukur dan melaporkan transformasi fase.

ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Metalik - Menentukan prosedur pengujian kekerasan yang umum digunakan untuk memverifikasi hasil tempering.

ISO 6508: Material metalik — Uji kekerasan Rockwell - Menyediakan standar internasional untuk pengujian kekerasan untuk mengevaluasi efektivitas tempering.

ASTM E3: Panduan Standar untuk Persiapan Spesimen Metalografi - Merinci persiapan spesimen untuk analisis mikrostruktur baja yang telah ditemper.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Penguji kekerasan (Rockwell, Vickers, Brinell) mengukur ketahanan terhadap penekanan, memberikan penilaian cepat tentang efektivitas tempering melalui korelasi dengan sifat mekanik.

Mikroskopi optik mengungkap fitur mikrostruktur martensit yang telah ditemper, termasuk ukuran karbida, distribusi, dan karakteristik matriks, biasanya memerlukan etsa dengan larutan nital atau pikral untuk mengungkap fitur-fitur ini.

Mikroskopi elektron pemindaian (SEM) memberikan citra resolusi lebih tinggi dari struktur yang telah ditemper, sementara mikroskopi elektron transmisi (TEM) memungkinkan pengamatan langsung terhadap endapan karbida halus dan struktur dislokasi yang dihasilkan dari tempering.

Peralatan difraksi sinar-X (XRD) mengukur perubahan struktur kristal, stres residual, dan dapat mengidentifikasi fase karbida yang terbentuk selama berbagai tahap tempering.

Persyaratan Sampel