konsep dasar heat treatment
Post on 23-Jan-2016
10 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Evelyn Loekito2112100032
KONSEP DASAR METALOGRAFI (THELNING)
Metalografi menunjukkan struktur dari logam dan menunjukkan hubungan antara struktur
mikro suatu baja dengan sifat sifatnya
1.1 Tranformasi dan Struktur Kristal pada Besi
Besi murni mengalami beberapa transformasi saat dipanaskan hingga titik leburnya.
Transformasi tersebut membutuhkan panas yang disebut Latent Heat of
Transformation pada suhu konstan dari awal hingga akhir transformasi.
Terjadi transformasi secara terbalik saat besi murni didinginkan.
Dua jenis modifikasi allotropic: Austenit, dan Ferrit.
Ferrit stabil di bawah suhu 911oC disebut α-iron dan antara suhu 1392oC dan titik
leburnya disebut δ-iron.
Austenit stabil pada temperatur 911oC hingga 1392oC disebut γ-iron.
Besi bersifat ferromagnetik pada temperatur ruang, menurun saat dipanaskan, dan
sifat kemagnetannya hilang total pada temperatur 769oC (Curie point).
Ferrit memiliki struktur Kristal BCC dengan lattice parameter 2,87 Å dan densitas
sebesar 7,93 g/cm3 pada temperatur 20oC.
Austenit memiliki struktur Kristal FCC dengan dengan lattice parameter 3,57Å dan
densitas sebesar 8,22g/cm3 pada ekstrapolasi temperatur 20oC.
1.2 Diagram Keseimbangan Besi-Karbon
Karbon merupakan unsur paduan pada baja yang paling penting.
Pada temperatur kamar, kelarutan karbon pada α-iron sangat rendah sehingga atom
karbon sangat jarang dijumpai di antara atom-atom besi. Karbon berikatan dengan
besi membentuk karbida besi Fe3C yang disebut sementit.
Sementit dapat dijumpai berbentuk lamellae yang berselang-seling dengan lamellae
ferrit yang disebut perlit. Perlit memiliki kandungan karbon rata-rata sebesar 0,8%.
Karbon yang melebihi 0,8% akan membentuk sementit pada batas butir.
Baja dengan kandungan karbon 0,8% disebut baja eutektoid.
Paduan baja dengan karbon mengalami transformasi pada range temperatur tertentu
sesuai dengan kandungan karbonnya.
Evelyn Loekito2112100032
1.2.1 Pemanasan
Pada baja 0,8% karbon, perubahan menjadi austenite terjadi pada temperatur 723oC.
Temperatur ini disebut sebagai A1 (garis PK).
Pada baja hipoeutektoid, transformasi dari perlit menjadi austenite mulai pada
temperatur yang sama. Pada daerah antara garis PS dan GS, terdapat austenite hasil
transformasi dari perlit dan ferit yang belum berubah. Transformasi selesai pada garis
GS atau yang biasa disebut A3.
Fasa stabil di atas A3 adalah γ-iron.
Pada baja hipereutektoid, perlit berubah menjadi austenit di atas temperatur A1, tetapi
sementit belum terlarut sepenuhnya hingga mencapai garis SE, yang biasa disebut
Acm.
1.2.2 Pendinginan
Saat temperatur perlahan-lahan menurun dari 723oC, γ-iron berubah menjadi α-iron
akibat karbon yang keluar dari lattice dan membentuk sementit.
Pada temperatur ruang, terdapat struktur perlitik pada baja
1.3 Time-Temperature Transformation
Fe-Fe3C hanya menjelaskan kondisi setimbang antara Fe dan C.
Diagram TTT menjelaskan pengaruh waktu dan temperatur pada perubahan.
1.3.1 Pemanasan
Pada baja 0,8% karbon yang dipanaskan dengan cepat dan ditahan pada temperatur
730oC, transformasi terjadi setelah 30 s.
Semakin tinggi suhu penahanan, semakin cepat transformasinya.
Pada baja hipoeutektoid (0,45% karbon) yang ditahan pada suhu 810oC, perubahan
perlit menjadi austenite berlangsung seketika, setelah 5 s, perlit berubah menjadi
ferrit, austenite, dan sementit. Setelah 1 menit, kerbon berdifusi menuju ferrit yang
kemudian berubah menjadi austenite. Sisa sementit akan terlarut sempurna setelah 5
jam.
Evelyn Loekito2112100032
Pada baja hipereutektoid 1,2% karbon, sementit baru dapat terlarut dengan sempurna
dengan temperatur penahanan minimal 860oC.
Untuk mempelajari laju pelarutan, baja dipanaskan hingga temperatur yang sudah
ditentukan, contoh, 725oC, 735oC, atau 825oC, dan setelah waktu tertentu di-quench di
air. Melalui proses ini, austenit akan berubah menjadi martensit.
Variasi dari laju pemanasan dan temperatur pengerasan menghasilkan variasi laju
transformasi dan pelarutan pada baja.
1.3.2 Pendinginan
Perubahan dari baja pada temperatur tertentu dapat diperoleh dengan pendinginan
austenite hingga temperatur penahanan yang diinginkan untuk mencapai transformasi
yang sempurna dan quench hingga temperatur ruang.
Struktur yang sama juga dapat dihasilkan dari pendinginan secara continuous.
1.3.3 Pembentukan Perlit
Pembentukan perlit diawali pada batas butir austenite.
Berdasarkan Hillert, pembentukan perlit dapat diawali dari pembentukan ferrit atau
sementit, dan pertumbuhannya diawali dari percabangan.
Platelet dari sementit dan ferrit bertumbuh secara bersamaan akibat perpindahan
(difusi) karbon dari austenit menuju tepi platelet sementit. Pada saat yang bersamaan
mengakibatkan terjadinya kekurangan karbon di bagian tepi platelet ferrit.
Pada model yang lain, pertumbuhan perlit diawali oleh inti sementit dengan
kandungan karbon 6,67% sehingga daerah disekitarnya menjadi ferrit karena
kekurangan karbon, dan memberikan sisa karbon untuk membentuk lapisan sementit
lagi pada daerah sekitarnya.
1.3.4 Pembentukan Bainit
Bainit mulai berpisah, bersamaan dengan perlit pada temperatur dibawah 550oC.
Pembentukan diawali dengan inti ferrit yang berkembang sebagai platelet dari batas
butir. Akibatnya, austenite disekitarnya mengandung banyak karbon, dan setelah
Evelyn Loekito2112100032
mencapai batasnya, akan membentuk platelet sementit bersamaan dengan platelet
ferrit.
Saat temperatur menurun, bainit mulai terbentuk dalam butir.
Bainit susah dibedakan menggunakan mikroskop metalurgi karena bentuknya sangat
dipengaruhi oleh temperatur dan komposisi dari baja.
Bainit dibagi menjadi dua berdasarkan temperatur pembentukan bainit: upper, dan
lower bainit.
Upper bainit lebih getas dan lowewr bainit lebih tangguh.
1.3.5 Pembentukan Martensit
Sesuai gambar, apabila pendinginan dilakukan sangat cepat, austenit akan berubah
menjadi ferrit ketika mencapai garis Ms.
Pada daerah tersebut, sangat sedikit karbon dari austenit yang keluar.
Karbon tetap menjadi solid-solution pada α-iron, dan menyebabkan lattice α-iron
membesar. Karbon yang tidak keluar menyebabkan material lebih keras.
Martensit terdiri dari supersaturated karbon pada α-iron.
Pada transformasti γ-iron menjadi martensit, atom karbon berada pada tepi unit kubus
martensit sehingga unit sell membesar ke satu arah menjadi tetragonal.
Volume martensit meningkat dengan meningkatnya kandungan karbon.
Pembentukan martensit tidak bertahap menurut waktu, tetapi dipengaruhi oleh
material baja, kondisi pada austenite, dan kecepatan quench untuk pengerasan.
Berdasarkan Marder dan Krauss, martensit terdiri dari dua jenis: lath, dan plate
martensit.
Lath mertensit mengandung karbon hingga 0,6%.
Lath martensit tersusun dari susuan bilah-bilah yang parallel, dan hanya dapat dilihat
dengan mikroskop electron.
Plate martensit mengandung kebih dari 0,6% karbon, dan tersusun dari plat-plat yang
tidak teratur pada matriks austenite.
Lath dan plate martensit dapat ditemukan pada baja karbon 0,6% hingga 1%.
Untuk baja karbon, awal dan akhir pembentukan martensit (Ms dan Mf) dipengaruhi
oleh kandungan karbon.
Evelyn Loekito2112100032
Lath dan plate martensit juga dipengaruhi oleh temperatur saat terbentuk. Unsur
paduan yang manurunkan Ms, contoh: Mn, dan Ni, mempermudah pembentukan plate
martensit.
1.3.6 Austenit Sisa
Sisa dari austenit yang tidak berubah menjadi martensit disebut austenit sisa.
Jumlah austenit sisa dipengaruhi oleh kandungan karbon pada baja.
Pada proses martempering, pedinginan dengan cepat hingga melewati Ms, dan
penahanan pada temperatur di bawah Ms menstabilkan sisa austenit sehingga
terkandung lebih banyak austenit sisa.
Baja martempering (pengerasan dengan udara) mengandung lebih banyak austenit
sisa daripada baja yang dikeraskan dengan oli.
Sisa austenit menjadi stabil karena pada temperatur penahan inti martensit terlarut
kembali.
1.3.7 Diagram TTT dan CCT
Diagram TTT menjelaskan transformasi baja pada temperatur konstan.
Perubahan fasa pada temperatur tertentu dipengaruhi oleh pembentukan inti dan
pertumbuhan dari fasa.
Pembentukan inti diakibatkan dari pendinginan secara cepat sehingga pertumbuhan
ini berjalan cepat pada suhu rendah, dan sebaliknya.
Laju pertumbuhan dari inti stabil dipengaruhi oleh difusi sehingga terjadi secara cepat
pada temperatur tinggi, dan sebaliknya.
Pertumbuhan tidak dapat terjadi sebelum diawali oleh pengintian.
Pada temperatur Ac3 dan di atasnya tidak terdapat gaya yang, sehingga tidak terjadi
pengintian dan pertumbuhan.
1.4 Penguraian Martensit dan Austenit Sisa dari Proses Tempering
Martensit hasil hardening biasanya terlalu getas sehingga perlu dilakukan tempering
untuk meningkatkan ketangguhan.
Tahap-tahap pada tempering:
Evelyn Loekito2112100032
1. Pada temperatur 80-160oC, terjadi presipitasi ε-carbide yang merupakan fasa kaya
karbon. Kandungan karbon pada martensit menurun hingga 0,3%.
2. Pada temperatur 230-280oC, austenit sisa berubah menjadi bainit.
3a. Pada temperatur 160-400oC, sementit terbentuk dari ε-carbide.
3b. Pada temperatur 400-700oC, sementit tumbuh.
Pada high-alloy chromium steel, hot-work steel, dan high-speed steel, penguraian
austenit sisa terjadi pada temperatur yang tinggi dengan peroduk bainit atau martensit,
tergantung dari temperatur tempering dan waktunya.
Bainit terbentuk dari temperatur konstan saat proses tempering.
Martensit terbentuk saat baja didinginkan dari temperature tempering.
Pada baja paduan, terjadi presipitasi karbida kompleks pada temperatur di atas 500oC,
disebut tahap empat tempering.
Martensit dibentuk dari austenit sisa dan presipitasi dari karbida yang menghasilkan
kekerasan tinggi.
Kekerasan dipengaruhi oleh temperatur, dan waktu.
1.5 Difusi
1.5.1 Sifat Difusi
Difusi: proses perpindahan atom individual suatu material yang terjadi pada gas, zair
cair, dan zat padat.
Atom-atom unsur paduan yang menempati tempat yang sama dengan atom besi pada
substitutional solid solution dapat bergerak dengan bantuan vacancies.
Besi memiliki banyak vacancies, sehingga terjadi banyak perpindahan atom-atom
unsur paduan.
Atom karbon dan nitrogen yang lebih kecil dari atom besi dapat ditemukan di antara
atom besi menjadi interstitial solid solution.
Atom yang kecil dapat bergerak tanpa bantuan vacancies dengan laju difusi yang
lebih tinggi dari atom substitutional.
Jarak rata-rata difusi dipengaruhi oleh koefisien difusi dan waktu difusinya.
Hubungan antara jarak difusi dan waktu adalah fungsi akar kuadrat, pada awal difusi
lajunya cepat dan melambat seiring pertambahan waktu.
Evelyn Loekito2112100032
1.5.2 Faktor yang Mempengaruhi Laju Difusi
Difusi dipengaruhi oleh perbendaan konsentrasi yang menghasilkan gaya untuk
proses difusi.
Koefisien difusi dipengaruhi oleh temperatur. Nilai koefisien difusi menjadi dua kali
lipat setiap kenaikan temperatur kurang lebih 20o.
1.5.3 Perhitungan Jarak Difusi
Pada proses carburization, diasumsikan konsentrasi karbon pada permukaan paling
luar konstan selama proses.
Permukaan baja membutuhkan konsentrasi karbon yang sesuai dengan potensi karbon
dari media carburizing.
Kandungan karbon pada permukaan biasanya 0,8-1%.
Hubungan antara konsentrasi karbon yang diminta pada kdalaman tertentu,
kandungan karbon baja awal, dan pada permukaan baja, koefisien difusi dan waktu
dapat diperoleh dari grafik yang menunjukkan penurunan kandungan karbon seiring
pertambahan kedalaman.
Pada proses decarburization, kandungan karbon akan meningkat seiring dengan
peningkatan kedalaman, hingga pada kedalaman tertentu, kandungan karbonnya
sama.
Pada baja, akan selalu ada pemisahan antar element baik dalam jumlah banyak atau
sedikit, sehingga perlu dilakukan homogenizing annealing untuk mengurangi
perbedaan kandungan karbon.
Homogenizing annealing dilakukan pada temperatur tinggi.
top related