konsep dasar heat treatment

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.


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.


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


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.


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:


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.


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.

konsep dasar heat treatment

Documents