3/31/2015

1

Pertemuan ke-8

PERUBAHAN SIFAT

DAN STRUKTUR MIKRO

PADA PADUAN BESI – KARBON

Nurun Nayiroh, M.Si

MK:TRANSFORMASI FASA

PEARLITE

• Pada reaksi eutektoid, austenite dengan

kandungan karbon sedang akan berubah

menjadi ferit dengan kadar karbon kecil dan

sementit dengan kadar karbon tinggi.

• Pada saat pembentukan pearlite, gerakan

atom C bergerak dari ferit ke sementit.

PEARLITE

• Selama transformasi terjadi, pendinginan harus di bawah 727°C

• Transformasi Eutectoid (sistem Fe-Fe3C): γ ⇒ α + Fe3C

0.76 wt% C0.022 wt% C

6.7 wt% C

Fe3C (cementite)

1600

1400

1200

1000

800

600

4000 1 2 3 4 5 6 6.7

L

γ

(austenite)

γ+L

γ +Fe3C

α +Fe3C

L+Fe3C

δ

(Fe) C, wt% C

1148°C

T(°C)

α

ferrite727°C

Eutectoid:Equil. Cooling: Ttransf. = 727ºC

∆T

Undercooling by Ttransf. < 727°C

0.76

0.022

Diagram Transformasi Isotermal (Austenit ke Pearlite)

• The Fe-Fe3C system, for Co = 0.76 wt% C

• A transformation temperature of 675°C.

100

50

01 102 104

T = 675°C

% transformed

time (s)

400

500

600

700

1 10 102 103 104 105

Austenite (stable)TE (727°C)

Austenite (unstable)

Pearlite

T(°C)

time (s)

isothermal transformation at 675°C

Consider:

TE=Temperatur Eutectoid

Transformasi terjadi dibawah

garis eutectoid atau

supercooling (TE=727°C).

Transformasi terjadi pada

temperatur tetap atau

isothermal.

Disebut juga kurva TTT (Time

Temperature Transformation).

3/31/2015

2

Coarse pearlite � formed at higher temperatures – relatively soft

Fine pearlite � formed at lower temperatures – relatively hard

• Transformation of austenite to pearlite:

γαααα

α

α

pearlite growth direction

Austenite (γ)

grain boundary

cementite (Fe3C)

Ferrite (α)

γ

• For this transformation,rate increases with ( ∆T)

[Teutectoid – T ].675°C

(∆T smaller)

0

50

% pearlite

600°C

(∆T larger)650°C

100

Diffusion of C during transformation

α

α

γγ

αCarbon

diffusion

Laju Transformasi Eutectoid ~ ∆T• Eutectoid iron-carbon alloy; composition, Co = 0.76 wt% C

• Begin at T > 727˚C

• Rapidly cool to 625˚C (titik A-B) and hold isothermally (titik B-C-D).

Diagram Transformasi Isothermal

Austenite-to-Pearlite

• Gambar di atas memperlihatkan transformasi fasa austenit ke pearlit.

• Austenit didinginkan secara cepat dari A ke B, kemudian temperatur ditahan pada proses BCD .

• Jika temperatur ditahan pada sedikit di bawah temperatur eutectoid maka akan terbentuk lapisan ferit sementit yang tebal dan disebut juga “ coarse pearlite” (pearlite kasar), kebalikannya jika temperatur transformasinya lebih rendah disekitar 540 oC maka lapisan-lapisan perlite yang terbentuk akan tipis dan disebut juga “fine pearlite” (pearlite halus).

(a) Coarse pearlite (high diffusion rate) and (b) fine pearlite

- Smaller ∆T:

colonies are larger

- Larger ∆T:

colonies are

smaller

3/31/2015

3

Pembentukan Diagram Transformasi Isothermal

2 Kurva padat diplot:

� Satu merepresentasikan

waktu yang diperlukan pada

setiap temperatur selama

awal transformasi, yang lain

selama transformasi selesai.

� Kurva yang sesuai ditarik

garis sampai penyelesaian

50%.

The austenite to pearlite

transformation will occur

only if the alloy is

supercooled to below the

eutectoid temperature

(727˚C).

Time for process to complete

depends on the temperature.

10

Hypereutectoid composition – proeutectoid cementite

α

TE (727°C)

T(°C)

time (s)

A

A

A+

C

P

1 10 102 103 104

500

700

900

600

800

A+P

Adapted from Fig. 11.16,

Callister & Rethwisch 3e. Adapted from Fig. 10.28,

Callister & Rethwisch 3e.

Fe3C (cementite)

1600

1400

1200

1000

800

600

4000 1 2 3 4 5 6 6.7

L

γ (austenite)

γ+L

γ +Fe3C

α+Fe3C

L+Fe3C

δ

(Fe) C, wt%C

T(°C)

727°C∆T

0.76

0.022

1.13

Jika pada reaksi eutectoid terbentuk fasa proeutectoid bersama-sama pearlite

maka pada kurva TTT perlu ditambahkan kurva lain yang menggambarkan

transformasi proeutectoid.

Untuk besi dengan kandungan 1,13 wt % C grafik TTT diberikan pada gambar

berikut:

Kurva TTT fasa proeutectoid

Strength

Ductility

Martensite T Martensite

bainite fine pearlite

coarse pearlite spheroidite

General Trends

Possible Transformations

3/31/2015

4

BAINITE

• Bainite adalah struktur ferit dan sementit yang berbentuk lidi atau plat tergantung temperatur transformasi.

• Struktur mikro bainit adalah sangat halus sehingga resolusinya hanya bisa dilihat dengan mikroskop elektron .

• Temperatur pembentukan bainit terjadi dibawah temperatur pembentukan pearlite yaitu diantara temperatur 215 oC-540 oC.

• Laju pembentukan bainit akan naik dengan naiknya temperatur. 10 10

310

5

time (s)10

-1

400

600

800

T(°C)Austenite (stable)

200

P

B

TEA

A

Bainite: Hasil transformasi yang Non-Equil

� elongated Fe3C particles in α-ferrite matrix

� diffusion controlled

� α lathes (strips) with long rods of Fe3C

100% bainite

100% pearlite

Martensite

Cementite

Ferrite

Foto mokroskop untuk bainit

Kurva TTT Bainite Mikrostruktur Bainite

• Bainite terdiri dari ferit lancip (seperti jarum) dengan partikel sementit sangat kecil yang tersebar di seluruh ferit.

• kandungan karbon > 0.1%.

• Bainite bertransformasi menjadi iron and cementitedengan waktu dan temperatur yang cukup (anggap semi-stable di bawah 150°C).

3/31/2015

5

SPHEROIDITE

• Jika paduan baja mempunyai struktur mikro pearlit atau bainit dipanaskan pada temperatur di bawah temperatur eutectiod dan ditahan untuk waktu yang lama katakanlah T=700 oC selama 18 s/d 24 jam, maka akan terbentuk struktur mikro yang lain dan disebut spheroidite.

• Struktur spheroidite mempunyai bentuk dimana fasa Fe3C muncul dalam bentuk lingkaran/bulat pada bahan ferit.

• Transformasi ini terjadi karena difusi atom karbon tanpa perubahan komposisi ferit dan sementit.

10

� Fe3C particles within an α-ferrite matrix

� diffusion dependent

� heat bainite or pearlite at temperature just below eutectoid for long times

� driving force – reduction of α-ferrite/Fe3C interfacial area

Spheroidite: Nonequilibrium Transformation

10 103 105time (s)10-1

400

600

800

T(°C)Austenite (stable)

200

P

B

TE

0%

100%

50%

A

A

Spheroidite100% spheroidite

100% spheroidite

Kurva TTT Spheroidite

Pearlitic Steel partially transformed to Spheroidite MARTENSITE

• Martensit terbentuk apabila besi austenit didinginkan dengan sangat cepat ke temperatur rendah, sekitar temperatur ambien.

• Martensit adalah fasa tunggal yang tidak seimbang yang terjadi karena transformasi tanpa difusi dari austenit.

• Pada transformasi membentuk martensite, hanya terjadi sedikit perubahan posisi atom relatif terhadap yang lainnya.

• Struktur FCC austensit akan berubah menjadi struktur BCT (body centered tetragonal) martensit, pada transformasi ini.

• Karena transformasi martensit tidak melewati proses difusi, maka ia terjadi seketika sehingga laju transformasi martensit adalah tidak bergantung waktu.

• Butiran martensit berbentuk seperti lidi/jarum atau plat . Pada struktur martensit masih didapati struktur austenit yang tidak sempat bertransformasi.

3/31/2015

6

� single phase

� body centered tetragonal (BCT) crystal structure

� BCT if C0 > 0.15 wt% C

� Diffusionless transformation

� BCT � few slip planes � hard, brittle

� % transformation depends only on T of rapid cooling

Martensite Formation

• Isothermal Transformation Diagram

10 103

105 time (s)10

-1

400

600

800

T(°C)Austenite (stable)

200

P

B

TEA

A

M + AM + A

M

0%50%90%

Martensite needlesAustenite

Struktur BCT dari Martensit

An micrograph of austenite that was polished flat and then allowed to transform

into martensite.

The different colors indicate the displacements caused when martensite forms.

Diagram Transformasi Isothermal

Iron-carbon alloy

with eutectoid

composition.

� A: Austenite

� P: Pearlite

� B: Bainite

� M: Martensite

3/31/2015

7

� Elemen lain (Cr, Ni, Mo, Si and W)

dapat menyebabkan perubahan

yang signifikan pada posisi dan

bentuk kurva TTT:

� Perubahan temperatur transisi;

� Bentuk kerucut/hidung dari

austenit ke transformasi

pearlite waktunya menjadi

lebih lama;

� Bentuk kerucut pearlite dan

bainite menjadi waktunya lebih

lama (laju pendinginan kritis

menurut);

� Membentuk kerucut bainite

menjadi terpisah;

Pengaruh Penambahan

Elemen Lain4340 Steel

plain

carbon

steel

nose

� Plain carbon steel: primary alloying

element is carbon.

Contoh:

Dengan menggunakan diagram

transformasi untuk paduan besi-

karbon komposisi eutektik ,

tentukanlah kondisi alami struktur

mikro akhir (dalam kondisi mikro

yang ada dan persentanse perkiraan)

dari spesimen yang mengalami

perlakuan

berikut:

Dalam setiap kasus diasumsikan

bahwa perlakuan spesimen dimulai

pada temperatur 7600 C dan ditahan

cukup lama pada temperatur ini

untuk mendapatkan struktur austenit

yang homogen dan sempurna.

Treatment (a)

� Rapidly cool to 350 ˚C

� Hold for 104 seconds

� Quench to room temperature

Bainite,

100%

Penyelesaian:

Pada setiap kasus, pendinginan awal cukup cepat untuk

mencegah transformasi terjadi.

Pada 3500C austenit secara isotermal akan bertransformasi ke

bainit; reaksi ini dimulai setelah kira-kira 10 detik dan

berlangsung sampai waktu 500 detik. Karena itu setelah 104

detik 100% spesimen adalah bainit dan tidak terjadi

transformasi yang lain, walaupun pendinginan akhir melewati

daerah martensit pada diagram.

Martensite,

100%

Treatment (b)

� Rapidly cool to 250 ˚C

� Hold for 100 seconds

� Quench to room temperature

Austenite,

100%

3/31/2015

8

Penyelesaian:

Dalam hal ini, perlu waktu 150 detik pada 2500 C untuk mulai

bertransformasi menjadi bainit. Sehingga untuk waktu 100 detik

spesimen masih dalam keadaan 100% austenit. Ketika spesimen

didinginkan meleati daerah martensite, dimulai pada 2150C,

secara progresif austenite berubah menjadi martensite. Reaksi

ini selesai ketika temperatur ruang tercapai. Sehingga struktur

mikro akhirnya adalah 100% martensite.

Bainite, 50%

Treatment (c)

� Rapidly cool to 650˚C

� Hold for 20 seconds

� Rapidly cool to 400˚C

� Hold for 103 seconds

� Quench to room temperature

Austenite,

100%

Almost 50% Pearlite,

50% Austenite

Final:

50% Bainite,

50% Pearlite

Penyelesaian:

Untuk garis isotermal pada 6500 C, pearlite mulai terbentuk setelah kira-kira 7

detik; ketika waktu penahanan sampai 20 detik, baru kira-kira 50% dari

spesimen yang berubah menjadi pearlite. Pendinginan cepat ke 4000 C

ditunjukkan oleh garis vertikal; selama pendinginan ini, sangat sedikit, jika ada,

austenite sisa akan bertransformasi baik ke pearlite atau bainit, walaupun garis

pendinginan melewati daerah pearlite dan bainit pada diagram. Pada 4000 C,

kita mulai waktunya dari nol kembali, sehingga dengan waktu 103 detik, semua

50% austenite tersisa akan berubah menjadi bainit. Pada pendinginan secarfa

cepat ke temperatur ruang, tidak lagi terjadi perubahan fasa karena tidak ada

lagi austenit tersisa. Sehingga sturktur mikro spesimen pada temperatur ruang

adalah 50% pearlite dan 50% bainit.

TRANSFORMASI PENDINGINAN KONTINYU

• Perlakuan panas isotermal pengerjaannya tidak praktis karena temperatur mesti dijaga di sekitar temperatur eutectoid.

• Sebagian besar perlakuan panas untuk baja mencakup pendinginan secara kontinyu sampai temperatur ruangan. Oleh sebab itu, diagram TTT harus disesuaikan untuk pendinginan kontinyu tersebut.

• Diagram yang dipakai disebut diagram transformasi pendinginan continyu (Diagram CCT).

3/31/2015

9

Continuous Cooling

Transformation Diagrams

� Isothermal heat treatments are

not the most practical due to

rapidly cooling and constant

maintenance at an elevated

temperature.

� Most heat treatments for steels

involve the continuous cooling

of a specimen to room

temperature.

� TTT diagram (dashed curve) is

modified for a CCT diagram

(solid curve).

� For continuous cooling, the time

required for a reaction to begin

and end is delayed.

� The isothermal curves are

shifted to longer times and

lower temperatures.

Pada gambar di samping diperlihatkan

kurva pendinginan cepat dan lambat

yang masing-masingnya menghasilkan

pearlite halus dan pearlit kasar.

Pada diagram CCT tidak terbentuk

bainit karena austenit akan membentuk

pearlit pada saat seharusnya terbentuk

bainit.

Pada pendinginan melewati A-B

Austenit yang belum membentuk pearlit

akan menjadi martensit ketika melewati

garis M (start).

� Untuk pendingin kontinyu baja

panduan dikenal “laju quenching

kritis” yaitu laju minimum

quencning (pencelupan) yang akan

menghasilkan struktur martensit

total (laju quencning kritis = laju

pendinginan kritis).

� Continuous cooling

diagram for a 4340 steel

alloy and several cooling

curves superimposed.

� This demonstrates the

dependence of the final

microstructure on the

transformations that

occur during cooling.

� Alloying elements used to

modify the critical cooling

rate for martensite are

chromium, nickel,

molybdenum,

manganese, silicon and

tungsten.