Materi #7 TIN107 Material Teknik 2013 FASA TRANSFORMASI

Transkripsi

1 #7 FASA TRANSFORMASI Pendahuluan Kekuatan tarik komposisi paduan Fe-C eutectoid dapat bervariasi antara MPa tergantung pada proses perlakuan panas yang diterapkan. Sifat mekanis yang diinginkan dari suatu material dapat diperoleh sebagai hasil dari fasa transformasi yang menggunakan proses perlakuan panas yang tepat. Untuk merancang sebuah perlakuan panas pada beberapa paduan dengan sifat yang diinginkan, hubungan (ketergantungan) waktu dan suhu dari beberapa fasa transformasi dapat digambarkan pada fasa diagram yang dimodifikasi. Tujuannya adalah untuk memperoleh struktur mikro khusus yang akan meningkatkan sifat mekanis logam, selain perbaikan ukuran butiran, penguatan larutan padat, dan pengerasan regangan. Fasa Transformasi Logam Pengembangan struktur mikro dengan menggunakan fasa transformasi, baik dalam paduan fasa tunggal dan dua fasa, melibatkan perubahan dalam jumlah dan karakter dari fasa. Fasa transformasi membutuhkan waktu dan memungkinkan penentuan tingkat transformasi atau kinetika/kinetics. Fasa transformasi mengubah struktur mikro dan dibedakan menjadi tiga kelas, yaitu: 1) Difusi yang tergantung pada transformasi dengan tidak mengubah jumlah dan komposisi fasa (pemadatan logam murni, transformasi allotropic, dll). 2) Difusi yang tergantung pada transformasi dengan perubahan jumlah dan komposisi fase (reaksi eutectoid). 3) Difusi transformasi (transformasi martensitic dalam paduan baja). Mekanisme Gerak/Kinetics Reaksi Pemadatan Transformasi (pembentukan fasa baru dengan komposisi dan struktur berbeda) yang melibatkan difusi tergantung pada waktu. Waktu juga diperlukan untuk meningkatkan energi yang terkait dengan batas-batas fasa antara fasa induk dan fasa produk. Nukleasi, (pertumbuhan inti), pembentukan butir dan batas butir serta pembentukan kesetimbangan membutuhkan waktu. Sehingga laju transformasi (kemajuan transformasi) adalah fungsi waktu. Dalam penelitian kinetik, selesainya reaksi dari fraksi diukur sebagai fungsi dari waktu yang konstan (t). Kemajuan transformasi dapat diukur dengan pemeriksaan mikroskopis atau mengukur sifat fisik (misalnya, konduktivitas). Data yang diperoleh digambarkan sebagai bagian kecil dari transformasi terhadap logaritma waktu. Perubahan komposisi menunjukkan penataan ulang atom, yang memerlukan difusi. Atom digantikan secara acak. Perpindahan atom tertentu (d), tidak linear dengan waktu (t), seperti akan menjadi sebuah lintasan lurus, tapi sebanding dengan akar kuadrat dari waktu, dikarenakan jalur/path yang berliku. Hal ini sesuai dengan persamaan berikut. d = c Dt (7.1) 1 / Taufiqur Rachman (

2 Ketergantungan waktu dari tingkat dimana reaksi (fase transformasi) terjadi inilah yang dimaksud dengan istilah reaksi mekanisme gerak/kinetics. D disebut konstanta karena tidak tergantung pada waktu, tetapi tergantung pada temperatur, dimana difusi terjadi lebih cepat pada suhu tinggi. Tahap transformasi membutuhkan dua proses: nukleasi (pembentukan inti) dan pertumbuhan. Nukleasi melibatkan pembentukan partikel yang sangat kecil, atau inti (misalnya, batas butir, cacat). Hal ini mirip dengan hujan terjadi ketika molekul air mengembun di sekitar partikel debu. Selama pertumbuhan, inti tumbuh dalam ukuran dengan mengorbankan materi sekitarnya. Perilaku mekanisme gerak/kinetics sering berbentuk S S-shape), ketika persentase yang direncanakan bahan berubah dibandingkan dengan logaritma waktu. Tahap nukleasi dianggap sebagai masa inkubasi, di mana sepertinya tidak ada yang terjadi. Untuk rentang suhu tertentu, tingkat transformasi meningkat sesuai dengan persamaan berikut. r = Ae Q RT... (7.2) Persamaan di atas mirip dengan ketergantungan suhu dari konstanta difusi), dalam hal ini dikatakan panas telah diaktifkan. Gambar 7.1 berikut akan memperlihatkan ketergantungan reaksi fraksi dengan waktu dan suhu dari transformasi pemadatan. Gambar 7.1 Reaksi Fraksi Transformasi Pemadatan Berbanding Logaritma Waktu Pada Suhu Konstan Berdasarkan Gambar 7.1 garis yang dibentuk dapat mengikuti persamaan berikut dengan k dan n adalah konstanta waktu independen. y = 1 exp kt n Sehingga: r =... (7.3) 1 t (7.4) 2 / Taufiqur Rachman (

3 Transformasi Multifasa Fasa transformasi dapat dilakukan dengan memvariasikan suhu, komposisi dan tekanan eksternal. Sebagian besar fasa transformasi memerlukan beberapa waktu tertentu untuk menyelesaikannya dan laju transformasi sangat penting dalam hubungan antara perlakuan panas dan pengembangan struktur mikro. Tingkat transformasi untuk mencapai keadaan setimbang sangat lambat dan kondisi kesetimbangan dipelihara jika pemanasan/pendinginan sangat lambat. Umumnya, transformasi dialihkan ke suhu yang lebih rendah untuk pendinginan atau lebih tinggi untuk pemanasan. Fenomena ini disebut pendinginan super (supercooling) dan pemanasan super (superheating). Semakin cepat pendinginan atau pemanasan, semakin besar tingkat supercooling atau superheating. Untuk menggambarkan fasa transformasi yang terjadi selama pendinginan, fasa diagram kesetimbangan/equilibrium tidak memadai jika laju transformasi lebih lambat dibandingkan dengan laju pendinginan. Hal ini biasanya terjadi dalam kenyataannya/praktek di lapangan, sehingga kesetimbangan struktur mikro jarang diperoleh. Ini berarti bahwa transformasi tertunda (misalnya, kasus pendinginan), dan menyatakan metastabil/metastable terbentuk. Kemudian perlu untuk diketahui pengaruh waktu pada fasa transformasi. Untuk banyak material paduan, keadaan yang dipilih adalah keadaan metastable (peralihan antara keadaan awal dan kesetimbangan). Sebagai contoh, reaksi eutektoid Fe-C biasanya kehilangan C lebih rendah dari suhu transformasi kesetimbangan. Transformasi Isotermal Paduan Fe-C Pearlite adalah produk struktur mikro dari transformasi seperti digambarkan dalam persamaan berikut. γ wt% C cooling heating α wt% C + Fe 3 C wt% C... (7.5) Suhu sangat penting dalam transformasi ini. Setiap kurva diperoleh dari pendinginan cepat austenite pada suhu tertentu. Diagram Transformasi Isotermal Paduan Fe- C dapat dilihat dalam gambar 7.2. Gambar 7.2. Diagram Transformasi Isotermal Paduan Fe-C 3 / Taufiqur Rachman (

4 Transformasi Isotermal Paduan Eutectoid Fe-C Selain itu, dalam paduan Fe-C terdapat diagram transformasi isotermal yang eutectoid. Diagram ini digunakan untuk melakukan analisa dari ketergantungan transformasi terhadap suhu dan waktu. Data untuk pembuatan diagram diperoleh dari serangkaian plot dari %transformasi terhadap logaritma waktu yang diteliti pada suhu tertentu, seperti dalam gambar 7.3. Gambar 7.3. Diagram Transformasi Isotermal Paduan Eutectoid Fe-C Pada T tepat di bawah 727 C, waktu yang sangat panjang diperlukan untuk transformasi 50% (pada waktu 105 detik), sehingga laju transformasi lambat. Peningkatan laju transformasi sebagai akibat menurunnya T, misal: pada 540 C diperlukan 3 detik untuk penyelesaian 50%. Pengamatan ini jelas bertentangan dengan persamaan (7.2). Hal ini karena dalam rentang T 540 C 727 C, laju transformasi dikendalikan oleh laju nukleasi pearlite dan laju nukleasi berkurang dengan peningkatan T. Q di persamaan ini adalah energi aktivasi untuk nukleasi dan meningkat dengan peningkatan T. Telah ditemukan bahwa pada T lebih rendah, dekomposisi austenite dikendalikan oleh difusi dan sifat laju dapat dihitung dengan menggunakan Q untuk difusi yang independen dari T. Diagram fase isotermal juga disebut diagram time-temperaturetransformation (TTT). Secara lengkap, diagram transformasi isotermal dari perlakuan panas secara aktual seperti dalam gambar 7.4 berikut ini. 4 / Taufiqur Rachman (

5 Gambar 7.4. Kurva Isotermal Aktual Perlakuan Panas Pada Diagram Transformasi Isotermal Ketebalan Lapisan Ketebalan lapisan tergantung pada temperatur dimana transformasi isotermal terjadi. Misalnya pada T tepat di bawah eutectoid, lapisan yang dihasilkan relatif tebal dari kedua fasa ferrite dan cementite. Struktur ini disebut pearlite kasar. Pada T lebih rendah, tingkat difusi lebih lambat, yang menyebabkan pembentukan lapisan tipis di sekitar 540 o C. Struktur ini disebut pearlite halus. Untuk komposisi paduan lain Fe-C (1.13 %wt C), fasa proeutectoid dari ferrite atau cementite akan berdampingan dengan pearlite dan karena itu diagram transformasi isotermal memiliki kurva tambahan, seperti yang tertera dalam gambar 7.5. Dalam gambar tersebut A adalah austenite, C adalah proeutectoid cementite, dan P adalah pearlite. Gambar 7.5. Diagram Transformasi Isotermal Paduan Fe-C (1.13 %wt C) 5 / Taufiqur Rachman (

6 Bainite Merupakan struktur mikro yang terbentuk sebagai hasil dari transformasi austenite. Terdiri dari ferrite dan cementite serta sebagai hasilnya proses difusi terjadi. Struktur ini tampak seperti jarum atau piring. Tidak ada fase proeutectoid. Diagram pembentukan bainite dapat dilihat pada gambar 7.6. dalam gambar tersebut B adalah bainite. Gambar 7.6. Diagram Pembentukan Bainite Struktur Mikro Spheroidite Transformasi pearlitic dan bainitic bersifat kompetitif dan transformasi dari yang lain memerlukan pemanasan kembali. Kinetika pembentukan bainite mengikuti persamaan yang berhubungan dengan tingkat suhu. Jika baja paduan dengan struktur pearlitic atau bainitic dipanaskan sampai dan dibiarkan pada suhu di bawah suhu eutectoid (seperti 700 o C) selama jam, akan terbentuk mikro struktur lain yang disebut spheroidite. Martensite Struktur mikro lain terbentuk ketika austenite didinginkan secara cepat atau dipadamkan dengan suhu relatif rendah (sekitar T) yang disebut martensite. Martensite adalah ketidaksetimbangan struktur fase tunggal dan diproduksi sebagai hasil dari transformasi difusi austenite. Tingkat pendinginan harus sangat tinggi untuk mencegah difusi karbon. Baja dapat mempertahankan struktur martensite mereka tanpa batas di R-T sejak transformasi martensite tidak melibatkan difusi. Oleh karena itu transformasi tidak tergantung oleh waktu. 6 / Taufiqur Rachman (

7 Karena berada dalam fase ketidaksetimbangan, martensite tidak muncul pada diagram fasa Fe-Fe3C. Austenite untuk transformasi martensite ditunjukkan pada diagram transformasi isotermal pada gambar 7.7. Gambar 7.7. Diagram Pembentukan Martensite Dari gambar 7.7. dapat diketahui bahwa suhu dari perubahan transformasi dengan komposisi paduan dari transformasi martensite hanya tergantung pada T, tidak dengan waktu. Jenis transformasi ini disebut transformasi athermal. Dalam gambar tersebut M adalah martensite. Sifat Mekanis Paduan Fe-C A. Pearlite Cementite jauh lebih keras tetapi lebih rapuh dari ferrite. Oleh karena itu peningkatan fraksi Fe3C akan membuat bahan yang dihasilkan lebih keras dan kuat. Ketika Fe3C rapuh, terjadi peningkatan isi kandungan, namun menurunkan keuletan material. Ketebalan lapisan penting untuk sifat mekanis material. Pearlite halus lebih keras dan lebih kuat dari pearlite kasar. Pearlite kasar lebih ulet dari pearlite halus, karena pembatasan yang lebih besar terhadap deformasi plastik dari pearlite halus. Ada aturan antara dua fasa yang melintasi batas α dan Fe3C. Lapisan cementite yang kuat dan kaku membatasi deformasi lapisan ferrite halus dan daerah batas fasa meningkat per satuan volume bahan, tingkat penguatan juga lebih tinggi. Selain itu batas fasa bertindak seperti hambatan untuk gerakan dislokasi. Inilah sebabnya pearlite halus memiliki kekuatan dan kekerasan yang lebih besar. 7 / Taufiqur Rachman (

8 Gambar 7.8. Grafik Perbandingan Sifat Mekanis Terhadap Komposisi Karbon Pada Baja Karbon Dengan Struktur Mikro Pearlite Halus Gambar 7.9. Grafik Perbandingan Fungsi Konsentrasi Karbon Pada Baja Karbon Dengan Struktur Mikro Pearlite Halus Dan Kasar Serta Spheroidite 8 / Taufiqur Rachman (

9 B. Spheroidite Memiliki kekuatan dan kekerasan lebih rendah dari struktur mikro pearlitic. Hal ini karena daerah batas fasa struktur mikro spheroiditic lebih kecil. Dari semua baja paduan, spheroidite memiliki struktur mikro yang paling lembut dan paling lemah. Baja spheroidized memiliki keuletan yang lebih tinggi dari pearlite kasar. C. Bainite Baja bainitic memiliki struktur lebih halus sehingga lebih kuat dan lebih keras dari pearlitic. Memiliki kekuatan dan keuletan yang cukup baik. D. Martensite Baja paduan paling keras dan kuat serta bentuk yang paling rapuh. Memiliki keuletan rendah diabaikan). Kekerasannya dikendalikan oleh kandungan C sampai 0,6%wt dari struktur mikro. Sifat ini hasil dari efektivitas atom interstisial C dalam menghambat gerak dislokasi dan adanya sedikit sistem slip. Tempered Martensite Martensite sangat keras tetapi juga sangat rapuh sehingga tidak dapat digunakan di sebagian besar aplikasi. Setiap tekanan internal yang telah diterapkan selama pendinginan memiliki efek melemahkan. Keuletan dan ketangguhan material dapat ditingkatkan dengan perlakuan panas yang disebut tempering, yang membantu melepaskan tekanan internal. Tempering dilakukan dengan memanaskan martensite pada T di bawah suhu eutectoid (250 0 C C) dan menjaga T dalam periode waktu tertentu. Pembentukan tempered martensite adalah dengan proses diffusional. Tempered martensite mungkin hampir sekeras dan sekuat martensite, tapi dengan keuletan dan ketangguhan yang meningkat. Kekerasan dan kekuatan mungkin karena luas area dari batas fasa per satuan volume material. Batas fasa bertindak seperti penghalang bagi dislokasi. Terjadinya fasa ferrite pada tempered martensite menambah keuletan dan ketangguhan material. Ukuran partikel cementite adalah faktor penting yang menentukan sifat mekanis. Ketika ukuran partikel cementite meningkat, material menjadi lebih lembut dan lebih lemah. Suhu tempering menentukan ukuran partikel cementite. Ketika transformasi martensite menjadi tempered martensite melibatkan difusi, peningkatan T akan mempercepat difusi dan laju pertumbuhan partikel cementite serta tingkat kelunakan sebagai hasilnya. Perlakuan panas dari martensite memiliki dua variabel, yaitu suhu, dan waktu. 9 / Taufiqur Rachman (

10 Ringkasan Fasa Transformasi Paduan Fe-C Austenite Slow Cooling Moderate Cooling Rapid Quench Pearlite -- (α + Fe3C) + Fasa proeutectoid Bainite -- (α + Fe3C) + Fasa proeutectoid Martensite -- Fasa BCT Re-heat Tempered Martensite Fasa (α + Fe3C) Gambar Fasa Transformasi Paduan Fe-C Referensi ### SEKIAN & TERIMA KASIH ### 10 / Taufiqur Rachman (