Fasa Transformasi Pendahuluan Kekuatan tarik komposisi paduan Fe-C eutectoid dapat bervariasi antara 700-2000 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. 2 6623 - Taufiqur Rachman 1
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: a) Difusi yang tergantung pada transformasi dengan tidak mengubah jumlah dan komposisi fasa (pemadatan logam murni, transformasi allotropic, dll). b) Difusi yang tergantung pada transformasi dengan perubahan jumlah dan komposisi fase (reaksi eutectoid). c) Difusi transformasi (transformasi martensitic dalam paduan baja). 3 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 batasbatas 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. 4 6623 - Taufiqur Rachman 2
Mekanisme Gerak/Kinetics Reaksi Pemadatan 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. Dimana: c adalah konstanta, D adalah konstanta difusi. Ketergantungan waktu dari tingkat dimana reaksi (fase transformasi) terjadi inilah yang dimaksud dengan istilah reaksi mekanisme gerak/kinetics. 5 Mekanisme Gerak/Kinetics Reaksi Pemadatan 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: (mirip dengan ketergantungan suhu dari konstanta difusi), dalam hal ini dikatakan panas telah diaktifkan. 6 6623 - Taufiqur Rachman 3
Fraksi dari transformasi (y) Persen Rekristalisasi Gambar dari reaksi fraksi dibandingkan dengan logaritma waktu dari transformasi pemadatan pada suhu konstan 1.0 0.5 Dimana: k dan n adalah konstanta waktu independen 0 Nukleasi t 0.5 Pertumbuhan Logaritma dari waktu pemanasan (t) 7 Gambar pengendalian suhu terhadap kinetika transformasi pada rekristalisasi dari Cu Skala Logaritma Waktu (min) 8 6623 - Taufiqur Rachman 4
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 lebih (supercooling) dan pemanasan lebih (superheating). Semakin cepat pendinginan atau pemanasan, semakin supercooling atau superheating. 9 Transformasi Multifasa 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, 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 10-20 C lebih rendah dari suhu transformasi kesetimbangan. 10 6623 - Taufiqur Rachman 5
% Pearlite % Austenite Diagram Transformasi Isotermal Paduan Fe-C Pearlite adalah produk struktur mikro dari transformasi Suhu sangat penting dalam transformasi ini Setiap kurva diperoleh dari pendinginan cepat austenite pada suhu tertentu. Waktu (detik) 11 Diagram Transformasi Isotermal Paduan Eutectoid Fe-C Digunakan untuk melakukan analisa dari ketergantungan transformasi terhadap suhu dan waktu. 727 o C Data untuk pembuatan diagram diperoleh dari serangkaian plot dari % transformasi terhadap logaritma waktu yang diteliti pada suhu tertentu. 12 6623 - Taufiqur Rachman 6
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 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). 13 Kurva Isotermal Aktual Perlakuan Panas Pada Diagram Transformasi Isotermal Pendinginan secara cepat Perlakuan isotermal Menyatakan terjadinya transformasi Ketebalan ferrite untuk lapisan cementite adalah sekitar 8 sampai 1 14 6623 - Taufiqur Rachman 7
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. Pearlite kasar Pearlite halus 15 Diagram Transformasi Isotermal Paduan Fe-C (1.13 %wt C) Untuk komposisi paduan lain Fe-C, fasa proeutectoid dari ferrite atau cementite akan berdampingan dengan pearlite dan karena itu diagram transformasi isotermal memiliki kurva tambahan. A = austenite C = proeutectoid cementite P = pearlite 16 6623 - Taufiqur Rachman 8
Bainite Struktur ini tampak seperti jarum atau piring. Tidak ada fase proeutectoid. Merupakan struktur mikro yang terbentuk sebagai hasil dari transformasi austenite. Terdiri dari ferrite dan cementite serta sebagai hasilnya proses difusi terjadi. Hidung (540 o C) Bainite 17 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 eutektoid (seperti 700 o C) selama 18-24 jam, akan terbentuk mikro struktur lain yang disebut spheroidite. Ferrite Cementite 18 6623 - Taufiqur Rachman 9
Martensite Struktur mikro lain terbentuk ketika austenite didinginkan secara cepat atau dipadamkan dengan suhu relatif rendah (sekitar T) yang disebut martensite. Martensite adalah struktur fase tunggal ketidaksetimbangan dan diproduksi sebagai hasil dari transformasi difusi austenite. Tingkat pendinginan harus sangat tinggi untuk mencegah difusi karbon. FCC austenite mengalami transformasi polymorphic ke body centered tetragonal (BCT) martensite. Carbon (C) Besi (Fe) 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. Karena berada dalam fase ketidaksetimbangan, martensite tidak muncul pada diagram fasa Fe-Fe 3 C. 19 Martensite Austenite untuk transformasi martensite ditunjukkan pada diagram transformasi isotermal. M = martensite Suhu dari perubahan transformasi dengan komposisi paduan dan transformasi martensite hanya tergantung pada T, tidak dengan waktu. Jenis transformasi ini disebut transformasi athermal. 20 6623 - Taufiqur Rachman 10
Sifat Mekanis Paduan Fe-C (Pearlite) Cementite jauh lebih keras tetapi lebih rapuh dari ferrite. Oleh karena itu peningkatan fraksi Fe 3 C akan membuat bahan yang dihasilkan lebih keras dan kuat. Ketika Fe 3 C 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. 21 Grafik Perbandingan Sifat Mekanis Terhadap Komposisi Karbon Pada Baja Karbon Dengan Struktur Mikro Pearlite Halus Kekuatan Mulur, Kekuatan Tarik, dan Kekerasan Brinell Keuletan (%El and %RA) dan Dampak Energi Izod 22 6623 - Taufiqur Rachman 11
Sifat Mekanis Paduan Fe-C (Pearlite) Ada aturan antara dua fasa yang melintasi batas α dan Fe 3 C. 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. 23 Grafik Perbandingan Fungsi Konsentrasi Karbon Pada Baja Karbon Dengan Struktur Mikro Pearlite Halus Dan Kasar Serta Spheroidite Kekerasan Brinell Dan Rockwell Keuletan (%RA) 24 6623 - Taufiqur Rachman 12
Sifat Mekanis Paduan Fe-C (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. 25 Sifat Mekanis Paduan Fe-C (Bainite) Baja bainitic memiliki struktur lebih halus sehingga lebih kuat dan lebih keras dari pearlitic. Memiliki kekuatan dan keuletan yang cukup baik. 26 6623 - Taufiqur Rachman 13
Sifat Mekanis Paduan Fe-C (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 pada struktur BCT. 27 Kekerasan Brinell dan kekuatan tarik sebagai fungsi suhu transformasi isothermal pada paduan besi-karbon dengan komposisi eutectoid, pada rentang suhu di mana struktur mikro bainitic dan pearlite terbentuk Kekerasan sebagai fungsi dari konsentrasi karbon untuk karbon martensitic, tempered martensitic (pada suhu tempered 371 o C/700 o F), dan baja pearlitic. 28 6623 - Taufiqur Rachman 14
Ringkasan Sifat Mekanis Paduan Fe-C Kekuatan dan kekerasan pada struktur mikro yang berbeda berbanding terbalik dengan ukuran struktur mikro. Spheroidite adalah paling lembut, Pearlite halus lebih kuat dari pearlite kasar, Bainite lebih kuat dari pearlite, dan Martensite adalah yang terkuat dari semua. Semakin kuat dan semakin keras, merupakan fasa terjadinya kerapuhan. 29 Ringkasan Sifat Mekanis Paduan Fe-C 30 6623 - Taufiqur Rachman 15
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. Martensite (BCT, Satu Fasa ) Tempered Martensite (α + Fasa Fe 3 C) 31 Tempered Martensite Tempering dilakukan dengan memanaskan martensite pada T di bawah suhu eutectoid (250 0 C-650 0 C) dan menjaga T dalam periode waktu tertentu. Pembentukan tempered martensite adalah dengan proses diffusional. Foto mikro elektron dari tempered martensite. Tempering dilakukan pada 594 o C (1100 o F). Partikelpartikel kecil adalah fasa cementite, fasa matriks adalah α ferrite 9300x. Partikel cementite yang sangat kecil yang tersebar secara homogen Matrix ferrite 32 6623 - Taufiqur Rachman 16
Tempered Martensite 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. 33 Tempered Martensite 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: Suhu, dan Waktu 34 6623 - Taufiqur Rachman 17
Moderate Cooling Re heat Kekuatan tarik, kekuatan mulur, dan keuletan terhadap suhu tenpering untuk oil-quenched (penginginan minyak) pada baja paduan (tipe 4340), dengan waktu 1jam. Kekerasan terhadap waktu tempering untuk water-quenched (pendinginan air) eutectoid pada baja karbon (tipe 1080). Ketika waktu bertambah, maka kekerasan akan menurun. 35 Ringkasan Fasa Transformasi Paduan Fe-C Slow Cooling Pearlite (α + Fe 3 C) + a proeutectoid phase Keterangan: Melibatkan difusi Tanpa difusi Austenite Bainite (α + Fe 3 C phases) Rapid Quench Martensite (BCT phases) Tempered Martensite (α + Fe 3 C phases) 36 6623 - Taufiqur Rachman 18
Daftar Pustaka 1. http://www.ce.berkeley.edu 2. http://ari.cankaya.edu.tr 3. http://www.csun.edu 4. http://www.people.virginia.edu 5. http://www.ims.uconn.edu 6. http://www.ims.uconn.edu 7. http://www.virginia.edu Sekian & Terima kasih 37 6623 - Taufiqur Rachman 19