Pertemuan ke-8 PERUBHN SIFT DN STRUKTUR MIKRO PD PDUN BESI KRBON Nurun Nayiroh, M.Si PERLITE 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. MK:TRNSFORMSI FS PERLITE Transformasi Eutectoid (sistem Fe-Fe 3 C): γ + Fe 3 C Selama transformasi terjadi, 0.76 wt% C 6.7 wt% C pendinginan harus di bawah 727 C 0.022 wt% C ferrite 1 δ 1400 γ γ+l 1200 1148 C (austenite) 1000 0.022 γ +Fe 3 C Eutectoid: Equil. Cooling: T transf. = 727ºC 727 C T +Fe 3 C Undercooling by T transf. < 727 C 0.76 400 0 1 2 3 4 5 6 6.7 (Fe) C, wt% C L L+Fe 3 C Fe 3 C (cementite) Diagram Transformasi Isotermal (ustenit ke Pearlite) Consider: The Fe-Fe 3 C system, for Co = 0.76 wt% C transformation temperature of 675 C. % transformed 100 T = 675 C 50 400 0 1 10 2 10 4 time (s) ustenite (stable) 700 ustenite T E (727 C) TE=Temperatur Eutectoid (unstable) Pearlite Disebut juga kurva TTT (Time isothermal transformation at 675 C Temperature Transformation). 500 1 10 10 2 10 3 10 4 10 5 time (s) Transformasi terjadi dibawah garis eutectoid atau supercooling (TE=727 C). Transformasi terjadi pada temperatur tetap atau isothermal. 1
Transformation of austenite to pearlite: ustenite (γ) grain boundary γ For this transformation, rate increases with ( T) [T eutectoid T ]. Laju Transformasi Eutectoid ~ T cementite (Fe 3 C) Ferrite () γ % pearlite pearlite growth direction 100 C ( T larger) 50 0 650 C 675 C ( T smaller) Diffusion of C during transformation γ γ Carbon diffusion Diagram Transformasi Isothermal Eutectoid iron-carbon alloy; composition, Co = 0.76 wt% C Begin at T > 727 C Rapidly cool to 625 C (titik -B) and hold isothermally (titik B-C-D). ustenite-to-pearlite Coarse pearlite formed at higher temperatures relatively soft Fine pearlite formed at lower temperatures relatively hard Gambar di atas memperlihatkan transformasi fasa austenit ke pearlit. ustenit didinginkan secara cepat dari 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 o C 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 2
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. 900 700 500 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: + C + P P T E (727 C) 1 10 10 2 10 3 10 4 time (s) dapted from Fig. 11.16, Callister & Rethwisch 3e. 1 δ 1400 1200 γ γ+l (austenite) 1000 0.022 0.76 T Fe 3 C (cementite) 400 0 1 2 3 4 5 6 6.7 (Fe) C, wt%c dapted from Fig. 10.28, Callister & Rethwisch 3e. 1.13 L γ +Fe 3 C +Fe 3 C L+Fe 3 C 727 C Hypereutectoid composition proeutectoid cementite 10 Kurva TTT fasa proeutectoid Possible Transformations Strength Martensite T Martensite bainite fine pearlite coarse pearlite spheroidite General Trends Ductility 3
BINITE Bainite adalah struktur ferit dan sementit yang berbentuk lidi atau plat tergantungtemperatur transformasi. Struktur mikro bainit adalah sangat halus ustenite (stable) sehingga resolusinya hanya bisa dilihat dengan P mikroskop elektron. pearlite Temperatur pembentukan bainit terjadi dibawah temperatur pembentukan pearlite yaitu diantara 400 bainite B temperatur 215 o C-540 o C. Laju pembentukan bainit akan naik dengan 200 naiknya temperatur. 10-1 10 10 3 10 5 Bainite: Hasil transformasi yang Non-Equil elongated Fe 3 C particles in -ferrite matrix diffusion controlled lathes (strips) with long rods of Fe 3 C T E time (s) Martensite Cementite Ferrite Foto mokroskop untuk bainit Kurva TTT Bainite Mikrostruktur Bainite Bainiteterdiri dari ferit lancip (seperti jarum) dengan partikel sementit sangat kecil yang tersebar di seluruh ferit. kandungan karbon > 0.1%. Bainitebertransformasi menjadi iron and cementite dengan waktu dan temperatur yang cukup (anggap semi-stable di bawah 150 C). 4
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 o C selama 18 s/d 24 jam, maka akan terbentuk struktur mikro yang lain dan disebut spheroidite. Struktur spheroidite mempunyai bentuk dimana fasa Fe 3 C muncul dalam bentuk lingkaran/bulat pada bahan ferit. Transformasi ini terjadi karena difusi atom karbon tanpa perubahan komposisi ferit dan sementit. Spheroidite: Nonequilibrium Transformation Fe3C particles within an -ferrite matrix diffusion dependent heat bainite or pearlite at temperature just below eutectoid for long times driving force reduction of -ferrite/fe 3 C interfacial area 400 200 10-1 ustenite (stable) P B 50% 0% TE 10 10 3 10 5 time (s) Kurva TTT Spheroidite spheroidite Spheroidite spheroidite 10 Pearlitic Steel partially transformed to Spheroidite MRTENSITE 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. 5
Martensite Formation Isothermal Transformation Diagram ustenite (stable) T E P Struktur BCT dari Martensit 400 B 200 10-1 M + M + M 0% 50% 90% 10 10 3 10 5 time (s) single phase body centered tetragonal (BCT) crystal structure BCT if C 0 > 0.15 wt% C Diffusionless transformation BCT few slip planes hard, brittle % transformation depends only on T of rapid cooling Martensite needles ustenite n micrograph of austenite that was polished flat and then allowed to transform into martensite. The different colors indicate the displacements caused when martensiteforms. Diagram Transformasi Isothermal Iron-carbon alloy with eutectoid composition. : ustenite P: Pearlite B: Bainite M: Martensite 6
Pengaruh Penambahan Elemen Lain 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; Plain carbon steel: primary alloying element is carbon. 4340 Steel nose plain carbon steel Contoh: Dengan menggunakan diagram transformasi untuk paduan besikarbon 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 7 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 10 4 seconds Quench to room temperature Bainite, Penyelesaian: Pada setiap kasus, pendinginan awal cukup cepat untuk mencegah transformasi terjadi. Pada 350 0 C austenit secara isotermal akan bertransformasi ke bainit; reaksi ini dimulai setelah kira-kira 10 detik dan berlangsung sampai waktu 500 detik. Karena itu setelah 10 4 detik spesimen adalah bainit dan tidak terjadi transformasi yang lain, walaupun pendinginan akhir melewati daerah martensit pada diagram. Treatment (b) Rapidly cool to 250 C Hold for 100 seconds Quench to room temperature ustenite, Martensite, 7
Penyelesaian: Dalam hal ini, perlu waktu 150 detik pada 250 0 C untuk mulai bertransformasi menjadi bainit. Sehingga untuk waktu 100 detik spesimen masih dalam keadaan austenit. Ketika spesimen didinginkan meleati daerah martensite, dimulai pada 215 0 C, secara progresif austenite berubah menjadi martensite. Reaksi ini selesai ketika temperatur ruang tercapai. Sehingga struktur mikro akhirnya adalah martensite. Treatment (c) Rapidly cool to 650 C Hold for 20 seconds Rapidly cool to 400 C Hold for 10 3 seconds Quench to room temperature ustenite, lmost 50% Pearlite, 50% ustenite Bainite, 50% Final: 50% Bainite, 50% Pearlite Penyelesaian: Untuk garis isotermal pada 650 0 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 400 0 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. TRNSFORMSI PENDINGINN 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, diagramttt harus disesuaikan untuk pendinginan kontinyu tersebut. Diagram yang dipakai disebut diagram transformasi pendinginan continyu (Diagram CCT). 8
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. Continuous Cooling Transformation Diagrams 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 -B ustenit 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. lloying elements used to modify the critical cooling rate for martensite are chromium, nickel, molybdenum, manganese, silicon and tungsten. 9