Definisi dan tujuan pendinginan
Baja dipanaskan hingga suhu di atas titik kritis Ac3 (baja hipoeutektoid) atau Ac1 (baja hipereutektoid), ditahan selama jangka waktu tertentu agar menjadi austenit sepenuhnya atau sebagian, dan kemudian didinginkan dengan kecepatan lebih besar dari kecepatan pendinginan kritis. Proses perlakuan panas yang mengubah austenit superdingin menjadi martensit atau bainit bawah disebut pendinginan cepat (quenching).
Tujuan pendinginan cepat (quenching) adalah untuk mengubah austenit superdingin menjadi martensit atau bainit untuk mendapatkan struktur martensit atau bainit bawah, yang kemudian dikombinasikan dengan temper pada suhu yang berbeda untuk meningkatkan kekuatan, kekerasan, dan ketahanan baja secara signifikan. Ketahanan aus, kekuatan lelah, dan ketangguhan, dll., untuk memenuhi berbagai persyaratan penggunaan berbagai komponen dan perkakas mekanik. Pendinginan cepat juga dapat digunakan untuk memenuhi sifat fisik dan kimia khusus dari baja khusus tertentu seperti feromagnetisme dan ketahanan korosi.
Ketika bagian-bagian baja didinginkan dalam media pendinginan dengan perubahan keadaan fisik, proses pendinginan umumnya dibagi menjadi tiga tahap berikut: tahap lapisan uap, tahap pendidihan, dan tahap konveksi.
Kemampuan pengerasan baja
Ketahanan terhadap pengerasan dan daya tahan terhadap pengerasan adalah dua indikator kinerja yang mencirikan kemampuan baja untuk mengalami pendinginan. Keduanya juga merupakan dasar penting untuk pemilihan dan penggunaan material.
1. Konsep kekerasan dan kemampuan mengeras
Kemampuan pengerasan adalah kemampuan baja untuk mencapai kekerasan tertinggi yang dapat dicapainya ketika didinginkan dan dikeraskan dalam kondisi ideal. Faktor utama yang menentukan kemampuan pengerasan baja adalah kandungan karbon baja tersebut. Lebih tepatnya, kandungan karbon yang larut dalam austenit selama pendinginan dan pemanasan. Semakin tinggi kandungan karbon, semakin tinggi kemampuan pengerasan baja tersebut. Unsur-unsur paduan dalam baja memiliki sedikit pengaruh pada kemampuan pengerasan, tetapi memiliki pengaruh yang signifikan pada kemampuan pengerasan baja tersebut.
Kemampuan pengerasan mengacu pada karakteristik yang menentukan kedalaman pengerasan dan distribusi kekerasan baja dalam kondisi tertentu. Artinya, kemampuan untuk mendapatkan kedalaman lapisan yang mengeras ketika baja didinginkan. Ini adalah sifat inheren baja. Kemampuan pengerasan sebenarnya mencerminkan kemudahan transformasi austenit menjadi martensit ketika baja didinginkan. Hal ini terutama berkaitan dengan stabilitas austenit superdingin baja, atau dengan laju pendinginan kritis baja.
Perlu juga ditekankan bahwa kemampuan pengerasan baja harus dibedakan dari kedalaman pengerasan efektif bagian baja di bawah kondisi pendinginan tertentu. Kemampuan pengerasan baja adalah sifat inheren dari baja itu sendiri. Hal ini hanya bergantung pada faktor internalnya sendiri dan tidak ada hubungannya dengan faktor eksternal. Kedalaman pengerasan efektif baja tidak hanya bergantung pada kemampuan pengerasan baja, tetapi juga bergantung pada material yang digunakan. Hal ini terkait dengan faktor eksternal seperti media pendingin dan ukuran benda kerja. Misalnya, di bawah kondisi austenitisasi yang sama, kemampuan pengerasan baja yang sama adalah sama, tetapi kedalaman pengerasan efektif pendinginan air lebih besar daripada pendinginan minyak, dan bagian kecil memiliki kedalaman pengerasan yang lebih kecil daripada pendinginan minyak. Kedalaman pengerasan efektif bagian besar lebih besar. Ini tidak dapat dikatakan bahwa pendinginan air memiliki kemampuan pengerasan yang lebih tinggi daripada pendinginan minyak. Ini juga tidak dapat dikatakan bahwa bagian kecil memiliki kemampuan pengerasan yang lebih tinggi daripada bagian besar. Dapat dilihat bahwa untuk mengevaluasi kemampuan pengerasan baja, pengaruh faktor eksternal seperti bentuk benda kerja, ukuran, media pendingin, dan lain-lain harus dihilangkan.
Selain itu, karena kemampuan dikeraskan dan daya tempa adalah dua konsep yang berbeda, baja dengan kekerasan tinggi setelah pendinginan tidak selalu memiliki daya tempa yang tinggi; dan baja dengan kekerasan rendah mungkin juga memiliki daya tempa yang tinggi.
2. Faktor-faktor yang mempengaruhi kemampuan pengerasan
Kemampuan pengerasan baja bergantung pada stabilitas austenit. Faktor apa pun yang dapat meningkatkan stabilitas austenit superdingin, menggeser kurva C ke kanan, dan dengan demikian mengurangi laju pendinginan kritis dapat meningkatkan kemampuan pengerasan baja tinggi. Stabilitas austenit terutama bergantung pada komposisi kimianya, ukuran butir, dan keseragaman komposisi, yang terkait dengan komposisi kimia baja dan kondisi pemanasan.
3. Metode pengukuran kekerasan
Ada banyak metode untuk mengukur kekerasan baja, yang paling umum digunakan adalah metode pengukuran diameter kritis dan metode uji kekerasan ujung.
(1) Metode pengukuran diameter kritis
Setelah baja dipadamkan dalam media tertentu, diameter maksimum ketika inti memperoleh struktur martensit seluruhnya atau 50% martensit disebut diameter kritis, yang dilambangkan dengan Dc. Metode pengukuran diameter kritis adalah dengan membuat serangkaian batang bulat dengan diameter berbeda, dan setelah dipadamkan, mengukur kurva kekerasan U yang terdistribusi sepanjang diameter pada setiap bagian sampel, dan menemukan batang dengan struktur semi-martensit di tengahnya. Diameter batang bulat itulah diameter kritisnya. Semakin besar diameter kritis, semakin tinggi kemampuan pengerasan baja tersebut.
(2) Metode uji pendinginan ujung
Metode uji pendinginan ujung menggunakan spesimen pendinginan ujung ukuran standar (Ф25mm×100mm). Setelah austenisasi, air disemprotkan pada salah satu ujung spesimen menggunakan peralatan khusus untuk mendinginkannya. Setelah pendinginan, kekerasan diukur sepanjang arah sumbu – dari ujung yang didinginkan air. Metode uji untuk kurva hubungan jarak. Metode uji pengerasan ujung adalah salah satu metode untuk menentukan kemampuan pengerasan baja. Kelebihannya adalah pengoperasian yang sederhana dan jangkauan aplikasi yang luas.
4. Tegangan pendinginan, deformasi, dan keretakan
(1) Tegangan internal benda kerja selama pendinginan
Ketika benda kerja didinginkan dengan cepat dalam media pendinginan, karena benda kerja memiliki ukuran tertentu dan koefisien konduktivitas termal juga bernilai tertentu, gradien suhu tertentu akan terjadi di sepanjang bagian dalam benda kerja selama proses pendinginan. Suhu permukaan rendah, suhu inti tinggi, dan suhu permukaan serta inti tinggi. Terdapat perbedaan suhu. Selama proses pendinginan benda kerja, terdapat juga dua fenomena fisik: pertama adalah pemuaian termal, ketika suhu turun, panjang garis benda kerja akan menyusut; kedua adalah transformasi austenit menjadi martensit ketika suhu turun ke titik transformasi martensit, yang akan meningkatkan volume spesifik. Karena perbedaan suhu selama proses pendinginan, jumlah pemuaian termal akan berbeda di berbagai bagian sepanjang penampang benda kerja, dan tegangan internal akan dihasilkan di berbagai bagian benda kerja. Karena adanya perbedaan suhu di dalam benda kerja, mungkin juga ada bagian di mana suhu turun lebih cepat daripada titik di mana martensit terjadi. Selama transformasi, volume mengembang, dan bagian-bagian dengan suhu tinggi masih berada di atas titik tersebut dan masih dalam keadaan austenit. Bagian-bagian yang berbeda ini juga akan menghasilkan tegangan internal karena perbedaan perubahan volume spesifik. Oleh karena itu, dua jenis tegangan internal dapat dihasilkan selama proses pendinginan dan pendinginan cepat: satu adalah tegangan termal; yang lain adalah tegangan jaringan.
Berdasarkan karakteristik waktu keberadaan tegangan internal, tegangan juga dapat dibagi menjadi tegangan sesaat dan tegangan sisa. Tegangan internal yang dihasilkan oleh benda kerja pada saat tertentu selama proses pendinginan disebut tegangan sesaat; setelah benda kerja mendingin, tegangan yang tersisa di dalam benda kerja disebut tegangan sisa.
Tegangan termal mengacu pada tegangan yang disebabkan oleh pemuaian termal yang tidak konsisten (atau penyusutan dingin) akibat perbedaan suhu di berbagai bagian benda kerja ketika dipanaskan (atau didinginkan).
Sekarang, mari kita ambil contoh silinder padat untuk mengilustrasikan aturan pembentukan dan perubahan tegangan internal selama proses pendinginannya. Hanya tegangan aksial yang dibahas di sini. Pada awal pendinginan, karena permukaan mendingin dengan cepat, suhunya rendah, dan menyusut banyak, sementara inti mendingin, suhunya tinggi, dan penyusutannya kecil. Akibatnya, permukaan dan bagian dalam saling menahan, menghasilkan tegangan tarik pada permukaan, sementara inti berada di bawah tekanan. Seiring berjalannya pendinginan, perbedaan suhu antara bagian dalam dan luar meningkat, dan tegangan internal juga meningkat. Ketika tegangan meningkat hingga melebihi kekuatan luluh pada suhu ini, deformasi plastis terjadi. Karena ketebalan inti lebih tinggi daripada permukaan, inti selalu berkontraksi secara aksial terlebih dahulu. Akibat deformasi plastis, tegangan internal tidak lagi meningkat. Setelah pendinginan hingga periode waktu tertentu, penurunan suhu permukaan akan secara bertahap melambat, dan penyusutannya juga akan secara bertahap berkurang. Pada tahap ini, inti masih menyusut, sehingga tegangan tarik pada permukaan dan tegangan tekan pada inti akan secara bertahap berkurang hingga menghilang. Namun, seiring pendinginan berlanjut, kelembapan permukaan semakin rendah, dan jumlah penyusutan semakin berkurang, atau bahkan berhenti menyusut. Karena suhu di dalam inti masih tinggi, penyusutan akan terus berlanjut, dan akhirnya tegangan tekan akan terbentuk pada permukaan benda kerja, sementara inti akan mengalami tegangan tarik. Namun, karena suhunya rendah, deformasi plastis tidak mudah terjadi, sehingga tegangan ini akan meningkat seiring pendinginan berlangsung. Tegangan ini terus meningkat dan akhirnya tetap berada di dalam benda kerja sebagai tegangan sisa.
Terlihat bahwa tegangan termal selama proses pendinginan awalnya menyebabkan lapisan permukaan meregang dan inti terkompresi, dan tegangan sisa yang tersisa adalah lapisan permukaan yang terkompresi dan inti yang meregang.
Kesimpulannya, tegangan termal yang dihasilkan selama pendinginan quenching disebabkan oleh perbedaan suhu penampang selama proses pendinginan. Semakin besar laju pendinginan dan semakin besar perbedaan suhu penampang, semakin besar tegangan termal yang dihasilkan. Dalam kondisi media pendingin yang sama, semakin tinggi suhu pemanasan benda kerja, semakin besar ukurannya, semakin kecil konduktivitas termal baja, semakin besar perbedaan suhu di dalam benda kerja, dan semakin besar tegangan termal. Jika benda kerja didinginkan secara tidak merata pada suhu tinggi, benda kerja akan mengalami distorsi dan deformasi. Jika tegangan tarik sesaat yang dihasilkan selama proses pendinginan benda kerja lebih besar daripada kekuatan tarik material, maka akan terjadi retakan quenching.
Tegangan transformasi fasa mengacu pada tegangan yang disebabkan oleh perbedaan waktu transformasi fasa di berbagai bagian benda kerja selama proses perlakuan panas, yang juga dikenal sebagai tegangan jaringan.
Selama pendinginan cepat dan pendinginan mendadak, ketika lapisan permukaan didinginkan hingga titik Ms, transformasi martensitik terjadi dan menyebabkan ekspansi volume. Namun, karena hambatan inti yang belum mengalami transformasi, lapisan permukaan menghasilkan tegangan tekan, sedangkan inti memiliki tegangan tarik. Ketika tegangan cukup besar, akan menyebabkan deformasi. Ketika inti didinginkan hingga titik Ms, ia juga akan mengalami transformasi martensitik dan mengembang volumenya. Namun, karena kendala lapisan permukaan yang telah bertransformasi dengan plastisitas rendah dan kekuatan tinggi, tegangan sisa akhirnya akan berupa tegangan permukaan, dan inti akan berada di bawah tekanan. Dapat dilihat bahwa perubahan dan keadaan akhir tegangan transformasi fasa persis berlawanan dengan tegangan termal. Selain itu, karena tegangan perubahan fasa terjadi pada suhu rendah dengan plastisitas rendah, deformasi sulit terjadi pada saat ini, sehingga tegangan perubahan fasa lebih mungkin menyebabkan retak pada benda kerja.
Ada banyak faktor yang memengaruhi besarnya tegangan transformasi fasa. Semakin cepat laju pendinginan baja dalam kisaran suhu transformasi martensit, semakin besar ukuran potongan baja, semakin buruk konduktivitas termal baja, semakin besar volume spesifik martensit, semakin besar tegangan transformasi fasa. Selain itu, tegangan transformasi fasa juga berkaitan dengan komposisi baja dan kemampuan pengerasan baja. Misalnya, baja paduan tinggi karbon tinggi meningkatkan volume spesifik martensit karena kandungan karbonnya yang tinggi, yang seharusnya meningkatkan tegangan transformasi fasa baja. Namun, seiring peningkatan kandungan karbon, titik Ms menurun, dan terdapat sejumlah besar austenit yang tertahan setelah pendinginan. Ekspansi volumenya menurun dan tegangan sisa rendah.
(2) Deformasi benda kerja selama pendinginan
Selama proses pendinginan, terdapat dua jenis deformasi utama pada benda kerja: pertama, perubahan bentuk geometris benda kerja, yang dimanifestasikan sebagai perubahan ukuran dan bentuk, sering disebut deformasi lengkung, yang disebabkan oleh tegangan pendinginan; kedua, deformasi volume, yang dimanifestasikan sebagai ekspansi atau kontraksi proporsional dari volume benda kerja, yang disebabkan oleh perubahan volume spesifik selama perubahan fasa.
Deformasi lengkung juga mencakup deformasi bentuk dan deformasi puntir. Deformasi puntir terutama disebabkan oleh penempatan benda kerja yang tidak tepat di dalam tungku selama pemanasan, atau kurangnya perlakuan pembentukan setelah koreksi deformasi sebelum pendinginan, atau pendinginan yang tidak merata pada berbagai bagian benda kerja saat benda kerja didinginkan. Deformasi ini dapat dianalisis dan diatasi untuk situasi tertentu. Berikut ini terutama membahas deformasi volume dan deformasi bentuk.
1) Penyebab deformasi pendinginan dan aturan perubahannya
Deformasi volume yang disebabkan oleh transformasi struktural. Keadaan struktural benda kerja sebelum pendinginan umumnya berupa perlit, yaitu struktur campuran ferit dan sementit, dan setelah pendinginan menjadi struktur martensit. Perbedaan volume spesifik dari jaringan ini akan menyebabkan perubahan volume sebelum dan sesudah pendinginan, sehingga mengakibatkan deformasi. Namun, deformasi ini hanya menyebabkan benda kerja mengembang dan menyusut secara proporsional, sehingga tidak mengubah bentuk benda kerja.
Selain itu, semakin banyak martensit dalam struktur setelah perlakuan panas, atau semakin tinggi kandungan karbon dalam martensit, semakin besar ekspansi volumenya, dan semakin besar jumlah austenit yang tertahan, semakin kecil ekspansi volumenya. Oleh karena itu, perubahan volume dapat dikendalikan dengan mengontrol kandungan relatif martensit dan martensit sisa selama perlakuan panas. Jika dikontrol dengan benar, volume tidak akan mengembang maupun menyusut.
Deformasi bentuk yang disebabkan oleh tegangan termal. Deformasi yang disebabkan oleh tegangan termal terjadi di daerah bersuhu tinggi di mana kekuatan luluh bagian baja rendah, plastisitas tinggi, permukaan mendingin dengan cepat, dan perbedaan suhu antara bagian dalam dan luar benda kerja paling besar. Pada saat ini, tegangan termal sesaat adalah tegangan tarik permukaan dan tegangan tekan inti. Karena suhu inti tinggi pada saat ini, kekuatan luluh jauh lebih rendah daripada permukaan, sehingga termanifestasi sebagai deformasi di bawah aksi tegangan tekan multi-arah, yaitu, kubus berubah bentuk menjadi bulat. Hasilnya adalah yang lebih besar menyusut, sedangkan yang lebih kecil membesar. Misalnya, silinder panjang memendek pada arah panjang dan membesar pada arah diameter.
Deformasi bentuk yang disebabkan oleh tegangan jaringan Deformasi yang disebabkan oleh tegangan jaringan juga terjadi pada saat awal ketika tegangan jaringan maksimum. Pada saat ini, perbedaan suhu penampang besar, suhu inti lebih tinggi, masih dalam keadaan austenit, plastisitas baik, dan kekuatan luluh rendah. Tegangan jaringan sesaat adalah tegangan tekan permukaan dan tegangan tarik inti. Oleh karena itu, deformasi termanifestasi sebagai pemanjangan inti di bawah aksi tegangan tarik multi-arah. Hasilnya adalah bahwa di bawah aksi tegangan jaringan, sisi yang lebih besar dari benda kerja memanjang, sedangkan sisi yang lebih kecil memendek. Misalnya, deformasi yang disebabkan oleh tegangan jaringan pada silinder panjang adalah pemanjangan panjang dan pengurangan diameter.
Tabel 5.3 menunjukkan aturan deformasi pendinginan berbagai bagian baja tipikal.
2) Faktor-faktor yang mempengaruhi deformasi pendinginan
Faktor-faktor yang memengaruhi deformasi pendinginan terutama adalah komposisi kimia baja, struktur awal, geometri bagian, dan proses perlakuan panas.
3) Mendinginkan retakan
Retakan pada bagian-bagian terutama terjadi pada tahap akhir pendinginan dan pengerasan, yaitu setelah transformasi martensitik pada dasarnya selesai atau setelah pendinginan sempurna, kegagalan getas terjadi karena tegangan tarik pada bagian-bagian tersebut melebihi kekuatan patahan baja. Retakan biasanya tegak lurus terhadap arah deformasi tarik maksimum, sehingga berbagai bentuk retakan pada bagian-bagian tersebut terutama bergantung pada keadaan distribusi tegangan.
Jenis-jenis retakan pendinginan yang umum: Retakan longitudinal (aksial) terutama dihasilkan ketika tegangan tarik tangensial melebihi kekuatan putus material; retakan transversal terbentuk ketika tegangan tarik aksial besar yang terbentuk pada permukaan bagian dalam melebihi kekuatan putus material; retakan jaringan terbentuk di bawah pengaruh tegangan tarik dua dimensi pada permukaan; retakan pengelupasan terjadi pada lapisan yang sangat tipis yang mengeras, yang dapat terjadi ketika tegangan berubah tajam dan tegangan tarik berlebihan bekerja dalam arah radial.
Retakan memanjang juga disebut retakan aksial. Retakan terjadi pada tegangan tarik maksimum di dekat permukaan bagian, dan memiliki kedalaman tertentu menuju ke tengah. Arah retakan umumnya sejajar dengan sumbu, tetapi arahnya juga dapat berubah ketika ada konsentrasi tegangan di bagian tersebut atau ketika ada cacat struktural internal.
Setelah benda kerja didinginkan sepenuhnya, retakan memanjang cenderung terjadi. Hal ini terkait dengan tegangan tarik tangensial yang besar pada permukaan benda kerja yang didinginkan. Seiring peningkatan kandungan karbon pada baja, kecenderungan terbentuknya retakan memanjang meningkat. Baja karbon rendah memiliki volume spesifik martensit yang kecil dan tegangan termal yang kuat. Terdapat tegangan tekan sisa yang besar pada permukaan, sehingga tidak mudah untuk didinginkan. Seiring peningkatan kandungan karbon, tegangan tekan permukaan menurun dan tegangan struktural meningkat. Pada saat yang sama, tegangan tarik puncak bergeser ke lapisan permukaan. Oleh karena itu, baja karbon tinggi rentan terhadap retakan pendinginan memanjang ketika terlalu panas.
Ukuran bagian secara langsung memengaruhi ukuran dan distribusi tegangan sisa, dan kecenderungan retak akibat pendinginan juga berbeda. Retak memanjang juga mudah terbentuk akibat pendinginan dalam kisaran ukuran penampang yang berbahaya. Selain itu, penyumbatan bahan baku baja sering menyebabkan retak memanjang. Karena sebagian besar bagian baja dibuat dengan cara penggulungan, inklusi non-emas, karbida, dll. dalam baja terdistribusi sepanjang arah deformasi, menyebabkan baja menjadi anisotropik. Misalnya, jika baja perkakas memiliki struktur seperti pita, kekuatan patah melintangnya setelah pendinginan 30% hingga 50% lebih kecil daripada kekuatan patah memanjang. Jika ada faktor-faktor seperti inklusi non-emas dalam baja yang menyebabkan konsentrasi tegangan, bahkan jika tegangan tangensial lebih besar daripada tegangan aksial, retak memanjang mudah terbentuk dalam kondisi tegangan rendah. Karena alasan ini, pengendalian ketat terhadap kadar inklusi non-logam dan gula dalam baja merupakan faktor penting dalam mencegah retak akibat pendinginan.
Karakteristik distribusi tegangan internal pada retakan melintang dan retakan lengkung adalah: permukaan mengalami tegangan tekan. Setelah meninggalkan permukaan pada jarak tertentu, tegangan tekan berubah menjadi tegangan tarik yang besar. Retakan terjadi di area tegangan tarik, dan kemudian ketika tegangan internal menyebar ke permukaan bagian tersebut hanya jika terjadi redistribusi atau kerapuhan baja semakin meningkat.
Retakan melintang sering terjadi pada bagian poros besar, seperti rol, rotor turbin, atau bagian poros lainnya. Karakteristik retakan ini adalah tegak lurus terhadap arah sumbu dan patah dari dalam ke luar. Retakan ini sering terbentuk sebelum pengerasan dan disebabkan oleh tegangan termal. Tempaan besar sering memiliki cacat metalurgi seperti pori-pori, inklusi, retakan tempa, dan bintik-bintik putih. Cacat ini berfungsi sebagai titik awal patahan dan pecah di bawah pengaruh tegangan tarik aksial. Retakan busur disebabkan oleh tegangan termal dan biasanya tersebar dalam bentuk busur pada bagian-bagian di mana bentuk bagian tersebut berubah. Retakan ini terutama terjadi di dalam benda kerja atau di dekat tepi tajam, alur, dan lubang, dan tersebar dalam bentuk busur. Ketika bagian baja karbon tinggi dengan diameter atau ketebalan 80 hingga 100 mm atau lebih tidak dipadamkan, permukaannya akan menunjukkan tegangan tekan dan bagian tengahnya akan menunjukkan tegangan tarik. Tegangan tarik maksimum terjadi di zona transisi dari lapisan yang mengeras ke lapisan yang tidak mengeras, dan retakan busur terjadi di area ini. Selain itu, laju pendinginan pada tepi dan sudut yang tajam berlangsung cepat dan semuanya mengalami pendinginan mendadak. Ketika beralih ke bagian yang lebih lembut, yaitu ke area yang tidak mengeras, zona tegangan tarik maksimum muncul di sini, sehingga retakan busur cenderung terjadi. Laju pendinginan di dekat lubang pin, alur, atau lubang tengah benda kerja lambat, lapisan pengerasan yang sesuai tipis, dan tegangan tarik di dekat zona transisi pengerasan dapat dengan mudah menyebabkan retakan busur.
Retakan retikular, juga dikenal sebagai retakan permukaan, adalah retakan yang terdapat di permukaan. Kedalaman retakannya dangkal, umumnya sekitar 0,01~1,5 mm. Karakteristik utama dari jenis retakan ini adalah arah retakan yang sembarangan dan tidak berhubungan dengan bentuk bagian tersebut. Banyak retakan saling terhubung membentuk jaringan dan tersebar luas. Ketika kedalaman retakan lebih besar, misalnya lebih dari 1 mm, karakteristik jaringan menghilang dan menjadi retakan yang berorientasi acak atau tersebar memanjang. Retakan jaringan berkaitan dengan keadaan tegangan tarik dua dimensi pada permukaan.
Komponen baja karbon tinggi atau baja karburisasi dengan lapisan dekarburisasi di permukaannya rentan membentuk retakan jaringan selama pendinginan. Hal ini karena lapisan permukaan memiliki kandungan karbon yang lebih rendah dan volume spesifik yang lebih kecil daripada lapisan martensit bagian dalam. Selama pendinginan, lapisan permukaan karbida mengalami tegangan tarik. Komponen yang lapisan dephosphorisasinya belum sepenuhnya dihilangkan selama pemrosesan mekanis juga akan membentuk retakan jaringan selama pendinginan permukaan frekuensi tinggi atau api. Untuk menghindari retakan tersebut, kualitas permukaan komponen harus dikontrol secara ketat, dan pengelasan oksidasi harus dicegah selama perlakuan panas. Selain itu, setelah cetakan tempa digunakan untuk jangka waktu tertentu, retakan kelelahan termal yang muncul dalam bentuk strip atau jaringan di dalam rongga dan retakan dalam proses penggerindaan komponen yang didinginkan semuanya termasuk dalam bentuk ini.
Retakan pengelupasan terjadi di area yang sangat sempit pada lapisan permukaan. Tegangan tekan bekerja pada arah aksial dan tangensial, dan tegangan tarik terjadi pada arah radial. Retakan tersebut sejajar dengan permukaan bagian tersebut. Pengelupasan lapisan yang mengeras setelah pendinginan permukaan dan bagian yang dikarburisasi termasuk dalam jenis retakan tersebut. Kemunculannya terkait dengan struktur yang tidak merata pada lapisan yang mengeras. Misalnya, setelah baja paduan yang dikarburisasi didinginkan pada kecepatan tertentu, struktur pada lapisan yang dikarburisasi adalah: lapisan luar berupa perlit yang sangat halus + karbida, dan lapisan bawahnya berupa martensit + sisa austenit, lapisan dalamnya berupa struktur perlit halus atau perlit yang sangat halus. Karena volume spesifik pembentukan lapisan martensit sub-lapisan adalah yang terbesar, hasil ekspansi volume adalah tegangan tekan bekerja pada lapisan permukaan dalam arah aksial dan tangensial, dan tegangan tarik terjadi dalam arah radial, dan mutasi tegangan terjadi ke bagian dalam, beralih ke keadaan tegangan tekan, dan retakan pengelupasan terjadi di area yang sangat tipis di mana transisi tegangan terjadi secara tajam. Umumnya, retakan bersembunyi di dalam sejajar dengan permukaan, dan dalam kasus yang parah dapat menyebabkan pengelupasan permukaan. Jika laju pendinginan bagian yang dikarburisasi dipercepat atau dikurangi, struktur martensit yang seragam atau struktur perlit ultra-halus dapat diperoleh di lapisan yang dikarburisasi, yang dapat mencegah terjadinya retakan tersebut. Selain itu, selama pendinginan permukaan frekuensi tinggi atau api, permukaan seringkali terlalu panas dan ketidakseragaman struktural di sepanjang lapisan yang mengeras dapat dengan mudah membentuk retakan permukaan tersebut.
Retakan mikro berbeda dari keempat retakan yang disebutkan sebelumnya karena disebabkan oleh tegangan mikro. Retakan antar butir yang muncul setelah pendinginan, pemanasan berlebihan, dan penggerindaan baja perkakas karbon tinggi atau benda kerja yang dikarburisasi, serta retakan yang disebabkan oleh keterlambatan temper pada bagian yang telah didinginkan, semuanya terkait dengan keberadaan dan perluasan retakan mikro di dalam baja.
Retakan mikro harus diperiksa di bawah mikroskop. Retakan ini biasanya terjadi pada batas butir austenit asli atau pada persimpangan lembaran martensit. Beberapa retakan menembus lembaran martensit. Penelitian menunjukkan bahwa retakan mikro lebih umum terjadi pada martensit kembar berbentuk serpihan. Alasannya adalah martensit berbentuk serpihan saling bertabrakan saat tumbuh dengan kecepatan tinggi dan menghasilkan tegangan tinggi. Namun, martensit kembar itu sendiri rapuh dan tidak dapat menghasilkan deformasi plastis yang mengurangi tegangan, sehingga mudah menyebabkan retakan mikro. Butir austenit kasar dan kerentanan terhadap retakan mikro meningkat. Kehadiran retakan mikro dalam baja akan secara signifikan mengurangi kekuatan dan plastisitas bagian yang dipadamkan, menyebabkan kerusakan dini (patah) pada bagian tersebut.
Untuk menghindari retakan mikro pada bagian baja karbon tinggi, tindakan seperti menurunkan suhu pemanasan pendinginan, mendapatkan struktur martensit yang halus, dan mengurangi kandungan karbon dalam martensit dapat diterapkan. Selain itu, penemperan tepat waktu setelah pendinginan merupakan metode efektif untuk mengurangi tegangan internal. Pengujian telah membuktikan bahwa setelah penemperan yang cukup di atas 200°C, karbida yang mengendap pada retakan memiliki efek "pengelasan" retakan, yang dapat secara signifikan mengurangi bahaya retakan mikro.
Uraian di atas membahas penyebab dan metode pencegahan retakan berdasarkan pola distribusi retakan. Dalam produksi aktual, distribusi retakan bervariasi karena faktor-faktor seperti kualitas baja, bentuk bagian, dan teknologi pemrosesan panas dan dingin. Terkadang retakan sudah ada sebelum perlakuan panas dan semakin meluas selama proses pendinginan; terkadang beberapa bentuk retakan dapat muncul di bagian yang sama secara bersamaan. Dalam hal ini, berdasarkan karakteristik morfologi retakan, analisis makroskopis permukaan patahan, pemeriksaan metalografi, dan bila perlu, analisis kimia dan metode lain harus digunakan untuk melakukan analisis komprehensif dari kualitas material, struktur organisasi hingga penyebab tegangan perlakuan panas untuk menemukan penyebab utama retakan dan kemudian menentukan langkah-langkah pencegahan yang efektif.
Analisis patahan pada retakan merupakan metode penting untuk menganalisis penyebab retakan. Setiap patahan memiliki titik awal terbentuknya retakan. Retakan akibat pendinginan biasanya dimulai dari titik konvergensi retakan radial.
Jika asal mula retakan berada di permukaan bagian tersebut, artinya retakan tersebut disebabkan oleh tegangan tarik yang berlebihan di permukaan. Jika tidak ada cacat struktural seperti inklusi di permukaan, tetapi ada faktor konsentrasi tegangan seperti bekas pisau yang parah, lapisan oksida, sudut tajam pada bagian baja, atau bagian yang mengalami mutasi struktural, maka retakan dapat terjadi.
Jika asal retakan berada di dalam bagian tersebut, hal itu terkait dengan cacat material atau tegangan tarik sisa internal yang berlebihan. Permukaan patahan pada pendinginan normal berwarna abu-abu dan seperti porselen halus. Jika permukaan patahan berwarna abu-abu gelap dan kasar, hal itu disebabkan oleh pemanasan berlebihan atau jaringan aslinya tebal.
Secara umum, seharusnya tidak ada warna oksidasi pada bagian kaca dari retakan pendinginan, dan seharusnya tidak ada dekarburisasi di sekitar retakan. Jika ada dekarburisasi di sekitar retakan atau warna oksidasi pada bagian retakan, itu menunjukkan bahwa bagian tersebut sudah memiliki retakan sebelum pendinginan, dan retakan asli akan meluas di bawah pengaruh tegangan perlakuan panas. Jika karbida dan inklusi yang tersegregasi terlihat di dekat retakan bagian tersebut, itu berarti retakan tersebut terkait dengan segregasi karbida yang parah dalam bahan baku atau adanya inklusi. Jika retakan hanya muncul di sudut tajam atau bagian yang mengalami perubahan bentuk tanpa fenomena di atas, itu berarti retakan tersebut disebabkan oleh desain struktural bagian yang tidak masuk akal atau tindakan pencegahan retakan yang tidak tepat, atau tegangan perlakuan panas yang berlebihan.
Selain itu, retakan pada bagian yang mengalami perlakuan panas kimia dan pendinginan permukaan sebagian besar muncul di dekat lapisan yang mengeras. Memperbaiki struktur lapisan yang mengeras dan mengurangi tegangan perlakuan panas merupakan cara penting untuk menghindari retakan permukaan.
Waktu posting: 22 Mei 2024