3/31/2015
PEARLITE Pertemuan ke-8
PERUBAHAN SIFAT DAN STRUKTUR MIKRO PADA PADUAN BESI – KARBON Nurun Nayiroh, M.Si
• 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:TRANSFORMASI FASA
PEARLITE
Diagram Transformasi Isotermal (Austenit ke Pearlite)
γ ⇒ α + Fe3C • Transformasi Eutectoid (sistem Fe-Fe3C): • Selama transformasi terjadi, 0.76 wt% C 6.7 wt% C 0.022 wt% C
T(°C) 1600
δ
1200
L+Fe3C
1148°C
1000
γ +Fe3C
Eutectoid:
Equil. Cooling: Ttransf. = 727ºC
600
∆T α +Fe3C Undercooling by Ttransf. < 727°C
400 0 (Fe)
0.76
800
0.022
α ferrite
γ +L γ (austenite)
1
2
3
4
5
727°C
6
Fe3C (cementite)
L
1400
• The Fe-Fe3C system, for Co = 0.76 wt% C • A transformation temperature of 675°C. % transformed
pendinginan harus di bawah 727°C
Consider:
6.7
C, wt% C
100
T = 675°C 50 0
10 2
1
T(°C)
Austenite (stable)
10 4
time (s)
Transformasi terjadi dibawah garis eutectoid atau supercooling (TE=727°C). Transformasi terjadi pada temperatur tetap atau isothermal.
TE (727°C) TE=Temperatur Eutectoid
700
Austenite (unstable)
600
Pearlite isothermal transformation at 675°C
500
Disebut juga kurva TTT (Time Temperature Transformation).
400 1
10
10 2 10 3 10 4 10 5
time (s)
1
3/31/2015
Diagram Transformasi Isothermal
Laju Transformasi Eutectoid ~ ∆T • Transformation of austenite to pearlite: Austenite (γ) grain boundary
α α γ α α α α
cementite (Fe3C) Ferrite (α)
α
γ γ
pearlite growth direction
• For this transformation,
α α
100 % pearlite
rate increases with ( ∆T) [Teutectoid – T ].
Diffusion of C during transformation
• 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).
600°C (∆T larger)
50
γ
Carbon diffusion
650°C 675°C (∆T smaller)
Austenite-to-Pearlite
0
Coarse pearlite formed at higher temperatures – relatively soft Fine pearlite
formed at lower temperatures – relatively hard
(a) Coarse pearlite (high diffusion rate) and (b) fine 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).
- Smaller ∆T: colonies are larger
- Larger ∆T: colonies are smaller
2
3/31/2015
T(°C)
T(°C)
900
δ
700 600
A
TE (727°C)
A
1200
C A
+
P
α
P
γ +L
γ
L+Fe3C
(austenite)
1000
γ +Fe3C
800 600
500 1
L
1400
+
10
102
103
time (s)
104
∆T
400 0 (Fe)
Adapted from Fig. 11.16, Callister & Rethwisch 3e.
0.76
800
1
727°C
α+Fe3C 2
3
4
5
Adapted from Fig. 10.28, Callister & Rethwisch 3e.
6
Fe3C (cementite)
1600
A
0.022
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.
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:
1.13
Pembentukan Diagram Transformasi Isothermal
6.7
C, wt%C
Hypereutectoid composition – proeutectoid cementite 10
Strength
Martensite T Martensite bainite fine pearlite coarse pearlite spheroidite
Ductility
Possible Transformations
Kurva TTT fasa proeutectoid
General Trends
3
3/31/2015
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.
Bainite: Hasil transformasi yang Non-Equil elongated Fe3C particles in α-ferrite matrix diffusion controlled α lathes (strips) with long rods of Fe3C
Martensite
800
Austenite (stable)
T(°C)
A
TE
P
600
100% pearlite 400
Cementite
100% bainite
B
A
Ferrite 200 10-1
10
103
105
Foto mokroskop untuk bainit
time (s)
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 cementite dengan waktu dan temperatur yang cukup (anggap semi-stable di bawah 150°C).
4
3/31/2015
SPHEROIDITE
800
Austenite (stable)
T(°C)
A
P
600
TE 100% spheroidite
Spheroidite 100% spheroidite 400
B
A
103
%
10
% 50
10-1
0 10
200
0%
• 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.
Spheroidite: Nonequilibrium Transformation 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
105 time
(s)
Kurva TTT Spheroidite
Pearlitic Steel partially transformed to Spheroidite
10
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.
5
3/31/2015
Martensite Formation Struktur BCT dari Martensit
• Isothermal Transformation Diagram 800
Austenite (stable)
T(°C)
A
400
B
A
200
0% 50% 90%
M+A M+A M
10-1
TE
P
600
10
103
105
time (s)
Martensite needles Austenite
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
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
6
3/31/2015
Pengaruh Penambahan Elemen Lain 4340 Steel
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.
nose
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 760 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%
0
plain carbon steel
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.
Treatment (b) Rapidly cool to 250 ˚C Hold for 100 seconds Quench to room temperature
Austenite, 100%
Martensite, 100%
7
3/31/2015
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.
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
Bainite, 50%
Final: 50% Bainite, 50% Pearlite
Penyelesaian:
TRANSFORMASI PENDINGINAN KONTINYU
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.
• 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).
8
3/31/2015
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.
9
