MODUL 1PENDAHULUAN

Segmen 1: Isi kuliah, aturan, literatur

Program Studi Teknik Metallurgi, Fakultas Teknik Pertambangan dan Perminyakan, Institut Teknologi Bandung

Prof. Ir. Eddy Agus Basuki, M.Sc. Ph.D.Tria Laksana Achmad, ST. MT. Ph.D.

MG-3113 Transformasi Fasa dan Perlakuan Panas

American Special Metals

Selalu ada hubungan antara unsur dalam paduan logam - perlakuan panas -struktur mikro - sifat mekanis.

Hampir semua engineering alloys perlu dilaku panas untuk mengatur strukturmikro agar dapat diperoleh sifat mekanis yang sesuai dengan pemakaiannya.

Hubungan antara transformasi fasa dan perlakuan panas

TEC-Science

Yang sering terjadi dalam baja

Callister

Materi Ajar

Modul 1 : PendahuluanModul 2 : Mekanisme Penguatan LogamModul 3 : Difusi Dalam Padatan LogamModul 4 : Transformasi Fasa Difusiv 1 :Contoh2 transformasi, antarmuka dan pengintianModul 5 : Transformasi Fasa Difusiv 2: Pertumbuhan dan pengkasaran partikel endapanModul 6 : Transformasi Fasa Difusiv 3: Transformasi fasa di paduan aluminium dan paduan nikelModul 7 : Transformasi Fasa Dalam BajaModul 8 : Pengerasan Baja Modul 9 : TemperingModul 10 : Aniling 1 : Energi tersimpan, recovery, rekristalisasi dan pertumbuhan butiranModul 11 : Aniling 2 : Proses-proses aniling bajaModul 12 : Thermomechanical Control Process (TMCP) 1 : Sejarah dan manfaat TMCPModul 13 : Thermomechanical Control Process (TMCP) 2:TMCP bajaModul 14 : Pengerasan Permukaan Baja

ASSESSMENT

1. Tugas 1 : 7,5%2. Tugas 2 : 7,5%3. Tugas 3 : 7,5%4. Tugas 4 : 7,5%5. Ujian Tengah Semester: 35%6. Ujian Akhir Semester: 33%

Literatur Utama

1. American Society for Metals (ASM) Handbook, ASM International, Heat Treating, Volume 4 (Last edition).

2. Porter, D.A., Easterling, K.E., and Sherif, M.Y., Phase Transformations in Metals and Alloys, CRC Press, 2009.

3. Publikasi ilmiah di prosiding dan jurnal.

Pentingnya Perlakuan Panas Dalam Rekayasa Paduan Logam

• Logam telah mengisi peradaban manusia sejak pertama zaman perunggu, zamanbesi….hingga zaman digital sekarang.

• Sebagian besar tidak dalam keadaan murni melainkan dipadu dengan unsur-unsur lain : unsur-unsur interstisi dan unsur-unsur substitusi.

• Untuk keperluan struktur, pemaduan logam dimaksudkan untuk mendapatkan sifatmekanis yang sesuai, yaitu umumya kekuatan dan ketangguhan yang tinggi.

• Untuk kerperluan elektronikpun, yaitu daya hantar listrik yang tinggi, emas tetap harusdipadu dengan unsur-unsur logam tanah jarang (rare-earth) agar kuat tidak mudahputus dan fatigue.

• Untuk mendapatkan kekuatan tersebut maka paduan logam harus memiliki fasa danstruktur mikro/nano tertentu.

• Untuk mendapatkan struktur tersebut tersebut paduan logam harus dilakupanas (heat treatment).

• Kenapa harus dikenakan panas? Karena perubahan struktur mikro memerlukan aktivasithermal untuk memungkinkan atom-atom di dalam paduan logam dapat bergerak.

Sifat yang paling penting:

ketangguhan yang tinggi, tahan terhadap

korosi,mudah dibentuk/difabrikasi dan relatif

murah/ekonomis.

Untuk mendapatkan sifat seperti yang diinginkan maka :

1. Struktur mikro seperti apa yang harus dimunculkan dalampaduan logam?.

2. Bagaimana menghasilkan struktur mikro seperti yang diharapkan?

Contoh penggunaan paduan logam: pipeline untuk transmisi minyak/gas serta otomotif.

SensorNet

a) Unsur-unsur apa saja yang harus dilibatkan?b) Siklus termal (perlakuan panas) seperti apa yang perlu

lakukan?

Efficient Manufacturing

Beberapa komponen yang mengalami perlakuan panas

Modern Vacuum Furnace Installation

Typical salt bath heat treat operation using

high temperature neutral salts.

Part is being removed from the high heat at

2175°F (1200oC) and will be quenched in

the near pot operating at 1000°F. (540oC)

• Penggunaan tanur vakum untuk

perlakuan panas paduan-paduan logam

tertentu.

• Paduan logam yang mengandung unsur-

unsur yang secara termodinamika mudah

teroksidasi: Cr, Ti, Al…..(lihat diagram

Ellingam)

Pengembangan thermo mechanical treatment (TMT) atau thermomechanical

control process (TMCP) untuk baja: melibatkan deformasi, selain siklus

termal.

CSC= CONVENTIONAL SLAB CASTING

CSP= COMPACT STRIP PRODUCTION

DSC= DIRECT STRIP CASTING

Spitzer, 2003

45%

37%

8%

4%

3%

1% 1%0.9%

0.1%

Military Vehicles (Tanks & Panzers)

High Strength Alloy Steels

Armour steel

Al-alloys

Stainless Steels

High Temperature Alloys (Superalloys)

Cu

Al

Sn alloys (Lead free solder)

Au + RE

Alloys Developed For Defence Technology (Alutsista)

Armour steel untuk tank

dan panzer

Contoh Paduan Logam Yang Harus Dilaku Panas Lainnya

PT. Pindad

Untuk membuat baja khusus

(special steels) memiliki sifat

sangat tangguh, perlu

perlakuan panas

Alloys used for

aircraft skin,

frame etc, also

need heat

treatment

International Aluminum Institute

AIRCRAFT TURBINE ENGINES

STEAM POWER PLANT

Alloys developed for high temperature

applications; do they need heat treatment?

Turbine blades, the most

critical parts in the engine

Airbus

Rolls-Royce

Top Electrical Engineers

Rolls-Royce

Superheater header Reheater header

Tube elementsSaito 2014

• Secara tonase baja merupakan paduan logam yang paling banyak digunakankhususnya untuk rekayasa yang mensyaratkan kekuatan dan ketangguhan.

• Aplikasinya sangat bervariasi dalam berbagai sektor.

• Kekuatan dan ketangguhan merupakan sifat mekanis utama dari baja.

• Struktur mikro baja sangat berpengaruh terhadap sifat-sifat mekanisnya.

• Struktur mikro dipengaruhi oleh komposisi kimia dan sejarah perlakuannya, baik mekanik maupun termik.

• Variasi paduannya paling banyak: baja karbon, baja paduan mikro kekuatantinggi, baja paduan, baja tahan karat dll.

• Selalu melibatkan perlakuan panas untuk mengatur struktur mikro baja, baikuntuk tujuan pemakaian maupun tujuan pengerjaan (manufaktur ataufabrikasi).

Review fasa-fasa yang penting dalam baja

• Solid lines indicate Fe-Fe3C diagram.

• Dashed lines indicate Fe-C diagram.

The basic phase

diagram you should

know well

Bila daerah likuidus-solidus pentingdalam pengecoran (casting), daerahpadatan penting dalam perlakuanpanas.

Metals Hand Book

Perlakuan panas

Pengecoran(casting)

Baja (steel)Besi cor (cast iron)

For heat treatment of steels, this part of Fe-Fe3C phase diagram is

most important tool

Austenit (γ-Fe)

Ferit (α-

Fe)

α + γ

α + Fe3C

A1 Ar1 Ac1

Arcm

Acc

m

Acm

A3

Ac3

Ar3

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3

1020

980

940

900

860

820

780

740

700

660

620

580

540

Kandungan karbon (% berat)

T(oC)

Pergeseran garis transfrmasi dalamdiagram fasa Fe-Fe3C:

• r (refroidisant) untuk pemanasan.• c (chauffant) untuk pendinginan.

Beberapa strukur mikro baja yang penting

100% perlit (eutectoid steel) Ferit+perlit (hypo-eutectoid steel) Sementit+perlit (hiper-

eutectoid steel)

Bainit Martensit Spheroidized cementite

Metals Hand Book

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

So, what is heat treatment?

Perlakuan panas (heat treatment) adalah suatu istilah yang menjelaskansuatu operasi atau kombinasi/gabungan operasi yang melibatkanpemanasan dan pendinginan yang terkontrol terhadap suatu logam ataupaduan logam dalam keadaan padataan untuk tujuan memodifikasi strukturmikro sehingga diperoleh perubahan sifat-sifatnya (terutama sifat mekanis) sesuai dengan yang diinginkan.

The International Federation for the Heat Treatment of Materials (IFHT) memberikan definisi sbb: “heat treatment is a process in which the entire object, or a portion thereof, is intentionally submitted to thermal cycles and, if required, to chemical or additional physical actions in order to achieve desired (change in the) structures and properties”.

In order to understand clearly the aims of heat treatment of engineering alloys, you have to know 5 basic strengthening mechanisms:

1. Solid solution strengthening2. Grain boundary strengthening3. Strain hardening.4. Precipitation hardening/strengthening.5. Martensite hardening or transformation strengthening.

But remember, the aim of heat treatment is not always to gain high strength. It is also used to soften the alloys.

Pentingnya memahami 5 mekanisme penguatan logam

The main aims of heat tretament:

• To soften (memperlunak) – Improve the plasticity of the metals/alloys so that they can easily be deformed by modifying the size, shape and distributions of the micro-constituents (phases or grains) and reducing the dislocation density in the grains.

• To stress relieve (menghilangkan tegangan sisa) – Relieve the residual stresses left in the metals/alloys by heating them at high temperatures so that some energy is released and recovery can be obtained.

• To homogenize (melakukan homogenisasi) – To gain homogenization of chemical composition in the alloy grains by heating the alloys at high temperature so that inter-diffusion between elements are commenced.

• To toughen (meningkatkan ketangguhan) – To increase the ability of metals/alloys to absorb impact energy in the plastic zone without fracture, or to increase the area under the stress-strain curve.

• To harden or to strengthened (memperkeras atau memperkuat ) – To increase the slip disturbance or to reduce the dislocation movement through grain refining (grain boundary strengthening), dispersion of hard precipitate particles (age hardening or precipitation strengthening) and formation of martensite (quech-hardening).

• To add elements on the surface. – To increase wear resistance (ketahanan aus) and fatigue resistance (ketahanan lelah) of metals/alloys through formation of compressive residual stresses on the surface resulted from absorption of interstitial atoms (C or N) under certain thermal cycles (carburizing, nitriding and nitrocarburizing).

The main aims of heat tretament:

Different processes of heat treatment (Beberapa proses perlakuan panas logam )

1. Annealing:

a. Full annealing

b. Spheroidizing, critical range annealing or subcritical annealing

c. Isothermal annealing

d. Stress-relief annealing

e. Recrystallization annealing

f. Homogenize annealing, solution treating, or austenizing

g. Normalizing

2. Through hardening processes:

a. Water- oil-, or air-quenching and tempering

b. Time-quenching and tempering

c. Isothermal-quenching and tempering

d. Austempering

e. Martempering

3. Other through hardening processes:a. Precipitation hardening (age hardening) b. Dispersion hardeningc. Maragingd. Order-disorder reaction

4. Thermomechanical Treatment : melibatkan T, t dan σ (deformasi plastis)

5. Thermal surface hardening treatment (tanpa perubahan komposisi kimia)a. Flame hardeningb. Induction hardeningc. Laser hardeningd. Electron-beam hardening

6. Thermochemical surface hardening treatment (dengan perubahan

komposisi kimia):

a. Austenitic thermochemical treatment:

(i). Carburizing

(ii). Carbonitriding

b. Ferritic thermochemical treatment

(i). Nitriding

(ii). Nitrocarburizing

7. Difussion treatment lainnya

a. Siliconizing

b. Chromizing

c. Boronizing

d. Aluminizing

• Tidak seluruh proses perlakuan panas akan dibahas dalam mata kuliahini, hanya yang penting dan paling sering dilakukan saja yang akandibahas.

• Porsi terbanyak diberikan untuk baja karena merupakan material logamyang paling banyak digunakan dalam variasi pemakaian yang sangatlebar.

Catatan:

Two major phase transformations in engineering alloys:• Diffusion induced phase transformations

(examples: precipitation, eutectoid reaction, etc)

• Diffusionless phase transformation:

(example: martensitic phase transformation)

Heat treatment processes in engineering alloys

always involves phase transformations

Austenit (γ-Fe)

Ferit (α-

Fe)

α + γ

α + Fe3C

A1 Ar1 Ac1

Arcm

Acc

m

Acm

A3

Ac3

Ar3

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3

1020

980

940

900

860

820

780

740

700

660

620

580

540

Kandungan karbon (% berat)

T(oC)

Cepat : ➢ Pembentukan martensit.➢ Tidak melibatkan difusi atom Fe maupun C.

Ilustrasi transformasi fasa dikontroldifusi dan tanpa difusi

TEC-Science

Pendinginan baja eutektoid dari daerahkestabilan fasa austenit (γ) ke temperaturkamar:

Lambat : ➢ Pembentukan struktur perlit hasil transformasi

eutectoid.➢ Melibatkan difusi atom-atom C dan Fe dalam

pembentukan fasa α dan Fe3C.

Ilustrasi transformasi fasa yang dikontroldifusi dalam paduan Al-Cu.

Pengendapan fasa dari kondisi lewat jenuh (supersaturated)

➢ Paduan Al-3%Cu didinginkan dari T1 ke T2.

➢ Pengendapan fasa θ.➢ Melibatkan/dikontrol

difusi atom-atom Cu dan Al.

T1

T2

Siklus termal dan deformasi dalam proses pembentukan kembali material SMA.

Ilustrasi transformasi martensitik dalam shape memory alloy (SMA) Nitinol (Ni-Ti)

Nitinol untuk stent

Rao, 2015

AUSTENIT

MS

Mf

AS

Af

Deformasi

plastis

Pemanasan Pendinginan

Bentuk awal

dengan struktur

martensit Bentuk terdeformasi

plastis

Berubah bentuk seperti semula

dengan struktur austenit

Temperatur

MARTENSIT