PEARLITE 3/31/2015. Nurun Nayiroh, M.Si PEARLITE

Pertemuan ke-8

PERUBAHAN SIFAT

DAN STRUKTUR MIKRO

PADA PADUAN BESI – KARBON

Nurun Nayiroh, M.Si

MK:TRANSFORMASI FASA

PEARLITE

• 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.

PEARLITE

• Selama transformasi terjadi,

pendinginan harus di bawah 727°C

• TransformasiEutectoid(sistem Fe-Fe3C): γ⇒α+Fe3C 0.76 wt% C 0.022 wt% C6.7 wt% C F e3 C ( c e m e n ti te ) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 0 1 2 3 4 5 6 6.7 L γ (austenite) γ +L γ+Fe3C α +Fe3C L+Fe3C δ (Fe) C, wt% C 1148°C T(°C) α ferrite 727°C Eutectoid:

Equil. Cooling: Ttransf.= 727ºC

∆T Undercooling by Ttransf. < 727°C 0 .7 6 0 .0 2 2

Diagram Transformasi Isotermal (Austenit ke Pearlite)

• The Fe-Fe3C system, for Co= 0.76 wt% C

• A transformation temperature of 675°C. 100 50 0 1 10 2 10 4 T = 675°C % t ra n sf o rm e d time (s) 400 500 600 700 1 10 102 103 104 105 Austenite (stable) _T E(727°C) Austenite (unstable) Pearlite T(°C) time (s) isothermal transformation at 675°C

Consider:

TE=Temperatur Eutectoid Transformasi terjadi dibawah garis eutectoid atau supercooling (TE=727°C). Transformasi terjadi pada temperatur tetap atau isothermal.

Disebut juga kurva TTT (Time Temperature Transformation).

Coarse pearlite
formed at higher temperatures – relatively soft Fine pearlite
formed at lower temperatures – relatively hard

• Transformation of austenite to pearlite:

γ α α α α α α pearlite growth direction Austenite (γ) grain boundary cementite (Fe3C) Ferrite (α) γ

•

For this transformation, rate increases with ( ∆T) [Teutectoid– T ]. 675°C (∆T smaller) 0 50 % p e a rl it e (∆T larger)600°C 650°C 100 Diffusion of C during transformation α α γ γ α Carbon diffusion

Laju Transformasi Eutectoid ~ ∆T

• 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).

Diagram Transformasi Isothermal

Austenite-to-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

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

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 supercooledto below the eutectoid temperature (727˚C).

Time for process to complete depends on the temperature.

10

Hyper

eutectoid composition – proeutectoid cementite

α T_E(727°C) T(°C) time (s) A A A + C P 1 10 102 103 104 500 700 900 600 800 A+ P

Adapted from Fig. 11.16,

Callister & Rethwisch 3e.

Adapted from Fig. 10.28,

Callister & Rethwisch 3e.

F e3 C ( c e m e n ti te ) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 0 1 2 3 4 5 6 6.7 L γ (austenite) γ +L γ+Fe3C α+Fe3C L+Fe3C δ (Fe) _{C, wt%C} T(°C) 727°C ∆T 0 .7 6 0 .0 2 2 1 .1 3

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:

Kurva TTT fasa proeutectoid

S tr e n g th D u ct ili ty Martensite T Martensite bainite fine pearlite coarse pearlite spheroidite General Trends

Possible Transformations

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

o

_C-540

o

_C.

• Laju pembentukan bainit akan naik dengan

naiknya temperatur.

10 103 ₁₀5 time (s) 10-1 400 600 800 T(°C) Austenite (stable) 200 P B TE A A

Bainite

: Hasil transformasi yang

Non-Equil

 elongated Fe3C particles in α-ferrite matrix  diffusion controlled

 α lathes (strips) with long rods of Fe3C

100% bainite 100% pearlite

Martensite

Cementite

Ferrite

Foto mokroskop untuk bainit

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).

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.

10

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

Spheroidite

:

Nonequilibrium Transformation

10 103 105time (s) 10-1 400 600 800 T(°C) Austenite (stable) 200 P B TE 0 % 10 0 % 5 0_% A A Spheroidite 100% spheroidite 100% spheroidite

Kurva TTT Spheroidite

Pearlitic Steel partially transformed to Spheroidite

_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.

 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

Martensite Formation

• Isothermal Transformation Diagram

10 103 105time (s) 10-1 400 600 800 T(°C) Austenite (stable) 200 P B T_E A A M + A M + A M 0% 50% 90% Martensite needles Austenite

Struktur BCT dari Martensit

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

 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;

Pengaruh Penambahan

Elemen Lain

4340 Steel

plain

carbon

steel

nose

 Plain carbon steel: primary alloying

element is carbon.

Contoh:

Dengan menggunakan diagram transformasi untuk paduan besi-karbon 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 7600 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%

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 100% spesimen adalah bainit dan tidak terjadi

transformasi yang lain, walaupun pendinginan akhir melewati

daerah martensit pada diagram.

Martensite, 100% Treatment (b)

Rapidly cool to 250 ˚C

Hold for 100 seconds

Quench to room temperature

Austenite, 100%

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 100% 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 100% martensite.

Bainite, 50% Treatment (c)

Rapidly cool to 650˚C

Hold for 20 seconds

Rapidly cool to 400˚C

Hold for 103seconds

Quench to room temperature

Austenite, 100% Almost 50% Pearlite, 50% Austenite Final: 50% Bainite, 50% Pearlite

Penyelesaian:

Untuk garis isotermal pada 6500C, 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.

TRANSFORMASI PENDINGINAN 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, diagram TTT

harus disesuaikan untuk pendinginan kontinyu

tersebut.

• Diagram yang dipakai disebut diagram

transformasi pendinginan continyu (Diagram

CCT).

Continuous Cooling

Transformation Diagrams

Isothermalheat 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 microstructureon 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.