Baja Karbon

Baja karbon adalah paduan besi baja dengan elemen utama Fe dan C. Baja karbon memiliki kadar C hingga 1.2% dengan Mn 0.30%-0.95%. Baja dengan kadar karbon sangat rendah memiliki kekuatan yang relatif rendah tetapi memiliki keuletan yang relatif tinggi. Baja jenis ini umumnya digunakan untuk proses pembentukan logam lembaran. Dengan meningkatnya kadar karbon maka baja karbon menjadi semakin kuat tetapi berkurang keuletannya. Beberapa jenis baja karbon, klasifikasi dan aplikasinya berdasarkan AISI-SAE dapat dilihat pada Tabel 2.7. Umumnya baja karbon (Plain Carbon Steel) berdasarkan prosentase karbonnya diklasifikasikan menjadi :

§     Baja karbon rendah (Low Carbon Steel)

§     Baja karbon menengah (Medium Carbon Steel)

§     Baja Karbon Tinggi (High Carbon Steel)

Baja AISI-SAE 1020-1040, dengan kadar karbon 0,4%-0,4%, diklasifikasikan sebagai baja karbon menengah. Baja jenis ini digunakan secara luas sebagai bahan poros (shaft) dan roda gigi (gear). Baja dengan kadar karbon di atas 0,60% umumnya dikategorikan sebagai baja karbon tinggi. Aplikasi dari baja karbon tinggi misalnya untuk pembuatan cetakan-cetakan logam (dies, punch, block), kawat-kawat baja (kawat pegas, kawat musik, kawat kekuatan tinggi), dan alat-alat potong (cutter, shear blade).

Tabel 2.7 Beberapa Jenis Baja Karbon Berdasarkan Klasifikasi AISI-SAE

Alloy AISI-SAE number	Chemical Composition	Condition	Tensile Strength		Yield Strength		Elongation,	Typical applications
	wt %		ksi	MPa	ksi	MPa	%
1010	0,10 C, 0,40 Mn	Hot rolled	40 - 60	276-414	26-45	179 -310	28-47	Sheet and strip for drawing; wire, rod, and nails and screws;
		Cold rolled	42 -58	290-400	23-38	159-262	30-45
1020	0,20 C, 0,45 Mn	As rolled	65	448	48	331	36	Steel plate, and structural sections; shafts, gears
		Annealed	57	393	43	297	36
1040	0,40 C, 0,45 Mn	As rolled	90	621	60	414	25	Shafts, high tensile tubing, gears
		Annealed	75	517	51	352	30
		Tempered*	116	800	86	593	20
1060	0,60 C, 0,65 Mn	As rolled	118	814	70	483	17	Spring wire, forging dies, roilroad wheels
		Annealed	91	628	54	483	22
		Tempered*	160	110	113	780	13
1080	0,80 C, 0,80 Mn	As rolled	140	967	85	586	12	Music wire, helical springs,forging die blocks
		Annealed	89	614	54	373	25
		Tempered*	189	1304	142	980	12
1095	0,95 C, 0,40 Mn	As rolled	140	966	83	573	9	Dies, punches, taps, milling cutters,shear blades, high tensile wire
		Annealed	95	655	55	379	13
		Tempered*	183	1263	118	814	10

*Quenched and tempered at 315^oC (600^OF)

Gambar 2.13 Struktur Mikro Baja Karbon Ultra Rendah Seluruhnya Ferrite

Gambar 2.14 Pengaruh Karbon Terhadap Sifat Mekanik Baja Dengan Karbon Sangat Rendah

Baja karbon rendah atau sangat rendah, seperti telah dijelaskan sebelumnya, banyak digunakan untuk proses pembentukan logam lembaran, misalnya untuk badan dan rangka kendaraan serta komponen-komponen otomotif lainnya. Baja jenis ini dibuat dan diaplikasikan dengan mengeksploitasi sifat-sifat ferrite. Ferrite adalah salah satu fasa penting di dalam baja yang bersifat lunak dan ulet. Baja karbon rendah umumnya memiliki kadar karbon di bawah komposisi eutectoid dan memiliki struktur mikro hampir seluruhnya ferrite. Pada lembaran baja kadar karbon sangat rendah atau ultra rendah, jumlah atom karbonnya bahkan masih berada dalam batas kelarutannya pada larutan padat sehingga struktur mikronya adalah ferrite seluruhnya (Gambar 2.13). Hingga batas kelarutannya di dalam larutan padat ferrite, penambahan karbon berpengaruh terhadap sifat-sifat mekanik lembaran (lihat Gambar 2.14).

Pada kadar karbon lebih tinggi akan mulai terbentuk endapan cementite atau fase pearlite pada batas butirnya sebagaimana terlihat pada Gambar 2.15 (a) dan Fase pada Fe-C terlihat pada Gambar 2.15 (b). Ferrite adalah fase larutan padat yang memiliki struktur BCC (body centered cubic). Ferrite dalam keadaan setimbang dapat ditemukan pada temperature  ruang, yaitu alpha-ferrite (pada temperatur tinggi, yaitu delta-ferrite). Pada temperatur ruang, kelarutan karbon di dalam alpha-ferrite hanyalah sekitar 0,05%. Sedangkan pearlite ialah campuran eutectoid antara ferrite dengan cementite yang terbentuk pada suhu 723 ⁰C dengan kandungan karbon 0,83 %. Cementite ialah suatu senyawa yang terdiri dari unsur Fe dan C dengan perbandingan tertentu (Fe₃C) dengan struktur kristalnya Orthohombik.

Telah dijelaskan sebelumnya bahwa sifat cementite atau carbide yang keras dan getas berperan penting di dalam meningkatkan sifat-sifat mekanik baja. Salah satu parameter penting yang menunjukkan hal tersebut, sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya adalah a mean ferrite path. A mean ferrite path menunjukkan jarak antar cementite, baik pada pearlite maupun sphreodite. Jarak antar carbide di dalam pearlite secara khusus dikenal sebagai interlamellar spacing atau spasi antar lamel atau lembaran.

  

 

                         Annealed low carbon with cementite                         Pearlite in low carbon

(a)

                                                                (b)                        

Gambar 2.15 (a) Struktur Mikro Baja Karbon Rendah (b) Diagram fase Fe-C

Selain kadar karbon, sifat-sifat mekanik baja karbon rendah dengan fase tunggal ferrite (ferritic low carbon steel) ditentukan pula oleh dimensi atau ukuran butir-butir ferrite. Secara umum diketahui bahwa baja dengan ukuran butir lebih kecil akan memiliki kekuatan yang lebih tinggi pada suhu kamar. Hubungan tersebut secara kuantitatif dikenal sebagai Persamaan Hall-Petch. Gambar 2.17 menunjukkan hubungan antara akar kuadrat diameter butir pada baja karbon rendah dengan fase ferrite.

(a)

(b)

Gambar 2.16 (a) Pengaruh Mean Ferrite Path terhadap Tegangan Luluh

(b) Diagram Fase Cu-Fe

Tabel 2.8 Fase Cu-Fe

                                                                                                       L.J.Swartzendruber,1992   

Phase	Composition	Pearson	Space
	wt % Cu	symbol	group
(δFe)	0 to 7.6	cl2	Im3m
(γFe)	0 to 13	cF4	Fm3m
(αFe)	0 to 2.2	cl2	Im3m
(Cu)	95.9 to 100	cF4	Fm3m

……………………………………………..……………(2.1)

Persamaan Hall-Petch ini sangat penting dalam menjelaskan hubungan antara struktur mikro dan sifat-sifat baja. Hubungan ini dimanfaatkan di dalam pemrosesan baja, yaitu dengan mengatur atau mengendalikan ukuran butir untuk meningkatkan kekuatan baja. Penguatan baja dengan cara ini dilakukan melalui proses thermomekanika (thermomechanical process), proses perlakuan panas (heat treatment), dan pemberian paduan mikro (micro alloying).

Gambar 2.17 Pengaruh Ukuran Butir Terhadap Tegangan Luluh

Untuk aplikasi proses pembentukan logam lembaran, sifat-sifat ferrite yang ulet sangat penting. Diketahui bahwa keuletan adalah salah satu sifat intrinsik yang penting. Namun, di samping % elongasi maksimum yang menggambarkan keuletan baja karbon, terdapat parameter penting lain yang lebih menggambarkan karakteristik mampu bentuk logam lembaran adalah nilai n (koefisien pengerasan regangan) dan nilai r (rasio regangan plastis). Nilai n secara umum menggambarkan kemampuan lembaran baja untuk mendistribusikan regangan secara merata. Pada pengujian tarik dapat dilihat dari besarnya regangan uniform yang mampu dicapai oleh logam. Nilai r secara umum menggambarkan ketahanan logam lembaran terhadap penipisan. Dalam hal ini, terhadap hubungan yang cukup kuat antara nilai r dan LDR atau batas rasio penarikan logam lembaran. Nilai r terutama berhubungan dengan tekstur kristalografi pada baja, yaitu adanya orientasi kristal yang lebih disukai (preferred orientation). Di samping itu, dilaporkan pula terdapat hubungan antara Lankford Value atau nilai r dengan ukuran besar butir.