Diagram Besi–Karbon & Struktur Mikro Baja

Sifat baja ditentukan oleh struktur mikronya, yaitu susunan butir dan fasa yang hanya terlihat dengan mikroskop setelah permukaan dipoles dan dietsa. Diagram besi–karbon (Fe–Fe₃C) memetakan fasa yang stabil pada setiap suhu dan kadar karbon bila pendinginan berlangsung sangat lambat. Diagram ini adalah peta dasar untuk memahami annealing, normalizing, dan hardening.

Fasa dan struktur yang perlu dikenal

Garis dan titik penting

A1 (sekitar 727 °C)

di bawah garis ini austenit tidak stabil pada baja karbon; di atasnya austenit mulai terbentuk.

A3

batas atas daerah ferit + austenit pada baja di bawah 0,76% C. Di atas A3 baja sepenuhnya austenit; garis ini turun dari 912 °C (besi murni) ke 727 °C.

Acm

batas daerah austenit + sementit pada baja di atas 0,76% C.

Titik eutektoid (sekitar 0,76% C, 727 °C)

austenit berubah seluruhnya menjadi perlit saat pendinginan lambat.

Sekitar 2,1% C

batas kasar antara baja dan besi cor.

Kadar karbon menentukan struktur setelah pendinginan lambat

Baja dengan karbon di bawah 0,76% (hipoeutektoid, misalnya S45C/C45) berubah menjadi ferit + perlit. Makin banyak karbon, makin banyak perlit, sehingga baja makin kuat dan keras tetapi kurang ulet. Perkiraan kasar porsi perlit dengan aturan tuas: (C − 0,02) ÷ (0,76 − 0,02). Untuk 0,45% C: 0,43 ÷ 0,74 ≈ 58% perlit dan sisanya ferit. Untuk 0,20% C hanya sekitar 24% perlit—karena itu baja karbon rendah lunak dan mudah dibentuk.

Baja di atas 0,76% C (hipereutektoid, misalnya baja perkakas karbon) berubah menjadi perlit dengan sementit di batas butir. Sementit yang membentuk jaringan dapat membuat baja getas, sehingga baja ini sering dipasok dalam kondisi spheroidized annealed agar mudah dimesin.

Struktur mikro baja di bawah mikroskop optik (dietsa nital)

Gambar dirender dari model ukuran butir dan jarak lamel untuk tujuan belajar, bukan foto sampel tertentu. Skala batang di pojok tiap gambar menunjukkan ukuran nyata. Struktur sebenarnya bergantung pada komposisi, ukuran penampang, dan siklus panas.

Hubungannya dengan perlakuan panas

• Hardening baja hipoeutektoid dimulai dengan memanaskan sedikit di atas A3 agar seluruhnya menjadi austenit. Baja hipereutektoid umumnya dipanaskan di antara A1 dan Acm.
• Pendinginan cepat (quench) mencegah karbon keluar dari larutan sehingga terbentuk martensit. Kekerasan martensit terutama ditentukan kadar karbon: kira-kira 50 HRC pada 0,2% C, sekitar 58 HRC pada 0,4% C, dan sekitar 64 HRC pada 0,6% C bila struktur hampir seluruhnya martensit.
• Itulah alasan baja karbon rendah tidak bisa dikeraskan banyak secara langsung. Permukaannya bisa dikeraskan dengan menambah karbon lebih dulu (carburizing).
• Annealing penuh memakai pendinginan sangat lambat di tungku sehingga terbentuk perlit kasar yang lunak. Normalizing memakai pendinginan udara sehingga perlitnya lebih halus dan baja sedikit lebih kuat.

Waktu juga berperan: diagram CCT

Diagram Fe–C tidak menunjukkan waktu. Untuk mengetahui struktur apa yang terbentuk pada laju pendinginan tertentu dipakai diagram transformasi pendinginan kontinu (CCT) atau transformasi isotermal (TTT). Pendinginan lambat menghasilkan ferit dan perlit, pendinginan menengah menghasilkan bainit, dan pendinginan cukup cepat menghasilkan martensit. Unsur paduan seperti Cr, Mo, Mn, dan Ni menggeser kurva transformasi ke waktu yang lebih lama, sehingga baja paduan dapat dikeraskan dengan pendingin yang lebih lunak (oli atau gas) dan pada penampang yang lebih tebal. Sifat ini disebut hardenability.