Besi umumnya ditemukan di bumi kerak dalam bentuk bijih , biasanya oksida besi, seperti magnetit , hematit dll Besi diekstraksi dari bijih besi dengan menghapus oksigen melalui kombinasi dengan mitra kimia yang disukai seperti karbon yang hilang ke atmosfer sebagai karbon dioksida.
Proses ini, dikenal sebagai peleburan , pertama kali diterapkan pada logam dengan rendah leleh poin, seperti timah , yang meleleh pada sekitar 250 ° C (482 ° F) dan tembaga , yang meleleh pada sekitar 1.100 ° C (2010 ° F) dan kombinasi, perunggu, yang cair pada kurang dari 1.083 ° C (1981 ° F). Sebagai perbandingan, besi cor meleleh pada sekitar 1.375 ° C (2507 ° F). Sejumlah kecil zat besi yang dilebur di zaman kuno, dalam keadaan padat, dengan memanaskan bijih dalam arang api dan pengelasan rumpun bersama-sama dengan palu, memeras keluar kotoran. Dengan perawatan, kandungan karbon dapat dikendalikan oleh bergerak di sekitar api.
Semua suhu ini bisa dicapai dengan metode kuno yang digunakan sejak Zaman Perunggu . Karena tingkat oksidasi meningkat besi pesat melampaui 800 ° C (1470 ° F), adalah penting bahwa peleburan berlangsung di lingkungan rendah oksigen. Tidak seperti tembaga dan timah, cair atau besi padat larut karbon cukup mudah. Peleburan, menggunakan karbon untuk mengurangi oksida besi, hasil dalam paduan ( pig iron ) yang mempertahankan terlalu banyak karbon untuk disebut baja. Kelebihan karbon dan kotoran lainnya dihilangkan pada langkah berikutnya.
Bahan lain sering ditambahkan ke dalam campuran besi / karbon untuk menghasilkan baja dengan sifat yang diinginkan. Nikel dan mangan dalam baja menambah kekuatan tarik dan membuat austenit bentuk solusi besi-karbon lebih stabil, kromium meningkatkan kekerasan dan mencair suhu, dan vanadium juga meningkatkan kekerasan sementara membuat lebih rentan terhadap kelelahan logam .
Untuk menghambat korosi, setidaknya 11% kromium ditambahkan ke baja sehingga sulit oksida bentuk pada permukaan logam; ini dikenal sebagai stainless steel . Tungsten mengganggu pembentukan sementit , memungkinkan martensit untuk secara istimewa membentuk pada tingkat pendinginan lebih lambat, sehingga baja kecepatan tinggi . Di sisi lain, sulfur, nitrogen , dan fosfor membuat baja lebih rapuh, sehingga elemen ini umum ditemukan harus dikeluarkan dari baja mencair selama pemrosesan.
Kepadatan baja beragam tergantung konstituen paduan tetapi biasanya berkisar antara 7.750 dan 8.050 kg / m 3 (484 dan 503 lb / cu ft), atau 7.75 dan 8.05 g / cm 3 (4,48 dan 4,65 oz / cu in). [ 5]
Bahkan dalam kisaran sempit konsentrasi campuran karbon dan besi yang membuat baja, sejumlah struktur metalurgi yang berbeda, dengan sifat yang sangat berbeda dapat membentuk. Memahami sifat tersebut adalah penting untuk membuat baja berkualitas. Pada suhu kamar , bentuk paling stabil dari besi murni adalah kubus berpusat badan (BCC) struktur yang disebut alpha besi atau α-besi. Ini adalah logam yang cukup lembut yang dapat larut hanya konsentrasi kecil karbon, tidak lebih dari 0,005% pada 0 ° C (32 ° F) dan 0,021% berat pada 723 ° C (1333 ° F). Dimasukkannya karbon dalam besi alpha disebut ferit . Pada 910 ° C besi murni berubah menjadi kubik berpusat muka struktur (FCC), yang disebut gamma besi atau γ-besi. Dimasukkannya karbon dalam besi gamma disebut austenit . Struktur FCC austenit dapat melarutkan jauh lebih banyak karbon, sebanyak 2,1% (38 kali dari ferit) karbon pada 1148 ° C (2098 ° F), yang mencerminkan kandungan karbon atas baja, di luar yang dilemparkan besi. Ketika bergerak karbon dari solusi dengan besi itu membentuk sangat sulit, tetapi bahan rapuh disebut sementit (Fe 3 C).
Ketika baja dengan tepat 0,8% karbon (dikenal sebagai baja eutektoid), didinginkan, yang austenitic fase (FCC) dari campuran mencoba untuk kembali ke fase ferit (BCC). karbon tidak lagi cocok dalam struktur austenit FCC, yang mengakibatkan kelebihan karbon. Salah satu cara untuk karbon meninggalkan austenit adalah untuk itu untuk mengendapkan dari solusi sebagai sementit , meninggalkan fase sekitarnya besi BCC disebut ferit yang mampu menahan karbon dalam larutan. Kedua, ferit dan sementit, endapan secara bersamaan menghasilkan struktur berlapis disebut perlit , nama untuk kemiripannya dengan ibu dari mutiara . Dalam komposisi Hipereutektoid (lebih besar dari 0,8% karbon), karbon pertama akan mengendap inklusi sebagai besar sementit pada batas butir austenit dan kemudian ketika komposisi tertinggal adalah eutektoid, bentuk struktur perlit. Untuk baja yang memiliki kurang dari 0,8% karbon (hypoeutectoid), ferit pertama akan membentuk sampai komposisi yang tersisa adalah 0,8% di mana titik struktur perlit akan membentuk. Tidak ada inklusi besar sementit akan membentuk pada batas. Di atas mengasumsikan bahwa proses pendinginan sangat lambat, memungkinkan cukup waktu untuk karbon untuk bermigrasi.
Sebagai tingkat pendinginan meningkat karbon akan memiliki sedikit waktu untuk bermigrasi untuk membentuk karbida pada batas butir akan tetapi harus semakin besar jumlah perlit dari halus dan lebih halus struktur dalam butir; maka karbida yang lebih tersebar luas dan bertindak untuk mencegah slip cacat dalam mereka biji-bijian, mengakibatkan pengerasan baja. Pada tingkat pendinginan yang sangat tinggi yang dihasilkan oleh pendinginan, karbon tidak memiliki waktu untuk bermigrasi namun terkunci dalam pusat wajah austenit dan bentuk martensit . Martensit sangat tegang dan stres bentuk jenuh karbon dan besi dan sangat keras tapi rapuh. Tergantung pada kandungan karbon, fase martensit mengambil bentuk yang berbeda. Di bawah 0,2% karbon, dibutuhkan pada bentuk kristal BCC ferit, tetapi pada kandungan karbon yang lebih tinggi dibutuhkan tetragonal berpusat badan (BCT) struktur. Tidak ada termal energi aktivasi untuk transformasi dari austenit ke martensit. [ Klarifikasi diperlukan ] Selain itu, tidak ada perubahan komposisi sehingga atom umumnya mempertahankan tetangga yang sama mereka.
Martensit memiliki kepadatan yang lebih rendah (mengembang) daripada austenit, sehingga transformasi antara mereka menghasilkan perubahan volume. Dalam hal ini, ekspansi terjadi. Tekanan internal dari ekspansi ini umumnya mengambil bentuk kompresi pada kristal martensit dan ketegangan pada ferit yang tersisa, dengan jumlah wajar geser di kedua konstituen. Jika Pemadaman dilakukan tidak benar, tekanan internal dapat menyebabkan bagian untuk menghancurkan sebagai mendingin. Setidaknya, mereka menyebabkan intern pengerasan kerja dan ketidaksempurnaan mikroskopis lainnya. Hal ini umum untuk retak memuaskan terbentuk ketika baja air padam, meskipun mereka mungkin tidak selalu terlihat.
(sumber)
