Baja adalah logam yang unsur dasarnya besi dan ditambahi dengan beberapa elemen-elemen lainnya termasuk unsur carbon. Kandungan unsur karbon dalam baja berkisar antara 0,2- 2,1% berat sesuai grade-nya. Berikut elemen-elemen yang terdapat dalam baja seperti karbon (C), mangan (Mn), fosfor (P), sulfur (S), silikon (Si) dan sebagian kecil oksigen (O2), nitrogen (N2) dan aluminium (Al). Selain itu, ada elemen lain yang ditambahkan untuk membedakan karakteristik antara beberapa jenis baja diantaranya: mangan (Mn), nikel (Ni), krom (Cr), molybdenum (Mo), boron (B), titanium (Ti), vanadium (V) dan niobium (Nb) (Ashby, 2005).

1. MECHANICAL ENGINEERING - DIT,( NATALINO FONSECA, 2020)
Baja (Steel)
Baja adalah logam yang unsur dasarnya besi dan ditambahi dengan beberapa elemen-
elemen lainnya termasuk unsur karbon. Kandungan unsur karbon dalam baja berkisar antara 0,2-
2,1% berat sesuai grade-nya. Berikut elemen-elemen yang terdapat dalam baja seperti karbon
(C), mangan (Mn), fosfor (P), sulfur (S), silikon (Si) dan sebagian kecil oksigen (O2), nitrogen
(N2) dan aluminium (Al). Selain itu, ada elemen lain yang ditambahkan untuk membedakan
karakteristik antara beberapa jenis baja diantaranya: mangan (Mn), nikel (Ni), krom (Cr),
molybdenum (Mo), boron (B), titanium (Ti), vanadium (V) dan niobium (Nb) (Ashby, 2005).
Baja juga digunakan sebagai material pada plat, pipa, lembaran, profil dan sebagainya.
Proses pembuatan baja dapat melalui proses pengecoran, penempaan, pencairan. Kandungan
unsur paling penting dalam baja adalah karbon karena dapat berpengaruh pada kekerasan dan
kekuatan baja. Tinggi rendahnya persentase kadar karbon dalam baja berpengaruh pada tinggi
rendahnya suhu kritis (batas zona struktur logam). Bila kadar karbon baja melebihi 0,20%, dari
suhu austenite turun dimana sifat ferrite mulai terbentuk dan mengendap. Baja denga kadar
karbon 0,80% disebut baja eutectoid dan strukturnya terdiri dari 100% pearlite. Titik eutectoid
adalah suhu terendah dalam logam, dimana terjadi perubahan dalam keadaan larut padat dan
merupakan suhu keseimbangan terendah dimana austenite terurai menjadi ferrite dan cementite.
Bila kadar karbon baja lebih besar dari pada eutectoid, perlu diamati garis pada diagram
besi-karbida besi. Garis ini menyatakan suhu dimana karbida besi mulai memisah dari austenite.
Karbida besi dengan rumus kimia Fe3C disebut cementite. Cementite sangat keras dan rapuh.
Baja yang mengandung kadar karbon kurang dari eutectoid (0,80%) disebut baja hypoeutectoid
dan baja yang mengandung kadar karbon lebih dari eutectoid disebut baja hypereutectoid
(William D. Callister, 2015).
Pada proses perlakuan panas diperlukan pengetahuan tentang transformasi fasa, sehingga
memungkinkan memperoleh sifat-sifat mekanik bahan dengan mengubah struktur mikro baja.
Struktur yang terdapat pada baja antara lain:

2. MECHANICAL ENGINEERING - DIT,( NATALINO FONSECA, 2020)
1. Ferrite
Sel satuan pada ferrite adalah Body Centered Cubic (BCC) dan hanya dapat menampung
unsur karbon maksimum 0,025% pada temperatur 723o
C. Ferrite akan berubah menjadi getas
pada temperatur rendah. Ferrit merupakan struktur yang paling lunak pada baja.
2. Pearlite
Campuran dari ferrite dan cementite berlapis dalam suatu struktur butir disebut pearlite.
Pada proses heat-treatment dengan laju pendinginan lambat menghasilkan fasa pearlite kasar
sedangkan pada laju pendinginan cepat menghasilkan fasa pearlite halus. Sifat fasa pearlit
adalah keras dan lebih tangguh.
3. Austenite
Austenite mempunyai sel satuan yang disebut Face Centered Cubic (FCC) yang
mengandung unsur karbon maksimum hingga 1,7%. Fasa ini hanya terjadi pada temperatur
tinggi.
4. Martensite
Martensite merupakan fasa larutan padat lewat jenuh dari karbon. Sel satuannya adalah
Body Centered Tetragonal (BCT). Semakin tinggi kejenuhan karbon maka sifatnya semakin
keras dan getas. Jika baja didinginkan secara cepat pada fasa austenite maka sel satuan Face
Centered Cubic (FCC) akan bertransformasi secara cepat menjadi Body Centered Cubic (BCC).
Proses pendinginan secara cepat menyebabkan unsur karbon yang larut dalam sel satuan BCC
tidak sempat keluar (terperangkap) dan tetap berada dalam sel satuan tersebut. Hal tersebut
menyebabkan distorsi sel satuan sehingga sel satuan BCC berubah menjadi sel satuan BCT.
5. Cementite
Cementite merupakan senyawa bersifat sangat keras yang mengandung 6,67% karbon.
Cementite sangat keras tetapi bila bercampur dengan ferrite yang lunak maka kekerasan akan
menurun.

3. MECHANICAL ENGINEERING - DIT,( NATALINO FONSECA, 2020)
6. Ledeburite
Ledeburite merupakan campuran eutektik antara austenite dan cementite, mengandung
4,3% karbon dan terbentuk pada suhu 1130o
C.
2 Klasifikasi Baja Karbon.
Menurut kadar karbonnya, secara umum baja dikelompokkan menjadi 3 bagian yaitu :
(Lamet, 2001).
a) Baja Karbon Rendah (Low Carbon Steel).
Baja karbon rendah atau juga disebut mild steel memiliki kandungan unsur karbon kurang
dari 0,3%. Biasanya baja karbon rendah adalah hasil produk dari pengerjaan dingin dan proses
anil. Baja karbon rendah dengan kadar karbon kurang dari 0,1% - 0,4% Mn menyebabkan
formability-nya rendah jika dibandingkan dengan baja karbon lain. Baja ini dimanfaatkan untuk
panel bodi pada mobil, pelat kaleng/tabung dan kabel. Produk baja yang dihasilkan dari proses
pengerolan berpenampang pelat dengan kandungan karbon mencapai 0,3% dan kandungan
mangan mencapai 1,5% banyak digunakan untuk stamping, forging, seamless tubes dan boiler
plate.
b) Baja Karbon Sedang (Medium Carbon Steel).
Baja karbon sedang pada dasarnya adalah sama dengan baja karbon rendah, hanya
persentase kandungan karbon dan mangannya lebih besar yaitu kandungan karbon antara 0,30 -
0,60% dan kandungan mangan antara 0,60 – 1,65%. Peningkatan unsur karbon sekitar 0,5%
disertai dengan peningkatan unsur mangan sehingga memungkinkan baja karbon ini bisa
digunakan untuk proses heat-treatment seperti proses quenching dan tempering. Baja ini biasa
digunakan sebagai material pada komponen mesin seperti shaft, axle, roda gigi, crackshaft,
kopling dan sebagainnya. Baja karbon sedang dengan kandungan karbon 0,4 - 0,60% juga sering
digunakan sebagai material untuk rel kereta api, roda kereta api dan poros rel kereta.

4. MECHANICAL ENGINEERING - DIT,( NATALINO FONSECA, 2020)
c) Baja Karbon Tinggi (High Carbon Steel).
Baja karbon tinggi memiliki kandungan karbon antara 0,60 - 1,00% dan kandungan
mangan 0,30-0,90%. Baja karbon tinggi banyak digunakan sebagai material pada pembuatan
pegas dan kawat dengan kekuatan tinggi.
3. Baja paduan (Alloy steel).
Baja paduan adalah baja karbon yang diberi tambahan unsur lain bisa satu atau lebih unsur-
unsur tambahan untuk menghasilkan sifat-sifat yang dikehendaki (tidak dimiliki oleh baja
karbon). Unsur tambahan yang umumnya digunakan adalah nikel, mangan dan chrom.
Berdasarkan kadar paduannya, baja paduan dibagi menjadi tiga macam yaitu :
a. Baja paduan rendah (low alloy steel).
Baja paduan rendah adalah baja paduan yang mempunyai persentase unsur paduan rendah.
Baja jenis ini biasanya memiliki paduan kurang dari 10%. Material baja ini sering digunakan
sebagai material pada mesin perkakas seperti pahat kayu, poros, dan gergaji.
b. Baja paduan menengah (medium alloy steel).
Baja paduan menengah merupakan baja dengan paduan elemen 2,5 %-10 %. Adapun unsur-
unsur yang terdapat pada baja tersebut misalnya seperti unsure Cr, Mn, Ni, S, Si, P dan lain-
lain.
c. Baja paduan tinggi (high alloy steel).
Baja paduan tinggi merupakan baja paduan dengan kadar unsur paduan lebih dari 10% berat.
Adapun unsur-unsur yang terdapat pada baja tersebut misalnya unsur Cr, Mn, Ni, S, Si, P
(Mulyanti, 1996).
4. Sifat-sifat Baja.
Baja memiliki dua sifat yang sangat penting untuk dikaji dan dipelajari yaitu sifat mekanik
dan sifat fisik. Adapun penjelasan mengenai sifat mekanik dan sifat fisik baja adalah sebagai
berikut :

5. MECHANICAL ENGINEERING - DIT,( NATALINO FONSECA, 2020)
1). Sifat mekanik baja.
Sifat mekanik bahan adalah kemampuan bahan untuk menahan beban baik dinamis
maupun statis yang dikenakan serta mempertahankan diri dari gaya-gaya luar yang
mempengaruhinya (Karmin dan Muchtar, 2012). Berikut beberapa sifat mekanik bahan adalah
sebagai berikut :
a. Keliatan (ductility) adalah sifat suatu bahan yang mempunyai gaya regangan (tensile strain)
relatif besar sampai dengan titik kerusakan yang memungkinkan dibentuk secara permanen.
b. Ketangguhan (thoughness) adalah sifat suatu bahan yang menunjukkan besarnya energi yang
dibutuhkan untuk mematahkan bahan. Bahan ini juga mempunyai kemampuan menyerap
energi sampai patah.
c. Kekuatan tarik (tensile strength), kekuatan tarik dari suatu bahan ditetapkan dengan
membagi gaya maksimum terhadap luas penampang mula-mula. Setelah posisi titik luluh
kemudian tegangan terus naik sehingga terjadi deformasi plastis sampai titik maksimum dan
kemudian menurun sampai akhirnya patah.
Sifat mekanik baja dipengaruhi oleh ikatan antara karbon dengan besi. Pada prosesnya,
terdapat dua bentuk utama kristal saat karbon berikatan dengan besi. Adapun dua bentuk utama
pada kristal tersebut adalah sebagai berikut: (Schonmetz, 1985).
a. Ferit, yaitu besi murni (Fe) terletak rapat saling berdekatan dan tidak teratur, baik bentuk
maupun besarnya. Ferit adalah bagian baja yang paling lunak. Ferit murni tidak cocok
digunakan sebagai bahan untuk benda kerja yang menahan beban besar karena kekuatannya
kecil.
b. Pearlit, merupakan campuran antara ferit dan cementit dengan kandungan karbon sebesar
0,8%. Struktur pearlit mempunyai kristal ferit tersendiri dari serpihan cementit halus yang
saling berdampingan dalam lapisan tipis mirip lamel.
4. Diagram fasa besi – besi karbida (Fe – Fe3C).
Besi murni yang mengalami pemanasan akan mengalami dua perubahan pada struktur
kristalnya sebelum meleleh. Bentuk stabil baja pada temperatur ruang disebut ferrite atau besi-α
(memiliki struktur kristal BCC). Pada suhu 912o
C (1674o
F) ferrite mengalami transformasi

6. MECHANICAL ENGINEERING - DIT,( NATALINO FONSECA, 2020)
menjadi austenite FCC (besi-γ). Austenite ini tetap berlangsung sampai temperatur 1394o
C
(2541o
F) yaitu temperatur dimana austenite FCC kembali menjadi BCC yang disebut besi-δ dan
akhirnya meleleh pada suhu 1538o
C (2800o
F). Perubahan-perubahan ini terjadi disepanjang
sumbu vertikal sebelah kiri dari diagram fasa yang dapat dilihat pada Gambar 1 (Callister &
Rethwisch, 2009).
Gambar 1. Diagram fasa besi – besi karbida (Fe-Fe3C) (Callister & Rethwisch, 2009).
Sumbu X adalah komposisi karbon (C) dari 0 sampai 6,70% berat. Besi karbida atau
cementite (Fe3C) yang terbentuk ditandai dengan garis vertikal pada diagram fasa. Sehingga
sistem besi-karbon terbagi menjadi dua bagian, bagian kaya besi seperti pada Gambar 2.8 dan
bagian lainnya yaitu untuk komposisi 6,70–100% berat C (grafit murni). Pada prakteknya semua
baja dan besi cor memiliki kandungan karbon kurang dari 6,70%, oleh karena itu hanya
dipertimbangkan sistem besi-besi karbida. Gambar 1 akan lebih tepat disebut diagram fasa Fe-
Fe3C, karena Fe3C dianggap sebagai komponen. Berdasarkan kesepakatan maka komposisi

7. MECHANICAL ENGINEERING - DIT,( NATALINO FONSECA, 2020)
dinyatakan dengan “% berat C” dimana 6,70% berat C dapat disamakan dengan 100% berat
Fe3C (Callister & Rethwisch, 2009).
Karbon adalah ketidakmurnian intersitial pada besi dan membentuk larutan padatan
dengan masing-masing ferrite α, δ dan austenite γ, ini dapat dilihat pada Gambar 1. Pada fasa
ferrite BCC, konsentrasi karbon yang dapat larut hanya sedikit saja yaitu dengan kelarutan
maksimum 0,022% berat pada suhu 727o
C (1341o
F). Pada fasa austenite kelarutan maksimum
karbon adalah 2,14% berat pada suhu 1147o
C (2097o
F). Kelarutan unsur karbon yang terbatas ini
dapat dijelaskan oleh bentuk dan ukuran struktur BCC (Callister & Rethwisch, 2009).
Transformasi fasa yang melibatkan fasa austenite sangat penting dalam hal perlakuan
panas baja. Ferrite δ hampir sama dengan ferrite α, kecuali pada temperatur dimana keduannya
terjadi. Ferrite δ stabil pada temperatur yang relatif tinggi. Cementite (Fe3C) terbentuk ketika
batas kelarutan karbon pada ferrite α telah melampaui dibawah 727o
C (1341o
F) (untuk
komposisi diantara daerah fasa α + Fe3C. Seperti terlihat pada Gambar 1 Fe3C juga terdapat
bersama dengan fasa δ diantara 727–1147o
C (1341– 2097o
F). Sifat mekanik cementite adalah
keras dan getas. Kekuatan sebagian besar baja disebabkan adanya struktur cementite (Callister &
Rethwisch, 2009).
2.3.1 Struktur kristal logam.
Semua logam, sebagian besar keramik dan beberapa polimer membentuk struktur kristal
ketika bahan tersebut membeku. Dengan ini dimaksudkan bahwa atom-atom akan memposisikan
diri secara teratur dalam pola tiga dimensi dan setiap atom akan berikatan dengan atom
terdekatnya. Struktur semacam ini disebut struktur kristal. Berikut adalah jenis-jenis bentuk
kristal yang ditemukan pada sebagian besar logam : (William D. Callister, 2015).
a) Body Centered Cubic (BCC).
Struktur kristal BCC memiliki dua atom pada setiap sel satuannya. Satu atom terbagi
menjadi delapan bagian yang terletak disetiap sudut dan satu atom tunggal pada pusat atom.
Dimana posisi atom disetiap sudut dan pusatnya adalah ekivalen atau sama. Ini bisa dilihat pada
Gambar 2.

8. MECHANICAL ENGINEERING - DIT,( NATALINO FONSECA, 2020)
Gambar 2 Struktur kristal body centered cubic (BCC) (william D. Callister, 2015).
b) Face Centered Cubic (FCC).
Struktur kristal FCC memiliki atom yang terletak pada setiap sudut dan ditengah-tengah
seluruh sisi kubik seperti terlihat pada Gambar 3. Logam yang mempunya struktur kristal ini
adalah tembaga, aluminium, perak dan emas (william D. Callister, 2015).
Gambar 3 Struktur kristal face centered cubic (FCC) (william D. Callister, 2015).
c) Hexagonal Closed Packed (HCP).
Struktur Kristal HCP memiliki enam atom yang membentuk segi enam diatas dan dibawah
struktur mengelilingi atom tunggal di tengah tiga atom lainnya terletak ditengah-tengah struktur.
Logam yang mempunyai bentuk struktur ini antara lain magnesium, titanium dan seng. Strukur
kristal hexagonal closed packed ini dapat ditunjukkan pada Gambar 4. (Callister & Rethwisch,
2009).

9. MECHANICAL ENGINEERING - DIT,( NATALINO FONSECA, 2020)
Gambar 4. Struktur kristal hexagonal closed packed (HCP) (William D. Callister, 2015).
d) Body Centered Tetragonal (BCT).
Struktur kristal ini terbentuk ketika terjadi transformasi fasa ketika dilakukan pendinginan
secara cepat dari austenite ke martensite. Hal ini terjadi sedemikian rupa sehingga austenite FCC
mengalami trasformasi polymorphic ke Body Centered Tetragonal (BCT) martensite. Sel satuan
dari struktur kristal ini adalah bentuk simply a body-centered yang telah memanjang disepanjang
salah satu dimensinya. Struktur ini jelas berbeda dari struktur ferrite BCC. Semua atom karbon
tetap sebagai pengotor insterstitial di fasa martensite, dengan demikian karbon membentuk
sebuah larutan padat jenuh yang mampu dengan cepat mengubah struktur lain jika dipanaskan
sampai suhu dimana tingkat difusi cukup besar. Struktur kristal body centered tertragonal ini
dapat ditunjukkan pada Gambar 5 (William D. Callister, 2015).
Gambar 5 Struktur kristal Body Centered Tetragonal (BCT) (William D. Callister, 2015).