Proses nitriding melibatkan difusi nitrogen ke dalam permukaan baja, membentuk lapisan yang kaya nitrogen. Lapisan ini terdiri dari nitrida besi dan nitrida lainnya, secara signifikan meningkatkan kekerasan permukaan baja. Hasilnya adalah penghalang tahan aus yang membantu menahan kerusakan dari kekuatan abrasif dan stres kontak, yang keduanya diketahui kontributor untuk kegagalan kelelahan. Di lingkungan stres tinggi, permukaan yang dikeraskan mencegah bahan permukaan dari lelah, yang sebaliknya akan menciptakan penyimpangan yang berfungsi sebagai tempat inisiasi untuk retakan. Kemampuan untuk menahan keausan permukaan secara langsung meningkatkan ketahanan kelelahan dengan meminimalkan potensi inisiasi retak karena degradasi permukaan.
Nitriding tidak hanya meningkatkan kekerasan tetapi juga secara signifikan meningkatkan integritas keseluruhan permukaan baja. Dengan memperkenalkan atom nitrogen, permukaan menjadi lebih seragam dan padat, menghilangkan atau mengurangi adanya cacat mikro, porositas, dan cacat permukaan. Ketidaksempurnaan permukaan seperti lubang, goresan, atau rongga dapat bertindak sebagai konsentrator tegangan selama siklus pemuatan berulang, yang mengarah ke pembentukan retak dini. Dengan menciptakan permukaan yang lebih halus dan lebih bebas cacat, nitriding meminimalkan kemungkinan ketidaksempurnaan tersebut, yang sebaliknya dapat menyebabkan retakan terbentuk dan merambat. Integritas permukaan yang ditingkatkan ini, terutama dalam kondisi stres tinggi, mencegah inisiasi retakan, yang penting untuk mempertahankan daya tahan material di bawah pemuatan siklik.
Salah satu efek nitridasi yang paling kritis dan menguntungkan adalah pembentukan tegangan residu tekan di permukaan baja. Selama nitridasi, nitrogen berdifusi ke dalam baja, menyebabkan sedikit ekspansi permukaan, yang menciptakan tekanan tekan. Tegangan tekan ini sangat bermanfaat karena menangkal tekanan tarik, yang merupakan penyebab utama inisiasi retak dan propagasi pada logam. Dalam bahan yang mengalami pemuatan siklik, tekanan tarik dapat menyebabkan pembentukan microcracks, yang pada akhirnya dapat tumbuh menjadi fraktur yang lebih besar. Dengan memperkenalkan tekanan tekan, nitriding meningkatkan ketahanan baja terhadap inisiasi retak dan membuatnya kurang rentan terhadap fraktur di bawah siklus pemuatan berulang. Fenomena ini sangat berharga dalam komponen yang terpapar dengan stres tinggi, lingkungan rawan kelelahan, seperti bagian otomotif, roda gigi, atau bilah turbin.
Pada baja yang tidak diobati, begitu retakan kelelahan mulai terbentuk, ia dapat merambat dengan cepat melalui material, terutama di bawah kondisi fluktuasi atau bergantian tegangan. Namun, ketika batang baja mengalami nitriding, lapisan nitrided keras secara signifikan mengurangi laju retakan dapat merambat. Permukaan yang dikeraskan dan tegangan residu tekan yang diinduksi menciptakan penghalang yang tahan terhadap pertumbuhan. Secara khusus, lapisan nitrided menghambat kemajuan retakan yang mungkin terbentuk karena kelelahan, memperlambat pertumbuhan mereka dan meningkatkan resistensi material terhadap kegagalan bencana. Lapisan permukaan yang keras dan padat memberikan kekuatan tambahan dan ketangguhan yang membantu mencegah retakan dari mengembang, terutama dalam kondisi stres siklus. Sebagai akibat, batang baja nitrided mengalami kehidupan layanan yang lebih lama, bahkan dalam aplikasi yang sangat menuntut di mana kelelahan adalah perhatian utama.
Sementara nitriding terutama memperkuat permukaan melalui peningkatan kekerasan, itu juga meningkatkan ketangguhan permukaan, faktor penting dalam ketahanan kelelahan. Ketangguhan permukaan mengacu pada kemampuan material untuk menyerap energi dan menahan inisiasi retak dan perambatan di bawah tekanan. Proses nitriding memodifikasi struktur mikro baja di permukaan, mempromosikan peningkatan ketangguhan dan kekuatan. Permukaan yang lebih keras ini membantu menyerap energi dari dampak atau beban yang berfluktuasi, yang mengurangi kemungkinan inisiasi retak. Dalam aplikasi stres tinggi, peningkatan ketangguhan ini meningkatkan kemampuan material untuk menahan pemuatan berulang tanpa mengalami fraktur tahap awal atau perambatan retak yang mungkin terjadi pada baja yang tidak diolah.3
