Allotropi pada Baja: Perubahan Mikrostruktur & Dampaknya terhadap Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Allotropi mengacu pada fenomena di mana unsur atau senyawa kimia ada dalam dua atau lebih bentuk struktural yang berbeda, yang dikenal sebagai allotrop, dalam keadaan fisik yang sama. Dalam konteks baja dan paduan berbasis besi, allotropi terutama berkaitan dengan keberadaan bentuk kristalin yang berbeda dari besi, terutama ferrit (α-besi) dan austenit (γ-besi), yang stabil pada rentang suhu tertentu.

Di tingkat atom, allotropi muncul dari variasi dalam pengaturan atom dalam kisi kristal. Modifikasi struktural ini dipicu oleh perbedaan suhu, tekanan, dan unsur paduan, yang mengubah lanskap energi bebas dari fase-fase tersebut. Dasar ilmiah fundamental melibatkan stabilitas fase yang diatur oleh prinsip termodinamika, di mana setiap allotrop sesuai dengan minimum lokal dalam permukaan energi bebas di bawah kondisi tertentu.

Dalam metalurgi baja, pemahaman tentang allotropi sangat penting karena mempengaruhi transformasi fase, sifat mekanik, dan perilaku pemrosesan. Kemampuan besi untuk mengubah struktur kristalnya dengan suhu mendasari banyak proses perlakuan panas, seperti annealing, quenching, dan tempering, yang menyesuaikan mikrostruktur dan sifat baja.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Allotrop dari besi menunjukkan struktur kristalografi yang berbeda:

• Ferrit (α-besi): Ini adalah struktur kristal kubik berpusat badan (BCC) yang stabil pada suhu kamar hingga sekitar 912°C. Kisi BCC memiliki satu atom di setiap sudut kubus dan satu atom di pusat kubus, dengan parameter kisi sekitar 2,86 Å pada suhu kamar. Pengaturan atom memungkinkan untuk duktilitas yang relatif tinggi dan kelarutan karbon yang rendah.

• Austenit (γ-besi): Fase ini mengadopsi struktur kubik berpusat wajah (FCC) yang stabil antara sekitar 912°C dan 1.394°C. Kisi FCC memiliki atom di setiap sudut dan pusat wajah, dengan parameter kisi sekitar 3,58 Å pada suhu tinggi. Austenit dapat melarutkan karbon secara signifikan lebih banyak daripada ferrit, mempengaruhi kekerasan dan kekuatannya.

Transformasi antara allotrop ini melibatkan perubahan struktur kristal yang tanpa difusi atau terkontrol difusi, sering disertai dengan perubahan volume dan distorsi kisi. Secara kristalografi, transformasi melibatkan perubahan dari simetri BCC ke FCC (atau sebaliknya), dengan hubungan orientasi tertentu seperti varian Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann yang menggambarkan kesesuaian orientasi antara fase-fase tersebut.

Ciri Morfologis

Morfologi allotrop dalam mikrostruktur baja bervariasi dengan kondisi pemrosesan:

• Ferrit: Biasanya muncul sebagai butiran yang lembut, duktil, dan relatif kasar dalam mikrograf. Di bawah mikroskop optik, ferrit menunjukkan penampilan yang terang dan seragam dengan butiran poligonal yang berkisar dari beberapa mikrometer hingga beberapa puluh mikrometer dalam ukuran.

• Austenit: Biasanya diamati sebagai butiran austenitik yang sering lebih besar dan lebih ekuiaxial pada suhu tinggi. Dalam baja yang didinginkan, austenit yang tertahan dapat muncul sebagai pulau kecil yang membulat di dalam konstituen mikrostruktur lainnya.

Bentuk fase allotropik dapat ekuiaxial, memanjang, atau lamelar tergantung pada mekanisme transformasi dan sejarah termal. Misalnya, selama pendinginan cepat, austenit dapat berubah menjadi martensit, yang memiliki morfologi seperti jarum atau lath, sedangkan pendinginan lambat lebih mendukung pembentukan ferrit poligonal.

Sifat Fisik

Sifat fisik yang terkait dengan allotrop berbeda secara signifikan:

• Kepadatan: Ferrit memiliki kepadatan sekitar 7,87 g/cm³, sedangkan kepadatan austenit sedikit lebih rendah (~7,85 g/cm³) karena ekspansi kisi pada suhu tinggi.

• Kondutivitas Listrik: Austenit umumnya menunjukkan kondutivitas listrik yang lebih tinggi daripada ferrit karena strukturnya yang lebih terbuka dan lebih sedikit cacat kisi pada suhu tinggi.

• Sifat Magnetik: Ferrit (α-besi) bersifat feromagnetik pada suhu kamar, menunjukkan permeabilitas magnetik yang tinggi. Austenit (γ-besi) bersifat paramagnetik atau lemah feromagnetik pada suhu rendah tetapi menjadi non-magnetik pada suhu tinggi.

• Kondutivitas Termal: Austenit cenderung memiliki kondutivitas termal yang sedikit lebih tinggi karena strukturnya yang FCC dan kepadatan pengemasan atom yang lebih tinggi.

Sifat-sifat ini mempengaruhi kinerja baja dalam aplikasi seperti perangkat magnetik, komponen listrik, dan sistem manajemen termal.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamik

Pembentukan dan stabilitas allotrop diatur oleh prinsip-prinsip termodinamika, terutama energi bebas Gibbs (G). Setiap fase memiliki kurva energi bebas karakteristik sebagai fungsi suhu dan komposisi:

[ G = H - TS ]

di mana $H$ adalah entalpi, ( T ) suhu, dan ( S ) entropi.

Pada rentang suhu tertentu, energi bebas ferrit atau austenit diminimalkan, menentukan stabilitas fase. Diagram fase paduan besi-karbon menggambarkan daerah stabilitas yang bergantung pada suhu dari allotrop ini. Misalnya, diagram fase Fe-Fe₃C menunjukkan stabilitas austenit pada suhu tinggi dan ferrit pada suhu lebih rendah.

Transformasi fase dari ferrit ke austenit melibatkan penyeberangan garis batas fase pada suhu kritis (sekitar 912°C untuk besi murni). Transformasi ini didorong oleh pengurangan energi bebas yang terkait dengan stabilitas fase baru pada kondisi yang diberikan.

Kinetika Pembentukan

Kinetika allotropi melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan:

• Nukleasi: Pembentukan awal allotrop baru terjadi di lokasi tertentu seperti batas butir, dislokasi, atau inklusi. Laju nukleasi tergantung pada suhu, derajat pendinginan atau pemanasan berlebih, dan keberadaan unsur paduan.

• Pertumbuhan: Setelah inti terbentuk, mereka tumbuh melalui difusi atom atau migrasi antarmuka. Laju pertumbuhan dikendalikan oleh mobilitas atom, yang meningkat seiring dengan suhu.

Langkah yang mengendalikan laju sering kali adalah difusi atom, dengan energi aktivasi (( Q )) yang mengatur proses:

$$R \propto e^{-\frac{Q}{RT}} $$

di mana $R$ adalah laju, ( T ) suhu, dan ( R ) konstanta gas universal.

Pendekatan pendinginan cepat (quenching) menekan difusi, mendukung transformasi martensitik, sementara pendinginan lambat memungkinkan fase keseimbangan seperti ferrit atau pearlit terbentuk.

Faktor yang Mempengaruhi

Beberapa faktor mempengaruhi pembentukan allotropi:

• Unsur Paduan: Unsur seperti karbon, mangan, nikel, dan krom mengubah stabilitas fase dengan menggeser batas fase dan mempengaruhi laju difusi.

• Parameter Pemrosesan: Suhu, laju pendinginan, dan gradien termal menentukan apakah transformasi berlangsung ke fase keseimbangan atau fase metastabil.

• Mikrostruktur Sebelumnya: Ukuran butir yang ada, kepadatan dislokasi, dan distribusi fase mempengaruhi lokasi nukleasi dan jalur transformasi.

• Stres Eksternal: Stres mekanik dapat mendorong atau menghambat transformasi fase melalui kontribusi energi regangan.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Kinetika transformasi fase dapat dijelaskan oleh persamaan Johnson–Mehl–Avrami (JMA):

$$X(t) = 1 - e