Alpha Iron: Mikrostruktur, Pembentukan & Dampak pada Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Besi alfa, juga dikenal sebagai ferrit, adalah fase mikrostruktur dasar dalam baja dan paduan besi yang ditandai dengan struktur kristal kubik berpusat badan (BCC). Ini mewakili bentuk stabil besi pada suhu kamar dan hingga sekitar 912°C dalam kondisi keseimbangan. Pada tingkat atom, besi alfa terdiri dari kisi atom besi yang disusun dalam konfigurasi BCC, di mana setiap atom terletak di tengah dalam sebuah kubus yang dibentuk oleh delapan atom tetangga.

Fase ini signifikan dalam metalurgi baja karena memberikan duktilitas, kelembutan, dan sifat magnetik pada material. Kehadirannya mempengaruhi perilaku mekanik, ketahanan korosi, dan stabilitas termal, menjadikannya sebagai dasar dalam desain dan pengolahan berbagai jenis baja. Memahami mikrostruktur dan perilaku besi alfa sangat penting untuk mengontrol sifat baja selama proses pembuatan dan penggunaan.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Besi alfa mengadopsi sistem kristal kubik berpusat badan (BCC), yang ditandai dengan kisi di mana atom menempati sudut kubus dan satu atom berada di pusat kubus. Parameter kisi besi alfa pada suhu kamar adalah sekitar 2,866 Å, mencerminkan periodisitas susunan atom.

Struktur BCC memiliki sel unit primitif dengan atom di sudut dan satu atom di pusat, menghasilkan angka koordinasi 8 dan faktor pengemasan sekitar 68%. Struktur yang relatif terbuka ini memungkinkan pergerakan dislokasi yang mudah, berkontribusi pada duktilitas ferrit.

Dari segi kristalografi, besi alfa menunjukkan hubungan orientasi tertentu dengan fase lain, seperti semenit atau austenit. Misalnya, selama transformasi dari austenit (kubik berpusat muka, FCC) menjadi ferrit (BCC), hubungan orientasi sering mengikuti skema Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, yang menggambarkan penyelarasan spesifik dari bidang dan arah kristalografi.

Ciri Morfologis

Dari segi mikrostruktur, besi alfa muncul sebagai daerah yang relatif lembut dan duktil dalam baja, sering kali membentuk fase matriks dalam baja karbon rendah. Morfologinya dapat bervariasi dari butir yang ekuiaxed hingga bentuk yang memanjang atau poligonal tergantung pada kondisi pengolahan.

Ukuran butir yang khas berkisar dari beberapa mikrometer hingga beberapa ratus mikrometer, dipengaruhi oleh perlakuan termomekanik seperti annealing atau rekristalisasi. Di bawah mikroskop optik, butir ferrit biasanya berwarna terang pada sampel yang di etsa, dengan batas yang jelas membedakan butir individu.

Konfigurasi tiga dimensi mencakup butir ekuiaxed, pita memanjang, atau bentuk poligonal, sering kali membentuk matriks kontinu yang mendukung konstituen mikrostruktur lainnya seperti perlit atau bainit.

Sifat Fisik

Besi alfa menunjukkan sifat fisik tertentu yang membedakannya dari fase mikrostruktur lainnya:

• Kepadatan: Sekitar 7,87 g/cm³ pada suhu kamar, sedikit kurang padat dibandingkan fase lain seperti semenit karena struktur BCC-nya yang terbuka.
• Konduktivitas Listrik: Sedang, dengan resistivitas sekitar 10–15 μΩ·cm pada suhu kamar, dipengaruhi oleh kandungan kotoran.
• Sifat Magnetik: Menunjukkan ferromagnetisme di bawah suhu Curie (~770°C), menjadikannya sangat magnetik pada suhu kamar.
• Konduktivitas Termal: Sekitar 80 W/m·K pada suhu kamar, memfasilitasi transfer panas dalam komponen baja.

Jika dibandingkan dengan austenit (FCC), ferrit memiliki kepadatan dan konduktivitas listrik yang lebih rendah tetapi permeabilitas magnetik yang lebih tinggi. Kisi BCC-nya yang terbuka memungkinkan pergerakan dislokasi yang lebih mudah, menghasilkan kekuatan hasil yang lebih rendah tetapi duktilitas yang lebih tinggi.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan besi alfa diatur oleh stabilitas termodinamika pada suhu ambien dan suhu yang lebih rendah. Diagram fase paduan besi-karbon menunjukkan bahwa di bawah sekitar 912°C, ferrit adalah fase yang paling stabil, dengan energi bebas diminimalkan dalam struktur BCC.

Perbedaan energi bebas Gibbs antara ferrit dan fase lainnya, seperti austenit atau semenit, menentukan stabilitas fase. Pada keseimbangan, energi bebas besi alfa lebih rendah daripada fase lainnya dalam rentang stabilitasnya, mendukung pembentukannya selama pendinginan atau perlakuan panas.

Hubungan keseimbangan fase digambarkan dalam diagram fase Fe-Fe₃C, di mana garis batas menunjukkan kondisi suhu dan komposisi yang mendukung stabilitas ferrit. Transformasi dari austenit ke ferrit melibatkan penyeberangan batas fase selama pendinginan, didorong oleh pertimbangan termodinamika.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi besi alfa selama pendinginan melibatkan pembentukan inti stabil dalam fase induk, seperti austenit. Nukleasi dipengaruhi oleh derajat pendinginan di bawah suhu transformasi keseimbangan dan keberadaan heterogenitas seperti batas butir atau dislokasi.

Pertumbuhan ferrit berlangsung melalui difusi atom besi, dengan laju yang dikendalikan oleh kinetika difusi. Proses ini dijelaskan oleh teori nukleasi klasik dan model pertumbuhan, di mana laju tergantung pada suhu, koefisien difusi, dan ketersediaan situs nukleasi.

Hubungan waktu-suhu mengikuti persamaan Johnson–Mehl–Avrami, yang memodelkan fraksi yang tertransformasi sebagai fungsi waktu dan suhu. Energi aktivasi untuk difusi (~140 kJ/mol untuk besi) mengatur kinetika, dengan suhu yang lebih tinggi mempercepat transformasi.

Faktor yang Mempengaruhi

Beberapa faktor mempengaruhi pembentukan dan morfologi besi alfa:

• Komposisi Paduan: Kandungan karbon rendah (<0,02%) mendukung pembentukan ferrit; unsur paduan seperti Mn, Si, atau Cr dapat memodifikasi suhu transformasi dan kinetika.
• Parameter Pengolahan: Laju pendinginan yang lambat mendorong pembentukan ferrit yang luas, sementara pendinginan cepat menekannya demi martensit atau bainit.
• Mikrostruktur Sebelumnya: Mikrostruktur austenit yang direkristalisasi atau terdeformasi mempengaruhi situs nukleasi dan perilaku pertumbuhan ferrit.
• Suhu: Suhu kritis untuk pembentukan ferrit tergantung pada paduan; mengontrol profil pendinginan memungkinkan penyesuaian fraksi volume ferrit.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

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

$$X(t) = 1 - \exp(-k t^n) $$

di mana:

• ( X(t) ) adalah fraksi volume yang tertransformasi pada waktu ( t ),
• ( k ) adalah konstanta laju yang bergantung pada suhu,
• ( n ) adalah eksponen Avrami yang terkait dengan mekanisme nukleasi dan pertumbuhan.

Konstanta laju ( k ) mengikuti ketergantungan suhu tipe Arrhenius:

$$k = k_0 \exp\left( -\frac{Q}{RT} \right) $$

di mana:

• $k_0$ adalah faktor pre-eksponensial,
• $Q$ adalah energi aktivasi untuk transformasi,
• $R$ adalah konstanta gas universal,
• $T$ adalah suhu mutlak.

Persamaan ini memungkinkan prediksi kemajuan transformasi selama perlakuan panas, membantu dalam desain proses.

Model Prediktif

Model komputasi seperti simulasi fase-lapangan dan pendekatan CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams) digunakan untuk memprediksi evolusi mikrostruktur yang melibatkan besi alfa. Model-model ini menggabungkan data termodinamika dan parameter kinetik untuk mensimulasikan proses nukleasi, pertumbuhan, dan penghalusan.

Modeling elemen hingga (FEM