Mikrostruktur Austenitik: Pembentukan, Sifat & Aplikasi Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Austenitik mengacu pada fase mikrostruktural tertentu dalam baja yang ditandai oleh kisi kristal kubik pusat muka (FCC). Fase ini terbentuk ketika komposisi kimia baja dan kondisi perlakuan termal mendukung stabilisasi fase ini pada suhu kamar atau suhu tinggi. Pada tingkat atom, austenit terdiri dari susunan homogen atom besi dalam struktur FCC, dengan elemen paduan seperti nikel, mangan, dan karbon yang menstabilkan fase ini.

Dalam metalurgi baja, mikrostruktur austenitik sangat penting karena memberikan sifat mekanik dan fisik yang unik, termasuk duktilitas tinggi, ketangguhan, dan ketahanan terhadap korosi. Ini menjadi dasar bagi banyak jenis baja maju, terutama baja tahan karat, dan mempengaruhi transformasi fase, perilaku deformasi, dan respons perlakuan panas. Memahami sifat austenit sangat penting untuk merancang baja dengan sifat yang disesuaikan untuk berbagai aplikasi industri.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Austenit menunjukkan sistem kristal kubik pusat muka (FCC), di mana setiap sel unit mengandung atom di setiap sudut dan di pusat semua wajah. Parameter kisi untuk austenit dalam baja biasanya berkisar dari sekitar 0,36 hingga 0,36 nanometer, tergantung pada komposisi paduan dan suhu. Struktur FCC ditandai oleh kepadatan pengemasan yang tinggi, dengan atom yang tersusun dalam konfigurasi yang rapat, yang memfasilitasi slip dan deformasi.

Penyusunan atom melibatkan atom besi yang tersusun dalam kisi FCC, dengan elemen paduan yang menempati posisi interstisial atau substitusi. Dalam baja yang distabilkan oleh nikel atau mangan, elemen-elemen ini menempati situs kisi, mempengaruhi stabilitas dan perilaku transformasi austenit. Hubungan orientasi kristalografi antara austenit dan fase lainnya, seperti ferit atau martensit, terdefinisi dengan baik, sering mengikuti hubungan orientasi Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, yang menggambarkan bagaimana austenit FCC berubah menjadi fase kubik pusat tubuh (BCC) atau tetragonal pusat tubuh (BCT).

Ciri Morfologis

Mikrostruktural, austenit muncul sebagai fase homogen, sering kali equiaxed dalam mikrograf baja, terutama setelah perlakuan panas yang tepat. Ukuran butir austenit dapat bervariasi secara luas, dari beberapa mikrometer hingga beberapa ratus mikrometer, tergantung pada kondisi pemrosesan. Ukuran butir yang khas berkisar dari 10 hingga 100 mikrometer dalam baja yang diproses secara konvensional.

Di bawah mikroskop optik, butir austenitik biasanya tidak memiliki fitur dan menunjukkan reflektivitas tinggi, membuatnya tampak cerah dalam sampel yang dipoles dan di etsa. Ketika diamati melalui mikroskop elektron pemindaian (SEM), austenit menampilkan permukaan halus tanpa fitur dengan kontras minimal kecuali jika bahan etsa atau mode pencitraan tertentu digunakan. Dalam mikroskop elektron transmisi (TEM), austenit mengungkapkan kisi FCC yang seragam dengan pola difraksi khas yang mengonfirmasi strukturnya.

Morfologi austenit juga dapat mencakup fitur seperti batas butir, batas kembar, dan struktur sub-butir, yang mempengaruhi perilaku deformasi dan transformasinya. Dalam beberapa kasus, austenit dapat mengandung fase yang tertahan atau distabilkan, seperti karbida atau nitride, yang tersebar dalam matriks FCC.

Sifat Fisik

Baja austenitik umumnya memiliki densitas tinggi, mendekati densitas fase baja lainnya (~7,9 g/cm³), karena pengemasan atomnya yang padat. Mereka menunjukkan konduktivitas listrik yang sangat baik dibandingkan dengan fase feritik atau martensitik, meskipun masih lebih rendah daripada logam murni seperti tembaga.

Dari segi magnetik, austenit biasanya paramagnetik atau feromagnetik lemah, tergantung pada elemen paduan dan suhu. Sifat ini membedakan baja austenitik dari baja feritik atau martensitik, yang bersifat magnetik kuat.

Dari segi termal, austenit memiliki konduktivitas termal tinggi dan kapasitas panas spesifik, memfasilitasi transfer panas selama pemrosesan. Koefisien ekspansi termalnya relatif tinggi dibandingkan dengan fase lainnya, mempengaruhi stabilitas dimensi selama siklus termal.

Jika dibandingkan dengan mikrostruktur lainnya, struktur FCC austenit memberikan duktilitas dan ketangguhan yang superior, dengan kapasitas pengerasan regangan yang tinggi. Kekuatan hasil yang rendah dibandingkan dengan martensit atau ferit membuatnya lebih mudah dibentuk tetapi kurang keras, yang dapat menguntungkan atau merugikan tergantung pada aplikasi.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan austenit dalam baja diatur oleh stabilitas termodinamika, yang tergantung pada suhu, komposisi, dan keseimbangan fase. Stabilitas fase dijelaskan oleh diagram fase besi-karbon dan diagram fase paduan yang diperluas yang menggabungkan elemen seperti Ni, Mn, Cr, dan lainnya.

Pada suhu tinggi, energi bebas austenit $G_A$ menjadi lebih rendah daripada energi bebas ferit atau semenit, mendukung pembentukannya. Perbedaan energi bebas Gibbs (ΔG) antara fase menentukan gaya pendorong untuk transformasi. Stabilitas austenit diperkuat oleh elemen paduan yang memperluas bidang fase FCC, menggeser suhu keseimbangan ke atas.

Stabilitas austenit juga dipengaruhi oleh kandungan karbon; tingkat karbon yang lebih tinggi menstabilkan austenit pada suhu yang lebih rendah. Diagram fase menunjukkan rentang suhu di mana austenit adalah fase utama, dengan suhu kritis seperti Ac1 dan Ac3 menandai awal dan penyelesaian austenitisasi.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi austenit selama pemanasan melibatkan pembentukan inti FCC dalam mikrostruktur induk, sering kali di batas butir, dislokasi, atau inklusi, yang bertindak sebagai situs nukleasi. Pertumbuhan berlangsung melalui difusi atom, terutama karbon dan elemen paduan, yang memungkinkan fase FCC untuk berkembang.

Kinetika dikendalikan oleh laju difusi, suhu, dan ketersediaan situs nukleasi. Persamaan Johnson–Mehl–Avrami sering digunakan untuk memodelkan kinetika transformasi:

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

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

Suhu yang lebih tinggi mempercepat difusi, meningkatkan laju pertumbuhan austenit. Sebaliknya, pendinginan cepat dapat menekan pembentukan austenit atau menyebabkan stabilisasinya pada suhu kamar (austenit yang tertahan). Energi aktivasi untuk difusi, biasanya sekitar 140–200 kJ/mol untuk karbon dalam baja, mempengaruhi laju transformasi.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti nikel, mangan, dan nitrogen mendorong stabilitas austenit dengan memperluas bidang fase FCC dan menurunkan suhu transformasi. Sebaliknya, elemen seperti kromium dan molibdenum cenderung menstabilkan ferit atau karbida, menghambat pembentukan austenit.

Parameter pemrosesan, termasuk laju pemanasan, suhu perendaman, dan laju pendinginan, secara signifikan mempengaruhi perkembangan austenit. Misalnya, pendinginan lambat dari suhu austenitisasi memungkinkan transformasi keseimbangan, sementara pendinginan cepat dapat menghasilkan austenit metastabil atau martensit.

Mikrostruktur sebelumnya, seperti ukuran butir dan fase yang ada, mempengaruhi situs nukleasi dan jalur transformasi. Mikrostruktur dengan butir halus cenderung mendorong pembentukan austenit yang seragam, sementara butir kasar dapat menyebabkan transformasi yang heterogen.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Transformasi fase selama austenitisasi dapat dijelaskan oleh persamaan Johnson–Mehl–Avrami (JMA):

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

di mana:

• ( X(t) ): fraksi austenit yang terbentuk pada waktu ( t ),
• ( k ): konstanta laju, ( k = k_0 \exp(-Q/RT) ),