Struktur Bergaris dalam Mikrostruktur Baja: Pembentukan, Karakteristik & Efek

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah Struktur Berpita dalam mikrostruktur baja mengacu pada pola mikrostruktur yang khas dan berlapis yang ditandai dengan daerah-daerah yang berbeda fase atau komposisi yang disusun dalam cara berpita atau bergaris. Pita-pita ini biasanya membentang sepanjang arah kristalografi tertentu dan terlihat di bawah mikroskop optik atau elektron sebagai lamela, garis, atau pita yang sejajar atau melengkung.

Di tingkat atom atau kristalografi, struktur berpita dihasilkan dari segregasi atau pemisahan elemen paduan, pemisahan fase, atau pembentukan mikrofase yang berbeda selama pembekuan, pendinginan, atau perlakuan panas. Segregasi ini sering kali muncul sebagai variasi komposisi dalam mikrostruktur, yang mengarah pada pembentukan daerah dengan parameter kisi, komposisi fase, atau struktur kristal yang berbeda.

Dalam metalurgi baja, keberadaan struktur berpita secara signifikan mempengaruhi sifat mekanik, ketahanan korosi, dan kemampuan mesin. Ini adalah fitur mikrostruktur yang kritis yang dapat bersifat merugikan—menyebabkan anisotropi, inisiasi retak, atau mengurangi ketangguhan—atau menguntungkan ketika dikendalikan untuk meningkatkan sifat tertentu. Memahami pembentukannya, karakteristik, dan pengendaliannya sangat penting untuk mengoptimalkan kinerja baja dalam berbagai aplikasi.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Fitur kristalografi dari struktur berpita tergantung pada fase yang terlibat dan susunan atomnya. Umumnya, pita terdiri dari ferit, perlit, bainit, atau martensit, masing-masing dengan struktur kristal yang khas:

• Ferit: Kisi kubik berpusat badan (BCC) dengan parameter kisi sekitar 2,86 Å pada suhu kamar. Susunan atomnya relatif sederhana, dengan atom besi di sudut dan satu atom di pusat kubus.

• Perlit: Campuran lamelar ferit dan semenit (Fe₃C), dengan lapisan bergantian ferit BCC dan semenit ortorhombik. Lamela-lamela sejajar sepanjang bidang kristalografi tertentu, sering kali {110} atau {112}.

• Bainit: Mikrostruktur halus dan akicular yang terdiri dari ferit dan semenit, dengan morfologi yang kompleks dan mirip jarum. Susunan atomnya menyerupai ferit tetapi dengan presipitat semenit di dalamnya.

• Martensit: Larutan padat supersaturasi karbon dalam kisi BCC atau tetragonal berpusat badan (BCT), terbentuk melalui pendinginan cepat. Struktur atomnya terdistorsi dari fase induk, menghasilkan tegangan internal yang tinggi.

Pita-pita ini sering mencerminkan hubungan orientasi kristalografi antara fase, seperti hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, yang mengatur bagaimana fase-fase tersebut mengkristal dan tumbuh relatif satu sama lain.

Fitur Morfologi

Struktur berpita biasanya muncul sebagai lamela sejajar atau melengkung, garis, atau pita dalam mikrostruktur. Ukuran pita-pita ini dapat bervariasi dari sub-mikrometer hingga beberapa mikrometer dalam lebar, tergantung pada kondisi pemrosesan:

• Rentang Ukuran: Pita umumnya memiliki lebar 0,5 hingga 10 mikrometer, dengan beberapa kasus membentang hingga 20 mikrometer.

• Distribusi: Pita sering kali sejajar sepanjang arah penggulungan, arah pertumbuhan, atau gradien pendinginan, membentuk pola yang teratur atau semi-teratur.

• Bentuk dan Konfigurasi: Pita dapat bersifat kontinu atau diskontinu, lurus atau bergelombang, dan dapat membentuk jaringan kompleks atau zona terisolasi. Dalam tiga dimensi, mereka muncul sebagai lamela berlapis atau garis yang dapat berpotongan atau bercabang.

• Fitur Visual: Di bawah mikroskop optik, struktur berpita muncul sebagai daerah terang dan gelap yang bergantian karena perbedaan kontras fase, respons etsa, atau reflektivitas. Di bawah mikroskop elektron pemindaian (SEM), perbedaan kontras menyoroti variasi komposisi atau fase.

Sifat Fisik

Sifat fisik yang terkait dengan struktur berpita berbeda dari mikrostruktur homogen:

• Kepadatan: Variasi kecil dalam kepadatan dapat terjadi karena perbedaan fase; misalnya, pita yang kaya semenit lebih padat daripada pita yang kaya ferit.

• Konduktivitas Listrik: Konduktivitas dapat bervariasi antara pita, terutama jika melibatkan fase atau komposisi yang berbeda, mempengaruhi sifat listrik dan magnetik.

• Sifat Magnetik: Permeabilitas magnetik dapat berbeda di seluruh pita, mempengaruhi respons magnetik dan perilaku arus eddy.

• Konduktivitas Termal: Variasi dalam komposisi fase menyebabkan konduktivitas termal anisotropik, mempengaruhi aliran panas selama pemrosesan atau layanan.

Jika dibandingkan dengan mikrostruktur seragam, struktur berpita sering kali memperkenalkan anisotropi dalam sifat fisik, yang dapat mempengaruhi kinerja dalam kondisi layanan.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan struktur berpita didorong oleh faktor termodinamika seperti stabilitas fase, kecenderungan segregasi, dan minimisasi energi bebas. Selama pembekuan atau pendinginan, elemen paduan seperti mangan, kromium, atau molibdenum cenderung terpisah antara fase, yang mengarah pada gradien komposisi.

Diagram fase, seperti Fe-C, Fe-C-X (X = elemen paduan), atau diagram multi-komponen, membimbing pemahaman tentang stabilitas fase dan perilaku segregasi. Misalnya, celah campur atau daerah spinodal dalam diagram ini mendorong pemisahan fase, menghasilkan mikrostruktur berlapis.

Perbedaan energi bebas antara fase menentukan apakah segregasi atau pemisahan fase terjadi. Ketika sistem meminimalkan energi bebasnya dengan membentuk fase yang berbeda dengan komposisi yang berbeda, mikrostruktur berpita dapat berkembang.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan struktur berpita melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan yang dipengaruhi oleh suhu, komposisi, dan deformasi:

• Nukleasi: Segregasi dimulai di situs nukleasi seperti batas butir, dislokasi, atau inklusi, di mana variasi lokal dalam komposisi menurunkan penghalang energi.

• Pertumbuhan: Setelah ter-nukleasi, fase tumbuh sepanjang arah kristalografi tertentu, membentuk lamela atau pita. Laju pertumbuhan tergantung pada laju difusi elemen paduan dan suhu.

• Hubungan Waktu-Suhu: Pendinginan cepat (quenching) dapat menekan difusi, menghasilkan mikrostruktur halus yang tidak berpita seperti martensit. Pendinginan lambat memungkinkan pemisahan fase yang dikendalikan oleh difusi, mendorong pembentukan pita.

• Langkah-Langkah Pengendali Laju: Difusi elemen paduan dan mobilitas antarmuka adalah faktor pengendali laju utama. Energi aktivasi untuk difusi mempengaruhi kinetika, dengan energi aktivasi yang lebih tinggi memperlambat proses.

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi

Beberapa faktor mempengaruhi perkembangan dan karakteristik struktur berpita:

• Komposisi Paduan: Elemen dengan koefisien partisi tinggi (misalnya, Mn, Cr) mendorong segregasi dan pembentukan pita.

• Parameter Pemrosesan:

• Laju Pendinginan: Pendinginan lambat mendukung pemisahan fase dan pembentukan pita.
• Deformasi: Penggulungan dingin atau penempaan memperkenalkan dislokasi, yang bertindak sebagai situs nukleasi untuk segregasi.