Struktur Berpusat pada Badan dalam Baja: Mikrostuktur, Sifat & Pengolahan

Definisi dan Konsep Dasar

Body-Centered mengacu pada pengaturan kristalografi tertentu dalam mikrostruktur logam di mana atom-atom ditempatkan di sudut-sudut sel satuan dengan satu atom tambahan yang terletak di pusat sel. Dalam konteks metalurgi baja, istilah ini sering menggambarkan struktur kristal kubik body-centered (BCC), yang merupakan karakteristik dari fase tertentu seperti ferit dan martensit pada rentang suhu tertentu.

Secara fundamental, konfigurasi body-centered berakar pada pengemasan atom dan pertimbangan simetri. Dalam kisi BCC, setiap atom di sudut dibagi di antara delapan sel satuan tetangga, sementara atom pusat sepenuhnya terkandung dalam sel. Pengaturan ini menghasilkan faktor pengemasan atom (APF) yang khas sekitar 0,68, menunjukkan struktur yang relatif terbuka dibandingkan dengan pengaturan kubik face-centered (FCC) atau hexagonal close-packed (HCP).

Signifikansi struktur body-centered dalam metalurgi baja terletak pada pengaruhnya terhadap sifat mekanik, stabilitas fase, dan perilaku transformasi. Ini mengatur fenomena kritis seperti sistem slip, jalur difusi, dan transformasi fase, sehingga mempengaruhi kekerasan, ketangguhan, ketangguhan, dan respons perlakuan panas. Memahami mikrostruktur body-centered sangat penting untuk merancang baja dengan sifat yang disesuaikan untuk aplikasi industri tertentu.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Struktur kubik body-centered (BCC) ditandai dengan sel satuan kubik dengan atom-atom yang ditempatkan di masing-masing dari delapan sudut dan satu atom di pusat kubus. Parameter kisi, yang dilambangkan sebagai a, menentukan ukuran sel dan bervariasi tergantung pada fase dan elemen paduan.

Dalam besi murni, fase BCC (ferit atau α-besi) ada pada suhu kamar hingga sekitar 912°C, setelah itu ia berubah menjadi austenit kubik face-centered (FCC). Kisi BCC termasuk dalam sistem kristal kubik dengan grup ruang Im3m. Pengaturan atom menghasilkan angka koordinasi 8, dengan setiap atom dikelilingi oleh delapan tetangga terdekat.

Orientasi kristalografi dalam struktur BCC mengikuti sistem slip tertentu, terutama {110}<111>, {112}<111>, dan {123}<111>. Sistem slip ini mempengaruhi mekanisme deformasi dan perilaku mekanik anisotropik. Hubungan antara fase BCC dan fase induk, seperti austenit, melibatkan transformasi fase yang diatur oleh hubungan orientasi seperti Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann.

Fitur Morfologis

Mikrostruktural, mikrostruktur body-centered muncul sebagai butir atau daerah dengan bentuk poligonal atau ekuiaxed yang khas, biasanya berkisar dari beberapa mikrometer hingga beberapa puluh mikrometer dalam ukuran. Ukuran butir mempengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan dan ketangguhan.

Dalam baja, mikrostruktur BCC muncul sebagai fase gelap di bawah mikroskopi optik karena densitas atomnya yang relatif tinggi dan reflektivitas yang lebih rendah. Ketika dilihat di bawah mikroskop elektron pemindai (SEM), morfologi dapat mengungkapkan fitur seperti batas butir, pita slip, dan pengaturan dislokasi. Bentuk butir BCC sering kali ekuiaxed, tetapi deformasi atau perlakuan panas dapat menyebabkan morfologi yang memanjang atau terdeformasi.

Konfigurasi tiga dimensi melibatkan jaringan butir yang dipisahkan oleh batas butir, yang bertindak sebagai penghalang terhadap gerakan dislokasi. Distribusi fase BCC dapat seragam atau menunjukkan heterogenitas tergantung pada kondisi pemrosesan, komposisi paduan, dan riwayat termal.

Sifat Fisik

Mikrostruktur BCC memberikan sifat fisik tertentu pada baja. Densitasnya sekitar 7,85 g/cm³, mirip dengan fase berbasis besi lainnya, tetapi pengaturan atom yang terbuka mempengaruhi laju difusi dan konduktivitas termal.

Secara magnetik, ferit BCC bersifat feromagnetik pada suhu kamar, berkontribusi pada permeabilitas magnetik dan karakteristik saturasi. Konduktivitas listriknya relatif tinggi dibandingkan dengan fase yang lebih padat, karena densitas pengemasan atom yang lebih rendah.

Secara termal, fase BCC menunjukkan koefisien ekspansi termal dan konduktivitas termal yang moderat. Kisi yang terbuka memfasilitasi difusi atom, yang sangat penting selama perlakuan panas seperti annealing atau tempering.

Jika dibandingkan dengan struktur FCC atau HCP, fase BCC umumnya memiliki ductility dan formability yang lebih rendah tetapi kekuatan dan kekerasan yang lebih tinggi setelah perlakuan panas tertentu. Perbedaan ini berakar pada pengemasan atom dan ketersediaan sistem slip, yang mempengaruhi perilaku deformasi dan respons mekanik.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan mikrostruktur body-centered dalam baja diatur oleh stabilitas termodinamika dan keseimbangan fase. Perbedaan energi bebas antara fase menentukan mikrostruktur mana yang terbentuk dalam kondisi tertentu.

Pada suhu kamar, fase ferit BCC secara termodinamika stabil dalam baja paduan rendah dengan kandungan karbon yang cukup di bawah sekitar 0,02%. Diagram fase sistem Fe–C menunjukkan bahwa ferit stabil pada suhu yang lebih rendah, dengan energi bebas diminimalkan dalam konfigurasi BCC.

Stabilitas fase juga dipengaruhi oleh elemen paduan seperti mangan, kromium, dan molibdenum, yang menstabilkan atau mendestabilkan fase BCC. Perubahan energi bebas Gibbs (ΔG) untuk transformasi fase dapat dinyatakan sebagai:

ΔG = ΔH – TΔS

di mana ΔH adalah perubahan entalpi, T adalah suhu, dan ΔS adalah perubahan entropi. Keseimbangan parameter termodinamika ini menentukan pembentukan dan stabilitas fase.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi dan pertumbuhan mikrostruktur BCC dikendalikan oleh difusi atom, mobilitas antarmuka, dan penghalang energi. Selama pendinginan dari suhu austenitisasi, transformasi dari austenit FCC ke ferit BCC melibatkan nukleasi di batas butir atau dislokasi, diikuti oleh pertumbuhan.

Kecepatan transformasi tergantung pada suhu, dengan suhu yang lebih tinggi mendukung laju difusi dan nukleasi yang lebih cepat. Persamaan Johnson–Mehl–Avrami menggambarkan kinetika transformasi:

X(t) = 1 – exp(–k tⁿ)

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

Energi aktivasi (Q) untuk difusi mempengaruhi laju transformasi, dengan nilai tipikal untuk pembentukan ferit sekitar 150–200 kJ/mol. Kinetika juga dipengaruhi oleh mikrostruktur sebelumnya, komposisi paduan, dan stres eksternal.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti karbon, mangan, dan silikon mempengaruhi pembentukan mikrostruktur BCC dengan mengubah stabilitas fase dan laju difusi. Misalnya, peningkatan kandungan mangan menstabilkan ferit pada suhu yang lebih tinggi, mempromosikan pembentukannya.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan sangat mempengaruhi mikrostruktur. Pendinginan lambat mendukung pembentukan butir BCC yang kasar, sementara pendinginan cepat dapat menekan pertumbuhan butir, menghasilkan mikrostruktur yang lebih halus.

Mikrostruktur sebelumnya, seperti ukuran butir austenit dan densitas dislokasi, juga mempengaruhi lokasi nukleasi dan perilaku pertumbuhan fase BCC. Deformasi mekanis sebelum perlakuan panas dapat menyebabkan pembentukan ferit yang dipicu oleh regangan, memodifikasi evolusi mikrostruktur.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Transformasi fase dari austenit ke ferit dapat dimodelkan menggunakan teori nukleasi klasik, di mana laju nukleasi I diberikan oleh:

I = I₀ exp(–ΔG*/k_B T)

di mana:

• I₀ adalah faktor pre-exponential yang