Karbon Setara dalam Baja: Mikrostruktur, Sifat & Dampak Pemrosesan

Definisi dan Konsep Dasar

Karbon Ekivalen (CE) adalah parameter kuantitatif yang digunakan dalam metalurgi baja untuk mewakili efek gabungan dari karbon dan elemen paduan terhadap kemampuan pengelasan, kemampuan pengerasan, dan perilaku mikrostruktur keseluruhan baja. Ini memberikan ukuran empiris yang menghubungkan pengaruh berbagai elemen paduan—seperti karbon (C), mangan (Mn), silikon (Si), nikel (Ni), krom (Cr), molibdenum (Mo), vanadium (V), dan lainnya—terhadap transformasi fase dan sifat mekanik.

Secara fundamental, konsep karbon ekivalen berakar pada interaksi atom dan kristalografi yang mempengaruhi stabilitas fase dan kinetika transformasi. Pada tingkat atom, elemen paduan memodifikasi lanskap energi bebas baja, mempengaruhi nukleasi dan pertumbuhan fase seperti ferit, perlit, bainit, dan martensit. Elemen-elemen ini mengubah parameter kisi, densitas elektron, dan karakteristik ikatan, sehingga mempengaruhi stabilitas termodinamika dari berbagai konstituen mikrostruktur.

Dalam kerangka ilmu material, CE berfungsi sebagai alat praktis untuk memprediksi parameter pemrosesan kritis, seperti batas kemampuan pengelasan dan ambang kemampuan pengerasan. Ini menyederhanakan interaksi multikomponen yang kompleks menjadi satu parameter yang dapat dikelola, memungkinkan insinyur untuk merancang baja dengan sifat yang disesuaikan sambil mempertahankan keandalan proses.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Mikrostruktur baja terutama terdiri dari fase ferit kubik berpusat badan (BCC) dan berbagai fase interstitial atau paduan. Ferit memiliki kisi BCC dengan parameter kisi sekitar 2,86 Å pada suhu kamar, yang dicirikan oleh sistem kristal kubik dengan atom yang tersusun dalam pola kubik sederhana, di mana setiap atom dikelilingi oleh delapan tetangga terdekat.

Elemen paduan seperti Mn, Si, Cr, dan Ni menggantikan dalam kisi besi, menyebabkan distorsi kisi yang mempengaruhi stabilitas fase dan suhu transformasi. Misalnya, mangan menstabilkan austenit, sementara krom dan molibdenum mendorong pembentukan ferit dan karbida. Susunan atom dan hubungan fase diatur oleh diagram fase, terutama sistem Fe-C dan Fe-paduan, yang menggambarkan batas fase dan jalur transformasi.

Orientasi kristalografi sering menunjukkan tekstur yang diutamakan tergantung pada sejarah pemrosesan, seperti penggulungan atau perlakuan panas, yang mempengaruhi sifat seperti anisotropi dan kemampuan bentuk. Fase mikrostruktur—ferit, austenit, martensit, bainit—masing-masing memiliki fitur kristalografi yang berbeda yang mempengaruhi perilaku mekanik.

Fitur Morfologis

Morfologi konstituen mikrostruktur yang dipengaruhi oleh karbon ekivalen bervariasi dengan kondisi pemrosesan. Ferit muncul sebagai fase yang relatif lunak dan ulet dengan bentuk butir poligonal atau ekuiax, biasanya berkisar dari 10 hingga 100 mikrometer dalam ukuran butir. Perlit muncul sebagai struktur lamelar yang terdiri dari lapisan ferit dan semenit yang bergantian, dengan ketebalan lamela dari 0,1 hingga 1 mikrometer.

Martensit, yang terbentuk melalui pendinginan cepat, menunjukkan morfologi seperti jarum atau pelat dengan struktur lath atau pelat pada skala mikrometer. Bainit muncul sebagai struktur akicular atau seperti bulu, seringkali lebih halus daripada perlit, dengan ukuran dari 0,2 hingga 2 mikrometer.

Dalam mikroskopi, fitur-fitur ini dibedakan berdasarkan bentuk, ukuran, dan kontrasnya. Ferit muncul sebagai daerah terang di bawah mikroskop optik, sementara semenit dan martensit muncul lebih gelap atau dengan kontras yang berbeda tergantung pada pewarnaan dan mode pencitraan.

Sifat Fisik

Sifat fisik yang terkait dengan fitur mikrostruktur yang dipengaruhi oleh karbon ekivalen meliputi densitas, konduktivitas listrik, permeabilitas magnetik, dan konduktivitas termal.

• Densitas: Sedikit dipengaruhi oleh elemen paduan dan distribusi fase, dengan ferit memiliki densitas sekitar 7,87 g/cm³. Kehadiran karbida atau martensit dapat sedikit mengubah densitas keseluruhan.

• Konduktivitas Listrik: Umumnya menurun dengan meningkatnya kandungan paduan karena hamburan kotoran, terutama pada baja paduan tinggi dengan CE yang tinggi.

• Sifat Magnetik: Ferit bersifat feromagnetik, sementara austenit bersifat paramagnetik atau non-magnetik; martensit mempertahankan perilaku feromagnetik. Elemen paduan seperti Ni dan Cr mempengaruhi permeabilitas magnetik.

• Konduktivitas Termal: Biasanya berkisar dari 50 hingga 60 W/m·K pada baja; elemen paduan dan mikrostruktur dapat menyebabkan variasi kecil.

Sifat-sifat ini berbeda dari konstituen mikrostruktur lainnya terutama karena susunan atom, komposisi fase, dan tingkat kotoran, yang mempengaruhi mobilitas elektron, hamburan fonon, dan struktur domain magnetik.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan dan stabilitas mikrostruktur yang terkait dengan karbon ekivalen diatur oleh prinsip-prinsip termodinamika yang melibatkan minimisasi energi bebas. Elemen paduan memodifikasi energi bebas Gibbs (G) dari fase, mempengaruhi keseimbangan fase dan suhu transformasi.

Stabilitas fase ditentukan oleh diagram fase sistem Fe-C dan perpanjangannya ke baja paduan. Misalnya, peningkatan CE meningkatkan suhu Ms (martensite start), mendukung transformasi martensitik selama pendinginan. Perbedaan energi bebas (ΔG) antara fase menentukan gaya pendorong untuk nukleasi, dengan ΔG yang lebih rendah mendukung pembentukan fase.

Elemen paduan seperti Cr, Mo, dan V menstabilkan karbida dan mempengaruhi transformasi austenit-ke-ferit, menggeser batas fase dan mempengaruhi evolusi mikrostruktur selama perlakuan panas.

Kinetika Pembentukan

Kinetika perkembangan mikrostruktur melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan yang dikendalikan oleh difusi atom, mobilitas antarmuka, dan mekanisme yang diaktifkan secara termal. Laju nukleasi bergantung pada gaya pendorong termodinamika dan penghalang energi untuk pembentukan fase, sementara laju pertumbuhan diatur oleh laju difusi atom.

Profil waktu-suhu mempengaruhi laju transformasi fase; misalnya, pendinginan cepat menekan difusi, mendukung pembentukan martensit, sementara pendinginan yang lebih lambat memungkinkan perkembangan perlit atau bainit. Penghalang energi aktivasi untuk difusi elemen paduan seperti Mn dan Si menentukan kinetika transformasi.

Langkah-langkah yang mengendalikan laju termasuk difusi atom, migrasi antarmuka, dan ketersediaan situs nukleasi. Kehadiran elemen paduan dengan energi aktivasi difusi yang tinggi dapat memperlambat kinetika transformasi, mempengaruhi ukuran dan distribusi mikrostruktur.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen komposisi kunci seperti karbon, mangan, krom, dan molibdenum secara signifikan mempengaruhi pembentukan mikrostruktur. Kandungan karbon yang lebih tinggi meningkatkan kemampuan pengerasan dan mendorong pembentukan martensit, sementara elemen seperti Mn dan Ni meningkatkan stabilitas austenit.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, suhu perlakuan panas, dan sejarah deformasi juga mempengaruhi perkembangan mikrostruktur. Misalnya, pendinginan cepat dari suhu austenitisasi mendukung martensit, sementara pendinginan yang lebih lambat mendorong perlit atau bainit.

Mikrostruktur sebelumnya, seperti matriks feritik atau perlit yang kasar, mempengaruhi situs nukleasi dan jalur transformasi, mempengaruhi mikrostruktur akhir yang terkait dengan CE tertentu.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Karbon ekivalen sering dinyatakan melalui rumus empiris yang menghubungkan elemen paduan dengan satu parameter:

Untuk kemampuan pengelasan:

$$\text{CE} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr