Kasus (fitur mikrostruktur): Pembentukan, Karakteristik & Dampak pada Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Dalam konteks metalurgi dan mikrostruktur, case mengacu pada zona mikrostruktur yang terlokalisasi dan berbeda dalam baja yang menunjukkan karakteristik fisik, kimia, atau kristalografi yang berbeda dibandingkan dengan material inti atau bulk. Umumnya, istilah ini digunakan untuk menggambarkan daerah permukaan atau dekat permukaan yang telah mengalami perlakuan termal atau mekanis tertentu, yang menghasilkan variasi mikrostruktur seperti lapisan yang mengeras, zona dekarburisasi, atau daerah yang dipadu permukaan.

Di tingkat atom, case muncul sebagai mikroregion di mana susunan atom, komposisi fase, atau struktur cacat berbeda dari matriks yang mendasarinya. Misalnya, dalam baja yang dikeraskan, case sering mengandung konsentrasi tinggi atom karbon yang terdiffusi ke permukaan, membentuk karbida atau mikrostruktur martensitik. Modifikasi mikrostruktur yang terlokalisasi ini mempengaruhi sifat-sifat seperti kekerasan, ketahanan aus, dan perilaku korosi.

Dasar ilmiah fundamental dari case melibatkan proses difusi, transformasi fase, dan pengaturan ulang atom yang didorong oleh faktor termodinamik dan kinetik. Pembentukan case merupakan hasil dari sejarah termal yang tidak seragam atau perlakuan permukaan yang menginduksi gradien konsentrasi dan pergeseran stabilitas fase. Dalam metalurgi baja, memahami case sangat penting untuk menyesuaikan sifat permukaan tanpa mengorbankan kinerja bulk, menjadikannya konsep kunci dalam rekayasa permukaan dan desain mikrostruktur.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Fitur kristalografi dari case tergantung pada perlakuan spesifik dan mikrostruktur yang terbentuk. Umumnya, case menunjukkan fase seperti martensit, bainit, atau semenit, masing-masing dengan struktur kristal yang khas.

Misalnya, martensit dalam case biasanya mengadopsi struktur tetragonal pusat tubuh (BCT), yang terbentuk oleh transformasi tanpa difusi austenit yang cepat selama pendinginan. Parameter kisi martensit bervariasi sedikit tergantung pada kandungan karbon, dengan konstanta kisi BCT yang khas sekitar a = 0.286 nm, c ≈ 0.319 nm, mencerminkan tetragonality yang diperkenalkan oleh atom karbon interstisial.

Dalam case yang dikeraskan atau dinitridasi, permukaan mungkin mengandung presipitat halus dari karbida atau nitride, yang sering kali koheren atau semi-koheren dengan matriks. Fase-fase ini memiliki struktur kristalografi yang berbeda—seperti semenit (Fe₃C) dengan simetri ortorhombik atau nitride dengan struktur heksagonal atau kubik—yang terbenam dalam matriks ferritik atau martensitik.

Hubungan orientasi kristalografi antara fase case dan inti sangat penting untuk sifat mekanik. Misalnya, varian martensit sering mengikuti hubungan orientasi tertentu dengan austenit, seperti hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, yang mempengaruhi perilaku deformasi mikrostruktur.

Fitur Morfologis

Morfologi dari case bervariasi dengan proses perlakuan dan aplikasi yang dimaksudkan. Fitur khas meliputi:

• Struktur berlapis atau gradien: Case sering muncul sebagai lapisan permukaan yang berbeda dengan transisi bertahap ke mikrostruktur inti, membentuk gradien komposisi atau fase.
• Ukuran dan ketebalan: Ketebalan case berkisar dari beberapa mikrometer dalam proses pengerasan case hingga beberapa ratus mikrometer dalam baja yang dikeraskan. Misalnya, lapisan yang dikeraskan biasanya berkisar dari 0.1 mm hingga 2 mm, tergantung pada parameter proses.
• Bentuk dan distribusi: Konstituen mikrostruktur dalam case dapat muncul sebagai pelat martensit yang halus dan akicular, struktur lath, atau presipitat karbida. Fitur-fitur ini sering kali memanjang atau berbentuk pelat, terorientasi sesuai dengan mekanisme transformasi.
• Fitur visual: Di bawah mikroskop optik, case mungkin tampak lebih gelap atau lebih terang daripada inti, dengan fitur khas seperti lath martensitik, jaringan karbida, atau lapisan oksida permukaan. Mikroskop elektron mengungkapkan pengaturan mikrostruktur yang detail, termasuk morfologi presipitat dan struktur dislokasi.

Sifat Fisik

Case menunjukkan sifat fisik yang berbeda dibandingkan dengan material bulk:

• Kepadatan: Sedikit lebih tinggi atau lebih rendah tergantung pada komposisi fase dan porositas yang diperkenalkan selama pemrosesan. Misalnya, case martensitik cenderung memiliki kepadatan yang sedikit lebih tinggi karena fase yang padat dan terlampau jenuh.
• Konduktivitas listrik: Umumnya berkurang dalam case karena peningkatan kepadatan cacat, presipitat karbida, atau elemen paduan.
• Sifat magnetik: Case martensitik atau bainitik biasanya ferromagnetik, dengan permeabilitas magnetik yang lebih tinggi daripada inti austenitik, yang dapat bersifat paramagnetik atau sedikit magnetik.
• Sifat termal: Konduktivitas termal dapat diubah karena komposisi fase dan heterogenitas mikrostruktur, mempengaruhi transfer panas selama layanan.

Sifat-sifat ini mempengaruhi kinerja mikrostruktur dalam ketahanan aus, aplikasi magnetik, dan manajemen termal. Heterogenitas mikrostruktur juga mempengaruhi tegangan sisa dan lokasi inisiasi retak, berdampak pada daya tahan.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamik

Pembentukan case diatur oleh prinsip-prinsip termodinamik yang melibatkan stabilitas fase dan minimisasi energi bebas. Perlakuan permukaan seperti pengerasan atau nitridasi menginduksi gradien potensial kimia, mendorong difusi elemen paduan ke dalam daerah permukaan.

Stabilitas fase dalam case tergantung pada komposisi lokal dan suhu, seperti yang digambarkan dalam diagram fase. Misalnya, dalam baja yang dikeraskan, diagram fase Fe–C menunjukkan bahwa pada konsentrasi karbon dan suhu tertentu, fase seperti semenit atau martensit secara termodinamik lebih disukai. Pembentukan martensit dalam case terjadi ketika austenit didinginkan dengan cepat di bawah suhu awal martensit (Ms), menjebak fase suhu tinggi dalam keadaan metastabil.

Perbedaan energi bebas antara fase menentukan apakah transformasi terjadi secara spontan atau memerlukan energi nukleasi untuk mengatasi hambatan. Perubahan energi bebas Gibbs (ΔG) untuk transformasi fase adalah parameter kunci, dengan nilai negatif menunjukkan pembentukan spontan di bawah kondisi tertentu.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan case melibatkan proses yang dikendalikan oleh difusi dan mekanisme transformasi fase:

• Difusi: Proses utama dalam pengerasan atau nitridasi, di mana atom karbon atau nitrogen difusi ke permukaan baja. Laju difusi mengikuti hukum Fick, dengan fluks (J) dijelaskan oleh:

$$
J = -D \frac{\partial C}{\partial x}
$$

di mana $D$ adalah koefisien difusi, $C$ adalah konsentrasi, dan ( x ) adalah posisi.

• Nukleasi dan pertumbuhan: Transformasi fase seperti pembentukan martensit terjadi dengan cepat dan melalui mekanisme geser, dengan lokasi nukleasi sering berada di persimpangan dislokasi atau batas butir. Laju pertumbuhan tergantung pada suhu, laju difusi, dan gaya pendorong.

• Hubungan waktu-suhu: Persamaan Johnson–Mehl–Avrami memodelkan kinetika transformasi:

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

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

• Energi aktivasi: Laju difusi dan transformasi diatur oleh energi aktivasi, biasanya dalam rentang 100–300 kJ/mol untuk difusi karbon dalam baja.
Kembali ke blog

Tulis komentar

Nama *

Email *

Komentar *