Cementite dalam Mikrostruktur Baja: Pembentukan, Properti & Dampak

Definisi dan Konsep Dasar

Cementit, juga dikenal sebagai karbida besi (Fe₃C), adalah senyawa intermetalik yang keras dan rapuh yang terbentuk dalam mikrostruktur baja. Ini ditandai dengan rasio stoikiometri tertentu dari tiga atom besi terhadap satu atom karbon, menghasilkan fase yang berbeda dengan sifat unik. Pada tingkat atom, cementit mengadopsi struktur kristal ortorhombik, di mana atom besi dan karbon tersusun dalam kisi yang tepat yang memberikan kekerasan dan kerapuhan khasnya.

Dalam metalurgi baja, cementit memainkan peran penting dalam menentukan komposisi mikrostruktural, mempengaruhi sifat mekanik seperti kekerasan, kekuatan, dan ketahanan aus. Ini adalah fase dasar dalam diagram fase Fe-C, yang mewakili senyawa yang stabil secara termodinamika pada komposisi dan suhu tertentu. Memahami pembentukan, stabilitas, dan distribusi cementit sangat penting untuk mengontrol sifat baja selama pemrosesan dan perlakuan panas.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Cementit mengkristal dalam sistem kristal ortorhombik, dengan parameter kisi sekitar a = 4,54 Å, b = 6,74 Å, dan c = 4,52 Å. Strukturnya terdiri dari jaringan kompleks atom besi yang terkoordinasi dengan atom karbon yang menempati situs interstisial dan substitusi. Susunan atom menampilkan rantai atom besi yang terhubung dengan karbon, membentuk jaringan tiga dimensi yang memberikan kekerasan khasnya.

Fase ini menunjukkan hubungan orientasi kristalografi tertentu dengan ferit (α-Fe), sering dijelaskan oleh hubungan orientasi Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann. Hubungan ini mempengaruhi nukleasi dan pertumbuhan cementit selama transformasi fase, mempengaruhi morfologi keseluruhan mikrostruktur.

Fitur Morfologis

Cementit muncul dalam berbagai morfologi tergantung pada komposisi baja dan sejarah termalnya. Bentuk umum termasuk pelat lamelar dalam perlit, partikel spheroidized, atau jarum memanjang dalam mikrostruktur bainitik. Ukuran partikel cementit berkisar dari nanometer dalam perlit halus hingga beberapa mikrometer dalam struktur kasar.

Dalam mikrograf, cementit muncul sebagai fitur gelap, mirip jarum atau pelat di bawah mikroskop optik, terutama setelah etsa dengan reagen yang sesuai. Di bawah mikroskop elektron pemindaian (SEM), morfologi cementit dapat dibedakan oleh bentuk dan kontrasnya yang khas, sering kali muncul sebagai partikel memanjang atau berbentuk blok yang tertanam dalam matriks feritik atau martensitik.

Sifat Fisik

Sifat fisik cementit terutama ditentukan oleh sifat intermetaliknya. Ia memiliki densitas tinggi (~7,6 g/cm³), yang berkontribusi pada densitas keseluruhan mikrostruktur baja yang mengandungnya. Konduktivitas listriknya rendah karena ikatan intermetaliknya, dan ia menunjukkan sifat magnetik yang mirip dengan ferit tetapi dengan permeabilitas magnetik yang lebih rendah.

Dari segi termal, cementit stabil hingga suhu dekomposisinya (~727°C), di mana ia berubah menjadi austenit atau terdekomposisi menjadi ferit dan cementit dalam baja eutektik. Kerapuhannya adalah karakteristik kunci, yang menyebabkan inisiasi retak di bawah stres, yang mempengaruhi ketangguhan baja.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan cementit diatur oleh prinsip-prinsip termodinamika yang mendukung stabilitasnya pada komposisi dan suhu tertentu dalam diagram fase Fe-C. Energi bebas cementit lebih rendah daripada fase lain pada kondisi tertentu, menjadikannya fase yang lebih disukai secara termodinamika dalam baja hipereutektik.

Pertimbangan fase menunjukkan bahwa cementit terbentuk selama pendinginan dari austenit ketika kandungan karbon melebihi komposisi eutektik (~0,76 wt%). Diagram fase menunjukkan daerah di mana cementit berdampingan dengan ferit atau austenit, tergantung pada suhu dan komposisi, yang menentukan stabilitas dan kecenderungan pembentukannya.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi cementit melibatkan mengatasi penghalang energi yang terkait dengan penciptaan antarmuka fase baru. Nukleasi difasilitasi oleh situs heterogen seperti batas butir, dislokasi, atau partikel cementit yang sudah ada. Pertumbuhan terjadi melalui difusi atom karbon melalui matriks sekitarnya, dengan laju yang dikendalikan oleh mobilitas atom.

Kinetika dipengaruhi oleh suhu, dengan suhu yang lebih tinggi mempercepat difusi tetapi berpotensi menekan pembentukan cementit jika suhu melebihi rentang stabilitas. Energi aktivasi untuk pertumbuhan cementit biasanya berada dalam kisaran 100–200 kJ/mol, mencerminkan penghalang energi untuk difusi karbon dan migrasi batas fase.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti kromium, molibdenum, dan vanadium dapat memodifikasi pembentukan cementit dengan mengubah stabilitas fase dan laju difusi. Misalnya, elemen pembentuk karbida cenderung mendorong partikel cementit yang lebih halus dan lebih terdistribusi secara merata.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan sangat mempengaruhi morfologi dan distribusi cementit. Pendinginan cepat dapat menekan pembentukan cementit, menghasilkan mikrostruktur martensitik, sementara pendinginan lambat mendorong jaringan cementit kasar. Mikrostruktur sebelumnya, seperti ukuran butir austenit, juga mempengaruhi situs nukleasi dan perilaku pertumbuhan.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Laju nukleasi (I) dari cementit dapat dijelaskan oleh teori nukleasi klasik:

$$I = I_0 \exp \left( - \frac{\Delta G^*}{kT} \right) $$

di mana:

• $I_0$ adalah faktor pre-ekspresional yang terkait dengan frekuensi getaran atom,

• ( \Delta G^* ) adalah penghalang energi bebas kritis untuk nukleasi,

• ( k ) adalah konstanta Boltzmann,

• $T$ adalah suhu mutlak.

Penghalang energi bebas kritis diberikan oleh:

$$\Delta G^* = \frac{16 \pi \gamma^3}{3 (\Delta G_v)^2} $$

di mana:

• ( \gamma ) adalah energi antarmuka antara cementit dan matriks,

• ( \Delta G_v ) adalah perbedaan energi bebas volumetrik antara fase.

Laju pertumbuhan (G) partikel cementit dapat diperkirakan dengan:

$$G = D \frac{\Delta C}{r} $$

di mana:

• $D$ adalah koefisien difusi karbon,

• ( \Delta C ) adalah gradien konsentrasi,

• ( r ) adalah jari-jari partikel.

Model Prediktif

Model komputasional seperti simulasi fase-lapangan dan metode CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams) digunakan untuk memprediksi pembentukan cementit dan evolusi morfologi. Model-model ini menggabungkan data termodinamika dan parameter kinetik untuk mensimulasikan perkembangan mikrostruktur selama perlakuan panas.

Kemajuan terbaru mencakup pemodelan multi-skala yang menggabungkan simulasi atomistik dengan pendekatan kontinu, memungkinkan prediksi rinci tentang perilaku nukleasi, pertumbuhan, dan penghalusan. Keterbatasan termasuk ketidakpastian dalam energi antarmuka dan koefisien difusi, yang dapat mempengaruhi akurasi.

Metode Analisis Kuantitatif

Metallografi kuantitatif melibatkan pengukuran fraksi volume cementit, distribusi ukuran, dan morfologi menggunakan perangkat lunak analisis gambar. Teknik seperti penghitungan titik, intersepsi garis, dan stereologi memberikan data statistik tentang fitur mikrostruktur.

Pengolahan gambar digital yang dipadukan dengan algoritma pembelajaran mesin meningkatkan akurasi dan efisiensi karakterisasi mikrostruktur. Metode ini memungkinkan analisis dataset besar, memfasilitasi korelasi antara parameter pemrosesan