Diagram Konstitusi dalam Metalurgi Baja: Wawasan Mikrostruktur & Properti

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah Diagram Konstitusi adalah representasi grafis yang menggambarkan hubungan fase keseimbangan dan konstituen mikrostruktur dari baja sebagai fungsi dari suhu, komposisi, atau variabel termodinamika lainnya. Ini berfungsi sebagai alat dasar untuk memahami konstitusi fase dan stabilitas berbagai fitur mikrostruktur dalam paduan baja.

Di tingkat atom dan kristalografi, diagram ini merangkum stabilitas termodinamik dari berbagai fase—seperti ferit, austenit, semenit, martensit, dan berbagai karbida—berdasarkan pertimbangan energi bebas Gibbs. Setiap fase sesuai dengan pengaturan atom tertentu dan lingkungan ikatan, dengan diagram yang menggambarkan kondisi di mana pengaturan ini secara energetik diuntungkan.

Signifikansi Diagram Konstitusi dalam metalurgi baja terletak pada kemampuannya untuk memprediksi transformasi fase, evolusi mikrostruktur, dan sifat mekanik yang dihasilkan. Ini memberikan dasar ilmiah untuk merancang perlakuan panas, komposisi paduan, dan rute pemrosesan untuk mencapai mikrostruktur dan karakteristik kinerja yang diinginkan dalam produk baja.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Fase-fase yang diwakili dalam Diagram Konstitusi memiliki struktur kristalografi yang berbeda. Misalnya:

• Ferit (α-Fe): Menunjukkan sistem kristal kubik berpusat badan (BCC) dengan parameter kisi sekitar 2.866 Å pada suhu kamar. Pengaturan atomnya melibatkan atom Fe yang menempati titik kisi dalam kisi BCC, yang ditandai dengan angka koordinasi 8 dan struktur yang relatif terbuka.

• Austenit (γ-Fe): Memiliki struktur kubik berpusat muka (FCC) dengan parameter kisi sekitar 3.58 Å. Kisi FCC memiliki bidang yang padat dan atom yang teratur di sudut dan pusat muka, memfasilitasi ketangguhan yang tinggi.

• Semenit (Fe₃C): Sebuah senyawa intermetallic ortorhombik dengan pengaturan atom yang kompleks yang melibatkan atom Fe dan C dalam stoikiometri tertentu, membentuk struktur yang sangat teratur.

• Martensit: Sebuah larutan padat supersaturasi karbon dalam struktur BCC atau tetragonal berpusat badan (BCT), terbentuk melalui transformasi tanpa difusi. Pengaturan atomnya terdistorsi dari fase induk, dengan parameter kisi yang memanjang atau terkompresi tergantung pada kandungan karbon.

Hubungan orientasi kristalografi, seperti Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, menggambarkan kompatibilitas orientasi antara fase selama transformasi, mempengaruhi morfologi dan sifat mikrostruktur.

Fitur Morfologis

Mikrostruktur yang digambarkan dalam Diagram Konstitusi biasanya menampilkan morfologi khas:

• Ferit: Butir poligonal yang ekuiaxed dengan ukuran berkisar dari beberapa mikrometer hingga beberapa milimeter, tergantung pada kondisi pemrosesan.

• Austenit: Biasanya muncul sebagai butir ekuiaxed atau struktur dendrit dalam pengecoran, dengan ukuran dari mikrometer hingga milimeter.

• Semenit: Terbentuk sebagai partikel lamelar (seperti pelat) atau granular, sering kali dalam matriks pearlitik atau bainitik, dengan ukuran dari nanometer hingga mikrometer.

• Martensit: Menunjukkan lath yang mirip jarum atau pelat, dengan rasio aspek yang tinggi, sering kali membentuk martensit lath atau pelat tergantung pada kondisi pendinginan.

Konfigurasi tiga dimensi bervariasi dari lamela tipis hingga partikel ekuiaxed, mempengaruhi perilaku mekanis seperti ketangguhan dan kekerasan.

Sifat Fisik

Sifat fisik yang terkait dengan mikrostruktur ini berbeda secara signifikan:

• Kepadatan: Ferit (~7.87 g/cm³) kurang padat dibandingkan semenit (~7.2 g/cm³), karena perbedaan pengemasan atom.

• Konduktivitas Listrik: Ferit menunjukkan konduktivitas listrik yang lebih tinggi dibandingkan semenit atau martensit karena ikatan metaliknya dan kepadatan cacat yang lebih rendah.

• Sifat Magnetik: Ferit bersifat feromagnetik pada suhu kamar, sementara austenit bersifat paramagnetik atau feromagnetik lemah tergantung pada elemen paduan.

• Konduktivitas Termal: Ferit memiliki konduktivitas termal yang relatif tinggi, memfasilitasi transfer panas selama pemrosesan.

Sifat-sifat ini mempengaruhi kinerja baja dalam aplikasi seperti konduktivitas listrik, perangkat magnetik, dan manajemen termal.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamik

Pembentukan fase yang digambarkan dalam Diagram Konstitusi diatur oleh prinsip-prinsip termodinamik. Energi bebas Gibbs (G) dari setiap fase menentukan stabilitasnya:

[ G = H - TS ]

di mana $H$ adalah entalpi, ( T ) suhu, dan ( S ) entropi.

Pada keseimbangan, fase dengan ( G ) terendah pada suhu dan komposisi tertentu secara termodinamik diuntungkan. Batas fase dalam diagram sesuai dengan kondisi di mana energi bebas dari dua fase sama:

$$G_{\text{fase 1}} = G_{\text{fase 2}} $$

Diagram fase dibangun berdasarkan perhitungan termodinamik ini, sering kali berasal dari metode CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams).

Wilayah stabilitas fase dipetakan pada sumbu suhu-komposisi, menggambarkan kondisi di mana setiap fase ada atau saling ada.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan fase melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan:

• Nukleasi: Pembentukan awal fase baru terjadi melalui rearrangement atom yang mengatasi penghalang energi. Nukleasi homogen terjadi secara merata dalam fase induk, sementara nukleasi heterogen terjadi di antarmuka atau cacat.

• Pertumbuhan: Setelah nukleus terbentuk, atom berdifusi ke antarmuka, memungkinkan fase untuk tumbuh. Laju pertumbuhan yang dikendalikan oleh difusi tergantung pada suhu, gradien konsentrasi, dan mobilitas atom.

Langkah yang mengendalikan laju sering kali adalah difusi atom, dengan energi aktivasi ( Q ) menentukan ketergantungan suhu:

$$R \propto \exp\left( -\frac{Q}{RT} \right) $$

di mana $R$ adalah laju, ( T ) suhu, dan ( Q ) energi aktivasi.

Diagram waktu-suhu-transformasi (TTT) dan diagram transformasi pendinginan kontinu (CCT) menggambarkan kinetika transformasi fase, membimbing jadwal perlakuan panas.

Faktor yang Mempengaruhi

Beberapa faktor mempengaruhi pembentukan dan stabilitas fase:

• Komposisi Paduan: Elemen seperti karbon, mangan, krom, dan nikel mengubah stabilitas fase dengan menggeser batas fase.

• Parameter Pemrosesan: Laju pendinginan, laju pemanasan, dan waktu tahan mempengaruhi kinetika nukleasi dan pertumbuhan, mengendalikan mikrostruktur.

• Mikrostruktur Sebelumnya: Ukuran butir yang ada, kepadatan dislokasi, dan distribusi fase mempengaruhi jalur transformasi dan kinetika.

• Variabel Termodinamik: Suhu, tekanan, dan gradien potensial kimia menentukan stabilitas fase dan jalur transformasi.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Termodinamika stabilitas fase dapat dinyatakan melalui perbedaan energi bebas