Mikrostruktur Kristalin dalam Baja: Pembentukan, Karakteristik & Dampak

Definisi dan Konsep Dasar

Kristalin mengacu pada fitur mikrostruktural dalam baja yang ditandai dengan pengaturan atom yang sangat teratur membentuk struktur kisi yang teratur dan berulang. Pada tingkat atom, mikrostruktur kristalin terdiri dari atom-atom yang diatur dalam pola tiga dimensi periodik yang meluas di seluruh material, menghasilkan kisi kristal yang terdefinisi dengan baik.

Dalam metalurgi baja dan ilmu material, istilah "kristalin" menekankan sifat dasar dari pengaturan atom yang mendasari sifat dan perilaku mikrostruktur. Sifat kristalin mempengaruhi kekuatan mekanik, duktilitas, konduktivitas termal dan listrik, serta sifat magnetik. Mengenali dan mengendalikan kristalinitas sangat penting untuk menyesuaikan kinerja baja untuk aplikasi tertentu.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Mikrostruktur kristalin baja terutama didasarkan pada alotrop besi dan transformasinya, dengan fase umum termasuk ferit (α-besi), austenit (γ-besi), semenit (Fe₃C), dan martensit. Fase-fase ini menunjukkan struktur kristal yang berbeda:

• Ferit: Struktur Kubik Berpusat Badan (BCC) dengan parameter kisi sekitar 2,86 Å pada suhu kamar. Kisi BCC memiliki satu atom di setiap sudut kubus dan satu atom di pusat, menghasilkan struktur yang relatif terbuka.

• Austenit: Struktur Kubik Berpusat Muka (FCC) dengan parameter kisi sekitar 3,58 Å. Kisi FCC mengandung atom di setiap sudut dan di pusat semua wajah, memberikan kepadatan kemasan yang lebih tinggi.

• Martensit: Struktur Tetragonal Berpusat Badan (BCT), versi terdistorsi dari BCC, yang terbentuk melalui pendinginan cepat. Tetragonitasnya (rasio c/a) bervariasi tergantung pada kandungan karbon.

• Semenit: Fase ortorhombik (Fe₃C) dengan struktur kristal yang kompleks, berkontribusi pada kekerasan mikro dan kekuatan.

Orientasi dan hubungan kristalografi dijelaskan menggunakan konsep batas butir, yang merupakan antarmuka antara kristal yang terorientasi berbeda. Orientasi butir individu dicirikan oleh sudut Euler atau gambar kutub, yang mengungkapkan perkembangan tekstur selama pemrosesan.

Ciri Morfologis

Wilayah kristalin dalam baja biasanya muncul sebagai butir—entitas poliedral diskrit dengan rentang ukuran tertentu:

• Ukuran butir: Berkisar dari beberapa mikrometer (μm) pada baja butir halus hingga ratusan mikrometer pada mikrostruktur butir kasar.

• Bentuk dan distribusi: Butir umumnya berbentuk ekuiaxial (dimensi hampir sama di semua arah) tetapi dapat memanjang atau datar tergantung pada deformasi dan perlakuan panas.

• Penampilan visual: Di bawah mikroskop optik, butir kristalin muncul sebagai wilayah yang berbeda dengan batas yang jelas, sering kali menunjukkan tingkat kontras yang berbeda karena perbedaan orientasi. Mikroskop elektron mengungkapkan pengaturan atom dan struktur cacat dalam butir ini.

Sifat Fisik

Mikrostruktur kristalin mempengaruhi beberapa sifat fisik:

• Kepadatan: Sedikit bervariasi dengan fase dan kepadatan cacat; kepadatan baja yang khas sekitar 7,85 g/cm³.

• Konduktivitas listrik: Umumnya tinggi di wilayah kristalin murni; kotoran dan cacat mengurangi konduktivitas.

• Sifat magnetik: Fase kristalin seperti ferit bersifat feromagnetik, dengan domain magnetik sejajar sepanjang arah kristalografi tertentu.

• Konduktivitas termal: Tinggi di wilayah kristalin yang teratur, memfasilitasi transfer panas.

Jika dibandingkan dengan konstituen amorf atau non-kristalin, mikrostruktur kristalin menunjukkan sifat anisotropik karena pengaturan atomnya yang teratur.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan mikrostruktur kristalin dalam baja diatur oleh prinsip-prinsip termodinamika yang bertujuan untuk meminimalkan energi bebas sistem. Perubahan energi bebas Gibbs (ΔG) yang terkait dengan transformasi fase menentukan stabilitas fase:

$$
\Delta G = \Delta H - T \Delta S
$$

di mana ΔH adalah perubahan entalpi, T adalah suhu, dan ΔS adalah perubahan entropi.

Pada keseimbangan, fase dengan energi bebas terendah lebih diutamakan. Diagram fase sistem besi-karbon menggambarkan wilayah stabilitas berbagai fase kristalin. Misalnya, austenit terbentuk di wilayah γ-besi, sementara ferit dan semenit stabil di wilayah α-besi dan semenit, masing-masing.

Kinetika Pembentukan

Proses nukleasi dan pertumbuhan mengontrol perkembangan mikrostruktur kristalin:

• Nukleasi: Dimulai pada cacat, batas butir, atau kotoran, di mana fluktuasi lokal dalam energi bebas mendukung pembentukan fase baru.

• Pertumbuhan: Didorong oleh difusi unsur paduan dan atom, dengan laju yang dipengaruhi oleh suhu, gradien konsentrasi, dan mobilitas.

Laju nukleasi $I$ dan pertumbuhan (G) dapat dijelaskan dengan model klasik:

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

$$
G = G_0 \exp\left( - \frac{Q}{RT} \right)
$$

di mana ( \Delta G^* ) adalah penghalang energi bebas kritis, ( k ) adalah konstanta Boltzmann, $Q$ adalah energi aktivasi, dan $R$ adalah konstanta gas universal.

Diagram waktu-suhu-transformasi (TTT) menggambarkan kinetika transformasi fase, menunjukkan rentang suhu dan durasi yang diperlukan untuk fase kristalin terbentuk atau berubah.

Faktor yang Mempengaruhi

• Komposisi paduan: Unsur-unsur seperti karbon, mangan, nikel, dan krom mempengaruhi stabilitas fase dan suhu transformasi.

• Parameter pemrosesan: Laju pendinginan, deformasi, dan jadwal perlakuan panas secara signifikan mempengaruhi nukleasi dan pertumbuhan fase kristalin.

• Mikrostruktur sebelumnya: Ukuran butir yang ada, kepadatan dislokasi, dan distribusi fase mempengaruhi perilaku kristalisasi selanjutnya.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Kinetika transformasi fase dan pertumbuhan butir dijelaskan oleh persamaan seperti:

• Persamaan Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK):

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

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

• Hukum pertumbuhan butir:

$$
D^n - D_0^n = K t
$$

di mana $D$ adalah ukuran butir rata-rata pada waktu ( t ), $D_0$ adalah ukuran butir awal, ( n ) adalah eksponen pertumbuhan butir (biasanya 2 atau 3), dan $K$ adalah konstanta laju yang bergantung pada suhu.

Model Prediktif

Alat komput