Kristalisasi dalam Mikrostruktur Baja: Pembentukan, Dampak & Signifikansi Pengolahan

Definisi dan Konsep Dasar

Kristalisasi dalam metalurgi baja mengacu pada proses di mana atom-atom dalam keadaan cair atau semi-padat mengatur diri mereka menjadi struktur atom yang sangat teratur dan periodik, membentuk fase padat kristalin. Transisi ini dari keadaan cair yang tidak teratur atau amorf ke fase kristalin yang teratur terjadi selama pembekuan atau transformasi fase, yang secara fundamental didorong oleh faktor termodinamika dan kinetika.

Di tingkat atom, kristalisasi melibatkan nukleasi—di mana kelompok kecil atom mengatur diri menjadi inti stabil dari fase kristalin—dan pertumbuhan selanjutnya, di mana inti ini berkembang dengan penempelan atom, menciptakan kisi yang teratur dan kontinu. Proses ini diatur oleh minimisasi energi bebas, dengan pembentukan fase kristalin mengurangi energi bebas keseluruhan sistem dibandingkan dengan keadaan yang tidak teratur atau amorf.

Dalam metalurgi baja, kristalisasi sangat penting karena menentukan mikrostruktur awal saat pembekuan, mempengaruhi ukuran butir, distribusi fase, dan pada akhirnya sifat mekanik dan fisik dari produk akhir. Memahami dan mengendalikan kristalisasi memungkinkan metalurgis untuk menyesuaikan mikrostruktur baja untuk memenuhi kebutuhan kinerja tertentu, seperti kekuatan, ketangguhan, dan keuletan.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Mikrostruktur kristalisasi dalam baja terutama melibatkan pembentukan fase berbasis besi dengan pengaturan kristalografi tertentu. Fase utama dalam sebagian besar baja adalah ferit (α-besi), yang mengadopsi sistem kristal kubik berpusat badan (BCC) dengan parameter kisi sekitar a = 2.866 Å pada suhu kamar. Selama pendinginan cepat atau kondisi paduan tertentu, fase lain seperti austenit (γ-besi) dengan struktur kubik berpusat muka (FCC) (parameter kisi ~3.58 Å) atau semenit (Fe₃C) dengan struktur ortorhombik juga dapat mengkristal.

Penyusunan atom dalam fase-fase ini melibatkan pengulangan periodik dari bidang atom, dengan titik kisi mewakili posisi atom atau kelompok atom. Orientasi kristalografi sering dijelaskan menggunakan indeks Miller, dan hubungan orientasi antara fase—seperti Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann—sangat penting dalam memahami transformasi fase selama kristalisasi.

Kristalisasi sering terjadi dengan hubungan orientasi tertentu terhadap fase induk, mempengaruhi karakter batas butir dan pengembangan tekstur yang mempengaruhi sifat baja.

Ciri Morfologis

Morfologi mikrostruktur yang terkrisalisasi dalam baja bervariasi tergantung pada laju pendinginan, komposisi paduan, dan kondisi pemrosesan. Ciri khas termasuk:

• Butir: Wilayah kristalin yang ekuiaxial atau memanjang, berkisar dari beberapa mikrometer hingga beberapa milimeter dalam ukuran. Ukuran butir adalah parameter kritis yang mempengaruhi kekuatan dan ketangguhan.
• Dendrit: Struktur seperti pohon yang terbentuk selama pembekuan cepat, ditandai dengan lengan primer dan sekunder. Struktur dendritik umum dalam baja cor dan mempengaruhi pola segregasi.
• Butir kolumnar: Butir memanjang yang sejajar dengan arah aliran panas, sering diamati dalam pengelasan atau proses pembekuan terarah.
• Inklusi dan presipitat: Selama kristalisasi, atom pengotor atau elemen paduan dapat tersegregasi atau mengendap di batas butir atau di dalam butir, mempengaruhi stabilitas mikrostruktur.

Di bawah mikroskop optik dan elektron, wilayah yang terkrisalisasi menampilkan ciri khas seperti batas butir poligonal, lengan dendritik, atau struktur seluler, yang menunjukkan kondisi pembekuan.

Sifat Fisik

Mikrostruktur yang terkrisalisasi mempengaruhi beberapa sifat fisik:

• Kepadatan: Fase kristalin memiliki kepadatan pengemasan atom yang terdefinisi dengan baik; misalnya, ferit memiliki kepadatan sekitar 7.86 g/cm³, yang lebih tinggi daripada fase cair, mencerminkan efisiensi pengemasan atom.
• Konduktivitas listrik: Struktur kristalin biasanya menunjukkan resistivitas listrik yang lebih rendah dibandingkan dengan fase amorf atau tersegregasi karena pengaturan atom periodik yang memfasilitasi aliran elektron.
• Sifat magnetik: Fase ferit BCC bersifat feromagnetik, dengan permeabilitas magnetik tinggi, sedangkan fase lain seperti semenit bersifat non-magnetik.
• Konduktivitas termal: Fase kristalin umumnya memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi daripada fase amorf atau tersegregasi, membantu disipasi panas selama pemrosesan.

Sifat-sifat ini berbeda secara mencolok dari mikrostruktur non-kristalin atau amorf, yang cenderung memiliki sifat isotropik dan perilaku listrik serta magnetik yang berbeda.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Termodinamika kristalisasi dalam baja diatur oleh perbedaan energi bebas (ΔG) antara fase cair (atau austenit) dan fase padat. Kristalisasi terjadi ketika pengurangan energi bebas akibat transformasi fase melebihi hambatan energi yang terkait dengan penciptaan antarmuka baru.

Gaya pendorong untuk nukleasi dinyatakan sebagai:

ΔG_v = ΔH_fus * (T_m - T) / T_m

di mana ΔH_fus adalah entalpi fusi, T_m adalah suhu lebur, dan T adalah suhu di bawah T_m. Ketika suhu menurun di bawah titik lebur, perbedaan energi bebas meningkat, mendorong nukleasi.

Diagram fase, seperti diagram fase Fe-C, menggambarkan daerah stabilitas berbagai fase dan memandu pemahaman tentang fase mana yang secara termodinamik diuntungkan selama pendinginan dan pembekuan.

Kinetika Pembentukan

Kinetika kristalisasi melibatkan dua tahap utama: nukleasi dan pertumbuhan.

• Nukleasi: Pembentukan inti stabil memerlukan pengatasan hambatan energi yang terkait dengan penciptaan antarmuka baru. Nukleasi homogen terjadi secara merata di seluruh lelehan tetapi kurang umum dalam baja karena pengotor; nukleasi heterogen di inklusi atau dinding wadah lebih umum.
• Pertumbuhan: Setelah inti terbentuk, atom berdifusi ke antarmuka padat-cair, memungkinkan kristal untuk tumbuh. Laju pertumbuhan tergantung pada suhu, koefisien difusi, dan derajat pendinginan.

Laju keseluruhan kristalisasi dikendalikan oleh langkah terlama—baik nukleasi atau pertumbuhan—yang ditentukan oleh hambatan energi aktivasi. Persamaan Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) memodelkan kinetika transformasi:

X(t) = 1 - exp(-k * t^n)

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

Faktor yang Mempengaruhi

Beberapa faktor mempengaruhi kristalisasi:

• Komposisi paduan: Elemen seperti karbon, mangan, dan tambahan paduan memodifikasi stabilitas termodinamik dan hambatan nukleasi.
• Laju pendinginan: Pendinginan cepat mendukung mikrostruktur yang lebih halus dengan butir yang lebih kecil dan dendrit, sementara pendinginan lambat memungkinkan butir yang lebih kasar dan fase keseimbangan.
• Mikrostruktur awal: Fase yang sudah ada atau mikrosegregasi mempengaruhi lokasi nukleasi dan jalur pertumbuhan.
• Lingkungan pemrosesan: Kehadiran pengotor, inklusi, atau medan eksternal (magnetik, mekanik) dapat mendorong atau menghambat nukleasi.

Mengendalikan faktor-faktor ini memungkinkan penyesuaian mikrostruktur untuk mengoptimalkan sifat baja.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Laju nukleasi klasik (I) per unit volume diberikan oleh:

I = I_0 * exp(-ΔG* / k_B T)