Struktur Berpusat Kubus dalam Baja: Pembentukan, Mikrostruktur & Sifat
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Definisi dan Konsep Dasar
Cube-Centered mengacu pada konfigurasi mikrostruktur kristalografi tertentu yang ditandai dengan atom yang tersusun dalam kisi kubik dengan atom yang terletak di sudut dan satu atom di pusat kubus. Mikrostruktur ini terutama terkait dengan struktur kristal kubik berpusat tubuh (BCC), yang umum ditemukan dalam fase tertentu dari baja, terutama ferrit dan martensit.
Di tingkat atom, konfigurasi Cube-Centered melibatkan sel unit di mana setiap atom sudut dibagi di antara delapan sel tetangga, dan atom pusat sepenuhnya berada di dalam sel. Pengaturan ini menghasilkan struktur yang sangat simetris dan padat yang mempengaruhi sifat mekanik dan fisik material. Dasar ilmiah yang mendasari terletak pada kristalografi kisi BCC, yang ditandai dengan parameter kisi 'a' yang mendefinisikan panjang tepi kubus, dengan atom yang terletak pada posisi (0,0,0) dan (½,½,½) dalam sel unit.
Dalam metalurgi baja, mikrostruktur Cube-Centered sangat penting karena mengatur stabilitas fase, perilaku transformasi, dan sifat mekanik seperti kekerasan, ketangguhan, dan duktilitas. Memahami mikrostruktur ini membantu dalam mengontrol proses perlakuan panas, desain paduan, dan mekanisme deformasi, menjadikannya konsep dasar dalam rekayasa mikrostruktur.
Sifat Fisik dan Karakteristik
Struktur Kristalografi
Mikrostruktur Cube-Centered didasarkan pada sistem kristal kubik berpusat tubuh (BCC), yang termasuk dalam keluarga kristal kubik. Dalam struktur ini, setiap sel unit mengandung atom di delapan sudut dan satu atom di pusat kubus, menghasilkan total dua atom per sel unit (mempertimbangkan atom yang dibagi di sudut).
Parameter kisi untuk struktur BCC bervariasi tergantung pada komposisi paduan dan kondisi pemrosesan tetapi biasanya berkisar dari sekitar 2,86 Å hingga 3,60 Å untuk besi murni pada suhu kamar. Kisi BCC ditandai dengan simetri tinggi, dengan titik kisi pada posisi (0,0,0) dan (½,½,½), yang mendefinisikan sudut dan pusat kubus masing-masing.
Dari sudut pandang kristalografi, konfigurasi Cube-Centered menunjukkan hubungan orientasi tertentu dengan fase induk, seperti orientasi Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann selama transformasi fase seperti austenit menjadi martensit. Hubungan ini mempengaruhi morfologi dan bidang kebiasaan dari mikrostruktur yang dihasilkan.
Ciri Morfologis
Mikrostruktur Cube-Centered muncul sebagai butiran poligonal yang ekuiaxed dengan ukuran yang biasanya berkisar dari beberapa mikrometer hingga beberapa puluh mikrometer, tergantung pada kondisi pemrosesan. Di bawah mikroskop optik, butiran ini tampak sebagai daerah poligonal yang seragam dengan batas yang jelas.
Dalam tiga dimensi, mikrostruktur terdiri dari butiran dengan bentuk yang kira-kira ekuiaxed, sering kali menunjukkan penampilan berfaset yang khas karena bidang kristalografi. Morfologi juga dapat mencakup fitur lath atau plat dalam fase tertentu, seperti martensit, di mana pengaturan Cube-Centered mempengaruhi bidang kebiasaan dan orientasi lath.
Ciri visual yang diamati melalui mikroskop optik atau elektron termasuk jaringan batas butiran yang membatasi butiran individu, dengan fitur internal seperti pengaturan dislokasi dan konstituen fase. Keseragaman mikrostruktur dan distribusi ukuran butiran adalah parameter kritis yang mempengaruhi kinerja mekanik.
Sifat Fisik
Sifat fisik yang terkait dengan mikrostruktur Cube-Centered sangat terkait dengan pengaturan atomiknya. Kerapatan struktur BCC adalah sekitar 7,85 g/cm³ untuk besi murni, sedikit lebih rendah dibandingkan dengan struktur kubik berpusat muka (FCC) karena pengaturan atom yang kurang padat.
Konditivitas listrik dalam fase BCC relatif rendah dibandingkan dengan fase FCC, karena kerapatan cacat yang lebih tinggi dan jarak antar atom. Sifat magnetik sangat signifikan; besi BCC menunjukkan feromagnetisme dengan permeabilitas magnetik tinggi, yang dipengaruhi oleh pengaturan atom.
Dari segi termal, struktur BCC memiliki koefisien ekspansi termal yang lebih tinggi dan konduktivitas termal yang lebih rendah dibandingkan dengan struktur FCC. Konfigurasi atom mikrostruktur menghasilkan kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi tetapi duktilitas yang lebih rendah, terutama dalam keadaan martensitik atau terdeformasi berat, dibandingkan dengan rekan-rekan FCC-nya.
Perbedaan dalam sifat-sifat ini dari konstituen mikrostruktur lainnya, seperti austenit FCC, terutama disebabkan oleh kerapatan kemasan atom, sistem slip, dan stabilitas fase yang diatur oleh pengaturan Cube-Centered.
Mekanisme Pembentukan dan Kinetika
Dasar Termodinamika
Pembentukan mikrostruktur Cube-Centered dalam baja diatur oleh prinsip-prinsip termodinamika yang terkait dengan stabilitas fase dan minimisasi energi bebas. Fase BCC, seperti ferrit atau martensit, secara termodinamik lebih disukai pada suhu yang lebih rendah untuk komposisi paduan tertentu, terutama dalam baja karbon biasa.
Diagram stabilitas fase, seperti diagram fase Fe-C, menggambarkan rentang suhu dan komposisi di mana fase BCC stabil. Perbedaan energi bebas antara fase menentukan gaya pendorong untuk transformasi; misalnya, pendinginan dari austenit (FCC) ke ferrit (BCC) melibatkan penyeberangan batas fase di mana struktur BCC menjadi lebih menguntungkan secara energetik.
Stabilitas struktur Cube-Centered juga dipengaruhi oleh unsur paduan seperti kromium, molibdenum, dan vanadium, yang memodifikasi diagram fase dan menstabilkan atau mendestabilkan fase BCC. Pertimbangan termodinamik mencakup energi bebas Gibbs (G), di mana fase dengan G terendah pada kondisi tertentu secara termodinamik stabil.
Kinetika Pembentukan
Nukleasi dan pertumbuhan fase Cube-Centered dikendalikan oleh faktor kinetik seperti difusi atom, mobilitas antarmuka, dan ketersediaan situs nukleasi. Selama pendinginan, nukleasi ferrit atau martensit terjadi di batas butiran, dislokasi, atau inklusi, di mana hambatan energi lokal berkurang.
Kecepatan transformasi fase tergantung pada suhu, dengan suhu yang lebih tinggi mendukung proses yang dikendalikan oleh difusi seperti pembentukan ferrit, dan pendinginan cepat mendukung transformasi martensit tanpa difusi. Kinetika dijelaskan oleh teori nukleasi klasik, di mana laju nukleasi $I$ dinyatakan sebagai:
$$I = I_0 \exp \left( - \frac{\Delta G^*}{kT} \right) $$
di mana $I_0$ adalah faktor pre-exponential, ( \Delta G^* ) adalah hambatan energi bebas kritis, ( k ) adalah konstanta Boltzmann, dan $T$ adalah suhu.
Kinetika pertumbuhan melibatkan laju difusi atom, kecepatan antarmuka, dan ketersediaan gaya pendorong. Persamaan Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) menggambarkan fraksi transformasi seiring waktu:
$$X(t) = 1 - \exp(-k t^n) $$
di mana ( X(t) ) adalah fraksi yang telah ditransformasikan, ( k ) adalah konstanta laju, dan ( n ) adalah eksponen Avrami yang terkait dengan mekanisme nukleasi dan pertumbuhan.
Faktor yang Mempengaruhi
Komposisi paduan secara kritis mempengaruhi pembentukan mikrostruktur Cube-Centered. Unsur-unsur seperti karbon, kromium, molibdenum, dan nikel mempengaruhi stabilitas fase dan suhu transformasi. Misalnya, peningkatan kandungan karbon mendorong transformasi martensit, yang mengarah pada fraksi volume tinggi dari martensit Cube-Centered.
Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, gradien suhu, dan sejarah deformasi secara signifikan mempengaruhi perkembangan mikrostruktur. Pendinginan cepat menekan difusi, mendukung pembentukan martensit, sementara pendinginan yang lebih lambat memungkinkan pengembangan ferrit atau bainit.
Mikrostruktur sebelumnya, seperti ukuran butiran austenit dan kerapatan dislokasi, mempengaruhi situs nukleasi dan kinetika transformasi. Butiran austenit yang halus mendorong fase Cube-Centered yang seragam dan halus, meningkatkan sifat mekanik.