Delta Besi: Peran Mikrostuktur dan Dampaknya terhadap Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Delta Iron adalah fase atau daerah mikrostruktur spesifik dalam baja yang ditandai dengan susunan atom yang berbeda dan fitur kristalografi. Ini biasanya muncul sebagai mikrokonstituen yang terlokalisasi, sering kali sementara, yang terbentuk di bawah kondisi termomekanik tertentu, terutama selama pendinginan cepat atau perlakuan panas tertentu.

Di tingkat atom, Delta Iron sesuai dengan fase kubik berpusat badan (BCC) dari besi, yang sering distabilkan dalam paduan baja dengan elemen paduan tertentu atau di bawah rejim suhu tertentu. Dasar ilmiah fundamentalnya terletak pada stabilitas fase struktur kristal besi, yang diatur oleh faktor termodinamik dan kinetik yang mempengaruhi transformasi fase.

Dalam metalurgi baja, Delta Iron memainkan peran penting dalam mempengaruhi sifat mekanik, ketahanan korosi, dan evolusi mikrostruktur. Memahami pembentukan, stabilitas, dan interaksinya dengan fase lain sangat penting untuk mengontrol kinerja baja dan menyesuaikan mikrostruktur untuk aplikasi tertentu.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Delta Iron menunjukkan struktur kristal kubik berpusat badan (BCC), yang merupakan salah satu alotrop suhu tinggi dari besi murni. Parameter kisi-kisinya sekitar 2,87 Å pada titik lebur, dengan variasi kecil tergantung pada elemen paduan dan suhu.

Struktur BCC melibatkan atom yang tersusun di sudut kubus dengan satu atom di pusat. Susunan ini menghasilkan sistem kristal yang diklasifikasikan sebagai kubik, dengan grup ruang Im-3m. Faktor pengemasan atom (APF) untuk BCC adalah sekitar 0,68, menunjukkan struktur yang relatif terbuka dibandingkan dengan struktur kubik berpusat muka (FCC) atau terkompak heksagonal (HCP).

Dari sudut pandang kristalografi, Delta Iron sering dikaitkan dengan hubungan orientasi tertentu dengan fase lain, seperti Austenit (FCC) atau Ferrit (BCC). Selama transformasi fase, hubungan orientasi seperti Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann dapat diamati di batas fase yang melibatkan Delta Iron, mencerminkan koherensi kristalografi atau ketidakcocokan antara fase.

Ciri Morfologis

Delta Iron biasanya muncul sebagai butiran kasar yang ekuiaxed atau sebagai daerah interdendritik dalam mikrostruktur baja. Ukurannya dapat berkisar dari beberapa mikrometer hingga beberapa puluh mikrometer, tergantung pada kondisi pemrosesan.

Dalam mikrograf, Delta Iron muncul sebagai daerah dengan pola difraksi BCC yang khas, sering kali dapat dibedakan berdasarkan morfologi dan kontrasnya di bawah mikroskop optik atau elektron. Ini dapat terbentuk sebagai jaringan kontinu atau sebagai partikel diskrit, sering terletak di batas butir atau dalam matriks.

Variasi bentuk termasuk butiran ekuiaxed, pelat memanjang, atau daerah berbentuk tidak teratur, dipengaruhi oleh laju pendinginan dan sejarah deformasi. Dalam mikrostruktur tiga dimensi, Delta Iron dapat membentuk jaringan yang saling terhubung atau kantong terisolasi, mempengaruhi topologi mikrostruktur secara keseluruhan.

Sifat Fisik

Secara fisik, Delta Iron menunjukkan sifat yang khas dari fase besi BCC. Densitasnya sekitar 7,86 g/cm³, mirip dengan alotrop besi lainnya. Karena struktur kristalnya, ia memiliki sifat magnetik, bersifat ferromagnetik pada suhu kamar.

Dari segi termal, Delta Iron memiliki konduktivitas termal yang tinggi dan kapasitas panas spesifik yang sebanding dengan fase besi lainnya. Konduktivitas listriknya sedang, dipengaruhi oleh kandungan kotoran dan fitur mikrostruktur.

Jika dibandingkan dengan fase FCC seperti Austenit, Delta Iron umumnya memiliki kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi tetapi ductility yang lebih rendah. Struktur BCC yang terbuka berkontribusi pada peningkatan sistem slip pada suhu tinggi, mempengaruhi perilaku deformasi.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamik

Pembentukan Delta Iron diatur oleh diagram stabilitas fase sistem besi-karbon atau besi-paduan. Pada suhu tinggi (di atas sekitar 1394°C untuk besi murni), Delta Iron adalah fase stabil, yang ada sebagai alotrop BCC suhu tinggi.

Dari sudut pandang termodinamik, energi bebas Gibbs (G) dari Delta Iron lebih rendah daripada fase lain dalam rentang stabilitasnya. Diagram fase menunjukkan bahwa, pada keseimbangan, Delta Iron berdampingan dengan logam cair selama proses peleburan dan pembekuan.

Perbedaan energi bebas (ΔG) antara Delta Iron dan fase lain menentukan gaya pendorong untuk transformasi. Saat suhu menurun, Delta Iron menjadi metastabil atau berubah menjadi fase yang lebih stabil seperti Austenit atau Ferrit, tergantung pada komposisi paduan dan kondisi pendinginan.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi Delta Iron selama pendinginan melibatkan pengatasan penghalang energi yang terkait dengan penciptaan antarmuka fase baru. Laju nukleasi tergantung pada suhu, pendinginan, dan keberadaan situs nukleasi seperti batas butir atau dislokasi.

Kinetika pertumbuhan dikendalikan oleh difusi atom dan mobilitas antarmuka. Pada suhu tinggi, difusi cepat, memfasilitasi pembentukan dan pertumbuhan daerah Delta Iron. Saat pendinginan berlangsung, difusi melambat, dan fase tersebut dapat menjadi metastabil atau berubah menjadi mikrostruktur lain.

Langkah pengendali laju sering melibatkan keterikatan atom di antarmuka fase, dengan energi aktivasi biasanya dalam rentang 100–200 kJ/mol. Diagram waktu-suhu-transformasi (TTT) membantu memprediksi kinetika pembentukan Delta Iron di bawah berbagai rejim pendinginan.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti kromium, molibdenum, dan nikel dapat menstabilkan atau menghambat pembentukan Delta Iron dengan mengubah stabilitas fase dan laju difusi. Misalnya, elemen yang memperluas daerah stabilitas BCC mendorong retensi Delta Iron pada suhu yang lebih rendah.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan sangat mempengaruhi perkembangan Delta Iron. Pendinginan cepat dapat menekan pembentukannya, mengarah pada mikrostruktur martensitik, sementara pendinginan yang lebih lambat memungkinkan stabilisasi Delta Iron.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir austenit sebelumnya atau sejarah deformasi, mempengaruhi situs nukleasi dan jalur pertumbuhan. Mikrostruktur yang halus cenderung membatasi pembentukan Delta Iron, sementara butir kasar memfasilitasi perkembangannya.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Gaya pendorong termodinamik untuk transformasi fase dapat dinyatakan sebagai:

$$\Delta G = G_{\text{Delta}} - G_{\text{parent}} $$

di mana ( G_{\text{Delta}} ) dan ( G_{\text{parent}} ) adalah energi bebas Gibbs dari Delta Iron dan fase induk, masing-masing.

Laju nukleasi ( I ) mengikuti 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,
- ( k ) adalah konstanta Boltzmann,
- $T$ adalah suhu mutlak.

Laju pertumbuhan ( R ) dapat dimodelkan sebagai:

$$R = M \cdot \frac{\partial \Delta G}{\partial r} $$

di mana:
- $M$ adalah mobilitas atom,
- ( r ) adalah jari-jari fase yang sedang tumbuh.

Persamaan ini digunakan untuk mensimulasikan kinetika transformasi fase selama proses perlakuan panas.

Model Prediktif

Alat komputasi seperti CALPHAD (Perhitungan Diagram Fase) memungkinkan prediksi stabilitas fase dan suhu transformasi, termasuk rentang stabilitas Delta Iron.

Model bidang fase mensimulasikan evolusi mikrostruktur dengan memecahkan persamaan diferensial yang terhubung yang menggambarkan pergerakan batas fase, menggabungkan data termodinamik dan parameter kinetik.

Simulasi Monte Carlo kinetik memberikan wawasan atomistik tentang proses nukleasi dan pertumbuhan, menangkap efek stokastik dan variasi