Diagram Keseimbangan dalam Metalurgi Baja: Wawasan Mikrostruktur & Properti

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah Diagram Keseimbangan dalam metalurgi baja adalah representasi grafis yang menggambarkan fase stabil dan komposisinya pada keseimbangan termodinamik di berbagai suhu dan komposisi. Ini adalah alat dasar yang digunakan untuk memahami stabilitas fase, transformasi, dan evolusi mikrostruktur dalam sistem baja.

Di tingkat atom dan kristalografi, diagram keseimbangan berakar pada prinsip termodinamika dan keseimbangan fase. Ini menggambarkan lanskap energi bebas dari berbagai fase, menunjukkan fase mana yang meminimalkan energi bebas Gibbs sistem di bawah kondisi suhu dan komposisi tertentu. Fase-fase tersebut dicirikan oleh susunan atom unik, struktur kisi, dan jenis ikatan yang menentukan stabilitas dan jalur transformasinya.

Dalam ilmu material, diagram keseimbangan berfungsi sebagai referensi penting untuk merancang perlakuan panas, komposisi paduan, dan rute pemrosesan. Mereka memungkinkan metalurgis untuk memprediksi pembentukan fase, konstituen mikrostruktur, dan stabilitasnya, yang pada akhirnya mempengaruhi sifat mekanik dan fisik baja.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Fase-fase yang diwakili dalam diagram keseimbangan memiliki struktur kristalografi yang berbeda. Misalnya, ferit (α-besi) menunjukkan kisi kubik berpusat badan (BCC) dengan parameter kisi sekitar 2.866 Å pada suhu kamar, dicirikan oleh susunan kubik sederhana dari atom besi. Austenit (γ-besi), di sisi lain, memiliki struktur kubik berpusat wajah (FCC) dengan parameter kisi mendekati 3.58 Å, menampilkan atom yang tersusun di setiap wajah dan sudut kubus.

Fase karbida seperti semenit (Fe₃C) menunjukkan simetri kristal ortorhombik, dengan susunan atom kompleks yang melibatkan atom karbon yang menempati situs interstitial dalam kisi besi. Susunan atom mempengaruhi stabilitas fase, jalur difusi, dan mekanisme transformasi.

Hubungan orientasi kristalografi, seperti hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, menggambarkan bagaimana fase induk dan produk terorientasi relatif satu sama lain selama transformasi. Hubungan ini sangat penting dalam memahami fitur mikrostruktur seperti lath martensit atau sheaves bainitik.

Fitur Morfologis

Mikrostruktur yang sesuai dengan fase keseimbangan menunjukkan morfologi khas. Ferit biasanya muncul sebagai butiran yang equiaxed, lembut, dan ulet dengan ukuran berkisar dari beberapa mikrometer hingga beberapa milimeter, tergantung pada kondisi pemrosesan. Austenit, sebagai fase suhu tinggi, biasanya diamati sebagai matriks homogen dalam baja yang diperlakukan panas.

Semenit muncul sebagai presipitat mirip jarum atau lamelar, sering terbentuk dalam struktur pearlitik. Karbida ini dapat berkisar dari nanometer hingga mikrometer dalam ukuran dan terdistribusi di sepanjang batas butir atau di dalam butir feritik.

Konfigurasi tiga dimensi bervariasi: butiran ferit kira-kira equiaxed, presipitat semenit dapat membentuk lamela atau spheroid, dan fase seperti martensit (bukan fase keseimbangan tetapi relevan dalam transformasi) muncul sebagai struktur lath atau pelat. Di bawah mikroskop optik atau elektron, fase-fase ini menunjukkan kontras, bentuk, dan pola distribusi yang berbeda.

Sifat Fisik

Sifat fisik yang terkait dengan mikrostruktur keseimbangan berbeda secara signifikan dari konstituen lainnya. Ferit memiliki densitas rendah (~7.87 g/cm³), konduktivitas listrik tinggi, dan bersifat paramagnetik. Austenit, sebagai FCC, menunjukkan densitas serupa tetapi tidak bersifat magnetik pada suhu kamar dan memiliki ulet yang lebih tinggi.

Semenit adalah fase keras dan rapuh dengan kekerasan tinggi (~700 HV) dan konduktivitas listrik rendah. Konduktivitas termalnya sedang, tetapi secara signifikan meningkatkan kekerasan dan kekuatan keseluruhan baja.

Sifat magnetik bervariasi: ferit bersifat feromagnetik, sementara austenit bersifat paramagnetik atau tidak magnetik tergantung pada suhu. Sifat-sifat ini mempengaruhi permeabilitas magnetik baja, resistivitas listrik, dan perilaku termal, yang sangat penting dalam aplikasi seperti inti transformator atau sensor magnetik.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamik

Pembentukan fase yang digambarkan dalam diagram keseimbangan diatur oleh prinsip termodinamik. Energi bebas Gibbs (G) dari setiap fase tergantung pada suhu (T), tekanan (P), dan komposisi (C). Pada keseimbangan, fase dengan G terendah pada kondisi tertentu secara termodinamik diuntungkan.

Stabilitas fase ditentukan oleh garis ikatan dan batas fase pada diagram fase, yang mewakili kondisi di mana dua atau lebih fase coexist dalam keseimbangan. Misalnya, diagram fase Fe-C menunjukkan keberadaan stabil ferit, semenit, dan austenit pada rentang suhu dan komposisi tertentu, yang ditentukan oleh minimisasi energi bebas.

Pembangunan diagram fase bergantung pada perhitungan energi bebas dari berbagai fase menggunakan model termodinamik, seperti CALPHAD (Perhitungan Diagram Fase), yang menggabungkan data termodinamik dan parameter interaksi.

Kinetika Pembentukan

Sementara termodinamika menunjukkan fase mana yang stabil, kinetika menentukan seberapa cepat fase-fase ini terbentuk. Nucleation melibatkan pembentukan inti stabil dari fase baru dalam fase induk, mengatasi penghalang energi yang dipengaruhi oleh energi antarmuka dan perubahan energi bebas volume.

Pertumbuhan melibatkan difusi atom, yang tergantung pada suhu. Pada suhu yang lebih tinggi, laju difusi meningkat, memfasilitasi transformasi fase yang lebih cepat. Sebaliknya, pada suhu yang lebih rendah, transformasi melambat atau menjadi tanpa difusi, seperti dalam pembentukan martensit.

Langkah-langkah pengendali laju termasuk difusi atom, laju nucleation, dan mobilitas antarmuka. Energi aktivasi (Q) mengatur proses ini, dengan nilai Q yang lebih tinggi menunjukkan transformasi yang lebih lambat. Diagram waktu-suhu-transformasi (TTT) dan transformasi pendinginan kontinu (CCT) adalah alat untuk memvisualisasikan kinetika ini.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan secara signifikan mempengaruhi pembentukan fase. Misalnya, karbon mendorong pembentukan semenit, sementara elemen seperti mangan menstabilkan austenit, menunda pembentukan ferit. Silikon dan aluminium menghambat presipitasi semenit, lebih memilih ferit atau bainit.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, waktu tahan suhu, dan riwayat deformasi mempengaruhi perkembangan mikrostruktur. Pendinginan cepat menekan fase keseimbangan, menghasilkan martensit, sementara pendinginan lambat memungkinkan fase keseimbangan terbentuk.

Mikrostruktur sebelumnya, seperti ukuran butir dan distribusi fase yang ada, mempengaruhi situs nucleation dan jalur transformasi, mempengaruhi stabilitas dan sifat mikrostruktur akhir.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Kondisi keseimbangan fase sering dijelaskan oleh kesetaraan potensial kimia (μ) dari setiap komponen dalam fase yang coexist:

$$\mu_i^{\alpha}(T, C_i^{\alpha}) = \mu_i^{\beta}(T, C_i^{\beta}) $$

di mana ( \mu_i^{\alpha} ) dan ( \mu_i^{\beta} ) adalah potensial kimia dari komponen i dalam fase α dan β, masing-masing.

Aturan tuas memberikan hubungan kuantitatif untuk fraksi fase dalam wilayah dua fase:

$$f_{\alpha} = \frac{C_0 - C_{\beta}}{C_{\alpha} - C_{\beta}} $$
$$f_{\beta} = 1 - f_{\alpha} $$

di mana $C_0$ adalah komposisi keseluruhan, dan $C_{\alpha}$, $C_{\beta}$ adalah komposisi fase α dan β pada keseimbangan.

Diagram fase itu sendiri dibangun dari data termodinamik, sering kali direpresentasikan sebagai plot suhu versus komposisi, dengan batas fase yang diturunkan dari perhitungan energi bebas.

Model Prediktif

Alat komputasi seperti CALPHAD memungkinkan prediksi stabilitas fase dan evolusi mikrostruktur dengan meminimalkan total energi bebas dari sistem multikomponen. Model-model ini menggabungkan basis data termodinamik dan parameter kinetik