Eutektoid dalam Mikrostuktur Baja: Pembentukan, Karakteristik & Dampak

Definisi dan Konsep Dasar

Istilah eutectoid mengacu pada jenis transformasi fase tertentu dalam baja dan sistem paduan lainnya, yang ditandai dengan transformasi satu fase induk menjadi dua fase anak yang berbeda saat pendinginan. Dalam metalurgi baja, transformasi eutectoid melibatkan austenit (γ-Fe, struktur kubik berpusat muka) yang berubah menjadi campuran ferit (α-Fe, kubik berpusat badan) dan semenit (Fe₃C, karbida besi) pada suhu yang tepat yang dikenal sebagai suhu eutectoid, sekitar 727°C untuk baja karbon biasa.

Di tingkat atom, transformasi ini diatur oleh pengaturan ulang atom karbon dalam kisi besi. Saat austenit mendingin di bawah suhu eutectoid, fase-fase yang secara termodinamika diuntungkan mengendap, menghasilkan mikrostruktur yang terdiri dari lamela atau pelat ferit dan semenit yang bergantian. Perubahan mikrostruktural ini didorong oleh minimisasi energi bebas, menyeimbangkan perbedaan energi bebas kimia antara fase dan energi antarmuka yang terkait dengan batas fase.

Signifikansi mikrostruktur eutectoid dalam baja terletak pada pengaruhnya yang mendalam terhadap sifat mekanik seperti kekuatan, kekerasan, ketangguhan, dan ketangguhan. Memahami dan mengendalikan transformasi eutectoid adalah hal mendasar dalam merancang baja dengan sifat yang disesuaikan untuk berbagai aplikasi industri, termasuk komponen struktural, alat, dan suku cadang otomotif.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Mikrostruktur eutectoid terutama melibatkan transformasi austenit, yang memiliki sistem kristal kubik berpusat muka (FCC), menjadi campuran ferit dan semenit. Ferit mengadopsi struktur kubik berpusat badan (BCC) dengan parameter kisi sekitar 2.866 Å pada suhu kamar, sedangkan semenit (Fe₃C) menunjukkan struktur kristal ortorhombik dengan parameter kisi yang kompleks.

Transformasi terjadi melalui mekanisme geser kooperatif, di mana austenit FCC terurai menjadi lamela ferit BCC dan semenit ortorhombik. Hubungan orientasi antara austenit induk dan fase anak mengikuti hubungan orientasi terkenal Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, yang menggambarkan penyelarasan kristalografi tertentu yang meminimalkan energi antarmuka selama transformasi.

Dari sudut pandang kristalografi, struktur lamelar menunjukkan lapisan bergantian ferit dan semenit, dengan antarmuka sering kali sejajar dengan bidang kristalografi tertentu, seperti {111} dalam FCC dan {110} dalam BCC, memfasilitasi antarmuka koheren atau semi-koheren yang mempengaruhi perilaku mekanik.

Ciri Morfologis

Mikrostruktur eutectoid muncul sebagai campuran lamelar halus ferit dan semenit, yang biasa disebut pearlite. Ukuran, jarak, dan distribusi lamela ini adalah parameter kritis yang mempengaruhi sifat. Biasanya, jarak lamelar berkisar antara 0.1 hingga 2 mikrometer, tergantung pada laju pendinginan dan komposisi paduan.

Dalam tiga dimensi, pearlite muncul sebagai jaringan pelat atau batang yang bergantian, sering kali disusun dalam cara berlapis atau globular. Di bawah mikroskop optik, pearlite menunjukkan penampilan bergaris gelap dan terang yang khas, dengan lamela semenit tampak lebih gelap karena densitasnya yang lebih tinggi dan sifat optik yang berbeda.

Morfologi dapat bervariasi dari kasar hingga halus, dengan pearlite halus yang dihasilkan dari pendinginan cepat, yang meningkatkan kekuatan dan kekerasan, sementara pearlite kasar menawarkan ketangguhan yang lebih baik. Bentuk semenit dalam lamela umumnya lamelar tetapi juga dapat membentuk partikel spheroidized di bawah perlakuan panas tertentu.

Sifat Fisik

Mikrostruktur eutectoid secara signifikan mempengaruhi sifat fisik baja. Densitas pearlite sekitar 7.85 g/cm³, mirip dengan besi murni, tetapi keberadaan semenit meningkatkan densitas lokal dan kekerasan.

Konditivitas listrik dalam baja pearlitik relatif rendah dibandingkan dengan besi murni karena keberadaan semenit, yang merupakan semikonduktor. Sifat magnetik juga terpengaruh; pearlite menunjukkan ferromagnetisme mirip dengan ferit, tetapi fase semenit bersifat magnetik lemah atau paramagnetik.

Dari segi termal, pearlite memiliki konduktivitas termal sedang, sekitar 50-60 W/m·K, lebih rendah dari besi murni, karena penyebaran fonon di batas fase. Morfologi mikrostruktur dan distribusi fase mempengaruhi sifat-sifat ini, dengan pearlite yang lebih halus umumnya menghasilkan kekuatan yang lebih tinggi tetapi mengurangi ketangguhan.

Jika dibandingkan dengan konstituen mikrostruktural lainnya seperti martensit atau bainit, pearlite menunjukkan keseimbangan antara kekuatan dan ketangguhan, menjadikannya cocok untuk aplikasi yang memerlukan kekerasan dan ketangguhan sedang.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan mikrostruktur eutectoid diatur oleh prinsip keseimbangan fase yang dijelaskan dalam diagram fase Fe–C. Pada suhu eutectoid (~727°C), austenit menjadi tidak stabil secara termodinamika relatif terhadap campuran ferit dan semenit, yang berada pada keadaan energi bebas yang lebih rendah.

Perbedaan energi bebas antara austenit dan campuran ferit dan semenit mendorong transformasi. Diagram fase menunjukkan bahwa pada titik eutectoid, komposisi austenit adalah sekitar 0.76 wt% karbon, dan transformasi menghasilkan mikrostruktur dengan rasio tertentu antara ferit dan semenit, tergantung pada komposisi austenit awal.

Transformasi meminimalkan total energi bebas dengan mengurangi potensi kimia karbon dan menstabilkan fase baru, dengan batas fase bergerak seiring dengan berjalannya transformasi. Perubahan energi bebas Gibbs (ΔG) untuk reaksi ini negatif di bawah suhu eutectoid, mendukung pembentukan pearlite.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan pearlite melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan. Nukleasi terjadi di batas butir, dislokasi, atau antarmuka fase yang ada, di mana hambatan energi lokal lebih rendah. Setelah inti terbentuk, mereka tumbuh melalui mekanisme yang dikendalikan oleh difusi, dengan atom karbon bermigrasi dari austenit yang terlarut berlebih ke dalam lamela ferit dan semenit yang sedang tumbuh.

Kecepatan pembentukan pearlite tergantung pada suhu, dengan suhu yang lebih tinggi dekat titik eutectoid mendukung transformasi yang lebih cepat karena peningkatan mobilitas atom. Laju pendinginan memainkan peran penting; pendinginan cepat menghasilkan pearlite yang lebih halus dengan lamela yang lebih kecil, sementara pendinginan lambat memungkinkan struktur yang lebih kasar.

Energi aktivasi untuk pembentukan pearlite biasanya berada dalam kisaran 100-200 kJ/mol, mencerminkan hambatan energi untuk difusi atom. Laju transformasi mengikuti perilaku tipe Arrhenius, dengan laju yang meningkat secara eksponensial dengan suhu dalam rentang transformasi.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti mangan, silikon, dan krom mempengaruhi pembentukan pearlite dengan mengubah stabilitas fase dan laju difusi. Misalnya, silikon memperlambat pembentukan semenit, mempromosikan mikrostruktur yang lebih feritik, sementara mangan mempercepat transformasi pearlite.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, ukuran butir austenit awal, dan mikrostruktur sebelumnya secara signifikan mempengaruhi morfologi pearlite. Austenit yang berbutir halus mempromosikan pearlite yang lebih halus, meningkatkan kekuatan, sedangkan butir kasar cenderung menghasilkan pearlite yang lebih kasar dengan ketangguhan yang lebih baik.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir austenit sebelumnya dan keberadaan inklusi, juga mempengaruhi lokasi nukleasi dan kinetika transformasi, sehingga mempengaruhi mikrostruktur akhir.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Kinetika transformasi pembentukan pearlite dapat dijelaskan dengan persamaan Johnson–Mehl–Avrami (JMA):

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

di mana:

• ( X(t) ) adalah fraksi yang tertransformasi pada waktu ( t ),
• ( k ) adalah konstanta laju, tergantung pada