Mikrostruktur Berbasis Pusat Wajah dalam Baja: Pembentukan, Ciri-ciri & Dampak

Definisi dan Konsep Dasar

Istilah "Face Centered" dalam metalurgi baja dan analisis mikrostruktur merujuk pada pengaturan kristalografi tertentu yang menjadi ciri khas dari fase atau fitur mikrostruktur tertentu dalam baja. Ini menggambarkan konfigurasi kisi di mana atom-atom terletak di setiap sudut sel unit kristal dan juga di pusat setiap wajah kubus, menghasilkan struktur kubik berpusat wajah (FCC).

Di tingkat atom, pengaturan berpusat wajah melibatkan atom yang menempati semua delapan sudut sel unit kubik, dengan atom tambahan yang terletak di pusat setiap enam wajah. Konfigurasi ini menghasilkan struktur yang sangat simetris dan padat, yang mempengaruhi sifat mekanik, termal, dan magnetik material.

Dalam metalurgi baja, mikrostruktur berpusat wajah signifikan karena mendasari fase-fase seperti austenit (γ-Fe), yang merupakan fase FCC yang stabil pada suhu tinggi. Kepadatan pengemasan dan simetri tinggi dari struktur FCC memfasilitasi mekanisme deformasi tertentu, transformasi fase, dan perilaku paduan. Memahami pengaturan berpusat wajah adalah dasar untuk mengendalikan sifat baja melalui pemrosesan termomekanik, kontrol fase, dan desain paduan.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Struktur berpusat wajah termasuk dalam sistem kristal kubik, khususnya kisi kubik berpusat wajah (FCC). Dalam konfigurasi ini, setiap sel unit mengandung atom di:

• Delapan sudut, masing-masing dibagi di antara delapan sel tetangga, menyumbang 1/8 atom per sudut.
• Pusat setiap enam wajah, masing-masing dibagi antara dua sel yang berdekatan, menyumbang 1/2 atom per wajah.

Jumlah total atom per sel unit FCC dihitung sebagai:

$$\text{Atoms per unit cell} = 8 \times \frac{1}{8} + 6 \times \frac{1}{2} = 1 + 3 = 4 $$

Parameter kisi (a) (panjang sisi kubus) bervariasi tergantung pada fase spesifik dan elemen paduan tetapi biasanya berkisar sekitar 0,36 nm untuk besi murni dalam fase austenitik.

Struktur FCC menunjukkan simetri tinggi dengan sumbu rotasi empat kali lipat dan sistem slip yang banyak—khususnya, bidang slip {111} dengan arah slip <110>—membuatnya sangat ulet dan mampu mengalami deformasi plastis yang luas.

Fase austenit dalam baja adalah contoh klasik dari struktur FCC, dengan parameter kisi yang bergantung pada elemen paduan seperti nikel, mangan, dan karbon. Kisi FCC memfasilitasi difusi cepat dan transformasi fase, yang penting dalam proses perlakuan panas.

Fitur Morfologis

Secara mikrostruktur, fase berpusat wajah seperti austenit muncul sebagai butir equiaxed dengan batas yang halus dan membulat di bawah mikroskop optik. Ukuran butir dapat berkisar dari beberapa mikrometer hingga beberapa ratus mikrometer, tergantung pada kondisi pemrosesan.

Dalam persiapan metalografi, fase FCC menunjukkan kontras terang dan seragam dalam mikroskopi optik karena kepadatan pengemasan atom yang tinggi dan perilaku hamburan elektron yang spesifik. Di bawah mikroskop elektron pemindaian (SEM), butir-butir ini muncul sebagai daerah halus tanpa fitur kecuali jika diukir atau dikontraskan untuk mengungkap batas.

Bentuk butir berpusat wajah umumnya equiaxed, tetapi selama deformasi atau transformasi fase, mereka dapat memanjang atau mengembangkan tekstur tertentu yang selaras dengan sistem slip atau stres eksternal.

Sifat Fisik

Mikrostruktur berpusat wajah memberikan beberapa sifat fisik yang mencolok:

• Kepadatan: Fase FCC seperti austenit memiliki efisiensi pengemasan tinggi (~74%), yang mengarah pada kepadatan relatif tinggi dibandingkan dengan struktur yang kurang padat seperti kubik berpusat tubuh (BCC). Untuk besi murni, kepadatan sekitar 7,87 g/cm³.

• Konduktivitas Listrik: Struktur FCC cenderung memiliki konduktivitas listrik yang lebih tinggi dibandingkan fase BCC karena kisi yang lebih simetris dan padat, memfasilitasi mobilitas elektron.

• Sifat Magnetik: Austenit (FCC) umumnya paramagnetik pada suhu kamar, berbeda dengan ferrit BCC, yang feromagnetik. Simetri struktur FCC mempengaruhi perilaku domain magnetik.

• Konduktivitas Termal: Fase FCC menunjukkan konduktivitas termal yang relatif tinggi karena kepadatan pengemasan atom yang padat dan propagasi fonon yang efisien.

Jika dibandingkan dengan konstituen mikrostruktur lainnya seperti ferrit (BCC) atau martensit (tetragonal berpusat tubuh), fase berpusat wajah seperti austenit lebih ulet, kurang keras, dan lebih mampu mengalami deformasi plastis.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan fase berpusat wajah dalam baja, terutama austenit, diatur oleh prinsip termodinamika yang melibatkan stabilitas fase dan minimisasi energi bebas. Perbedaan energi bebas Gibbs antara fase menentukan fase mana yang secara termodinamika lebih disukai pada suhu dan komposisi tertentu.

Diagram fase paduan besi-karbon menggambarkan daerah stabilitas austenit FCC. Pada suhu tinggi (di atas sekitar 912°C untuk besi murni), energi bebas austenit menjadi lebih rendah daripada ferrit atau semenit, yang mendukung pembentukan struktur FCC. Elemen paduan seperti nikel dan mangan menstabilkan austenit pada suhu yang lebih rendah, memperluas daerah stabilitas.

Equilibrium fase melibatkan keberadaan austenit FCC dengan fase lain seperti ferrit (BCC) atau semenit (Fe₃C). Gaya pendorong termodinamika untuk pembentukan austenit adalah pengurangan energi bebas yang terkait dengan pengaturan atom yang meminimalkan regangan kisi dan energi antarmuka.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi fase berpusat wajah selama pendinginan atau perlakuan panas melibatkan pengatasan penghalang energi yang terkait dengan penciptaan antarmuka fase baru. Laju nukleasi tergantung pada suhu, komposisi paduan, dan mikrostruktur yang ada.

Pertumbuhan fase FCC terjadi melalui difusi atom, terutama karbon dan elemen paduan, sepanjang sistem slip tertentu dan batas butir. Laju pertumbuhan dikendalikan oleh kinetika difusi, yang bergantung pada suhu, mengikuti perilaku Arrhenius:

$$D = D_0 \exp \left( -\frac{Q}{RT} \right) $$

di mana:

• $D$ adalah koefisien difusi,
• $D_0$ adalah faktor pre-exponential,
• $Q$ adalah energi aktivasi,
• $R$ adalah konstanta gas,
• $T$ adalah suhu absolut.

Diagram waktu-suhu-transformasi (TTT) dan transformasi pendinginan kontinu (CCT) adalah alat penting untuk memprediksi kinetika pembentukan fase FCC selama pemrosesan baja.

Faktor yang Mempengaruhi

Pembentukan fase berpusat wajah dipengaruhi oleh:

• Elemen Paduan: Nikel, mangan, dan karbon menstabilkan austenit, mendorong pembentukan fase FCC pada suhu yang lebih rendah atau laju pendinginan yang lebih cepat.

• Parameter Pemrosesan: Suhu pemanasan yang lebih tinggi dan laju pendinginan yang lebih lambat mendukung pembentukan dan pertumbuhan fase FCC. Pendinginan cepat menekan pembentukan fase FCC, yang mengarah pada martensit atau mikrostruktur lainnya.

• Mikrostruktur Sebelumnya: Mikrostruktur yang ada, seperti ukuran butir dan kepadatan dislokasi, mempengaruhi lokasi nukleasi dan kinetika