Ferrit dalam Mikrostuktur Baja: Pembentukan, Properti & Peran

Definisi dan Konsep Dasar

Ferrit adalah fase mikrostruktur berbasis besi dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) yang muncul dalam paduan baja dan besi cor. Fase ini ditandai oleh sifat yang relatif lunak, ulet, dan rendah karbon yang terbentuk selama pendinginan dari fase suhu tinggi. Pada tingkat atom, ferrit terdiri dari kisi kristal di mana atom besi menempati situs kisi tertentu yang diatur dalam struktur BCC, dengan atom karbon interstitial yang hadir dalam kelarutan terbatas.

Secara fundamental, ferrit adalah fase yang dihasilkan dari transformasi austenit (γ-Fe) dalam keadaan keseimbangan atau tidak seimbang selama pendinginan. Pembentukannya diatur oleh kondisi stabilitas termodinamika yang ditentukan oleh diagram fase, khususnya diagram fase besi-karbon, dan oleh faktor kinetik yang mempengaruhi nukleasi dan pertumbuhan. Dalam metalurgi baja, ferrit memainkan peran penting dalam mendefinisikan sifat mekanik seperti kelenturan, ketangguhan, dan kemampuan las, menjadikannya sebagai mikrostruktur dasar dalam baja karbon rendah hingga sedang.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Ferrit menunjukkan struktur kristal kubik berpusat badan (BCC), yang merupakan salah satu pengaturan atom yang paling sederhana dan simetris dalam padatan logam. Kisi BCC memiliki parameter kisi sekitar 2.866 Å pada suhu kamar, yang dapat bervariasi sedikit dengan elemen paduan dan suhu. Pengaturan atom melibatkan atom besi yang terletak di setiap sudut kubus dan satu atom di pusat kubus, menciptakan struktur yang sangat simetris.

Struktur BCC ferrit ditandai oleh sel satuan primitif dengan atom di sudut dan satu atom pusat, menghasilkan angka koordinasi 8. Fase ini hampir murni besi dengan kelarutan karbon yang terbatas (hingga sekitar 0.02 wt% pada suhu kamar), yang mempengaruhi parameter kisi dan perilaku mekaniknya. Fase ini dapat ada sebagai fase keseimbangan stabil pada suhu kamar dalam baja karbon rendah dan sebagai fase metastabil dalam kondisi perlakuan panas tertentu.

Dari segi kristalografi, ferrit dapat menunjukkan hubungan orientasi tertentu dengan fase induk seperti austenit, terutama hubungan orientasi Kurdjumov–Sachs dan Nishiyama–Wassermann. Hubungan ini menggambarkan bagaimana kisi kristal ferrit dan austenit sejajar selama transformasi, mempengaruhi morfologi dan sifat mikrostruktur.

Ciri Morfologis

Ferrit biasanya muncul sebagai mikrokonstituen yang lunak dan ulet dengan morfologi butir poligonal atau ekuiaxed yang khas. Ukuran butir dapat bervariasi secara luas, dari butir halus (~5 μm) dalam baja yang diproses secara termomekanis hingga butir kasar (>50 μm) dalam baja yang dinyatakan atau didinginkan perlahan.

Dalam gambar mikrostruktur, ferrit muncul sebagai daerah terang atau gelap tergantung pada mode pencitraan, sering membentuk jaringan kontinu atau tidak kontinu dalam matriks baja. Bentuknya dapat berkisar dari butir ekuiaxed hingga bentuk memanjang atau poligonal, terutama ketika dipengaruhi oleh deformasi atau perlakuan panas. Distribusi ferrit dapat homogen atau tidak homogen, dengan fitur seperti batas butir, koloni ferrit-perlit, atau antarmuka ferrit-bainit.

Sifat Fisik

Ferrit ditandai oleh kekerasan rendah dan kelenturan tinggi, menjadikannya fase yang diinginkan untuk operasi pembentukan dan pemesinan. Kerapatannya sekitar 7.87 g/cm³, mirip dengan besi murni, dengan variasi minimal karena elemen paduan.

Dari segi magnetik, ferrit bersifat ferromagnetik pada suhu kamar, menunjukkan permeabilitas magnetik tinggi dan koersivitas rendah. Sifat ini dimanfaatkan dalam aplikasi magnetik dan mempengaruhi perilaku magnetik baja. Konduktivitas termal ferrit sedang (~50 W/m·K), memfasilitasi transfer panas selama pemrosesan.

Jika dibandingkan dengan konstituen mikrostruktur lainnya seperti semenit atau martensit, ferrit memiliki kekerasan yang lebih rendah (~150 HV) dan kekuatan luluh tetapi memiliki kelenturan dan ketangguhan yang lebih baik. Konduktivitas listriknya relatif tinggi, berkat sifat metaliknya, dan menunjukkan tegangan sisa yang rendah ketika diproses dengan benar.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan ferrit dalam baja diatur oleh prinsip-prinsip termodinamika yang mendukung fase dengan energi bebas Gibbs terendah di bawah kondisi suhu dan komposisi tertentu. Diagram fase Fe–C menunjukkan bahwa di bawah suhu A₁ (~727°C), ferrit adalah fase stabil untuk komposisi karbon rendah.

Perbedaan energi bebas antara austenit dan ferrit mendorong transformasi selama pendinginan. Pada suhu tinggi, austenit (γ-Fe) stabil, tetapi saat suhu menurun, energi bebas ferrit menjadi lebih rendah, mendorong nukleasi dan pertumbuhan. Aturan tuas diagram fase dan batas fase mendefinisikan kondisi keseimbangan untuk pembentukan ferrit.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi ferrit terjadi secara heterogen di batas butir, dislokasi, atau inklusi, di mana penghalang energi berkurang. Pertumbuhan berlangsung melalui difusi atom besi ke situs nukleasi, dengan laju yang dikendalikan oleh kinetika difusi dan suhu.

Kinetika dijelaskan oleh teori nukleasi klasik dan model pertumbuhan, di mana laju transformasi tergantung pada suhu, komposisi paduan, dan mikrostruktur sebelumnya. Persamaan Johnson–Mehl–Avrami sering digunakan untuk memodelkan kinetika transformasi, dengan laju transformasi meningkat seiring dengan suhu hingga titik tertentu sebelum menurun karena berkurangnya gaya pendorong.

Energi aktivasi untuk pembentukan ferrit biasanya berada dalam kisaran 100–200 kJ/mol, mencerminkan penghalang energi untuk difusi atom dan nukleasi. Pendinginan cepat menekan pembentukan ferrit, lebih memilih martensit atau bainit, sementara pendinginan lambat mendorong pembentukan ferrit dan perlit.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti mangan, silikon, dan aluminium mempengaruhi pembentukan ferrit dengan mengubah stabilitas fase dan laju difusi. Misalnya, mangan menstabilkan austenit, menunda pembentukan ferrit, sementara silikon menghambat presipitasi semenit, mendukung stabilitas ferrit.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, deformasi, dan mikrostruktur sebelumnya sangat mempengaruhi perkembangan ferrit. Pendinginan lambat dari daerah austenitik mendorong butir ferrit kasar, sementara pendinginan cepat menghasilkan mikrostruktur yang lebih halus dengan sedikit ferrit.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir austenit sebelumnya, mempengaruhi situs nukleasi dan perilaku pertumbuhan, mempengaruhi morfologi dan distribusi ferrit akhir.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Kinetika transformasi ferrit dapat dijelaskan oleh persamaan Johnson–Mehl–Avrami (JMA):

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

di mana:

• ( X(t) ) adalah fraksi ferrit yang terbentuk pada waktu ( t ),
• ( k ) adalah konstanta laju yang bergantung pada suhu,
• ( n ) adalah eksponen Avrami yang terkait dengan mekanisme nukleasi dan pertumbuhan.

Konstanta laju ( k ) mengikuti ketergantungan suhu tipe Arrhenius:

$$k = k_0 \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right) $$

di mana:

• $k_0$ adalah faktor pra-eksponensial,
• $Q$ adalah energi aktivasi,
• $R$ adalah konstanta gas universal,
• $T$ adalah suhu mutlak.

Persamaan ini memungkinkan prediksi pembentukan ferrit seiring waktu selama perlakuan panas, memfasilitasi optimasi proses.

Model Prediktif

Alat komputasi seperti pemodelan bidang fase, CALPHAD (Perhitungan Diagram Fase), dan simulasi elemen hingga digunakan untuk memprediksi evolusi mikrostruktur, termasuk nukleasi dan pertumbuhan ferrit.

Model bidang fase mensimulasikan perkembangan mikrostruktur dengan memecahkan persamaan termodinamika dan kinetika pada