Pita Ferrite-Pearlite dalam Mikrostruktur Baja: Pembentukan dan Dampaknya

Definisi dan Konsep Dasar

Pembentukan ferrite-pearlite adalah fenomena mikrostruktur yang diamati pada beberapa baja, ditandai dengan segregasi periodik fase ferrite dan pearlite ke dalam daerah yang memanjang, mirip pita. Fitur mikrostruktur ini muncul sebagai lamela atau pita bergantian dari ferrite yang lunak dan ulet serta pearlite yang lebih keras dan rapuh, sejajar dengan orientasi kristalografi tertentu.

Di tingkat atom, ferrite adalah fase kubik berpusat badan (BCC) yang sebagian besar terdiri dari besi dengan sejumlah kecil karbon yang terlarut secara interstisial, sedangkan pearlite adalah campuran lamelar dari fase ferrite dan semenit (Fe₃C) yang disusun dalam struktur berlapis. Pembentukan pita ini dihasilkan dari proses termodinamika dan kinetika selama pembekuan, pendinginan, dan perlakuan panas selanjutnya, yang mengarah pada heterogenitas komposisi dan struktur.

Dalam metalurgi baja, pembentukan ferrite-pearlite sangat signifikan karena mempengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan, ulet, ketangguhan, dan anisotropi. Mengenali dan mengendalikan mikrostruktur ini sangat penting untuk mengoptimalkan kinerja baja, terutama dalam aplikasi yang memerlukan sifat yang seragam dan keandalan tinggi.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Ferrite, komponen utama dari pita, mengadopsi struktur kristal BCC dengan parameter kisi sekitar 2.866 Å pada suhu kamar. Susunan atomnya menampilkan atom besi yang terletak di sudut dan pusat badan sel unit kubik, memberikan ulet yang tinggi dan kekerasan yang rendah.

Pearlite terdiri dari lamela bergantian dari ferrite dan semenit, dengan lapisan ferrite mempertahankan struktur BCC yang mirip dengan ferrite murni, sementara semenit (Fe₃C) memiliki struktur kristal ortorhombik. Jarak lamelar biasanya berkisar antara 0.1 hingga 1 μm, tergantung pada laju pendinginan dan komposisi paduan.

Hubungan orientasi kristalografi antara ferrite dan semenit dalam pearlite mengikuti hubungan Widmanstätten atau Isaacs, yang mempengaruhi perilaku mekanik dan stabilitas mikrostruktur. Pita sering kali sejajar dengan arah kristalografi tertentu, seperti <100> atau <110>, tergantung pada kondisi pemrosesan.

Fitur Morfologis

Pembentukan ferrite-pearlite muncul sebagai daerah planar yang memanjang dalam mikrostruktur baja, sering terlihat di bawah mikroskop optik dan elektron. Pita biasanya memiliki lebar beberapa mikrometer dan dapat membentang hingga ratusan mikrometer atau milimeter, membentuk lapisan kontinu atau semi-kontinu.

Morfologi bervariasi dari struktur lamelar halus hingga daerah berpita kasar, dipengaruhi oleh laju pendinginan dan elemen paduan. Bentuknya umumnya planar dan sejajar dengan arah penggulungan atau penempaan, menghasilkan sifat anisotropik.

Di bawah mikroskop optik, pita muncul sebagai daerah terang dan gelap yang bergantian, dengan daerah ferrite yang lebih lunak dan lebih transparan, sementara daerah pearlite menunjukkan kontras lamelar yang khas. Mikroskop elektron mengungkapkan lamela berlapis dengan kejernihan tinggi, memungkinkan analisis rinci distribusi fase.

Sifat Fisik

Daerah ferrite ditandai dengan kekerasan rendah (~100 HV), ulet tinggi, dan kekuatan rendah, dengan konduktivitas listrik dan termal yang tinggi. Pearlite, di sisi lain, menunjukkan kekerasan yang lebih tinggi (~200-300 HV), kekuatan yang meningkat, dan ulet yang berkurang.

Kepadatan ferrite (~7.87 g/cm³) sedikit lebih rendah daripada semenit (~7.6 g/cm³), tetapi secara keseluruhan, mikrostruktur berpita tidak secara signifikan mengubah kepadatan bulk. Sifat magnetik juga terpengaruh; ferrite bersifat feromagnetik, sementara semenit bersifat paramagnetik atau feromagnetik lemah, yang mengarah pada anisotropi magnetik pada baja berpita.

Dari segi termal, konduktivitas termal ferrite yang tinggi memfasilitasi disipasi panas, sedangkan struktur berlapis pearlite dapat sedikit menghambat aliran panas. Perbedaan dalam sifat fisik antara fase berkontribusi pada perilaku mekanik dan fungsional keseluruhan baja.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamik

Pembentukan pembentukan ferrite-pearlite diatur oleh keseimbangan fase yang dijelaskan dalam diagram fase besi-karbon. Selama pendinginan dari austenite, mikrostruktur berkembang menuju fase keseimbangan—ferrite dan semenit—tergantung pada suhu dan komposisi.

Perbedaan energi bebas antara fase menentukan stabilitasnya. Pada suhu tertentu, energi bebas fase ferrite dan semenit menjadi sebanding, mendukung keberadaan mereka dalam susunan berlapis. Kecenderungan untuk pembentukan pita meningkat ketika segregasi komposisi terjadi selama pembekuan atau deformasi, yang mengarah pada pengayaan atau pengurangan karbon secara lokal.

Diagram fase menunjukkan bahwa pada suhu di bawah titik eutektik (~727°C), austenite berubah menjadi pearlite melalui reaksi eutektik, yang dapat terjadi secara tidak merata, menghasilkan struktur berpita. Gaya pendorong termodinamik untuk transformasi ini adalah pengurangan energi bebas keseluruhan dengan membentuk lapisan ferrite dan semenit yang stabil.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan pita melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan yang dikendalikan oleh difusi, mobilitas antarmuka, dan suhu. Selama pendinginan lambat, karbon difus keluar dari austenite, mengendapkan semenit di daerah tertentu, yang mengarah pada struktur berlapis.

Nukleasi semenit terjadi secara preferensial di batas butir, dislokasi, atau antarmuka fase yang ada, dengan laju pertumbuhan tergantung pada suhu dan koefisien difusi. Jarak lamelar dalam pearlite diatur oleh keseimbangan antara energi antarmuka dan kinetika difusi, sering dijelaskan oleh model pertumbuhan pearlite klasik.

Langkah pengendali laju biasanya adalah difusi karbon dalam matriks ferrite, dengan energi aktivasi sekitar 100-150 kJ/mol. Laju pendinginan yang lebih cepat menekan difusi, menghasilkan pearlite yang lebih halus atau bainite, sementara pendinginan lambat mendorong pembentukan pita yang lebih kasar.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti mangan, silikon, dan krom mempengaruhi pembentukan pita dengan mengubah stabilitas fase dan laju difusi. Misalnya, mangan menstabilkan austenite, menunda pembentukan pearlite dan mendorong pembentukan pita.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, deformasi, dan arah penggulungan secara signifikan mempengaruhi perkembangan pembentukan pita. Pendinginan lambat atau perlakuan panas yang berkepanjangan mendukung pembentukan pita yang jelas, sementara pendinginan cepat meminimalkan segregasi.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir austenite sebelumnya dan sejarah deformasi, juga mempengaruhi lokasi nukleasi dan jalur pertumbuhan ferrite dan pearlite, mempengaruhi sejauh mana dan morfologi pembentukan pita.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Pertumbuhan lamela pearlite dapat dijelaskan oleh model yang dikendalikan oleh difusi klasik, seperti persamaan Jackson-Hunt:

$$\lambda = \left( \frac{2 \pi D \Delta C}{\Delta G} \right)^{1/2} $$

di mana:

• ( \lambda ) adalah jarak lamelar (μm),
• $D$ adalah koefisien difusi karbon dalam ferrite (cm²/s),
• ( \Delta C ) adalah perbedaan konsentrasi karbon di seluruh antarmuka,
• ( \Delta G ) adalah perbedaan energi bebas yang mendorong transformasi.

Persamaan ini menghubungkan jarak lamelar dengan parameter difusi dan gaya pendorong termodinamik, memprediksi struktur yang lebih halus pada laju difusi yang lebih tinggi atau perbedaan energi bebas yang lebih rendah.

Fraksi volume fase dapat diperkirakan menggunakan perhitungan aturan tuas berdasarkan diagram fase:

$$f_{pearlite} = \frac{C_{austenite} - C_{ferrite}}{C_{cementite} - C_{ferrite}} $$