Mikrostruktur Baja Ferritik: Pembentukan, Karakteristik & Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Ferritik mengacu pada fase mikrostruktur dalam baja yang ditandai terutama oleh struktur kristal kubik berpusat badan (BCC) dari besi. Fase ini distabilkan oleh elemen paduan tertentu dan perlakuan termal, menghasilkan mikrostruktur yang menunjukkan sifat magnetik dan perilaku mekanik yang berbeda. Pada tingkat atom, mikrostruktur ferritik terdiri dari susunan kisi di mana setiap atom besi dikelilingi oleh delapan tetangga terdekat dalam konfigurasi kubik, membentuk sistem kristal BCC.

Dalam metalurgi baja, istilah "ferritik" menandakan fase yang sepenuhnya ferritik atau mengandung fraksi volume ferrit yang signifikan. Ini sangat penting dalam mendefinisikan sifat baja, seperti duktilitas, perilaku magnetik, dan ketahanan korosi. Memahami mikrostruktur ferritik sangat penting untuk merancang baja dengan sifat yang disesuaikan untuk aplikasi yang berkisar dari komponen struktural hingga bagian otomotif.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Mikrostruktur ferritik didasarkan pada kisi kristal kubik berpusat badan (BCC) dari besi. Struktur BCC memiliki parameter kisi sekitar 2,86 Å pada suhu kamar, meskipun ini dapat bervariasi sedikit tergantung pada elemen paduan. Dalam besi murni, fase BCC stabil di bawah 912°C, yang dikenal sebagai α-besi atau ferrit.

Susunan atom dalam ferrit melibatkan atom besi yang terletak di sudut kubus dengan satu atom di pusat, menciptakan struktur yang sangat simetris. Susunan ini menghasilkan bidang dan arah kristalografi tertentu, terutama bidang {110}, {112}, dan {111}, yang mempengaruhi sistem slip dan perilaku deformasi.

Dari sudut pandang kristalografi, ferrit sering menunjukkan hubungan orientasi yang kuat dengan austenit induk (kubik berpusat muka, FCC) selama transformasi, mengikuti hubungan orientasi Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann. Hubungan ini mengatur nukleasi dan pertumbuhan ferrit selama pendinginan atau perlakuan panas.

Ciri Morfologis

Mikrostruktur ferritik biasanya muncul sebagai butiran poligonal yang ekuiaxed dengan ukuran berkisar dari beberapa mikrometer hingga beberapa puluh mikrometer, tergantung pada kondisi pemrosesan. Ukuran butir adalah parameter kritis yang mempengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan dan ketangguhan.

Dalam mikrograf, ferrit muncul sebagai daerah terang atau gelap tergantung pada teknik pencitraan yang digunakan (misalnya, mikroskopi optik, SEM). Butiran umumnya seragam dalam bentuk tetapi dapat menunjukkan morfologi memanjang atau pelat memanjang dalam kondisi pemrosesan tertentu, seperti selama pendinginan terus menerus atau deformasi.

Ferrit juga dapat terbentuk sebagai film tipis atau lamela di sepanjang batas butir atau dalam mikrostruktur, terutama dalam baja dengan elemen paduan tertentu atau riwayat termal. Morfologi ini mempengaruhi sifat seperti duktilitas dan ketahanan korosi.

Sifat Fisik

Baja ferritik ditandai oleh permeabilitas magnetik yang tinggi karena struktur BCC, yang memungkinkan pergerakan dinding domain yang mudah. Mereka biasanya memiliki densitas sekitar 7,85 g/cm³, mirip dengan besi murni, tetapi dapat bervariasi sedikit dengan tambahan paduan.

Resistivitas listrik dalam baja ferritik relatif tinggi dibandingkan dengan fase lainnya, karena kisi BCC dan kandungan kotoran. Konduktivitas termal sedang, memfasilitasi transfer panas dalam aplikasi struktural.

Secara magnetik, baja ferritik bersifat feromagnetik pada suhu kamar, menjadikannya cocok untuk aplikasi magnetik seperti transformator dan motor. Saturasi magnetik mereka lebih rendah dibandingkan dengan baja austenitik, tetapi permeabilitas mereka lebih tinggi.

Jika dibandingkan dengan mikrostruktur lain seperti martensit atau pearlit, ferrit menunjukkan kekerasan dan kekuatan yang lebih rendah tetapi duktilitas dan kemampuan bentuk yang lebih tinggi. Modulus elastisnya sekitar 210 GPa, mirip dengan fase berbasis besi lainnya.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan ferrit dalam baja diatur oleh stabilitas termodinamika yang ditentukan oleh suhu, komposisi, dan keseimbangan fase. Diagram fase Fe–C menunjukkan bahwa di bawah suhu kritis (~912°C untuk besi murni), ferrit adalah fase yang stabil, sedangkan di atas suhu ini, austenit (γ-besi) stabil.

Elemen paduan seperti kromium, molibdenum, dan vanadium mempengaruhi stabilitas fase dengan mengubah lanskap energi bebas. Misalnya, kromium menstabilkan ferrit pada suhu yang lebih tinggi, menghasilkan baja stainless ferritik.

Perbedaan energi bebas antara ferrit dan fase lainnya menentukan gaya pendorong untuk transformasi. Perubahan energi bebas Gibbs (ΔG) untuk pembentukan ferrit negatif di bawah suhu kritis, mendukung nukleasi dan pertumbuhan.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi ferrit selama pendinginan melibatkan pengatasan penghalang energi yang terkait dengan penciptaan batas butir baru. Laju nukleasi dipengaruhi oleh suhu, derajat pendinginan, dan keberadaan situs nukleasi seperti inklusi atau batas butir.

Pertumbuhan butir ferrit berlangsung melalui difusi atom elemen paduan dan atom besi. Laju pertumbuhan dikendalikan oleh kinetika difusi, yang bergantung pada suhu, mengikuti perilaku tipe Arrhenius:

$$G = G_0 \exp \left( - \frac{Q}{RT} \right) $$

di mana $G$ adalah laju pertumbuhan, $G_0$ adalah faktor pre-ekspresional, $Q$ adalah energi aktivasi, $R$ adalah konstanta gas, dan $T$ adalah suhu dalam Kelvin.

Kinetika transformasi keseluruhan dapat dijelaskan oleh persamaan Johnson–Mehl–Avrami, yang menghubungkan fraksi yang tertransformasi dengan waktu dan suhu:

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

di mana ( X(t) ) adalah fraksi yang tertransformasi, ( k ) adalah konstanta laju, dan ( n ) adalah eksponen Avrami yang terkait dengan mekanisme nukleasi dan pertumbuhan.

Faktor yang Mempengaruhi

Pembentukan ferrit dipengaruhi oleh komposisi paduan, terutama kandungan karbon dan keberadaan elemen stabilisasi seperti Cr, Mo, dan Nb. Baja karbon rendah (kurang dari 0,02 wt%) lebih mendukung mikrostruktur ferritik sepenuhnya.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan sangat mempengaruhi pembentukan ferrit. Pendinginan lambat mendorong pembentukan ferrit keseimbangan, sementara pendinginan cepat dapat menekannya, menghasilkan mikrostruktur martensitik atau bainitik.

Mikrostruktur sebelumnya, seperti ukuran butir austenit, mempengaruhi situs nukleasi dan jalur transformasi. Butir austenit yang halus cenderung menghasilkan butir ferrit yang lebih halus, meningkatkan kekuatan.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Transformasi fase dari austenit ke ferrit dapat dimodelkan menggunakan teori nukleasi klasik, di mana laju nukleasi $I$ dinyatakan sebagai:

$$I = I_0 \exp \left( - \frac{\Delta G^*}{k_B T} \right) $$

di mana $I_0$ adalah faktor pre yang terkait dengan frekuensi getaran atom, ( \Delta G^* ) adalah penghalang energi bebas kritis untuk nukleasi, $k_B$ adalah konstanta Boltzmann, dan $T$ adalah suhu.

Energi bebas kritis ( \Delta G^* ) bergantung pada energi antarmuka ( \sigma ), perubahan energi bebas volume ( \Delta G_v ), dan jari-jari nukleus ( r ):

$$\Delta G^* = \frac{16 \pi \sigma^3}{3 (\Delta G_v)^2} $$

Laju pertumbuhan ( G ) butir ferrit sering dimodelkan oleh kinetika yang dikendalikan oleh difusi:

$$G = D \frac{\Delta C}{l} $$

di mana $D$ adalah koefisien difusi, ( \Delta C ) adalah gradien konsentrasi, dan ( l ) adalah panjang difusi.

Model Pred