Penggumpalan Butir dalam Mikrostruktur Baja: Efek pada Sifat & Pemrosesan

Definisi dan Konsep Dasar

Pembesaran butir mengacu pada fenomena mikrostruktur di mana ukuran rata-rata butir individu dalam baja polikristalin meningkat seiring waktu, terutama selama paparan suhu tinggi. Ini melibatkan pertumbuhan butir yang lebih besar dengan mengorbankan yang lebih kecil, yang mengarah pada mikrostruktur yang ditandai dengan lebih sedikit, tetapi butir yang lebih besar.

Di tingkat atom, pembesaran butir didorong oleh pengurangan total energi batas butir. Batas butir adalah daerah ketidakcocokan atom di mana kisi kristal dari butir yang berdekatan bertemu. Batas ini memiliki energi bebas yang lebih tinggi dibandingkan dengan bagian dalam butir. Untuk meminimalkan energi sistem secara keseluruhan, butir yang lebih kecil dengan area batas yang lebih tinggi cenderung menyusut, sementara butir yang lebih besar tumbuh, menghasilkan peningkatan ukuran rata-rata butir.

Proses ini sangat penting dalam metalurgi baja karena ukuran butir secara langsung mempengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan, ketangguhan, dan keuletan. Memahami pembesaran butir sangat penting untuk mengontrol mikrostruktur selama perlakuan panas dan memastikan karakteristik kinerja yang diinginkan dalam produk baja.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Mikrostruktur baja sebagian besar terdiri dari fase ferit kubik pusat badan (BCC) atau fase austenit kubik pusat wajah (FCC), tergantung pada suhu dan komposisi paduan. Batas butir adalah antarmuka di mana orientasi kristal berubah secara tiba-tiba, ditandai dengan sudut ketidakcocokan dan jenis batas tertentu (misalnya, batas sudut rendah vs. batas sudut tinggi).

Pengaturan atom dalam setiap butir mengikuti kisi kristal, dengan parameter kisi yang spesifik untuk fase tersebut. Untuk ferit BCC, parameter kisi adalah sekitar 2,87 Å, sementara austenit FCC memiliki parameter kisi sekitar 3,58 Å. Selama pembesaran butir, orientasi kristalografi dari butir tetangga berkembang, tetapi struktur kisi dasar tetap tidak berubah.

Hubungan orientasi kristalografi, seperti hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, sering mengatur transformasi antara fase dan mempengaruhi karakteristik batas butir. Batas butir dapat dikategorikan berdasarkan ketidakcocokan dan bidang batasnya, mempengaruhi mobilitas dan energinya.

Ciri Morfologis

Morfologis, butir yang membesar lebih besar, lebih ekuiaxial, dan sering menunjukkan batas yang lebih halus dibandingkan dengan butir yang lebih halus. Rentang ukuran bervariasi tergantung pada kondisi pemrosesan tetapi biasanya berkisar dari beberapa mikrometer hingga beberapa ratus mikrometer.

Dalam mikroskopi optik, butir yang lebih kasar muncul sebagai daerah yang lebih besar dan lebih seragam dengan batas yang jelas. Di bawah mikroskop elektron pemindaian (SEM), batas butir terlihat sebagai garis yang berbeda, dengan butir yang lebih besar menampilkan bentuk yang lebih bulat atau berpihak. Rekonstruksi mikrostruktur tiga dimensi mengungkapkan bahwa pertumbuhan butir cenderung isotropik, meskipun pertumbuhan anisotropik dapat terjadi akibat stres eksternal atau efek penjepitan batas.

Sifat Fisik

Pembesaran butir mempengaruhi beberapa sifat fisik:

• Kepadatan: Karena pengemasan atom dalam butir tetap tidak berubah, variasi kepadatan minimal. Namun, pengurangan area batas butir sedikit mengurangi kepadatan cacat terkait batas secara keseluruhan.
• Konduktivitas Listrik: Butir yang lebih besar cenderung memiliki lebih sedikit situs hambatan batas, sedikit meningkatkan konduktivitas listrik.
• Sifat Magnetik: Butir yang lebih kasar dapat mengubah pergerakan dinding domain magnetik, mempengaruhi permeabilitas magnetik dan koersivitas.
• Konduktivitas Termal: Butir yang lebih besar memfasilitasi propagasi fonon dengan lebih sedikit hambatan batas, sedikit meningkatkan konduktivitas termal.

Jika dibandingkan dengan mikrostruktur yang lebih halus, butir yang lebih kasar umumnya menunjukkan kekuatan yang lebih rendah tetapi keuletan dan ketangguhan yang lebih baik karena area batas butir yang berkurang bertindak sebagai situs inisiasi retakan.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembesaran butir didorong secara termodinamika oleh pengurangan total energi batas butir, yang sebanding dengan area batas. Sistem meminimalkan energi bebas dengan mengurangi total area batas, mendukung pertumbuhan butir yang lebih besar dengan mengorbankan yang lebih kecil.

Gaya pendorong untuk pertumbuhan butir dapat dinyatakan sebagai:

$$\Delta G = \gamma_{gb} \times \Delta A $$

di mana:
- ( \Delta G ) adalah perubahan energi bebas,
- ( \gamma_{gb} ) adalah energi batas butir per unit area,
- ( \Delta A ) adalah perubahan total area batas.

Diagram fase dan pertimbangan stabilitas fase mempengaruhi kemungkinan pertumbuhan butir, terutama dalam keberadaan fase sekunder atau elemen paduan yang dapat menjepit batas butir dan menghambat pembesaran.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembesaran butir mengikuti proses yang dikendalikan oleh difusi, di mana migrasi atom melintasi batas butir memfasilitasi pergerakan batas. Model klasik yang menggambarkan pertumbuhan butir adalah persamaan Hillert:

[ D^n - D_0^n = K t ]

di mana:
- $D$ adalah diameter rata-rata butir pada waktu ( t ),
- $D_0$ adalah ukuran butir awal,
- ( n ) adalah eksponen pertumbuhan butir (biasanya sekitar 2),
- $K$ adalah konstanta laju yang bergantung pada suhu, sering dinyatakan sebagai:

$$K = K_0 \exp \left( - \frac{Q}{RT} \right) $$

dengan:
- $K_0$ sebagai faktor pre-eksponensial,
- ( Q ) sebagai energi aktivasi untuk migrasi batas,
- ( R ) sebagai konstanta gas universal,
- ( T ) sebagai suhu mutlak.

Kecepatan pertumbuhan butir meningkat seiring dengan meningkatnya suhu dan waktu, tetapi dapat diperlambat atau dihentikan oleh penjepitan batas dari presipitat atau partikel fase kedua.

Faktor yang Mempengaruhi

Beberapa faktor mempengaruhi pembesaran butir:

• Komposisi Paduan: Elemen seperti karbon, niobium, atau titanium dapat membentuk karbida atau nitride yang stabil yang menjepit batas butir, mengurangi pembesaran.
• Suhu: Suhu tinggi meningkatkan mobilitas atom, mendorong pertumbuhan butir yang lebih cepat.
• Waktu: Paparan yang lebih lama pada suhu tinggi memungkinkan koalesensi butir yang lebih luas.
• Mikrostruktur Awal: Struktur butir halus cenderung membesar lebih cepat pada awalnya tetapi dapat stabil jika terjadi penjepitan batas.
• Sejarah Pemrosesan: Pengerjaan dingin atau deformasi sebelumnya dapat mempengaruhi mobilitas batas dan perilaku pembesaran.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Persamaan utama yang menggambarkan pembesaran butir adalah model Hillert:

[ D^n - D_0^n = K t ]

di mana:
- ( D ) = diameter rata-rata butir pada waktu ( t ),
- $D_0$ = diameter butir awal,
- ( n ) = eksponen pertumbuhan butir (~2 untuk pertumbuhan butir normal),
- ( K ) = konstanta laju yang bergantung pada suhu.

Konstanta laju ( K ) mengikuti perilaku Arrhenius:

$$K = K_0 \exp \left( - \frac{Q}{RT} \right) $$

Variabel:
- $K_0$ = faktor pre-eksponensial yang spesifik untuk material dan kondisi,
- ( Q ) = energi aktivasi untuk migrasi batas,
- ( R ) = konstanta