Ukuran Butir dalam Mikrostruktur Baja: Dampak pada Sifat Mekanik dan Pengolahan

Definisi dan Konsep Dasar

Ukuran butir dalam mikrostruktur baja mengacu pada dimensi rata-rata dari daerah kristalin individu, yang dikenal sebagai butir, dalam logam polikristalin. Ini adalah parameter mikrostruktur yang kritis yang mempengaruhi sifat mekanik dan fisik baja. Pada tingkat atom, butir adalah daerah di mana kisi kristal terorientasi secara seragam, dipisahkan oleh batas di mana orientasi kisi berubah secara mendadak.

Secara fundamental, ukuran butir mencerminkan sejauh mana domain kristalin terbentuk selama pembekuan, rekristalisasi, atau transformasi fase. Susunan atom dalam setiap butir mengikuti struktur kristal tertentu—paling umum kubus berpusat badan (BCC) dalam baja feritik atau kubus berpusat muka (FCC) dalam baja austenitik—sementara batasnya adalah daerah di mana terdapat diskontinuitas kisi. Ukuran dan distribusi butir ini dipengaruhi oleh faktor termodinamik dan kinetik selama pemrosesan.

Dalam metalurgi baja, ukuran butir adalah parameter dasar karena secara langsung mempengaruhi sifat-sifat seperti kekuatan, ketangguhan, duktilitas, dan ketahanan terhadap patah. Hubungan Hall-Petch, yang mengaitkan ukuran butir yang lebih kecil dengan peningkatan kekuatan hasil, menggambarkan signifikansinya dalam kerangka ilmu material.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Setiap butir dalam baja menunjukkan orientasi kristalografi tertentu, yang ditandai dengan susunan kisi atom. Sistem kristal dominan dalam baja feritik adalah kubus berpusat badan (BCC), dengan parameter kisi sekitar 2,87 Å pada suhu kamar. Dalam baja austenitik, struktur kubus berpusat muka (FCC) mendominasi, dengan parameter kisi sekitar 3,58 Å.

Di dalam butir, atom disusun secara periodik, membentuk kisi yang teratur yang membentang dalam tiga dimensi. Bidang atom dipisahkan sesuai dengan struktur kristal, dan orientasi bidang ini bervariasi dari butir ke butir. Batas butir adalah daerah di mana orientasi kisi berubah secara mendadak, sering ditandai dengan sudut misorientasi. Batas sudut rendah (kurang dari 15°) melibatkan misorientasi yang sedikit, sementara batas sudut tinggi (lebih dari 15°) melibatkan ketidakselarasan kisi yang signifikan.

Hubungan orientasi kristalografi, seperti Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, menggambarkan penyelarasan orientasi yang diutamakan selama transformasi fase, mempengaruhi karakter batas butir dan evolusi mikrostruktur selanjutnya.

Ciri Morfologi

Morfologi butir dalam baja dapat bervariasi dari equiaxed (kira-kira bulat atau seukuran) hingga bentuk yang memanjang atau mirip pelat, tergantung pada kondisi pemrosesan. Ukuran butir yang khas berkisar dari beberapa mikrometer (μm) dalam baja butir halus hingga beberapa ratus mikrometer dalam varian butir kasar.

Di bawah mikroskop optik, butir halus muncul sebagai daerah kecil yang seragam dengan batas yang jelas, sering terlihat setelah etsa. Butir kasar menampilkan bentuk yang lebih besar dan tidak teratur dengan batas yang lebih menonjol. Konfigurasi tiga dimensi butir melibatkan bentuk poliedral yang kompleks, sering kali diperkirakan sebagai poliedra cembung dalam model mikrostruktur.

Distribusi ukuran butir dalam sampel baja dapat seragam atau bimodal, tergantung pada sejarah pemrosesan. Batas butir sering terlihat sebagai garis atau antarmuka yang memisahkan daerah kristalin yang terorientasi berbeda, dan kerapatannya berkorelasi secara invers dengan ukuran butir.

Sifat Fisik

Ukuran butir mempengaruhi beberapa sifat fisik:

• Kepadatan: Karena batas butir adalah daerah ketidakcocokan atom, butir yang lebih halus meningkatkan area batas, sedikit mengurangi kepadatan keseluruhan karena cacat batas.
• Konduktivitas Listrik: Batas butir bertindak sebagai pusat hamburan untuk elektron, sehingga butir yang lebih halus biasanya mengurangi konduktivitas listrik.
• Sifat Magnetik: Dalam baja feromagnetik, batas butir mempengaruhi pergerakan dinding domain magnetik, mempengaruhi permeabilitas magnetik dan koersivitas.
• Konduktivitas Termal: Batas butir menghamburkan fonon, sehingga butir yang lebih kecil cenderung menurunkan konduktivitas termal.

Jika dibandingkan dengan butir yang lebih besar, butir yang lebih halus umumnya meningkatkan kekuatan dan kekerasan tetapi dapat mengurangi duktilitas dan ketangguhan. Heterogenitas mikrostruktur yang diperkenalkan oleh batas butir juga mempengaruhi ketahanan korosi dan perilaku kelelahan.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamik

Pembentukan dan evolusi ukuran butir diatur oleh prinsip-prinsip termodinamik yang bertujuan untuk meminimalkan energi bebas sistem. Selama pembekuan, nukleasi butir baru terjadi ketika penghalang energi bebas teratasi, menghasilkan distribusi ukuran butir berdasarkan laju nukleasi dan kinetika pertumbuhan.

Batas butir adalah daerah dengan energi bebas yang lebih tinggi dibandingkan dengan interior butir, menjadikannya secara termodinamik menguntungkan selama pembekuan dan perlakuan panas selanjutnya. Stabilitas ukuran butir tertentu tergantung pada keseimbangan antara energi batas dan gaya pendorong untuk pertumbuhan butir.

Diagram fase, seperti diagram fase besi-karbon, menggambarkan fase keseimbangan dan rentang stabilitasnya, mempengaruhi perkembangan butir selama proses pendinginan dan perlakuan panas.

Kinetika Pembentukan

Kinetika evolusi ukuran butir melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan:

• Nukleasi: Dimulai ketika kondisi termodinamik lokal mendukung pembentukan butir baru, sering kali selama pembekuan atau rekristalisasi. Laju nukleasi tergantung pada suhu, komposisi paduan, dan keberadaan situs nukleasi.
• Pertumbuhan: Setelah inti terbentuk, mereka tumbuh melalui difusi atom, mengkonsumsi material di sekitarnya. Laju pertumbuhan dikendalikan oleh mobilitas atom, suhu, dan keberadaan elemen solut atau fase kedua.

Langkah yang mengendalikan laju dalam pertumbuhan butir sering kali adalah difusi atom melintasi batas butir, dengan energi aktivasi yang menentukan ketergantungan suhu. Hukum pertumbuhan butir klasik dinyatakan sebagai:

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

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

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti karbon, nitrogen, dan tambahan mikro paduan (misalnya, niobium, vanadium) mempengaruhi ukuran butir dengan mempromosikan nukleasi atau menjepit batas butir. Misalnya, karbida dan nitride yang mengendap selama perlakuan panas dapat menghambat pergerakan batas butir, yang mengarah pada pemurnian butir.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, deformasi, dan suhu perlakuan panas secara signifikan mempengaruhi ukuran butir. Pendinginan cepat atau rekristalisasi yang diinduksi deformasi dapat menghasilkan butir yang lebih halus, sementara pendinginan lambat lebih disukai untuk mikrostruktur yang lebih kasar.

Mikrostruktur sebelumnya, seperti ukuran butir yang ada atau distribusi fase, juga mempengaruhi perilaku pertumbuhan butir selanjutnya, dengan butir awal yang lebih halus cenderung tetap stabil di bawah kondisi tertentu.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Persamaan Hall-Petch menggambarkan hubungan antara ukuran butir dan kekuatan hasil:

$$\sigma_y = \sigma_0 + k_y D^{-1/2} $$

di mana:

• ( \sigma_y ) = kekuatan hasil (MPa)
• ( \sigma_0 ) = tegangan gesekan (MPa), yang mewakili ketahanan kisi
• ( k_y ) = koefisien penguatan (MPa