Mikrostruktur Intra-kristalin dalam Baja: Pembentukan, Ciri-ciri & Dampaknya terhadap Sifat-sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Intrakristalin mengacu pada fitur mikrostruktural atau konstituen yang terletak di dalam kisi kristal dari fase primer dalam baja. Ini menggambarkan struktur atau inhomogenitas yang terbenam di dalam butir atau kristal, berbeda dengan yang berada di batas butir atau antarmuka. Fitur ini dapat mencakup presipitasi, inklusi, atau modifikasi mikrostruktural lainnya yang terkurung dalam matriks kristal.

Di tingkat atom atau kristalografi, fitur intrakristalin sering kali terkait dengan variasi lokal dalam komposisi, susunan atom, atau struktur cacat dalam satu kristal atau butir. Mereka dapat melibatkan pembentukan fase sekunder, kluster solut, atau susunan dislokasi yang stabil dalam kisi kristal induk.

Dalam metalurgi baja dan ilmu material, konsep mikrostruktur intrakristalin sangat mendasar karena mereka mempengaruhi sifat mekanik, ketahanan korosi, dan stabilitas termal. Memahami fitur intrakristalin memungkinkan insinyur untuk menyesuaikan mikrostruktur baja untuk memenuhi persyaratan kinerja tertentu, seperti kekuatan, ketangguhan, atau duktilitas.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Fitur intrakristalin sangat terkait dengan susunan atom dalam fase primer, biasanya ferit, austenit, martensit, atau mikrostruktur yang ditempa dalam baja. Fitur ini sering muncul sebagai presipitasi atau kluster solut yang terbentuk dalam kisi kristal.

Struktur kristalografi dari presipitasi atau inklusi intrakristalin tergantung pada fase yang mereka miliki. Misalnya, karbida seperti semenit (Fe₃C) atau karbida paduan seperti M₂₃C₆ (di mana M mewakili elemen logam) mengadopsi struktur kristal tertentu—ortorhombik atau kubik—yang sesuai dengan identitas fase mereka. Presipitasi ini terbenam secara koheren atau semi-koheren dalam kisi induk, sering kali mempertahankan hubungan orientasi kristalografi dengan matriks.

Parameter kisi dari fase intrakristalin biasanya dekat dengan yang dari matriks, terutama pada presipitasi koheren, yang meminimalkan regangan kisi. Misalnya, dalam martensit yang ditempa, karbida halus mungkin memiliki parameter kisi yang sedikit berbeda dari matriks ferit atau martensit, yang mengarah pada bidang regangan yang dapat terdeteksi melalui teknik difraksi.

Hubungan orientasi kristalografi, seperti hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, sering mengatur penyelarasan antara presipitasi intrakristalin dan fase induk, mempengaruhi perilaku nukleasi dan pertumbuhannya.

Fitur Morfologis

Mikrostruktur intrakristalin umumnya muncul sebagai partikel halus yang terdispersi atau daerah dalam butir ketika diamati di bawah mikroskop. Ukurannya dapat berkisar dari beberapa nanometer hingga beberapa mikrometer, tergantung pada kondisi pembentukan.

Dari segi morfologi, presipitasi intrakristalin sering kali berbentuk bulat, berbentuk jarum, atau mirip pelat, tergantung pada fase dan kinetika pertumbuhannya. Misalnya, karbida dalam baja yang ditempa cenderung berbentuk bulat atau tidak teratur, sementara nitrit atau karbonitrida dapat muncul sebagai jarum yang memanjang.

Fitur-fitur ini terdistribusi secara merata di dalam interior butir, sering kali membentuk dispersi halus yang dapat homogen atau menunjukkan beberapa derajat pengelompokan. Distribusinya mempengaruhi perilaku mekanik dengan menghambat gerakan dislokasi atau mengubah bidang stres lokal.

Dalam tiga dimensi, presipitasi intrakristalin dapat membentuk jaringan atau array terdispersi dalam matriks, terlihat sebagai titik atau garis terang di bawah mikroskop optik atau elektron. Kerapatan dan distribusi ukuran mereka adalah parameter kritis untuk kontrol mikrostruktural.

Sifat Fisik

Fitur intrakristalin mempengaruhi beberapa sifat fisik baja:

• Kepadatan: Kehadiran presipitasi atau inklusi sedikit mengurangi kepadatan keseluruhan dibandingkan dengan fase murni, tetapi efeknya sering kali dapat diabaikan pada fraksi volume yang tipikal.

• Konduktivitas Listrik: Presipitasi atau kluster solut dalam kisi kristal dapat menyebarkan elektron konduksi, mengurangi konduktivitas listrik secara lokal.

• Sifat Magnetik: Perilaku magnetik baja dapat dipengaruhi oleh fase intrakristalin, terutama jika mereka feromagnetik atau paramagnetik, yang mengarah pada variasi dalam permeabilitas magnetik.

• Konduktivitas Termal: Kehadiran presipitasi intrakristalin dapat menyebarkan fonon, mengurangi konduktivitas termal dalam butir.

Jika dibandingkan dengan konstituen mikrostruktural lainnya seperti batas butir atau partikel fase kedua di antarmuka, fitur intrakristalin cenderung memiliki pengaruh yang lebih halus tetapi signifikan pada sifat, terutama ketika terdispersi dengan halus.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan mikrostruktur intrakristalin diatur oleh prinsip-prinsip termodinamika yang terkait dengan stabilitas fase dan minimisasi energi bebas. Ketika komposisi lokal, suhu, dan kondisi stres mendukung nukleasi fase sekunder dalam matriks, fase-fase ini terbentuk sebagai presipitasi intrakristalin.

Perubahan energi bebas (ΔG) yang terkait dengan pembentukan presipitasi harus negatif agar nukleasi dapat terjadi. Ini melibatkan keseimbangan antara pengurangan energi bebas bulk akibat pembentukan fase yang lebih stabil dan peningkatan energi antarmuka. Teori nukleasi klasik menggambarkan ini sebagai:

ΔG = ΔG_v * V + γ * A

di mana ΔG_v adalah perubahan energi bebas volumetrik per unit volume, V adalah volume inti, γ adalah energi antarmuka, dan A adalah luas permukaan.

Diagram fase, seperti diagram Fe-C, Fe-N, atau diagram spesifik paduan, memberikan konteks termodinamika untuk stabilitas fase intrakristalin. Misalnya, pematangan martensit melibatkan presipitasi karbida dalam lath martensitik, didorong oleh kecenderungan termodinamika untuk mengurangi energi regangan dan energi bebas.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi fitur intrakristalin dikendalikan oleh difusi atom, yang bergantung pada suhu. Pada suhu tinggi, laju difusi meningkat, memfasilitasi pembentukan dan pertumbuhan presipitasi dalam butir.

Kinetika pertumbuhan mengikuti hukum difusi Fick, dengan laju yang ditentukan oleh koefisien difusi (D), yang mematuhi hubungan Arrhenius:

D = D₀ * exp(-Q / RT)

di mana D₀ adalah faktor pre-ekspresional, Q adalah energi aktivasi untuk difusi, R adalah konstanta gas, dan T adalah suhu.

Langkah yang mengendalikan laju sering kali adalah difusi atom solut ke situs nukleasi. Waktu inkubasi sebelum pembentukan presipitasi tergantung pada tingkat kejenuhan, suhu, dan mikrostruktur sebelumnya.

Diagram waktu-suhu-transformasi (TTT) digunakan untuk memprediksi kinetika pembentukan fase intrakristalin, membimbing jadwal perlakuan panas untuk mengoptimalkan mikrostruktur.

Faktor yang Mempengaruhi

Beberapa faktor mempengaruhi pembentukan mikrostruktur intrakristalin:

• Komposisi Paduan: Elemen seperti karbon, nitrogen, kromium, molibdenum, dan vanadium mendorong atau menghambat pembentukan presipitasi dalam butir.

• Parameter Pemrosesan: Laju pendinginan, suhu perlakuan panas, dan waktu penahanan menentukan sejauh mana dan distribusi fitur intrakristalin.

• Mikrostruktur Sebelumnya: Distribusi fase awal, kerapatan dislokasi, dan ukuran butir mempengaruhi situs nukleasi dan jalur pertumbuhan.

• Stres dan Deformasi: Deformasi mekanis dapat menginduksi struktur dislokasi yang berfungsi sebagai situs nukleasi untuk presipitasi intrak