Transformasi Isotermal pada Baja: Pembentukan Mikrostruktur & Pengendalian Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Transformasi isothermal mengacu pada proses di mana austenit, fase kubik pusat muka (FCC) baja pada suhu tinggi, berubah menjadi konstituen mikrostruktur lainnya seperti bainit, pearlit, atau martensit ketika dijaga pada suhu konstan dalam rentang tertentu. Transformasi ini terjadi dalam kondisi isothermal, yang berarti suhu tetap konstan selama perubahan fase, memungkinkan pengembangan mikrostruktur yang terkontrol.

Di tingkat atom, dasar ilmiah fundamental dari transformasi isothermal melibatkan mekanisme nukleasi dan pertumbuhan yang didorong oleh gaya pendorong termodinamika. Ketika austenit didinginkan ke suhu di mana ia menjadi metastabil, perbedaan energi bebas antara austenit dan fase yang dihasilkan mendorong rearrangement atom. Situs nukleasi terbentuk saat atom berkumpul menjadi inti stabil dari fase baru, yang kemudian tumbuh melalui difusi atom atau mekanisme geser, tergantung pada jenis transformasi.

Dalam metalurgi baja, pemahaman tentang transformasi isothermal sangat penting karena memungkinkan kontrol yang tepat atas mikrostruktur dan, akibatnya, sifat mekanik. Ini membentuk dasar untuk proses perlakuan panas seperti austempering dan bainitizing, yang mengoptimalkan kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan aus. Konsep ini mengintegrasikan termodinamika, kinetika, dan kristalografi, berfungsi sebagai landasan dalam merancang baja dengan karakteristik kinerja yang disesuaikan.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Mikrostruktur yang dihasilkan dari transformasi isothermal menunjukkan fitur kristalografi tertentu. Untuk bainit, strukturnya terdiri dari ferrit dan semenit (Fe₃C) fase yang halus, berbentuk jarum atau pelat yang disusun dalam morfologi lath atau pelat yang khas. Fase-fase ini biasanya berbentuk kubik pusat badan (BCC) atau tetragonal pusat badan (BCT) dalam kasus semenit, dengan susunan atom yang mencerminkan keadaan stabil atau metastabil mereka.

Martensit, mikrostruktur lain yang mungkin terbentuk selama pendinginan cepat diikuti oleh penahanan isothermal, memiliki kisi BCC atau BCT yang terlampaui jenuh. Susunan atomnya melibatkan kisi yang terdistorsi dengan regangan internal yang tinggi, sering kali menunjukkan morfologi lath atau pelat. Hubungan orientasi antara martensit dan austenit induk terdefinisi dengan baik, biasanya mengikuti hubungan orientasi Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, yang menggambarkan penyelarasan kristalografi antara fase.

Pearlit, yang terbentuk pada laju pendinginan yang lebih lambat, terdiri dari lamela ferrit dan semenit yang bergantian dengan struktur berlapis. Susunan atom dalam lamela ini mencerminkan hubungan fase kesetimbangan yang ditentukan oleh diagram fase Fe-C, dengan lamela biasanya sejajar dengan bidang kristalografi tertentu untuk meminimalkan energi antarmuka.

Fitur Morfologis

Morfologi mikrostruktur yang dihasilkan dari transformasi isothermal bervariasi dengan jenis transformasi dan suhu. Bainit muncul sebagai struktur halus, berbentuk jarum atau lath, dengan ukuran berkisar antara 0,1 hingga 2 mikrometer, terdistribusi secara merata di seluruh matriks baja. Mikrostruktur ini sering kali diamati sebagai jaringan pelat atau jarum yang memanjang, memberikan penampilan khas seperti jarum di bawah mikroskop optik atau elektron.

Martensit muncul sebagai fitur berbentuk lath atau pelat, biasanya 0,2 hingga 1 mikrometer lebar, dengan rasio aspek yang tinggi. Mikrostruktur ini tampak sebagai pola padat yang menyerupai jarum dengan morfologi lath atau pelat yang khas, sering kali menunjukkan penampilan mengkilap atau gelap tergantung pada teknik etsa yang digunakan.

Pearlit muncul sebagai lamela atau pita yang bergantian, dengan jarak antar lamela berkisar antara 0,1 hingga 0,5 mikrometer. Di bawah mikroskop, pearlit tampak sebagai serangkaian lapisan paralel atau sedikit melengkung, memberikan penampilan bergaris atau bercak yang khas. Lamela sering kali terlihat sebagai garis atau pita yang berbeda, terutama setelah etsa dengan reagen yang sesuai.

Sifat Fisik

Sifat fisik yang terkait dengan mikrostruktur yang ditransformasi secara isothermal berbeda secara signifikan dari konstituen lainnya. Bainit menawarkan kombinasi kekuatan tinggi dan ketangguhan, dengan densitas mendekati ferrit (~7,85 g/cm³), tetapi dengan kekerasan yang meningkat karena fitur mikrostruktur yang halus. Konduktivitas termalnya sebanding dengan ferrit, tetapi konduktivitas listriknya berkurang karena adanya semenit.

Martensit menunjukkan kekerasan tinggi (hingga 700 HV), regangan internal yang tinggi, dan sifat magnetik karena strukturnya yang BCC/BCT terlampaui jenuh. Densitasnya mirip dengan ferrit, tetapi stres internal yang tinggi mempengaruhi perilaku mekanik dan magnetiknya. Konduktivitas termal martensit relatif rendah, dan umumnya tidak konduktif secara listrik karena kepadatan cacat yang tinggi.

Pearlit memiliki kekerasan dan kekuatan sedang, dengan sifat yang terletak di antara ferrit dan bainit atau martensit. Densitasnya sekitar 7,85 g/cm³, mirip dengan ferrit, tetapi struktur berlapisnya mempengaruhi perilaku mekaniknya, memberikan ketangguhan dan ductility yang baik. Konduktivitas listrik dan termalnya lebih tinggi dibandingkan dengan bainit dan martensit, berkat matriks ferritiknya.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan mikrostruktur isothermal diatur oleh stabilitas fase dan pertimbangan energi bebas. Ketika austenit didinginkan di bawah suhu kritisnya, energi bebas dari fase baru (bainit, pearlit, martensit) menjadi lebih rendah daripada austenit, memberikan gaya pendorong termodinamika untuk transformasi.

Diagram fase, khususnya diagram kesetimbangan Fe-C, menggambarkan rentang suhu dan komposisi di mana fase-fase ini stabil atau metastabil. Untuk pembentukan bainit, rentang suhu biasanya antara 250°C dan 550°C, di mana perbedaan energi bebas mendukung nukleasi ferrit bainitik dan semenit. Martensit terbentuk melalui transformasi geser tanpa difusi pada suhu di bawah suhu mulai martensit (Ms), di mana austenit menjadi tidak stabil secara termodinamika dan berubah dengan cepat menjadi fase BCC atau BCT yang terlampaui jenuh.

Kinetika Pembentukan

Kinetika transformasi isothermal melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan. Nukleasi terjadi di situs tertentu seperti batas butir, dislokasi, atau fitur mikrostruktur yang ada, di mana susunan atom lokal mendukung pembentukan fase baru. Laju nukleasi tergantung pada suhu, kejenuhan, dan ketersediaan situs nukleasi.

Mekanisme pertumbuhan bervariasi: bainit terbentuk melalui pertumbuhan ferrit dan lamela semenit yang dikendalikan oleh difusi, memerlukan difusi atom dalam jarak pendek. Laju pertumbuhan tergantung pada suhu, dengan suhu yang lebih tinggi mendukung difusi yang lebih cepat dan mikrostruktur yang lebih kasar. Transformasi martensitik berlangsung melalui mekanisme geser, di mana atom bergerak secara kolektif tanpa difusi, menghasilkan transformasi yang cepat dan tanpa difusi.

Langkah-langkah yang mengontrol laju termasuk difusi atom untuk bainit dan pearlit, serta transformasi geser untuk martensit. Energi aktivasi berbeda sesuai, dengan bainit dan pearlit memiliki energi aktivasi yang lebih tinggi karena kebutuhan difusi, sementara martensit terbentuk dengan energi aktivasi minimal setelah suhu Ms tercapai.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan secara signifikan mempengaruhi pembentukan dan stabilitas mikrostruktur isothermal. Karbon, mangan, silikon, dan elemen lainnya memodifikasi batas fase dan laju difusi. Misalnya, silikon menekan pembentukan semenit, mendukung mikrostruktur bainitik, sementara paduan dengan nikel atau krom dapat menstabilkan fase tertentu.

Parameter pemrosesan seperti suhu, waktu penahanan, dan laju pendinginan sangat penting. Suhu penahanan isothermal yang lebih tinggi mendukung mikrostruktur yang lebih kasar, sementara suhu yang lebih rendah menghasilkan bainit atau martensit yang lebih halus. Ukuran butir austenit sebelumnya mempengaruhi situs nukleasi dan kinetika transformasi, dengan butir yang lebih halus mendukung mikrostruktur yang seragam.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ferrit atau pearlit sebelumnya, mempengaruhi perilaku nukleasi dengan menyediakan situs atau penghalang yang menguntungkan. Ukuran butir awal dan kepadatan dis