Diagram Transformasi Isotermal (IT): Evolusi Mikrostuktur & Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah Diagram Transformasi Isotermal (IT) adalah representasi grafis yang menggambarkan perilaku transformasi austenit menjadi berbagai mikrostruktur dalam baja ketika dijaga pada suhu konstan di bawah suhu kritis (garis A₁). Diagram ini menggambarkan hubungan antara waktu dan suhu untuk transformasi fase, khususnya menunjukkan pembentukan fase seperti perlit, bainit, dan martensit selama pendinginan isotermal.

Secara fundamental, diagram IT berakar pada prinsip-prinsip termodinamika dan kinetika transformasi fase pada tingkat atom. Ini mencerminkan pengaturan ulang atom dan proses nukleasi serta pertumbuhan fase baru dari fase austenit induk, yang merupakan struktur kubik berpusat muka (FCC). Diagram ini menangkap evolusi mikrostruktur yang bergantung pada waktu yang didorong oleh perbedaan energi bebas, mobilitas atom, dan stabilitas fase.

Dalam metalurgi baja, diagram IT sangat penting untuk memahami dan mengendalikan perkembangan mikrostruktur selama perlakuan panas. Ini memberikan wawasan tentang kinetika transformasi fase, memungkinkan insinyur untuk menyesuaikan sifat mekanik seperti kekerasan, ketangguhan, dan keuletan dengan memilih kondisi transformasi yang tepat.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Mikrostruktur yang diwakili dalam diagram IT dicirikan oleh pengaturan kristalografi yang berbeda. Austenit (γ-Fe) memiliki struktur kristal FCC dengan parameter kisi sekitar 0,36 nm, memungkinkan mobilitas atom yang tinggi dan difusi solut. Selama transformasi, fase yang terbentuk—perlit, bainit, atau martensit—memiliki struktur kristal yang berbeda:

• Perlit: Campuran lamelar dari ferit (α-Fe, struktur BCC) dan semenit (Fe₃C, ortorhombik), terbentuk melalui proses difusi kooperatif.
• Bainit: Mikrostruktur halus dan akicular yang terdiri dari ferit dan semenit, dengan mikrostruktur yang dapat dilihat sebagai campuran ikatan atau pelat dengan orientasi kristalografi tertentu.
• Martensit: Fase tetragonal berpusat tubuh (BCT) yang terjenuh, terbentuk melalui transformasi geser tanpa difusi, dicirikan oleh kisi yang terdistorsi relatif terhadap austenit.

Transformasi melibatkan hubungan orientasi seperti hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, yang menggambarkan penyelarasan kristalografi antara fase induk dan produk. Hubungan ini mempengaruhi morfologi dan sifat mikrostruktur yang dihasilkan.

Ciri Morfologis

Mikrostruktur yang digambarkan dalam diagram IT menunjukkan morfologi khas:

• Perlit: Lamela yang bergantian dari ferit dan semenit, dengan jarak antar lamela biasanya berkisar antara 0,1 hingga 1 μm, tergantung pada laju pendinginan dan komposisi.
• Bainit: Pelat berbentuk jarum atau akicular, seringkali 0,2 hingga 2 μm panjangnya, terbentuk dalam susunan seperti ikatan. Morfologi bervariasi dengan suhu dan elemen paduan.
• Martensit: Mikrostruktur berbentuk pelat atau lath, dengan ukuran dari beberapa ratus nanometer hingga beberapa mikrometer, menunjukkan kepadatan dislokasi yang tinggi dan stres internal.

Mikrostruktur ini terlihat di bawah mikroskop optik atau elektron, dengan perlit muncul sebagai pita gelap dan terang yang bergantian, bainit sebagai struktur akicular halus, dan martensit sebagai fitur berbentuk jarum dengan kontras tinggi.

Sifat Fisik

Sifat fisik yang terkait dengan mikrostruktur ini berbeda secara signifikan:

• Kepadatan: Martensit memiliki kepadatan sedikit lebih tinggi (~7,8 g/cm³) dibandingkan ferit (~7,87 g/cm³), akibat distorsi kisi dan stres internal.
• Konduktivitas Listrik: Martensit menunjukkan konduktivitas listrik yang lebih rendah karena kepadatan dislokasi yang tinggi dan kejenuhan karbon.
• Sifat Magnetik: Ferit dan perlit bersifat feromagnetik, sedangkan perilaku magnetik martensit tergantung pada kandungan karbon dan stres internal.
• Konduktivitas Termal: Martensit umumnya memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi dibandingkan perlit dan bainit karena struktur cacatnya.

Sifat-sifat ini mempengaruhi kinerja baja dalam aplikasi seperti komponen struktural, alat, dan bagian tahan aus.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan mikrostruktur dalam diagram IT diatur oleh prinsip-prinsip termodinamika. Gaya pendorong untuk transformasi adalah perbedaan energi bebas Gibbs (ΔG) antara fase austenit induk dan fase produk. Pada suhu tertentu di bawah A₁, energi bebas fase baru menjadi menguntungkan secara termodinamika.

Stabilitas fase ditentukan oleh diagram fase, yang menunjukkan hubungan keseimbangan antara fase pada berbagai suhu dan komposisi. Misalnya, pada suhu antara suhu awal perlit dan bainit, perbedaan energi bebas mendukung nukleasi perlit atau bainit tergantung pada kinetika.

Perubahan energi bebas (ΔG) dapat dinyatakan sebagai:

ΔG = ΔG° + RT ln C

di mana ΔG° adalah perbedaan energi bebas standar, R adalah konstanta gas universal, T adalah suhu, dan C adalah konsentrasi solut.

Kinetika Pembentukan

Kinetika transformasi dikendalikan oleh proses nukleasi dan pertumbuhan:

• Nukleasi: Pembentukan inti stabil dari fase baru memerlukan pengatasan penghalang energi yang terkait dengan penciptaan antarmuka baru. Laju nukleasi tergantung pada suhu, kejenuhan, dan keberadaan heterogenitas.
• Pertumbuhan: Setelah inti terbentuk, atom berdifusi ke antarmuka, memungkinkan fase untuk tumbuh. Laju pertumbuhan dikendalikan oleh difusi dan menurun dengan menurunnya suhu.

Persamaan Johnson–Mehl–Avrami menggambarkan fraksi transformasi (X) seiring waktu (t):

X(t) = 1 – exp(–k tⁿ)

di mana k adalah konstanta laju yang bergantung pada suhu, dan n adalah eksponen Avrami yang terkait dengan mekanisme nukleasi dan pertumbuhan.

Energi aktivasi (Q) mempengaruhi konstanta laju k, dengan nilai Q yang lebih tinggi menunjukkan transformasi yang lebih lambat pada suhu tertentu.

Faktor yang Mempengaruhi

Beberapa faktor mempengaruhi pembentukan dan kinetika mikrostruktur:

• Elemen Paduan: Elemen seperti Mn, Si, Cr, dan Ni memodifikasi stabilitas fase dan laju difusi, mempengaruhi suhu awal dan akhir.
• Mikrostruktur Sebelumnya: Ukuran butir awal, kepadatan dislokasi, dan fase yang ada mempengaruhi lokasi nukleasi dan jalur transformasi.
• Parameter Pemrosesan: Laju pendinginan, waktu tahan, dan suhu mengendalikan sejauh mana dan jenis mikrostruktur yang terbentuk.
• Komposisi Kimia: Kandungan karbon terutama mempengaruhi pembentukan martensit dan bainit, dengan karbon yang lebih tinggi mendukung transformasi martensitik.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Kinetika transformasi sering dimodelkan menggunakan persamaan Johnson–Mehl–Avrami:

X(t) = 1 – exp(–k tⁿ)

di mana:

• X(t): Fraksi mikrostruktur yang telah ditransformasi pada waktu t
• k: Konstanta laju, tergantung pada suhu, dinyatakan sebagai:

k = k₀ exp(–Q / RT)

• n: Eksponen Avrami, terkait dengan mekanisme nukleasi dan pertumbuhan

Variabel:

• t: Waktu (detik)
  Kembali ke blog

  Tulis komentar

  Nama *

  Email *

  Komentar *