Lath Martensit: Mikrostruktur, Pembentukan & Dampak pada Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Lath martensite adalah bentuk mikrostruktur spesifik dari fase martensitik dalam baja yang ditandai dengan morfologi berbentuk lath yang khas. Ini terbentuk selama pendinginan cepat (quenching) baja austenitik, menghasilkan fase metastabil yang jenuh dengan struktur kristal tetragonal berpusat badan (BCT). Mikrostruktur ini dibedakan dari varian martensitik lainnya oleh pelat atau lath yang memanjang dan sempit, yang dikemas rapat dan sejajar dengan orientasi kristalografi tertentu.

Di tingkat atom, lath martensite terdiri dari larutan padat jenuh karbon dalam matriks besi BCT. Transformasi tanpa difusi yang cepat dari austenit kubik berpusat wajah (FCC) menjadi martensit BCT terjadi melalui mekanisme geser, melibatkan perpindahan atom yang terkoordinasi yang menghasilkan morfologi lath yang khas. Transformasi ini tanpa difusi, yang berarti berlangsung tanpa difusi atom jarak jauh, didorong terutama oleh pengurangan energi bebas yang terkait dengan perubahan fase.

Dalam metalurgi baja, lath martensite signifikan karena memberikan kekuatan dan kekerasan tinggi akibat mikrostrukturnya yang halus dan menyerupai jarum. Pembentukannya mempengaruhi sifat mekanik, ketangguhan, dan ketahanan aus, menjadikannya mikrostruktur yang kritis dalam baja berkekuatan tinggi seperti paduan yang dikuatkan dan ditempa. Memahami pembentukan dan karakteristiknya sangat penting untuk merancang proses perlakuan panas dan mengoptimalkan kinerja baja dalam aplikasi struktural, otomotif, dan alat.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Lath martensite mengadopsi struktur kristal tetragonal berpusat badan (BCT), bentuk terdistorsi dari kisi kubik berpusat badan (BCC) ferrit, yang distabilkan oleh kejenuhan atom karbon. Parameter kisi martensite biasanya a ≈ 0.286 nm, dengan distorsi tetragonal yang sedikit tergantung pada kandungan karbon, yang menyebabkan rasio c/a menyimpang dari satu.

Pengaturan atom melibatkan transformasi geser yang menghasilkan kisi dengan hubungan orientasi tertentu dengan fase austenit induk. Hubungan orientasi yang paling umum adalah hubungan Kurdjumov–Sachs (K–S) atau Nishiyama–Wassermann (N–W), yang menggambarkan bagaimana lath martensite teratur secara kristalografi relatif terhadap butir austenit sebelumnya. Hubungan ini memfasilitasi pembentukan lath martensite dengan bidang kebiasaan dan varian orientasi tertentu.

Ciri Morfologis

Lath martensite muncul sebagai pelat atau lath yang ramping dan memanjang, biasanya 0.1 hingga 0.5 mikrometer lebar dan beberapa mikrometer panjang. Lath ini disusun dalam paket, blok, atau varian, membentuk mikrostruktur hierarkis. Morfologi ini sangat halus dibandingkan dengan martensite blok atau pelat, dengan penampilan khas menyerupai jarum di bawah mikroskop optik dan elektron.

Konfigurasi tiga dimensi melibatkan lath yang dikemas rapat dan saling berpotongan yang membentuk jaringan acicular yang halus di dalam butir austenit sebelumnya. Lath cenderung sejajar dengan bidang kristalografi tertentu, seperti {001} atau {111}, tergantung pada kondisi transformasi. Di bawah mikroskop elektron transmisi (TEM), lath martensite menunjukkan morfologi berbentuk lath yang khas dengan bidang kebiasaan dan distribusi varian yang jelas.

Sifat Fisik

Lath martensite menunjukkan kekerasan tinggi (biasanya 600–700 HV), kekuatan tarik tinggi (hingga 2000 MPa), dan ketangguhan yang signifikan ketika ditempa dengan tepat. Kerapatannya sedikit lebih tinggi daripada ferrit karena kejenuhan karbon dan distorsi kisi, yang menyebabkan stres internal.

Dari segi magnetik, martensite bersifat feromagnetik, dengan sifat magnetik yang dipengaruhi oleh kandungan karbon dan fitur mikrostruktural. Konduktivitas termalnya relatif tinggi dibandingkan dengan mikrostruktur lainnya, memfasilitasi disipasi panas selama layanan. Morfologi mikrostruktur yang halus dan menyerupai jarum menghasilkan kerapatan dislokasi yang tinggi, berkontribusi pada kekuatan dan kekerasannya, tetapi juga membuatnya lebih rapuh jika tidak ditempa.

Jika dibandingkan dengan ferrit atau pearlit, lath martensite memiliki kekerasan dan kekuatan yang jauh lebih tinggi tetapi ductility yang lebih rendah. Fitur mikrostrukturalnya mempengaruhi sifat seperti ketahanan kelelahan, ketahanan aus, dan ketangguhan impak, yang sangat penting dalam aplikasi rekayasa.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan lath martensite diatur oleh stabilitas termodinamika fase pada suhu dan komposisi tertentu. Diagram fase baja menunjukkan bahwa, setelah pendinginan cepat dari daerah austenit, austenit menjadi tidak stabil secara termodinamika relatif terhadap martensite di bawah suhu awal martensite (Ms).

Gaya pendorong untuk transformasi martensitik adalah pengurangan energi bebas Gibbs (ΔG), yang dimaksimalkan selama quenching cepat. Kejenuhan karbon dan elemen paduan lainnya menstabilkan fase martensitik, sementara transformasi terjadi tanpa difusi jarak jauh, mengandalkan geser dan regangan geser martensitik untuk mengakomodasi perubahan struktur kisi.

Stabilitas fase juga dipengaruhi oleh kandungan karbon; tingkat karbon yang lebih tinggi meningkatkan suhu Ms dan mendorong pembentukan martensite. Diagram fase menunjukkan bahwa mikrostruktur martensitik bersifat metastabil, dengan potensi untuk berubah menjadi fase lain seperti martensite yang ditempa atau bainite setelah perlakuan panas selanjutnya.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan lath martensite ditandai oleh transformasi geser yang cepat dan tanpa difusi yang dimulai di situs nukleasi dalam butir austenit. Nukleasi terjadi secara heterogen di cacat, batas butir, atau dislokasi, dengan laju nukleasi tergantung pada suhu, komposisi paduan, dan mikrostruktur sebelumnya.

Pertumbuhan lath martensitik berlangsung melalui mekanisme geser, dengan front transformasi bergerak pada kecepatan yang mendekati kecepatan suara dalam baja. Langkah pengendali laju adalah transformasi geser itu sendiri, yang diaktifkan secara termal dan ditandai oleh energi aktivasi yang biasanya berada dalam kisaran 100–200 kJ/mol.

Kinetika transformasi mengikuti persamaan Koistinen–Marburger:

[ f_M = 1 - \exp$$-\beta (Ms - T)$$ ]

di mana $f_M$ adalah fraksi martensite yang terbentuk pada suhu (T), (Ms) adalah suhu awal martensite, dan (\beta) adalah konstanta yang bergantung pada material. Persamaan ini menggambarkan peningkatan cepat dalam fraksi martensite saat suhu turun di bawah Ms.

Kecepatan pendinginan secara signifikan mempengaruhi tingkat dan morfologi martensite; pendinginan yang lebih cepat menghasilkan lath yang lebih halus dan kejenuhan karbon yang lebih tinggi. Kinetika juga dipengaruhi oleh ukuran butir austenit sebelumnya, elemen paduan, dan keberadaan tambahan mikro-paduan.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti karbon, mangan, nikel, dan krom mempengaruhi pembentukan lath martensite dengan mengubah suhu Ms dan kinetika transformasi. Kandungan karbon yang lebih tinggi mendorong struktur lath yang lebih halus karena meningkatnya situs nukleasi dan stabilisasi martensite yang jenuh.

Parameter pemrosesan, termasuk laju pendinginan dan media quenching, secara langsung mempengaruhi mikrostruktur. Quenching yang cepat mendukung pembentukan lath martensite yang halus, sementara pendinginan yang lebih lambat dapat menyebabkan pembentukan bainite atau mikrostruktur lainnya.

Mikrostruktur sebelumnya, seperti ukuran butir dan fase yang ada, mempengaruhi situs nukleasi dan jalur transformasi. Misalnya, pemurnian butir austenit menghasilkan lath martensitik yang lebih halus, meningkatkan kekuatan dan ketangguhan.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Persamaan utama yang menggambarkan fraksi martensite yang terbentuk selama pendinginan adalah persamaan Koistinen–Marburger (K–M):

[ f_M = 1 - \exp$$-\beta (Ms - T)$$ ]

di mana:

• (f_M): fraksi martensite yang terbentuk pada