Makrostruktur dalam Metalurgi Baja: Pembentukan, Ciri-ciri & Dampak pada Sifat-sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Mikrostruktur dalam metalurgi baja mengacu pada fitur internal komponen baja yang terlihat dalam skala besar, yang dapat diamati tanpa bantuan mikroskopi dengan pembesaran tinggi. Ini mencakup distribusi spasial, ukuran, bentuk, dan orientasi berbagai konstituen mikrostruktur dalam skala milimeter hingga sentimeter. Fitur-fitur ini termasuk batas butir, zona segregasi, inklusi, dan pola makrosegrasi yang mempengaruhi sifat keseluruhan baja.

Di tingkat atom dan kristalografi, mikrostruktur adalah manifestasi dari pengaturan kolektif dan orientasi dari sejumlah besar butir kristalin dan fase. Setiap butir adalah domain kristalin dengan orientasi kisi tertentu, dan batas antara butir—batas butir—adalah daerah ketidakcocokan atom. Mikrostruktur dihasilkan dari organisasi spasial butir dan fase ini, yang dipengaruhi oleh faktor termodinamik dan kinetik selama proses pembekuan, perlakuan panas, dan deformasi.

Signifikansinya dalam metalurgi baja terletak pada pengaruhnya yang mendalam terhadap sifat mekanik, ketahanan korosi, kemampuan las, dan kemampuan bentuk. Memahami dan mengendalikan mikrostruktur sangat penting untuk menyesuaikan kinerja baja untuk aplikasi tertentu, memastikan keseragaman, dan meminimalkan cacat. Ini menyediakan jembatan antara fitur mikrostruktur pada skala mikroskopis dan perilaku makroskopis komponen baja, menjadikannya konsep dasar dalam ilmu material dan kerangka rekayasa.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Mikrostruktur secara inheren terkait dengan fitur kristalografi dari baja. Setiap butir dalam mikrostruktur adalah kristal tunggal atau daerah dengan orientasi kristalografi yang seragam, yang ditandai dengan pengaturan kisi tertentu. Dalam baja feritik, fase dominan adalah besi kubik pusat tubuh (BCC) (α-Fe), dengan parameter kisi sekitar 2.866 Å pada suhu kamar, yang termasuk dalam sistem kristal kubik.

Dalam baja mikroaloy atau baja paduan, fase seperti austenit (kubik pusat wajah, FCC, dengan parameter kisi ~3.58 Å), perlit, bainit, atau martensit mungkin ada, masing-masing dengan struktur kristalografi yang berbeda. Hubungan orientasi antara fase-fase ini dan butir induk mempengaruhi perilaku transformasi dan sifat mekanik.

Orientasi kristalografi sering dijelaskan menggunakan sudut Euler atau gambar kutub, yang mengungkapkan orientasi atau tekstur yang lebih disukai yang berkembang selama pemrosesan. Misalnya, penggulungan atau penempaan dapat menginduksi tekstur yang kuat, menyelaraskan butir sepanjang arah kristalografi tertentu, yang mempengaruhi sifat anisotropik pada skala makro.

Fitur Morfologis

Secara makroskopis, mikrostruktur muncul sebagai jaringan butir dan fase dengan bentuk dan ukuran yang khas. Ukuran butir biasanya berkisar dari beberapa milimeter hingga beberapa sentimeter, tergantung pada kondisi pemrosesan. Baja dengan butir halus mungkin memiliki ukuran butir kurang dari 1 mm, sementara struktur butir kasar dapat melebihi 10 mm.

Bentuk butir dapat bervariasi dari equiaxed (kira-kira bulat atau poligonal) hingga memanjang atau datar, terutama pada baja yang digulung atau ditempa. Distribusi fase seperti ferit, perlit, bainit, atau martensit dapat seragam atau terpisah, membentuk pita, jaringan, atau kluster yang terlihat pada tingkat makro.

Fitur visual yang diamati melalui mikroskopi optik atau makro-mikroskopi termasuk batas butir, antarmuka fase, dan zona segregasi. Fitur-fitur ini mempengaruhi perilaku makro-mekanik baja, seperti ketangguhan dan duktilitas, dan sangat penting untuk kontrol kualitas.

Sifat Fisik

Mikrostruktur secara signifikan mempengaruhi sifat fisik seperti densitas, konduktivitas listrik, permeabilitas magnetik, dan konduktivitas termal. Misalnya, struktur butir yang seragam cenderung meningkatkan ketangguhan dan mengurangi propagasi retak, sementara segregasi atau butir kasar dapat mengurangi kekuatan dan duktilitas.

Variasi densitas minimal dalam mikrostruktur baja; namun, keberadaan inklusi atau porositas pada tingkat makro dapat mengurangi densitas keseluruhan dan mempengaruhi integritas mekanik. Sifat magnetik dipengaruhi oleh orientasi butir dan distribusi fase; misalnya, baja feritik menunjukkan permeabilitas magnetik tinggi yang dipengaruhi oleh penyelarasan butir.

Konduktivitas termal dipengaruhi oleh komposisi fase dan batas butir, dengan butir yang lebih halus umumnya meningkatkan efisiensi transfer panas. Sifat-sifat ini berbeda secara mencolok dari konstituen mikrostruktur, menekankan pentingnya kontrol mikrostruktur dalam desain baja.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamik

Pembentukan mikrostruktur diatur oleh prinsip-prinsip termodinamik yang menentukan stabilitas fase dan jalur transformasi. Selama pembekuan, perbedaan energi bebas antara fase cair dan padat mendorong nukleasi dan pertumbuhan butir. Perubahan energi bebas Gibbs (ΔG) untuk nukleasi harus mengatasi hambatan energi yang terkait dengan penciptaan antarmuka baru.

Diagram fase, seperti diagram fase besi-karbon, memberikan informasi penting tentang stabilitas fase dan suhu transformasi. Misalnya, transformasi austenit menjadi ferit terjadi di bawah suhu tertentu, mempengaruhi distribusi fase mikrostruktur. Pola segregasi dan makrosegrasi juga didorong secara termodinamik oleh pemisahan solut selama pembekuan.

Stabilitas fase pada suhu dan komposisi yang berbeda menentukan evolusi mikrostruktur selama pendinginan dan perlakuan panas. Perhitungan termodinamik membantu memprediksi fase keseimbangan dan non-keseimbangan yang ada dalam mikrostruktur akhir.

Kinetika Pembentukan

Kinetika mengontrol laju nukleasi, pertumbuhan, dan koalesensi butir dan fase, membentuk mikrostruktur. Laju nukleasi tergantung pada suhu, pendinginan, dan keberadaan situs nukleasi seperti inklusi atau batas butir.

Kinetika pertumbuhan dipengaruhi oleh difusi atom, yang tergantung pada suhu. Suhu yang lebih tinggi mempercepat difusi, mendorong pertumbuhan butir yang lebih cepat, sementara pendinginan cepat dapat menekan pertumbuhan, menghasilkan struktur yang lebih halus. Langkah-langkah pengendali laju sering melibatkan migrasi atom di seluruh antarmuka dan mengatasi hambatan energi yang terkait dengan pergerakan antarmuka.

Diagram waktu-suhu-transformasi (TTT) menggambarkan kinetika transformasi fase, membimbing jadwal perlakuan panas untuk mencapai mikrostruktur yang diinginkan. Energi aktivasi untuk proses difusi dan transformasi adalah parameter kunci dalam pemodelan kinetika ini.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti karbon, mangan, silikon, dan tambahan mikroaloy mempengaruhi pembentukan mikrostruktur dengan mengubah stabilitas fase dan laju difusi. Misalnya, kandungan karbon yang lebih tinggi mendorong pembentukan semenit, mempengaruhi karakteristik batas butir.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, riwayat deformasi, dan gradien suhu secara signifikan mempengaruhi perkembangan mikrostruktur. Pendinginan cepat cenderung menghasilkan butir yang lebih halus dan struktur martensitik, sementara pendinginan lambat memungkinkan butir yang lebih kasar dan fase keseimbangan.

Mikrostruktur sebelumnya, seperti ukuran butir yang ada dan distribusi fase, mempengaruhi evolusi mikrostruktur selanjutnya. Rekristalisasi dan pertumbuhan butir dipengaruhi oleh energi yang tersimpan dan riwayat deformasi, menentukan mikrostruktur akhir.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Laju nukleasi (I) dari butir atau fase dapat dijelaskan oleh teori nukleasi klasik:

$$I = I_0 \exp \left( - \frac{\Delta G^*}{kT} \right) $$

di mana:

• $I_0$ adalah faktor pre-ekspresional yang terkait dengan frekuensi getaran atom,

• ( \Delta G^* ) adalah hambatan energi bebas kritis untuk nukleasi,

• ( k ) adalah konstanta Boltzmann,

• $T$ adalah suhu mutlak.

Hambatan energi bebas kritis: