Martensit: Pembentukan, Mikrostruktur & Dampak pada Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Martensit adalah fase mikrostruktur yang supersaturasi dan metastabil yang terbentuk dalam baja dan paduan lainnya melalui pendinginan cepat atau quenching dari bidang fase austenitik. Ini ditandai dengan mikrostruktur yang sangat terdistorsi, seperti jarum atau pelat yang memberikan kekerasan dan kekuatan yang luar biasa pada material.

Di tingkat atom, martensit dihasilkan dari transformasi geser tanpa difusi dari austenit kubus berpusat muka (FCC) menjadi struktur tetragonal berpusat tubuh (BCT) atau kubus berpusat tubuh (BCC). Transformasi ini melibatkan gerakan kolektif atom yang terkoordinasi, mempertahankan komposisi keseluruhan tetapi secara drastis mengubah kisi kristal.

Dalam metalurgi baja, martensit sangat penting karena memberikan cara untuk mencapai kekuatan dan kekerasan tinggi melalui perlakuan panas yang terkontrol. Pembentukan dan manipulasi martensit adalah pusat pengembangan baja berkekuatan tinggi yang canggih, alat tahan aus, dan komponen struktural yang memerlukan sifat mekanik yang disesuaikan.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Martensit dalam baja umumnya mengadopsi struktur kristal tetragonal berpusat tubuh (BCT), yang merupakan bentuk terdistorsi dari kisi BCC. Transformasi dari austenit FCC melibatkan mekanisme geser yang menghasilkan distorsi kisi yang ditandai dengan rasio tetragonality (c/a) yang biasanya berkisar dari 1.00 (BCC) hingga sekitar 1.02–1.05, tergantung pada kandungan karbon.

Penyusunan atom menampilkan kisi yang padat dan rapat dengan atom yang disusun dalam konfigurasi BCT, yang berbeda dari struktur FCC austenit induk. Transformasi ini melibatkan hubungan orientasi tertentu, biasanya hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, yang menghubungkan orientasi martensit dengan austenit induk.

Dari sudut pandang kristalografi, transformasi martensitik ditandai oleh proses yang didominasi geser dan tanpa difusi yang mempertahankan komposisi keseluruhan tetapi menghasilkan mikrostruktur yang sangat tertekan dan kembar secara internal. Hubungan orientasi ini memfasilitasi fitur kristalografi yang dapat diprediksi dan mempengaruhi perilaku mekanik selanjutnya.

Fitur Morfologis

Martensit muncul sebagai mikrostruktur halus, akicular (seperti jarum) atau seperti pelat dalam matriks baja. Ukuran pelat atau lath martensitik individu biasanya berkisar dari 0.1 hingga 2 mikrometer dalam ketebalan, dengan panjang yang mencapai beberapa mikrometer, tergantung pada laju pendinginan dan komposisi paduan.

Dalam mikrostruktur, martensit muncul sebagai daerah gelap yang memanjang di bawah mikroskop optik setelah etsa yang tepat, sering membentuk morfologi lath atau pelat yang khas. Distribusinya bisa homogen atau terkonsentrasi di daerah tertentu, terutama dalam baja yang ditempa atau sebagian tertransformasi.

Mikrostruktur martensitik tiga dimensi sering menunjukkan jaringan kompleks dari pelat atau lath yang saling berpotongan, dengan kepadatan dislokasi yang tinggi dan regangan internal. Morfologi ini mempengaruhi sifat-sifat seperti ketangguhan, duktilitas, dan distribusi tegangan sisa.

Sifat Fisik

Martensit menunjukkan kekerasan yang luar biasa, sering melebihi 600 HV (kekerasan Vickers), karena kisi BCT yang terdistorsi dan kepadatan dislokasi yang tinggi. Kerapatannya sedikit lebih tinggi daripada ferrit atau perlit, biasanya sekitar 7.8 g/cm³, karena pengemasan atom yang padat dan atom karbon yang menempati situs interstisial.

Secara magnetik, martensit sangat ferromagnetik, mirip dengan ferrit, yang membuatnya dapat terdeteksi melalui metode pengujian magnetik. Konduktivitas listriknya relatif rendah dibandingkan dengan fase yang lebih lunak, karena kepadatan cacat yang tinggi dan hamburan kotoran.

Dari segi termal, martensit memiliki koefisien ekspansi termal yang tinggi dan konduktivitas termal yang relatif rendah dibandingkan dengan ferrit atau semenit. Sifat-sifat ini mempengaruhi respons perlakuan panas dan perkembangan tegangan sisa.

Jika dibandingkan dengan mikrostruktur lain seperti perlit atau bainit, kekerasan dan kekuatan tinggi martensit diimbangi oleh kerapuhannya dan duktilitas yang rendah, memerlukan tempering atau proses pasca perlakuan lainnya untuk mengoptimalkan kinerja.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan martensit diatur oleh stabilitas termodinamika fase austenit relatif terhadap martensit. Pada suhu tinggi, austenit stabil, tetapi pendinginan cepat menggeser keseimbangan fase, menekan transformasi yang dikendalikan difusi dan lebih memilih transformasi geser tanpa difusi.

Perbedaan energi bebas (ΔG) antara austenit dan martensit menentukan gaya pendorong untuk transformasi. Ketika pendinginan di bawah suhu mulai martensit (Ms) melebihi ambang batas kritis, transformasi menjadi menguntungkan secara termodinamika.

Diagram fase, terutama diagram fase biner Fe–C, menggambarkan rentang suhu dan komposisi di mana pembentukan martensit dimungkinkan. Suhu mulai martensit (Ms) dan suhu selesai (Mf) mendefinisikan jendela kinetik untuk transformasi selama quenching.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan martensit ditandai oleh transformasi cepat yang didominasi geser yang terjadi dalam milidetik hingga detik, tergantung pada laju pendinginan dan komposisi paduan. Proses ini melibatkan nukleasi varian martensitik di situs yang menguntungkan, seperti batas butir atau dislokasi, diikuti oleh pertumbuhan yang cepat.

Nukleasi biasanya homogen atau heterogen, dengan laju yang dipengaruhi oleh suhu, mikrostruktur sebelumnya, dan elemen paduan. Pertumbuhan berlangsung melalui mekanisme geser, dengan lapisan atom yang bergerak secara kolektif untuk menghasilkan kisi BCT.

Langkah yang mengendalikan laju sering kali adalah proses nukleasi, dengan penghalang energi aktivasi yang terkait dengan transformasi geser. Laju transformasi meningkat dengan pendinginan yang lebih besar di bawah Ms, menghasilkan mikrostruktur yang lebih halus.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti karbon, mangan, nikel, dan krom secara signifikan mempengaruhi pembentukan martensit. Karbon menstabilkan martensit, meningkatkan suhu Ms dan Mf, sehingga mempromosikan pembentukan yang lebih mudah pada laju pendinginan yang lebih tinggi.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan sangat penting; quenching cepat dari suhu austenitisasi sangat penting untuk menekan difusi dan mendukung transformasi martensitik. Pendinginan yang lebih lambat memungkinkan pembentukan mikrostruktur lain seperti perlit atau bainit, yang menghambat martensit.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir austenit sebelumnya dan keberadaan austenit yang tertahan, juga mempengaruhi nukleasi dan pertumbuhan martensit, mempengaruhi morfologi dan distribusinya.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Fraksi martensit yang terbentuk selama quenching dapat diperkirakan menggunakan persamaan Koistinen–Marburger:

[ f_M = 1 - \exp$$-\alpha (M_s - T)$$ ]

di mana:

• ( f_M ) = fraksi volume martensit,
• ( \alpha ) = konstanta spesifik material (~0.011 untuk baja),
• $M_s$ = suhu mulai martensit,
• ( T ) = suhu selama pendinginan.

Persamaan ini mengasumsikan hubungan linier antara pendinginan di bawah Ms dan jumlah martensit yang terbentuk, berlaku untuk kondisi pendinginan cepat.

Suhu Ms itu sendiri dapat diperkirakan berdasarkan komposisi kimia menggunakan rumus empiris, seperti:

[ M_s (°C) = 539 - 423C - 30.4Mn - 17.7Ni - 12.1Cr - 7.5Mo ]

di mana konsentrasi dinyatakan dalam persen berat.

Model Prediktif

Model komputasi, termasuk simulasi fase-field dan perhitungan