Rentang Martensit: Pembentukan, Mikrostruktur & Dampaknya terhadap Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Rentang Martensit mengacu pada interval suhu spesifik di mana baja austenitik berubah menjadi martensit selama proses pendinginan cepat atau penanganan. Ini adalah konsep penting dalam perlakuan panas baja, yang mewakili jendela suhu di mana transformasi austenit menjadi martensit terjadi secara dominan.

Di tingkat atom, pembentukan martensit melibatkan transformasi tanpa difusi yang didominasi oleh geseran dari austenit kubik berpusat muka (FCC) menjadi struktur tetragonal berpusat tubuh (BCT) atau kubik berpusat tubuh (BCC). Transformasi ini ditandai oleh geseran kisi yang terkoordinasi yang menghasilkan perubahan displasif yang cepat tanpa difusi atom, menghasilkan mikrostruktur yang sangat tertekan dan jenuh.

Signifikansi Rentang Martensit terletak pada pengaruhnya terhadap sifat mekanik, kekerasan, dan ketangguhan baja. Memahami interval suhu ini memungkinkan metalurgis untuk menyesuaikan proses perlakuan panas untuk mencapai mikrostruktur dan karakteristik kinerja yang diinginkan, menjadikannya dasar dalam metalurgi baja dan ilmu material.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Martensit dalam baja umumnya mengadopsi struktur kristal tetragonal berpusat tubuh (BCT), yang berasal dari kisi kubik berpusat muka (FCC) austenit induknya. Transformasi ini melibatkan deformasi geseran dari kisi FCC, menghasilkan fase BCT yang terdistorsi dengan parameter kisi c sekitar 1,01 hingga 1,05 kali a, tergantung pada kandungan karbon.

Parameter kisi dipengaruhi oleh atom karbon yang terjebak di situs interstisial, yang mendistorsi struktur BCT. Transformasi terjadi melalui mekanisme geseran yang terkoordinasi, dengan hubungan orientasi tertentu seperti varian Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, yang menghubungkan fase martensit dan austenit.

Dari sudut pandang kristalografi, martensit menunjukkan kepadatan dislokasi dan tegangan internal yang tinggi akibat transformasi geseran. Bidang kebiasaan—bidang yang disukai di mana geseran terjadi—biasanya dekat dengan bidang {111} dari kisi FCC induk, memfasilitasi proses geseran.

Ciri Morfologis

Martensit muncul sebagai mikrostruktur seperti lath atau pelat dalam baja karbon rendah hingga sedang, dengan ukuran berkisar dari beberapa mikrometer hingga puluhan mikrometer. Morfologi tergantung pada komposisi paduan, laju pendinginan, dan mikrostruktur sebelumnya.

Pada baja karbon rendah, martensit muncul sebagai lath halus yang menyerupai jarum yang tersusun dalam paket atau blok, sering kali menunjukkan penampilan khas berbentuk jarum atau acicular di bawah mikroskop optik atau elektron. Pada baja karbon yang lebih tinggi, mikrostruktur dapat terdiri dari pelat atau blok yang lebih besar, dengan batas yang jelas membedakan varian yang berbeda.

Konfigurasi tiga dimensi melibatkan lath atau pelat yang saling mengunci, menciptakan jaringan dislokasi yang kompleks dan berkepadatan tinggi. Fitur visual mikrostruktur mencakup morfologi jarum atau pelat yang khas dengan kontras tinggi di bawah pencitraan elektron yang dipantulkan, sering kali menunjukkan pola lath atau pelat dengan orientasi spesifik varian.

Sifat Fisik

Martensit dibedakan oleh kekerasan dan kekuatannya yang tinggi, berkat kandungan karbon yang jenuh dan kepadatan dislokasi. Kepadatannya sedikit lebih tinggi daripada austenit karena transformasi geseran dan distorsi kisi yang terkait.

Dari segi listrik, martensit menunjukkan resistivitas yang meningkat dibandingkan dengan austenit, yang disebabkan oleh mikrostruktur yang kaya cacat. Secara magnetik, martensit bersifat ferromagnetik, berbeda dengan sifat paramagnetik austenit, menjadikannya alat identifikasi yang berguna dalam pengujian magnetik.

Dari segi termal, martensit memiliki konduktivitas termal yang relatif tinggi dibandingkan dengan mikrostruktur lainnya, memfasilitasi penghilangan panas selama proses. Modulus elastisnya sebanding dengan fase BCT lainnya tetapi dipengaruhi oleh tegangan internal dan kepadatan dislokasi.

Jika dibandingkan dengan ferrit atau perlit, sifat martensit sangat berbeda, dengan kekerasan, kekuatan tarik, dan kerapuhan yang jauh lebih tinggi, yang dapat disesuaikan melalui tempering untuk mengoptimalkan kinerja.

Mechanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan martensit diatur oleh prinsip termodinamika stabilitas fase, di mana perbedaan energi bebas antara austenit dan martensit menentukan gaya pendorong transformasi. Pada suhu tinggi, austenit stabil; setelah pendinginan cepat, energi bebas martensit menjadi lebih rendah daripada austenit dalam jendela suhu tertentu—Rentang Martensit.

Diagram fase baja menunjukkan bahwa suhu awal martensit (Ms) menandai awal transformasi, sementara suhu akhir martensit (Mf) menandakan transformasi yang lengkap. Rentang martensit mencakup suhu antara Ms dan Mf, di mana transformasi berlangsung dengan cepat.

Perubahan energi bebas (ΔG) untuk transformasi dapat dinyatakan sebagai:

ΔG = ΔH - TΔS

di mana ΔH adalah perubahan entalpi, ΔS adalah perubahan entropi, dan T adalah suhu. Ketika ΔG menjadi negatif dalam rentang martensit, transformasi geseran secara termodinamika diuntungkan.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan martensit ditandai oleh proses tanpa difusi yang dikendalikan oleh geseran yang terjadi hampir seketika setelah suhu kritis tercapai. Nucleation dimulai di banyak situs dalam butir austenit, dengan pertumbuhan varian martensitik didorong oleh minimisasi energi regangan geseran.

Langkah pengendali laju adalah transformasi geseran itu sendiri, dengan energi aktivasi yang terkait dengan distorsi kisi dan tegangan internal. Laju transformasi meningkat dengan menurunnya suhu dalam rentang martensit, mencapai maksimum pada Ms, kemudian melambat saat mikrostruktur mendekati penyelesaian dekat Mf.

Diagram waktu-suhu-transformasi (TTT) dan diagram transformasi pendinginan kontinu (CCT) digunakan untuk memodelkan kinetika, menggambarkan laju pendinginan kritis yang diperlukan untuk melewati pembentukan perlit atau bainit dan menghasilkan martensit.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti karbon, mangan, nikel, dan krom mempengaruhi pembentukan martensit dengan mengubah suhu Ms dan Mf. Kandungan karbon yang lebih tinggi menurunkan Ms, memperluas rentang martensit dan meningkatkan kecenderungan untuk transformasi martensitik.

Mikrostruktur sebelumnya, seperti ukuran butir dan fase yang ada, mempengaruhi situs nucleation dan jalur transformasi. Laju pendinginan yang cepat, dicapai melalui penanganan, sangat penting untuk menekan transformasi yang dikendalikan oleh difusi dan mempromosikan pembentukan martensit.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, gradien suhu, dan riwayat deformasi secara signifikan mempengaruhi sejauh mana dan morfologi martensit dalam mikrostruktur baja.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Suhu Ms dapat diperkirakan menggunakan persamaan empiris seperti persamaan Andrews:

Ms (°C) = 539 - 423C - 30Mn - 17Cr - 12Ni - 7Mo

di mana C, Mn, Cr, Ni, dan Mo adalah persentase berat dari elemen paduan yang bersangkutan.

Fraksi volume martensit (f_M) yang terbentuk selama penanganan dapat diperkirakan dengan persamaan Koistinen–Marburger:

f_M = 1 - exp[-α (Ms - T)]

di mana:

• f_M adalah fraksi martensit,

• α adalah konstanta material (~0.011 untuk baja),

• Ms adalah suhu awal martensit,

• T adalah suhu aktual selama pendinginan.

Persamaan ini menggambarkan hubungan eksponensial antara perbedaan suhu (Ms - T) dan fraksi martensit yang terbentuk.

Model Prediktif

Model komputasi