Mikrostruktur Martensitik dalam Baja: Pembentukan, Sifat & Aplikasi

Definisi dan Konsep Dasar

Martensitik mengacu pada fase mikrostruktural tertentu dalam baja yang ditandai oleh struktur kristal tetragonal berpusat badan (BCT) yang terlampaui jenuh, yang terbentuk melalui pendinginan cepat dari fase austenitik (kubus berpusat wajah, FCC). Ini dibedakan oleh kisi yang sangat terdistorsi, yang dihasilkan dari transformasi austenit menjadi martensit yang dominan geser tanpa difusi.

Di tingkat atom, martensit terbentuk melalui pengaturan ulang atom yang terkoordinasi dan berbasis geser yang melewati transformasi fase yang dikendalikan difusi yang lebih lambat. Proses ini melibatkan gerakan atom yang cepat dan kooperatif yang menghasilkan fase metastabil dengan konfigurasi kristalografi yang berbeda. Dasar ilmiah fundamental terletak pada transformasi austenit FCC menjadi martensit BCT melalui mekanisme geser, yang didorong oleh ketidakstabilan termodinamika austenit pada suhu yang lebih rendah.

Dalam metalurgi baja, martensit signifikan karena memberikan kekerasan, kekuatan, dan ketahanan aus yang luar biasa, menjadikannya penting untuk aplikasi berkinerja tinggi. Pembentukan dan pengendaliannya adalah pusat dari proses perlakuan panas seperti pendinginan dan tempering, yang menyesuaikan sifat baja untuk berbagai penggunaan industri. Memahami transformasi martensitik adalah dasar untuk rekayasa mikrostruktural, memungkinkan pengembangan baja dengan karakteristik mekanik dan fisik yang dioptimalkan.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Martensit menunjukkan struktur kristal tetragonal berpusat badan (BCT), yang merupakan bentuk terdistorsi dari kisi kubus berpusat wajah (FCC) austenit. Transformasi melibatkan deformasi geser yang memperpanjang kisi sepanjang satu sumbu, menghasilkan distorsi tetragonal yang ditandai dengan rasio c/a yang lebih besar dari 1.

Parameter kisi martensit tergantung pada komposisi paduan, terutama kandungan karbon. Untuk baja karbon rendah, rasio c/a mendekati 1, mendekati struktur kubus berpusat badan (BCC), sedangkan tingkat karbon yang lebih tinggi menyebabkan tetragonitas yang lebih jelas. Transformasi terjadi melalui mekanisme geser yang mempertahankan tetangga atom, yang mengarah pada bidang kebiasaan martensitik tanpa difusi.

Dari sudut pandang kristalografi, martensit terbentuk dengan hubungan orientasi tertentu dengan fase austenit induk, terutama hubungan orientasi Kurdjumov–Sachs (K–S) dan Nishiyama–Wassermann (N–W). Hubungan ini menggambarkan penyelarasan bidang dan arah kristalografi antara fase induk dan produk, yang mempengaruhi morfologi dan sifat mikrostruktur.

Ciri Morfologis

Mikrostruktur martensitik biasanya ditandai oleh fitur lath atau mirip pelat, tergantung pada komposisi baja dan kondisi pendinginan. Dalam baja karbon rendah, martensit muncul sebagai lath halus yang mirip jarum, sedangkan dalam baja karbon lebih tinggi, ia muncul sebagai struktur berbentuk pelat yang lebih besar.

Ukuran fitur martensitik berkisar dari beberapa ratus nanometer hingga beberapa mikrometer. Morfologi mikrostruktur dipengaruhi oleh laju pendinginan, elemen paduan, dan mikrostruktur sebelumnya. Pendinginan cepat menghasilkan mikrostruktur martensitik yang halus dan homogen, sementara pendinginan yang lebih lambat dapat menyebabkan fitur yang lebih kasar dan potensi pembentukan austenit yang tertahan atau fase lainnya.

Di bawah mikroskop optik, martensit muncul sebagai daerah gelap yang mirip jarum atau pelat dalam matriks baja, sering kali menunjukkan morfologi lath atau pelat yang khas. Mikroskopi elektron transmisi (TEM) mengungkapkan susunan atom yang terperinci dan struktur dislokasi dalam martensit, menyoroti kepadatan dislokasi yang tinggi dan regangan internal.

Sifat Fisik

Martensit menunjukkan kekerasan dan kekuatan tinggi karena kandungan karbon yang terlampaui jenuh dan kisi yang terdistorsi. Kekerasannya dapat berkisar dari sekitar 400 hingga 700 kekerasan Vickers (HV), tergantung pada komposisi paduan dan parameter perlakuan panas.

Kepadatan martensit sedikit lebih tinggi daripada ferrit atau perlit, karena distorsi tetragonal dan jenuh karbon. Konduktivitas listriknya relatif rendah karena kepadatan dislokasi yang tinggi dan penjebakan kotoran, sementara sifat magnetik signifikan; martensit umumnya ferromagnetik, mirip dengan ferrit, tetapi dengan struktur domain magnetik yang diubah.

Dari segi termal, martensit memiliki energi regangan internal yang tinggi, yang mempengaruhi perilaku transformasinya selama tempering. Konduktivitas termalnya sebanding dengan mikrostruktur baja lainnya tetapi dapat dipengaruhi oleh elemen paduan dan fitur mikrostruktural.

Jika dibandingkan dengan mikrokonstituen lain seperti ferrit atau perlit, sifat fisik martensit sangat berbeda, terutama karena kepadatan dislokasi yang tinggi, jenuh karbon, dan distorsi kisi tetragonal, yang secara kolektif memberikan kekerasan dan kekuatan yang superior tetapi mengurangi duktilitas.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamik

Pembentukan martensit diatur oleh ketidakstabilan termodinamik austenit pada suhu rendah. Perbedaan energi bebas (ΔG) antara austenit dan martensit menjadi negatif di bawah suhu kritis (Ms), yang mendukung transformasi.

Transformasi ini adalah proses tanpa difusi yang dominan geser yang terjadi dengan cepat setelah suhu turun di bawah Ms. Stabilitas austenit dipengaruhi oleh elemen paduan seperti karbon, mangan, dan nikel, yang menggeser suhu Ms. Diagram fase, terutama diagram keseimbangan Fe–C, menggambarkan rentang suhu dan komposisi di mana pembentukan martensit secara termodinamik menguntungkan.

Perubahan energi bebas yang mendorong transformasi adalah keseimbangan antara pengurangan energi bebas akibat pembentukan martensit dan energi regangan elastis yang terkait dengan distorsi kisi. Gaya pendorong kritis harus mengatasi penghalang energi regangan elastis untuk nukleasi terjadi.

Kinetika Pembentukan

Kinetika transformasi martensitik ditandai oleh mekanisme geser yang cepat dan tanpa difusi yang berlangsung melalui proses nukleasi dan pertumbuhan. Nukleasi terjadi pada cacat seperti dislokasi, batas butir, atau inklusi, yang berfungsi sebagai situs preferensial karena keadaan energinya yang tinggi.

Setelah ter-nukleasi, martensit tumbuh dengan cepat melalui mekanisme geser yang menyebar pada kecepatan mendekati kecepatan suara dalam baja. Laju transformasi tergantung pada derajat pendinginan di bawah Ms; pendinginan yang lebih besar mempercepat transformasi.

Langkah pengendali laju sering kali adalah proses nukleasi, dengan energi aktivasi yang terkait dengan transformasi geser dan distorsi kisi. Transformasi dapat dijelaskan oleh persamaan Johnson–Mehl–Avrami (JMA), yang memodelkan fraksi yang tertransformasi sebagai fungsi waktu dan suhu.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan secara signifikan mempengaruhi pembentukan martensit. Karbon meningkatkan suhu Ms, mendorong transformasi martensitik pada laju pendinginan yang lebih tinggi. Sebaliknya, elemen seperti nikel dan mangan cenderung menstabilkan austenit, menurunkan Ms dan menghambat pembentukan martensit.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan sangat penting; pendinginan cepat dari suhu austenitisasi diperlukan untuk melewati pembentukan perlit atau bainit dan mencapai mikrostruktur martensitik. Mikrostruktur sebelumnya, seperti ukuran butir dan fase yang ada, juga mempengaruhi situs nukleasi dan perilaku transformasi.

Kehadiran austenit yang tertahan, ukuran butir austenit sebelumnya, dan derajat deformasi mempengaruhi kinetika dan morfologi martensit. Pengendalian paduan dan jadwal perlakuan panas yang terkontrol digunakan untuk mengoptimalkan jumlah, distribusi, dan sifat martensit.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Persamaan Johnson–Mehl–Avrami (JMA) memodelkan fraksi martensit yang terbentuk seiring waktu:

$$X(t) = 1 - \exp(-k t^n) $$

di mana:

• ( X(t) ) adalah fraksi yang tertransformasi pada waktu ( t ),
• ( k ) adalah