Metalurgi (ilmu): Pembentukan Mikrostruktur & Dampaknya pada Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Metalurgi, dalam konteks baja, mengacu pada cabang ilmu material dan teknik yang berhubungan dengan perilaku fisik dan kimia paduan logam, terutama berfokus pada struktur, sifat, pemrosesan, dan kinerja baja. Ini mencakup prinsip-prinsip ilmiah yang mendasari pembentukan, transformasi, dan stabilitas mikrostruktur dalam baja, yang secara langsung mempengaruhi sifat mekanik dan fisiknya.

Di tingkat atom, metalurgi didasarkan pada prinsip-prinsip kristalografi, termodinamika, dan kinetika. Susunan atom dalam baja terutama melibatkan fase kristalin berbasis besi, seperti ferit (α-Fe), austenit (γ-Fe), semenit (Fe₃C), dan berbagai karbida paduan atau intermetallic. Fase-fase ini terbentuk dan bertransformasi berdasarkan interaksi atom, proses difusi, dan keseimbangan fase, yang diatur oleh diagram fase dan stabilitas termodinamik.

Secara fundamental, metalurgi menyediakan kerangka ilmiah untuk memahami bagaimana konstituen mikrostruktural berkembang selama pemrosesan dan bagaimana mereka mempengaruhi perilaku makroskopik baja. Ini memungkinkan desain perlakuan panas, komposisi paduan, dan proses mekanik untuk menyesuaikan sifat seperti kekuatan, ketangguhan, ketahanan, dan ketahanan korosi, menjadikannya sangat penting dalam pembuatan dan aplikasi baja.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Mikrostruktur baja ditandai oleh berbagai fase kristalografi, masing-masing dengan susunan atom yang berbeda. Fase yang paling umum meliputi:

• Ferit (α-Fe): Sistem kristal kubik berpusat badan (BCC) dengan parameter kisi sekitar 2.866 Å pada suhu kamar. Ini menunjukkan susunan atom yang relatif sederhana dengan atom di sudut dan pusat kubus, memberikan ketangguhan tinggi dan kekuatan rendah.

• Austenit (γ-Fe): Struktur kubik berpusat wajah (FCC) dengan parameter kisi sekitar 3.58 Å. Austenit memiliki susunan atom yang lebih padat, yang memungkinkan kelarutan elemen paduan yang lebih tinggi dan berkontribusi pada stabilitasnya pada suhu tinggi.

• Semenit (Fe₃C): Senyawa intermetallic ortorhombik dengan susunan atom yang kompleks, ditandai oleh stoikiometri dan simetri kristal tertentu. Semenit keras dan rapuh, sering terbentuk sebagai lamela atau partikel dalam mikrostruktur.

• Martensit: Fase tetragonal berpusat badan (BCT) yang jenuh yang terbentuk oleh pendinginan cepat austenit. Struktur atomnya dihasilkan dari transformasi geser tanpa difusi, menghasilkan kisi BCC yang terdistorsi dengan kepadatan dislokasi tinggi.

Fase-fase tersebut saling terhubung melalui transformasi fase yang diatur oleh diagram fase, seperti diagram fase Fe-C, yang menggambarkan daerah stabilitas masing-masing fase pada suhu dan komposisi yang berbeda.

Orientasi dan hubungan kristalografi, seperti hubungan orientasi Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, menggambarkan bagaimana fase induk dan fase yang tertransformasi saling berhubungan secara kristalografi selama perubahan fase, mempengaruhi sifat seperti ketangguhan dan anisotropi.

Fitur Morfologis

Morfologi mikrostruktural dalam baja bervariasi secara luas tergantung pada kondisi pemrosesan. Fitur khas meliputi:

• Butir: Wilayah kristalin dengan orientasi tertentu, berkisar dari beberapa mikrometer hingga beberapa milimeter dalam ukuran. Butir halus umumnya meningkatkan kekuatan dan ketangguhan.

• Fase dan konstituen: Seperti ferit, perlit, bainit, martensit, dan karbida, masing-masing dengan bentuk dan distribusi karakteristik.

• Perlit: Lamela bergantian dari ferit dan semenit, dengan jarak antar lamela biasanya antara 0.1 dan 1 μm. Morfologi muncul sebagai pita gelap dan terang di bawah mikroskop optik.

• Bainit: Mikrostruktur akicular atau berbulu yang terdiri dari ferit dan semenit, terbentuk dalam berbagai ukuran dari sub-mikron hingga beberapa mikron, dengan penampilan khas seperti jarum.

• Martensit: Struktur halus, seperti jarum atau pelat, sering membentuk lath atau pelat dalam butir austenit sebelumnya, terlihat sebagai fitur kontras tinggi di bawah mikroskop.

• Karbida dan presipitat paduan: Partikel berbentuk bulat, batang, atau pelat yang tersebar dalam matriks, mempengaruhi kekerasan dan ketahanan aus.

Konfigurasi tiga dimensi dari fitur-fitur ini menentukan respons mekanik baja, dengan morfologi mempengaruhi propagasi retak, mekanisme deformasi, dan ketangguhan.

Sifat Fisik

Mikrostruktur memberikan sifat fisik tertentu pada baja:

• Kepadatan: Sedikit bervariasi dengan komposisi fase; ferit (~7.87 g/cm³) kurang padat dibandingkan semenit (~7.65 g/cm³), tetapi perbedaan keseluruhan kecil.

• Konduktivitas listrik: Umumnya rendah dalam baja; fase seperti ferit dan austenit memiliki konduktivitas yang mirip, tetapi presipitat karbida dapat menghambat aliran elektron.

• Sifat magnetik: Ferit bersifat feromagnetik, sementara austenit bersifat paramagnetik pada suhu kamar. Martensit menunjukkan saturasi magnetik tinggi, berguna dalam pengujian nondestruktif magnetik.

• Konduktivitas termal: Berkisar dari 50 hingga 60 W/m·K, dengan ferit memiliki konduktivitas sedikit lebih tinggi dibandingkan karbida atau fase lainnya.

Sifat-sifat ini berbeda secara signifikan dari inklusi non-logam atau fase sekunder, yang dapat bertindak sebagai penghalang atau fasilitator untuk aliran panas dan listrik, mempengaruhi kinerja keseluruhan baja.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamik

Pembentukan mikrostruktur dalam baja didorong oleh prinsip-prinsip termodinamik yang bertujuan untuk meminimalkan energi bebas. Perubahan energi bebas Gibbs (ΔG) yang terkait dengan transformasi fase menentukan stabilitas fase:

$$
\Delta G = \Delta H - T \Delta S
$$

di mana ΔH adalah perubahan entalpi, T adalah suhu, dan ΔS adalah perubahan entropi.

Pada keseimbangan, fase-fase saling berdampingan pada komposisi dan suhu tertentu, seperti yang digambarkan dalam diagram fase. Misalnya, diagram fase Fe-C menunjukkan rentang suhu dan komposisi di mana austenit, ferit, semenit, atau perlit stabil.

Stabilitas fase dipengaruhi oleh perbedaan energi bebas antara fase-fase, dengan transformasi terjadi ketika energi bebas fase baru menjadi lebih rendah daripada fase induk. Gaya pendorong untuk transformasi meningkat dengan pendinginan di bawah suhu keseimbangan.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan mikrostruktur melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan:

• Nukleasi: Pembentukan awal fase baru terjadi melalui rearrangement atom, yang memerlukan pengatasan penghalang energi yang terkait dengan penciptaan antarmuka baru. Nukleasi homogen jarang terjadi; nukleasi heterogen di batas butir atau inklusi lebih umum.

• Pertumbuhan: Setelah nukleus terbentuk, atom-atom berdifusi ke antarmuka, memungkinkan fase untuk tumbuh. Laju difusi tergantung pada suhu, gradien konsentrasi, dan mobilitas atom.

Laju transformasi diatur oleh persamaan Arrhenius:

$$
k = k_0 \exp\left( -\frac{Q}{RT} \right)
$$

di mana (k) adalah konstanta la