Mikrostruktur Baja Metastabil: Pembentukan, Karakteristik & Dampak
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Definisi dan Konsep Dasar
Metastabil dalam metalurgi baja mengacu pada keadaan mikrostruktur atau fase non-ekuilibrium yang bertahan selama periode terbatas di bawah kondisi tertentu, meskipun ada kecenderungan termodinamika untuk berubah menjadi fase yang lebih stabil. Ini ditandai dengan minimum lokal dalam lanskap energi bebas, yang mencegah transformasi segera, sehingga memungkinkan mikrostruktur untuk ada sementara dalam konfigurasi energi yang lebih tinggi.
Di tingkat atom atau kristalografi, metastabilitas muncul ketika susunan atom atau komposisi fase terhambat secara kinetik untuk mencapai ekuilibrium. Ini dapat terjadi karena hambatan energi yang terkait dengan proses nukleasi atau pertumbuhan, atau karena pendinginan cepat yang "membekukan" fase suhu tinggi pada suhu yang lebih rendah. Dasar ilmiah fundamental melibatkan interaksi antara gaya pendorong termodinamika dan hambatan kinetik, yang menentukan apakah suatu fase atau mikrostruktur tetap metastabil atau berubah menjadi keadaan yang lebih stabil.
Dalam metalurgi baja, metastabilitas signifikan karena memungkinkan pembentukan mikrostruktur dengan sifat yang diinginkan yang sebaliknya tidak dapat dicapai di bawah kondisi ekuilibrium. Ini mendasari banyak proses perlakuan panas, seperti pendinginan cepat dan tempering, di mana fase non-ekuilibrium yang terkontrol seperti martensit secara sengaja distabilkan. Memahami metastabilitas memungkinkan metalurgis untuk menyesuaikan mikrostruktur untuk sifat mekanik, magnetik, atau tahan korosi tertentu, sehingga memperluas fleksibilitas fungsional bahan baja.
Sifat Fisik dan Karakteristik
Struktur Kristalografi
Fase metastabil dalam baja biasanya menunjukkan fitur kristalografi yang berbeda dibandingkan dengan rekan stabilnya. Misalnya, martensit, fase metastabil yang umum, mengadopsi struktur tetragonal berpusat badan (BCT) yang berasal dari fase austenit kubik berpusat wajah (FCC). Transformasi melibatkan proses geser terkoordinasi yang mendistorsi kisi induk, menghasilkan struktur kristal yang terdistorsi dan terjenuh.
Parameter kisi fase metastabil sering kali sedikit berbeda dari fase ekuilibrium, mencerminkan stres internal dan variasi komposisi. Dalam martensit, rasio tetragonality (c/a) bervariasi tergantung pada kandungan karbon, dengan tingkat karbon yang lebih tinggi meningkatkan tetragonality. Orientasi kristalografi sering mengikuti hubungan orientasi tertentu dengan fase induk, seperti hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, yang menggambarkan bagaimana fase metastabil nukleasi dan tumbuh dalam matriks induk.
Susunan atom dalam fase metastabil biasanya ditandai oleh kepadatan cacat yang tinggi, seperti dislokasi dan batas kembar, yang mengakomodasi distorsi kisi. Fitur-fitur ini mempengaruhi perilaku mekanik fase dan jalur transformasi.
Fitur Morfologis
Mikrostruktur metastabil dalam baja umumnya muncul sebagai fitur morfologis yang berbeda yang dapat diamati di bawah mikroskop. Martensit, misalnya, muncul sebagai struktur akicular (seperti jarum) atau berbentuk lath, sering kali terbentuk dalam paket atau blok dalam mikrostruktur induk. Ukuran fitur-fitur ini dapat berkisar dari beberapa ratus nanometer hingga beberapa mikrometer, tergantung pada kondisi pemrosesan.
Morfologi dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti laju pendinginan, komposisi paduan, dan mikrostruktur sebelumnya. Pendinginan cepat cenderung menghasilkan struktur martensit yang halus dan homogen, sementara pendinginan yang lebih lambat dapat menghasilkan fitur yang lebih kasar atau pembentukan austenit yang tertahan. Konfigurasi tiga dimensi sering melibatkan struktur lath atau pelat yang saling terhubung yang berkontribusi pada kekuatan dan ketangguhan mikrostruktur.
Di bawah mikroskop optik, fase metastabil seperti martensit menunjukkan penampilan khas seperti jarum atau lath dengan kontras tinggi karena kepadatan dislokasi yang tinggi dan stres internal. Mikroskopi elektron mengungkapkan fitur-fitur rinci seperti batas kembar, paket lath, dan cacat internal yang mendefinisikan mikrostruktur metastabil.
Sifat Fisik
Mikrostruktur metastabil memiliki sifat fisik unik yang membedakannya dari fase ekuilibrium. Martensit, misalnya, menunjukkan kekerasan dan kekuatan tinggi karena kandungan karbon yang terjenuh dan kisi yang terdistorsi. Kepadatannya sedikit lebih tinggi daripada austenit induk karena distorsi kisi dan stres internal.
Konduktivitas listrik dalam fase metastabil umumnya berkurang dibandingkan dengan fase stabil, karena peningkatan kepadatan cacat dan penjeratan kotoran. Sifat magnetik juga terpengaruh; martensit biasanya ferromagnetik, dengan saturasi magnetik yang dipengaruhi oleh kandungan karbon dan fitur mikrostruktur.
Dari segi termal, fase metastabil dapat mengalami transformasi saat dipanaskan, melepaskan energi yang tersimpan dan mengubah sifat. Misalnya, tempering mengurangi stres internal dan supersaturasi karbon, yang mengarah pada penurunan kekerasan tetapi meningkatkan duktilitas. Sifat fisik fase metastabil sangat sensitif terhadap komposisi, morfologi, dan riwayat termal mereka.
Mekanisme Pembentukan dan Kinetika
Dasar Termodinamika
Pembentukan mikrostruktur metastabil dalam baja diatur oleh prinsip-prinsip termodinamika yang melibatkan pertimbangan energi bebas. Di bawah kondisi suhu dan komposisi tertentu, energi bebas fase metastabil lebih tinggi daripada fase ekuilibrium tetapi tetap stabil secara lokal karena hambatan energi.
Diagram fase, seperti diagram fase Fe–C, menggambarkan daerah di mana fase metastabil dapat terbentuk. Misalnya, pendinginan cepat dari suhu austenitisasi melewati transformasi ekuilibrium menjadi perlit atau bainit, menjebak karbon dalam martensit yang terjenuh. Perbedaan energi bebas (ΔG) antara fase metastabil dan stabil menentukan gaya pendorong untuk transformasi, dengan fase metastabil ada ketika ΔG positif tetapi terhambat secara kinetik dari transformasi segera.
Kinetika Pembentukan
Kinetika pembentukan fase metastabil melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan yang dikendalikan oleh mobilitas atom dan hambatan energi. Nukleasi martensit terjadi melalui mekanisme transformasi geser, yang memerlukan stres geser kritis dan sangat sensitif terhadap laju pendinginan dan mikrostruktur sebelumnya.
Pertumbuhan fase metastabil cepat setelah nukleasi, sering terjadi dalam milidetik selama pendinginan cepat. Langkah pengendali laju biasanya adalah transformasi geser, dengan energi aktivasi yang terkait dengan distorsi kisi dan pergerakan cacat. Kinetika dijelaskan oleh model seperti persamaan Johnson–Mehl–Avrami, yang menghubungkan fraksi transformasi dengan waktu dan suhu.
Diagram waktu-suhu-transformasi (TTT) menggambarkan daerah di mana fase metastabil terbentuk dan berubah, membimbing jadwal perlakuan panas. Laju pendinginan yang lebih cepat meningkatkan kemungkinan retensi fase metastabil dengan menekan transformasi yang dikendalikan difusi.
Faktor yang Mempengaruhi
Beberapa faktor mempengaruhi pembentukan dan stabilitas mikrostruktur metastabil. Unsur paduan seperti karbon, nitrogen, mangan, dan nikel memodifikasi stabilitas fase dan kinetika transformasi. Misalnya, kandungan karbon yang lebih tinggi menstabilkan martensit dan meningkatkan kekerasannya.
Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, suhu austenitisasi, dan mikrostruktur sebelumnya secara signifikan mempengaruhi perkembangan fase metastabil. Pendinginan cepat mendukung martensit yang halus dan homogen, sementara pendinginan yang lebih lambat dapat menyebabkan transformasi parsial atau austenit yang tertahan.
Mikrostruktur awal, termasuk ukuran butir dan kepadatan dislokasi, juga mempengaruhi situs nukleasi dan jalur transformasi. Cacat yang sudah ada dapat mempercepat atau menghambat pembentukan fase metastabil.
Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif
Persamaan Kunci
Kinetika transformasi fase metastabil sering dijelaskan oleh persamaan Johnson–Mehl–Avrami (JMA):
$$X(t) = 1 - \exp(-k t^n) $$
di mana:
- ( X(t) ) adalah fraksi volume yang tertransformasi pada waktu ( t ),
- ( k ) adalah konstanta laju, tergantung pada suhu dan sifat material,
- ( n ) adalah eksponen Avrami, terkait dengan mekanisme nukleasi dan pertumbuhan.
Konstanta laju ( k ) mengikuti ket