Mf Temperatur: Kunci untuk Transformasi Austenit & Mikrostuktur Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Temperatur Mf, juga dikenal sebagai temperatur akhir martensit, adalah parameter termal kritis dalam proses perlakuan panas baja. Ini mewakili suhu di mana transformasi austenit menjadi martensit selesai selama pendinginan, secara khusus menandai titik di mana tidak ada transformasi martensitik lebih lanjut yang terjadi setelah pendinginan berlanjut.

Secara fundamental, temperatur Mf berakar pada perilaku atom dan kristalografi baja selama transformasi fase. Ini menandakan suhu di bawah mana fase austenit menjadi tidak stabil secara termodinamika, mendorong nukleasi dan pertumbuhan martensit—fase tetragonal pusat tubuh (BCT) yang terlampaui jenuh. Penataan ulang atom melibatkan transformasi geser tanpa difusi yang cepat, di mana atom karbon terjebak dalam kisi yang terdistorsi, menghasilkan mikrostruktur yang keras dan rapuh.

Dalam konteks metalurgi baja, temperatur Mf sangat penting untuk mengontrol sifat mekanik seperti kekerasan, ketangguhan, dan keuletan. Ini berfungsi sebagai parameter panduan untuk merancang siklus perlakuan panas, terutama dalam proses pendinginan yang bertujuan untuk mencapai mikrostruktur yang diinginkan. Memahami Mf memungkinkan metalurgis untuk memprediksi sejauh mana transformasi martensitik dan mengoptimalkan parameter pemrosesan untuk aplikasi tertentu.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Martensit yang terbentuk di bawah temperatur Mf menunjukkan struktur kristalografi yang khas yang ditandai oleh kisi tetragonal pusat tubuh (BCT). Fase ini dihasilkan dari transformasi geser tanpa difusi dari austenit kubik pusat wajah (FCC), di mana bidang atom bergeser secara kolektif untuk menghasilkan struktur BCC atau BCT yang terdistorsi.

Parameter kisi martensit tergantung pada kandungan karbon dan laju pendinginan. Biasanya, kisi BCT memiliki rasio tetragonality (c/a) lebih besar dari 1, mencerminkan sumbu c yang memanjang akibat atom karbon yang terjebak secara interstisial. Misalnya, pada baja karbon rendah (~0,2 wt%), parameter kisi adalah sekitar a ≈ 2,87 Å dan c ≈ 3,00 Å, dengan tetragonality meningkat seiring dengan kandungan karbon.

Secara kristalografis, martensit mempertahankan hubungan dengan fase austenit induk melalui varian orientasi yang diatur oleh hubungan orientasi Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann. Hubungan ini menggambarkan bagaimana bidang dan arah kristalografi tertentu dalam martensit sejajar dengan yang ada dalam austenit, memfasilitasi mekanisme transformasi geser.

Ciri Morfologis

Secara mikrostruktural, martensit muncul sebagai lath atau pelat yang menyerupai jarum dalam matriks baja, sering kali tersusun dalam paket atau blok. Morfologi bervariasi dengan komposisi paduan, laju pendinginan, dan mikrostruktur sebelumnya.

Pada baja karbon rendah, martensit muncul sebagai lath halus, akicular dengan lebar sekitar 0,2–2 μm dan panjang beberapa mikrometer. Pada baja karbon tinggi, pelat cenderung lebih kasar dan lebih berbentuk blok. Lath ini biasanya tersusun dalam struktur hierarkis, dengan paket yang terdiri dari beberapa varian martensit, dipisahkan oleh batas lath.

Di bawah mikroskop optik setelah etsa, martensit muncul sebagai daerah gelap yang kontras dengan fase austenit atau ferrit yang lebih terang. Di bawah mikroskop elektron pemindaian (SEM), morfologi lath lebih jelas terlihat, mengungkapkan fitur khas yang menyerupai jarum dan pengaturan varian.

Sifat Fisik

Martensit menunjukkan kekerasan dan kekuatan yang tinggi karena kandungan karbon yang terlampaui jenuh dan kisi BCT yang terdistorsi. Kerapatannya sekitar 7,44 g/cm³, sedikit lebih tinggi dari ferrit (~7,86 g/cm³) karena distorsi kisi dan interstisial karbon.

Secara magnetik, martensit sangat ferromagnetik, mirip dengan ferrit, tetapi dengan koersivitas yang lebih tinggi karena fitur mikrostrukturnya. Konduktivitas termalnya relatif tinggi, memfasilitasi disipasi panas selama pemrosesan.

Secara elektrik, martensit memiliki resistivitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan ferrit atau austenit, yang disebabkan oleh distorsi kisi dan penjebakan kotoran. Sifat-sifat ini membedakan martensit dari konstituen mikrostruktural lainnya dan mempengaruhi kinerja keseluruhan baja.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan martensit diatur oleh stabilitas termodinamika fase pada suhu dan komposisi tertentu. Gaya pendorong untuk transformasi martensitik adalah perbedaan energi bebas Gibbs (ΔG) antara fase austenit dan martensit.

Pada suhu tinggi, austenit stabil secara termodinamika. Ketika suhu menurun di bawah suhu kritis Ms (martensite start), perbedaan energi bebas mendukung pembentukan martensit. Temperatur Mf menandai titik di mana transformasi selesai, dan perbedaan energi bebas mencapai minimum, menstabilkan mikrostruktur martensitik.

Diagram fase, khususnya diagram keseimbangan Fe–C, menggambarkan daerah stabilitas austenit dan martensit. Posisi Mf tergantung pada elemen paduan; misalnya, paduan dengan nikel atau mangan menurunkan Mf, menunda pembentukan martensit.

Kinetika Pembentukan

Transformasi martensitik adalah proses tanpa difusi yang didominasi oleh geser yang ditandai dengan nukleasi dan pertumbuhan yang cepat. Nukleasi terjadi hampir seketika setelah suhu turun di bawah Ms, tetapi penyelesaian tergantung pada laju pendinginan dan komposisi paduan.

Transformasi berlangsung melalui geser terkoordinasi dari bidang atom, menghasilkan morfologi lath atau pelat yang khas. Langkah pengendali laju adalah transformasi geser itu sendiri, dengan energi aktivasi yang terkait dengan distorsi kisi dan penjebakan karbon interstisial.

Kinetika dapat dijelaskan dengan persamaan Johnson–Mehl–Avrami:

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

di mana (X(t)) adalah fraksi yang tertransformasi pada waktu (t), (k) adalah konstanta laju yang bergantung pada suhu, dan (n) adalah eksponen Avrami yang terkait dengan mekanisme nukleasi dan pertumbuhan.

Laju pendinginan secara signifikan mempengaruhi sejauh mana dan keseragaman pembentukan martensit. Pendinginan cepat mendukung transformasi lengkap dan suhu Mf yang lebih rendah, sementara pendinginan yang lebih lambat dapat menghasilkan transformasi parsial atau pembentukan mikrostruktur lain seperti bainit atau pearlit.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan memainkan peran penting dalam menggeser Mf. Elemen seperti karbon, mangan, nikel, dan kromium menstabilkan austenit, menurunkan Mf dan menunda pembentukan martensit. Sebaliknya, elemen seperti molibdenum dan vanadium dapat meningkatkan Mf atau mempromosikan mikrostruktur lain.

Mikrostruktur sebelumnya mempengaruhi perilaku transformasi; misalnya, ukuran butir austenit sebelumnya yang kasar dapat memfasilitasi nukleasi martensit yang lebih mudah, mempengaruhi kinetika transformasi.

Parameter pemrosesan, termasuk laju pendinginan, gradien suhu, dan riwayat deformasi, juga mempengaruhi pembentukan dan distribusi martensit. Deformasi mekanis sebelum pendinginan dapat menginduksi energi regangan, menurunkan Mf dan mempromosikan transformasi martensitik pada suhu yang lebih tinggi.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Temperatur kritis untuk pembentukan martensit, Mf, dapat diperkirakan dengan model empiris atau termodinamika. Hubungan umum adalah:

$$Mf = T_0 - \frac{\Delta G_{CF}}{\Delta S} $$

di mana:

• $T_0$ adalah suhu referensi,

• ( \Delta G_{CF} ) adalah perbedaan energi bebas Gibbs antara austenit dan martensit,

• ( \Delta S ) adalah perubahan entropi yang terkait dengan transformasi.

Alternatifnya, persamaan Koistinen–Marburger memodelkan fraksi martensit