Mikrostruktur dalam Baja: Pembentukan, Karakteristik & Dampak pada Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Mikrostruktur mengacu pada pengaturan spasial, morfologi, dan distribusi berbagai fase, butir, dan cacat dalam material baja pada skala mikroskopis atau sub-mikroskopis. Ini mencakup fitur internal yang terlihat di bawah mikroskop optik atau elektron, seperti batas butir, konstituen fase, presipitasi, dan struktur dislokasi.

Di tingkat atom dan kristalografi, mikrostruktur diatur oleh pengaturan atom dalam kisi kristal, keberadaan fase yang berbeda dengan konfigurasi atom yang berbeda, dan antarmuka antara fase-fase ini. Pengaturan atom menentukan struktur kristal—seperti kubus berpusat badan (BCC), kubus berpusat muka (FCC), atau terpakai heksagonal (HCP)—yang mempengaruhi sifat material.

Dalam metalurgi baja dan ilmu material, mikrostruktur sangat penting karena secara langsung mempengaruhi sifat mekanik, ketahanan korosi, perilaku magnetik, dan stabilitas termal. Memahami dan mengendalikan mikrostruktur memungkinkan metalurgis untuk menyesuaikan sifat baja untuk aplikasi tertentu, menjadikannya konsep sentral dalam rekayasa material.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Mikrostruktur baja dicirikan oleh pengaturan kristalografi dari fase-fase penyusunnya. Fase utama termasuk ferit (α-besi), sistem kristal BCC dengan parameter kisi sekitar 2.866 Å pada suhu kamar, dan austenit (γ-besi), yang mengadopsi struktur FCC dengan parameter kisi sekitar 3.58 Å.

Fase lain seperti semenit (Fe₃C), martensit, bainit, dan berbagai karbida juga memiliki struktur kristal dan parameter kisi yang berbeda. Misalnya, semenit bersifat ortorhombik, dengan pengaturan atom yang kompleks yang berkontribusi pada kekerasannya.

Orientasi kristalografi dalam butir dapat bervariasi, tetapi sering menunjukkan orientasi atau tekstur yang diutamakan akibat pemrosesan. Batas butir adalah antarmuka antara kristal dengan orientasi yang berbeda, dan batas fase memisahkan fase-fase yang berbeda dengan struktur kristal yang berbeda. Antarmuka ini mempengaruhi sifat seperti kekuatan dan ketangguhan.

Fitur Morfologis

Fitur mikrostruktural menunjukkan berbagai bentuk dan ukuran, biasanya berkisar dari nanometer hingga mikrometer. Misalnya, butir ferit umumnya berbentuk ekuiaxial dan dapat berkisar dari beberapa mikrometer hingga ratusan mikrometer dalam diameter.

Lath martensitik adalah struktur mirip jarum atau pelat, sering kali beberapa mikrometer panjang dan kurang dari satu mikrometer tebal. Bainit muncul sebagai struktur akicular atau berbulu, dengan ukuran tergantung pada parameter perlakuan panas.

Distribusi fase dapat bersifat homogen atau heterogen, dengan fitur seperti presipitasi yang tersebar dalam matriks atau struktur berlapis seperti perlit, yang terdiri dari lamela ferit dan semenit yang bergantian.

Di bawah mikroskop optik, perlit muncul sebagai jaringan pita gelap dan terang, sementara martensit menunjukkan sebagai daerah mirip jarum atau pelat dengan kontras tinggi. Mikroskop elektron mengungkapkan detail yang lebih halus, seperti pengaturan dislokasi dan presipitasi pada skala nano.

Sifat Fisik

Sifat fisik dari konstituen mikrostruktural bervariasi secara signifikan. Ferit, yang relatif lunak dan ulet, menunjukkan kekerasan rendah (~100 HV) dan konduktivitas listrik tinggi. Martensit, di sisi lain, keras (~600 HV) dan rapuh, dengan kepadatan dislokasi tinggi.

Perbedaan densitas minimal di antara fase tetapi dapat mempengaruhi tegangan sisa. Sifat magnetik tergantung pada fase; ferit bersifat feromagnetik, sementara austenit bersifat paramagnetik pada suhu kamar. Konduktivitas termal bervariasi, dengan ferit umumnya memiliki konduktivitas termal lebih tinggi dibandingkan karbida atau martensit.

Sifat-sifat ini berbeda dari fitur mikrostruktural lainnya, seperti batas butir atau presipitasi, yang dapat bertindak sebagai penghalang terhadap gerakan dislokasi, mempengaruhi resistivitas listrik, atau memodifikasi perilaku magnetik.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan mikrostruktur dalam baja didorong oleh prinsip-prinsip termodinamika yang bertujuan untuk meminimalkan energi bebas sistem. Perbedaan energi bebas Gibbs (ΔG) antara fase menentukan stabilitas fase pada suhu dan komposisi tertentu.

Misalnya, selama pendinginan dari austenit, transformasi menjadi ferit, perlit, bainit, atau martensit tergantung pada energi bebas relatif dari fase-fase ini. Diagram fase, seperti diagram fase Fe-C, memberikan batas keseimbangan yang menunjukkan daerah fase stabil.

Stabilitas fase dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti kandungan karbon, suhu, dan elemen paduan. Misalnya, pada suhu tinggi, austenit stabil, tetapi saat pendinginan, energi bebas lebih mendukung pembentukan ferit dan semenit.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi dan pertumbuhan fitur mikrostruktural dikendalikan oleh faktor kinetik. Nukleasi melibatkan mengatasi penghalang energi yang terkait dengan penciptaan antarmuka baru; laju tergantung pada suhu, supersaturasi, dan keberadaan situs nukleasi.

Kinetika pertumbuhan diatur oleh laju difusi atom, yang tergantung pada suhu. Misalnya, pembentukan perlit melibatkan difusi karbon dan pertumbuhan lamelar, dengan laju yang menurun saat suhu turun.

Diagram waktu-suhu-transformasi (TTT) menggambarkan kinetika transformasi fase, menggambarkan waktu yang diperlukan untuk mikrostruktur tertentu terbentuk pada suhu tertentu. Diagram transformasi pendinginan kontinu (CCT) memperluas pemahaman ini ke kondisi non-isotermal.

Langkah-langkah yang mengendalikan laju termasuk difusi atom, mobilitas antarmuka, dan gerakan dislokasi. Energi aktivasi untuk difusi bervariasi di antara fase, mempengaruhi kecepatan transformasi.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti mangan, nikel, kromium, dan molibdenum memodifikasi stabilitas fase dan kinetika transformasi. Misalnya, nikel menstabilkan austenit, menunda transformasi martensitik.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, deformasi, dan mikrostruktur sebelumnya secara signifikan mempengaruhi mikrostruktur yang dihasilkan. Pendinginan cepat mendukung martensit, sementara pendinginan lambat memungkinkan pembentukan perlit atau bainit.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir austenit sebelumnya, mempengaruhi situs nukleasi dan jalur transformasi, berdampak pada mikrostruktur akhir.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Termodinamika transformasi fase dapat dijelaskan dengan perbedaan energi bebas Gibbs:

$$\Delta G = \Delta G_{phase\,1} - \Delta G_{phase\,2} $$

di mana (\Delta G_{phase\,i}) tergantung pada suhu, komposisi, dan parameter spesifik fase.

Persamaan Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) memodelkan kinetika transformasi:

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

di mana:

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

Transformasi yang dikendalikan oleh difusi mengikuti hukum Fick, dengan fluks (J):

$$J = -D \frac{\partial C}{\partial x} $$

di mana:

• $D$ adalah koefisien difusi,
• $C$ adalah konsentrasi,
• (x) adalah posisi.

Persamaan ini mendasari model yang memprediksi evolusi mikrostruktural selama perlakuan panas.

Model Prediktif

Alat komputasi seperti pemodelan fase-field mensimulasikan perkembangan mikrostruktural dengan memecahkan persamaan termodinamika dan kinetika di berbagai skala. Model