Ms Temperature: Kunci Pembentukan Martensit dan Pengendalian Kekerasan Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Temperatur Ms, atau temperatur awal Martensit, adalah parameter termal kritis dalam metalurgi baja yang menandakan suhu di mana transformasi martensitik dimulai selama pendinginan. Ini didefinisikan sebagai suhu saat pendinginan dari fase austenit di mana nukleasi pertama martensit terjadi dalam matriks austenit. Suhu ini menandai awal dari transformasi fase yang tidak melalui difusi, yang didominasi oleh geseran, yang ditandai dengan perubahan cepat dalam struktur kristal.

Di tingkat atom, suhu Ms diatur oleh energi dari transformasi austenit ke martensit. Transformasi ini melibatkan gerakan geser terkoordinasi dari atom, yang mengakibatkan perubahan dari austenit kubik pusat muka (FCC) menjadi martensit tetragonal pusat badan (BCT). Susunan atom bergeser tanpa difusi jarak jauh, didorong oleh minimisasi energi bebas di bawah kondisi termal dan komposisi tertentu.

Memahami suhu Ms adalah fundamental dalam pengolahan baja karena mempengaruhi mikrostruktur dan, akibatnya, sifat mekanik dari produk akhir. Ini berfungsi sebagai alat prediktif untuk mengontrol transformasi fase, kekerasan, ketangguhan, dan keuletan, menjadikannya sangat penting dalam merancang jadwal perlakuan panas dan komposisi paduan.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Martensit yang terbentuk pada suhu Ms menunjukkan struktur kristalografi yang berbeda yang ditandai dengan kisi BCT yang terdistorsi yang berasal dari fase austenit FCC. Transformasi ini melibatkan deformasi geser sepanjang bidang dan arah kristalografi tertentu, sering dijelaskan oleh mekanisme distorsi Bain.

Parameter kisi martensit biasanya memanjang atau terkompresi relatif terhadap austenit, dengan tetragonality (rasio c/a) bervariasi tergantung pada kandungan karbon. Misalnya, pada baja karbon rendah, martensit dapat mendekati struktur BCC, sedangkan tingkat karbon yang lebih tinggi menyebabkan tetragonality yang signifikan. Transformasi ini mempertahankan kepadatan kemasan atom tetapi mengubah simetri, menghasilkan fase metastabil dengan orientasi kristalografi yang unik.

Hubungan kristalografi antara austenit dan martensit sering dijelaskan oleh hubungan orientasi Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, yang menentukan penyelarasan yang diinginkan dari bidang dan arah kristalografi selama transformasi. Hubungan ini mempengaruhi morfologi dan pemilihan varian dari varian martensit dalam mikrostruktur.

Fitur Morfologis

Martensit mengkristal sebagai lath atau pelat halus dalam butir austenit, biasanya berkisar dari beberapa ratus nanometer hingga beberapa mikrometer dalam panjang. Morfologi sangat tergantung pada komposisi paduan, laju pendinginan, dan mikrostruktur sebelumnya.

Pada baja karbon rendah, martensit muncul sebagai struktur mirip jarum atau pelat dengan morfologi lath atau pelat yang khas. Fitur-fitur ini sering tersusun dalam paket atau blok, dengan pemilihan varian dipengaruhi oleh stres internal dan batasan kristalografi. Konfigurasi tiga dimensi melibatkan lath yang saling berpotongan membentuk mikrostruktur yang kompleks dan saling mengunci.

Di bawah mikroskop optik, martensit muncul sebagai daerah acicular atau berbentuk jarum dengan kontras tinggi karena perbedaan dalam respons etsa dibandingkan dengan austenit. Mikroskop elektron transmisi (TEM) mengungkapkan struktur lath halus, batas kembar, dan jaringan dislokasi dalam martensit, memberikan wawasan tentang kompleksitas mikrostrukturnya.

Sifat Fisik

Martensit menunjukkan kekerasan dan kekuatan tinggi karena kandungan karbon yang terlarut secara berlebihan dan struktur kisi yang terdistorsi. Kerapatannya sedikit lebih tinggi daripada austenit karena distorsi kisi dan penjebakan karbon, biasanya sekitar 7,8 g/cm³.

Dari segi magnetik, martensit bersifat ferromagnetik, berbeda dengan sifat paramagnetik austenit, yang memungkinkan deteksi dan karakterisasi magnetik. Konduktivitas termalnya relatif tinggi, memfasilitasi penghilangan panas selama proses.

Resistivitas listrik martensit lebih tinggi dibandingkan austenit, karena peningkatan kepadatan cacat dan distorsi kisi. Sifat-sifat ini membedakan martensit dari konstituen mikrostruktural lainnya dan sangat penting dalam aplikasi yang memerlukan karakteristik mekanik atau magnetik tertentu.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan martensit pada suhu Ms didorong oleh ketidakseimbangan termodinamika antara fase austenit dan martensit. Transformasi ini mengurangi energi bebas sistem ketika suhu turun di bawah Ms, mengatasi hambatan energi yang terkait dengan deformasi geser.

Perbedaan energi bebas Gibbs (ΔG) antara austenit dan martensit menentukan gaya pendorong untuk transformasi:

ΔG = ΔG_0 + ΔG_thermal + ΔG_strain

di mana ΔG_0 adalah perbedaan energi bebas kimia pada 0 K, ΔG_thermal memperhitungkan efek suhu, dan ΔG_strain mencerminkan regangan elastis dan geser yang terkait dengan transformasi.

Pada suhu Ms, ΔG menjadi cukup negatif untuk mendukung nukleasi martensit tanpa perlu difusi atom, menjadikan proses ini tanpa difusi dan didominasi oleh geseran. Diagram fase sistem Fe-C menggambarkan daerah stabilitas austenit dan martensit, dengan Ms menandai batas di mana martensit mulai terbentuk selama pendinginan.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan martensit ditandai oleh nukleasi dan pertumbuhan yang cepat setelah suhu melewati Ms. Nukleasi terjadi secara heterogen pada cacat, batas butir, atau dislokasi, yang menurunkan hambatan energi.

Pertumbuhan berlangsung melalui mekanisme geser, menyebar pada kecepatan yang mendekati kecepatan suara dalam baja, menghasilkan morfologi lath atau pelat yang khas. Laju transformasi tergantung pada derajat pendinginan di bawah Ms; pendinginan yang lebih besar mempercepat nukleasi dan pertumbuhan.

Energi aktivasi untuk transformasi martensitik relatif rendah dibandingkan dengan proses yang dikendalikan oleh difusi, tetapi laju dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti elemen paduan, mikrostruktur sebelumnya, dan stres eksternal. Persamaan Johnson–Mehl–Avrami sering digunakan untuk memodelkan kinetika transformasi:

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.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan secara signifikan mempengaruhi suhu Ms. Karbon, mangan, nikel, dan elemen pembentuk karbida lainnya cenderung menurunkan Ms dengan menstabilkan austenit, sehingga menunda pembentukan martensit. Sebaliknya, elemen seperti silikon dan aluminium dapat meningkatkan Ms dengan mendestabilkan karbida dan mempromosikan transformasi martensitik.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan secara langsung mempengaruhi Ms dan sejauh mana pembentukan martensit. Pendinginan cepat dari suhu austenitisasi memastikan suhu turun di bawah Ms dengan cepat, menghasilkan fraksi volume martensit yang lebih tinggi.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir austenit sebelumnya dan keberadaan austenit yang tertahan atau ferrit, mempengaruhi lokasi nukleasi dan jalur transformasi. Mikrostruktur yang halus cenderung menghasilkan mikrostruktur martensitik yang lebih seragam dan halus.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Suhu Ms dapat diperkirakan menggunakan persamaan empiris dan semi-empiris yang menghubungkan komposisi paduan dengan suhu awal transformasi. Salah satu hubungan yang banyak digunakan adalah persamaan Andrews:

Ms (°C) = 539 – 423 C – 30.4 Mn – 17.7 Ni – 12.1 Cr – 7.5 Mo

di mana C, Mn, Ni, Cr, dan Mo adalah persentase berat dari elemen masing-masing.

Persamaan ini memberikan perkiraan awal tetapi tidak memperhitungkan interaksi kompleks atau efek mikrostruktural. Model yang lebih maju menggabungkan perhitungan termodinamika berdasarkan metode CAL