Struktur Jaringan dalam Mikrostuktur Baja: Pembentukan, Karakteristik & Dampak
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Definisi dan Konsep Dasar
Struktur Jaringan dalam mikrostruktur baja mengacu pada pengaturan yang terus-menerus dan saling terhubung dari fase atau komponen tertentu yang membentuk pola seperti jaringan dalam matriks logam. Fitur mikrostruktural ini biasanya muncul sebagai jaring atau kisi fase seperti karbida, nitride, atau ferit bainitik, yang saling terhubung di seluruh volume baja.
Di tingkat atom dan kristalografi, struktur jaringan muncul dari distribusi spasial dan hubungan orientasi fase yang diatur oleh stabilitas termodinamik dan faktor kinetik. Ini melibatkan pembentukan batas fase yang membentang di seluruh mikrostruktur, menciptakan jalur fase yang terus-menerus yang mempengaruhi sifat mekanik dan fisik.
Dalam metalurgi baja dan ilmu material, struktur jaringan sangat penting karena secara langsung mempengaruhi sifat seperti kekuatan, ketangguhan, ketahanan korosi, dan perilaku aus. Kehadirannya sering menunjukkan kondisi perlakuan panas atau paduan tertentu dan memainkan peran penting dalam menyesuaikan kinerja baja untuk aplikasi khusus.
Sifat Fisik dan Karakteristik
Struktur Kristalografi
Fitur kristalografi dari struktur jaringan tergantung pada fase yang terlibat. Misalnya, dalam baja paduan rendah dengan mikrostruktur bainitik, jaringan dapat terdiri dari lath ferit bainitik yang saling terhubung oleh film semenit atau austenit yang terjaga.
Ferit bainitik mengadopsi sistem kristal kubik berpusat badan (BCC) dengan parameter kisi sekitar 2,86 Å untuk besi murni. Semenit (Fe₃C), fase karbida umum dalam struktur jaringan, memiliki sistem kristal ortorhombik dengan parameter kisi sekitar a = 5,05 Å, b = 6,74 Å, c = 4,52 Å.
Fase-fase dalam jaringan sering menunjukkan hubungan orientasi tertentu, seperti hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann antara ferit dan semenit, yang memfasilitasi antarmuka koheren atau semi-koheren. Penyelarasan kristalografi ini mempengaruhi stabilitas fase dan interaksi mekanik.
Fitur Morfologis
Struktur jaringan biasanya muncul sebagai kisi fase yang terus-menerus dan saling terhubung yang dapat diamati di bawah mikroskop optik atau elektron. Secara morfologis, ia muncul sebagai:
- Lath atau pelat ferit bainitik atau martensit yang tipis dan memanjang.
- Karbida atau presipitat karbida lainnya yang halus dan berbentuk jarum membentuk pola seperti jaring.
- Ukuran berkisar dari nanometer (untuk karbida halus) hingga mikrometer (untuk lath bainitik yang lebih besar).
Konfigurasi tiga dimensi melibatkan fase yang membentang di seluruh mikrostruktur, sering kali membentuk jaringan yang saling terhubung yang membentang di seluruh batas butir atau batas butir austenit sebelumnya. Di bawah mikroskop, jaringan muncul sebagai fase yang terus-menerus, gelap atau terang tergantung pada mode pencitraan, dengan batas antarfase yang khas.
Sifat Fisik
Struktur jaringan mempengaruhi beberapa sifat fisik:
- Kepadatan: Sedikit berkurang dibandingkan dengan ferit murni karena adanya fase karbida, tetapi kepadatan keseluruhan tetap tinggi.
- Konduktivitas Listrik: Umumnya berkurang karena adanya karbida dan fase lain yang bertindak sebagai pusat penyebaran.
- Sifat Magnetik: Fase yang terlibat, seperti ferit, bersifat ferromagnetik, tetapi karbida bersifat paramagnetik atau diamagnetik, yang mengarah pada perilaku magnetik yang kompleks.
- Konduktivitas Termal: Berkurang relatif terhadap besi murni karena penyebaran fonon di batas fase dan antarmuka.
Jika dibandingkan dengan komponen mikrostruktural lain seperti karbida kasar atau fase terisolasi, sifat kontinu dari struktur jaringan meningkatkan pengaruhnya terhadap sifat seperti ketangguhan dan ketahanan creep.
Mekanisme Pembentukan dan Kinetika
Dasar Termodinamik
Pembentukan struktur jaringan didorong oleh pertimbangan termodinamik yang bertujuan untuk meminimalkan energi bebas sistem. Selama pendinginan atau perlakuan panas, fase seperti ferit bainitik dan karbida terbentuk pada rentang suhu tertentu di mana energi bebas Gibbs mereka lebih rendah daripada fase yang bersaing.
Diagram fase, seperti sistem Fe-C atau Fe-C-Ni, menggambarkan daerah stabilitas untuk fase yang terlibat. Misalnya, transformasi bainitik terjadi dalam jendela suhu di mana perbedaan energi bebas mendukung nukleasi ferit bainitik dan karbida, yang mengarah pada jaringan yang stabil.
Stabilitas struktur jaringan tergantung pada keseimbangan antara perubahan energi bebas kimia (ΔG) dan energi antarmuka. Pembentukan jaringan fase yang kontinu mengurangi energi bebas keseluruhan dengan mengakomodasi regangan dan meminimalkan energi antarmuka.
Kinetika Pembentukan
Nukleasi fase jaringan dikendalikan oleh proses yang diaktifkan secara termal, dengan laju nukleasi yang dijelaskan oleh teori nukleasi klasik:
$$I = I_0 \exp \left( - \frac{\Delta G^*}{kT} \right) $$
di mana:
- ( I ) = laju nukleasi,
- $I_0$ = faktor pre-ekspresional,
- ( \Delta G^* ) = penghalang energi bebas kritis,
- ( k ) = konstanta Boltzmann,
- ( T ) = suhu mutlak.
Kinetika pertumbuhan mengikuti mekanisme yang dikendalikan oleh difusi, dengan laju pertumbuhan ( R ) sering diekspresikan sebagai:
$$R = D \frac{\Delta C}{\delta} $$
di mana:
- ( D ) = koefisien difusi solut,
- ( \Delta C ) = perbedaan konsentrasi yang mendorong difusi,
- ( \delta ) = jarak difusi.
Langkah pengendali laju sering kali adalah difusi solut atau migrasi antarmuka, dengan energi aktivasi biasanya dalam kisaran 100–200 kJ/mol tergantung pada fase dan suhu.
Faktor yang Mempengaruhi
Elemen paduan seperti karbon, mangan, kromium, dan molibdenum mempengaruhi pembentukan struktur jaringan dengan mengubah stabilitas fase dan laju difusi. Misalnya, peningkatan kandungan karbon mendorong pembentukan karbida, mendukung jaringan yang lebih jelas.
Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, waktu tahan suhu, dan deformasi mempengaruhi kinetika. Pendinginan cepat dapat menekan pembentukan jaringan, mengarah pada struktur martensit, sementara pendinginan lambat mendukung jaringan bainitik atau perlit.
Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir austenit sebelumnya, juga mempengaruhi lokasi nukleasi dan morfologi jaringan yang dihasilkan.
Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif
Persamaan Kunci
Pembentukan dan evolusi struktur jaringan dapat dijelaskan oleh persamaan nukleasi dan pertumbuhan klasik. Untuk laju nukleasi:
$$I = N_0 Z \beta \exp \left( - \frac{\Delta G^*}{kT} \right) $$
di mana:
- $N_0$ = jumlah lokasi nukleasi,
- ( Z ) = faktor Zeldovich,
- ( \beta ) = laju keterikatan atom.
Penghalang energi bebas kritis ( \Delta G^* ) untuk nukleasi diberikan oleh:
$$\Delta G^* = \frac{16 \pi \sigma^3}{3 (\Delta G_v)^2} $$
di mana:
- ( \sigma ) = energi antarmuka,
- ( \Delta G_v ) = perbedaan energi bebas per unit volume antara fase.
Laju pertumbuhan fase dalam jaringan dapat dimodelkan dengan persamaan difusi, seperti hukum kedua Fick:
$$\frac{\partial C}{\partial t} = D \