Nodular Pearlite: Mikrostruktur, Pembentukan, dan Dampaknya terhadap Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Nodular Pearlite adalah fitur mikrostruktur yang khas yang diamati pada beberapa baja, ditandai dengan pengaturan spheroidized atau bulat dari lamela semenit dalam matriks ferritik. Ini mewakili bentuk spesifik dari pearlite di mana fase semenit lamelar dan ferrit terorganisir menjadi struktur nodular atau globular daripada pola laminar yang khas.

Di tingkat atom, pearlite terbentuk melalui transformasi eutektik kooperatif austenit menjadi lapisan bergantian ferrit (α-Fe) dan semenit (Fe₃C). Dalam nodular pearlite, fase semenit mengadopsi morfologi spheroidized, meminimalkan energi antarmuka dan menghasilkan mikrostruktur dengan partikel semenit globular yang tertanam dalam ferrit. Mikrostruktur ini distabilkan secara termodinamika oleh perlakuan panas yang mendorong spheroidization, sering melibatkan pemanasan yang berkepanjangan pada suhu sedikit di bawah suhu eutektik.

Nodular Pearlite memiliki pentingnya yang signifikan dalam metalurgi baja karena mempengaruhi sifat mekanik seperti ketangguhan, duktilitas, dan kemampuan mesin. Pembentukan dan pengendaliannya adalah pusat dari strategi rekayasa mikrostruktur yang bertujuan untuk mengoptimalkan kinerja baja untuk aplikasi tertentu, terutama dalam baja bantalan, baja struktural, dan baja paduan rendah berkekuatan tinggi.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Struktur kristalografi dasar dari nodular pearlite melibatkan keberadaan fase ferrit dan semenit. Ferrit (α-Fe) mengadopsi struktur kristal kubik berpusat badan (BCC) dengan parameter kisi sekitar 2.866 Å, menyediakan matriks yang relatif sederhana dan stabil. Semenit (Fe₃C), di sisi lain, mengkristal dalam sistem kristal ortorhombik dengan parameter kisi kira-kira a = 5.05 Å, b = 6.74 Å, dan c = 4.52 Å.

Di dalam mikrostruktur, semenit ada sebagai partikel spheroidal atau globul yang tertanam dalam matriks ferritik. Hubungan orientasi antara ferrit dan semenit sering mengikuti hubungan orientasi Bagaryatski atau Isaichev, yang menggambarkan penyelarasan kristalografi tertentu yang memfasilitasi antarmuka koheren atau semi-koheren. Hubungan ini mempengaruhi stabilitas dan perilaku pertumbuhan spheroid semenit selama perlakuan panas spheroidization.

Ciri Morfologis

Nodular pearlite menunjukkan morfologi yang ditandai oleh partikel semenit bulat atau hampir bulat yang tersebar dalam matriks ferritik. Ukuran spheroid semenit ini biasanya berkisar antara 0.1 hingga 2 mikrometer, tergantung pada parameter perlakuan panas dan komposisi paduan.

Distribusi nodul semenit umumnya seragam, dengan fraksi volume yang dapat bervariasi dari 10% hingga 30%, mempengaruhi sifat mikrostruktur secara keseluruhan. Bentuk partikel semenit dapat berkisar dari bola sempurna hingga spheroid yang sedikit memanjang atau tidak teratur, terutama jika proses spheroidization tidak lengkap atau tidak merata.

Di bawah mikroskop optik, nodular pearlite muncul sebagai mikrostruktur halus dan granular dengan partikel semenit gelap yang jelas terlihat di latar belakang ferritik yang lebih terang. Mikroskop elektron pemindaian (SEM) mengungkapkan sifat globular tiga dimensi dari semenit, sering kali dengan permukaan halus dan tepi membulat, yang kontras dengan penampilan lamelar dari pearlite tradisional.

Sifat Fisik

Sifat fisik dari nodular pearlite berbeda secara signifikan dari mikrostruktur lain seperti pearlite lamelar atau bainit. Kerapatan nodular pearlite sedikit lebih rendah daripada pearlite lamelar karena partikel semenit yang spheroidized mengurangi area antarmuka fase secara keseluruhan.

Konditivitas listrik pada baja dengan nodular pearlite cenderung sedikit lebih tinggi daripada pada pearlite lamelar, karena area antarmuka yang berkurang dan distribusi fase yang lebih seragam. Sifat magnetik dipengaruhi oleh matriks ferritik, dengan semenit yang spheroidized memberikan gangguan magnetik minimal, sehingga mempertahankan permeabilitas magnetik yang baik.

Dari segi termal, nodular pearlite menunjukkan konduktivitas termal sedang yang sebanding dengan baja ferritik, dengan partikel semenit yang spheroidized bertindak sebagai pusat penyebaran fonon. Sifat isotropik mikrostruktur ini meningkatkan ekspansi termal yang seragam dan mengurangi stres internal selama siklus termal.

Jika dibandingkan dengan pearlite lamelar, nodular pearlite menawarkan ketangguhan dan duktilitas yang lebih baik, berkat kemampuan semenit yang spheroidized untuk memperlambat propagasi retak dan menyerap energi deformasi.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan nodular pearlite diatur oleh prinsip termodinamika untuk meminimalkan total energi bebas. Selama spheroidization, sistem mengurangi energi antarmuka antara semenit dan ferrit dengan mengubah semenit lamelar menjadi partikel spheroid.

Perubahan energi bebas (ΔG) yang terkait dengan spheroidization melibatkan keseimbangan antara pengurangan energi antarmuka (γ) dan energi regangan elastis yang tersimpan dalam mikrostruktur. Proses ini secara termodinamika diuntungkan pada suhu sedikit di bawah suhu eutektik (~727°C untuk paduan Fe-C murni), di mana mobilitas atom memungkinkan pertumbuhan spheroid tanpa transformasi fase yang signifikan.

Diagram fase, terutama diagram keseimbangan Fe-C, menunjukkan daerah stabilitas pearlite dan semenit. Proses spheroidization terjadi dalam daerah pearlite, di mana lamela semenit menjadi tidak stabil dan cenderung spheroidize untuk menurunkan energi bebas secara keseluruhan.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan nodular pearlite melibatkan mekanisme nukleasi dan pertumbuhan yang didorong oleh difusi atom. Proses ini dimulai dengan nukleasi partikel semenit spheroid di batas fase atau situs dislokasi dalam semenit lamelar.

Pertumbuhan spheroid berlangsung melalui difusi atom karbon dari semenit ke dalam matriks ferritik, yang mengarah pada koalesensi dan pembulatan partikel semenit. Laju spheroidization dikendalikan terutama oleh difusivitas karbon dalam ferrit, yang mengikuti ketergantungan suhu tipe Arrhenius:

$$D = D_0 \exp \left( - \frac{Q}{RT} \right) $$

di mana $D$ adalah koefisien difusi, $D_0$ adalah faktor pre-ekspresional, $Q$ adalah energi aktivasi, $R$ adalah konstanta gas, dan $T$ adalah suhu absolut.

Proses ini bergantung pada waktu, dengan waktu annealing yang lebih lama pada suhu yang sesuai mendorong spheroidization yang lebih lengkap. Langkah pengendali laju sering kali adalah difusi atom karbon, dengan energi aktivasi biasanya dalam kisaran 100-150 kJ/mol.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan secara signifikan mempengaruhi spheroidization. Silikon dan aluminium, misalnya, menghambat pembentukan semenit, mendukung spheroidization, sementara elemen seperti kromium dan molibdenum cenderung menstabilkan semenit, menghambat spheroidization.

Parameter pemrosesan seperti suhu, waktu penahanan, dan laju pendinginan sangat penting. Suhu sekitar 650-700°C adalah optimal untuk spheroidization, menyeimbangkan mobilitas atom dan stabilitas fase. Annealing yang berkepanjangan meningkatkan spheroidization tetapi dapat menyebabkan pertumbuhan butir dan mengurangi kekuatan.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti pearlite lamelar atau bainit, mempengaruhi perilaku spheroidization. Lamela halus cenderung spheroidize lebih merata, sementara struktur kasar dapat mengembangkan partikel semenit yang tidak teratur.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Pertumbuhan partikel semenit spheroid dapat dijelaskan oleh model klasik yang dikendalikan oleh difusi. Jari-jari ( r(t) ) dari spheroid semenit sebagai fungsi waktu ( t ) mengikuti:

$$r(t) = r_0 + \sqrt{ \frac{2 D C_{eq} \Omega}{k T} t } $$

di mana:

• $r_0$ adalah jari-jari awal,

• $D$ adalah koefisien difusi karbon,