Nukleasi dalam Mikrostruktur Baja: Pembentukan, Peran & Dampak pada Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Nukleasi adalah proses metalurgi dasar yang melibatkan pembentukan awal fase baru atau fitur mikrostruktur dalam matriks induk selama pembekuan, transformasi fase, atau perlakuan panas. Ini mewakili tahap paling awal di mana atom atau molekul berkumpul untuk membentuk kluster stabil yang berfungsi sebagai prekursor untuk entitas mikrostruktur yang lebih besar seperti butir, presipitat, atau fase.

Di tingkat atom, nukleasi diatur oleh keseimbangan antara gaya pendorong termodinamika untuk transformasi fase—terutama pengurangan energi bebas—dan penghalang energi yang terkait dengan penciptaan antarmuka baru. Proses ini melibatkan pembentukan inti kritis, yaitu kluster atom atau molekul yang mencapai ukuran di mana pertumbuhan lebih lanjut menjadi menguntungkan secara energetik, mengatasi penalti energi permukaan.

Dalam metalurgi baja, nukleasi sangat penting karena menentukan fitur mikrostruktur yang mempengaruhi sifat mekanik, ketahanan korosi, dan stabilitas termal. Memahami mekanisme nukleasi memungkinkan metalurgis untuk mengontrol ukuran butir, distribusi fase, dan pembentukan presipitat, sehingga menyesuaikan kinerja baja untuk aplikasi tertentu.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Nukleasi dalam baja melibatkan pembentukan mikrostruktur kristalin dengan susunan kisi tertentu. Fase induk, biasanya austenit (kubus pusat muka, FCC), mengalami nukleasi fase seperti ferrit (kubus pusat tubuh, BCC), semenit, atau martensit, masing-masing dengan struktur kristalografi yang berbeda.

Fase yang melakukan nukleasi mengadopsi kisi kristal yang meminimalkan energi antarmuka dengan fase induk. Misalnya, ferrit melakukan nukleasi dalam austenit dengan hubungan orientasi tertentu, seperti hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, yang menggambarkan penyelarasan orientasi kristalografi antara fase induk dan fase yang dinukleasi.

Parameter kisi, seperti konstanta kisi, bervariasi tergantung pada fase dan komposisi paduan. Untuk ferrit, struktur BCC memiliki parameter kisi sekitar 2,86 Å, sementara struktur FCC austenit memiliki parameter kisi mendekati 3,58 Å. Parameter ini mempengaruhi penghalang energi nukleasi dan kemudahan transformasi fase.

Hubungan orientasi kristalografi sangat penting karena mempengaruhi morfologi dan arah pertumbuhan fase yang dinukleasi. Hubungan orientasi mempengaruhi koherensi antarmuka, yang pada gilirannya berdampak pada energi nukleasi dan evolusi mikrostruktur selanjutnya.

Fitur Morfologis

Nukleasi biasanya muncul sebagai pembentukan fitur mikrostruktur kecil dan terpisah dalam matriks induk. Inti ini sering kali berbentuk bulat atau hampir bulat pada tahap awal, meskipun evolusi bentuk terjadi selama pertumbuhan.

Ukuran inti bervariasi tergantung pada kondisi termodinamik dan kinetik, umumnya berkisar dari beberapa nanometer hingga beberapa mikrometer. Dalam kondisi yang menguntungkan, seperti pendinginan yang tinggi atau kejenuhan, inti dapat sekecil 1–10 nm, sementara dalam pendinginan lambat atau mendekati keseimbangan, mereka cenderung lebih besar.

Karakteristik distribusi termasuk dispersi yang seragam atau pengelompokan lokal, tergantung pada mekanisme nukleasi. Nukleasi homogen terjadi secara merata di seluruh matriks, sering kali memerlukan input energi tinggi, sedangkan nukleasi heterogen terjadi secara preferensial di antarmuka, batas butir, atau inklusi, yang menurunkan penghalang energi.

Dalam mikrograf, situs nukleasi muncul sebagai fitur kecil dan terpisah dengan perbedaan kontras di bawah mikroskop optik atau elektron. Morfologi dapat berkembang dari inti bulat menjadi bentuk yang lebih kompleks saat mereka tumbuh dan berinteraksi dengan mikrostruktur di sekitarnya.

Sifat Fisik

Situs nukleasi mempengaruhi beberapa sifat fisik dari mikrostruktur baja. Misalnya, densitas dan distribusi inti mempengaruhi ukuran butir, yang secara langsung berdampak pada kekuatan dan ketangguhan.

Densitas inti berkorelasi dengan laju nukleasi; densitas nukleasi yang lebih tinggi menghasilkan mikrostruktur yang lebih halus, meningkatkan kekuatan melalui mekanisme penguatan batas butir. Sebaliknya, densitas nukleasi yang rendah menyebabkan butir kasar dengan kekuatan yang berkurang tetapi ketangguhan yang lebih baik.

Sifat listrik dan termal kurang terpengaruh secara langsung oleh nukleasi tetapi dapat dipengaruhi secara tidak langsung melalui mikrostruktur yang dihasilkan. Misalnya, struktur butir halus dapat mengubah resistivitas listrik dan konduktivitas termal karena peningkatan hamburan batas butir.

Sifat magnetik sensitif terhadap fitur mikrostruktur; misalnya, pembentukan fase ferrit atau martensit selama nukleasi mengubah permeabilitas magnetik dan koersivitas. Sifat-sifat ini berbeda secara signifikan dari fase austenitik induk, memungkinkan evaluasi non-destruktif dari keadaan mikrostruktur.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamik

Termodinamika nukleasi berakar pada perubahan energi bebas Gibbs (ΔG) yang terkait dengan pembentukan inti fase baru dalam matriks induk. Perubahan total energi bebas terdiri dari dua komponen utama:

• Perubahan energi bebas bulk (ΔG_v), yang negatif dan mendorong nukleasi karena energi bebas fase baru yang lebih rendah.
• Energi permukaan (γ), yang positif dan menentang nukleasi karena menciptakan antarmuka memerlukan energi.

Perubahan total energi bebas Gibbs untuk inti bulat dengan jari-jari r dinyatakan sebagai:

$$\Delta G(r) = \frac{4}{3}\pi r^3 \Delta G_v + 4\pi r^2 \gamma $$

Jari-jari kritis (r*) di mana inti menjadi stabil diperoleh dengan mengatur turunan ΔG(r) menjadi nol:

$$r^* = -\frac{2\gamma}{\Delta G_v} $$

Inti yang lebih kecil dari r cenderung larut, sementara yang lebih besar dari r tumbuh secara spontan. Stabilitas termodinamik tergantung pada suhu, komposisi, dan hubungan diagram fase, dengan batas fase yang menentukan fase keseimbangan dan rentang stabilitasnya.

Diagram fase memberikan konteks keseimbangan fase, menggambarkan kondisi suhu dan komposisi di mana nukleasi fase tertentu secara termodinamik diuntungkan. Misalnya, diagram fase Fe-C menunjukkan daerah stabilitas untuk semenit, ferrit, dan austenit, membimbing nukleasi selama pendinginan.

Kinetika Pembentukan

Kinetika mengatur seberapa cepat inti terbentuk dan tumbuh, dipengaruhi oleh mobilitas atom, laju difusi, dan suhu. Laju nukleasi (I) dapat dijelaskan oleh teori nukleasi klasik:

$$I = I_0 \exp\left( -\frac{\Delta G^*}{kT} \right) $$

di mana:

• $I_0$ adalah faktor pre-ekspresional yang terkait dengan frekuensi getaran atom,
• ( \Delta G^* ) adalah penghalang energi aktivasi untuk nukleasi,
• ( k ) adalah konstanta Boltzmann,
• $T$ adalah suhu dalam Kelvin.

Energi aktivasi ( \Delta G^* ) bergantung pada energi antarmuka dan gaya pendorong termodinamik:

$$\Delta G^* = \frac{16\pi \gamma^3}{3 (\Delta G_v)^2} $$

Pertumbuhan inti melibatkan difusi atom, yang bergantung pada suhu. Suhu yang lebih tinggi meningkatkan mobilitas atom, memfasilitasi pertumbuhan yang lebih cepat tetapi dapat mengurangi laju nukleasi karena penurunan pendinginan.

Diagram waktu-suhu-transformasi (TTT) menggambarkan kinetika transformasi fase, menunjukkan waktu yang diperlukan untuk sebagian tertentu dari perubahan fase pada suhu tertentu. Diagram ini membantu mengoptimalkan jadwal perlakuan panas untuk mengontrol proses nukleasi dan pertumbuhan.

Faktor yang Mempengaruhi

Beberapa faktor mempengaruhi perilaku nukleasi:

• Komposisi Paduan: Unsur seperti karbon, mangan, atau tambahan mikro paduan mengubah stabilitas fase dan penghalang energi nukleasi. Misalnya, karbon mendorong nukleasi semenit, sementara unsur