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

Definisi dan Konsep Dasar

Dalam konteks metalurgi dan mikrostruktur, nukleus mengacu pada daerah terlokalisasi dalam matriks baja di mana fase baru, fitur mikrostruktur, atau cacat mulai terbentuk selama transformasi fase, rekristalisasi, atau proses presipitasi. Ini bertindak sebagai situs awal dari mana entitas mikrostruktur baru berkembang, yang pada akhirnya mempengaruhi mikrostruktur keseluruhan dan sifat baja.

Di tingkat atom atau kristalografi, nukleus dicirikan oleh kumpulan atom atau daerah kristalin kecil yang melebihi ukuran kritis, memungkinkan untuk menjadi stabil secara termodinamika dan tumbuh secara spontan. Ukuran kritis ini dihasilkan dari keseimbangan antara pengurangan energi bebas akibat transformasi fase dan biaya energi yang terkait dengan penciptaan antarmuka atau permukaan baru.

Dalam metalurgi baja, konsep nukleus sangat penting untuk memahami transformasi fase seperti ferrit menjadi austenit, presipitasi semenit, atau nukleasi martensit. Ini mendasari teori kinetika nukleasi, pemurnian butir, dan kontrol mikrostruktur, yang penting untuk menyesuaikan sifat baja untuk aplikasi tertentu.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Nukleus dalam baja biasanya muncul sebagai daerah kristalin kecil, koheren atau semi-koheren yang terbenam dalam fase induk. Susunan atomnya mencerminkan struktur kristal dari fase yang diwakilinya, sering kali mengadopsi simetri kisi yang sama tetapi dengan ukuran yang lebih kecil.

Misalnya, selama nukleasi ferrit dalam austenit, nukleus mengadopsi struktur kubik berpusat badan (BCC), yang sesuai dengan parameter kisi ferrit. Sebaliknya, nukleus semenit (Fe₃C) menunjukkan simetri kristal ortorhombik, dengan parameter kisi sekitar a = 6,7 Å, b = 4,5 Å, c = 4,5 Å.

Hubungan orientasi kristalografi antara nukleus dan matriks induk sangat penting. Misalnya, ferrit nukleasi dengan hubungan orientasi tertentu seperti Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann dengan austenit, meminimalkan energi antarmuka dan memfasilitasi pertumbuhan.

Susunan atom dalam nukleus sangat teratur, dengan cacat kisi seperti dislokasi atau kesalahan tumpukan sering kali bertindak sebagai situs preferensial untuk nukleasi, mengurangi penghalang energi untuk pembentukan.

Fitur Morfologis

Nukleus biasanya berukuran mikroskopis, berkisar dari beberapa nanometer hingga beberapa mikrometer, tergantung pada fase dan kondisi pemrosesan. Dalam mikrograf, mereka muncul sebagai daerah kecil yang berbeda dengan perbedaan kontras relatif terhadap matriks sekitarnya.

Morfologis, nukleus dapat berbentuk sferis, elipsoidal, atau tidak teratur, dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti energi antarmuka, regangan, dan kimia lokal. Misalnya, nukleus semenit sering muncul sebagai presipitat mirip jarum atau pelat, sedangkan nukleus ferrit cenderung berbentuk ekuiaxial.

Distribusi nukleus dalam mikrostruktur umumnya acak atau mengikuti pola tertentu yang ditentukan oleh mekanisme nukleasi. Nukleasi homogen terjadi secara merata di seluruh matriks, sementara nukleasi heterogen terlokalisasi pada inklusi, batas butir, atau dislokasi.

Konfigurasi tiga dimensi mencakup nukleus terisolasi, kluster, atau jaringan, yang berkembang selama tahap pertumbuhan berikutnya. Fitur visual di bawah mikroskop optik atau elektron mengungkapkan nukleus ini sebagai variasi kontras kecil, sering kali memerlukan pembesaran tinggi untuk analisis yang lebih rinci.

Sifat Fisik

Nukleus memiliki sifat fisik yang berbeda dibandingkan dengan matriks bulk atau konstituen mikrostruktur lainnya. Kerapatannya biasanya mendekati fase induk tetapi dapat bervariasi sedikit karena regangan atau perbedaan komposisi.

Konditivitas listrik dalam nukleus mungkin berbeda, terutama jika melibatkan fase dengan struktur elektronik yang berbeda, seperti presipitat karbida dibandingkan dengan ferrit atau austenit. Sifat magnetik juga tergantung pada fase; misalnya, nukleus ferrit bersifat feromagnetik, sedangkan semenit bersifat paramagnetik atau antiferromagnetik.

Secara termal, nukleus dapat mempengaruhi aliran panas secara lokal, terutama jika melibatkan fase dengan konduktivitas termal yang berbeda. Sifat mekaniknya, seperti kekerasan atau kekuatan, umumnya lebih tinggi atau lebih rendah tergantung pada fase dan ukuran mereka.

Jika dibandingkan dengan fitur mikrostruktur lainnya, nukleus sering kali lebih koheren dengan matriks, menghasilkan energi antarmuka yang lebih rendah dan mempengaruhi perilaku pertumbuhan selanjutnya. Sifat fisik mereka sangat penting dalam menentukan kinetika dan stabilitas transformasi fase.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan nukleus diatur oleh prinsip-prinsip termodinamika yang menyeimbangkan perubahan energi bebas. Perubahan energi bebas Gibbs total (ΔG) yang terkait dengan nukleasi terdiri dari dua komponen utama:

• Perubahan energi bebas volume (ΔG_v), yang negatif dan mendukung nukleasi karena energi bebas fase baru yang lebih rendah.
• Energi antarmuka (γ), yang positif dan menentang nukleasi karena penciptaan antarmuka baru memerlukan energi.

Secara matematis, untuk nukleus sferis dengan jari-jari r:

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

Jari-jari kritis (r_c) di mana nukleus menjadi stabil diperoleh dengan mengatur turunan ΔG(r) terhadap r menjadi nol:

$$
r_c = -\frac{2\gamma}{\Delta G_v}
$$

Nukleus yang lebih kecil dari r_c cenderung larut, sementara yang lebih besar dari r_c tumbuh secara spontan. Stabilitas termodinamik tergantung pada suhu, komposisi, dan hubungan diagram fase, dengan batas fase menentukan kondisi kesetimbangan untuk nukleasi.

Diagram fase menyediakan daerah stabilitas fase, membimbing kemungkinan pembentukan nukleus di bawah kondisi termal dan komposisi tertentu. Misalnya, selama pendinginan, persilangan garis solvus dapat memicu nukleasi karbida atau ferrit.

Kinetika Pembentukan

Kinetika nukleasi melibatkan laju di mana nukleus stabil terbentuk, ditentukan oleh laju nukleasi (I):

$$
I = N_0 Z \beta \exp \left( -\frac{\Delta G^*}{kT} \right)
$$

di mana:

• $N_0$ adalah jumlah situs potensial untuk nukleasi,
• $Z$ adalah faktor Zeldovich yang memperhitungkan probabilitas nukleus mencapai ukuran kritis,
• (\beta) adalah laju keterikatan atom,
• (\Delta G^*) adalah penghalang energi bebas kritis,
• (k) adalah konstanta Boltzmann,
• $T$ adalah suhu.

Laju nukleasi sangat sensitif terhadap suhu dan penghalang energi. Pada suhu tinggi, nukleasi mungkin tertekan karena energi kritis yang tinggi, lebih mendukung pertumbuhan daripada nukleasi. Sebaliknya, pendinginan cepat dapat meningkatkan laju nukleasi dengan menurunkan jari-jari kritis dan penghalang energi.

Pertumbuhan nukleus terjadi melalui difusi atom atau migrasi antarmuka, dengan laju yang dikendalikan oleh koefisien difusi, mobilitas antarmuka, dan kimia lokal. Kinetika transformasi keseluruhan dijelaskan oleh teori nukleasi klasik yang dipadukan dengan model pertumbuhan seperti persamaan Johnson–Mehl–Avrami.

Faktor yang Mempengaruhi

Beberapa faktor mempengaruhi pembentukan nukleus:

• Elemen Paduan: Elemen seperti Mn, Cr, atau V dapat mempromosikan atau menghambat nukleasi dengan mengubah stabilitas fase, energi antarmuka, atau