Pearlite: Mikrostruktur, Pembentukan, dan Dampaknya pada Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Pearlite adalah mikrostruktur lamelar atau berlapis yang ditemukan dalam baja dan besi cor, terdiri dari lapisan-lapisan bergantian ferrit (α-besi) dan semenit (Fe₃C). Ini terbentuk melalui transformasi eutektik selama pendinginan dari austenit (γ-besi) pada rentang suhu tertentu. Mikrostruktur ini ditandai dengan pola lamelar yang khas, yang memberikan kombinasi kekuatan dan ketangguhan pada baja.

Di tingkat atom, pearlite dihasilkan dari difusi kooperatif atom karbon dan atom besi selama transformasi fase. Proses ini melibatkan dekomposisi austenit menjadi dua fase kesetimbangan: ferrit, yang hampir murni besi dengan struktur kubik berpusat badan (BCC), dan semenit, sebuah karbida besi dengan struktur kristal ortorhombik. Susunan lamelar muncul karena semenit mengendap sepanjang matriks ferrit, meminimalkan energi bebas dan mencapai kesetimbangan fase.

Dalam metalurgi baja, pearlite sangat penting karena mempengaruhi sifat mekanik seperti kekerasan, kekuatan, dan ketangguhan. Pembentukan dan morfologinya adalah parameter kritis dalam proses perlakuan panas, mempengaruhi kinerja komponen struktural, alat, dan mesin. Memahami mikrostruktur pearlite memungkinkan metalurgis untuk menyesuaikan sifat baja untuk aplikasi tertentu, menyeimbangkan kekuatan dan ketangguhan.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Pearlite terdiri dari dua fase utama dengan struktur kristal yang berbeda:

• Ferrit (α-besi): Mengkristal dalam kisi kubik berpusat badan (BCC) dengan parameter kisi sekitar 2.866 Å pada suhu kamar. Struktur BCC memberikan ketangguhan tinggi dan kelarutan karbon rendah (~0.02 wt%), menjadikan ferrit relatif lunak dan ulet.

• Semenit (Fe₃C): Menunjukkan struktur kristal ortorhombik dengan parameter kisi kira-kira a = 5.05 Å, b = 6.74 Å, c = 4.52 Å. Semenit adalah fase keras dan rapuh dengan susunan atom yang kompleks yang menggabungkan atom karbon ke dalam kisi besi.

Struktur lamelar pearlite dihasilkan dari hubungan orientasi kristalografi antara ferrit dan semenit. Hubungan orientasi yang paling umum adalah hubungan Bagaryatski atau Isaichev, yang meminimalkan ketidakcocokan kisi dan regangan di batas fase. Hubungan ini memfasilitasi antarmuka koheren atau semi-koheren, mempengaruhi perilaku mekanik.

Ciri Morfologis

Pearlite muncul sebagai serangkaian lamela gelap dan terang yang bergantian di bawah mikroskop optik, dengan kontras yang muncul dari perbedaan dalam sifat optik ferrit dan semenit. Lamela biasanya memiliki ketebalan 0.1 hingga 1 mikrometer, dengan jarak antar lamela menjadi parameter kritis yang mempengaruhi sifat.

Morfologi dapat bervariasi dari lamela halus yang berdekatan hingga struktur yang lebih kasar, tergantung pada laju pendinginan dan komposisi paduan. Dalam tiga dimensi, pearlite muncul sebagai jaringan platelet atau koloni globular, sering membentuk struktur yang saling terhubung dalam matriks baja.

Ciri visual yang diamati melalui mikroskop cahaya termasuk penampilan "rantai mutiara" yang khas pada sampel yang dipoles dan diukir. Di bawah mikroskop elektron pemindai (SEM), lamela lebih tajam didefinisikan, mengungkap batas fase yang terperinci dan fitur mikrostruktur.

Sifat Fisik

Sifat fisik pearlite adalah konsekuensi langsung dari mikrostrukturnya:

• Kepadatan: Sedikit lebih tinggi daripada ferrit murni karena kepadatan atom semenit yang lebih tinggi, biasanya sekitar 7.85 g/cm³, sebanding dengan mikrostruktur baja lainnya.

• Konduktivitas listrik: Lebih rendah daripada ferrit murni karena semenit kurang konduktif, mempengaruhi aplikasi listrik.

• Sifat magnetik: Ferrit bersifat feromagnetik, sedangkan semenit bersifat paramagnetik atau feromagnetik lemah, yang mengarah pada perilaku magnetik yang kompleks dalam baja pearlitik.

• Sifat termal: Konduktivitas termal pearlite berada di antara ferrit dan semenit, mempengaruhi perlakuan panas dan stabilitas termal.

Jika dibandingkan dengan mikrostruktur lain seperti martensit atau bainit, pearlite menunjukkan kekerasan dan kekuatan sedang tetapi ketangguhan yang superior, menjadikannya cocok untuk aplikasi yang memerlukan keseimbangan sifat-sifat ini.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan pearlite diatur oleh prinsip kesetimbangan fase yang dijelaskan oleh diagram fase Fe-Fe₃C. Selama pendinginan lambat dari daerah austenitik, sistem mencapai suhu eutektik (~727°C untuk paduan besi-karbon murni), di mana austenit menjadi tidak stabil secara termodinamik relatif terhadap ferrit dan semenit.

Perbedaan energi bebas antara austenit dan campuran dua fase mendorong transformasi. Pada titik eutektik, energi bebas campuran lebih rendah daripada austenit, mendukung dekomposisi menjadi ferrit dan semenit. Pergerakan batas fase dikendalikan oleh minimisasi total energi bebas, dengan struktur lamelar mewakili konfigurasi kesetimbangan atau hampir kesetimbangan.

Kinetika Pembentukan

Transformasi pearlite melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan:

• Nukleasi: Terjadi secara heterogen di batas butir, dislokasi, atau antarmuka fase yang ada, di mana variasi lokal dalam komposisi dan energi memfasilitasi perubahan fase.

• Pertumbuhan: Lamela tumbuh melalui mekanisme yang dikendalikan oleh difusi, terutama redistribusi atom karbon. Laju pertumbuhan tergantung pada suhu, koefisien difusi, dan derajat pendinginan di bawah suhu eutektik.

Langkah yang mengendalikan laju adalah difusi karbon dalam matriks ferrit, yang bergantung pada suhu. Energi aktivasi untuk difusi karbon dalam ferrit adalah sekitar 140 kJ/mol, yang mempengaruhi kinetika secara signifikan.

Transformasi mengikuti diagram waktu-suhu-transformasi (TTT), di mana laju pendinginan yang lebih lambat mendukung pearlite kasar, dan pendinginan cepat menghasilkan lamela yang lebih halus atau mikrostruktur alternatif seperti bainit atau martensit.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti mangan, silikon, dan krom mempengaruhi pembentukan pearlite:

• Mangan: Mendorong pembentukan pearlite dengan menstabilkan austenit dan menurunkan suhu eutektik.

• Silikon: Menekan pembentukan semenit, menghasilkan pearlite yang lebih halus atau mikrostruktur alternatif.

• Krom dan molibdenum: Mempengaruhi laju difusi dan stabilitas fase, memodifikasi morfologi pearlite.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, gradien suhu, dan mikrostruktur sebelumnya juga mempengaruhi morfologi dan distribusi pearlite. Misalnya, pendinginan lambat dari daerah austenit mendorong pembentukan pearlite kasar, sementara pendinginan cepat menghasilkan pearlite halus.

Mikrostruktur awal, seperti ukuran butir dan batas butir austenit sebelumnya, mempengaruhi lokasi nukleasi dan jalur transformasi.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Pertumbuhan lamela pearlite dapat dijelaskan oleh persamaan pertumbuhan yang dikendalikan oleh difusi. Jarak lamelar ( \lambda ) berhubungan dengan waktu pertumbuhan ( t ) dan koefisien difusi ( D ):

$$
\lambda = k \sqrt{D t}
$$

di mana:

• ( \lambda ): jarak antar lamela (μm)

• Kembali ke blog

  1 komentar

  Excelente articulo sobre la descripción de la formación de perlita, como podría hacer para poder descargar este contenido

  Tulis komentar

  Nama *

  Email *

  Komentar *