Reaksi Peritetik dalam Baja: Pembentukan Mikrostruktur & Dampaknya terhadap Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Peritektik mengacu pada jenis reaksi invariant tertentu dalam diagram fase, terutama dalam konteks sistem baja dan paduan, di mana saat pendinginan, fase cair bereaksi dengan fase padat untuk menghasilkan fase padat yang berbeda. Dalam kasus baja, reaksi peritektik biasanya melibatkan transformasi austenit (γ-Fe) dan cairan menjadi fase padat yang berbeda, seperti ferit (α-Fe) atau fase karbida, tergantung pada komposisi paduan dan suhu.

Dari sudut pandang ilmiah, reaksi ini terjadi pada suhu dan komposisi yang tepat di mana energi bebas dari fase yang terlibat adalah sama, yang mengarah pada proses nukleasi dan pertumbuhan yang terhubung. Pada tingkat atom, reaksi melibatkan pengaturan ulang atom dari fase awal menjadi fase baru yang stabil secara termodinamika, sering kali disertai dengan perubahan dalam struktur kristal dan pengemasan atom.

Dalam metalurgi baja, memahami reaksi peritektik sangat penting karena mempengaruhi evolusi mikrostruktur selama pembekuan dan perlakuan panas. Ini mempengaruhi pembentukan mikrokonstituen, distribusi fase, dan pada akhirnya sifat mekanik produk baja. Mengenali reaksi peritektik membantu dalam merancang perlakuan panas dan komposisi paduan untuk mengoptimalkan kinerja baja.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Fase-fase yang terlibat dalam reaksi peritektik pada baja biasanya mencakup austenit (γ-Fe), yang memiliki struktur kristal kubik pusat muka (FCC), dan ferit (α-Fe), yang memiliki struktur kubik pusat tubuh (BCC). Fase cair, yang hadir selama pencairan atau pemrosesan suhu tinggi, bersifat isotropik dan tidak memiliki struktur kristal tetap hingga pembekuan.

Reaksi peritektik melibatkan transformasi cairan dan austenit menjadi ferit atau fase lainnya, dengan hubungan kristalografi yang diatur oleh hubungan orientasi seperti hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann. Hubungan ini menggambarkan bagaimana kisi kristal dari fase induk dan produk sejajar, memfasilitasi nukleasi dan pertumbuhan.

Dalam beberapa sistem paduan, karbida atau fase intermetalik lainnya dapat berpartisipasi, dengan struktur kristal yang berbeda, seperti semenit (Fe₃C), yang memiliki struktur ortorombik. Pengaturan atom dan parameter kisi mempengaruhi kinetika dan morfologi produk reaksi.

Fitur Morfologis

Mikrostruktur yang dihasilkan dari reaksi peritektik sering kali menunjukkan fitur karakteristik yang dapat diamati di bawah mikroskop. Selama pembekuan, reaksi dapat menghasilkan mikrokonstituen yang berbeda seperti daerah interdendritik atau daerah interdendritik yang kaya akan fase baru.

Ukuran mikrostruktur peritektik bervariasi dari sub-mikron hingga beberapa mikron, tergantung pada laju pendinginan dan komposisi paduan. Morfologi dapat berbentuk globular, akicular, atau lamellar, dengan bentuk yang dipengaruhi oleh kondisi pertumbuhan dan energi batas fase.

Dalam mikrograf yang dipoles dan di-etch, mikrokonstituen peritektik sering muncul sebagai pita kontinu atau tidak kontinu, dengan kontras yang berbeda karena perbedaan respons etching antara fase. Distribusi biasanya seragam dalam proses yang terkontrol dengan baik tetapi dapat bersifat heterogen pada baja cor atau baja yang didinginkan dengan cepat.

Sifat Fisik

Mikrostruktur peritektik mempengaruhi beberapa sifat fisik baja. Perbedaan densitas antara fase dapat menyebabkan stres internal selama pendinginan, mempengaruhi ketangguhan dan duktilitas. Fase-fase yang terlibat mungkin menunjukkan sifat magnetik yang berbeda; misalnya, ferit bersifat feromagnetik, sedangkan austenit bersifat paramagnetik pada suhu tinggi.

Konditivitas termal bervariasi di antara fase, dengan ferit umumnya memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi dibandingkan austenit atau fase karbida. Konduktivitas listrik juga dapat berbeda, mempengaruhi aplikasi di mana sifat listrik sangat penting.

Jika dibandingkan dengan mikrokonstituen lainnya, fase peritektik sering memiliki tingkat kekerasan dan kerapuhan yang berbeda. Misalnya, fase karbida yang terbentuk selama reaksi peritektik cenderung keras dan rapuh, mempengaruhi ketahanan aus dan kemampuan mesin.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan mikrostruktur peritektik diatur oleh keseimbangan fase yang dijelaskan dalam diagram fase Fe-C dan Fe-Ni. Pada suhu peritektik, energi bebas Gibbs (G) dari fase yang terlibat memenuhi hubungan:

$$G_{liquid} = G_{phase\,1} + G_{phase\,2} $$

di mana fase-fase tersebut adalah cairan dan fase padat awal (misalnya, austenit). Reaksi terjadi pada komposisi dan suhu tetap, yang dikenal sebagai titik peritektik, di mana kurva energi bebas berpotongan.

Stabilitas fase tergantung pada energi bebasnya, yang merupakan fungsi dari suhu, komposisi, dan tekanan. Diagram fase menunjukkan kondisi tepat di mana reaksi peritektik secara termodinamika diuntungkan, membimbing desain paduan dan jadwal perlakuan panas.

Kinetika Pembentukan

Kinetika reaksi peritektik melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan. Nukleasi fase baru terjadi di batas fase atau di dalam fase induk, didorong oleh pengurangan energi bebas. Laju nukleasi tergantung pada faktor-faktor seperti pendinginan, energi antarmuka, dan keberadaan situs nukleasi.

Pertumbuhan berlangsung melalui difusi atom, dengan laju yang dikendalikan oleh koefisien difusi elemen paduan dan suhu. Sifat terhubung dari reaksi berarti bahwa antarmuka cair-padat dan padat-padat berkembang secara bersamaan, dengan laju transformasi keseluruhan dipengaruhi oleh gradien suhu dan laju pendinginan.

Energi aktivasi untuk reaksi terkait dengan difusi atom dan migrasi antarmuka. Pendinginan cepat dapat menekan pembentukan fase peritektik keseimbangan, yang mengarah pada mikrostruktur metastabil, sementara pendinginan lambat mendorong mikrokonstituen keseimbangan.

Faktor yang Mempengaruhi

Komposisi paduan secara kritis mempengaruhi pembentukan peritektik. Unsur-unsur seperti karbon, mangan, dan nikel memodifikasi diagram fase, menggeser titik peritektik dan mempengaruhi stabilitas fase.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, gradien suhu, dan waktu penahanan menentukan sejauh mana dan morfologi mikrostruktur peritektik. Pendinginan cepat cenderung menghasilkan mikrostruktur yang lebih halus dengan fase peritektik yang ditekan, sementara pendinginan lambat memungkinkan untuk mikrostruktur yang lebih kasar dan lebih seimbang.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir austenit sebelumnya, mempengaruhi situs nukleasi dan keseragaman reaksi peritektik. Elemen paduan yang membentuk karbida atau nitride yang stabil juga dapat menghambat atau mempromosikan transformasi peritektik.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Gaya pendorong termodinamika (( \Delta G )) untuk reaksi peritektik dapat dinyatakan sebagai:

$$\Delta G = \Delta H - T \Delta S $$

di mana:

• ( \Delta H ) adalah perubahan entalpi yang terkait dengan reaksi,
• $T$ adalah suhu mutlak,
• ( \Delta S ) adalah perubahan entropi.

Laju nukleasi (( I )) mengikuti teori nukleasi klasik:

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

di mana:

• $I_0$ adalah faktor pre-ekspresional,
• ( \Delta G^* ) adalah penghalang energi bebas kritis,
• ( k ) adalah konstanta Boltzmann.

Laju pertumbuhan (( R )) tergantung pada difusi atom:

$$R = D \frac{\Delta C}{\delta} $$

di mana:

• $D$ adalah koefisien difusi,
• ( \Delta C ) adalah perbedaan konsentrasi yang mendorong difusi,
• ( \delta ) adalah jarak