Diagram Fase dalam Metalurgi Baja: Mikrostruktur, Sifat & Pengolahan

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah diagram fase adalah representasi grafis yang menggambarkan keadaan keseimbangan dari suatu sistem material sebagai fungsi dari variabel seperti suhu, tekanan, dan komposisi. Dalam metalurgi, khususnya dalam ilmu baja, diagram ini memetakan fase stabil dan metastabil yang ada pada berbagai kondisi, memberikan wawasan kritis tentang stabilitas fase, jalur transformasi, dan evolusi mikrostruktur.

Di tingkat atom, diagram fase mencerminkan prinsip-prinsip termodinamika yang mengatur energi bebas dari berbagai fase. Setiap fase sesuai dengan pengaturan atom tertentu, yang ditandai oleh struktur kristal yang berbeda, komposisi, dan stabilitas termodinamik. Diagram ini mencakup keseimbangan energi bebas Gibbs di antara fase-fase, menentukan fase mana yang secara termodinamik lebih diuntungkan di bawah kondisi tertentu.

Dalam metalurgi baja, diagram fase berfungsi sebagai alat dasar untuk merancang perlakuan panas, komposisi paduan, dan rute pemrosesan. Mereka memungkinkan insinyur dan ilmuwan untuk memprediksi transformasi fase, mengontrol perkembangan mikrostruktur, dan mengoptimalkan sifat mekanik. Dengan demikian, diagram fase mendasari kerangka ilmiah dari ilmu material, menjembatani termodinamika, kinetika, dan rekayasa mikrostruktur.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Fase-fase yang diwakili dalam diagram fase baja memiliki struktur kristalografi yang terdefinisi dengan baik. Misalnya, fase austenit (γ-Fe) menunjukkan kisi kubik berpusat muka (FCC) dengan parameter kisi sekitar 0,36 nm pada suhu kamar, meskipun bervariasi dengan komposisi dan suhu. Ferrit (α-Fe) mengadopsi struktur kubik berpusat badan (BCC) dengan parameter kisi mendekati 0,286 nm.

Fase karbida seperti semenit (Fe₃C) memiliki struktur kristal ortorhombik, yang ditandai oleh pengaturan atom tertentu yang memberikan kekerasan dan kerapuhan. Martensit, yang terbentuk melalui pendinginan cepat, adalah fase tetragonal berpusat badan (BCT) yang jenuh, dengan kisi BCC yang terdistorsi akibat interstitial karbon.

Hubungan orientasi kristalografi, seperti Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, menggambarkan keselarasan orientasi antara fase induk dan fase yang ditransformasikan, mempengaruhi kinetika transformasi dan mikrostruktur yang dihasilkan.

Fitur Morfologis

Dari segi mikrostruktur, fase-fase dalam baja menunjukkan morfologi yang beragam. Austenit muncul sebagai matriks austenitik yang homogen pada suhu tinggi. Setelah pendinginan, ia berubah menjadi berbagai mikrostruktur seperti ferrit, perlit, bainit, atau martensit, masing-masing dengan bentuk dan ukuran yang khas.

Ferrit biasanya muncul sebagai butiran equiaxed yang berkisar dari beberapa mikrometer hingga beberapa milimeter, dengan bentuk poligonal atau globular di bawah mikroskop optik. Perlit muncul sebagai lamela yang bergantian antara ferrit dan semenit, dengan jarak lamela yang mempengaruhi sifat mekanik.

Bainit terbentuk sebagai struktur akicular atau berbulu, seringkali dalam beberapa mikrometer, dengan morfologi tiga dimensi yang kompleks. Martensit muncul sebagai lath yang mirip jarum atau pelat, dengan kepadatan dislokasi yang tinggi dan morfologi lath atau pelat yang khas yang dapat diamati di bawah mikroskop elektron pemindai.

Sifat Fisik

Sifat fisik dari fase-fase dalam baja sangat terkait dengan mikrostruktur mereka. Ferrit, yang relatif lunak dan ulet, menunjukkan kekerasan rendah (~100 HV) dan konduktivitas listrik tinggi. Semenit keras dan rapuh, dengan kekerasan tinggi (~700 HV) dan konduktivitas listrik rendah.

Austenit tidak magnetik dan menunjukkan ulet dan ketangguhan tinggi pada suhu tinggi. Martensit, karena kejenuhannya terhadap karbon dan kepadatan dislokasi yang tinggi, memiliki kekerasan tinggi (~600-700 HV), kekuatan, dan kerapuhan.

Sifat magnetik bervariasi: ferrit bersifat feromagnetik, sementara austenit bersifat paramagnetik pada suhu kamar. Konduktivitas termal umumnya lebih tinggi pada ferrit dibandingkan dengan semenit atau martensit, mempengaruhi perilaku perlakuan panas.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamik

Pembentukan fase dalam baja diatur oleh prinsip-prinsip termodinamik, terutama minimisasi energi bebas Gibbs (G). Agar suatu fase stabil, G-nya harus lebih rendah daripada fase-fase yang bersaing pada suhu dan komposisi tertentu.

Wilayah stabilitas fase didefinisikan oleh batas fase pada diagram fase, di mana energi bebas dari dua fase adalah sama. Diagram fase dengan demikian mewakili lokasi kondisi keseimbangan di mana beberapa fase ada bersama atau saling bertransformasi.

Diagram fase mencerminkan keseimbangan fase, seperti reaksi eutektik (γ → α + Fe₃C) pada 727°C dalam baja hipoeutektik, dan reaksi peritektik atau invariant, yang sangat penting untuk pengendalian mikrostruktur.

Kinetika Pembentukan

Sementara termodinamika menunjukkan fase mana yang stabil, kinetika menentukan seberapa cepat fase-fase ini terbentuk. Nucleation melibatkan pembentukan inti stabil dari fase baru dalam fase induk, mengatasi penghalang energi yang dipengaruhi oleh energi antarmuka dan perubahan energi bebas volume.

Pertumbuhan melibatkan difusi atom, yang bergantung pada suhu. Suhu yang lebih tinggi mempercepat difusi, mendorong pertumbuhan fase yang lebih cepat, tetapi juga dapat memfasilitasi pembentukan mikrostruktur keseimbangan.

Langkah-langkah yang mengontrol laju termasuk difusi atom, frekuensi nucleation, dan mobilitas antarmuka. Penghalang energi aktivasi, biasanya dalam kisaran 100–300 kJ/mol, mempengaruhi kinetika transformasi fase.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti karbon, mangan, kromium, dan nikel secara signifikan mempengaruhi pembentukan fase. Misalnya, karbon menstabilkan semenit dan martensit, sementara mangan memperluas wilayah stabilitas austenit.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, laju pemanasan, dan waktu tahan secara kritis mempengaruhi perkembangan fase. Pendinginan cepat mendukung pembentukan martensit, sementara pendinginan lambat mendorong perlit atau ferrit.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir austenit sebelumnya, mempengaruhi lokasi nucleation dan jalur transformasi, mempengaruhi distribusi fase dan morfologi.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Stabilitas termodinamik dari fase dapat dijelaskan dengan persamaan energi bebas Gibbs:

[ G = H - TS ]

di mana $G$ adalah energi bebas Gibbs, $H$ adalah entalpi, $T$ adalah suhu, dan $S$ adalah entropi.

Batas fase antara dua fase (α dan γ, misalnya) ditentukan oleh kesetaraan energi bebas mereka:

$$G_\alpha(T, C) = G_\gamma(T, C) $$

di mana $C$ adalah komposisi.

Aturan tuas mengkuantifikasi fraksi fase dalam wilayah dua fase:

$$f_\alpha = \frac{C_\gamma - C_0}{C_\gamma - C_\alpha} $$

di mana $C_0$ adalah komposisi keseluruhan, dan ( C_\alpha ), ( C_\gamma ) adalah komposisi dari fase masing-masing.

Kecepatan nucleation (( I )) dapat dinyatakan sebagai:

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

di mana $I_0$ adalah faktor pre-exponential, ( \Delta G^* ) adalah penghalang energi bebas kritis, ( k ) adalah konstanta Boltzmann, dan $T$ adalah suhu.

Model Prediktif

Alat komputasi seperti CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams) mengintegrasikan basis data termodinamik untuk memprediksi stabilitas fase dan transformasi di berbagai komposisi dan suhu.

Model bidang fase mensimulasikan evolusi mikrostruktur dengan menyelesaikan persamaan diferensial yang terhubung yang