Fase dalam Mikrostuktur Baja: Pembentukan, Tipe & Dampak pada Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Dalam konteks metalurgi dan mikrostruktur, fase mengacu pada wilayah homogen yang berbeda dalam komposisi, struktur, atau sifat dari sekitarnya. Ini adalah keadaan yang stabil secara termodinamika atau metastabil yang ditandai oleh pengaturan atom tertentu, komposisi kimia, dan atribut fisik, yang coexist dengan fase lain dalam mikrostruktur yang sama.

Di tingkat atom, fase didefinisikan oleh pengaturan kristalografi unik dari atom, sering kali dijelaskan oleh kisi kristal tertentu dan simetri. Pengaturan ini diatur oleh prinsip-prinsip kristalografi dan termodinamika, di mana stabilitas fase tergantung pada minimisasi energi bebas di bawah kondisi suhu, tekanan, dan komposisi tertentu.

Dalam metalurgi baja, fase sangat penting untuk memahami hubungan mikrostruktur-sifat. Mereka berfungsi sebagai blok bangunan yang mempengaruhi kekuatan mekanik, ketangguhan, keuletan, ketahanan korosi, dan sifat kritis lainnya. Mengenali dan mengendalikan fase memungkinkan metalurgis untuk menyesuaikan kinerja baja untuk berbagai aplikasi, dari komponen struktural hingga paduan kekuatan tinggi yang canggih.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Struktur kristalografi suatu fase mendefinisikan pengaturan atom dan simetrinya. Fase umum dalam baja termasuk ferit (α-besi), austenit (γ-besi), semenit (Fe₃C), martensit, dan berbagai karbida.

• Ferit menunjukkan sistem kristal kubik berpusat badan (BCC) dengan parameter kisi sekitar 2,86 Å pada suhu kamar. Pengaturan atomnya melibatkan atom besi yang menempati titik kisi, dengan struktur yang relatif terbuka yang memfasilitasi keuletan.
• Austenit memiliki struktur kubik berpusat muka (FCC) dengan parameter kisi mendekati 3,58 Å. Rata-rata bidang atom yang padat memungkinkan larutan tinggi dari unsur paduan seperti karbon dan nikel.
• Semenit (Fe₃C) adalah senyawa ortorhombik dengan struktur kristal yang kompleks, ditandai oleh lapisan bergantian dari atom besi dan karbon, yang berkontribusi pada kekerasan dan kerapuhan.
• Martensit terbentuk melalui transformasi tanpa difusi, mengadopsi struktur tetragonal berpusat badan (BCT), yang merupakan kisi BCC yang terdistorsi dengan sumbu c yang memanjang, menghasilkan kekuatan dan kekerasan yang tinggi.

Hubungan orientasi kristalografi, seperti Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, menggambarkan bagaimana fase seperti austenit berubah menjadi martensit, mempengaruhi morfologi dan sifat mikrostruktur.

Fitur Morfologis

Fase dalam baja menunjukkan morfologi khas yang dapat diamati melalui mikroskopi:

• Ferit muncul sebagai butiran berwarna terang yang ekuiaxial dalam mikroskopi optik, biasanya berkisar dari beberapa mikrometer hingga ratusan mikrometer.
• Austenit muncul sebagai butiran yang lebih besar, sering kali poligonal, terutama dalam baja cor atau yang telah diannealing, dengan ukuran dari beberapa mikrometer hingga milimeter.
• Semenit muncul sebagai struktur halus, seperti jarum atau lamelar, sering kali terbentuk dalam mikrostruktur pearlitik atau bainitik.
• Martensit menunjukkan fitur seperti jarum atau pelat, dengan morfologi lath atau pelat tergantung pada kondisi pendinginan, terlihat sebagai daerah gelap di bawah mikroskopi optik.

Rentang ukuran bervariasi dari nanometer (untuk karbida halus) hingga milimeter (untuk butiran kasar). Distribusi dapat seragam, terkelompok, atau berlapis, mempengaruhi perilaku mekanis.

Sifat Fisik

• Kepadatan: Fase yang berbeda memiliki kepadatan yang berbeda; misalnya, ferit (~7,86 g/cm³) kurang padat dibandingkan semenit (~7,6 g/cm³), mempengaruhi kepadatan baja secara keseluruhan.
• Konduktivitas Listrik: Ferit menunjukkan konduktivitas listrik yang lebih tinggi dibandingkan dengan karbida atau martensit karena sifat metaliknya.
• Sifat Magnetik: Ferit bersifat feromagnetik, sedangkan austenit bersifat paramagnetik pada suhu kamar, mempengaruhi aplikasi magnetik.
• Konduktivitas Termal: Ferit memiliki konduktivitas termal yang relatif tinggi, memfasilitasi transfer panas, sementara karbida lebih bersifat isolasi termal.

Sifat-sifat ini terkait langsung dengan pengaturan atom dan karakteristik ikatan, membedakan fase satu sama lain.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan dan stabilitas fase diatur oleh energi bebas Gibbs (G). Sebuah fase terbentuk ketika meminimalkan energi bebas sistem di bawah kondisi tertentu:

[ G = H - TS ]

di mana $H$ adalah entalpi, (T) suhu, dan (S) entropi.

Stabilitas fase tergantung pada diagram fase, yang memetakan fase keseimbangan pada berbagai suhu dan komposisi. Misalnya, diagram fase Fe-C menunjukkan bahwa semenit stabil di bawah suhu dan komposisi tertentu, sementara austenit stabil pada suhu yang lebih tinggi.

Diagram fase memberikan batas fase, menunjukkan kondisi di mana fase coexist atau berubah. Perbedaan energi bebas antara fase menentukan gaya pendorong untuk transformasi.

Kinetika Pembentukan

Proses nukleasi dan pertumbuhan mengontrol pembentukan fase:

• Nukleasi melibatkan pembentukan inti stabil dari fase baru dalam fase induk, yang memerlukan pengatasan penghalang energi terkait dengan energi antarmuka.
• Pertumbuhan melibatkan atom yang berdifusi ke inti, memperbesarnya seiring waktu.

Kecepatan transformasi fase tergantung pada suhu, koefisien difusi, dan derajat pendinginan atau supersaturasi.

Persamaan Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) memodelkan kinetika transformasi:

$$X(t) = 1 - \exp(-k t^n) $$

di mana (X(t)) adalah fraksi volume yang tertransformasi pada waktu (t), (k) adalah konstanta laju, dan (n) adalah eksponen Avrami yang terkait dengan mekanisme nukleasi dan pertumbuhan.

Energi aktivasi ((Q)) mempengaruhi laju, dengan nilai (Q) yang lebih tinggi menunjukkan transformasi yang lebih lambat pada suhu tertentu.

Faktor yang Mempengaruhi

• Komposisi Paduan: Unsur seperti karbon, mangan, krom, dan nikel mempengaruhi stabilitas dan pembentukan fase.
• Parameter Pemrosesan: Laju pendinginan, suhu, dan riwayat deformasi secara signifikan mempengaruhi perkembangan fase.
• Mikrostruktur Sebelumnya: Ukuran butir, kerapatan dislokasi, dan fase yang ada mempengaruhi lokasi nukleasi dan jalur transformasi.

Misalnya, pendinginan cepat menekan difusi, mendukung pembentukan martensit, sementara pendinginan lambat mempromosikan pearlit atau bainit.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

• Perbedaan Energi Bebas Gibbs:

$$\Delta G = G_{\text{fase 1}} - G_{\text{fase 2}} $$

Nilai negatif (\Delta G) menunjukkan pembentukan spontan fase 2 dari fase 1.

• Persamaan Difusi (Hukum Fick):

$$J = -D \frac{\partial C}{\partial x} $$

di mana $J$ adalah fluks difusi, $D$ adalah koefisien difusi, dan (\partial C/\partial x) adalah gradien konsentrasi.

• Kecepatan Transformasi (JMA