Plate Martensite: Mikrostruktur, Pembentukan, dan Dampaknya terhadap Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Plate martensite adalah bentuk mikrostruktur spesifik dari fase martensitik dalam baja yang ditandai dengan morfologi tipis dan mirip pelat. Ini terbentuk ketika austenit, fase kubik pusat wajah (FCC), mengalami pendinginan cepat (quenching) di bawah suhu awal martensit (Ms), yang mengakibatkan transformasi tanpa difusi dan geser menjadi fase tetragonal pusat tubuh (BCT). Mikrostruktur ini dibedakan oleh morfologi lamelar berbentuk pelat, yang secara signifikan mempengaruhi sifat mekanik baja.

Di tingkat atom, plate martensite dihasilkan dari transformasi geser yang terkoordinasi yang mengubah orientasi kisi atom dari FCC ke BCT tanpa difusi atom. Transformasi ini melibatkan mekanisme dominan geser di mana kisi austenit induk terdistorsi sepanjang bidang kebiasaan tertentu, menciptakan fase yang sangat tertekan dan jenuh. Mikrostruktur yang dihasilkan mencerminkan fase metastabil dengan kepadatan dislokasi tinggi dan tegangan internal, yang sangat penting untuk kekuatan dan kekerasannya.

Dalam metalurgi baja, pemahaman tentang plate martensite sangat penting karena secara langsung mempengaruhi sifat-sifat seperti kekerasan, kekuatan, ketangguhan, dan keuletan. Pembentukan dan pengendaliannya adalah dasar dalam merancang proses perlakuan panas untuk baja berkinerja tinggi, termasuk alat, komponen struktural, dan paduan tahan aus. Karakteristik mikrostruktur mempengaruhi perilaku baja di bawah beban, ketahanan korosi, dan umur lelah, menjadikannya konsep sentral dalam rekayasa mikrostruktur.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Plate martensite mengadopsi struktur kristal tetragonal pusat tubuh (BCT), yang merupakan bentuk terdistorsi dari kisi kubik pusat wajah (FCC) austenit induk. Transformasi dari FCC ke BCT melibatkan deformasi geser sepanjang bidang kebiasaan tertentu, biasanya bidang {111} dalam austenit, yang mengakibatkan distorsi kisi yang ditandai dengan rasio tetragonality (c/a).

Parameter kisi martensite bervariasi tergantung pada komposisi paduan dan kondisi pendinginan tetapi umumnya memiliki sel satuan tetragonal dengan konstanta kisi sekitar a ≈ 2,87 Å dan c ≈ 3,00 Å dalam baja berbasis besi murni. Tetragonality (rasio c/a) mempengaruhi tegangan internal dan kekerasan mikrostruktur.

Dari sudut pandang kristalografi, transformasi martensitik melibatkan hubungan orientasi tertentu dengan austenit induk, yang biasanya dijelaskan oleh hubungan orientasi Kurdjumov–Sachs (K–S) atau Nishiyama–Wassermann (N–W). Hubungan ini mendefinisikan bagaimana varian martensite BCT terorientasi relatif terhadap austenit FCC, yang mengarah pada pola distribusi varian dan tegangan internal yang khas.

Fitur Morfologis

Plate martensite muncul sebagai pelat tipis dan memanjang atau lath dalam mikrostruktur baja. Pelat ini biasanya memiliki ketebalan antara 0,1 hingga 1 mikrometer dan dapat memanjang beberapa mikrometer, sering kali membentuk morfologi lath atau mirip pelat. Pelat-pelat ini disusun dalam paket atau blok, dengan setiap paket terdiri dari varian martensite yang terorientasi sesuai dengan hubungan orientasi kristalografi.

Di bawah mikroskop optik, plate martensite muncul sebagai fitur mirip jarum atau berbentuk lath dengan kontras tinggi karena kekerasan dan tegangan internalnya. Mikroskopi elektron transmisi (TEM) mengungkapkan struktur lamelar halus mereka, dengan pelat sering kali sejajar sepanjang bidang kebiasaan tertentu, menciptakan mikrostruktur khas yang menyerupai mosaik pelat tipis dan paralel.

Distribusi pelat dapat seragam atau terkelompok, tergantung pada komposisi baja dan laju pendinginan. Dalam baja karbon tinggi, pelat cenderung lebih padat dan lebih halus, sedangkan dalam baja karbon rendah, mereka mungkin lebih kasar dan kurang terdistribusi secara merata.

Sifat Fisik

Plate martensite menunjukkan kekerasan dan kekuatan tinggi karena kandungan karbon yang jenuh dan kepadatan dislokasi yang tinggi. Nilai kekerasan tipikal berkisar antara 600 hingga 700 HV (kekerasan Vickers), jauh lebih tinggi dibandingkan dengan mikrostruktur ferrite atau pearlite.

Kepadatan plate martensite sedikit lebih rendah dibandingkan dengan ferrite karena tegangan internal dan distorsi kisi tetapi tetap dekat dengan kepadatan teoritis besi BCT. Mikrostruktur ini umumnya non-magnetik atau sedikit magnetik, tergantung pada elemen paduan dan tegangan sisa.

Dari segi termal, plate martensite memiliki konduktivitas termal yang tinggi relatif terhadap mikrostruktur lainnya, memfasilitasi disipasi panas dalam aplikasi. Konduktivitas listriknya rendah karena kepadatan cacat yang tinggi dan jenuh karbon, yang menghamburkan elektron konduksi.

Dari segi magnetik, martensite biasanya ferromagnetik, dengan sifat magnetik yang dipengaruhi oleh tetragonality dan tegangan internal. Sifat anisotropik mikrostruktur dapat menyebabkan variasi arah dalam permeabilitas magnetik.

Jika dibandingkan dengan mikrostruktur lain seperti bainite atau pearlite, plate martensite jauh lebih keras, lebih rapuh, dan kurang ulet, yang memerlukan pengendalian yang hati-hati selama pemrosesan untuk menyeimbangkan kekuatan dan ketangguhan.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan plate martensite diatur oleh stabilitas termodinamika fase pada suhu dan komposisi tertentu. Gaya pendorong untuk transformasi adalah perbedaan energi bebas Gibbs (ΔG) antara austenit dan martensite, yang semakin negatif saat suhu turun di bawah Ms.

Transformasi martensitik adalah proses tanpa difusi yang dominan geser, terjadi dengan cepat ketika perbedaan energi bebas melebihi ambang batas kritis. Stabilitas austenit pada suhu tinggi disebabkan oleh energi bebasnya yang lebih rendah dibandingkan dengan fase lainnya, tetapi setelah pendinginan cepat, austenit menjadi jenuh dan metastabil, mendukung pembentukan martensite.

Diagram fase, terutama diagram biner Fe–C, menggambarkan rentang suhu dan komposisi di mana martensite secara termodinamika diuntungkan. Suhu Ms tergantung pada elemen paduan; misalnya, karbon meningkatkan Ms, memfasilitasi pembentukan martensite pada suhu yang lebih tinggi.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan martensite melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan yang dikendalikan oleh geser. Nukleasi terjadi dengan cepat di lokasi yang menguntungkan seperti batas butir, dislokasi, atau cacat mikrostruktur yang ada, dengan laju nukleasi sangat tergantung pada suhu dan komposisi paduan.

Pertumbuhan berlangsung melalui front transformasi geser yang bergerak melalui austenit, dengan laju yang dibatasi oleh ketersediaan tegangan geser dan regangan internal. Transformasi ini pada dasarnya instan setelah nukleasi terjadi, sering kali selesai dalam milidetik selama pendinginan cepat.

Langkah pengendali laju adalah transformasi geser itu sendiri, dengan energi aktivasi biasanya dalam kisaran 50–100 kJ/mol. Laju pendinginan sangat mempengaruhi sejauh mana dan morfologi martensite; pendinginan yang lebih cepat menghasilkan pelat yang lebih halus dengan tegangan internal yang lebih tinggi.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti karbon, mangan, nikel, dan krom mempengaruhi pembentukan plate martensite dengan mengubah Ms dan kinetika transformasi. Kandungan karbon yang lebih tinggi menstabilkan martensite, meningkatkan fraksi volumenya dan memperhalus mikrostruktur.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, suhu austenitisasi, dan mikrostruktur sebelumnya mempengaruhi morfologi dan distribusi pelat. Pendinginan cepat dari suhu austenitisasi mendorong pembentukan pelat yang halus dan homogen, sedangkan pendinginan yang lebih lambat dapat menghasilkan mikrostruktur campuran dengan bainite atau pearlite.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir austenit sebelumnya, mempengaruhi lokasi nukleasi dan morfologi pelat yang dihasilkan. Butir halus cenderung menghasilkan pelat martensitik yang lebih halus, meningkatkan kekuatan dan ketangguhan.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Fraksi volume martensite $V_m$