Polimorfisme dalam Mikrostuktur Baja: Pembentukan, Dampak & Pengolahan

Definisi dan Konsep Dasar

Polimorfisme dalam metalurgi baja mengacu pada fenomena di mana komposisi kimia tertentu dapat ada dalam beberapa struktur kristal atau fase yang berbeda di bawah kondisi termodinamika yang berbeda. Pada tingkat atom, ini melibatkan pengaturan ulang atom ke dalam konfigurasi kisi yang berbeda tanpa mengubah komposisi kimia keseluruhan. Variabilitas struktural ini muncul karena stabilitas termodinamik dari berbagai fase pada rentang suhu dan tekanan tertentu.

Secara fundamental, polimorfisme berakar pada prinsip stabilitas fase dan minimisasi energi bebas. Struktur kristal yang berbeda—seperti kubik berpusat badan (BCC), kubik berpusat wajah (FCC), atau terpakai heksagonal (HCP)—diutamakan tergantung pada suhu, tekanan, dan elemen paduan. Dalam baja, transformasi polimorfik secara signifikan mempengaruhi sifat mekanik, ketahanan korosi, dan stabilitas termal, menjadikan pemahaman fenomena ini penting untuk pengendalian mikrostruktur dan optimasi material.

Polimorfisme adalah konsep inti dalam ilmu material, menjembatani fenomena skala atom dengan sifat makroskopik. Ini mendasari teori transformasi fase, seperti transformasi martensitik, bainitik, dan austenitik dalam baja. Mengenali dan mengendalikan perilaku polimorfik memungkinkan metalurgis untuk menyesuaikan mikrostruktur baja untuk kebutuhan kinerja tertentu.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Fase polimorfik dalam baja dicirikan oleh pengaturan kristalografi yang berbeda. Fase utama yang terlibat meliputi:

• Austenit (γ-Fe): Struktur FCC dengan parameter kisi sekitar 3,58 Å pada suhu kamar, stabil pada suhu tinggi (>727°C untuk besi murni). Pengaturan atomnya memiliki atom di setiap sudut dan pusat wajah sel unit kubik, memberikan simetri tinggi dan duktilitas.

• Ferrit (α-Fe): Struktur BCC dengan parameter kisi sekitar 2,87 Å pada suhu kamar. Ini menunjukkan pengaturan atom yang kurang padat dibandingkan dengan FCC, menghasilkan kekuatan yang lebih tinggi tetapi duktilitas yang lebih rendah.

• Martensit: Fase tetragonal berpusat badan (BCT) yang terlampaui jenuh yang terbentuk oleh pendinginan cepat austenit. Struktur atomnya adalah kisi BCC yang terdistorsi, dengan atom karbon terjebak di situs interstisial, menghasilkan kekerasan dan kekuatan yang tinggi.

• Fase Lain: Seperti semenit (Fe₃C), yang ortorhombik, dan berbagai karbida atau nitride yang juga dapat menunjukkan hubungan polimorfik.

Hubungan kristalografi di antara fase-fase ini diatur oleh hubungan orientasi, seperti hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, yang menggambarkan bagaimana kisi fase induk dan fase yang ditransformasikan sejajar selama perubahan fase.

Fitur Morfologis

Fase polimorfik dalam baja menunjukkan morfologi khas yang dapat diamati di bawah mikroskop:

• Austenit: Biasanya muncul sebagai butiran besar yang ekuiaxial dengan batas yang halus pada baja yang digulung panas. Di bawah mikroskop optik, ia menunjukkan penampilan cerah dan seragam karena struktur FCC-nya.

• Ferrit: Tampil sebagai butiran halus, mirip jarum atau poligonal dengan penampilan yang relatif lembut. Ukuran butirnya dapat berkisar dari beberapa mikrometer hingga beberapa ratus mikrometer, tergantung pada pemrosesan.

• Martensit: Menyajikan sebagai struktur mirip jarum atau pelat, sering membentuk morfologi lath atau pelat. Di bawah mikroskop elektron pemindaian (SEM), martensit muncul sebagai fitur gelap, akicular dengan kontras tinggi.

• Distribusi: Fase dapat bersifat kontinu atau diskrit, dengan morfologinya dipengaruhi oleh laju pendinginan, elemen paduan, dan mikrostruktur sebelumnya. Misalnya, martensit terbentuk sebagai mikrostruktur halus yang terdispersi dalam matriks ferritik.

Sifat Fisik

Sifat fisik yang terkait dengan mikrostruktur polimorfik bervariasi secara signifikan:

• Kepadatan: Austenit memiliki kepadatan sekitar 7,9 g/cm³, mirip dengan ferrit, tetapi kepadatan martensit bisa sedikit lebih tinggi karena penjebakan karbon.

• Konduktivitas Listrik: Austenit menunjukkan konduktivitas listrik yang lebih tinggi karena struktur FCC-nya dan kepadatan cacat yang lebih rendah dibandingkan martensit.

• Sifat Magnetik: Ferrit dan martensit bersifat ferromagnetik, sedangkan austenit bersifat paramagnetik pada suhu kamar, mempengaruhi aplikasi magnetik.

• Konduktivitas Termal: Austenit umumnya memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi dibandingkan martensit, mempengaruhi transfer panas selama pemrosesan.

Sifat-sifat ini mempengaruhi kinerja baja dalam aplikasi seperti komponen listrik, perangkat magnetik, dan lingkungan termal.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamik

Pembentukan fase polimorfik dalam baja diatur oleh termodinamika, terutama minimisasi energi bebas Gibbs (G). Setiap fase memiliki kurva energi bebas karakteristik sebagai fungsi suhu dan komposisi.

Pada suhu tinggi, fase austenit FCC stabil secara termodinamik karena energi bebasnya yang lebih rendah dibandingkan ferrit BCC. Saat suhu menurun, energi bebas ferrit menjadi lebih rendah, mendorong transformasi fase. Diagram fase paduan besi-karbon menggambarkan daerah stabilitas ini, dengan transformasi austenit menjadi ferrit terjadi saat pendinginan di bawah suhu kritis.

Stabilitas fase juga dipengaruhi oleh elemen paduan seperti nikel, kromium, dan mangan, yang memodifikasi kurva energi bebas dan menggeser batas fase. Kehadiran karbon menstabilkan austenit pada suhu yang lebih rendah, mempengaruhi transformasi polimorfik.

Kinetika Pembentukan

Kinetika transformasi polimorfik melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan:

• Nukleasi: Dimulai pada cacat, batas butir, atau dislokasi, di mana hambatan energi bebas lokal berkurang. Laju nukleasi tergantung pada suhu, derajat pendinginan, dan komposisi paduan.

• Pertumbuhan: Didorong oleh difusi atom (misalnya, karbon dalam baja), dengan laju yang dikendalikan oleh mobilitas atom dan suhu. Pendinginan cepat menekan difusi, mendukung transformasi martensitik melalui mekanisme geser tanpa difusi.

• Hubungan Waktu-Suhu: Laju transformasi meningkat dengan pendinginan di bawah suhu kritis. Misalnya, martensit terbentuk hampir seketika selama pendinginan cepat, sedangkan ferrit dan pearlit memerlukan laju pendinginan yang lebih lambat.

• Energi Aktivasi: Hambatan energi untuk nukleasi dan pertumbuhan bervariasi di antara fase, dengan transformasi martensitik bersifat tanpa difusi dan dengan demikian memiliki energi aktivasi yang lebih rendah dibandingkan transformasi difusional seperti pembentukan pearlit.

Faktor yang Mempengaruhi

Beberapa faktor mempengaruhi pembentukan fase polimorfik:

• Komposisi Paduan: Elemen seperti Ni menstabilkan austenit, menunda transformasi; C mendorong pembentukan martensit.

• Laju Pendinginan: Pendinginan cepat mendukung martensit; pendinginan lambat memungkinkan transformasi difusional seperti pearlit atau bainit.

• Mikrostruktur Sebelumnya: Ukuran butir dan fase yang ada mempengaruhi situs nukleasi dan jalur transformasi.

• K