Proeutectoid dalam Mikrostruktur Baja: Pembentukan, Karakteristik & Dampak

Definisi dan Konsep Dasar

Proeutectoid mengacu pada fase atau konstituen mikrostruktural yang terbentuk dalam baja sebelum perkembangan mikrostruktur eutectoid selama pendinginan dari fase austenitik. Secara khusus, ini adalah fase yang mengendap atau berubah dari austenit pada suhu di atas suhu eutectoid, biasanya dalam baja hipoeutectoid, sebelum pembentukan pearlit.

Di tingkat atom, dasar fundamental pembentukan proeutectoid melibatkan nukleasi dan pertumbuhan fase seperti ferit atau semenit dalam matriks austenitik. Fase-fase ini dicirikan oleh struktur kristalografi dan susunan atom yang berbeda, yang secara termodinamika diuntungkan pada kondisi suhu dan komposisi tertentu. Pembentukan fase proeutectoid mengurangi energi bebas sistem, menstabilkan mikrostruktur sebelum transformasi eutectoid akhir.

Dalam metalurgi baja, pemahaman tentang proeutectoid sangat penting karena mempengaruhi mikrostruktur akhir, sifat mekanik, dan kinerja produk baja. Ini berfungsi sebagai prekursor untuk pearlit atau mikrostruktur lainnya, dan pengendaliannya sangat penting untuk menyesuaikan sifat seperti kekuatan, ketangguhan, dan keuletan.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Fase proeutectoid menunjukkan susunan kristalografi tertentu tergantung pada sifatnya. Misalnya, ferit (α-besi) memiliki struktur kristal kubik berpusat badan (BCC) dengan parameter kisi sekitar 2,866 Å pada suhu kamar. Semenit (Fe₃C), di sisi lain, memiliki struktur kristal ortorhombik dengan parameter kisi yang kompleks, dicirikan oleh susunan periodik atom besi dan karbon.

Dalam baja hipoeutectoid, ferit proeutectoid nukleasi dalam matriks austenitik dan mengadopsi struktur BCC, sering kali dengan hubungan orientasi yang diutamakan dengan austenit induk, seperti hubungan orientasi Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann. Hubungan kristalografi ini mempengaruhi morfologi dan perilaku pertumbuhan fase proeutectoid.

Fitur Morfologis

Fase proeutectoid biasanya muncul sebagai fitur mikrostruktural yang berbeda yang dapat diamati di bawah mikroskop. Ferit muncul sebagai daerah yang relatif lunak dan berwarna terang dengan morfologi poligonal atau granular, sering kali terbentuk di sepanjang batas butir austenit sebelumnya atau di dalam butir. Ukuran ferit proeutectoid dapat berkisar dari nanometer hingga beberapa mikrometer, tergantung pada laju pendinginan dan komposisi paduan.

Semenit, ketika hadir sebagai proeutectoid, muncul sebagai endapan halus, seperti jarum atau pelat, sering kali di sepanjang batas butir atau di dalam butir, berkontribusi pada mikrostruktur lamelar atau granular. Distribusi fase proeutectoid umumnya seragam tetapi dapat dipengaruhi oleh elemen paduan dan sejarah termal.

Sifat Fisik

Fase proeutectoid mempengaruhi beberapa sifat fisik baja. Ferit, yang relatif lunak dan ulet, mengurangi kekerasan keseluruhan tetapi meningkatkan ketangguhan. Densitasnya (~7,87 g/cm³) sedikit lebih rendah daripada semenit (~7,6 g/cm³), dan menunjukkan perilaku paramagnetik pada suhu kamar.

Semenit keras dan rapuh, dengan kekerasan tinggi (~700 HV) dan keuletan rendah, berkontribusi pada peningkatan kekuatan tetapi mengurangi ketangguhan. Ini bersifat isolator listrik dan menunjukkan konduktivitas termal anisotropik karena struktur kristalnya yang kompleks.

Jika dibandingkan dengan konstituen mikrostruktural lainnya seperti pearlit atau martensit, fase proeutectoid memiliki sifat fisik yang berbeda yang secara langsung mempengaruhi perilaku mekanik baja dan respons terhadap perlakuan panas lebih lanjut.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan fase proeutectoid diatur oleh prinsip-prinsip termodinamika, terutama minimisasi energi bebas dalam sistem. Selama pendinginan, fase austenit menjadi tidak stabil secara termodinamika relatif terhadap ferit atau semenit pada suhu tertentu, yang mengarah pada nukleasi fase.

Diagram fase paduan Fe-C menunjukkan rentang suhu dan komposisi di mana fase proeutectoid stabil. Untuk baja hipoeutectoid, ferit mulai nukleasi pada garis A₃ (di atas suhu eutectoid), sementara semenit terbentuk dalam baja hipereutectoid pada suhu kritis atas. Perbedaan energi bebas antara fase menentukan gaya pendorong untuk nukleasi dan pertumbuhan.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan proeutectoid melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan yang dikendalikan oleh difusi atom, mobilitas antarmuka, dan gaya pendorong termodinamika. Nukleasi terjadi secara heterogen di batas butir, dislokasi, atau inklusi, di mana hambatan energi lebih rendah.

Kecepatan pertumbuhan tergantung pada laju difusi atom, yang bergantung pada suhu. Suhu yang lebih tinggi memfasilitasi difusi yang lebih cepat, menghasilkan mikrostruktur proeutectoid yang lebih kasar, sementara pendinginan cepat menekan pertumbuhan, menghasilkan fase yang lebih halus. Langkah pengendali laju sering kali adalah difusi atom, dengan energi aktivasi biasanya dalam kisaran 100–200 kJ/mol.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti karbon, mangan, dan silikon secara signifikan mempengaruhi pembentukan proeutectoid. Misalnya, peningkatan kandungan karbon mendorong pembentukan semenit, sementara silikon menghambat pengendapan semenit, lebih memilih ferit.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, sejarah deformasi, dan mikrostruktur sebelumnya juga mempengaruhi sejauh mana dan morfologi fase proeutectoid. Pendinginan cepat (quenching) menekan pembentukan proeutectoid, menghasilkan mikrostruktur martensitik, sementara pendinginan lambat memungkinkan perkembangan proeutectoid yang luas.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir austenit sebelumnya, mempengaruhi lokasi nukleasi dan distribusi fase proeutectoid, mempengaruhi evolusi mikrostruktural selanjutnya.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Kecepatan nukleasi ( I ) fase proeutectoid dapat dijelaskan oleh teori nukleasi klasik:

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

di mana:

• $I_0$ adalah faktor pre-ekspresional yang terkait dengan frekuensi getaran atom,
• ( \Delta G^* ) adalah hambatan energi bebas kritis untuk nukleasi,
• ( k ) adalah konstanta Boltzmann,
• $T$ adalah suhu mutlak.

Energi bebas kritis ( \Delta G^* ) tergantung pada energi antarmuka ( \sigma ), perubahan energi bebas volume ( \Delta G_v ), dan ukuran inti:

$$
\Delta G^* = \frac{16 \pi \sigma^3}{3 (\Delta G_v)^2}
$$

Kecepatan pertumbuhan ( G ) fase proeutectoid sering kali dimodelkan oleh kinetika yang dikendalikan oleh difusi:

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

di mana:

• $D$ adalah koefisien difusi karbon atau elemen paduan,
• ( \Delta C ) adalah perbedaan konsentrasi di seluruh antarmuka,
• ( \delta ) adalah jarak difusi.

Model Prediktif

Metode termodinamika komputasional (CALPHAD) digunakan untuk memprediksi stabilitas fase dan suhu transformasi. Model fase-field mensimulasikan evolusi mikrostruktural, menangkap nukleasi, pertumbuhan, dan koalesensi fase proeutectoid seiring waktu.

Model Monte Carlo kinetik dan automata sel memberikan wawasan tentang sifat stokastik dari transformasi fase, memperhitungkan variasi lokal dan heterogenitas mikrostruktural.

Limitasi dari model-model ini termasuk asumsi sifat isotropik, termodinamika yang disederhanakan, dan tuntutan sumber daya komputasi.