Kulit dalam Mikrostruktur Baja: Pembentukan, Karakteristik & Dampak pada Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Dalam konteks metalurgi dan mikrostruktur, "Kulit" mengacu pada lapisan atau zona mikrostruktur permukaan yang berbeda, seringkali tipis, yang terbentuk di atau dekat permukaan baja selama pemrosesan atau layanan. Ini ditandai dengan fitur mikrostruktur yang berbeda dari mikrostruktur inti atau bulk, sering kali dihasilkan dari kondisi termal, kimia, atau mekanis yang terlokalisasi.

Di tingkat atom, kulit dihasilkan dari variasi dalam komposisi fase, struktur butir, atau kepadatan cacat di permukaan, yang dipicu oleh gradien suhu, komposisi, atau deformasi. Misalnya, pendinginan cepat di permukaan selama pendinginan dapat menghasilkan kulit martensitik yang mengeras, sementara oksidasi atau dekarburisasi dapat mengubah mikrostruktur secara kimia.

Zona mikrostruktur ini signifikan karena mempengaruhi sifat permukaan seperti kekerasan, ketahanan korosi, dan umur lelah. Memahami kulit sangat penting dalam metalurgi baja untuk mengontrol integritas permukaan, mengoptimalkan kinerja, dan memprediksi mode kegagalan.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Fitur kristalografi kulit tergantung pada proses pembentukannya. Biasanya, ia menunjukkan struktur fase yang berbeda dari mikrostruktur interior. Misalnya, selama pendinginan cepat, permukaan dapat mengembangkan mikrostruktur martensitik yang ditandai dengan sistem kristal tetragonal berpusat badan (BCT), sementara inti tetap ferritik atau perlit.

Parameter kisi di kulit dapat menyimpang dari bulk karena stres residual atau gradien komposisi. Misalnya, martensit yang terbentuk di permukaan sering menunjukkan distorsi kisi akibat kejenuhan atom karbon.

Orientasi kristalografi di kulit mungkin teratur secara preferensial karena pendinginan atau deformasi yang terarah. Perkembangan tekstur dapat mempengaruhi sifat seperti anisotropi dalam kekerasan atau kerentanan terhadap korosi.

Fitur Morfologi

Kulit umumnya muncul sebagai lapisan tipis yang kontinu, berkisar dari beberapa mikrometer hingga beberapa ratus mikrometer dalam ketebalan. Morfologinya dapat ditandai oleh struktur martensitik yang halus dan akicular (seperti jarum), pembentukan lath atau pelat, atau fase granular, tergantung pada kondisi pembentukan.

Dalam mikroskopi optik atau elektron, kulit muncul sebagai zona yang berbeda dengan kontras yang kontras karena perbedaan fase, ukuran butir, atau kepadatan cacat. Bentuknya bisa datar, berlapis, atau tidak teratur, sering kali sesuai dengan topologi permukaan.

Distribusi kulit biasanya seragam di seluruh permukaan tetapi dapat terlokalisasi atau tidak merata dalam kasus pendinginan yang tidak merata atau reaksi kimia. Konfigurasi tiga dimensinya sering kali merupakan cangkang tipis yang berdekatan dengan permukaan yang mungkin meluas ke daerah bawah permukaan.

Sifat Fisik

Kulit menunjukkan sifat yang sangat berbeda dari mikrostruktur bulk. Ia umumnya memiliki kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi karena transformasi fase seperti martensitisasi atau pemurnian ukuran butir.

Variasi kepadatan dapat terjadi jika kulit mengandung porositas, produk oksidasi, atau inklusi fase. Misalnya, lapisan oksida dapat mengurangi kepadatan secara lokal.

Sifat magnetik dapat diubah; misalnya, pembentukan martensit meningkatkan permeabilitas magnetik, sedangkan lapisan oksida biasanya non-magnetik.

Secara termal, kulit dapat mempengaruhi transfer panas di permukaan, mempengaruhi laju pendinginan dan perkembangan stres residual. Konduktivitas termalnya mungkin berbeda dari interior karena perbedaan fase atau komposisi.

Jika dibandingkan dengan konstituen mikrostruktur lainnya, kulit sering menunjukkan peningkatan kekerasan, stres residual, dan komposisi kimia yang diubah, yang secara kolektif mempengaruhi kinerja permukaan.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan kulit diatur oleh prinsip-prinsip termodinamika yang melibatkan stabilitas fase dan minimisasi energi bebas. Pendinginan permukaan atau reaksi kimia di permukaan dapat menggeser keseimbangan fase lokal, mendukung pembentukan fase seperti martensit, bainit, atau lapisan oksida.

Perbedaan energi bebas (ΔG) antara fase menentukan apakah transformasi fase terjadi di permukaan. Misalnya, pendinginan cepat mengurangi penghalang energi bebas untuk pembentukan martensit, menstabilkan fase ini di permukaan bahkan ketika ia metastabil di bulk.

Diagram fase, seperti diagram fase Fe-C, menyediakan kerangka termodinamika untuk memprediksi stabilitas fase pada suhu dan komposisi yang berbeda. Kondisi spesifik permukaan dapat menyebabkan penyimpangan dari keseimbangan bulk, yang mengarah pada mikrostruktur unik di kulit.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan kulit melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan yang dikendalikan oleh suhu, waktu, dan laju difusi. Nukleasi martensit di permukaan terjadi dengan cepat setelah pendinginan di bawah suhu awal martensit (Ms), sering kali dalam milidetik.

Pertumbuhan mikrostruktur kulit tergantung pada difusi elemen paduan dan pergerakan batas fase. Pendinginan cepat membatasi difusi, menghasilkan struktur martensitik yang halus dan seperti jarum, sementara pendinginan yang lebih lambat memungkinkan fase yang lebih kasar atau presipitasi karbida.

Langkah-langkah yang mengontrol laju termasuk difusi atom, mobilitas antarmuka, dan mekanisme geser transformasi. Energi aktivasi untuk nukleasi dan pertumbuhan bervariasi dengan komposisi paduan dan kondisi permukaan.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti karbon, mangan, dan kromium mempengaruhi pembentukan kulit dengan mengubah stabilitas fase dan suhu transformasi. Kandungan karbon yang lebih tinggi mendorong pembentukan martensit di permukaan selama pendinginan.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, gradien suhu, dan atmosfer secara signifikan mempengaruhi mikrostruktur kulit. Media pendinginan (air, minyak, udara) menentukan laju pendinginan dan dengan demikian tingkat martensitisasi atau transformasi lainnya.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir austenit sebelumnya atau keadaan deformasi, mempengaruhi lokasi nukleasi dan kinetika pertumbuhan mikrostruktur kulit.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Kinetika transformasi fase di kulit dapat dijelaskan oleh persamaan Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK):

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

di mana:

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

Variabel seperti suhu mempengaruhi ( k ) melalui hubungan tipe Arrhenius:

$$k = k_0 \exp\left( -\frac{Q}{RT} \right) $$

di mana:

• $k_0$ adalah faktor pre-eksponensial,
• $Q$ adalah energi aktivasi,
• $R$ adalah konstanta gas universal,
• $T$ adalah suhu absolut.

Persamaan ini memungkinkan prediksi tingkat transformasi seiring waktu di bawah kondisi termal tertentu.

Model Prediktif

Model komputasional, termasuk simulasi fase-field dan perhitungan termodinamika berbasis CALPHAD, memprediksi evolusi mikrostruktur kulit selama pemrosesan. Model-model ini menggabungkan kinetika difusi, stabilitas fase, dan efek stres.

Analisis elemen hingga (FEA) yang dipadukan dengan model mikrostruktur dapat mensimulasikan gradien suhu dan transformasi fase di permukaan, membantu dalam optimasi proses.

Limitasi termasuk asumsi homogenitas dan kondisi keseimbangan, yang mungkin tidak sepenuhnya menangkap fenomena permukaan yang kompleks. Akurasi model tergantung pada data termodinamika yang tepat dan parameter kinetik.

Metode Analisis Kuantitatif

Metalografi kuantitatif melibatkan pengukuran ketebalan kulit, fraksi fase, dan ukuran butir menggunakan perangkat lunak analisis gambar seperti ImageJ