Sorbite (usang): Mikrostruktur, Pembentukan, dan Dampaknya terhadap Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Sorbite adalah fitur mikrostruktural yang sudah usang yang secara historis diamati dalam beberapa paduan baja, ditandai dengan mikrostruktur halus, berbentuk jarum atau akicular yang tertanam dalam matriks feritik atau pearlitik. Dulu dianggap sebagai fase atau mikrokonstituen yang terpisah, tetapi penelitian selanjutnya menjelaskan bahwa itu mewakili bentuk morfologis tertentu dari presipitat semenit (Fe₃C) atau karbida yang terbentuk selama perlakuan panas tertentu.

Di tingkat atom, sorbite muncul sebagai partikel semenit berbentuk jarum yang memanjang yang sejajar dengan orientasi kristalografi tertentu dalam matriks baja. Fitur mikrostruktural ini terdiri dari karbida besi (Fe₃C), fase metastabil yang mengendap dari lingkungan feritik atau pearlitik yang jenuh di bawah kondisi termal tertentu.

Dalam metalurgi baja, pemahaman tentang sorbite sangat penting karena terkait dengan sifat mekanik tertentu, seperti peningkatan kekerasan dan kekuatan, serta mempengaruhi ketangguhan patah dan duktilitas baja. Meskipun istilah ini sekarang sudah usang, studinya berkontribusi pada pemahaman yang lebih luas tentang fenomena presipitasi karbida dan evolusi mikrostruktural selama proses perlakuan panas.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Mikrostruktur yang dikenal sebagai sorbite melibatkan semenit (Fe₃C), yang mengkristal dalam sistem kristal ortorhombik. Fase semenit memiliki parameter kisi sekitar a ≈ 0,45 nm, b ≈ 0,45 nm, dan c ≈ 0,55 nm, dengan struktur yang kompleks dan terikat interstisial yang menampung atom karbon dalam kisi besi.

Di dalam matriks baja, presipitat semenit sering menunjukkan orientasi kristalografi yang diutamakan, sejajar dengan bidang tertentu seperti bidang (001) atau (010) relatif terhadap matriks feritik atau pearlitik. Orientasi ini diatur oleh minimisasi energi antarmuka dan pertimbangan ketidakcocokan kisi, yang mengarah pada bentuk pertumbuhan anisotropik.

Hubungan kristalografi antara semenit dan matriks feritik sering mengikuti hubungan orientasi tertentu, seperti hubungan Bagaryatski atau Isaichev, yang menggambarkan bagaimana jarum atau pelat semenit terhubung secara koheren atau semi-koheren dengan fase ferit atau pearlit induk.

Fitur Morfologis

Sorbite muncul sebagai presipitat semenit halus, akicular, atau berbentuk jarum dalam mikrostruktur baja. Jarum ini biasanya memiliki panjang antara 0,1 hingga 2 mikrometer dan sering kali memiliki diameter beberapa puluh nanometer, memberikannya penampilan ramping dan memanjang.

Dari segi morfologi, sorbite ditandai oleh bentuk akicularnya, dengan jarum semenit individu sering membentuk bundel atau jaringan. Mereka cenderung terdistribusi sepanjang arah kristalografi tertentu, menciptakan mikrostruktur khas yang dapat diamati di bawah mikroskop optik atau elektron.

Dalam tiga dimensi, sorbite muncul sebagai jaringan presipitat semenit halus yang memanjang yang dapat saling berpotongan atau bercabang, membentuk kerangka mikrostruktural yang mempengaruhi perilaku mekanik baja. Di bawah mikroskop optik, sorbite muncul sebagai pola halus, gelap, berbentuk jarum dalam latar belakang feritik atau pearlitik.

Sifat Fisik

Kehadiran sorbite mempengaruhi beberapa sifat fisik baja. Kerapatannya yang tinggi (~7,5 g/cm³, mirip dengan semenit) berkontribusi pada kerapatan keseluruhan mikrostruktur baja.

Semenit adalah fase keras dan rapuh dengan konduktivitas listrik rendah dan duktilitas yang buruk. Sifat magnetiknya mirip dengan ferit tetapi dipengaruhi oleh distribusi dan morfologi presipitat semenit.

Dari segi termal, semenit memiliki titik lebur yang tinggi (~1427°C), dan kehadirannya mempengaruhi konduktivitas termal baja. Mikrostruktur semenit akicular meningkatkan kekerasan dan kekuatan tetapi mengurangi duktilitas dan ketangguhan dibandingkan dengan mikrostruktur feritik yang lebih lunak.

Jika dibandingkan dengan mikrokonstituen lain seperti pearlit atau bainit, sorbite (jarum semenit) memberikan kekerasan yang lebih tinggi tetapi ketangguhan yang lebih rendah, menjadikannya faktor penting dalam kinerja mekanik keseluruhan baja.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan sorbite diatur oleh stabilitas fase dan pertimbangan termodinamika dalam diagram fase Fe-C. Semenit (Fe₃C) adalah fase metastabil yang dapat mengendap dari matriks feritik atau pearlitik yang jenuh selama pendinginan atau perlakuan panas.

Perbedaan energi bebas (ΔG) antara larutan padat jenuh dan fase semenit mendorong nukleasi. Ketika potensi kimia lokal mendukung pembentukan semenit, dan suhu turun di bawah garis solvus, semenit mengendap untuk meminimalkan energi bebas sistem.

Kesetimbangan fase menunjukkan bahwa semenit stabil pada suhu yang lebih rendah, dan presipitasi nya diutamakan selama pendinginan lambat atau perlakuan isothermal dalam wilayah hipoeutektik atau hipereutektik dari diagram fase. Metastabilitas sorbite mencerminkan fakta bahwa semenit dapat berubah menjadi fase yang lebih stabil seperti pearlit atau bainit di bawah kondisi tertentu.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi jarum semenit (sorbite) melibatkan pengatasan penghalang energi yang terkait dengan penciptaan antarmuka fase baru. Nukleasi sering bersifat heterogen, terjadi pada dislokasi, batas butir, atau partikel semenit yang sudah ada, yang mengurangi penghalang energi.

Pertumbuhan jarum semenit berlangsung melalui difusi atom karbon melalui matriks feritik menuju lokasi nukleasi. Laju pertumbuhan tergantung pada suhu, konsentrasi karbon, dan koefisien difusi, mengikuti hukum Fick.

Kinetika dikendalikan oleh difusi atom, dengan energi aktivasi biasanya dalam kisaran 100–200 kJ/mol untuk difusi karbon dalam ferit. Pembentukan sorbite diutamakan pada laju pendinginan sedang yang memungkinkan difusi yang cukup untuk pertumbuhan jarum tetapi mencegah pembesaran menjadi karbida yang lebih besar.

Diagram waktu-suhu-transformasi (TTT) secara historis menggambarkan kondisi di mana sorbite terbentuk, menunjukkan bahwa ia muncul dalam rentang suhu tertentu (sekitar 500–700°C) dan kerangka waktu (menit hingga jam).

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti mangan, kromium, atau molibdenum mempengaruhi pembentukan semenit dengan mengubah stabilitas fase dan laju difusi. Misalnya, mangan menstabilkan semenit, mendorong pembentukannya, sementara elemen seperti nikel dapat memperlambatnya.

Parameter pemrosesan, termasuk laju pendinginan, waktu tahan, dan mikrostruktur sebelumnya, secara signifikan mempengaruhi perkembangan sorbite. Pendinginan lambat dari suhu austenitisasi mendukung presipitasi semenit, sementara pendinginan cepat menekannya.

Mikrostruktur yang sudah ada, seperti pearlit atau bainit, dapat berfungsi sebagai lokasi nukleasi untuk jarum semenit, mempengaruhi morfologi dan distribusinya. Deformasi mekanis sebelum perlakuan panas juga dapat mempercepat nukleasi dengan memperkenalkan dislokasi dan cacat.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Laju nukleasi (I) dari jarum semenit 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 penghalang energi bebas kritis untuk nukleasi,

• ( k ) adalah konstanta Boltzmann,

• $T$ adalah suhu mutlak.

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