Jaringan Ruang (kristal): Dasar dan Dampaknya pada Mikrostruktur dan Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Ruang Lattice (kristal) mengacu pada pengaturan tiga dimensi yang periodik dari atom atau ion dalam padatan kristal, membentuk pola yang sangat teratur dan berulang yang meluas di seluruh material. Dalam metalurgi baja, ruang lattice mendasari struktur atom dari fase utama, seperti ferit, austenit, semenit, dan berbagai karbida paduan atau intermetallic, yang menentukan sifat fisik dan mekaniknya.

Secara fundamental, ruang lattice dicirikan oleh sekumpulan titik diskrit di ruang, masing-masing mewakili posisi atom, diatur dalam pola yang diatur oleh prinsip-prinsip kristalografi. Titik-titik ini terhubung melalui simetri translasi, yang berarti seluruh lattice dapat dihasilkan dengan mengulangi sel unit dasar dalam tiga dimensi.

Signifikansi ruang lattice dalam ilmu baja terletak pada pengaruhnya terhadap stabilitas fase, perilaku deformasi, proses difusi, dan mekanisme transformasi. Memahami struktur lattice memungkinkan metalurgis untuk memprediksi dan menyesuaikan sifat-sifat seperti kekuatan, ketangguhan, duktilitas, dan ketahanan korosi, menjadikannya konsep dasar dalam rekayasa mikrostruktur.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Ruang lattice dalam mikrostruktur baja didefinisikan oleh sistem kristal spesifik dan parameter lattice dari fase penyusunnya. Sistem kristal umum yang ditemui meliputi:

• Kubik Berpusat Badan (BCC): Karakteristik ferit (α-Fe), dengan parameter lattice sekitar 2,86 Å pada suhu kamar. Struktur BCC memiliki atom di setiap sudut kubus dan satu atom di pusat kubus, menghasilkan angka koordinasi 8.

• Kubik Berpusat Wajah (FCC): Terdapat dalam austenit (γ-Fe), dengan parameter lattice sekitar 3,58 Å. Atom menempati setiap sudut dan pusat wajah kubus, dengan angka koordinasi 12, yang mengarah pada kepadatan pengemasan atom yang lebih tinggi.

• Heksagonal Tertutup (HCP): Kurang umum dalam baja tetapi relevan untuk fase paduan tertentu, dengan urutan tumpukan dan parameter lattice yang berbeda.

Pengaturan atom dalam lattice ini menentukan simetri fase, sistem slip, dan mekanisme deformasi. Misalnya, lattice BCC memiliki lebih sedikit sistem slip (misalnya, {110}<111>) dibandingkan dengan FCC, mempengaruhi duktilitas dan perilaku pengerasan kerja.

Orientasi kristalografi dijelaskan menggunakan indeks Miller, dan hubungan orientasi seperti Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann sering mengatur transformasi antara fase seperti austenit dan martensit, yang memiliki hubungan orientasi lattice tertentu yang memfasilitasi transformasi fase.

Fitur Morfologis

Ruang lattice muncul dalam mikrostruktur sebagai fitur morfologis yang berbeda, yang bervariasi tergantung pada fase, kondisi pemrosesan, dan komposisi paduan. Fitur khas meliputi:

• Rentang Ukuran: Bidang lattice skala atom berada pada urutan angstrom, tetapi fitur mikrostruktur seperti butir atau presipitat berkisar dari nanometer hingga mikrometer.

• Bentuk dan Distribusi: Fitur yang dipengaruhi lattice seperti batas butir, susunan dislokasi, dan morfologi presipitat (misalnya, karbida bulat, semenit lamelar) dicirikan oleh bentuk, ukuran, dan distribusi spasialnya.

• Konfigurasi Tiga Dimensi: Pengaturan lattice mempengaruhi morfologi tiga dimensi fase, seperti butir equiaxed dalam ferit atau struktur lamelar dari pearlite, yang terdiri dari lamela ferit dan semenit yang bergantian.

• Fitur Visual: Di bawah mikroskop optik, struktur lattice itu sendiri tidak terlihat secara langsung; namun, fitur mikrostruktur yang dihasilkan seperti batas butir, pita slip, dan distribusi presipitat mencerminkan pengaturan atom yang mendasarinya.

Sifat Fisik

Pengaturan atom dalam ruang lattice memberikan beberapa sifat fisik kunci:

• Kepadatan: Efisiensi pengemasan lattice mempengaruhi kepadatan material; fase FCC memiliki kepadatan pengemasan yang lebih tinggi (~74%) dibandingkan dengan BCC (~68%).

• Konduktivitas Listrik: Mobilitas elektron dipengaruhi oleh simetri lattice dan cacat; umumnya, fase besi murni menunjukkan konduktivitas metalik, dengan variasi kecil akibat paduan atau cacat.

• Sifat Magnetik: Perilaku magnetik fase baja terkait dengan struktur lattice mereka; ferit (BCC) bersifat feromagnetik, sedangkan austenit (FCC) bersifat paramagnetik pada suhu kamar.

• Konduktivitas Termal: Getaran lattice (fonon) mengatur konduktivitas termal; struktur FCC umumnya memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi daripada BCC karena pengemasan yang lebih padat dan jalur propagasi fonon.

Jika dibandingkan dengan material amorf atau non-kristalin, lattice kristalin menunjukkan sifat anisotropik, yang berarti karakteristik fisik mereka bervariasi dengan arah kristalografi.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan dan stabilitas ruang lattice tertentu dalam baja diatur oleh termodinamika, terutama melalui minimisasi energi bebas. Energi bebas Gibbs (G) dari suatu fase bergantung pada suhu, komposisi, dan tekanan:

[ G = H - TS ]

di mana $H$ adalah entalpi dan $S$ adalah entropi.

Fase dengan struktur lattice yang meminimalkan energi bebas dalam kondisi tertentu secara termodinamika diuntungkan. Diagram fase, seperti diagram fase Fe–C, menggambarkan daerah stabilitas dari berbagai fase dengan struktur lattice tertentu. Misalnya, fase austenit stabil pada suhu tinggi dengan lattice FCC, sedangkan ferit stabil pada suhu lebih rendah dengan lattice BCC.

Stabilitas fase juga dipengaruhi oleh potensial kimia dari elemen paduan, yang dapat menstabilkan atau mendestabilkan konfigurasi lattice tertentu, yang mengarah pada pembentukan karbida, nitride, atau intermetallic dengan struktur lattice yang berbeda.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan lattice melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan:

• Nukleasi: Pembentukan awal fase baru dengan struktur lattice tertentu terjadi melalui rearrangement atom yang mengatasi penghalang energi. Nukleasi homogen memerlukan pendinginan yang signifikan, sementara nukleasi heterogen terjadi pada cacat atau antarmuka, menurunkan penghalang energi.

• Pertumbuhan: Setelah ter-nukleasi, fase tumbuh melalui difusi atom dan migrasi antarmuka, dengan laju yang dikendalikan oleh mobilitas atom, suhu, dan keberadaan solut atau presipitat.

Laju transformasi fase dapat dijelaskan oleh teori nukleasi klasik dan model pertumbuhan, sering diekspresikan sebagai:

$$R = R_0 \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$$

di mana $R$ adalah laju transformasi, $R_0$ adalah faktor pre-ekspresional, ( Q ) adalah energi aktivasi, ( R ) adalah konstanta gas universal, dan ( T ) adalah suhu.

Diagram waktu-suhu-transformasi (TTT) dan diagram transformasi pendinginan kontinu (CCT) digunakan untuk memprediksi evolusi mikrostruktur berdasarkan pertimbangan kinetik.

Faktor yang Mempengaruhi

Beberapa faktor mempengaruhi pembentukan struktur lattice ruang:

• Komposisi Paduan: Elemen seperti karbon, mangan, nikel, dan krom mengubah stabilitas fase dan parameter lattice, mempromosikan atau menghambat fase tertentu.

• Parameter Pemrosesan: Laju pendinginan, suhu perlakuan panas, dan riwayat deformasi secara signifikan mempengaruhi kinetika nukleasi dan