Struktur Spheroidized dalam Baja: Mikrostuktur, Pembentukan & Peningkatan Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Struktur spheroidized dalam baja mengacu pada keadaan mikrostruktur yang ditandai oleh keberadaan partikel sementit (Fe₃C) yang berbentuk globular, bulat, atau sferoid, yang terdistribusi secara merata dalam matriks feritik. Mikrostruktur ini sengaja diproduksi melalui proses perlakuan panas tertentu untuk mengoptimalkan sifat baja, terutama kemampuan mesin dan duktilitas.

Di tingkat atom dan kristalografi, struktur spheroidized dihasilkan dari transformasi lamela sementit dan lamela ferit menjadi partikel sementit berbentuk sferoid yang terpisah, terbenam dalam matriks ferit. Proses ini melibatkan difusi atom karbon dan pengaturan ulang batas fase, yang mengarah pada minimisasi energi antarmuka dan mikrostruktur yang stabil pada kondisi suhu dan waktu tertentu.

Dalam metalurgi baja, struktur spheroidized signifikan karena meningkatkan kemampuan mesin, mengurangi stres internal, dan meningkatkan duktilitas tanpa mengorbankan kekuatan secara signifikan. Ini berfungsi sebagai keadaan mikrostruktur dasar dalam perlakuan panas baja karbon sedang dan tinggi, memfasilitasi langkah pemrosesan selanjutnya seperti pemesinan, pengerjaan dingin, atau perlakuan panas lebih lanjut.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Partikel sementit spheroidized adalah fase kristalin Fe₃C dengan sistem kristal ortorhombik. Parameter kisi adalah sekitar a = 6,74 Å, b = 4,52 Å, dan c = 4,45 Å, konsisten dengan struktur ortorhombik standar sementit.

Partikel sementit ini terbenam secara koheren atau semi-koheren dalam fase ferit (α-Fe), yang memiliki struktur kristal kubik berpusat badan (BCC) dengan parameter kisi sekitar 2,86 Å. Antarmuka antara sementit dan ferit dapat semi-koheren, dengan dislokasi yang mengakomodasi ketidakcocokan kisi.

Hubungan orientasi kristalografi yang sering diamati termasuk hubungan Bagaryatski atau Isaichev, yang menggambarkan penyelarasan spesifik antara kisi sementit dan ferit, memfasilitasi nukleasi dan pertumbuhan partikel sementit spheroidized selama perlakuan panas.

Ciri Morfologis

Morfologis, sementit spheroidized muncul sebagai partikel bulat, globular dengan rentang ukuran khas 0,5 hingga 3 mikrometer, meskipun ukuran dapat bervariasi tergantung pada kondisi pemrosesan. Partikel-partikel ini terdistribusi secara merata dalam matriks feritik, membentuk distribusi halus dan stabil yang meminimalkan stres internal.

Bentuk partikel sementit bertransisi dari bentuk lamela atau memanjang dalam struktur pearlitik menjadi sferoid atau hampir sferoid dalam baja spheroidized. Di bawah mikroskop optik, sementit spheroidized muncul sebagai inklusi bulat yang cerah dalam latar belakang feritik yang lebih gelap, dengan profil permukaan yang halus dan cembung.

Dalam mikrostruktur tiga dimensi, partikel-partikel ini kira-kira berbentuk ekuiaxial dan dipisahkan oleh daerah ferit tipis, menciptakan mikrostruktur yang menyerupai penampilan "popcorn" atau "kue marmer". Morfologi ini sangat penting untuk mengurangi gaya pemotongan selama pemesinan dan meningkatkan kemampuan bentuk.

Sifat Fisik

Mikrostruktur spheroidized mempengaruhi beberapa sifat fisik:

• Kepadatan: Sedikit berkurang dibandingkan dengan mikrostruktur pearlitik atau sementitik sepenuhnya karena efisiensi pengemasan partikel sementit yang berbentuk sferoid yang lebih rendah.
• Konduktivitas Listrik: Sedikit meningkat relatif terhadap struktur sementit lamela karena sementit spheroidized mengurangi area batas fase, mengurangi hamburan elektron.
• Sifat Magnetik: Matriks feritik bersifat feromagnetik, sementara sementit bersifat paramagnetik; struktur spheroidized dapat sedikit mempengaruhi permeabilitas magnetik.
• Konduktivitas Termal: Umumnya lebih tinggi dibandingkan dengan struktur lamela karena area batas fase yang berkurang, memfasilitasi transfer panas.
• Sifat Mekanik: Struktur spheroidized menunjukkan kekerasan dan kekuatan yang lebih rendah tetapi duktilitas dan ketangguhan yang lebih tinggi dibandingkan dengan mikrostruktur pearlitik atau sementitik.

Jika dibandingkan dengan mikrokonstituen lainnya, sementit spheroidized mengurangi stres internal dan titik inisiasi retakan, yang mengarah pada peningkatan kemampuan mesin dan kemampuan bentuk.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan struktur spheroidized diatur oleh prinsip-prinsip termodinamika yang bertujuan untuk meminimalkan total energi bebas sistem. Transformasi ini melibatkan pengurangan energi antarmuka antara fase sementit dan ferit.

Pada suhu tinggi, lamela atau pelat sementit dalam struktur pearlitik menjadi tidak stabil secara termodinamika dan cenderung pecah menjadi partikel sferoid untuk mengurangi area antarmuka. Diagram fase paduan Fe-C menunjukkan bahwa pada suhu yang biasanya antara 600°C dan 700°C, perbedaan energi bebas mendukung mikrostruktur spheroidized, terutama ketika ditahan untuk durasi yang cukup.

Stabilitas sementit spheroidized tergantung pada kandungan karbon dan elemen paduan yang ada, yang mempengaruhi keseimbangan fase dan gaya pendorong untuk spheroidisasi.

Kinetika Pembentukan

Kinetika spheroidization melibatkan proses yang dikendalikan oleh difusi di mana atom karbon bermigrasi dari lamela sementit ke dalam matriks ferit atau menuju permukaan bebas. Nukleasi partikel sementit spheroidized terjadi di batas fase, situs dislokasi, atau batas butir, di mana keadaan energi lokal mendukung pembentukan partikel.

Pertumbuhan sementit spheroidized dikendalikan oleh difusi atom, dengan laju yang dijelaskan oleh hukum Fick. Proses ini tergantung pada waktu-suhu; suhu yang lebih tinggi mempercepat difusi tetapi berisiko memperbesar partikel, sementara suhu yang lebih rendah memperlambat proses.

Langkah yang mengendalikan laju biasanya adalah difusi atom karbon, dengan energi aktivasi dalam kisaran 100-150 kJ/mol. Durasi proses bervariasi dari beberapa jam hingga hari, tergantung pada komposisi paduan dan mikrostruktur awal.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen kunci yang mempengaruhi spheroidization meliputi:

• Kandungan Karbon: Tingkat karbon yang lebih tinggi mendorong pembentukan sementit dan spheroidization.
• Elemen Paduan: Elemen seperti Mn, Si, dan Cr dapat memperlambat atau mempercepat spheroidization dengan mempengaruhi laju difusi dan stabilitas fase.
• Mikrostruktur Sebelumnya: Struktur pearlitik atau sementitik yang halus spheroidize lebih merata dibandingkan dengan struktur lamela kasar.
• Parameter Pemrosesan: Suhu penahanan, laju pendinginan, dan waktu perendaman secara kritis menentukan kualitas spheroidization.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya seperti jaringan pearlite atau sementit mempengaruhi kemudahan dan keseragaman spheroidization, dengan struktur awal yang lebih halus umumnya menghasilkan mikrostruktur spheroidized yang lebih seragam.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Kinetika spheroidization dapat dimodelkan menggunakan persamaan difusi. Pertumbuhan partikel sementit mengikuti hukum kedua Fick:

$$
\frac{\partial C}{\partial t} = D \nabla^2 C
$$

di mana:

• $C$ adalah konsentrasi karbon,
• ( t ) adalah waktu,
• $D$ adalah koefisien difusi karbon dalam ferit atau sementit.

Koefisien difusi ( D ) mengikuti hubungan Arrhenius:

$$
D = D_0 \exp \left( - \frac{Q}{RT} \right)
$$

di mana:

• $D_0$ adalah faktor pre-eksponensial,
• $Q$ adalah energi aktivasi,
• $R$ adalah konstanta gas universal