Pendinginan super dalam Metalurgi Baja: Pembentukan Mikrostruktur & Pengendalian Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Supercooling, juga dikenal sebagai undercooling, mengacu pada proses pendinginan fase cair atau padat di bawah suhu transformasi keseimbangannya tanpa terjadinya perubahan fase yang diharapkan. Dalam metalurgi baja, supercooling secara khusus menggambarkan pendinginan austenit atau fase suhu tinggi lainnya di bawah titik transformasi keseimbangannya, menunda atau menekan transformasi fase seperti pembentukan perlit, bainit, atau martensit.

Secara fundamental, supercooling muncul dari hambatan termodinamika dan kinetik yang menghambat nukleasi dan pertumbuhan fase baru. Pada tingkat atom, ini melibatkan retensi metastabil dari suatu fase melampaui batas stabilitas termodinamikanya, yang dipertahankan oleh tidak adanya situs nukleasi yang cukup atau energi untuk mengatasi hambatan aktivasi. Metastabilitas ini memungkinkan mikrostruktur dimanipulasi dengan mengontrol laju pendinginan, menghasilkan fitur mikrostruktural unik dengan sifat yang disesuaikan.

Dalam metalurgi baja, supercooling signifikan karena memungkinkan pembentukan mikrostruktur dengan sifat mekanik yang ditingkatkan, seperti peningkatan kekuatan atau ketangguhan, dengan mengontrol transformasi fase. Ini menjadi dasar untuk proses perlakuan panas yang canggih dan strategi rekayasa mikrostruktur yang bertujuan untuk mengoptimalkan kinerja baja untuk berbagai aplikasi industri.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Fase supercooled dalam baja sebagian besar melibatkan austenit (γ-Fe), yang memiliki struktur kristal kubik berpusat muka (FCC) yang ditandai dengan parameter kisi sekitar 0,36 nm pada suhu kamar. Ketika didinginkan di bawah suhu transformasi keseimbangannya, austenit dapat tetap metastabil dalam struktur FCC karena nukleasi ferrit (α-Fe, struktur BCC), semen, atau martensit yang tertekan.

Pengaturan atom dalam austenit supercooled mempertahankan kisi FCC, tetapi fase tersebut menjadi tidak stabil secara termodinamik. Batas fase antara austenit dan fase lainnya ditandai oleh antarmuka koheren atau semi-koheren, tergantung pada derajat ketidakcocokan kisi dan keberadaan elemen paduan. Hubungan orientasi kristalografi, seperti hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, sering mengatur jalur transformasi dari austenit supercooled ke martensit atau bainit.

Fitur Morfologis

Mikrostruktur yang dihasilkan dari supercooling menunjukkan fitur morfologis yang berbeda. Ketika austenit didinginkan di bawah suhu awal martensit (Ms), ia berubah menjadi martensit dengan morfologi khas lath atau pelat. Pelat martensitik ini biasanya berbentuk jarum atau lath, dengan lebar berkisar antara 0,2 hingga 2 μm dan panjang hingga beberapa mikrometer.

Dalam kasus di mana supercooling menyebabkan pembentukan bainit, mikrostruktur muncul sebagai ferrit dan komponen semen yang berbentuk akicular atau seperti bulu, dengan ukuran umumnya antara 0,5 dan 3 μm. Distribusi fase-fase ini sering kali halus dan homogen, berkontribusi pada mikrostruktur yang lebih halus.

Fitur visual yang diamati di bawah mikroskop optik atau elektron termasuk lath atau pelat kontras tinggi dengan struktur kembar atau dislokasi yang khas. Morfologi mikrostruktur berkorelasi langsung dengan derajat supercooling dan laju pendinginan, mempengaruhi sifat seperti kekerasan dan ketangguhan.

Sifat Fisik

Mikrostruktur supercooled menunjukkan sifat fisik yang unik. Mikrostruktur martensitik, yang terbentuk melalui pendinginan cepat, ditandai dengan kekerasan tinggi (hingga 700 HV), kekuatan tinggi, dan stres residual yang signifikan. Kerapatannya sebanding dengan fase induknya tetapi mungkin sedikit terpengaruh oleh keberadaan cacat kisi dan stres internal.

Konditivitas listrik dalam baja martensitik umumnya lebih rendah dibandingkan dengan austenit karena peningkatan kerapatan dislokasi dan konsentrasi cacat. Sifat magnetik juga berubah; baja martensitik cenderung ferromagnetik dengan saturasi magnetik yang lebih tinggi dibandingkan dengan austenit.

Dari segi termal, martensit supercooled menunjukkan stabilitas termal tinggi pada suhu kamar tetapi dapat mengalami tempering, yang mengurangi stres internal dan memodifikasi sifat. Perbedaan dalam sifat fisik antara fase supercooled dan mikrostruktur lainnya mendasari karakteristik kinerja spesifik aplikasi mereka.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamik

Pembentukan mikrostruktur supercooled diatur oleh prinsip-prinsip termodinamik yang melibatkan pertimbangan energi bebas. Pada suhu di bawah suhu transformasi keseimbangan, energi bebas fase baru (misalnya, martensit) menjadi lebih rendah daripada fase induk (austenit), yang mendukung transformasi.

Namun, transformasi terhambat secara kinetik oleh hambatan energi yang terkait dengan nukleasi. Ukuran nukleus kritis, yang ditentukan oleh keseimbangan pengurangan energi bebas volume dan biaya energi antarmuka, harus terlampaui agar transformasi dapat berlangsung. Ketika pendinginan terjadi cukup cepat untuk melewati hambatan nukleasi, fase tetap metastabil, menghasilkan supercooling.

Diagram fase, seperti diagram fase Fe-C, menggambarkan batas keseimbangan. Supercooling memperluas wilayah metastabil di bawah batas-batas ini, memungkinkan pembentukan mikrostruktur non-keseimbangan seperti martensit pada suhu di mana fase keseimbangan biasanya akan terbentuk.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan fase supercooled dikendalikan oleh mekanisme nukleasi dan pertumbuhan. Nukleasi dapat bersifat homogen (seragam di seluruh matriks) atau heterogen (pada cacat, batas butir, atau inklusi). Pendinginan cepat menekan nukleasi dengan mengurangi mobilitas atom dan probabilitas pembentukan nukleus yang stabil.

Pertumbuhan fase baru tergantung pada difusi atom dan mobilitas antarmuka. Dalam transformasi martensitik, yang tidak melibatkan difusi, proses ini melibatkan geser terkoordinasi dan distorsi kisi, yang terjadi hampir seketika setelah suhu kritis tercapai.

Laju pendinginan secara langsung mempengaruhi tingkat supercooling. Pendinginan yang lebih cepat meningkatkan undercooling, menghasilkan mikrostruktur yang lebih halus dengan kerapatan dislokasi dan stres internal yang lebih tinggi. Hambatan energi aktivasi untuk nukleasi dan pertumbuhan adalah parameter kunci, dengan nilai tipikal dalam kisaran 50–150 kJ/mol untuk transformasi yang dikendalikan oleh difusi.

Faktor yang Mempengaruhi

Komposisi paduan secara signifikan mempengaruhi perilaku supercooling. Elemen seperti karbon, mangan, nikel, dan krom memodifikasi stabilitas termodinamik fase dan suhu Ms. Misalnya, kandungan karbon yang lebih tinggi, menurunkan Ms, meningkatkan potensi untuk supercooling.

Parameter pemrosesan, terutama laju pendinginan, sangat penting. Media pendinginan (air, minyak, udara) menentukan laju pendinginan, dengan air memberikan laju tertinggi dan dengan demikian supercooling terbesar. Mikrostruktur sebelumnya, seperti ukuran butir dan kerapatan dislokasi, juga mempengaruhi situs nukleasi dan kinetika transformasi.

Stres residual dan cacat internal dapat mempromosikan atau menghambat supercooling dengan mengubah hambatan energi lokal. Mengendalikan faktor-faktor ini memungkinkan metalurgis untuk menyesuaikan mikrostruktur melalui supercooling untuk sifat yang diinginkan.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Teori nukleasi klasik menggambarkan laju nukleasi ( I ) sebagai:

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

di mana:

• $I_0$ adalah faktor pre-exponential 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^* ) diberikan oleh:

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

di mana:

• ( \sigma ) adalah energi antarmuka antara fase,

  Kembali ke blog

  Tulis komentar

  Nama *

  Email *

  Komentar *