Transformasi dalam Mikrostuktur Baja: Pembentukan, Karakteristik & Dampak

Definisi dan Konsep Dasar

Transformasi dalam metalurgi baja mengacu pada perubahan mikrostruktur dasar di mana satu fase kristalin atau konstituen mikrostruktur berubah menjadi yang lain, sering kali dipicu oleh rangsangan termal atau mekanis. Ini mencakup proses seperti transformasi fase, termasuk austenit menjadi martensit, pembentukan perlit, perkembangan bainit, atau presipitasi karbida, yang mengubah struktur internal dan sifat baja.

Di tingkat atom, transformasi melibatkan pengaturan ulang atom dan perubahan dalam struktur kisi kristal. Proses ini diatur oleh prinsip termodinamika dan kinetika, di mana atom berpindah ke posisi keseimbangan baru, menghasilkan fase yang berbeda dengan susunan kristalografi yang berbeda. Misalnya, transformasi dari austenit kubik berpusat muka (FCC) menjadi martensit tetragonal berpusat tubuh (BCT) melibatkan gerakan atom geser dan tanpa difusi.

Dalam konteks yang lebih luas dari ilmu material, transformasi adalah kunci untuk mengendalikan sifat baja seperti kekuatan, ketangguhan, kekerasan, dan keuletan. Ini menyediakan jalur untuk menyesuaikan mikrostruktur melalui perlakuan panas dan pemrosesan mekanis, memungkinkan desain baja untuk berbagai aplikasi industri.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Transformasi dalam baja biasanya melibatkan perubahan dalam struktur kristal fase. Misalnya, austenit (γ-Fe) menunjukkan sistem kristal FCC dengan parameter kisi sekitar 0,36 nm, yang ditandai dengan susunan atom yang rapat. Setelah pendinginan, austenit dapat berubah menjadi martensit, yang memiliki struktur BCT (tetragonal berpusat tubuh), varian terdistorsi dari kisi BCC dengan sedikit perpanjangan sepanjang satu sumbu.

Pembentukan perlit melibatkan pertumbuhan kooperatif dari lamela bergantian ferrit (α-Fe, BCC) dan semenit (Fe₃C, ortorhombik). Bainit, produk transformasi lainnya, memiliki mikrostruktur halus seperti jarum yang terdiri dari ferrit dan semenit, dengan hubungan kristalografi yang diatur oleh hubungan orientasi tertentu seperti Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann.

Hubungan orientasi kristalografi sangat penting dalam memahami mekanisme transformasi. Misalnya, transformasi austenit menjadi martensit mengikuti hubungan Kurdjumov–Sachs, di mana bidang dan arah tertentu dalam fase induk dan produk sejajar, memfasilitasi transformasi geser tanpa difusi atom.

Ciri Morfologis

Morfologi mikrostruktur transformasi bervariasi secara signifikan. Martensit muncul sebagai daerah akicular (seperti jarum) atau berbentuk lath, biasanya berukuran 0,1 hingga 2 mikrometer, dengan kepadatan dislokasi tinggi dan stres internal. Ciri-ciri ini terlihat di bawah mikroskop optik dan elektron sebagai daerah gelap yang memanjang yang kontras dengan matriks di sekitarnya.

Perlit muncul sebagai lamela bergantian dengan jarak berkisar antara 0,1 hingga 1 mikrometer, membentuk pola berlapis yang khas. Bainit menunjukkan morfologi halus, akicular atau mirip pelat, dengan ukuran umumnya di bawah 1 mikrometer, sering kali terbentuk dalam kelompok atau jaringan di dalam baja.

Transformasi dapat menghasilkan struktur tiga dimensi seperti pelat, lath, atau globul, tergantung pada fase dan kondisi pemrosesan. Morfologi ini mempengaruhi sifat mekanis dengan mempengaruhi jalur propagasi retak, gerakan dislokasi, dan kekuatan batas fase.

Sifat Fisik

Mikrostruktur transformasi secara signifikan mempengaruhi sifat fisik. Martensit, dengan kepadatan dislokasi yang tinggi dan distorsi tetragonal, menunjukkan kekerasan tinggi (hingga 700 HV), kekuatan, dan kerapuhan, tetapi keuletan rendah. Kepadatannya sedikit lebih tinggi daripada austenit karena struktur BCT yang lebih padat.

Perlit memiliki kekuatan dan keuletan sedang, dengan kepadatan mirip dengan ferrit (~7,85 g/cm³). Struktur berlapisnya memberikan sifat anisotropik, mempengaruhi ketangguhan dan ketahanan aus.

Bainit menawarkan keseimbangan antara kekuatan dan ketangguhan, dengan sifat yang berada di antara perlit dan martensit. Konduktivitas termal dan resistivitas listriknya sebanding dengan ferrit, tetapi kompleksitas mikrostrukturnya mempengaruhi sifat magnetik.

Secara keseluruhan, mikrostruktur transformasi berbeda secara mencolok dari konstituen lain seperti ferrit atau semenit dalam kristalografi, morfologi, dan perilaku fisik, memungkinkan profil sifat yang disesuaikan dalam baja.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Termodinamika transformasi melibatkan perubahan dalam energi bebas Gibbs (ΔG). Transformasi fase terjadi secara spontan ketika energi bebas fase baru lebih rendah daripada fase induk dalam kondisi tertentu. Misalnya, selama pendinginan, transformasi austenit menjadi perlit didorong oleh pengurangan energi bebas yang terkait dengan pembentukan semenit dan ferrit.

Diagram stabilitas fase, seperti diagram fase besi-karbon, menggambarkan rentang suhu dan komposisi di mana fase tertentu secara termodinamika lebih disukai. Suhu kritis untuk stabilitas austenit (garis A₃ atau A₁) menentukan kapan transformasi seperti perlit atau bainit dapat terjadi.

Gaya pendorong untuk transformasi sebanding dengan perbedaan energi bebas, yang meningkat dengan pendinginan di bawah suhu transformasi keseimbangan. Potensi termodinamika ini mempengaruhi laju nukleasi dan kecepatan pertumbuhan fase baru.

Kinetika Pembentukan

Kinetika mengatur laju di mana transformasi berlangsung, terutama dikendalikan oleh difusi atom, geser, atau kombinasi keduanya. Transformasi yang dikendalikan oleh difusi, seperti pembentukan perlit dan bainit, melibatkan migrasi atom pada jarak yang ditentukan oleh suhu dan gradien konsentrasi.

Nukleasi sering kali merupakan langkah yang membatasi laju, memerlukan pembentukan inti stabil yang melampaui penghalang energi. Teori nukleasi klasik mengaitkan laju nukleasi (I) dengan energi aktivasi (ΔG*) dan suhu (T):

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

di mana $I_0$ adalah faktor pre-exponential, $R$ adalah konstanta gas.

Kecepatan pertumbuhan tergantung pada mobilitas atom dan kinetika antarmuka. Untuk transformasi tanpa difusi seperti martensit, mekanisme geser mendominasi, dengan gerakan atom yang cepat dan terkoordinasi terjadi dalam milidetik pada suhu yang lebih rendah.

Persamaan Johnson–Mehl–Avrami menggambarkan kinetika transformasi:

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

di mana ( X(t) ) adalah fraksi volume yang tertransformasi, ( k ) adalah konstanta laju, dan ( n ) adalah eksponen Avrami yang terkait dengan mekanisme nukleasi dan pertumbuhan.

Faktor yang Mempengaruhi

Pembentukan mikrostruktur transformasi dipengaruhi oleh komposisi paduan, suhu, dan mikrostruktur sebelumnya. Unsur-unsur seperti Mn, Si, Cr, dan Ni memodifikasi stabilitas fase dan laju difusi, baik mempromosikan atau menghambat transformasi tertentu.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, waktu penahanan, dan deformasi mempengaruhi jalur transformasi. Pendinginan cepat mendukung pembentukan martensit dengan menekan difusi, sementara pendinginan yang lebih lambat memungkinkan perlit atau bainit berkembang.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir atau batas butir austenit sebelumnya, mempengaruhi lokasi nukleasi dan kinetika transformasi. Mikrostruktur dengan butir halus umumnya mempromosikan produk transformasi yang seragam dan halus.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Perilaku transformasi dapat dijelaskan dengan persamaan yang menghubungkan termodinamika dan kinetika. Untuk transformasi yang dikendalikan oleh difusi, hukum Fick adalah dasar:

$$J = -D \frac{\partial C}{\partial x} $$

di mana $J$ adalah fluks difusi, $D$ adalah koefisien difusi, dan $C$ adalah konsentrasi.

Persamaan Johnson