Rentang Transformasi dalam Baja: Evolusi Mikrostruktur & Pengendalian Sifat
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Definisi dan Konsep Dasar
Rentang Transformasi dalam metalurgi baja mengacu pada interval suhu spesifik di mana transformasi fase, biasanya dari austenit ke ferrit, pearlit, bainit, atau martensit, terjadi di bawah kondisi pendinginan atau pemanasan yang terkontrol. Ini adalah jendela suhu kritis di mana evolusi mikrostruktur terjadi, secara signifikan mempengaruhi sifat akhir dari baja.
Di tingkat atom, rentang transformasi diatur oleh termodinamika dan kinetika perubahan fase, melibatkan pengaturan ulang atom dan mekanisme nukleasi serta pertumbuhan. Selama interval suhu ini, perbedaan energi bebas antara fase induk dan produk mencapai ambang yang mendukung transformasi, dengan difusi atom memainkan peran penting dalam beberapa transformasi, sementara yang lain, seperti transformasi martensitik, terjadi tanpa difusi.
Dalam konteks metalurgi baja, rentang transformasi adalah fundamental karena menggambarkan kondisi di mana berbagai mikrostruktur terbentuk, secara langsung mempengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan, ketangguhan, kelenturan, dan kekerasan. Memahami rentang ini memungkinkan metalurgis untuk menyesuaikan proses perlakuan panas untuk mencapai mikrostruktur yang diinginkan dan mengoptimalkan kinerja baja.
Sifat Fisik dan Karakteristik
Struktur Kristalografi
Di dalam rentang transformasi, struktur kristalografi yang terlibat terdefinisi dengan baik. Misalnya, fase austenit menunjukkan sistem kristal kubik berpusat muka (FCC) dengan parameter kisi sekitar 0,36 nm, tergantung pada komposisi dan suhu. Seiring dengan berjalannya transformasi, austenit FCC dapat berubah menjadi berbagai fase:
- Ferrit: Struktur kubik berpusat badan (BCC) dengan parameter kisi sekitar 0,286 nm.
- Pearlit: Campuran lamelar dari ferrit (BCC) dan semenit (Fe₃C), dengan ferrit mempertahankan simetri BCC.
- Bainit: Mikrostruktur halus dan akicular dengan struktur tetragonal berpusat badan (BCT) atau BCC, tergantung pada kondisi transformasi spesifik.
- Martensit: Struktur tetragonal berpusat badan (BCT) atau BCC yang terjenuh, terbentuk melalui transformasi geser tanpa difusi.
Pengaturan atom dan parameter kisi mempengaruhi jalur transformasi, dengan hubungan orientasi seperti Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann menggambarkan orientasi kristalografi antara fase induk dan produk. Hubungan ini sangat penting untuk memahami evolusi mikrostruktur selama rentang transformasi.
Fitur Morfologis
Mikrostruktur yang terbentuk dalam rentang transformasi menunjukkan morfologi khas:
- Pearlit: Lamela bergantian dari ferrit dan semenit, biasanya setebal 0,1–1 μm, disusun dalam cara berlapis.
- Bainit: Pelat seperti jarum atau akicular, sering kali 0,2–2 μm panjangnya, membentuk jaringan yang padat dan saling terhubung.
- Martensit: Lath berbentuk jarum atau pelat, sekitar 0,1–0,5 μm lebar, dengan kepadatan dislokasi yang tinggi.
- Ferrit: Butir equiaxed, biasanya berukuran 10–50 μm, dengan bentuk poligonal.
Morfologi tergantung pada laju pendinginan, komposisi paduan, dan suhu spesifik dalam rentang transformasi. Di bawah mikroskop optik, pearlit muncul sebagai struktur lamelar khas, sementara bainit dan martensit menunjukkan fitur yang lebih halus dan seperti jarum.
Sifat Fisik
Mikrostruktur yang terbentuk dalam rentang transformasi mempengaruhi beberapa sifat fisik:
- Kepadatan: Variasi kecil terjadi karena perbedaan dalam kepadatan fase; ferrit (~7,86 g/cm³) kurang padat dibandingkan semenit (~7,6 g/cm³). Secara keseluruhan, kepadatan baja tetap relatif stabil, tetapi perubahan mikrostruktur dapat menyebabkan variasi kecil.
- Konduktivitas Listrik: Umumnya lebih tinggi pada ferrit dan bainit karena lebih sedikit elemen paduan dan cacat dibandingkan martensit, yang memiliki kepadatan dislokasi yang tinggi.
- Sifat Magnetik: Ferrit dan bainit bersifat feromagnetik, sedangkan austenit bersifat paramagnetik pada suhu kamar. Sifat magnetik martensit tergantung pada kandungan karbon dan stres internalnya.
- Konduktivitas Termal: Bervariasi dengan mikrostruktur; ferrit menunjukkan konduktivitas termal yang lebih tinggi (~50 W/m·K) dibandingkan martensit (~20 W/m·K) karena perbedaan dalam kepadatan cacat dan komposisi fase.
Sifat-sifat ini berbeda secara signifikan dari yang dimiliki oleh konstituen mikrostruktur lainnya, mempengaruhi kinerja baja dalam berbagai aplikasi.
Mekanisme Pembentukan dan Kinetika
Dasar Termodinamik
Pembentukan mikrostruktur dalam rentang transformasi didorong oleh pertimbangan termodinamik, terutama minimisasi energi bebas. Perbedaan energi bebas Gibbs (ΔG) antara fase menentukan gaya pendorong untuk transformasi:
$$\Delta G = G_{\text{induk}} - G_{\text{produk}} $$
Ketika mendingin melalui rentang transformasi, energi bebas dari austenit induk menurun relatif terhadap fase lainnya, mendukung nukleasi fase baru setelah mencapai pendinginan kritis. Diagram fase memberikan batasan kesetimbangan dan non-kesetimbangan, menunjukkan rentang suhu di mana transformasi tertentu secara termodinamik menguntungkan.
Stabilitas fase tergantung pada komposisi paduan, suhu, dan tekanan. Misalnya, transformasi austenit ke ferrit secara termodinamik lebih disukai di bawah suhu A₃, sementara pearlit terbentuk dalam jendela suhu sempit di mana semenit dan ferrit ada dalam kesetimbangan.
Kinetika Pembentukan
Kinetika transformasi melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan:
- Nukleasi: Inisiasi partikel fase baru terjadi pada cacat, batas butir, atau dislokasi, dengan laju nukleasi diatur oleh hambatan energi aktivasi. Nukleasi homogen jarang terjadi; nukleasi heterogen mendominasi.
- Pertumbuhan: Setelah nukleus terbentuk, mereka tumbuh melalui difusi atom (untuk transformasi difusional seperti pearlit dan bainit) atau mekanisme geser (untuk martensit). Laju pertumbuhan tergantung pada suhu, koefisien difusi, dan gaya pendorong.
Persamaan Johnson–Mehl–Avrami–Kolmogorov (JMAK) memodelkan kinetika transformasi:
$$X(t) = 1 - \exp(-k t^n) $$
di mana (X(t)) adalah fraksi volume yang tertransformasi pada waktu (t), (k) adalah konstanta laju, dan (n) adalah eksponen Avrami yang terkait dengan mekanisme nukleasi dan pertumbuhan.
Energi aktivasi untuk difusi mempengaruhi laju; energi aktivasi yang lebih tinggi memperlambat transformasi pada suhu tertentu. Pendinginan cepat menekan difusi, mendukung transformasi tanpa difusi seperti martensit.
Faktor yang Mempengaruhi
Beberapa faktor mempengaruhi pembentukan dalam rentang transformasi:
- Elemen Paduan: Elemen seperti karbon, mangan, nikel, dan krom memodifikasi stabilitas fase dan suhu transformasi. Misalnya, karbon menstabilkan austenit, menggeser rentang transformasi.
- Parameter Pemrosesan: Laju pendinginan, waktu tahan suhu, dan deformasi mempengaruhi kepadatan nukleasi dan kinetika pertumbuhan.
- Mikrostruktur Sebelumnya: Ukuran butir, kepadatan dislokasi, dan fase yang ada mempengaruhi lokasi nukleasi dan jalur transformasi.
Memahami faktor-faktor ini memungkinkan kontrol yang tepat atas pengembangan mikrostruktur selama perlakuan panas.