Transformasi Rentang pada Baja: Perubahan Mikrostuktur & Pengendalian Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Rentang transformasi, juga dikenal sebagai rentang suhu transformasi, mengacu pada interval suhu tertentu di mana austenit dalam baja mengalami transformasi fase menjadi berbagai konstituen mikrostruktur seperti perlit, bainit, martensit, atau fase lainnya selama pendinginan atau perlakuan panas. Rentang ini sangat penting dalam mengontrol mikrostruktur akhir dan, akibatnya, sifat mekanik dan fisik baja.

Di tingkat atom, dasar fundamental dari rentang transformasi terletak pada stabilitas termodinamik dan jalur kinetik dari berbagai fase. Transformasi fase didorong oleh perubahan energi bebas seiring dengan variasi suhu, yang mengarah pada nukleasi dan pertumbuhan fase baru dari matriks austenit induk. Susunan atom dan struktur kisi dari fase yang terlibat menentukan perilaku transformasi, dengan difusi atom memainkan peran kunci dalam beberapa transformasi, sementara yang lain, seperti transformasi martensitik, terjadi melalui mekanisme geser tanpa difusi.

Dalam metalurgi baja, pemahaman tentang rentang transformasi sangat penting untuk merancang proses perlakuan panas yang mencapai mikrostruktur yang diinginkan. Rentang ini berfungsi sebagai panduan untuk mengontrol transformasi fase untuk mengoptimalkan sifat seperti kekuatan, ketangguhan, kelenturan, dan ketahanan aus. Mereka membentuk komponen dasar dari interpretasi diagram fase, pemodelan kinetik, dan rekayasa mikrostruktur dalam ilmu material.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Fase-fase yang terlibat dalam rentang transformasi memiliki struktur kristalografi yang berbeda. Austenit (γ-Fe) adalah fase kubik berpusat muka (FCC) dengan parameter kisi sekitar 0,36 nm, yang ditandai dengan derajat simetri yang tinggi dan efisiensi pengemasan atom. Selama pendinginan, austenit dapat berubah menjadi perlit, yang merupakan campuran lamelar dari ferit (α-Fe, kubik berpusat badan, BCC) dan semenit (Fe₃C, ortorhombik), atau menjadi bainit dan martensit, masing-masing dengan kristalografi yang unik.

Perlit terbentuk melalui transformasi eutektik, di mana austenit FCC terurai menjadi lapisan-lapisan bergantian dari ferit BCC dan semenit. Bainit terdiri dari mikrostruktur halus, berbentuk jarum atau pelat, dengan campuran ferit dan semenit, terbentuk pada suhu yang lebih rendah dari suhu mulai perlit tetapi lebih tinggi dari suhu mulai martensit. Martensit, di sisi lain, adalah fase tetragonal berpusat badan (BCT) yang terlarut secara berlebihan yang terbentuk melalui transformasi geser tanpa difusi, ditandai dengan kisi BCC yang terdistorsi.

Hubungan orientasi kristalografi telah ditetapkan dengan baik, terutama hubungan Kurdjumov–Sachs dan Nishiyama–Wassermann, yang menggambarkan orientasi antara austenit induk dan fase produk. Hubungan ini mempengaruhi morfologi dan sifat mikrostruktur yang telah diubah.

Ciri Morfologis

Mikrostruktur transformasi menunjukkan morfologi khas yang bergantung pada mekanisme transformasi dan rentang suhu. Perlit muncul sebagai struktur lamelar atau mirip pelat dengan lapisan-lapisan bergantian dari ferit dan semenit, biasanya setebal 0,5–2 μm, disusun dalam pola hierarkis. Lamela sering kali sejajar dengan bidang kristalografi tertentu, seperti {110} dalam struktur FCC dan BCC.

Bainit muncul sebagai mikrostruktur acicular atau berbulu, dengan pelat ferit berbentuk jarum yang diselingi dengan partikel semenit. Ukuran pelat ferit bainit berkisar antara 0,2 hingga 1 μm, dengan distribusi yang dapat dikendalikan oleh laju pendinginan dan elemen paduan.

Martensit muncul sebagai struktur lath atau mirip pelat, sering kali berukuran 0,1–1 μm, dengan morfologi khas berbentuk jarum atau blok di bawah mikroskop optik dan elektron. Kerapatan dislokasi yang tinggi dan kejenuhan karbon memberikannya penampilan yang khas, sering kali dengan morfologi lath atau pelat tergantung pada komposisi baja dan kondisi transformasi.

Sifat Fisik

Sifat fisik yang terkait dengan mikrostruktur transformasi bervariasi secara signifikan. Perlit, dengan struktur berlapisnya, menunjukkan kekuatan dan kelenturan yang moderat, dengan densitas mendekati ferit (~7,85 g/cm³). Konduktivitas listriknya relatif tinggi, dan ia non-magnetik.

Bainit menawarkan keseimbangan yang baik antara kekuatan dan ketangguhan, dengan densitas yang mirip dengan perlit tetapi dengan kekerasan yang lebih baik karena fitur mikrostruktur yang lebih halus. Konduktivitas termalnya sebanding dengan mikrostruktur lainnya, dan tetap non-magnetik.

Martensit ditandai dengan kekerasan tinggi (hingga 700 HV), kerapatan dislokasi yang tinggi, dan kejenuhan karbon, yang mempengaruhi sifat magnetiknya—umumnya ferromagnetik. Densitasnya sedikit lebih tinggi daripada ferit (~7,85 g/cm³), dan menunjukkan konduktivitas listrik yang rendah karena kerapatan cacat yang tinggi.

Jika dibandingkan dengan mikrostruktur lainnya, kekerasan dan kekuatan tinggi martensit datang dengan mengorbankan kelenturan, sementara perlit dan bainit menawarkan sifat yang lebih seimbang yang cocok untuk berbagai aplikasi.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamik

Pembentukan mikrostruktur dalam rentang transformasi diatur oleh prinsip-prinsip termodinamik. Gaya pendorong untuk transformasi fase adalah perbedaan energi bebas Gibbs (ΔG) antara austenit induk dan fase produk. Seiring dengan penurunan suhu, energi bebas fase baru menjadi lebih rendah daripada austenit, yang mendukung transformasi.

Diagram stabilitas fase, seperti diagram fase Fe–C, menggambarkan rentang suhu dan komposisi di mana fase tertentu secara termodinamik lebih disukai. Misalnya, suhu eutektik (~727°C) menandai batas di mana austenit terurai menjadi perlit. Bainit terbentuk dalam jendela suhu di bawah suhu mulai perlit tetapi di atas suhu mulai martensit, di mana perbedaan energi bebas dan faktor kinetik mendukung transformasi bainitik.

Stabilitas termodinamik fase juga dipengaruhi oleh elemen paduan, yang mengubah batas fase dan suhu transformasi. Elemen seperti Mn, Si, dan Cr menggeser rentang transformasi dengan menstabilkan atau mendestabilkan fase tertentu, sehingga mempengaruhi evolusi mikrostruktur.

Kinetika Pembentukan

Kinetika transformasi fase bergantung pada mekanisme nukleasi dan pertumbuhan. Nukleasi melibatkan pembentukan inti stabil dari fase baru dalam fase induk, yang memerlukan pengatasan penghalang energi yang terkait dengan penciptaan antarmuka baru. Laju nukleasi dipengaruhi oleh suhu, komposisi paduan, dan mikrostruktur yang ada.

Pertumbuhan melibatkan ekspansi inti ke dalam matriks sekitarnya, yang dapat dikendalikan oleh difusi atau geser. Untuk perlit, difusi karbon sangat penting, dan laju pertumbuhan meningkat seiring dengan suhu hingga titik optimal. Transformasi bainitik terjadi melalui proses geser yang dikendalikan oleh difusi, dengan laju pertumbuhan yang sensitif terhadap suhu dan paduan.

Transformasi martensitik adalah proses yang didominasi oleh geser tanpa difusi yang terjadi dengan cepat setelah suhu turun di bawah suhu mulai martensit (Ms). Laju transformasi pada dasarnya instan pada Ms, dengan proses yang diatur oleh energi regangan geser dan ketidakstabilan kisi.

Penghalang energi aktivasi bervariasi di antara transformasi ini, dengan proses yang dikendalikan oleh difusi menunjukkan energi aktivasi yang lebih tinggi dibandingkan dengan transformasi martensitik tanpa difusi. Diagram waktu-suhu-transformasi (TTT) dan diagram transformasi pendinginan kontinu (CCT) menggambarkan kinetika, menggambarkan rentang suhu dan laju pendinginan yang diperlukan untuk menghasilkan mikrostruktur tertentu.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan secara signifikan mempengaruhi rentang transformasi. Misalnya, karbon meningkatkan suhu Ms, mendorong pembentukan martensit pada suhu yang lebih tinggi, sementara elemen seperti Mn dan Ni menstabilkan austenit, memperluas rentang stabilitas austenit dan menunda transformasi.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, waktu penahanan, dan mikrostruktur sebelumnya juga mempengaruhi perilaku transformasi. Pendinginan cepat mendukung pembentukan martensit, sementara pendinginan yang lebih lambat memungkinkan perkembangan perlit atau bain