Temperatur Transformasi pada Baja: Perubahan Mikrostruktur & Pengendalian Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Suhu transformasi dalam metalurgi baja mengacu pada titik suhu tertentu di mana transformasi fase terjadi dalam mikrostruktur selama perlakuan termal seperti pendinginan atau pemanasan. Suhu-suhu ini menandai batas antara berbagai keadaan mikrostruktural, seperti austenit yang berubah menjadi martensit, bainit, atau perlit, atau transformasi balik selama pemanasan ulang.

Di tingkat atom, suhu transformasi diatur oleh termodinamika dan kinetika stabilitas fase serta pengaturan ulang atom. Misalnya, transformasi austenit menjadi martensit melibatkan proses geser tanpa difusi di mana kisi austenit kubik berpusat muka (FCC) berubah menjadi kisi martensit tetragonal berpusat tubuh (BCT) tanpa difusi atom. Suhu spesifik di mana transformasi geser ini dimulai atau selesai tergantung pada komposisi paduan, laju pendinginan, dan mikrostruktur sebelumnya.

Dalam metalurgi baja, suhu transformasi sangat penting karena menentukan mikrostruktur yang dihasilkan dan, akibatnya, sifat mekanik seperti kekerasan, ketangguhan, dan keuletan. Ini berfungsi sebagai parameter kritis dalam desain perlakuan panas, memungkinkan kontrol atas distribusi fase dan penyempurnaan mikrostruktural. Memahami suhu transformasi memungkinkan metalurgis untuk menyesuaikan sifat baja untuk aplikasi tertentu, memastikan kinerja dan daya tahan yang optimal.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Mikrostruktur yang terkait dengan suhu transformasi melibatkan fase kristalografi yang berbeda dengan pengaturan atom yang khas. Austenit, yang stabil pada suhu tinggi, menunjukkan struktur kristal kubik berpusat muka (FCC) dengan parameter kisi biasanya sekitar 0,36 nm untuk besi murni. Selama pendinginan di bawah suhu transformasi kritis, austenit dapat berubah menjadi martensit, yang memiliki struktur tetragonal berpusat tubuh (BCT), yang ditandai dengan distorsi kisi FCC yang memanjang pada sumbu c.

Transformasi fase melibatkan proses dominan geser tanpa difusi di mana kisi FCC terdistorsi menjadi struktur BCT atau BCC (kubik berpusat tubuh). Hubungan orientasi kristalografi, seperti hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, menggambarkan keselarasan orientasi antara fase induk dan produk, mempengaruhi anisotropi mikrostruktur dan perilaku mekaniknya.

Ciri Morfologis

Morfologi fase yang terbentuk selama transformasi pada suhu tertentu bervariasi secara signifikan. Martensit muncul sebagai mikrostruktur berbentuk jarum atau lath, biasanya berkisar antara 0,2 hingga 2 mikrometer lebar dan beberapa mikrometer panjang. Lath ini sering disusun dalam paket atau blok, dengan ukuran dan distribusinya dipengaruhi oleh komposisi paduan dan laju pendinginan.

Perlit muncul sebagai lamela bergantian dari ferit dan semenit, dengan ketebalan lamela berkisar antara 0,1 hingga 0,5 mikrometer. Bainit muncul sebagai mikrostruktur akicular atau berbentuk bulu, dengan morfologi khas yang memanjang dan mirip pelat. Konfigurasi tiga dimensi dari mikrostruktur ini mempengaruhi sifat-sifat seperti ketangguhan dan kekuatan.

Di bawah mikroskop optik, martensit menunjukkan penampilan khas berbentuk jarum atau pelat dengan kontras tinggi karena kepadatan dislokasi yang tinggi dan medan regangan. Perlit muncul sebagai jaringan lamela halus, sementara bainit menunjukkan pola yang lebih akicular atau granular. Mikroskopi elektron mengungkapkan pengaturan atom yang rinci dan batas fase yang penting untuk memahami mekanisme transformasi.

Sifat Fisik

Fitur mikrostruktural yang terkait dengan suhu transformasi mempengaruhi beberapa sifat fisik. Martensit, sebagai larutan padat supersaturasi dengan kepadatan dislokasi tinggi, menunjukkan kekerasan tinggi (hingga 700 HV) dan kekuatan tetapi keuletan rendah. Kepadatannya sedikit lebih tinggi daripada austenit karena distorsi tetragonal, dan menunjukkan sifat magnetik yang mirip dengan ferit tetapi dengan koersivitas yang meningkat.

Perlit, dengan struktur lamelanya, memiliki kekerasan dan kekuatan tarik yang sedang, dan konduktivitas listriknya relatif tinggi dibandingkan dengan martensit. Bainit menawarkan keseimbangan antara kekuatan dan ketangguhan, dengan sifat-sifat yang berada di antara perlit dan martensit.

Konduktivitas termal bervariasi di antara mikrostruktur ini, dengan martensit umumnya memiliki konduktivitas termal yang lebih rendah karena kepadatan cacatnya yang tinggi. Sifat magnetik juga terpengaruh; martensit biasanya feromagnetik, sementara austenit bersifat paramagnetik pada suhu kamar. Perbedaan ini dimanfaatkan dalam pengujian nondestruktif dan karakterisasi mikrostruktural.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan mikrostruktur pada suhu transformasi diatur oleh stabilitas fase dan pertimbangan energi bebas. Perbedaan energi bebas Gibbs (ΔG) antara fase menentukan gaya pendorong untuk transformasi. Ketika energi bebas austenit menjadi lebih tinggi daripada martensit atau bainit pada suhu tertentu, transformasi secara termodinamika diuntungkan.

Diagram fase, seperti diagram keseimbangan Fe–C, menggambarkan rentang suhu dan komposisi di mana fase tertentu stabil. Suhu transformasi kritis, seperti Ms (awal martensit) dan Mf (akhir martensit), diturunkan dari titik perpotongan di mana perbedaan energi bebas mencapai ambang yang memulai atau menyelesaikan perubahan fase.

Kinetika Pembentukan

Kinetika transformasi fase melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan. Nukleasi martensit terjadi dengan cepat pada suhu di bawah Ms, didorong oleh tegangan geser dan distorsi kisi, dengan difusi atom minimal. Pertumbuhan lath martensit berlangsung melalui mekanisme geser, menyebar pada kecepatan yang mendekati kecepatan suara dalam baja.

Kecepatan transformasi tergantung pada perbedaan suhu dari Ms, dengan suhu yang lebih rendah mempercepat nukleasi tetapi berpotensi mengurangi laju pertumbuhan karena peningkatan tegangan internal. Energi aktivasi untuk transformasi martensitik relatif rendah, memfasilitasi transformasi cepat setelah suhu kritis tercapai.

Sebaliknya, perlit dan bainit terbentuk melalui mekanisme yang dikendalikan oleh difusi, memerlukan difusi atom karbon dan elemen paduan lainnya. Pembentukannya melibatkan nukleasi di batas butir atau dislokasi, diikuti oleh pertumbuhan yang diatur oleh laju difusi, yang bergantung pada suhu.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan secara signifikan mempengaruhi suhu transformasi. Karbon meningkatkan suhu Ms dan Mf, mendorong pembentukan martensit pada suhu yang lebih tinggi. Elemen seperti nikel dan mangan cenderung menurunkan Ms, menunda transformasi martensitik. Kromium dan molibdenum dapat menstabilkan fase tertentu, mempengaruhi rentang suhu transformasi.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan sangat penting; pendinginan cepat mendukung pembentukan martensit dengan melewati transformasi yang dikendalikan oleh difusi seperti perlit atau bainit. Mikrostruktur sebelumnya, ukuran butir, dan tegangan sisa juga mempengaruhi perilaku transformasi, dengan butir yang lebih halus umumnya meningkatkan suhu transformasi karena peningkatan situs nukleasi.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Persamaan Koistinen–Marburger menggambarkan fraksi volume martensit (f_M) sebagai fungsi dari pendinginan di bawah Ms:

[ f_M = 1 - \exp$$-\alpha (Ms - T)$$ ]

di mana:

• ( f_M ) = fraksi martensit yang terbentuk,

• ( \alpha ) = konstanta tergantung bahan,

• ( Ms ) = suhu awal martensit,

• ( T ) = suhu selama pendinginan.

Hubungan eksponensial ini memodelkan peningkatan cepat dalam fraksi martensit saat suhu turun di bawah Ms.

Persamaan Johnson–Mehl–Avrami (JMA) memodelkan transformasi yang dikendalikan oleh difusi seperti perlit dan bainit:

[ X(t) = 1 - \exp[-k t^n] ]

di mana:

• ( X(t) ) = fraksi volume yang tertransformasi pada