Troosite: Pembentukan Mikrostruktur dan Dampaknya pada Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Troosite adalah fitur mikrostruktur yang khas yang diamati pada beberapa paduan baja, ditandai dengan fase halus, berbentuk jarum atau akicular yang terbentuk dalam matriks feritik atau bainitik selama proses perlakuan panas tertentu. Ini sering dikaitkan dengan keberadaan produk transformasi suhu rendah, terutama martensit atau bainit, yang mengembangkan morfologi mikrostruktur yang unik yang mempengaruhi sifat baja secara signifikan.

Di tingkat atom, troosite terdiri dari kristalit berbentuk jarum yang memanjang yang sebagian besar terdiri dari fase kaya karbon yang terlampaui, sering kali semenit atau austenit yang tertahan, yang tersusun dengan cara yang sangat terorientasi. Konstituen mikrostruktur ini distabilkan oleh elemen paduan tertentu dan sejarah termal, yang mengarah pada morfologi dan kristalografi khas mereka.

Dasar ilmiah troosite terletak pada termodinamika dan kinetika transformasi fase. Ini dihasilkan dari proses difusi dan nukleasi yang terkontrol selama pendinginan, di mana lanskap energi bebas lokal mendukung pembentukan fase akicular. Signifikansinya dalam metalurgi baja berasal dari pengaruhnya yang mendalam terhadap sifat mekanik seperti ketangguhan, kekuatan, dan keuletan, serta terhadap ketahanan korosi dan perilaku aus.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Troosite menunjukkan struktur kristalografi yang biasanya terkait dengan fase martensitik atau bainitik, tergantung pada kondisi pembentukannya. Mikrostruktur terdiri dari kristal berbentuk jarum yang memanjang dengan struktur tetragonal berpusat badan (BCT) dalam kasus martensit, atau ferrit akicular halus dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) dalam baja bainitik.

Parameter kisi dari fase-fase ini bervariasi sedikit tergantung pada komposisi paduan dan sejarah termal. Untuk martensit, kisi BCT memiliki parameter perkiraan a ≈ 2,87 Å dan c ≈ 2,86 Å, dengan rasio tetragonality c/a sedikit lebih besar dari 1. Hubungan orientasi sering mengikuti skema Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, menunjukkan penyelarasan kristalografi tertentu antara fase troosite dan matriks austenit atau ferrit induk.

Dari sudut pandang kristalografi, fase troosite cenderung melakukan nukleasi pada bidang kristalografi tertentu, seperti bidang {111} atau {110} dalam struktur FCC atau BCC, masing-masing, yang mengarah pada pola pertumbuhan arah yang khas. Hubungan orientasi ini mempengaruhi anisotropi mekanik mikrostruktur dan perilaku transformasi.

Ciri Morfologis

Morfologis, troosite muncul sebagai jaringan struktur halus berbentuk jarum atau akicular yang tertanam dalam mikrostruktur induk. Ukuran jarum individu biasanya berkisar dari 0,1 hingga 1 mikrometer dalam panjang, dengan lebar sering kali di bawah 0,1 mikrometer, membentuk pola yang padat dan saling terkait.

Distribusi troosite umumnya homogen dalam perlakuan panas yang terkontrol dengan baik tetapi dapat bervariasi dengan fluktuasi komposisi lokal atau gradien termal. Jarum cenderung sejajar dengan arah kristalografi tertentu, menciptakan penampilan khas seperti bulu atau berbentuk bintang di bawah mikroskop optik atau elektron.

Dalam tiga dimensi, troosite muncul sebagai jaringan halus yang saling terhubung yang dapat mempengaruhi jalur propagasi retak dan mekanisme deformasi. Morfologinya dapat dibedakan dari karbida kasar atau austenit yang tertahan, yang cenderung lebih besar dan lebih ekuiaxial.

Sifat Fisik

Mikrostruktur troosite mempengaruhi beberapa sifat fisik baja. Karena kepadatan dislokasi dan antarmuka internal yang tinggi, mereka sering menunjukkan peningkatan kekerasan dan kekuatan dibandingkan dengan matriks sekitarnya.

Kepadatan fase troosite mendekati fase induknya, tetapi keberadaan karbon terlampaui dan elemen paduan dapat sedikit mengubah kepadatan keseluruhan. Secara magnetik, fase troosite seperti martensit bersifat ferromagnetik, berkontribusi pada permeabilitas magnet baja, sedangkan austenit yang tertahan bersifat paramagnetik.

Secara termal, fase troosite dapat mempengaruhi konduktivitas termal dan perilaku ekspansi. Kepadatan antarmuka yang tinggi dapat menghambat aliran panas, menyebabkan stres termal lokal selama layanan. Secara elektrik, komposisi fase mikrostruktur mempengaruhi konduktivitas, dengan troosite martensitik umumnya menunjukkan resistivitas listrik yang lebih tinggi dibandingkan dengan fase feritik.

Jika dibandingkan dengan mikrokonstituen lain seperti karbida atau ferrit, morfologi akicular troosite memberikan kombinasi unik antara kekuatan dan ketangguhan, sering kali meningkatkan kinerja keseluruhan baja.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan troosite diatur oleh termodinamika transformasi fase, yang terutama didorong oleh minimisasi energi bebas selama pendinginan. Ketika austenit mendingin di bawah suhu mulai martensit (Ms), fase austenitik menjadi tidak stabil secara termodinamika relatif terhadap martensit atau bainit.

Perbedaan energi bebas (ΔG) antara fase menentukan penghalang nukleasi. Ketika ΔG melebihi nilai kritis, nukleasi fase akicular terjadi di lokasi yang menguntungkan seperti batas butir atau jaringan dislokasi. Elemen paduan seperti karbon, mangan, dan nikel memodifikasi stabilitas fase, menggeser suhu transformasi dan mempengaruhi pembentukan troosite.

Diagram fase, seperti sistem Fe–C dan Fe–C–Mn, memberikan wawasan termodinamika tentang daerah stabilitas berbagai fase. Kehadiran elemen paduan dapat memperluas atau mempersempit daerah ini, mempengaruhi kemungkinan dan morfologi mikrostruktur troosite.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan troosite melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan yang dikendalikan oleh difusi atom dan mobilitas antarmuka. Nukleasi biasanya terjadi secara heterogen pada cacat atau batas fase, dengan laju tergantung pada suhu, komposisi, dan mikrostruktur sebelumnya.

Pertumbuhan jarum troosite berlangsung melalui mekanisme yang dikendalikan oleh difusi, di mana atom karbon bermigrasi ke lokasi nukleasi, memfasilitasi pengembangan struktur akicular. Laju pertumbuhan dipengaruhi oleh suhu, dengan suhu yang lebih rendah mendukung morfologi yang lebih halus dan lebih berbentuk jarum karena difusi yang terhambat.

Diagram waktu-suhu-transformasi (TTT) menggambarkan kinetika, menunjukkan bahwa pendinginan cepat mendukung pembentukan troosite martensitik, sementara pendinginan yang lebih lambat memungkinkan terbentuknya struktur bainitik atau perlitik. Energi aktivasi untuk nukleasi dan pertumbuhan dapat diperkirakan dari data eksperimental, biasanya berkisar antara 80 hingga 150 kJ/mol, tergantung pada komposisi paduan.

Faktor yang Mempengaruhi

Faktor komposisi kunci termasuk kandungan karbon, yang menstabilkan fase terlampaui dan mendorong pembentukan troosite, dan elemen paduan seperti kromium, molibdenum, dan vanadium, yang dapat menghambat atau memodifikasi jalur transformasi.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, waktu tahan suhu, dan sejarah deformasi secara signifikan mempengaruhi perkembangan troosite. Pendinginan cepat cenderung menghasilkan troosite martensitik yang halus dan berbentuk jarum, sementara pendinginan yang terkontrol dapat menghasilkan struktur bainitik yang lebih kasar.

Mikrostruktur sebelumnya, seperti ukuran butir austenit dan kepadatan dislokasi, juga mempengaruhi lokasi nukleasi dan kinetika transformasi. Austenit butir halus mendorong distribusi troosite yang seragam, sementara butir kasar dapat menyebabkan mikrostruktur yang heterogen.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Laju nukleasi (I) fase troosite dapat dijelaskan oleh teori nukleasi klasik:

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

di mana:

• $I_0$ adalah faktor pre-ekspresional yang terkait dengan frekuensi getaran atom,

• ( \Delta G^* ) adalah penghalang energi bebas kritis untuk nukleasi,

• ( k