Troosite (usang): Pembentukan Mikrostruktur dan Dampaknya pada Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Troosite adalah fitur mikrostruktural yang sudah usang yang secara historis diamati dalam paduan baja tertentu, ditandai dengan mikrostruktur yang saling terkait dengan skala halus yang pernah dianggap mempengaruhi sifat mekanik secara signifikan. Ini umumnya diklasifikasikan sebagai mikrokonstituen atau fase yang muncul selama perlakuan termal atau mekanis tertentu, meskipun identifikasi dan klasifikasinya yang tepat telah berkembang seiring waktu.

Di tingkat atom, troosite diyakini terdiri dari susunan karbida atau senyawa intermetal yang teratur dan halus yang tertanam dalam matriks ferritik atau pearlitik. Fitur-fitur ini dianggap terbentuk melalui proses difusi lokal, menghasilkan mikrostruktur dengan hubungan kristalografi yang khas dengan fase induk. Dasar ilmiah fundamental dari troosite melibatkan transformasi fase yang didorong oleh stabilitas termodinamika, kinetika difusi, dan kompatibilitas kristalografi, yang mempengaruhi morfologi dan sifat mikrostruktur.

Dalam metalurgi baja, memahami konstituen mikrostruktural seperti troosite sangat penting karena mereka secara langsung mempengaruhi sifat-sifat seperti kekuatan, ketangguhan, duktilitas, dan ketahanan korosi. Secara historis, identifikasi troosite berkontribusi pada pengembangan protokol perlakuan panas dan strategi desain paduan yang bertujuan untuk mengoptimalkan kinerja baja. Meskipun istilah ini sekarang dianggap usang, studinya memberikan wawasan dasar tentang evolusi mikrostruktural dalam baja.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Troosite ditandai oleh struktur kristalografi yang sering diasosiasikan dengan fase halus dan teratur, biasanya karbida atau senyawa intermetal. Fase-fase ini umumnya mengkristal dalam sistem kristal kubik atau tetragonal, dengan parameter kisi yang mendekati matriks ferritik atau pearlitik induk, memfasilitasi antarmuka koheren atau semi-koheren.

Susunan atom dalam fase troosite melibatkan kisi logam yang teratur dan periodik (seperti Fe, Cr, Mo, atau Ni) yang dikombinasikan dengan atom interstisial atau substitusi (karbon, nitrogen, atau elemen paduan). Fase-fase ini sering menunjukkan hubungan orientasi tertentu dengan matriks di sekitarnya, seperti hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, yang menunjukkan koherensi kristalografi yang meminimalkan energi antarmuka.

Dari sudut pandang kristalografi, fase troosite dapat dibedakan berdasarkan tanda difraksi mereka, yang menunjukkan puncak karakteristik yang sesuai dengan struktur kristal spesifik mereka. Fase-fase ini sering terbentuk sebagai presipitat halus dengan ukuran biasanya kurang dari 100 nanometer, terdistribusi di seluruh mikrostruktur dengan cara yang tersebar.

Fitur Morfologis

Morfologis, troosite muncul sebagai jaringan partikel atau pelat halus yang saling terkait yang tertanam dalam matriks baja. Di bawah mikroskop optik, fitur-fitur ini sering kali terlalu kecil untuk dipecahkan dengan jelas, tetapi teknik mikroskopi canggih mengungkapkan morfologi mereka yang rumit dan menyerupai jaring.

Ukuran partikel troosite berkisar dari sekitar 10 hingga 100 nanometer, dengan kecenderungan untuk membentuk jaringan atau kluster yang saling terhubung. Mereka sering menunjukkan bentuk seperti jarum atau pelat, dengan konfigurasi tiga dimensi yang menyerupai jaring atau jala, sehingga disebut "troosite" (dari bahasa Yunani "troos," yang berarti "lubang" atau "jaring"). Distribusinya umumnya seragam, meskipun variasi lokal dapat terjadi tergantung pada kondisi pemrosesan.

Dalam mikroskopi elektron transmisi (TEM), fase troosite muncul sebagai presipitat halus yang koheren dengan kontras yang jelas terhadap matriks, sering kali sejajar dengan arah kristalografi tertentu. Morfologi mereka berkontribusi pada kekuatan dan ketangguhan keseluruhan mikrostruktur dengan menghambat gerakan dislokasi.

Sifat Fisik

Sifat fisik yang terkait dengan mikrostruktur troosite meliputi:

• Kepadatan: Sedikit lebih tinggi daripada matriks di sekitarnya karena adanya fase intermetal atau karbida yang padat, biasanya menghasilkan peningkatan marginal dalam kepadatan baja secara keseluruhan.
• Konduktivitas Listrik: Berkurang relatif terhadap fase ferritik murni karena adanya presipitat dan intermetal yang menyebarkan elektron konduksi.
• Sifat Magnetik: Perilaku magnetik sedikit berubah, karena fase yang terlibat mungkin paramagnetik atau ferromagnetik lemah, mempengaruhi permeabilitas magnetik.
• Konduktivitas Termal: Umumnya menurun dibandingkan dengan matriks, karena hambatan fonon di antarmuka dan adanya presipitat.

Jika dibandingkan dengan konstituen mikrostruktural lainnya seperti ferrit, pearlit, atau martensit, fase troosite cenderung lebih stabil pada suhu tinggi dan berkontribusi pada peningkatan kekerasan dan kekuatan, meskipun terkadang mengorbankan duktilitas.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamik

Pembentukan fase troosite diatur oleh prinsip-prinsip termodinamik yang melibatkan minimisasi energi bebas. Selama perlakuan panas, elemen paduan seperti kromium, molibdenum, atau karbon dapat menurunkan energi bebas dari fase intermetal atau karbida tertentu, membuat pembentukannya secara termodinamik menguntungkan di bawah kondisi suhu dan komposisi tertentu.

Diagram fase, khususnya sistem Fe-Cr-C dan Fe-Mo-C, menunjukkan daerah di mana fase-fase ini stabil atau metastabil. Pembentukan troosite biasanya terjadi di daerah diagram fase di mana energi bebas fase presipitat lebih rendah daripada larutan padat supersaturasi, yang mengarah pada nukleasi dan pertumbuhan fase-fase ini dalam matriks.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi fase troosite melibatkan mengatasi penghalang energi yang terkait dengan menciptakan antarmuka baru antara presipitat dan matriks. Setelah ter-nukleasi, pertumbuhan berlangsung melalui mekanisme yang dikendalikan oleh difusi, terutama melibatkan pergerakan karbon atau elemen paduan menuju antarmuka presipitat.

Kinetika sangat bergantung pada suhu; suhu yang lebih tinggi mempercepat difusi tetapi juga dapat mendorong penghalusan atau transformasi menjadi fase yang lebih stabil. Langkah yang mengendalikan laju sering kali adalah difusi atom solut, dengan energi aktivasi biasanya dalam rentang 100–200 kJ/mol, tergantung pada fase spesifik dan komposisi paduan.

Profil waktu-suhu mempengaruhi ukuran, distribusi, dan morfologi fase troosite. Pendinginan cepat dapat menekan pembentukannya, sementara pendinginan lambat atau perlakuan penuaan mendorong perkembangan mereka.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen komposisi kunci yang mendorong pembentukan troosite meliputi tingkat kromium, molibdenum, dan karbon yang tinggi, yang menstabilkan fase intermetal dan karbida. Sebaliknya, elemen seperti nikel atau aluminium dapat menghambat pembentukannya atau memodifikasi morfologinya.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, waktu tahan suhu, dan mikrostruktur sebelumnya secara signifikan mempengaruhi perkembangan troosite. Misalnya, austenitisasi pada suhu tinggi diikuti oleh pendinginan lambat atau penuaan pada suhu menengah mendukung nukleasi dan pertumbuhan fase troosite.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti austenit atau ferrit sebelumnya, mempengaruhi lokasi nukleasi dan jalur pertumbuhan troosite. Mikrostruktur yang halus cenderung mendorong distribusi troosite yang lebih seragam dan lebih halus.

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 ) adalah konstanta Boltzmann,