Struktur Widmanstätten dalam Baja: Pembentukan, Mikrostruktur & Dampak Mekanis

Definisi dan Konsep Dasar

Struktur Widmanstätten adalah fitur mikrostruktural yang khas yang diamati pada beberapa baja dan paduan, ditandai dengan pembentukan presipitasi atau fase yang menyerupai pelat atau jarum yang tersusun dalam pola yang khas. Ini muncul sebagai jaringan struktur yang memanjang, lamelar, atau akicular yang tertanam dalam matriks induk, biasanya dihasilkan dari transformasi fase yang terkontrol selama pendinginan atau perlakuan panas.

Pada tingkat atom, struktur Widmanstätten muncul dari nukleasi dan pertumbuhan fase sekunder—seperti ferit, semenit, atau martensit—di sepanjang bidang kristalografi tertentu dalam fase induk. Fase-fase ini mengadopsi orientasi kristalografi yang meminimalkan energi antarmuka, yang mengarah pada pembentukan pola yang khas dan terdefinisi dengan baik. Susunan atom dalam struktur ini mencerminkan simetri kisi kristal yang mendasari, sering kali melibatkan hubungan orientasi tertentu dengan fase induk, seperti hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann.

Mikrostruktur ini memiliki pentingnya yang signifikan dalam metalurgi baja karena mempengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan, ketangguhan, dan keuletan. Pembentukan yang terkontrol memungkinkan metalurgis untuk menyesuaikan kinerja baja untuk aplikasi tertentu, terutama dalam komponen yang membutuhkan kekuatan tinggi, tahan aus, atau kritis terhadap kelelahan. Memahami struktur Widmanstätten memberikan wawasan tentang kinetika transformasi fase, stabilitas mikrostruktural, dan pengembangan proses perlakuan panas yang canggih.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Struktur Widmanstätten pada dasarnya adalah mikrostruktur yang terorientasi secara kristalografi, sering kali melibatkan fase dengan sistem kristal yang berbeda. Misalnya, dalam baja, ini biasanya melibatkan pembentukan fase ferit atau semenit dalam austenit selama pendinginan lambat, di mana fase-fase tersebut tumbuh di sepanjang bidang kristalografi tertentu.

Fase induk, seperti austenit (kubus pusat muka, FCC), berubah menjadi fase kubus pusat tubuh (BCC) atau fase tetragonal pusat tubuh (BCT), tergantung pada komposisi paduan dan sejarah termal. Fase sekunder nukleasi pada bidang kristalografi tertentu—seperti {111} atau {100}—dan tumbuh dengan cara lamelar atau akicular, mempertahankan hubungan orientasi yang mengurangi energi antarmuka.

Parameter kisi dari fase yang terlibat mempengaruhi morfologi dan jarak antara pelat Widmanstätten. Misalnya, semenit (Fe₃C) memiliki struktur kristal ortorhombik dengan parameter kisi sekitar a = 6.7 Å, b = 4.5 Å, c = 4.5 Å, yang mempengaruhi pola pertumbuhannya dalam matriks ferit atau austenit.

Hubungan orientasi kristalografi sangat penting dalam mendefinisikan morfologi mikrostruktur. Misalnya, hubungan Kurdjumov–Sachs menggambarkan orientasi antara austenit dan martensit, yang dapat mempengaruhi perkembangan martensit Widmanstätten dalam baja.

Fitur Morfologis

Struktur Widmanstätten muncul sebagai jaringan pelat atau jarum yang tipis dan memanjang, sering kali dengan pola silang atau berbulu yang khas ketika dilihat di bawah mikroskop optik atau elektron. Pelat-pelat ini biasanya memiliki ketebalan dari beberapa nanometer hingga beberapa mikrometer dan dapat membentang hingga beberapa puluh mikrometer dalam panjang.

Dalam tiga dimensi, pelat-pelat tersebut saling terhubung, membentuk mikrostruktur yang kompleks dan saling terkait yang dapat menyerupai pola bulu atau ledakan bintang. Morfologi bervariasi tergantung pada fase yang terlibat, laju pendinginan, dan komposisi paduan. Misalnya, dalam baja karbon rendah, ferit Widmanstätten muncul sebagai pelat tipis dan memanjang dalam austenit, sedangkan dalam baja karbon tinggi, pelat semenit terbentuk dalam matriks pearlitik atau bainitik.

Di bawah mikroskop optik, struktur ini sering kali menunjukkan penampilan berkilau atau iridescent karena interferensi cahaya dengan antarmuka lamelar. Mikroskop elektron mengungkapkan susunan atom yang terperinci dan hubungan orientasi antara pelat dan matriks sekitarnya.

Sifat Fisik

Mikrostruktur Widmanstätten mempengaruhi beberapa sifat fisik baja:

• Kepadatan: Kepadatan mikrostruktur terutama ditentukan oleh fase yang ada; misalnya, semenit lebih padat daripada ferit, yang sedikit mempengaruhi kepadatan keseluruhan.

• Konduktivitas Listrik: Kehadiran fase lamelar seperti semenit mengurangi konduktivitas listrik dibandingkan dengan ferit atau austenit murni, karena peningkatan hamburan elektron di batas fase.

• Sifat Magnetik: Mikrostruktur mempengaruhi permeabilitas magnetik; struktur Widmanstätten feritik cenderung lebih feromagnetik, sedangkan fase seperti semenit bersifat paramagnetik atau lemah magnetik.

• Konduktivitas Termal: Susunan lamelar memperkenalkan situs hamburan fonon, umumnya mengurangi konduktivitas termal relatif terhadap fase homogen.

Jika dibandingkan dengan mikrostruktur lain seperti martensit yang diperlakukan atau bainit, struktur Widmanstätten biasanya menunjukkan sifat antara, dengan pengaruh spesifik mereka tergantung pada fraksi volume fase dan morfologi.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan struktur Widmanstätten diatur oleh stabilitas fase dan gaya pendorong termodinamika. Selama pendinginan dari suhu tinggi, fase austenit menjadi tidak stabil secara termodinamika relatif terhadap ferit, semenit, atau martensit, tergantung pada komposisi dan laju pendinginan.

Perbedaan energi bebas (ΔG) antara fase mendorong nukleasi; fase dengan energi bebas yang lebih rendah lebih diutamakan. Nukleasi fase sekunder terjadi di situs kristalografi tertentu—seperti batas butir atau antarmuka fase yang ada—di mana hambatan energi berkurang. Pertumbuhan fase-fase ini di sepanjang bidang kristalografi yang disukai meminimalkan energi antarmuka, yang mengarah pada morfologi lamelar yang khas.

Diagram fase, seperti diagram kesetimbangan Fe–C, menggambarkan rentang suhu dan komposisi di mana struktur Widmanstätten secara termodinamika diutamakan. Misalnya, pendinginan lambat melalui daerah transformasi pearlit atau bainit mendorong perkembangan ferit atau semenit Widmanstätten.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan struktur Widmanstätten melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan yang dikendalikan oleh difusi atom dan mobilitas antarmuka. Nukleasi terjadi secara heterogen di situs yang menguntungkan, dengan laju nukleasi tergantung pada suhu, supersaturasi, dan keberadaan fitur mikrostruktural yang ada.

Pertumbuhan berlangsung melalui difusi atom di sepanjang batas fase, dengan laju pertumbuhan dipengaruhi oleh suhu, gradien konsentrasi, dan mobilitas atom. Pertumbuhan sering kali anisotropik, lebih menyukai arah kristalografi tertentu, yang menghasilkan morfologi lamelar atau akicular.

Langkah yang mengendalikan laju biasanya adalah difusi atom, dengan energi aktivasi bervariasi tergantung pada fase yang terlibat. Untuk pembentukan semenit, difusi atom karbon dalam ferit menjadi pembatas laju, sedangkan untuk struktur Widmanstätten martensitik, difusi ditekan, dan transformasi terjadi melalui mekanisme geser.

Hubungan waktu-suhu pembentukan mengikuti perilaku tipe Arrhenius, dengan laju pendinginan yang lebih lambat mendukung perkembangan pelat Widmanstätten yang lebih kasar, sementara pendinginan cepat menghasilkan struktur yang lebih halus atau martensit.

Faktor yang Mempengaruhi

Komposisi paduan secara signifikan mempengaruhi pembentukan Widmanstätten. Unsur-unsur seperti karbon, mangan, krom, dan molibdenum mengubah stabilitas fase dan laju difusi, mendorong atau menghambat perkembangan struktur lamelar.

Parameter pemrosesan, termasuk laju pendinginan, gradien suhu, dan waktu penahanan, sangat mempengaruhi mikrostruktur. Pendinginan lambat melalui rentang transformasi memungkinkan difusi yang cukup untuk pertumbuhan lamelar, sedangkan pendinginan cepat menekan difusi, lebih mendukung mikrostruktur martensitik atau bainitik.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya