Memahami Diagram Fasa Besi-Karbon: Wawasan Utama untuk Metalurgi

Diagram Fasa Besi-Karbon

Diagram fasa adalah alat yang sangat penting dalam studi alloy untuk solusi banyak masalah praktis dalam metalurgi. Diagram ini mendefinisikan wilayah stabilitas fasa yang dapat ada dalam sistem alloy di bawah kondisi tekanan atmosfer konstan. Untuk sistem biner, koordinat diagram ini adalah suhu dan komposisi. Inter-relasi antara fasa, suhu, dan komposisi dalam sistem alloy biasanya hanya disajikan oleh diagram fasa di bawah kondisi kesetimbangan. Kondisi seperti ini terjadi selama laju pemanasan dan pendinginan alloy yang lambat, ketika kinetika transformasi tidak memerankan peran penting.

Dalam bentuk paling sederhana, besi dan baja adalah alloy besi (Fe) dan karbon (C). Ada tiga tipe alloy ferrous. Alloy ini terdiri dari (i) besi dengan kandungan C kurang dari 0,0008 % pada suhu ruangan, (ii) baja dengan kandungan C berkisar dari 0,008 % hingga 2,14 % (biasanya kurang dari 1 %) dan memiliki mikrostruktur yang terdiri dari ferrit dan cementite, dan (iii) baja cetak dengan kandungan C berkisar dari 2,14 % hingga 6,7 % (biasanya kurang dari 4,5 %). Studi konstitusi dan struktur besi dan baja dimulai dengan diagram fasa besi-karbon (Fe-C) (Gambar 1). Diagram fasa Fe-C juga digunakan sebagai dasar untuk pemahaman proses treatment panas.

Gambar 1 Diagram fasa besi karbon

C adalah pengotor interstisial dalam Fe. Ia membentuk larutan padat dengan fase alpha, gamma, dan delta besi. Maksimum larutabilitas C dalam besi alpha adalah 0,025 % pada 727 derajat C. Besi body centred cubic (BCC) memiliki posisi interstisial yang relatif kecil. Maksimum larutabilitas C dalam besi gamma face centred cubic (FCC) adalah 2,14 % pada 1148 derajat C. Besi FCC memiliki posisi interstisial yang lebih besar. Properti mekanik alloy besi-karbon (besi dan baja) tergantung pada mikrostruktur mereka, yaitu, bagaimana fase yang berbeda dicampur.

Diagram fasa besi-karbon pada Gambar 2 sebenarnya menunjukkan dua diagram yaitu (i) diagram besi-grafit stabil (garis merah), (ii) dan diagram Fe-Fe3C metastable. Cementite adalah metastable, dan kesetimbangan sebenarnya adalah antara besi dan grafit (C). Meskipun grafit terjadi secara luas dalam baja cetak, biasanya sulit untuk mendapatkan fase kesetimbangan ini dalam baja. Kondisi stabil biasanya membutuhkan waktu yang sangat lama untuk berkembang terutama pada rentang suhu rendah dan rentang karbon rendah. Oleh karena itu, diagram kesetimbangan normal yang umumnya digunakan adalah diagram Fe-Fe3C metastable karena relevan dengan perilaku sebagian besar baja dalam praktik.

Detail diagram fasa stabil dan metastable dari sistem Fe-C, terutama di sisi kaya Fe, dikenal jauh lebih baik daripada sistem biner lain dengan kompleksitas serupa. Namun, masih ada area yang besar di mana diagram fasa belum terbentuk dengan baik seperti dalam rentang suhu, komposisi, dan tekanan yang tidak terkait langsung dengan pembuatan besi dan baja.

Fig 2 Diagram besi-karbon yang menunjukkan fasa stabil dan metastable

Ada beberapa fasa metalurgi yang penting dan mikro konstituen dalam sistem besi karbon. Dalam sistem Fe–Fe3C, karbon adalah pengotor interstisial dalam Fe. Ia membentuk larutan padat dengan fase alpha (alpha ferrite), gamma (austenite), dan delta (delta ferrite) besi. Ini adalah fase penting dalam diagram fasa Fe – Fe3C. Di antara bidang fasa tunggal, ditemukan wilayah dengan campuran dua fase, seperti ferrit dan cementite, austenite dan cementite, dan ferrit dan austenite. Pada suhu tertinggi, bidang fasa cair dapat ditemukan dan di bawahnya bidang fasa dua fase cair dan austenite, cair dan cementite, dan cair dan ferrit. Dalam treatment panas baja, fasa cair selalu dihindari. Pada titik eutectic (4,26 % C), alloy cair saat pendingin langsung berubah menjadi austenite dan cementite tanpa bidang fasa dua fase. Demikian pula, pada titik Eutectoid (0,76 % C), fase austenite saat pendingin langsung berubah menjadi ferrit dan cementite tanpa bidang fasa dua fase. Beberapa batas penting di bidang fasa tunggal telah diberikan nama khusus yang memfasilitasi pemahaman diagram.

Fasa utama besi dan baja dalam kesetimbangan adalah fase berikut.

• Fase Ferrit atau besi alpha – Ini adalah bentuk stabil besi pada suhu ruangan. Ini adalah fase rendah suhu yang relatif lembut dan merupakan fase kesetimbangan stabil. Ia bertransformasi menjadi austenite FCC (fase gamma) pada 910 derajat C. Ferrit adalah konstituen umum dalam baja dan memiliki struktur BCC, yang lebih sedikit padat daripada struktur FCC. Ia lembut, dan cukup lentur. Ia magnetik di bawah 768 derajat C. Ia memiliki kekuatan rendah dan ketahanan yang baik.
• Fase Austenite atau besi gamma – Austenite adalah fase suhu tinggi. Ini adalah larutan padat C dalam besi FCC. Oleh karena itu, ia memiliki struktur FCC, yang merupakan struktur padat. Ini adalah fase non-magnetik dan lentur. Ia bertransformasi menjadi delta ferrite BCC pada 1394 derajat C. Ia tidak stabil di bawah suhu eutectic (727 derajat C) kecuali didinginkan dengan cepat. Austenite memiliki kekuatan dan ketahanan yang baik.
• Fase Delta ferrite – Ini adalah larutan padat C dalam besi BCC. Ia stabil hanya pada suhu di atas 1394 derajat C. Ia meleleh pada 1538 derajat C. Ia memiliki properti paramagnetik.
• Cementite – Ini adalah Fe3C atau karbida besi. Ini adalah senyawa inter-logam Fe dan C. Ia memiliki struktur ortorombik yang kompleks dan merupakan fase metastable. Ia adalah fase yang keras dan rapuh. Ia memiliki kekuatan tarik rendah, kekuatan kompresi yang baik dan ketahanan rendah. Ia terdekomposisi (sangat lambat, dalam beberapa tahun) menjadi alpha ferrit dan C (grafit) pada rentang suhu 650 derajat C hingga 700 derajat C.

Dibandingkan austenite dengan ferrit, larutabilitas karbon lebih tinggi dalam austenite dengan nilai maksimum 2,14 % pada 1148 derajat C. Larutabilitas karbon yang tinggi ini dalam austenite sangat penting dalam treatment panas, ketika solution treatment dalam austenite diikuti oleh quenching cepat ke suhu ruangan memungkinkan pembentukan larutan padat supersaturasi karbon dalam besi. Fase ferrit terbatas dengan larutabilitas karbon maksimum 0,025 % pada 727 derajat C. Karena rentang karbon yang tersedia dalam baja umum adalah dari 0,05 % hingga 1,5 %, ferrit biasanya dikaitkan dengan cementite dalam bentuk yang berbeda atau lainnya. Demikian pula, fase delta sangat terbatas dan berada dalam rentang suhu antara 1394 derajat C dan 1538 derajat C. Ia menghilang sepenuhnya ketika kandungan karbon mencapai 0,5 %.

Alloy dengan komposisi eutectoid (0,76 % C) ketika didinginkan lambat, membentuk pearlite, yang merupakan struktur berlapis dari dua fase yaitu alpha‐ferrit dan cementite. Pearlite adalah campuran fase ferrit-cementite. Ia memiliki penampilan khas dan dapat diperlakukan sebagai entitas mikrostruktur atau mikro konstituen. Ia adalah agregat berlapis selang-seling ferrit dan cementite yang degradasi (sferoidisasi atau kasar) menjadi partikel cementite yang terdistribusi dengan matriks ferrit setelah pemakaian lama di bawah 727 derajat C. Ini adalah eutectoid dan memiliki struktur BCC. Ini adalah larutan parsial dari Fe dan C. Secara mekanis, pearlite memiliki properti antara ferrit yang lembut dan lentur dan cementite yang keras dan rapuh. Ia memiliki kekuatan tinggi dan ketahanan rendah.

Alloy hypo-eutectoid mengandung pro-eutectoid ferrit (terdibentuk di atas suhu eutectoid) bersama dengan pearlite eutectoid yang mengandung ferrit eutectoid dan cementite. Alloy hyper-eutectoid mengandung pro-eutectoid cementite (terdibentuk di atas suhu eutectoid bersama dengan pearlite yang mengandung ferrit eutectoid dan cementite.

Dalam kasus penyekuan tidak seimbang sistem Fe-C beberapa jenis mikrostruktur tambahan juga dapat terbentuk. Beberapa mikrostruktur ini diberikan di bawah ini.

• Bainite – Ini adalah fase antara pearlite dan martensite. Ini adalah mikro konstituen metastable yang keras dan terdiri dari campuran non-lamellar ferrit dan cementite pada skala yang sangat halus. Upper bainite terbentuk pada suhu yang lebih tinggi dan memiliki penampilan seperti bulu ayam. Lower bainite terbentuk pada suhu yang lebih rendah dan memiliki penampilan seperti jarum. Keadaan bainite meningkat dengan menurunnya suhu pembentukan. Ia memiliki kekuatan dan ketahanan yang baik.
• Martensite – Ini adalah bentuk kristal baja yang sangat keras. Ini bernama dari metalurg Jerman Adolf Martens. Ia terbentuk dengan pendinginan cepat dan keras serta rapuh. Ini adalah bentuk body-centered tetragonal (BCT) besi di mana sebagian karbon terlarut. Ia terbentuk selama quenching, ketika lattice face centered cubic austenite terdistorsi menjadi struktur body centered tetragonal tanpa kehilangan atom karbon yang terkandung ke dalam cementite dan ferrit. Ini adalah larutan padat supersaturasi atom C dalam ferrit. Ini adalah fase metastable yang keras. Ia memiliki morfologi lath ketika C kurang dari 0,6 %, morfologi plate ketika C lebih dari 1 %, dan campuran keduanya di antaranya. Ia memiliki kekuatan dan keadaan tinggi dan ketahanan rendah.
• Sorbite / troostite – Struktur tahap pearlite bawah dengan flake yang sangat halus disebut sorbite dan troostite. Ini adalah struktur transformasi tahap pearlite yang sesuai dengan laju pendinginan yang meningkat. Namun, ini mengubah rasio struktur dan pembentukan pearlite terkait jarak flake. Struktur ini tidak dapat dilihat di bawah mikroskop optik.
• Widmanstatten ferrite – Ini diperoleh ketika baja karbon plain hypo-eutectico didinginkan dengan cepat dari suhu di atas suhu A3. Karena pendinginan cepat, ada waktu yang sangat sedikit yang tersedia bagi kristal ferrit untuk menukle tidak hanya di batas butir tetapi juga di dalam butir austenite yang besar. Mereka dengan cepat tumbuh ke dalam arah kristal yang disukai di dalam butir dan oleh karena itu menjadi panjang. Struktur ini berupa jarum (laths) atau plate yang cenderung selaras dalam arah yang sama dalam satu butir.

Ada banyak suhu dan titik kritis dalam diagram Fe-C yang penting baik dari sudut pandang dasar maupun praktis. Ini adalah suhu ketika selama pendinginan, atau pemanasan, transformasi fasa serta magnetik terjadi di dalamnya. Suhu di mana transformasi terjadi dalam keadaan padat disebut suhu kritis, atau titik kritis. Suhu utama dan titik kritis diberikan di bawah ini.

• Suhu A0 – Ini adalah suhu Curie ketika perubahan magnetik ke non-magnetik cementite terjadi pada pemanasan. Struktur dapat mengembangkan defek seperti dislokasi, fault, dan kekosongan. Cementite adalah logam dan ferromagnetis dengan suhu Curie sekitar 210 derajat C. Ketika dialloy, solute logam menggantikan situs besi; atom yang lebih kecil seperti boron menggantikan karbon pada posisi interstisial.
• Suhu A1 – Ini adalah suhu (727 derajat C) ketika transformasi eutectoid terjadi. Pada suhu ini pearlite berubah menjadi austenite pada pemanasan dan sebaliknya
• Suhu A2 – Ini disebut suhu Curie ferrit (768 derajat C), di mana ferrit ferromagnetis pada pemanasan berubah menjadi paramagnetik. Pada suhu ini tidak ada perubahan mikrostruktur yang terlibat
• Suhu A3 – Ini adalah suhu di mana ferrit baru mulai terbentuk dari austenite, pada pendinginan baja hypo-eutectoid atau jejak terakhir ferrit bebas berubah menjadi austenite, pada pemanasan. Jadi, ini adalah suhu yang sesuai dengan batas fase gamma + alpha / gamma untuk baja hypo-eutectoid dan merupakan fungsi dari kandungan karbon baja, karena menurun dari 910 derajat C pada 0 % C hingga 727 derajat C pada 0,76 % C. Ini juga disebut suhu kritis atas dari baja hypo-eutectoid. Interval suhu antara suhu A1 dan A3 disebut rentang kritis di mana austenite ada dalam kesetimbangan dengan ferrit.
• Suhu Acm – Ini adalah suhu, dalam baja hyper-eutectoid, di mana pro-eutectoid cementite baru mulai terbentuk (pada pendinginan) dari austenite. Ini mewakili suhu batas fase gamma/gamma + Fe3C dan, merupakan fungsi dari karbon. Garis Acm menunjukkan bahwa larutabilitas karbon dalam austenite menurun sangat cepat dari maksimum 2,14 % pada 1148 derajat C hingga maksimum 0,76 % pada 727 derajat C, karena stabilitas cementite yang lebih besar pada suhu rendah. Karbon tambahan menyedot dari austenite sebagai pro-eutectoid cementite dalam baja eutectic tinggi (juga disebut cementite sekunder dalam baja cetak). Pemisahan cementite dari austenite (pada pendingin) juga diiringi oleh evolusi panas.
• Suhu A4 – Ini adalah suhu di mana austenite bertransformasi menjadi besi delta. Nilai terendah untuk suhu ini adalah 1394 derajat C yang terjadi pada besi murni. Suhu ini meningkat seiring dengan peningkatan persentase karbon.
• Suhu Ms – Ini adalah suhu di mana transformasi austenite menjadi martensite dimulai selama pendinginan.
• Suhu Mf – Ini adalah suhu di mana pembentukan martensite selesai selama pendinginan. Semua perubahan, kecuali pembentukan martensite, terjadi pada suhu yang lebih rendah selama pendinginan daripada selama pemanasan dan bergantung pada laju perubahan suhu.

Transformasi Austenite-Ferrit

Di bawah kondisi kesetimbangan, pro-eutectoid ferrit terbentuk dalam alloy besi-karbon yang mengandung hingga 0,76 % karbon. Reaksi terjadi pada 910 derajat C dalam besi murni, tetapi terjadi antara 910 derajat C dan 727 derajat C dalam alloy besi-karbon. Namun, dengan quenching dari keadaan austenitic ke suhu di bawah suhu eutectoid, ferrit dapat terbentuk hingga suhu yang rendah sampai 600 derajat C. Ada perubahan morfologis yang terprona saat suhu transformasi diturunkan, yang biasanya berlaku secara umum untuk fase hypo-eutectoid dan hyper-eutectoid, meskipun dalam setiap kasus ada variasi karena kristalografi yang tepat dari fase yang terlibat. Sebagai contoh, prinsip yang sama berlaku untuk pembentukan cementite dari austenite, tetapi tidak sulit untuk membedakan ferrit dari cementite secara morfologis.

Transformasi Austenite-Cementite

Ada berbagai morfologi cementite yang terbentuk pada suhu transformasi yang progressively lebih rendah. Pengembangan awal allotriomorph batas butir sangat mirip dengan ferrit dan pertumbuhan side plates atau Widmanstatten cementite mengikuti pola yang sama. Allotriomorph memiliki bentuk yang tidak mencerminkan simetri kristal internalnya. Ini karena cenderung menukle pada permukaan butir austenite, sehingga membentuk lapisan yang mengikuti kontur batas butir. Plate cementite lebih ketat secara kristalografi dalam bentuknya, meskipun hubungan orientasi dengan austenite adalah yang lebih kompleks. Seperti dalam kasus ferrit, sebagian besar side plates berasal dari allotriomorph batas butir, tetapi dalam reaksi cementite lebih banyak side plates menukle pada batas twin dalam austenite.

Reaksi Austenite-Pearlite

Pearlite adalah mikrostruktur yang paling familiar dalam diagram fasa besi karbon. Ini ditemukan oleh Sorby lebih dari satu abad yang lalu, yang dengan benar mengasumsinya sebagai campuran lamellar besi dan karbida besi. Ini adalah konstituen yang sangat umum dari berbagai jenis baja, di mana ia memberikan kontribusi besar pada kekuatan. Struktur lamellar eutectoid tipe ini widespread dalam metalurgi baja. Struktur ini memiliki banyak hal yang sama dengan reaksi presipitasi seluler. Keduataproperti reaksi terjadi melalui inti dan pertumbuhan, dan, oleh karena itu, dikontrol difusi. Inti pearlite terjadi pada batas butir austenite, tetapi jelas bahwa mereka juga dapat dikaitkan dengan baik pro-eutectoid ferrit dan cementite. Dalam baja komersial, nodul pearlite dapat menukle pada inklusi.