Pengerasan Usia: Penguatan Presipitasi dalam Paduan Baja Lanjutan

Definisi dan Konsep Dasar

Pengerasan usia, juga dikenal sebagai pengerasan presipitasi, adalah teknik perlakuan panas yang digunakan untuk meningkatkan kekuatan dan kekerasan dari paduan logam tertentu melalui pembentukan partikel yang sangat halus dari fase kedua dalam matriks fase asli. Proses ini melibatkan perlakuan larutan, pendinginan, dan penuaan untuk menciptakan presipitat skala nano yang menghambat pergerakan dislokasi.

Konsep dasar bergantung pada presipitasi fase sekunder yang terkontrol dari larutan padat yang jenuh. Presipitat ini bertindak sebagai penghalang terhadap gerakan dislokasi, sehingga secara signifikan memperkuat material sambil mempertahankan ketangguhan yang wajar.

Pengerasan usia merupakan salah satu mekanisme penguatan yang paling penting dalam metalurgi, terutama untuk aluminium, nikel, magnesium, dan beberapa paduan baja tertentu. Ini menjembatani kesenjangan antara paduan dan kontrol mikrostruktur, memungkinkan metalurgis untuk mencapai kombinasi sifat yang tidak mungkin dicapai melalui metode penguatan lainnya.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Pada tingkat atom, pengerasan usia melibatkan nukleasi dan pertumbuhan partikel presipitat yang terkontrol dari larutan padat yang jenuh. Selama perlakuan larutan, elemen paduan larut ke dalam fase matriks. Pendinginan yang cepat kemudian mengunci elemen-elemen ini dalam larutan pada konsentrasi yang melebihi kelarutan kesetimbangan mereka pada suhu yang lebih rendah.

Selama penuaan, atom solut yang berlebih difusi ke situs nukleasi dan membentuk presipitat. Presipitat menciptakan medan regangan di matriks sekitarnya karena ketidakcocokan kisi, menciptakan penghalang terhadap pergerakan dislokasi. Efektivitas penghalang ini tergantung pada ukuran presipitat, distribusi, koherensi dengan matriks, dan mekanisme interaksi dengan dislokasi.

Efek penguatan berkembang melalui urutan presipitasi yang berbeda, sering kali dimulai dengan kluster koheren (zona GP), berkembang melalui fase transisi, dan berpotensi diakhiri dengan presipitat kesetimbangan. Penguatan maksimum biasanya terjadi pada tahap menengah ketika presipitat mempertahankan koherensi parsial dengan matriks.

Model Teoretis

Mekanisme Orowan memberikan dasar teoretis utama untuk pengerasan usia, menggambarkan bagaimana dislokasi berinteraksi dengan presipitat. Menurut model ini, dislokasi harus memotong presipitat atau melewatinya dengan membungkuk, dengan stres yang diperlukan meningkat seiring dengan berkurangnya jarak antar presipitat.

Pemahaman historis berkembang dari pengamatan awal oleh Alfred Wilm pada tahun 1906, yang menemukan fenomena penuaan alami pada paduan aluminium. Pekerjaan selanjutnya oleh Merica, Waltenberg, dan Scott pada tahun 1920-an menetapkan teori presipitasi, sementara Guinier dan Preston secara independen mengidentifikasi struktur prekursor yang sekarang dikenal sebagai zona GP.

Pendekatan modern menggabungkan beberapa kontribusi penguatan, termasuk penguatan urutan, penguatan koherensi, penguatan ketidakcocokan modulus, dan penguatan kimia, masing-masing dominan pada tahap yang berbeda dari urutan presipitasi.

Dasar Ilmu Material

Pengerasan usia berkaitan erat dengan struktur kristal melalui konsep koherensi. Presipitat tahap awal biasanya mempertahankan antarmuka koheren dengan matriks, berbagi bidang atom di seluruh antarmuka. Koherensi ini menciptakan medan regangan yang berinteraksi kuat dengan dislokasi.

Morfologi dan distribusi presipitat sangat bergantung pada karakteristik batas butir. Batas butir sering berfungsi sebagai situs nukleasi heterogen, menciptakan zona bebas presipitat di dekat batas yang dapat mempengaruhi sifat mekanik secara signifikan.

Proses ini menggambarkan prinsip-prinsip dasar ilmu material termasuk termodinamika transformasi fase, kinetika difusi, teori nukleasi, dan mekanika dislokasi. Interaksi antara prinsip-prinsip ini menentukan mikrostruktur akhir dan sifat mekanik yang dihasilkan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Peningkatan kekuatan hasil dari pengerasan presipitasi dapat dinyatakan sebagai:

$$\Delta\sigma_y = \frac{0.8MGb}{L}$$

Di mana $M$ adalah faktor Taylor (biasanya 3.06 untuk logam FCC), $G$ adalah modulus geser dari matriks, $b$ adalah magnitudo vektor Burgers, dan $L$ adalah jarak rata-rata antara presipitat.

Formula Perhitungan Terkait

Untuk pemotongan presipitat, peningkatan kekuatan mengikuti:

$$\Delta\sigma_{cutting} = \frac{M\gamma_s^{3/2}}{b}\left(\frac{rf}{G}\right)^{1/2}$$

Di mana $\gamma_s$ adalah energi antarmuka presipitat-matriks, $r$ adalah jari-jari presipitat, dan $f$ adalah fraksi volume presipitat.

Untuk melewati presipitat (mekanisme Orowan):

$$\Delta\sigma_{Orowan} = \frac{0.4MGb}{\pi\lambda}\ln\left(\frac{2r}{b}\right)$$

Di mana $\lambda$ adalah jarak antar partikel di bidang slip.

Ketergantungan waktu dari presipitasi mengikuti persamaan Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK):

$$f = 1 - \exp(-kt^n)$$

Di mana $f$ adalah fraksi yang tertransformasi, $k$ adalah konstanta laju yang bergantung pada suhu, $t$ adalah waktu, dan $n$ adalah eksponen Avrami.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model-model ini mengasumsikan distribusi presipitat yang seragam dan morfologi presipitat yang disederhanakan. Mereka menjadi kurang akurat ketika presipitat tidak berbentuk bulat atau memiliki medan regangan yang kompleks.

Persamaan ini berlaku terutama untuk sistem paduan encer di mana interaksi presipitat dapat diabaikan. Pada fraksi volume yang lebih tinggi, mekanisme penguatan tambahan dan interaksi presipitat harus dipertimbangkan.

Kebanyakan model mengasumsikan kondisi penuaan isothermal dan tidak berlaku selama perlakuan non-isothermal. Selain itu, mereka biasanya mengabaikan kontribusi dari penguatan larutan padat dan penguatan batas butir yang beroperasi secara bersamaan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam - Menyediakan prosedur pengujian kekerasan yang umum digunakan untuk melacak kemajuan pengerasan usia.

ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam - Menyediakan prosedur untuk mengukur peningkatan kekuatan dari pengerasan usia.

ISO 6892-1: Material logam — Pengujian tarik — Metode uji pada suhu kamar - Menetapkan standar internasional untuk mengevaluasi perubahan sifat mekanik.

ASTM E3: Panduan Standar untuk Persiapan Spesimen Metalografi - Merinci persiapan spesimen untuk analisis mikrostruktur material yang telah dikeraskan usia.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Pengukur kekerasan (Rockwell, Vickers, Brinell) memberikan penilaian cepat terhadap kemajuan pengerasan usia melalui pengukuran ketahanan terhadap penekanan. Instrumen ini menerapkan beban terkontrol dan mengukur dimensi penekanan yang dihasilkan.

Mesin pengujian tarik mengukur kekuatan hasil, kekuatan tarik maksimum, dan perubahan perpanjangan yang dihasilkan dari pengerasan usia. Sistem ini menerapkan beban uniaxial sambil merekam data gaya-pergeseran.

Mikroskop elektron transmisi (TEM) memungkinkan visualisasi langsung morfologi, ukuran, dan distribusi presipitat pada skala nanometer. TEM beroperasi dengan melewatkan elektron melalui spesimen ultra-tipis dan membentuk gambar dari elektron yang ditransmisikan atau terdifraksi.

Kalorimetri pemindaian diferensial (DSC) mengukur al