Overaging: Penguatan Presipitasi Melebihi Kekuatan Puncak pada Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Overaging mengacu pada fenomena metalurgi yang terjadi ketika paduan yang dapat mengeras karena usia dipanaskan melebihi waktu atau suhu penuaan yang optimal, yang mengakibatkan penurunan kekuatan dan kekerasan akibat pembesaran presipitat. Proses ini mengikuti penuaan puncak, di mana kekuatan maksimum dicapai melalui pembentukan presipitat yang terdispersi halus dalam matriks logam.

Dalam ilmu dan teknik material, overaging mewakili tahap kritis dalam perlakuan pengerasan presipitat yang berdampak signifikan pada sifat mekanik baja dan paduan lainnya. Manipulasi proses ini yang terkontrol memungkinkan metalurgis untuk menyeimbangkan kekuatan, duktilitas, dan ketangguhan sesuai dengan persyaratan aplikasi tertentu.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, overaging berada di persimpangan termodinamika, kinetika, dan evolusi mikrostruktur. Ini menggambarkan bagaimana hubungan waktu-suhu mengatur sifat akhir dari material yang diperlakukan panas, menjadikannya konsep penting dalam desain dan pemrosesan baja berkekuatan tinggi yang canggih dan paduan yang dapat mengeras karena presipitat lainnya.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, overaging melibatkan pembesaran partikel presipitat yang terbentuk selama proses penuaan. Awalnya, selama penuaan optimal, presipitat skala nano terbentuk di seluruh matriks, menciptakan hambatan terhadap pergerakan dislokasi dan dengan demikian meningkatkan kekuatan.

Selama overaging, presipitat halus ini tumbuh lebih besar sambil secara bersamaan mengurangi jumlahnya melalui mekanisme yang dikendalikan difusi yang dikenal sebagai pematangan Ostwald. Atom dari presipitat yang lebih kecil larut kembali ke dalam matriks dan berdifusi menuju presipitat yang lebih besar, menyebabkan yang terakhir tumbuh dengan mengorbankan yang pertama.

Peningkatan ukuran dan penurunan kerapatan jumlah presipitat mengurangi efektivitas mereka sebagai penghalang dislokasi. Dislokasi dapat lebih mudah melengkung di sekitar atau memotong melalui partikel yang lebih besar ini, mengakibatkan penurunan kekuatan dan kekerasan tetapi sering kali meningkatkan duktilitas dan ketangguhan.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan overaging adalah teori Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW), yang mengkuantifikasi kinetika pematangan Ostwald dalam larutan padat. Model ini memprediksi bahwa jari-jari presipitat rata-rata meningkat sebanding dengan akar kubik waktu ($r \propto t^{1/3}$).

Pemahaman historis tentang overaging berkembang dari pengamatan empiris awal pada awal abad ke-20 hingga model yang lebih canggih pada tahun 1950-an. Karya Guinier dan Preston tentang urutan presipitat dalam paduan aluminium meletakkan dasar penting untuk memahami proses penuaan.

Pendekatan teoretis alternatif termasuk model LSW yang dimodifikasi yang memperhitungkan fraksi volume presipitat yang terbatas, model fase-lapangan yang mensimulasikan evolusi mikrostruktur selama overaging, dan simulasi atomistik yang memberikan wawasan tentang mekanisme tingkat atom dari pembesaran presipitat.

Dasar Ilmu Material

Overaging secara fundamental terkait dengan struktur kristal melalui koherensi antara fase presipitat dan matriks. Saat presipitat tumbuh selama overaging, mereka sering kehilangan koherensi dengan matriks di sekitarnya, mengubah sifat antarmuka presipitat-matriks dan mengubah interaksi dislokasi-presipitat.

Struktur batas butir memainkan peran signifikan dalam kinetika overaging, karena batas berfungsi sebagai jalur difusi tinggi dan situs nukleasi preferensial untuk presipitat. Zona bebas presipitat (PFZ) sering terbentuk di dekat batas butir selama overaging, menciptakan daerah terlokalisasi dengan sifat mekanik yang berbeda.

Fenomena ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk minimisasi energi bebas Gibbs, kinetika difusi, dan pertimbangan energi antarmuka. Gaya pendorong untuk overaging adalah pengurangan total energi antarmuka antara presipitat dan matriks, meskipun ada peningkatan energi regangan yang terkait dengan partikel yang lebih besar.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Teori LSW memberikan persamaan dasar yang menggambarkan pembesaran presipitat selama overaging:

$$r^3 - r_0^3 = Kt$$

Di mana:
- $r$ adalah jari-jari presipitat rata-rata pada waktu $t$
- $r_0$ adalah jari-jari presipitat rata-rata awal
- $K$ adalah konstanta laju untuk pembesaran
- $t$ adalah waktu penuaan

Formula Perhitungan Terkait

Konstanta laju $K$ untuk pembesaran yang dikendalikan difusi dapat dinyatakan sebagai:

$$K = \frac{8\gamma D C_e V_m^2}{9RT}$$

Di mana:
- $\gamma$ adalah energi antarmuka presipitat-matriks
- $D$ adalah koefisien difusi dari solut dalam matriks
- $C_e$ adalah konsentrasi kesetimbangan solut dalam matriks
- $V_m$ adalah volume molar presipitat
- $R$ adalah konstanta gas
- $T$ adalah suhu mutlak

Pengurangan kekuatan selama overaging dapat diperkirakan menggunakan persamaan Orowan:

$$\Delta\sigma = \frac{Gb}{L} = \frac{Gb}{\sqrt{\frac{\pi}{f}}\cdot r}$$

Di mana:
- $\Delta\sigma$ adalah peningkatan kekuatan hasil
- $G$ adalah modulus geser
- $b$ adalah vektor Burgers
- $L$ adalah jarak rata-rata antara presipitat
- $f$ adalah fraksi volume presipitat
- $r$ adalah jari-jari presipitat rata-rata

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model matematis ini berlaku terutama untuk sistem paduan encer dengan presipitat bulat dan pertumbuhan yang dikendalikan difusi. Penyimpangan terjadi dalam sistem dengan fraksi volume presipitat yang tinggi atau morfologi presipitat yang kompleks.

Teori LSW mengasumsikan tidak ada interaksi elastis antara presipitat, distribusi presipitat yang seragam, dan fraksi volume yang konstan selama pembesaran. Sistem nyata sering kali melanggar asumsi ini, memerlukan model yang dimodifikasi.

Persamaan ini berlaku untuk kondisi penuaan isothermal dan mungkin tidak secara akurat memprediksi perilaku selama perlakuan non-isothermal atau dalam sistem di mana beberapa jenis presipitat ada atau berubah secara berurutan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Material Logam - Menyediakan prosedur untuk mengukur perubahan kekerasan yang terkait dengan overaging.

ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam - Digunakan untuk mengevaluasi perubahan kekuatan dan duktilitas yang dihasilkan dari overaging.

ISO 6507: Material logam - Uji kekerasan Vickers - Menawarkan metode pengukuran kekerasan yang tepat yang cocok untuk melacak kemajuan overaging.

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

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mikroskop Elektron Transmisi (TEM) adalah alat utama untuk pengamatan langsung ukuran, morfologi, dan distribusi presipitat. TEM beroperasi dengan mentransmisikan elektron melalui spesimen ultra-tipis untuk membuat gambar presipitat dengan resolusi tinggi.

Mikroskop Elektron Pemindaian (SEM) dengan Spektroskopi Energi Dispersif (EDS) memungkinkan analisis komposisi matriks dan presipitat, meskipun dengan resolusi yang lebih rendah dibandingkan TEM.

Difraksi Sinar-X (XRD) memungkinkan identifikasi fase presipitat dan pengukuran parameter kisi, memberikan wawasan tentang regangan koherensi