Penguatan Presipitasi (PH): Memperkuat Baja Melalui Fase Terkontrol
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Definisi dan Konsep Dasar
Pengerasan presipitasi (PH), juga dikenal sebagai pengerasan usia, adalah teknik perlakuan panas yang meningkatkan kekuatan hasil dari bahan yang dapat ditempa dengan membentuk partikel fase kedua yang sangat kecil dan terdispersi secara merata dalam matriks fase asli. Presipitat ini menghambat pergerakan dislokasi melalui kisi kristal, sehingga memperkuat material.
Proses ini melibatkan perlakuan larutan, pendinginan, dan penuaan untuk menciptakan larutan padat yang jenuh yang kemudian membentuk presipitat. Mekanisme penguatan ini sangat penting untuk mengembangkan baja berkekuatan tinggi sambil mempertahankan ketangguhan dan keuletan yang wajar.
Dalam metalurgi, pengerasan presipitasi merupakan salah satu dari empat mekanisme penguatan utama di samping penguatan larutan padat, pengerasan regangan, dan penguatan batas butir. Ini sangat signifikan untuk mengembangkan baja berkekuatan tinggi canggih yang digunakan dalam aplikasi dirgantara, nuklir, dan aplikasi lain yang menuntut di mana sifat mekanik yang luar biasa diperlukan.
Sifat Fisik dan Dasar Teoretis
Mekanisme Fisik
Di tingkat mikrostruktur, pengerasan presipitasi melibatkan pembentukan partikel presipitat skala nano dari larutan padat yang jenuh. Selama penuaan, atom solut berdifusi melalui kisi kristal dan membentuk kluster yang akhirnya berkembang menjadi presipitat dengan struktur kristal yang berbeda.
Presipitat ini bertindak sebagai hambatan terhadap pergerakan dislokasi. Ketika dislokasi menemui presipitat selama deformasi plastik, mereka harus memotong melalui mereka atau membengkok di sekitar mereka (looping Orowan), keduanya memerlukan energi tambahan. Peningkatan resistensi terhadap gerakan dislokasi ini terwujud sebagai kekuatan hasil yang lebih tinggi.
Efektivitas pengerasan presipitasi tergantung pada ukuran presipitat, distribusi, fraksi volume, dan koherensi dengan matriks. Penguatan optimal biasanya terjadi dengan presipitat yang kecil, berdekatan, dan koheren atau semi-koheren.
Model Teoretis
Model teoretis utama yang menggambarkan pengerasan presipitasi adalah persamaan Orowan-Ashby, yang menghubungkan peningkatan kekuatan hasil dengan karakteristik presipitat. Model ini mengkuantifikasi bagaimana dislokasi berinteraksi dengan presipitat berdasarkan ukuran dan jarak mereka.
Pemahaman tentang pengerasan presipitasi berkembang secara signifikan dari pengamatan awal oleh Alfred Wilm pada tahun 1906 dengan paduan aluminium hingga teori komprehensif yang dikembangkan oleh Mott, Nabarro, Orowan, dan Ashby pada pertengahan abad ke-20. Karya mereka menetapkan dasar matematis untuk memprediksi efek penguatan.
Pendekatan modern mencakup pemodelan fase-lapangan dan termodinamika komputasional, yang memungkinkan prediksi urutan presipitasi dan kinetika. Ini melengkapi model klasik dengan mempertimbangkan interaksi kompleks antara beberapa elemen paduan dan tahap presipitasi.
Dasar Ilmu Material
Pengerasan presipitasi sangat terkait dengan kompatibilitas struktur kristal antara matriks dan presipitat. Presipitat koheren berbagi bidang kristalografi dengan matriks, menciptakan bidang regangan yang lebih lanjut menghambat pergerakan dislokasi.
Perkembangan mikrostruktur selama pengerasan presipitasi melibatkan tahap nukleasi, pertumbuhan, dan pengasaran. Nukleasi awal menghasilkan banyak presipitat kecil, sementara pertumbuhan dan pengasaran berikutnya dapat menghasilkan presipitat yang lebih sedikit tetapi lebih besar, yang berpotensi mengurangi efektivitas penguatan.
Mekanisme penguatan ini menunjukkan prinsip dasar ilmu material bahwa cacat mikrostruktur yang terkontrol dapat secara dramatis meningkatkan sifat mekanik. Presipitat mewakili pengenalan terencana dari hambatan teratur yang mengubah material yang lebih lemah menjadi material dengan kekuatan yang lebih unggul.
Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan
Formula Definisi Dasar
Peningkatan kekuatan hasil akibat pengerasan presipitasi dapat dinyatakan menggunakan persamaan Orowan:
$$\Delta\tau = \frac{Gb}{L}$$
Di mana:
- $\Delta\tau$ adalah peningkatan kekuatan hasil
- $G$ adalah modulus geser dari matriks
- $b$ adalah magnitudo vektor Burgers
- $L$ adalah jarak rata-rata antara presipitat
Formula Perhitungan Terkait
Untuk presipitat berbentuk bulat, hubungan antara jarak presipitat, fraksi volume, dan radius adalah:
$$L = \frac{2r}{3} \sqrt{\frac{\pi}{f}}$$
Di mana:
- $r$ adalah radius presipitat rata-rata
- $f$ adalah fraksi volume presipitat
Pertumbuhan presipitat yang bergantung pada waktu selama penuaan mengikuti teori Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW):
$$r^3 - r_0^3 = Kt$$
Di mana:
- $r$ adalah radius presipitat rata-rata pada waktu $t$
- $r_0$ adalah radius presipitat awal
- $K$ adalah konstanta laju yang bergantung pada suhu
- $t$ adalah waktu penuaan
Kondisi dan Batasan yang Berlaku
Model-model ini mengasumsikan distribusi presipitat bulat yang seragam, yang mungkin tidak secara akurat mewakili morfologi presipitat yang kompleks dalam paduan nyata. Persamaan ini paling valid untuk sistem paduan encer dengan fase presipitat yang terdefinisi dengan baik.
Persamaan Orowan menjadi kurang akurat ketika presipitat sangat kecil dan koheren, di mana mekanisme pemotongan dislokasi mendominasi alih-alih looping. Selain itu, model-model ini tidak memperhitungkan efek pengasaran presipitat selama penuaan yang berkepanjangan.
Pendekatan matematis ini mengasumsikan kondisi penuaan isothermal dan tidak secara langsung memperhitungkan urutan presipitasi multi-tahap yang umum dalam sistem paduan kompleks. Model komputasional yang lebih canggih diperlukan untuk kasus-kasus semacam itu.
Metode Pengukuran dan Karakterisasi
Spesifikasi Pengujian Standar
- ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Bahan Logam, digunakan untuk mengukur sifat mekanik yang dihasilkan dari pengerasan presipitasi
- ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Bahan Logam, umum digunakan untuk melacak perubahan kekerasan selama penuaan
- ASTM E384: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Mikroindentasi Bahan, untuk mengukur kekerasan pada skala mikro
- ASTM E3: Panduan Standar untuk Persiapan Spesimen Metalografi, untuk pemeriksaan mikrostruktur
Peralatan dan Prinsip Pengujian
Mikroskop Elektron Transmisi (TEM) adalah alat utama untuk pengamatan langsung presipitat, memungkinkan visualisasi partikel skala nano dan distribusinya. TEM beroperasi dengan melewatkan elektron melalui spesimen yang sangat tipis untuk membuat gambar resolusi tinggi.
Difraksi Sinar-X (XRD) mengidentifikasi fase kristalografi yang ada dalam bahan yang dikeraskan presipitasi, mendeteksi perubahan struktural selama penuaan. Kalorimetri Pemindaian Diferensial (DSC) mengukur aliran panas selama reaksi presipitasi, memberikan informasi tentang suhu transformasi dan kinetika.
Tomografi Proba Atom (APT) menawarkan pemetaan komposisi skala atom tiga dimensi, mengungkap distribusi kimia yang tepat di dalam dan sekitar presipitat. Teknik canggih ini sangat berharga untuk baja yang dikeraskan presipitasi multi-komponen yang kompleks.
Persyaratan Sampel
Spesimen tarik standar mengikuti dimensi ASTM E8, biasanya dengan panjang gauge 50mm dan diameter 12.5mm untuk spesimen bulat. Untuk analisis mikrostruktur, sampel harus dipotong menjadi ukuran yang sesuai untuk peralatan tertentu (biasanya cakram 3mm untuk TEM).
Persiapan permukaan memerlukan penggilingan dan pemolesan bertahap untuk mencapai hasil akhir seperti cermin, diikuti dengan etsa yang sesuai untuk mengung