Perlakuan Panas Presipitasi: Memperkuat Baja Melalui Penuaan Terkontrol

Table Of Content

Table Of Content

Definisi dan Konsep Dasar

Perlakuan panas presipitasi adalah proses metalurgi yang menguatkan dan mengeraskan paduan logam melalui pembentukan partikel yang sangat kecil dan terdispersi secara merata (presipitat) dalam matriks logam. Proses ini melibatkan perlakuan larutan, pendinginan, dan penuaan untuk menciptakan larutan padat yang terlampau jenuh yang kemudian terurai untuk membentuk presipitat halus.

Perlakuan ini secara signifikan meningkatkan sifat mekanik seperti kekuatan hasil, kekerasan, dan ketahanan deformasi sambil mempertahankan duktilitas yang wajar. Keseimbangan sifat ini menjadikan pengerasan presipitasi salah satu mekanisme penguatan yang paling penting dalam metalurgi modern.

Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, perlakuan panas presipitasi mewakili pendekatan yang canggih untuk rekayasa mikrostruktur, berbeda dari metode penguatan lainnya seperti penguatan larutan padat, pengerasan regangan, atau penguatan batas butir. Ini sangat berharga untuk aplikasi yang memerlukan rasio kekuatan-terhadap-berat yang tinggi dalam penerbangan, otomotif, dan rekayasa struktural.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat atom, pengerasan presipitasi melibatkan nukleasi dan pertumbuhan partikel fase kedua yang terkontrol dalam larutan padat yang terlampau jenuh. Presipitat ini menciptakan medan regangan lokal dalam kisi kristal karena ketidakcocokan ukuran antara presipitat dan matriks.

Presipitat secara efektif menghambat pergerakan dislokasi melalui struktur kristal. Dislokasi harus memotong melalui presipitat atau membengkok di sekelilingnya (looping Orowan), keduanya memerlukan energi tambahan. Hambatan terhadap gerakan dislokasi ini terwujud secara makroskopis sebagai peningkatan kekuatan hasil dan kekerasan.

Keefektifan pengerasan presipitasi sangat bergantung pada ukuran presipitat, distribusi, fraksi volume, dan koherensi dengan matriks. Faktor-faktor ini menentukan apakah dislokasi akan memotong partikel atau melingkar di sekelilingnya, yang secara signifikan mempengaruhi mekanisme penguatan.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan pengerasan presipitasi adalah model Orowan-Ashby, yang mengkuantifikasi hubungan antara karakteristik presipitat dan peningkatan kekuatan hasil. Model ini memperhitungkan baik mekanisme pemotongan partikel maupun mekanisme looping Orowan.

Secara historis, pemahaman tentang pengerasan presipitasi berkembang dari pengamatan awal oleh Alfred Wilm pada tahun 1906 ketika ia menemukan pengerasan usia pada paduan aluminium. Pemahaman teoretis berkembang pesat dengan karya Mott dan Nabarro tentang interaksi dislokasi-presipitat pada tahun 1940-an.

Pendekatan modern mencakup pemodelan fase-lapangan, yang mensimulasikan nukleasi dan pertumbuhan presipitat, dan termodinamika komputasional menggunakan metode CALPHAD untuk memprediksi stabilitas fase dan kinetika transformasi. Pendekatan ini melengkapi model teori dislokasi klasik.

Dasar Ilmu Material

Pengerasan presipitasi sangat terkait dengan struktur kristal, karena koherensi presipitat dengan kisi matriks menentukan energi antarmuka dan efektivitas penguatan. Presipitat koheren berbagi bidang kisi dengan matriks, menciptakan medan regangan yang berinteraksi kuat dengan dislokasi.

Perkembangan mikrostruktur selama perlakuan panas presipitasi mengikuti tahap-tahap yang berbeda: nukleasi presipitat, pertumbuhan, dan akhirnya penggumpalan (pematangan Ostwald). Setiap tahap menghasilkan morfologi dan distribusi presipitat yang berbeda, mempengaruhi sifat mekanik.

Proses ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk keseimbangan fase, kinetika difusi, teori nukleasi, dan mekanika dislokasi. Interaksi antara termodinamika (yang mendorong presipitasi) dan kinetika (yang mengontrol ukuran dan distribusi presipitat) mengatur seluruh proses.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Kontribusi penguatan dari pengerasan presipitasi dapat dinyatakan sebagai:

$$\Delta\tau = \frac{Gb}{L-2r}$$

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, dan $r$ adalah radius presipitat rata-rata.

Formula Perhitungan Terkait

Untuk presipitat koheren yang dipotong oleh dislokasi, kontribusi penguatan adalah:

$$\Delta\tau_{cutting} = \alpha G \sqrt{f} \left(\frac{r}{b}\right)^{1/2}$$

Di mana $f$ adalah fraksi volume presipitat dan $\alpha$ adalah konstanta yang terkait dengan interaksi presipitat-matriks.

Untuk presipitat inkoheren yang memaksa dislokasi untuk melingkar di sekelilingnya (mekanisme Orowan), penguatannya adalah:

$$\Delta\tau_{Orowan} = \frac{0.4Gb}{\pi\sqrt{1-\nu}} \frac{\ln(2r/b)}{L-2r}$$

Di mana $\nu$ adalah rasio Poisson dari matriks.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini berlaku terutama untuk sistem paduan encer dengan presipitat bulat dan distribusi yang seragam. Mereka mengasumsikan presipitat sepenuhnya koheren atau sepenuhnya inkoheren dengan matriks.

Model-model ini tidak berlaku ketika presipitat menjadi terlalu besar atau terlalu dekat, karena interaksi antara medan regangan menjadi signifikan. Mereka juga tidak memperhitungkan variasi morfologi presipitat atau struktur presipitat yang kompleks.

Persamaan ini mengasumsikan kondisi penuaan isotermal dan tidak secara langsung memperhitungkan pemrosesan non-isotermal atau presipitasi dinamis selama deformasi. Koreksi tambahan diperlukan untuk aplikasi suhu tinggi di mana penggumpalan presipitat menjadi signifikan.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E18: Metode Uji Standar untuk Kekerasan Rockwell Bahan Logam - Menyediakan prosedur untuk pengujian kekerasan untuk melacak efektivitas pengerasan presipitasi.

ASTM E8/E8M: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Bahan Logam - Merinci prosedur untuk mengukur kekuatan hasil dan sifat tarik lainnya yang dipengaruhi oleh presipitasi.

ASTM E3: Panduan Standar untuk Persiapan Spesimen Metalografi - Menguraikan metode untuk persiapan sampel untuk analisis mikrostruktur presipitat.

ISO 6507: Bahan logam - Uji kekerasan Vickers - Menentukan metode pengujian kekerasan alternatif yang sering digunakan untuk melacak pengerasan presipitasi.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mikroskop Elektron Transmisi (TEM) sangat penting untuk pengamatan langsung presipitat skala nano, memungkinkan pengukuran ukuran, morfologi, dan distribusi. TEM beroperasi dengan melewatkan elektron melalui spesimen ultra-tipis untuk membuat gambar resolusi tinggi.

Mikroskop Elektron Pemindaian (SEM) dengan Spektroskopi Energi Dispersif (EDS) memungkinkan analisis kimia presipitat yang lebih besar dan distribusinya di seluruh mikrostruktur.

Difraksi Sinar-X (XRD) mengidentifikasi fase kristal dan dapat mendeteksi perubahan parameter kisi selama presipitasi. Kalorimetri Pemindaian Diferensial (DSC) mengukur aliran panas selama reaksi presipitasi, memungkinkan analisis kinetik.

Persyaratan Sampel

Spesimen metalografi standar memerlukan penggilingan dan pemolesan yang hati-hati untuk menghindari deformasi permukaan yang dapat mengubah struktur presipitat. Pemolesan akhir biasanya menggunakan silika koloid atau suspensi berlian dengan ukuran 0.05-0.25 μm.

Spesimen TEM harus transparan terhadap elektron

Kembali ke blog

Tulis komentar