Rekristalisasi pada Baja: Pemulihan Mikrostruktur & Pengendalian Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Rekristalisasi adalah proses di mana butir yang terdeformasi dalam bahan logam digantikan oleh seperangkat butir bebas regangan baru yang mengkristal dan tumbuh hingga butir yang terdeformasi asli sepenuhnya habis. Fenomena ini terjadi selama proses annealing logam dan paduan yang telah dikerjakan dingin pada suhu tinggi, biasanya di atas 0,3-0,5 dari suhu lebur absolut bahan tersebut.

Rekristalisasi merupakan mekanisme pelunakan yang mendasar dalam bahan logam, melawan efek pengerasan akibat kerja dan mengembalikan duktilitas pada logam yang telah dikerjakan dingin. Ini memberikan metode penting untuk mengontrol struktur butir dan sifat mekanik produk baja.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, rekristalisasi berdiri sebagai salah satu dari tiga proses pemulihan utama bersama dengan pemulihan dan pertumbuhan butir. Ini berfungsi sebagai langkah perantara yang kritis antara proses-proses ini, memungkinkan metalurgis untuk secara tepat merancang mikrostruktur dan menyesuaikan sifat mekanik untuk aplikasi tertentu.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, rekristalisasi melibatkan nukleasi dan pertumbuhan butir baru yang bebas regangan dalam matriks yang terdeformasi. Selama pengerjaan dingin, dislokasi terakumulasi dan mengatur diri mereka menjadi struktur sel, menciptakan daerah dengan energi tersimpan yang tinggi.

Daerah energi tinggi ini berfungsi sebagai situs nukleasi preferensial untuk butir baru. Gaya pendorong untuk rekristalisasi adalah pengurangan energi tersimpan yang terkait dengan penghapusan dislokasi dan cacat kristalin lainnya yang diperkenalkan selama deformasi.

Proses ini berlangsung melalui migrasi batas butir sudut tinggi, yang menyapu melalui struktur yang terdeformasi, meninggalkan butir baru yang bebas cacat. Migrasi batas ini diaktifkan secara termal dan memerlukan mobilitas atom yang cukup untuk terjadi pada laju yang signifikan.

Model Teoretis

Model Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) merupakan kerangka teoretis utama untuk menggambarkan kinetika rekristalisasi. Model ini, yang dikembangkan pada tahun 1930-an dan 1940-an, memperlakukan rekristalisasi sebagai proses nukleasi dan pertumbuhan yang mirip dengan transformasi fase.

Secara historis, pemahaman tentang rekristalisasi berkembang dari pengamatan empiris pada awal abad ke-20 menjadi model yang lebih canggih yang menggabungkan teori dislokasi di pertengahan abad. Karya awal oleh Carpenter dan Elam (1920-an) menetapkan sifat dasar dari proses ini.

Pendekatan alternatif termasuk model saturasi situs, yang mengasumsikan semua nukleus terbentuk secara bersamaan pada awal rekristalisasi, dan model automaton sel yang mensimulasikan interaksi kompleks antara nukleasi, pertumbuhan, dan benturan butir yang sedang direkristalisasi.

Dasar Ilmu Material

Rekristalisasi berkaitan erat dengan struktur kristal, dengan logam kubik berpusat badan (BCC) seperti ferit biasanya mengalami rekristalisasi pada suhu homolog yang lebih tinggi dibandingkan logam kubik berpusat wajah (FCC). Batas butir memainkan peran penting, karena batas sudut tinggi bermigrasi lebih mudah dibandingkan batas sudut rendah selama proses tersebut.

Mikrostruktur sebelum rekristalisasi secara signifikan mempengaruhi struktur butir akhir. Daerah yang terdeformasi berat dengan kepadatan dislokasi yang tinggi menyediakan lebih banyak situs nukleasi, yang mengarah pada butir rekristalisasi yang lebih halus.

Proses ini menggambarkan prinsip evolusi mikrostruktur yang didorong oleh minimisasi energi, sebuah konsep dasar dalam ilmu material. Sistem bergerak menuju keseimbangan termodinamik dengan menghilangkan cacat yang meningkatkan energi bebas bahan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Fraksi bahan yang direkristalisasi ($X$) sebagai fungsi waktu biasanya dijelaskan oleh persamaan JMAK:

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

Di mana:
- $X$ = fraksi volume yang direkristalisasi
- $k$ = konstanta laju yang bergantung pada suhu
- $t$ = waktu annealing
- $n$ = eksponen Avrami (biasanya antara 1-4)

Formula Perhitungan Terkait

Ketergantungan suhu rekristalisasi mengikuti hubungan Arrhenius:

$$k = k_0 \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$$

Di mana:
- $k_0$ = faktor pre-eksponensial
- $Q$ = energi aktivasi untuk rekristalisasi
- $R$ = konstanta gas universal
- $T$ = suhu absolut

Suhu rekristalisasi ($T_R$) dapat diperkirakan menggunakan:

$$T_R = \alpha T_m$$

Di mana:
- $T_R$ = suhu rekristalisasi (K)
- $T_m$ = suhu lebur (K)
- $\alpha$ = konstanta (biasanya 0.3-0.5)

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Model-model ini mengasumsikan deformasi yang seragam dan distribusi nukleasi yang homogen, yang mungkin tidak berlaku untuk bahan dengan mikrostruktur kompleks atau gradien deformasi.

Persamaan JMAK secara ketat hanya berlaku untuk nukleasi acak dan pertumbuhan isotropik dengan laju pertumbuhan yang konstan. Penyimpangan terjadi pada bahan dengan situs nukleasi yang diutamakan atau pertumbuhan anisotropik.

Deskripsi matematis ini biasanya mengabaikan efek dari proses pemulihan yang bersamaan dan mengasumsikan bahwa rekristalisasi terjadi secara isotermal tanpa transformasi fase.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E112: Metode pengujian standar untuk menentukan ukuran butir rata-rata, berlaku untuk mengukur struktur butir yang direkristalisasi.
• ISO 643: Penentuan mikrografik ukuran butir yang tampak, menyediakan prosedur standar untuk pengukuran ukuran butir.
• ASTM E562: Metode pengujian standar untuk menentukan fraksi volume dengan penghitungan titik manual sistematis, berguna untuk mengkuantifikasi fraksi rekristalisasi.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mikroskopi optik tetap menjadi alat dasar untuk studi rekristalisasi, memungkinkan pengamatan langsung struktur butir setelah etsa yang tepat untuk mengungkap batas butir.

Difraksi Elektron Backscatter (EBSD) menyediakan data orientasi kristal, memungkinkan diferensiasi yang tepat antara daerah yang terdeformasi dan yang direkristalisasi berdasarkan penyebaran orientasi dan profil misorientasi.

Kalorimetri Pemindaian Diferensial (DSC) mengukur panas yang dilepaskan selama rekristalisasi, memberikan pengukuran makroskopik dari kinetika proses tanpa memerlukan pengamatan mikrostruktur.

Persyaratan Sampel

Spesimen metalografi standar memerlukan pemotongan yang hati-hati untuk menghindari pengenalan deformasi tambahan, biasanya dipasang dalam resin dan digiling melalui kertas abrasif berturut-turut.

Persiapan permukaan harus diakhiri dengan pemolesan hingga hasil akhir cermin (biasanya 1μm atau lebih halus), diikuti dengan etsa kimia yang tepat untuk mengungkap batas butir.

Untuk analisis EBSD, pemolesan vibrasi tambahan atau pemolesan elektro diperlukan untuk menghilangkan deformasi permukaan yang dapat mengaburkan pola difraksi.

Parameter Uji

Perlakuan annealing isotermal biasanya dilakukan pada suhu antara 0.3-0.7 dari titik lebur absolut, dengan kontrol suhu yang tepat (±2°C) untuk memastikan kinetika yang konsisten.

Untuk studi in-situ, laju pemanasan harus dikontrol dengan hati-hati, biasanya antara 1-50°C/menit tergantung pada teknik dan tujuan.

Kondisi lingkungan harus mencegah oksidasi atau reaksi permukaan lainnya, sering kali memerlukan atmosfer vakum atau gas inert selama perlakuan annealing.