Annealing Twin: Pembentukan, Mikrostruktur, dan Dampaknya pada Sifat Baja
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Definisi dan Konsep Dasar
Sebuah Annealing Twin adalah jenis batas kembar tertentu yang terbentuk dalam mikrostruktur baja selama proses annealing, yang ditandai dengan hubungan orientasi simetris cermin di seluruh batas. Batas kembar ini adalah bentuk cacat planar koheren atau semi-koheren yang dihasilkan dari reorganisasi susunan atom selama perlakuan termal yang bertujuan untuk mengurangi stres internal dan mempromosikan stabilitas mikrostruktur.
Di tingkat atom, kembar annealing berasal dari tumpukan simetris dari bidang atom, biasanya mengikuti simetri kristalografi dari fase induk—seringkali austenit kubik pusat muka (FCC) atau fase ferrit/martensit kubik pusat tubuh (BCC) dalam baja. Dasar ilmiah yang mendasar melibatkan nukleasi inti kembar dalam butir induk, di mana bidang atom dipantulkan di seluruh batas, menciptakan operasi simetri cermin yang dijelaskan oleh hubungan kristalografi tertentu.
Dalam metalurgi baja, kembar annealing signifikan karena mereka mempengaruhi karakteristik batas butir, berdampak pada sifat mekanik seperti duktilitas dan ketangguhan, serta mempengaruhi fenomena seperti pertumbuhan butir dan rekristalisasi. Kehadiran mereka sering dikaitkan dengan peningkatan stabilitas mikrostruktur dan dapat berfungsi sebagai penghalang terhadap gerakan dislokasi, sehingga memodifikasi perilaku keseluruhan baja selama deformasi atau perlakuan panas selanjutnya.
Sifat Fisik dan Karakteristik
Struktur Kristalografi
Kembar annealing ditandai oleh hubungan kristalografi tertentu yang dikenal sebagai hukum kembar, yang menggambarkan simetri cermin di seluruh batas kembar. Dalam baja FCC, hubungan kembar yang paling umum adalah batas kisi lokasi kebetulan Σ3 (CSL), di mana bidang kembar adalah bidang {111}, dan orientasi kembar adalah citra cermin dari kristal induk di seluruh bidang ini.
Susunan atom dalam batas kembar melibatkan operasi simetri cermin, di mana titik kisi di satu sisi dipantulkan di seluruh bidang kembar untuk menghasilkan domain kembar. Ini menghasilkan batas koheren atau semi-koheren yang mempertahankan tingkat keteraturan atom yang tinggi, meminimalkan energi batas.
Dalam baja BCC, seperti ferrit, batas kembar kurang umum tetapi dapat terjadi dalam kondisi tertentu, terutama selama deformasi suhu rendah atau annealing. Ketika hadir, mereka sering melibatkan bidang kembar {112} atau {111}, dengan susunan atom yang mencerminkan kisi induk di seluruh bidang kembar.
Parameter kisi untuk baja FCC adalah sekitar a ≈ 0.36 nm, dengan bidang {111} membentuk batas kembar. Hubungan kembar melibatkan rotasi 60° di sekitar sumbu <111>, mempertahankan simetri kisi secara keseluruhan.
Ciri Morfologis
Kembar annealing biasanya muncul sebagai fitur planar dalam butir, dengan ketebalan berkisar dari beberapa nanometer hingga beberapa puluh nanometer, tergantung pada komposisi baja dan kondisi perlakuan panas. Mereka sering diamati sebagai lamela atau pita simetris cermin yang tipis dalam butir induk.
Di bawah mikroskop optik, kembar annealing muncul sebagai garis planar samar yang sedikit berbeda dalam kontras dari matriks sekitarnya. Menggunakan mikroskop elektron, batas kembar ini muncul sebagai bidang tajam yang terdefinisi dengan baik dengan distorsi atau akumulasi dislokasi minimal.
Distribusi kembar annealing dalam sebuah butir umumnya seragam, dengan kepadatan tinggi dalam baja yang telah direkristalisasi atau sepenuhnya di-anneal. Mereka dapat berpotongan dengan fitur mikrostruktur lainnya seperti batas butir, dislokasi, atau bidang kembar lainnya, membentuk jaringan kompleks yang mempengaruhi mikrostruktur keseluruhan.
Sifat Fisik
Batas kembar annealing terkait dengan sifat fisik tertentu yang membedakannya dari konstituen mikrostruktur lainnya:
- Kepadatan: Batas kembar berkontribusi pada kepadatan batas keseluruhan dalam sebuah butir, mempengaruhi sifat seperti energi batas butir dan mobilitas.
- Konduktivitas Listrik: Karena sifat koherennya, batas kembar sering memiliki resistansi listrik yang lebih rendah dibandingkan dengan batas butir sudut tinggi acak, mempengaruhi sifat listrik dalam baja yang digunakan untuk aplikasi listrik.
- Sifat Magnetik: Dalam baja ferromagnetik, batas kembar dapat bertindak sebagai situs pengikat untuk dinding domain magnetik, mempengaruhi permeabilitas magnetik dan koersivitas.
- Konduktivitas Termal: Kehadiran batas kembar dapat sedikit mengubah konduktivitas termal dengan menyebarkan fonon, meskipun efeknya umumnya kecil dibandingkan dengan cacat lainnya.
Jika dibandingkan dengan fitur mikrostruktur lainnya seperti batas butir atau dislokasi, kembar annealing adalah cacat planar energi rendah yang relatif stabil yang dapat bertahan selama langkah pemrosesan selanjutnya.
Mekanisme Pembentukan dan Kinetika
Dasar Termodinamika
Pembentukan kembar annealing didorong secara termodinamika oleh pengurangan total energi bebas selama annealing. Batas kembar adalah cacat planar energi rendah yang dapat terbentuk untuk mengakomodasi stres internal, mengurangi kepadatan dislokasi, atau memfasilitasi migrasi batas butir.
Perubahan energi bebas (ΔG) yang terkait dengan pembentukan kembar melibatkan keseimbangan antara pengurangan energi elastis yang tersimpan dari dislokasi dan peningkatan energi batas akibat penciptaan batas kembar. Karena batas kembar sering koheren atau semi-koheren, energi batas mereka (γ_twin) relatif rendah, mendukung pembentukannya dalam kondisi yang sesuai.
Diagram fase menunjukkan bahwa dalam baja FCC, stabilitas fase austenitik dan kecenderungan untuk kembaran dipengaruhi oleh elemen paduan seperti Ni, Mn, dan Cu, yang memodifikasi energi cacat tumpukan dan penghalang nukleasi kembar.
Kinetika Pembentukan
Nukleasi kembar annealing terjadi selama tahap pemulihan dan rekristalisasi dari annealing, biasanya pada suhu antara 400°C dan 700°C untuk baja. Proses ini melibatkan nukleasi inti kembar dalam butir induk, sering difasilitasi oleh keberadaan dislokasi atau cacat tumpukan.
Pertumbuhan batas kembar berlangsung melalui rearrangement atom di seluruh bidang kembar, didorong oleh pengurangan energi yang tersimpan. Laju pertumbuhan kembar tergantung pada suhu, dengan suhu yang lebih tinggi meningkatkan mobilitas atom dan migrasi batas kembar.
Langkah-langkah pengendali laju termasuk difusi atom di seluruh batas dan pergerakan antarmuka kembar. Energi aktivasi untuk pembentukan kembar bervariasi tetapi umumnya berada dalam kisaran 100–200 kJ/mol, menunjukkan proses yang diaktifkan secara termal.
Faktor yang Mempengaruhi
Beberapa faktor mempengaruhi pembentukan dan kepadatan kembar annealing:
- Komposisi Paduan: Elemen seperti Ni dan Mn menurunkan energi cacat tumpukan, mempromosikan kembaran.
- Mikrostruktur Sebelumnya: Kepadatan dislokasi yang tinggi dan struktur deformasi menyediakan situs nukleasi untuk kembar.
- Suhu dan Waktu: Suhu annealing yang lebih tinggi dan durasi yang lebih lama meningkatkan kepadatan kembar dengan memfasilitasi mobilitas atom.
- Ukuran Butir: Baja dengan butir halus cenderung mengembangkan kepadatan kembar yang lebih tinggi karena peningkatan area batas dan situs nukleasi.
- Sejarah Pemrosesan: Pekerjaan dingin memperkenalkan dislokasi dan cacat tumpukan yang berfungsi sebagai prekursor untuk pembentukan kembar selama annealing selanjutnya.
Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif
Persamaan Kunci
Laju nukleasi (I) dari kembar annealing dapat dijelaskan oleh teori nukleasi klasik:
$$I = I_0 \exp \left( - \frac{\Delta G^*}{kT} \right) $$
di mana:
- $I_0$ adalah faktor pre-exponential yang terkait dengan frekuensi getaran atom,
- ( \Delta G^* ) adalah penghalang energi bebas kritis untuk