Pemisahan dalam Mikrostruktur Baja: Pembentukan, Karakteristik & Dampak

Definisi dan Konsep Dasar

Pecahan dalam metalurgi baja mengacu pada kecenderungan material kristalin untuk retak sepanjang bidang kristalografi tertentu di mana ikatan atom paling lemah. Ini muncul sebagai permukaan retak yang bersih, datar, dan sering kali mengkilap yang menyebar dengan deformasi plastis minimal.

Di tingkat atom, pecahan terjadi karena sifat anisotropik dari ikatan atom dalam kisi kristal. Beberapa bidang kristalografi menunjukkan energi ikatan yang lebih rendah dan kohesi atom yang lebih lemah, menjadikannya jalur yang lebih disukai untuk propagasi retak di bawah stres. Kelemahan arah ini adalah intrinsik pada struktur kristal, seperti kubik berpusat badan (BCC), kubik berpusat wajah (FCC), atau susunan heksagonal rapat (HCP).

Dalam konteks ilmu material, pecahan adalah mode kegagalan yang kritis, terutama pada baja rapuh. Ini mempengaruhi ketangguhan retak, ketahanan benturan, dan integritas struktural secara keseluruhan. Memahami perilaku pecahan membantu dalam merancang baja dengan sifat yang disesuaikan, menyeimbangkan kekuatan dan ketangguhan untuk aplikasi tertentu.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Pecahan secara inheren terkait dengan susunan kristal atom dalam mikrostruktur baja. Baja terutama terdiri dari ferit (α-besi, BCC), austenit (FCC), martensit (struktur tetragonal atau terdistorsi), dan berbagai karbida atau fase intermetallic.

Dalam struktur BCC seperti ferit, bidang pecahan biasanya adalah keluarga {100}, dengan bidang atom yang terorientasi sepanjang wajah kubus. Faktor pengemasan atom (APF) untuk BCC adalah sekitar 0,68, menunjukkan struktur yang relatif terbuka yang mempengaruhi perilaku pecahan.

Dalam struktur FCC seperti austenit, pecahan cenderung terjadi sepanjang bidang {111}, yang padat tetapi tetap mewakili bidang kelemahan di bawah kondisi tertentu. Parameter kisi untuk besi FCC adalah sekitar 0,36 nm, dengan bidang {111} terpisah sekitar 0,125 nm.

Struktur HCP, yang kurang umum dalam baja tetapi relevan dalam beberapa fase paduan, menunjukkan pecahan sepanjang bidang basal {0001}, yang dicirikan oleh lapisan atom yang tersusun heksagonal.

Hubungan orientasi kristalografi, seperti Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, menggambarkan bagaimana fase berubah dan bagaimana bidang pecahan terkait dengan mikrostruktur induk. Hubungan ini mempengaruhi jalur propagasi retak dan fitur permukaan retak.

Fitur Morfologis

Pecahan pecahan biasanya muncul sebagai permukaan halus, seperti cermin di bawah mikroskop optik dan elektron, yang menunjukkan pecahan rapuh. Permukaan retak sering kali menunjukkan penampilan berfaset, dengan faset planar yang berbeda yang sesuai dengan bidang pecahan tertentu.

Ukuran faset pecahan dapat berkisar dari beberapa mikrometer hingga beberapa ratus mikrometer, tergantung pada komposisi baja, mikrostruktur, dan kondisi retak. Pada baja rapuh, faset pecahan sering kali saling terhubung, membentuk jaringan yang menyebar dengan cepat melalui mikrostruktur.

Dalam tiga dimensi, permukaan pecahan datar dan planar, sering kali berpotongan dengan batas butir atau antarmuka fase. Morfologi dapat dipengaruhi oleh fitur mikrostruktur sebelumnya seperti ukuran butir, distribusi fase, dan tegangan sisa.

Fitur visual termasuk penampilan kristalin yang mengkilap dengan faset khas dan kadang-kadang langkah pecahan—langkah kecil atau tepi sepanjang permukaan retak yang menunjukkan penyimpangan kecil dalam propagasi retak.

Sifat Fisik

Mikrostruktur pecahan terkait dengan sifat fisik tertentu:

• Kepadatan: Permukaan pecahan padat dan bebas dari fitur deformasi plastis, menghasilkan kepadatan lokal yang tinggi dibandingkan dengan permukaan pecahan yang ulet.
• Konduktivitas Listrik: Karena permukaan pecahan pada dasarnya bersih, bidang atom dengan deformasi minimal, mereka menunjukkan sifat listrik yang mirip dengan material bulk.
• Sifat Magnetik: Faset pecahan tidak secara signifikan mengubah respons magnetik baja, tetapi mode retak dapat mempengaruhi sinyal pengujian nondestruktif magnetik.
• Konduktivitas Termal: Sifat halus dan planar dari permukaan pecahan memungkinkan transfer panas yang efisien di sepanjang bidang retak, mirip dengan material bulk.

Jika dibandingkan dengan permukaan pecahan yang ulet, permukaan pecahan lebih rapuh, dengan penyerapan energi yang lebih sedikit selama propagasi retak. Ketidakhadiran zona deformasi plastis membuat pecahan pecahan lebih katastrofik dan kurang toleran di bawah beban.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan mikrostruktur pecahan diatur oleh stabilitas termodinamika dan sifat anisotropik dari ikatan atom. Perbedaan energi bebas antara kristal utuh dan permukaan yang retak menentukan kecenderungan untuk pecahan.

Pecahan terjadi ketika energi yang diperlukan untuk menciptakan permukaan baru (energi permukaan, γ) diimbangi oleh energi yang dilepaskan selama propagasi retak. Kriteria Griffith menyatakan bahwa retak akan menyebar ketika:

$$G \geq 2γ $$

di mana $G$ adalah laju pelepasan energi. Pada baja rapuh, energi permukaan yang rendah dari bidang kristalografi tertentu mendukung pecahan.

Diagram fase, seperti diagram fase Fe–C, mempengaruhi stabilitas mikrostruktur dan kemungkinan pecahan. Misalnya, baja martensitik karbon tinggi dengan tegangan sisa tinggi lebih rentan terhadap pecahan karena kerapuhannya yang intrinsik.

Kinetika Pembentukan

Inisiasi retak pecahan biasanya terjadi pada cacat mikrostruktur seperti batas butir, inklusi, atau penumpukan dislokasi. Setelah dimulai, propagasi retak sepanjang bidang pecahan yang disukai berlangsung cepat, sering kali mendekati kecepatan suara dalam material.

Kinetika dikendalikan oleh faktor-faktor seperti suhu, intensitas stres, dan fitur mikrostruktur. Pada suhu yang lebih rendah, getaran atom menurun, mengurangi ulet dan mendorong pecahan. Sebaliknya, suhu yang lebih tinggi dapat mengaktifkan mekanisme ulet, menekan pecahan.

Kecepatan pertumbuhan retak dipengaruhi oleh energi aktivasi untuk pemutusan ikatan sepanjang bidang pecahan. Proses ini umumnya rapuh, dengan ketergantungan waktu minimal, tetapi dapat dipengaruhi oleh penghalang mikrostruktur.

Faktor yang Mempengaruhi

• Komposisi Paduan: Unsur-unsur seperti sulfur, fosfor, dan inklusi tertentu melemahkan ikatan atom sepanjang bidang tertentu, mendorong pecahan.
• Parameter Pemrosesan: Pendinginan cepat (quenching) meningkatkan tegangan sisa dan konten martensitik, meningkatkan kerentanan terhadap pecahan.
• Mikrostruktur Sebelumnya: Baja dengan butir halus cenderung menahan pecahan karena penguatan batas butir, sementara butir kasar memfasilitasi propagasi pecahan.
• Suhu: Suhu yang lebih rendah meningkatkan kerapuhan dan kecenderungan pecahan, sementara suhu yang lebih tinggi mendorong perilaku ulet.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Kriteria Griffith untuk propagasi retak:

$$G = \frac{K^2}{E} $$

di mana:

• ( G ) = laju pelepasan energi (J/m²)
• ( K ) = faktor intensitas stres (MPa·√m)
• ( E ) = modulus Young (MPa)

Propagasi retak sepanjang bidang pecahan lebih disukai ketika ( K ) melebihi nilai kritis $K_{IC}$, ketangguhan retak:

$$K_{IC} = \sqrt{2γE} $$

Variabel:

• ( γ ) = energi permukaan per unit area (J/m²)
• ( E ) = modulus elastis (sekitar 210 GPa untuk baja)

Persamaan ini membantu memprediksi tingkat stres kritis di mana pecahan pecahan dimulai.