Bidang Pembelahan dalam Mikrostruktur Baja: Pembentukan, Karakteristik & Dampak

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah bidang belah dalam mikrostruktur baja mengacu pada bidang kristalografi tertentu di mana material cenderung patah atau terbelah di bawah stres, menunjukkan perilaku patah rapuh. Ini ditandai dengan permukaan patah yang halus, datar, dan seringkali mengkilap yang menyebar sepanjang bidang atom dengan deformasi plastis minimal.

Di tingkat atom, belah terjadi sepanjang bidang-bidang atom dengan energi belah terendah, biasanya sesuai dengan orientasi kristalografi tertentu di mana ikatan atom paling lemah. Dalam material kristalin seperti baja, susunan atom bersifat periodik dan sangat teratur, dengan atom-atom tersusun dalam struktur kisi tertentu—terutama sistem kubik berpusat badan (BCC), kubik berpusat muka (FCC), atau terpakai heksagonal (HCP).

Dasar ilmiah fundamental dari bidang belah terletak pada kristalografi dan energi ikatan. Bidang tertentu dalam kisi kristal memiliki ikatan yang lebih sedikit atau gaya ikatan yang lebih lemah, menjadikannya jalur yang secara energetik menguntungkan untuk propagasi retakan. Anisotropi dalam ikatan atom ini menghasilkan perilaku patah yang terarah, yang sangat penting dalam memahami kinerja mekanik baja.

Dalam metalurgi baja, konsep bidang belah sangat penting untuk menganalisis mekanisme patah rapuh, terutama pada baja yang kuat, suhu rendah, atau baja yang dipanaskan. Ini mempengaruhi ketangguhan patah, duktilitas, dan mode kegagalan, berfungsi sebagai indikator mikrostruktur dari kerapuhan material dan ketahanan patah.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Bidang belah secara inheren terkait dengan struktur kisi kristal dari fase-fase baja. Dalam baja, fase utama—ferit (α-Fe), austenit (γ-Fe), semenit (Fe₃C), martensit, dan mikrostruktur yang dikeraskan—memiliki susunan kristalografi yang berbeda.

• Parameter Kisi dan Sistem Kristal:
• Ferit: Struktur BCC dengan parameter kisi sekitar 2,87 Å.
• Austenit: Struktur FCC dengan parameter kisi sekitar 3,58 Å.
• Martensit: Tetragonal berpusat badan (BCT), BCC yang terdistorsi dengan variasi kisi yang sedikit.

• Semenit: Orthorhombic, fase intermetallic kompleks dengan parameter kisi yang berbeda.

• Orientasi Kristalografi:
  Belah cenderung terjadi sepanjang bidang energi rendah tertentu seperti {100}, {110}, atau {111} dalam kisi FCC dan BCC. Misalnya, dalam ferit BCC, bidang {100} adalah bidang belah yang umum, sementara dalam austenit FCC, bidang {111} sering kali lebih disukai.

• Hubungan dengan Fase Induk:
  Orientasi bidang belah sering kali sejajar dengan bidang kristalografi utama dari fase yang terlibat. Selama patah, retakan menyebar sepanjang bidang ini, yang merupakan bidang kelemahan atom.

Ciri Morfologis

• Bentuk dan Ukuran:
  Permukaan patah belah biasanya datar dan tanpa fitur, dengan penampilan seperti cermin di bawah mikroskop optik. Permukaan patah biasanya halus, menunjukkan kegagalan rapuh, dengan deformasi plastis minimal.

• Distribusi:
  Bidang belah bukanlah fitur mikrostruktur diskrit tetapi merupakan jalur patah yang lebih disukai dalam butiran. Patah menyebar sepanjang bidang ini di seluruh beberapa butiran, sering kali menghasilkan mode patah transgranular.

• Fitur Visual:
  Di bawah mikroskop elektron pemindai (SEM), faset belah muncul sebagai permukaan datar dan mengkilap dengan fitur langkah-langkah karakteristik atau langkah belah. Langkah-langkah ini disebabkan oleh perpindahan bidang atom selama propagasi retakan.

Sifat Fisik

• Kepadatan dan Sifat Mekanik:
  Bidang belah terkait dengan patah rapuh, ditandai dengan ketangguhan patah yang rendah dan deformasi plastis minimal. Permukaan patah menunjukkan energi permukaan yang tinggi dan duktilitas yang rendah.

• Sifat Listrik dan Magnetik:
  Bidang belah itu sendiri tidak secara signifikan mempengaruhi konduktivitas listrik atau sifat magnetik secara langsung. Namun, susunan mikrostruktur sepanjang bidang ini dapat mempengaruhi pergerakan domain magnetik dan jalur listrik secara tidak langsung.

• Sifat Termal:
  Propagasi retakan sepanjang bidang belah dapat mempengaruhi konduktivitas termal secara lokal, tetapi sifat termal keseluruhan didominasi oleh mikrostruktur bulk daripada bidang belah.

Jika dibandingkan dengan mikrostruktur duktil, bidang belah terkait dengan permukaan patah yang tajam dan rapuh, kontras dengan fitur patah yang cekung dan duktil.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan bidang belah diatur oleh termodinamika energi patah. Konsep kunci adalah bahwa propagasi retakan terjadi sepanjang bidang dengan energi permukaan terendah, meminimalkan total energi bebas sistem.

• Energi Permukaan dan Ikatan:
  Bidang belah sesuai dengan bidang kristalografi di mana ikatan atom paling lemah, menghasilkan energi permukaan yang lebih rendah saat patah. Energi yang diperlukan untuk menciptakan permukaan baru (energi patah) diminimalkan sepanjang bidang ini.

• Stabilitas Fase dan Diagram Fase:
  Stabilitas fase dan bidang belah terkait bergantung pada suhu dan komposisi, seperti yang digambarkan dalam diagram fase. Misalnya, baja martensitik menunjukkan perilaku belah yang berbeda dibandingkan dengan baja feritik atau perlitik karena stabilitas fase mereka.

Kinetika Pembentukan

• Nukleasi dan Propagasi:
  Inisiasi retakan sering terjadi pada cacat mikrostruktur, inklusi, atau batas butir. Setelah terinisiasi, retakan menyebar dengan cepat sepanjang bidang belah yang lebih disukai dengan deformasi plastis minimal.

• Langkah-Langkah Pengendali Laju:
  Laju patah belah dikendalikan oleh penghalang energi untuk propagasi retakan, yang bergantung pada kekuatan ikatan atom dan penghalang mikrostruktur. Proses ini biasanya cepat, karakteristik dari patah rapuh.

• Energi Aktivasi:
  Energi yang diperlukan untuk memajukan retakan sepanjang bidang belah relatif rendah dibandingkan dengan patah duktil, memfasilitasi propagasi cepat setelah diinisiasi.

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi

• Komposisi Paduan:
  Unsur-unsur seperti karbon, nitrogen, atau tambahan paduan (misalnya, Mn, Cr, Mo) mempengaruhi kekuatan ikatan dan stabilitas fase, sehingga mempengaruhi kecenderungan belah.

• Parameter Pemrosesan:
  Pendinginan cepat atau quenching meningkatkan kemungkinan pembentukan martensit, yang lebih rentan terhadap patah belah karena stres internal yang tinggi dan distorsi tetragonal.

• Mikrostruktur Sebelumnya:
  Mikrostruktur butiran halus cenderung menghambat propagasi belah dengan meningkatkan jumlah batas butir, yang bertindak sebagai penghalang.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

• Ketangguhan Patah dan Kecenderungan Belah:
  Faktor intensitas stres kritis $K_{IC}$ terkait dengan ketangguhan patah:

$$
K_{IC