Dekorasi (dislokasi): Peran Mikrostruktur dan Dampaknya terhadap Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Dekorasi dislokasi mengacu pada fenomena di mana atom pelarut, presipitat, atau fitur mikrostruktur lainnya secara preferensial terpisah atau berasosiasi dengan garis dislokasi dalam kisi kristal baja. Proses ini menghasilkan akumulasi atau "dekorasi" elemen atau fase tertentu di sepanjang inti dislokasi, mengubah lingkungan atom lokal mereka.

Di tingkat atom, garis dislokasi adalah cacat linier yang mengganggu periodisitas sempurna kisi kristal. Ketika atom pelarut atau fase sekunder difusi menuju cacat ini, mereka cenderung menurunkan energi bebas keseluruhan sistem dengan mengurangi regangan elastis atau energi bebas kimia. Pemisahan ini didorong oleh perbedaan ukuran atom, preferensi ikatan, atau afinitas kimia, yang mengarah pada peningkatan konsentrasi lokal di sepanjang garis dislokasi.

Dalam metalurgi baja, dekorasi dislokasi secara signifikan mempengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan, ketangguhan, dan perilaku pengerasan kerja. Ini juga mempengaruhi fenomena seperti pemulihan, rekristalisasi, dan presipitasi, memainkan peran penting dalam evolusi mikrostruktur selama pemrosesan termomekanik. Memahami fitur mikrostruktur ini sangat penting untuk merancang baja dengan sifat yang disesuaikan dan untuk mengontrol mekanisme deformasi pada tingkat mikroskopis.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Dislokasi adalah cacat garis yang ditandai dengan vektor Burgers mereka, yang mendefinisikan besaran dan arah distorsi kisi. Dalam baja kubik berpusat badan (BCC), jenis dislokasi yang umum termasuk dislokasi tepi, sekrup, dan campuran, masing-masing dengan susunan atom yang berbeda.

Susunan atom di sekitar inti dislokasi terdistorsi dari kisi yang sempurna, menciptakan daerah regangan tarik atau tekan. Ketika atom pelarut atau presipitat mendekorasi garis dislokasi ini, mereka cenderung menempati situs kristalografi tertentu yang meminimalkan energi regangan lokal. Misalnya, dalam baja ferritik, pelarut seperti karbon atau nitrogen sering terpisah ke inti dislokasi, yang terkait dengan bidang dan arah kristalografi tertentu.

Sistem kristal dalam baja sebagian besar adalah BCC atau FCC (kubik berpusat wajah), dengan garis dislokasi sejajar dengan sistem slip tertentu. Hubungan orientasi antara garis dislokasi dan fase induk mempengaruhi perilaku pemisahan dan fitur mikrostruktur yang dihasilkan.

Fitur Morfologis

Dislokasi yang terdekorasi muncul sebagai fitur linier dalam mikrostruktur, sering terlihat di bawah mikroskop resolusi tinggi. Mereka biasanya muncul sebagai garis atau pita halus yang sejajar dengan bidang slip, seperti {110} atau {112} dalam baja BCC.

Ukuran daerah yang terdekorasi di sepanjang garis dislokasi umumnya berada pada skala nanometer, sering kali meluas beberapa jarak atom dari inti. Kepadatan dislokasi yang terdekorasi dapat bervariasi dari jarang hingga jaringan yang sangat padat, tergantung pada sejarah deformasi dan perlakuan termal.

Dalam tiga dimensi, fitur-fitur ini membentuk jaringan atau array yang saling terhubung, terutama setelah deformasi plastik. Di bawah mikroskop optik atau elektron, dislokasi yang terdekorasi dapat muncul sebagai garis gelap atau variasi kontras, dengan derajat kontras tergantung pada sifat dan konsentrasi spesies yang terpisah.

Sifat Fisik

Dislokasi yang terdekorasi mempengaruhi beberapa sifat fisik dari mikrostruktur baja:

• Kepadatan: Kehadiran dislokasi yang terdekorasi meningkatkan kepadatan dislokasi secara keseluruhan, berkontribusi pada pengerasan kerja dan peningkatan kekuatan.
• Kekonduksian Listrik: Pemisahan pelarut di sepanjang garis dislokasi dapat menyebarkan elektron konduksi, mengurangi kekonduksian listrik.
• Sifat Magnetik: Dalam baja feromagnetik, pemisahan dapat memodifikasi domain magnetik lokal, mempengaruhi permeabilitas magnetik.
• Kekonduksian Termal: Akumulasi pelarut atau presipitat di sepanjang dislokasi menghambat propagasi fonon, mengurangi kekonduksian termal.

Jika dibandingkan dengan konstituen mikrostruktur lainnya seperti batas butir atau presipitat, dislokasi yang terdekorasi lebih mobile dan dinamis, terutama selama perlakuan termomekanik, dan sifat-sifatnya sangat sensitif terhadap kimia lokal dan medan regangan.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan dislokasi yang terdekorasi didorong secara termodinamik oleh pengurangan energi bebas yang terkait dengan pemisahan pelarut. Perubahan energi bebas Gibbs (ΔG) untuk pemisahan dapat dinyatakan sebagai:

$$\Delta G_{seg} = \Delta H_{seg} - T \Delta S_{seg} $$

di mana:

• ( \Delta H_{seg} ) adalah perubahan entalpi yang terkait dengan atom pelarut yang bergerak ke inti dislokasi,
• $T$ adalah suhu mutlak,
• ( \Delta S_{seg} ) adalah perubahan entropi, sering kali negatif karena penurunan entropi konfigurasi saat pemisahan.

Atom pelarut cenderung terpisah ke garis dislokasi jika energi bebas keseluruhan menurun, yang terjadi ketika medan regangan elastis di sekitar dislokasi mendukung akomodasi pelarut atau ketika ada afinitas kimia.

Diagram fase dan perhitungan energi ikatan membantu menentukan stabilitas spesies yang terpisah di inti dislokasi. Misalnya, dalam baja, karbon dan nitrogen menunjukkan kecenderungan pemisahan yang kuat karena ketidakcocokan ukuran dan afinitas kimia mereka terhadap inti dislokasi.

Kinetika Pembentukan

Kinetika dekorasi dislokasi melibatkan proses yang dikendalikan oleh difusi. Laju pemisahan tergantung pada:

• Koeffisien difusi (D): Difusivitas yang lebih tinggi mempercepat pemisahan, terutama pada suhu tinggi.
• Suhu (T): Suhu yang meningkat meningkatkan mobilitas atom tetapi juga dapat mendorong desegregasi atau presipitasi.
• Kepadatan dislokasi: Kepadatan yang lebih tinggi menyediakan lebih banyak situs untuk pemisahan, mempengaruhi keseluruhan kinetika.
• Waktu: Waktu paparan yang lebih lama memungkinkan lebih banyak pelarut untuk difusi dan terakumulasi di sepanjang garis dislokasi.

Nukleasi dislokasi yang terdekorasi terjadi selama deformasi plastik, di mana gerakan dislokasi mengekspos inti baru untuk pemisahan. Pertumbuhan daerah yang terdekorasi di sepanjang garis dislokasi diatur oleh difusi atom, dengan panjang difusi karakteristik ( l ) diberikan oleh:

$$l = \sqrt{D t} $$

di mana ( t ) adalah waktu yang berlalu.

Langkah-langkah yang mengendalikan laju termasuk difusi atom ke inti dislokasi dan kemampuan medan regangan elastis lokal untuk mengakomodasi atom yang terpisah. Energi aktivasi untuk difusi biasanya berkisar antara 0,5 hingga 2 eV, tergantung pada komposisi pelarut dan matriks.

Faktor yang Mempengaruhi

Faktor kunci yang mempengaruhi dekorasi termasuk:

• Komposisi paduan: Unsur seperti karbon, nitrogen, fosfor, atau tambahan paduan seperti Mn, Cr, atau Ni mempengaruhi kecenderungan pemisahan.
• Suhu pemrosesan: Suhu tinggi mendorong difusi tetapi juga dapat menyebabkan desegregasi atau presipitasi.
• Sejarah deformasi: Pengerjaan dingin meningkatkan kepadatan dislokasi, menyediakan lebih banyak situs untuk dekorasi.
• Mikrostruktur yang sudah ada: Ukuran butir, fase sebelumnya, dan jaringan dislokasi yang ada mempengaruhi ketersediaan dan stabilitas dislokasi yang terdekorasi.

Selain itu, keberadaan presipitat atau fase kedua dapat baik mendorong atau menghambat pemis