Deformasi Pita dalam Mikrostuktur Baja: Pembentukan, Ciri-ciri & Dampak

Definisi dan Konsep Dasar

Pita deformasi adalah fitur mikrostruktural yang diamati pada baja, ditandai dengan daerah lokal dari deformasi plastis yang intens yang muncul sebagai zona yang berbeda, memanjang, dan sering kali terbanding dalam mikrostruktur. Pita ini biasanya terbentuk selama pemrosesan termomekanik, seperti penggulungan, penempaan, atau pengerjaan dingin, di mana konsentrasi regangan lokal menyebabkan reorganisasi mikrostruktural.

Di tingkat atom dan kristalografi, pita deformasi dihasilkan dari pengaturan ulang struktur dislokasi, migrasi batas butir, dan pergerakan batas fase di bawah stres yang diterapkan. Mereka sering dikaitkan dengan kepadatan dislokasi yang tinggi, pembentukan subbutir, dan fenomena pemulihan dinamis atau rekristalisasi. Pita ini berfungsi sebagai jalur untuk akomodasi regangan, mempengaruhi perilaku deformasi keseluruhan baja.

Dalam metalurgi baja dan ilmu material, pita deformasi signifikan karena mereka mempengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan. Kehadiran mereka menunjukkan daerah deformasi lokal, yang dapat bertindak sebagai situs inisiasi untuk kegagalan atau mempengaruhi transformasi mikrostruktural selanjutnya. Memahami fitur-fitur ini sangat penting untuk mengendalikan evolusi mikrostruktur selama pemrosesan dan mengoptimalkan kinerja baja.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Pita deformasi terutama ditandai oleh fitur kristalografi mereka, yang mencerminkan pengaturan dislokasi yang mendasari dan orientasi butir. Mereka sering menunjukkan kepadatan dislokasi yang tinggi yang sejajar dengan sistem slip tertentu, seperti {111}<110> dalam baja kubik berpusat muka (FCC) atau {110}<111> dalam baja kubik berpusat badan (BCC).

Pengaturan atom di dalam pita ini menunjukkan struktur kisi yang terdistorsi dibandingkan dengan matriks di sekitarnya, dengan regangan kisi yang meningkat dan batas subbutir. Batas ini biasanya memiliki sudut rendah, dibentuk oleh array dislokasi, dan dapat berkembang menjadi batas sudut tinggi dengan deformasi yang berlanjut.

Dari sudut pandang kristalografi, pita deformasi dapat menunjukkan orientasi atau tekstur yang diutamakan, seperti pita geser yang sejajar dengan bidang slip tertentu. Orientasi ini sering kali terkait dengan sistem slip utama yang diaktifkan selama deformasi, yang mengarah pada sifat anisotropik di dalam pita.

Fitur Morfologis

Morfologis, pita deformasi muncul sebagai zona sempit dan memanjang yang tertanam dalam mikrostruktur. Lebar mereka dapat berkisar dari beberapa mikrometer hingga puluhan mikrometer, tergantung pada tingkat deformasi dan kondisi pemrosesan.

Mereka sering menunjukkan penampilan terbanding atau lamelar di bawah mikroskop optik, dengan perbedaan kontras yang muncul dari perubahan kepadatan dislokasi dan distribusi fase yang diinduksi oleh regangan. Di bawah mikroskop elektron pemindaian (SEM) atau mikroskop elektron transmisi (TEM), pita ini mengungkapkan kepadatan dislokasi yang tinggi, struktur subbutir, dan kadang-kadang transformasi fase lokal.

Konfigurasi tiga dimensi dari pita deformasi biasanya datar atau sedikit melengkung, membentang di seluruh butir atau batas butir. Distribusi mereka dapat seragam atau lokal, sering kali berkorelasi dengan daerah konsentrasi regangan yang tinggi.

Sifat Fisik

Pita deformasi mempengaruhi beberapa sifat fisik baja. Karena kepadatan dislokasi yang tinggi dan lokalisasi regangan, mereka cenderung memiliki energi internal yang meningkat dan regangan kisi, mempengaruhi kekerasan dan kekuatan material secara lokal.

Dari segi listrik, daerah ini dapat menunjukkan konduktivitas yang berubah akibat akumulasi cacat dan perubahan fase. Secara magnetik, peningkatan kepadatan dislokasi dan potensi transformasi fase dapat memodifikasi permeabilitas magnetik dan koersivitas.

Dari segi termal, pita deformasi dapat bertindak sebagai jalur untuk konduksi panas atau situs untuk pembangkitan panas lokal selama deformasi. Mereka biasanya berbeda dari matriks di sekitarnya dalam hal kepadatan, sifat listrik, dan magnetik, berkontribusi pada perilaku anisotropik dalam baja.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan pita deformasi didorong oleh pertimbangan termodinamika yang terkait dengan minimisasi energi regangan selama deformasi. Ketika baja mengalami deformasi plastis, akumulasi dislokasi meningkatkan energi regangan elastis yang tersimpan dalam daerah lokal.

Daerah ini menjadi situs yang secara energetik menguntungkan untuk pengaturan ulang dislokasi, pembentukan subbutir, dan pemulihan dinamis, yang mengarah pada pengembangan pita deformasi. Stabilitas pita ini tergantung pada keseimbangan antara energi regangan yang tersimpan dan energi yang terkait dengan penciptaan batas atau fase baru.

Diagram fase dan keseimbangan fase mempengaruhi pembentukan, terutama pada baja dengan elemen paduan yang mempromosikan atau menghambat transformasi fase tertentu dalam pita. Misalnya, karbon dan nitrogen dapat menstabilkan fase tertentu atau mempengaruhi mobilitas dislokasi, mempengaruhi pembentukan pita.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan pita deformasi melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan yang diatur oleh dinamika dislokasi. Nukleasi terjadi di situs konsentrasi stres, seperti batas butir, inklusi, atau cacat yang sudah ada sebelumnya.

Gerakan dan akumulasi dislokasi mengarah pada pengembangan batas subbutir, yang bersatu menjadi pita seiring waktu. Laju pembentukan tergantung pada suhu, laju regangan, dan ketersediaan dislokasi yang bergerak.

Energi aktivasi untuk gerakan dan pengaturan ulang dislokasi memainkan peran penting, dengan suhu yang lebih tinggi memfasilitasi pemulihan dinamis dan pengembangan pita. Proses ini sering ditandai dengan hubungan waktu-suhu-transformasi (TTT), di mana peningkatan waktu deformasi atau suhu mempercepat pembentukan pita.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen komposisi kunci mempengaruhi pembentukan pita deformasi. Elemen paduan seperti karbon, mangan, silikon, dan tambahan mikro paduan memodifikasi mobilitas dislokasi dan stabilitas fase, sehingga mempromosikan atau menghambat pengembangan pita.

Parameter pemrosesan seperti laju regangan, suhu deformasi, dan laju pendinginan secara signifikan mempengaruhi morfologi dan kepadatan pita deformasi. Laju regangan yang lebih tinggi cenderung menghasilkan pita yang lebih jelas karena akumulasi dislokasi yang cepat, sementara pendinginan yang lebih lambat memungkinkan pemulihan dan rekristalisasi yang dapat mengurangi pembentukan pita.

Mikrostruktur sebelumnya, termasuk ukuran butir dan kepadatan dislokasi yang ada, juga mempengaruhi kecenderungan untuk pengembangan pita. Baja dengan butir halus dan kepadatan dislokasi awal yang tinggi lebih rentan untuk membentuk pita deformasi selama deformasi.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Pembentukan dan evolusi pita deformasi dapat dijelaskan menggunakan model berbasis dislokasi. Salah satu hubungan dasar adalah persamaan Taylor, yang menghubungkan stres aliran ((\sigma)) dengan kepadatan dislokasi ((\rho)):

$$
\sigma = \sigma_0 + \alpha G b \sqrt{\rho}
$$

di mana:
- (\sigma_0) adalah stres gesekan kisi,
- (\alpha) adalah konstanta (~0.2–0.5),
- $G$ adalah modulus geser,
- (b) adalah vektor Burgers,
- (\rho) adalah kepadatan dislokasi.

Ketika kepadatan dislokasi meningkat dalam pita, stres aliran lokal meningkat, mempengaruhi deformasi lebih lanjut dan pengembangan pita.

Kinetika akumulasi dislokasi dapat dimodelkan dengan persamaan Orowan:

$$
\dot{\varepsilon} = \frac{b \rho v}{L}
$$

di mana:
- (\dot{\varepsilon}) adalah laju regangan,
- (v) adalah kecepatan dislokasi,
- $L$ adalah jarak bebas rata-rata antara dislokasi.

Persamaan ini membantu memprediksi evolusi fitur mikrostruktural selama deformasi.

Model Prediktif