Dislokasi pada Baja: Peran Mikrostruktur & Dampaknya terhadap Sifat Mekanis

Definisi dan Konsep Dasar

Dislokasi adalah cacat kristalografi linier dalam material kristalin, yang ditandai dengan ketidakteraturan dalam susunan atom sepanjang garis dalam kisi kristal. Ini mewakili ketidakberlangsungan dalam urutan tumpukan atom yang teratur, memungkinkan deformasi plastis terjadi pada tegangan yang jauh lebih rendah daripada yang diperlukan untuk kristal sempurna.

Di tingkat atom, dislokasi terkait dengan ketidaksesuaian bidang atom, yang memfasilitasi slip—mode utama deformasi plastis pada logam. Mereka dapat divisualisasikan sebagai batas antara daerah yang tergelincir dan yang tidak tergelincir dalam sebuah kristal, memungkinkan atom bergerak secara bertahap sepanjang sistem slip tertentu.

Dalam metalurgi baja dan ilmu material, dislokasi sangat penting untuk memahami perilaku mekanik, termasuk kekuatan luluh, duktilitas, pengerasan kerja, dan creep. Kepadatan, mobilitas, dan interaksi mereka mengatur mekanisme deformasi dan mempengaruhi evolusi mikrostruktur selama pemrosesan dan layanan.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Dislokasi adalah intrinsik pada material kristalin dengan susunan atom yang teratur, seperti sistem kristal kubik pusat tubuh (BCC), kubik pusat wajah (FCC), dan terpakai rapat heksagonal (HCP) yang umum ditemukan pada baja.

Inti dari dislokasi adalah daerah di mana bidang atom sangat terdistorsi, biasanya mencakup beberapa jarak atom. Vektor Burgers (b) menggambarkan besaran dan arah distorsi kisi yang disebabkan oleh dislokasi, dan ini adalah parameter dasar yang mendefinisikan sifat dislokasi.

Dalam baja, dislokasi terutama meluncur sepanjang bidang slip tertentu—seperti {111} dalam struktur FCC atau {110} dalam struktur BCC—dan sepanjang arah slip seperti <110> atau <111>. Orientasi kristalografi dari dislokasi mempengaruhi mobilitas dan interaksinya dengan cacat lainnya.

Fitur Morfologis

Dislokasi adalah cacat linier yang dapat divisualisasikan sebagai garis dalam mikrostruktur, sering muncul sebagai fitur linier di bawah mikroskop. Ukurannya berada pada skala atom, tetapi kepadatan kolektifnya dapat diukur dalam hal kepadatan dislokasi, biasanya dinyatakan sebagai garis per unit area (misalnya, cm⁻²).

Pengaturan dislokasi dapat acak, terjerat, atau terorganisir menjadi struktur seperti dinding dislokasi, sel, atau jaringan. Konfigurasi ini mempengaruhi sifat mekanik dengan menghalangi gerakan dislokasi lebih lanjut, yang mengarah pada pengerasan kerja.

Di bawah mikroskop optik, dislokasi umumnya tidak terlihat kecuali mereka membentuk array padat atau dihias dengan presipitat atau atom solut. Mikroskopi elektron transmisi (TEM) mengungkap morfologi detail mereka, termasuk arah garis, kelengkungan, dan interaksi.

Sifat Fisik

Dislokasi mempengaruhi beberapa sifat fisik baja:

• Kepadatan: Kepadatan dislokasi yang tinggi meningkatkan medan stres internal, mempengaruhi kekerasan dan kekuatan.
• Konduktivitas Listrik: Dislokasi bertindak sebagai pusat hamburan bagi elektron, mengurangi konduktivitas listrik.
• Sifat Magnetik: Jaringan dislokasi dapat mempengaruhi struktur domain magnetik, mempengaruhi permeabilitas magnetik.
• Konduktivitas Termal: Getaran dan hamburan dislokasi mengurangi konduktivitas termal.

Jika dibandingkan dengan konstituen mikrostruktur lainnya seperti butir atau presipitat, dislokasi sangat mobile dan dinamis, secara langsung mempengaruhi perilaku deformasi daripada sifat statis.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Dislokasi terbentuk sebagai konsekuensi dari upaya kristal untuk mengakomodasi stres eksternal atau internal. Pembentukan ini mengurangi energi bebas keseluruhan sistem dengan memungkinkan deformasi plastis pada stres yang diterapkan lebih rendah.

Energi yang terkait dengan dislokasi per unit panjang, E_d, tergantung pada energi regangan elastis yang tersimpan dalam kisi:

$$E_d = \frac{1}{2} \frac{\mu b^2}{2\pi} \ln \left( \frac{R}{r_0} \right) $$

di mana:

• μ adalah modulus geser,
• b adalah besaran vektor Burgers,
• R adalah radius pemotongan luar,
• r₀ adalah radius inti dislokasi.

Pembentukan dislokasi secara termodinamika lebih disukai ketika pengurangan energi elastis dari deformasi plastis melebihi biaya energi untuk menciptakan cacat.

Diagram fase dan energi kesalahan tumpukan mempengaruhi kemudahan nukleasi dan pergerakan dislokasi, dengan energi kesalahan tumpukan yang rendah mendorong dislokasi parsial dan kesalahan tumpukan.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi dislokasi terjadi pada konsentrasi stres seperti batas butir, inklusi, atau cacat permukaan. Tegangan geser kritis yang diperlukan untuk nukleasi (τ_c) tergantung pada mikrostruktur lokal dan suhu.

Setelah ter-nukleasi, dislokasi bergerak melalui glide atau climb, dengan kecepatan mereka (v) diatur oleh tegangan geser yang diterapkan (τ) dan suhu (T):

$$v = v_0 \exp \left( - \frac{Q}{RT} \right) $$

di mana:

• v₀ adalah kecepatan referensi,
• Q adalah energi aktivasi untuk gerakan dislokasi,
• R adalah konstanta gas universal,
• T adalah suhu mutlak.

Kecepatan perkalian dan interaksi dislokasi menentukan evolusi kepadatan dislokasi selama deformasi, dengan proses seperti aktivasi sumber Frank-Read memainkan peran kunci.

Faktor yang Mempengaruhi

Pembentukan dan mobilitas dislokasi dipengaruhi oleh:

• Komposisi Paduan: Unsur seperti karbon, nitrogen, dan tambahan paduan mengubah energi kesalahan tumpukan dan struktur inti dislokasi.
• Parameter Pemrosesan: Pengerjaan dingin meningkatkan kepadatan dislokasi, sementara annealing menguranginya melalui pemulihan dan rekristalisasi.
• Mikrostruktur Sebelumnya: Butir halus dan presipitat dapat menghalangi gerakan dislokasi, mempengaruhi generasi dan akumulasi mereka.
• Suhu: Suhu tinggi memfasilitasi climb dan cross-slip dislokasi, mempengaruhi kemampuan mereka untuk melewati rintangan.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Hubungan dasar antara stres yang diterapkan dan gerakan dislokasi dijelaskan oleh persamaan Orowan:

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

di mana:

• (\dot{\varepsilon}) adalah laju regangan,
• (\rho) adalah kepadatan dislokasi,
• b adalah besaran vektor Burgers,
• v adalah kecepatan dislokasi.

Stres aliran (σ) yang diperlukan untuk memindahkan dislokasi dapat diperkirakan dengan:

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

di mana:

• α adalah konstanta (~0.2–0.5),
• G adalah modulus geser,
• b adalah vektor Burgers,
• (\rho) adalah kepadatan