Kind Band (Deformation) (Kink Band): Pembentukan, Mikrostruktur & Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah Kind Band (deformasi), yang umumnya dikenal sebagai Kink Band, adalah fitur mikrostruktural lokal yang ditandai oleh misorientasi planar yang jelas dalam domain kristalin atau mikrostruktural baja. Ini muncul sebagai zona sempit di mana bidang atom diputar relatif terhadap matriks sekitarnya, menghasilkan deviasi sudut yang khas.

Secara fundamental, kink band muncul dari mekanisme deformasi plastik dalam bahan kristalin, terutama di bawah stres kompresif atau geser. Pada tingkat atom, mereka melibatkan rotasi terkoordinasi dari bidang atom, sering difasilitasi oleh pergerakan dislokasi dan zona geser lokal. Fitur-fitur ini menunjukkan respons material terhadap stres internal dan jalur deformasi, berfungsi sebagai penanda mikrostruktural dari akomodasi plastik.

Dalam metalurgi baja dan ilmu material, kink band signifikan karena mereka mempengaruhi sifat mekanik seperti duktilitas, kekuatan, dan ketangguhan. Pembentukannya mencerminkan mekanisme deformasi yang mendasari, memberikan wawasan tentang evolusi mikrostruktural selama pemrosesan atau layanan. Memahami kink band membantu dalam mengoptimalkan perlakuan termomekanik dan memprediksi mode kegagalan pada komponen baja.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Kink band terkait dengan pengaturan kristalografi tertentu dalam mikrostruktur baja. Dalam baja ferritik, fase utama adalah besi kubik berpusat badan (BCC) (α-Fe), yang menunjukkan sistem kristal kubik dengan parameter kisi sekitar 2,86 Å pada suhu kamar.

Di dalam kink band, bidang atom—seperti {110} atau {112} dalam struktur BCC—diputar relatif terhadap orientasi aslinya. Rotasi ini dihasilkan dari deformasi geser lokal, menyebabkan sudut misorientasi yang biasanya berkisar dari beberapa derajat hingga sekitar 20°. Misorientasi sering terkurung dalam zona planar sempit, mempertahankan stabilitas fase secara keseluruhan tetapi mengubah kristalografi lokal.

Hubungan kristalografi antara matriks induk dan daerah yang tertekuk melibatkan rotasi sekitar sumbu tertentu, sering kali sejajar dengan arah stres utama. Rotasi ini dapat dijelaskan menggunakan matriks orientasi yang diperoleh dari data difraksi elektron backscatter (EBSD), mengungkapkan hubungan misorientasi yang terdefinisi dengan baik yang mempertahankan struktur kristal fase tetapi mengubah orientasi kisi lokal.

Fitur Morfologis

Morfologis, kink band muncul sebagai fitur planar tipis dalam mikrostruktur, sering kali membentang beberapa mikrometer dalam panjang dan sebagian mikrometer dalam ketebalan. Mereka biasanya memanjang sepanjang arah deformasi dan dapat diamati sebagai pita yang jelas di bawah mikroskop.

Di bawah mikroskop optik, kink band dapat muncul sebagai variasi kontras halus, sering terlihat pada sampel yang di-etch karena perbedaan dalam regangan atau kerapatan dislokasi. Mikroskop elektron pemindaian (SEM) mengungkapkan sifat planar mereka, dengan deviasi sudut yang khas dari matriks sekitarnya. Mikroskop elektron transmisi (TEM) memberikan wawasan mendetail tentang struktur atom mereka, menunjukkan garis kisi yang diputar dan susunan dislokasi lokal.

Bentuk kink band dapat bervariasi dari zona planar sederhana hingga konfigurasi yang lebih kompleks dan terlipat, terutama pada baja yang sangat terdeformasi. Distribusinya sering kali tidak merata, berkorelasi dengan daerah konsentrasi stres geser tinggi atau lokal.

Sifat Fisik

Kink band mempengaruhi beberapa sifat fisik dari mikrostruktur baja. Mereka dapat secara lokal mengubah densitas karena rotasi bidang atom, meskipun perubahan densitas keseluruhan minimal. Kehadiran mereka dapat sedikit memodifikasi konduktivitas listrik, karena peningkatan kerapatan dislokasi dan bidang regangan.

Sifat magnetik juga dapat terpengaruh, karena misorientasi kisi lokal mempengaruhi struktur domain magnetik, yang berpotensi menyebabkan perilaku magnetik anisotropik dalam mikrostruktur. Konduktivitas termal dapat sedikit terpengaruh karena hamburan fonon di zona yang tertekuk.

Jika dibandingkan dengan konstituen mikrostruktural lainnya seperti ferrit, perlit, atau martensit, kink band ditandai oleh sifat planar lokalnya dan asosiasinya dengan deformasi daripada transformasi fase. Sifat fisik mereka terutama dipengaruhi oleh bidang regangan dan susunan dislokasi dalam band.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan kink band didorong oleh kecenderungan termodinamik material untuk meminimalkan total energi bebasnya di bawah stres yang diterapkan. Selama deformasi, akumulasi energi regangan elastis dan interaksi dislokasi menciptakan gaya pendorong untuk geser lokal.

Perubahan energi bebas (ΔG) yang terkait dengan pembentukan kink band melibatkan keseimbangan antara energi elastis yang tersimpan dan energi yang diperlukan untuk menciptakan zona yang tertekuk. Ketika stres geser lokal melebihi ambang batas kritis, menjadi menguntungkan secara energetik bagi bidang atom untuk berputar, membentuk kink band yang meredakan sebagian dari stres internal.

Diagram fase dan pertimbangan stabilitas fase kurang terlibat secara langsung, karena kink band adalah fitur deformasi dalam satu fase. Namun, stabilitas mikrostruktur selama deformasi tergantung pada komposisi paduan, suhu, dan fitur mikrostruktural yang ada.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi kink band dikendalikan oleh aktivitas dislokasi dan geser lokal. Penumpukan dislokasi di batas butir atau di dalam interior butir menghasilkan stres geser yang memfasilitasi rotasi bidang atom.

Pertumbuhan kink band terjadi melalui gelinciran dan pendakian dislokasi yang terkoordinasi, memungkinkan rotasi bidang atom di atas wilayah terbatas. Kinetika dipengaruhi oleh suhu, laju regangan, dan keberadaan atom solut atau presipitat yang dapat menjepit dislokasi.

Energi aktivasi untuk pembentukan kink band terkait dengan pergerakan dislokasi dan proses geser atom. Biasanya, suhu yang lebih tinggi mengurangi hambatan aktivasi, mendorong pembentukan yang lebih mudah, sementara laju deformasi yang cepat dapat menekan perkembangan mereka karena mobilitas dislokasi yang terbatas.

Faktor yang Mempengaruhi

Komposisi paduan memainkan peran penting; elemen seperti karbon, mangan, dan silikon mempengaruhi mobilitas dislokasi dan energi kesalahan tumpukan, sehingga mempengaruhi pembentukan kink band. Misalnya, kandungan karbon yang lebih tinggi dapat meningkatkan ketahanan terhadap gerakan dislokasi, menunda perkembangan kink band.

Parameter pemrosesan seperti laju regangan, suhu, dan besaran stres yang diterapkan secara signifikan mempengaruhi pembentukan mereka. Suhu yang tinggi dan laju regangan sedang mendukung perkembangan kink band dengan meningkatkan mobilitas dislokasi.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir dan riwayat deformasi sebelumnya, juga mempengaruhi kemudahan pembentukan kink band. Baja dengan butir halus dan kerapatan dislokasi tinggi cenderung mengembangkan kink band lebih mudah di bawah deformasi.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Pembentukan dan evolusi kink band dapat dijelaskan secara matematis melalui model deformasi geser. Hubungan sederhana untuk stres geser kritis (τ_c) yang diperlukan untuk nukleasi kink band adalah:

$$\tau_c = \frac{E \cdot \theta}{2 \cdot l} $$

di mana:

• $E$ adalah modulus elastis material,

• ( \theta ) adalah sudut misorientasi,

• ( l ) adalah panjang karakteristik di mana geser terjadi.

Persamaan ini menunjukkan bahwa sudut misorientasi yang lebih besar atau zona geser yang lebih kecil memerlukan stres geser yang lebih tinggi untuk pembentukan.

Perubahan energi total (ΔG) yang terkait dengan pembentukan kink band dapat dinyatakan sebagai:

$$\Delta G = \sigma \cdot \gamma \cdot V - \gamma_s \cdot A $$

di mana:

• ( \sigma ) adalah stres yang diterapkan,

• ( \gamma ) adalah regangan geser,

• $V$ adalah volume daerah yang tertekuk,

• ( \gamma_s ) adalah