Microbands (Deformasi): Pembentukan, Karakteristik & Dampak pada Mikrostruktur Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Microbands (deformasi) adalah fitur mikrostruktur yang sempit dan datar yang diamati dalam mikrostruktur baja yang terdeformasi, ditandai dengan daerah lokal akumulasi regangan plastis. Mereka muncul sebagai zona tipis dan memanjang di mana pengaturan dislokasi dan distorsi kisi terkonsentrasi, yang dihasilkan dari proses deformasi plastis pada tingkat mikroskopis.

Pada skala atom atau kristalografi, microbands berasal dari gerakan kolektif dan pengorganisasian dislokasi dalam kisi kristal, terutama pada logam logam kubik berpusat badan (BCC) atau kubik berpusat wajah (FCC) seperti baja. Fitur-fitur ini terkait dengan geser lokal dan rotasi kisi, sering kali sejajar dengan bidang dan arah kristalografi tertentu, seperti sistem slip {111} atau {110} pada baja FCC.

Signifikansi microbands dalam metalurgi baja terletak pada perannya sebagai indikator mekanisme deformasi plastis, mempengaruhi perilaku pengerasan kerja, duktilitas, dan karakteristik patah. Mereka berfungsi sebagai penanda mikrostruktur dari lokalisasi regangan, memberikan wawasan tentang evolusi struktur dislokasi selama proses deformasi dan perlakuan panas. Memahami microbands membantu dalam mengoptimalkan sifat mekanik dan memprediksi mode kegagalan pada komponen baja.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Microbands adalah fitur yang terorientasi secara kristalografi, sering kali sejajar dengan bidang slip dan arah tertentu dalam kisi kristal. Pada baja FCC, mereka biasanya terbentuk sepanjang bidang slip {111}, yang padat dan memfasilitasi geser dislokasi. Pengaturan atom dalam microbands menunjukkan kepadatan dislokasi yang meningkat dan distorsi kisi dibandingkan dengan matriks sekitarnya.

Parameter kisi dari fase induk, seperti austenit atau ferit, tetap tidak berubah pada tingkat atom; namun, dalam microbands, kisi lokal mengalami distorsi akibat penumpukan dan pengaturan dislokasi. Distorsi ini menyebabkan bidang regangan lokal, yang dapat dideteksi melalui teknik difraksi.

Hubungan kristalografi antara microbands dan mikrostruktur induk sering kali melibatkan hubungan orientasi tertentu, seperti Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann dalam transformasi fase, tetapi dalam microbands deformasi, orientasi biasanya sejajar dengan sistem slip yang aktif. Microbands juga dapat berfungsi sebagai prekursor untuk fitur deformasi lainnya seperti pita geser atau pita Lüders.

Fitur Morfologis

Morfologis, microbands muncul sebagai zona sempit dan datar dengan lebar yang biasanya berkisar dari beberapa nanometer hingga beberapa mikrometer, tergantung pada derajat deformasi dan komposisi baja. Mereka memanjang sepanjang arah maksimum geser atau lokalisasi regangan dan sering kali diamati sebagai pita paralel atau sedikit melengkung dalam mikrostruktur.

Dalam rekonstruksi mikrostruktur tiga dimensi, microbands menunjukkan penampilan berlapis atau lamelar, dengan kepadatan tinggi dari kusut dislokasi dan batas subbutir. Di bawah mikroskop optik, mereka mungkin muncul sebagai fitur datar yang samar, tetapi lebih jelas diamati menggunakan teknik mikroskopi elektron.

Bentuk microbands umumnya datar dan memanjang, dengan rasio aspek yang tinggi. Distribusinya dapat seragam atau terkelompok, tergantung pada mode deformasi dan tingkatnya. Pada baja yang sangat terdeformasi, microbands dapat bergabung atau berkembang menjadi pita geser, berkontribusi pada lokalisasi geser makroskopis.

Sifat Fisik

Microbands mempengaruhi beberapa sifat fisik dari mikrostruktur baja. Karena kepadatan dislokasi yang tinggi, mereka menunjukkan kekerasan lokal dan kekuatan yang meningkat dibandingkan dengan matriks sekitarnya. Pengerasan regangan lokal ini menghasilkan heterogenitas mikrostruktur yang mempengaruhi perilaku mekanik secara keseluruhan.

Kepadatan dislokasi dalam microbands menyebabkan peningkatan medan stres internal, yang dapat mempengaruhi sifat magnetik, seperti permeabilitas magnetik dan koersivitas, terutama pada baja ferromagnetik. Konduktivitas termal dalam microbands mungkin sedikit berkurang karena distorsi kisi dan akumulasi cacat.

Resistivitas listrik dapat sedikit lebih tinggi dalam microbands karena peningkatan kepadatan dislokasi dan konsentrasi cacat. Namun, fitur-fitur ini umumnya tidak secara signifikan mengubah sifat listrik atau magnetik bulk kecuali microbands luas atau bergabung menjadi zona geser yang lebih besar.

Jika dibandingkan dengan konstituen mikrostruktur lainnya seperti butir atau presipitat, microbands lebih dinamis dan sensitif terhadap sejarah deformasi, menjadikannya indikator kritis dari keadaan deformasi material.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan microbands didorong oleh kecenderungan termodinamik dari kisi kristal untuk mengakomodasi deformasi plastis melalui gerakan dislokasi. Energi bebas sistem meningkat dengan akumulasi dislokasi, tetapi pengaturan lokal seperti microbands dapat mengurangi energi keseluruhan dengan mendistribusikan regangan dan meminimalkan total energi elastis yang tersimpan.

Pembentukan microband terkait dengan pengembangan medan stres internal yang mendukung pengorganisasian dislokasi sepanjang bidang dan arah tertentu. Bidang regangan lokal ini menurunkan energi bebas lokal, menstabilkan struktur microband selama deformasi yang sedang berlangsung.

Diagram fase baja, seperti diagram fase Fe–C, tidak secara langsung menentukan pembentukan microband; sebaliknya, proses ini diatur oleh keseimbangan antara energi dislokasi, energi regangan elastis, dan keadaan stres yang diterapkan. Microbands biasanya terbentuk dalam fase austenit atau ferit selama deformasi plastis pada berbagai suhu, terutama dalam rezim plastis di mana mobilitas dislokasi tinggi.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi microbands terjadi ketika kepadatan dislokasi mencapai ambang kritis, yang mengarah pada gerakan kolektif dislokasi dan pengorganisasian sepanjang sistem slip tertentu. Kinetika dikendalikan oleh stres yang diterapkan, suhu, dan laju regangan, yang mempengaruhi mobilitas dan interaksi dislokasi.

Pertumbuhan microbands melibatkan akumulasi dan pengaturan ulang dislokasi dalam zona lokal, difasilitasi oleh mekanisme slip dan cross-slip. Laju perkembangan microband meningkat dengan stres yang diterapkan lebih tinggi dan suhu yang lebih rendah, yang menghambat pendakian dan pemulihan dislokasi.

Hubungan waktu-suhu sangat penting: pada suhu tinggi, proses pemulihan dapat mengurangi kepadatan dislokasi, menunda pembentukan microband atau menyebabkan pelarutannya. Sebaliknya, deformasi cepat pada suhu rendah mendorong perkembangan microband yang cepat karena pemulihan yang terbatas.

Energi aktivasi untuk gerakan dan pengorganisasian dislokasi dalam microbands bervariasi tergantung pada komposisi paduan, mikrostruktur awal, dan kondisi deformasi. Biasanya, energi aktivasi berkisar antara 50 hingga 150 kJ/mol, mencerminkan hambatan energi untuk geser dan interaksi dislokasi.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti karbon, nitrogen, dan tambahan mikro paduan (misalnya, niobium, vanadium) mempengaruhi pembentukan microband dengan mempengaruhi mobilitas dislokasi dan penahan. Konten karbon yang lebih tinggi dapat mendorong penahanan dislokasi, yang mengarah pada perkembangan microband yang lebih jelas.

Parameter pemrosesan seperti laju regangan dan suhu secara signifikan mempengaruhi karakteristik microband. Laju regangan yang lebih tinggi cenderung menghasilkan microbands yang lebih halus dan lebih banyak karena akumulasi dislokasi yang cepat, sementara deformasi yang lebih lambat memungkinkan pemulihan dan penggabungan.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir dan sejarah deformasi sebelumnya, mempengaruhi pembentukan microband. Baja dengan butir halus cenderung mengembangkan microbands lebih merata, sedangkan butir kasar mungkin menunjukkan pembentukan microband lokal sepanjang sistem slip tertentu.

Stres residual dan perlakuan panas sebelumnya dapat menghambat atau mendorong perkembangan microband dengan mengubah mobilitas dislokasi dan lanskap stres internal.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Evolusi microbands dapat dijelaskan menggunakan model berbasis kepadatan dislokasi. Hubungan dasar adalah persamaan Taylor:

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

di mana:

• (\sigma) adalah stres aliran,
• (\alpha