Arah Slip dalam Mikrostuktur Baja: Perannya dalam Deformasi & Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Arah slip dalam mikrostruktur baja mengacu pada arah kristalografi spesifik di mana gerakan dislokasi terjadi secara dominan selama deformasi plastis. Ini adalah konsep dasar dalam ilmu material, yang menggambarkan bagaimana atom dalam kisi kristal meluncur satu sama lain di bawah stres yang diterapkan, memungkinkan duktilitas dan pembentukan komponen baja.

Di tingkat atom, slip melibatkan pergerakan dislokasi—cacat garis dalam kisi kristal—di sepanjang bidang dan arah kristalografi tertentu. Arah slip dicirikan oleh vektor kisi terpendek dalam sistem slip, biasanya dilambangkan sebagai vektor Burgers b. Kombinasi bidang slip dan arah slip mendefinisikan sistem slip, yang mengatur perilaku deformasi material.

Dalam metalurgi baja, pemahaman arah slip sangat penting untuk memprediksi sifat mekanik seperti kekuatan luluh, duktilitas, dan pengerasan kerja. Ini membentuk dasar untuk menganalisis mekanisme deformasi plastis, perkembangan tekstur, dan perilaku anisotropik dalam mikrostruktur.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Baja terutama mengadopsi struktur kristal kubik berpusat tubuh (BCC) atau kubik berpusat wajah (FCC), tergantung pada komposisi paduan dan perlakuan panasnya.

Pada baja BCC, sistem slip utama adalah dari keluarga {110}<111>, dengan bidang slip menjadi keluarga {110} dan arah slip di sepanjang vektor <111>. Parameter kisi untuk besi BCC adalah sekitar 2.866 Å pada suhu kamar, dengan sistem kristal kubik yang dicirikan oleh sumbu ortogonal dengan panjang yang sama.

Pada baja FCC, sistem slip dominan adalah {111}<110>, dengan bidang slip menjadi keluarga {111} dan arah slip di sepanjang <110>. Parameter kisi untuk besi FCC (fase austenit) adalah sekitar 3.58 Å.

Orientasi kristalografi dari arah slip relatif terhadap butir induk mempengaruhi perilaku deformasi. Misalnya, dalam kristal BCC, slip cenderung terjadi di sepanjang arah <111>, yang merupakan vektor kisi terpendek, memfasilitasi pergerakan dislokasi.

Fitur Morfologis

Arah slip itu sendiri tidak terlihat secara langsung di bawah mikroskop; sebaliknya, efeknya muncul sebagai garis dislokasi dan pita slip. Pita slip ini adalah daerah planar sempit dari deformasi plastis terlokalisasi, sering terlihat sebagai garis halus atau garis-garis pada permukaan mikrostruktur.

Dalam analisis mikrostruktur, pita slip biasanya muncul sebagai garis paralel atau bersilangan dalam butir, dengan lebar berkisar dari beberapa nanometer hingga beberapa mikrometer tergantung pada tingkat deformasi. Distribusinya sering kali anisotropik, sejajar dengan orientasi kristalografi yang diinginkan.

Dalam tiga dimensi, slip terjadi di sepanjang daerah planar sempit dalam butir, membentuk jaringan array dislokasi. Fitur-fitur ini berkontribusi pada pengerasan kerja dan mempengaruhi duktilitas keseluruhan mikrostruktur.

Sifat Fisik

Sifat fisik utama yang terkait dengan arah slip adalah kemudahan pergerakan dislokasi di sepanjang jalur kristalografi tertentu. Ini mempengaruhi kekuatan luluh dan duktilitas material.

Material dengan arah slip yang sejajar dengan baik terhadap stres yang diterapkan menunjukkan stres luluh yang lebih rendah dan duktilitas yang lebih tinggi. Sebaliknya, sistem slip yang kurang terorientasi dengan baik atau terhalang oleh rintangan menghasilkan kekuatan yang meningkat tetapi mengurangi duktilitas.

Sifat magnetik dan termal sebagian besar tidak terpengaruh secara langsung oleh arah slip, tetapi distribusi dan densitas dislokasi di sepanjang arah slip dapat mempengaruhi konduktivitas listrik dan konduktivitas termal karena efek hamburan.

Densitas tetap konstan, tetapi pengaturan dislokasi di sepanjang arah slip mempengaruhi sifat mekanik. Sifat anisotropik dari slip dapat menyebabkan ketergantungan arah dari sifat-sifat seperti kekerasan dan ketangguhan.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Gaya pendorong termodinamika untuk slip berasal dari stres geser yang terpecahkan yang bekerja pada sistem slip. Ketika komponen stres yang diterapkan yang terpecahkan di sepanjang bidang slip dan dalam arah slip melebihi nilai kritis, gerakan dislokasi dimulai.

Stres geser terpecahkan kritis (CRSS) adalah parameter kunci, yang mewakili stres geser minimum yang diperlukan untuk mengaktifkan slip di sepanjang sistem tertentu. Stabilitas termodinamika dari sistem slip tergantung pada minimisasi energi bebas sistem, yang mendukung slip di sepanjang jalur dengan penghalang energi terendah.

Diagram fase menunjukkan daerah stabilitas dari berbagai fase, mempengaruhi sistem slip mana yang aktif. Misalnya, pada baja ferritik, struktur BCC mendukung sistem slip {110}<111> pada suhu kamar.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi dislokasi di sepanjang arah slip terjadi ketika konsentrasi stres lokal melebihi CRSS. Proses nukleasi melibatkan mengatasi penghalang energi yang terkait dengan pembentukan loop atau segmen dislokasi.

Setelah ter-nukleasi, dislokasi meluncur di sepanjang bidang slip dalam arah slip, dengan kecepatannya diatur oleh stres geser yang diterapkan dan suhu. Laju gerakan dislokasi mengikuti hubungan tipe Arrhenius:

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

di mana v adalah kecepatan dislokasi, v₀ adalah faktor pre-eksponensial, Q adalah energi aktivasi, R adalah konstanta gas, dan T adalah suhu.

Pertumbuhan segmen dislokasi dan interaksinya menyebabkan pengerasan kerja, yang menghambat slip lebih lanjut dan memodifikasi mikrostruktur selama skala waktu deformasi.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti karbon, mangan, atau nikel mempengaruhi perilaku slip dengan mengubah gesekan kisi dan mobilitas dislokasi. Misalnya, atom karbon dapat menjepit dislokasi, meningkatkan CRSS dan menghambat slip.

Parameter pemrosesan seperti laju regangan dan suhu secara signifikan mempengaruhi kinetika slip. Suhu yang lebih tinggi memfasilitasi meluncurnya dislokasi dengan mengurangi gesekan kisi, sementara deformasi yang cepat dapat mendorong penumpukan dislokasi dan pengerasan kerja.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir dan riwayat deformasi sebelumnya, mempengaruhi inisiasi dan propagasi slip. Baja dengan butir halus cenderung mengaktifkan beberapa sistem slip secara lebih merata, meningkatkan duktilitas.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Persamaan dasar yang menggambarkan aktivasi slip adalah stres geser yang terpecahkan:

$$\tau_{res} = \sigma \cos \phi \cos \lambda $$

di mana:

• τ_res adalah stres geser yang terpecahkan pada sistem slip,
• σ adalah stres normal yang diterapkan,
• φ adalah sudut antara normal terhadap bidang slip dan sumbu beban,
• λ adalah sudut antara arah slip dan sumbu beban.

Slip dimulai ketika:

$$\tau_{res} \geq \tau_{cr} $$

di mana τ_cr adalah stres geser yang terpecahkan kritis.

Faktor Schmid m menyederhanakan perhitungan:

$$\tau_{res} = m \sigma $$

dengan:

$$m = \cos \phi \cos \lambda $$

Faktor Schmid maksimum (0.5 dalam kasus ideal) menunjukkan sistem slip yang paling terorientasi dengan baik.

Model Prediktif

Model elemen hingga plastisitas kristal (CPFEM) mensimulasikan perilaku slip dengan menggabungkan aktivitas sistem slip, dinamika dislokasi, dan elastisitas anisotropik. Model-model ini memprediksi bagaimana arah slip mempeng