Slip Plane dalam Mikrostuktur Baja: Pembentukan, Karakteristik & Dampak pada Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah permukaan slip dalam mikrostruktur baja mengacu pada sebuah bidang kristalografi tertentu di mana gerakan dislokasi terjadi secara dominan selama deformasi plastis. Ini adalah bidang atom dua dimensi yang ditandai dengan susunan atom yang teratur yang memfasilitasi proses geser di bawah tegangan yang diterapkan.

Di tingkat atom, permukaan slip adalah bidang preferensial untuk geser dislokasi, di mana ikatan atom paling mudah diputuskan dan dibentuk kembali, memungkinkan gerakan dislokasi. Bidang ini adalah intrinsik terhadap struktur kisi kristal, berfungsi sebagai jalur yang meminimalkan penghalang energi untuk gerakan dislokasi.

Dalam metalurgi baja dan ilmu material, permukaan slip adalah fundamental untuk memahami plastisitas, pengerasan kerja, dan perilaku deformasi. Orientasi, densitas, dan mobilitas mereka secara langsung mempengaruhi sifat mekanik seperti duktilitas, kekuatan, dan ketangguhan baja.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Baja terutama menunjukkan struktur kristal kubik pusat tubuh (BCC) atau kubik pusat wajah (FCC) tergantung pada elemen paduan dan perlakuan panasnya. Dalam baja BCC, sistem slip utama melibatkan bidang {110}, {112}, dan {123}, dengan slip biasanya terjadi sepanjang arah <111>.

Dalam baja FCC, slip secara dominan terjadi sepanjang bidang {111} dalam arah <110>, yang padat dan energetik menguntungkan. Bidang {111} ditandai dengan susunan atom yang rapat, menyediakan jalur resistensi rendah untuk geser dislokasi.

Susunan atom dalam bidang slip ini memiliki kisi yang teratur, dengan parameter kisi yang spesifik untuk fase dan komposisi paduan. Misalnya, dalam baja feritik (BCC), parameter kisi adalah sekitar 2,87 Å, sedangkan dalam baja austenitik (FCC), sekitar 3,58 Å.

Orientasi kristalografi dari permukaan slip sering dijelaskan relatif terhadap sumbu kristal, dengan sistem slip didefinisikan oleh normal bidang dan arah slip. Orientasi ini mempengaruhi kemudahan slip dan sangat penting dalam pengembangan tekstur selama deformasi.

Fitur Morfologis

Dari segi mikrostruktur, permukaan slip tidak terlihat sebagai fitur yang berbeda tetapi diindikasikan dari susunan dislokasi dan pola deformasi yang diamati di bawah mikroskop.

Dalam mikroskopi elektron transmisi (TEM), permukaan slip muncul sebagai susunan dislokasi yang padat yang sejajar sepanjang bidang kristalografi tertentu. Susunan dislokasi ini membentuk fitur planar yang dapat diidentifikasi sebagai pita slip.

Ukuran pita slip bervariasi dari beberapa nanometer hingga beberapa mikrometer, tergantung pada tingkat deformasi dan keadaan mikrostruktur. Dalam baja yang sangat terdeformasi, pita slip dapat bergabung menjadi tanda slip yang persisten atau pita deformasi.

Dalam tiga dimensi, slip terjadi sepanjang daerah planar yang diperluas dalam butiran, sering membentuk jaringan yang mempengaruhi perilaku deformasi keseluruhan. Morfologi permukaan slip dengan demikian ditandai oleh sifat planar dan berlapis dalam mikrostruktur.

Sifat Fisik

Permukaan slip mempengaruhi beberapa sifat fisik baja:

• Densitas: Karena slip melibatkan geser atom tanpa menciptakan kekosongan atau fase baru, perubahan densitas adalah tidak signifikan. Namun, akumulasi dislokasi yang terlokalisasi sepanjang permukaan slip dapat sedikit mengubah densitas lokal.

• Konduktivitas Listrik: Susunan dislokasi sepanjang permukaan slip dapat menyebarkan elektron konduksi, sedikit mengurangi konduktivitas listrik di daerah yang terdeformasi.

• Sifat Magnetik: Susunan dislokasi sepanjang permukaan slip dapat mempengaruhi struktur domain magnetik, mempengaruhi permeabilitas magnetik dan koersivitas.

• Konduktivitas Termal: Densitas dislokasi sepanjang permukaan slip dapat menyebarkan fonon, sedikit mengurangi konduktivitas termal dalam mikrostruktur yang sangat terdeformasi.

Jika dibandingkan dengan konstituen mikrostruktur lainnya seperti karbida atau martensit, permukaan slip tidak spesifik fase tetapi merupakan fitur dalam kisi kristal, yang secara langsung terkait dengan aktivitas dislokasi.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan permukaan slip diatur oleh minimisasi energi bebas sistem selama deformasi plastis. Gerakan dislokasi sepanjang bidang kristalografi tertentu mengurangi energi regangan elastis yang tersimpan dalam kisi kristal.

Penghalang energi untuk geser dislokasi tergantung pada energi kesalahan tumpukan (SFE), yang bervariasi dengan komposisi paduan dan suhu. Material dengan SFE rendah cenderung mendukung gerakan dislokasi parsial sepanjang permukaan slip tertentu, mempengaruhi aktivitas permukaan slip.

Diagram fase menggambarkan daerah stabil dari berbagai fase, dengan permukaan slip terbentuk dalam fase stabil di bawah kondisi deformasi. Stabilitas termodinamika dari struktur kristal memastikan keberlangsungan sistem slip selama deformasi.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi dislokasi pada permukaan slip terjadi ketika tegangan geser yang diterapkan melebihi tegangan geser yang teratasi kritis (CRSS). Proses nukleasi melibatkan mengatasi penghalang energi yang terkait dengan pembentukan loop dislokasi.

Setelah ter-nukleasi, dislokasi meluncur sepanjang permukaan slip, dengan kecepatannya diatur oleh tegangan yang diterapkan, suhu, dan resistensi kisi. Laju gerakan dislokasi dijelaskan oleh persamaan Orowan:

$$v = \frac{\tau - \tau_{0}}{B} $$

di mana ( v ) adalah kecepatan dislokasi, ( \tau ) adalah tegangan geser yang diterapkan, ( \tau_{0} ) adalah resistensi kisi, dan $B$ adalah koefisien redaman.

Pertumbuhan pita slip tergantung pada akumulasi dan perkalian dislokasi, yang dipengaruhi oleh laju regangan dan suhu. Suhu yang lebih tinggi memfasilitasi pendakian dislokasi dan slip silang, memungkinkan aktivitas slip yang lebih luas.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen paduan seperti karbon, nitrogen, dan logam paduan mempengaruhi aktivitas permukaan slip dengan mengubah energi kesalahan tumpukan dan mobilitas dislokasi.

Parameter pemrosesan seperti suhu deformasi, laju regangan, dan mikrostruktur sebelumnya secara signifikan mempengaruhi pembentukan slip. Misalnya, pengerjaan dingin meningkatkan densitas dislokasi sepanjang permukaan slip, sementara annealing dapat mengurangi densitas dislokasi dan memulihkan aktivitas slip.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir dan distribusi fase, juga mempengaruhi perilaku slip. Baja dengan butiran halus cenderung membatasi gerakan dislokasi, menghasilkan distribusi slip yang lebih merata, sedangkan butiran kasar dapat mempromosikan pita slip yang terlokalisasi.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Tegangan geser yang teratasi kritis (( \tau_{c} )) yang diperlukan untuk inisiasi slip dapat dinyatakan sebagai:

$$\tau_{c} = \frac{Gb}{L} $$

di mana:

• ( G ) = modulus geser material

• ( b ) = magnitudo vektor Burgers

• ( L ) = skala panjang karakteristik, seperti ukuran butir atau jarak penghalang

Hubungan ini menunjukkan bahwa ukuran butir yang lebih kecil atau penghalang meningkatkan stres yang diperlukan untuk slip, konsisten dengan efek Hall-Petch.

Kecepatan dislokasi (( v )) sebagai fungsi dari tegangan geser yang diterapkan (( \tau )) adalah:

$$v = M (\tau - \tau_{0}) $$

di mana $M$ adalah parameter mobilitas, dan ( \tau_{0} ) adalah resistensi kisi.

Laju regangan (( \dot{\varepsilon} )) yang terkait dengan geser dislokasi dapat dimodelkan sebagai:

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