Struktur Sub-batas (struktur subbutir): Pembentukan, Karakteristik & Dampak Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Struktur sub-batas, yang umumnya disebut sebagai struktur subbutir, adalah fitur mikrostruktur yang ditandai dengan adanya batas sudut rendah dalam butir kristalin tunggal. Batas-batas ini membagi butir utama menjadi daerah-daerah yang lebih kecil dan terorientasi koheren yang disebut subbutir. Pada tingkat atom, sub-batas adalah daerah di mana orientasi kristalografi sedikit berbeda—biasanya kurang dari 15°—dari matriks sekitarnya, menghasilkan misorientasi yang bertahap daripada batas yang tajam.

Secara fundamental, struktur sub-batas muncul dari pengaturan kembali dislokasi dalam kisi kristal selama deformasi plastis atau perlakuan termal. Dinding atau susunan dislokasi terorganisir menjadi batas sudut rendah, membagi butir asli menjadi subbutir dengan orientasi yang hampir sejajar. Mikrostruktur ini memainkan peran penting dalam mekanisme pengerasan kerja, pemulihan, dan rekristalisasi pada baja.

Dalam metalurgi baja, struktur sub-batas signifikan karena mempengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan, keuletan, dan ketangguhan. Ini juga mengatur kinetika evolusi mikrostruktur selama pemrosesan termomekanik, mempengaruhi ukuran dan distribusi butir akhir. Memahami struktur sub-batas memungkinkan metalurgis untuk menyesuaikan perlakuan panas dan proses deformasi untuk mengoptimalkan kinerja baja.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Sub-batas terdiri dari susunan dislokasi yang diatur dalam konfigurasi tertentu yang menghasilkan misorientasi yang sedikit antara subbutir yang berdekatan. Batas-batas ini sebagian besar adalah batas sudut rendah, yang ditandai dengan misorientasi kurang dari sekitar 15°, sering kali antara 2° dan 10°.

Penyusunan atom di seluruh sub-batas tetap sebagian besar koheren, dengan gangguan minimal pada kisi kristal. Wilayah batas mengandung kepadatan dislokasi yang tinggi yang terorganisir menjadi dinding atau susunan, yang berfungsi sebagai fitur penentu dari batas subbutir. Parameter kisi dalam subbutir pada dasarnya identik, mempertahankan struktur kristal dari fase induk, biasanya kubik berpusat badan (BCC) pada baja feritik atau kubik berpusat wajah (FCC) pada baja austenitik.

Kristalografi, sub-batas sering menunjukkan hubungan orientasi tertentu, seperti konfigurasi kisi situs kebetulan (CSL), meskipun ini lebih umum pada batas sudut tinggi. Dalam kasus sub-batas, misorientasi terutama disebabkan oleh akumulasi dan pengaturan dislokasi daripada transformasi fase atau migrasi batas butir.

Fitur Morfologis

Morfologis, sub-batas muncul sebagai antarmuka datar atau sedikit melengkung dalam butir induk. Mereka biasanya memiliki ketebalan beberapa nanometer hingga beberapa mikrometer, tergantung pada tingkat deformasi atau perlakuan panas.

Subbutir umumnya berbentuk ekuiaxial atau memanjang, dengan ukuran berkisar dari beberapa mikrometer hingga ratusan mikrometer. Distribusi mereka dalam butir induk bisa seragam atau heterogen, dipengaruhi oleh kondisi deformasi dan sejarah termal.

Di bawah mikroskop optik, sub-batas sering kali tidak terlihat karena misorientasi yang rendah dan ukuran kecil. Namun, teknik canggih seperti difraksi elektron backscatter (EBSD) mengungkap fitur-fitur ini sebagai daerah dengan perbedaan orientasi yang sedikit. Mikroskopi elektron transmisi (TEM) memberikan gambar rinci dari pengaturan dislokasi yang membentuk sub-batas, muncul sebagai struktur mirip dinding yang padat dalam butir.

Sifat Fisik

Sifat fisik yang terkait dengan struktur sub-batas berbeda secara signifikan dari sifat butir induk atau batas sudut tinggi. Karena sub-batas adalah sudut rendah, mereka menunjukkan energi dan mobilitas batas yang relatif rendah, berkontribusi pada stabilitas keseluruhan mikrostruktur.

Dari segi kepadatan, sub-batas tidak secara signifikan mengubah kepadatan material, tetapi mereka mempengaruhi sifat-sifat seperti konduktivitas listrik dan perilaku magnetik. Misalnya, kepadatan dislokasi yang tinggi dalam sub-batas dapat menghambat pergerakan elektron, sedikit mengurangi konduktivitas listrik.

Dari segi magnetik, sub-batas dapat bertindak sebagai situs pengikat untuk dinding domain magnetik, mempengaruhi permeabilitas magnetik dan koersivitas. Konduktivitas termal mungkin sedikit terpengaruh karena hamburan fonon pada susunan dislokasi.

Jika dibandingkan dengan batas butir sudut tinggi, sub-batas cenderung memiliki energi batas yang lebih rendah dan kurang efektif sebagai situs inisiasi retakan, sehingga berkontribusi pada peningkatan ketangguhan dan keuletan dalam keadaan mikrostruktur tertentu.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan struktur sub-batas diatur oleh prinsip-prinsip termodinamika yang terkait dengan pengaturan dislokasi dan minimisasi energi. Selama deformasi plastis, dislokasi dihasilkan dan berkembang biak dalam kisi kristal, meningkatkan energi regangan elastis yang tersimpan.

Untuk mengurangi energi ini, dislokasi cenderung terorganisir menjadi dinding atau susunan, membentuk batas sudut rendah yang membagi butir menjadi subbutir. Proses ini secara termodinamika menguntungkan karena mengurangi densitas energi dislokasi keseluruhan sambil mempertahankan struktur kisi yang koheren.

Stabilitas sub-batas tergantung pada energi batasnya, yang sebanding dengan sudut misorientasi. Batas sudut rendah memiliki energi yang relatif rendah, menjadikannya menguntungkan secara energetik selama pemulihan dan tahap rekristalisasi awal.

Diagram fase kurang terlibat secara langsung dalam pembentukan sub-batas, tetapi stabilitas mikrostruktur dapat dipengaruhi oleh suhu dan elemen paduan, yang mempengaruhi mobilitas dislokasi dan proses pemulihan.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan sub-batas terutama dikendalikan oleh mobilitas dislokasi, suhu, dan laju deformasi. Selama pengerjaan dingin atau deformasi suhu tinggi, dislokasi bergerak dan terakumulasi menjadi dinding, membentuk sub-batas seiring waktu.

Nukleasi sub-batas terjadi melalui pengaturan kembali dislokasi, yang merupakan proses yang diaktifkan secara termal. Laju pembentukan meningkat seiring dengan suhu, karena energi termal yang lebih tinggi memfasilitasi pendakian dan slip silang dislokasi, memungkinkan pengaturan kembali dislokasi menjadi konfigurasi energi rendah.

Pertumbuhan sub-batas melibatkan migrasi dan pengaturan kembali dislokasi, yang mengontrol laju. Energi aktivasi untuk proses ini tergantung pada komposisi paduan, suhu, dan tegangan yang diterapkan.

Parameter waktu-suhu seperti laju regangan dan waktu penahanan mempengaruhi sejauh mana perkembangan sub-batas. Waktu annealing yang lebih lama pada suhu sedang mendorong pemulihan dan pembentukan subbutir, sementara pendinginan cepat dapat menekan perkembangan mereka.

Faktor yang Mempengaruhi

Faktor kunci yang mempengaruhi pembentukan sub-batas meliputi:

• Komposisi Paduan: Elemen seperti karbon, nitrogen, dan tambahan mikro paduan mempengaruhi mobilitas dislokasi dan perilaku pemulihan. Misalnya, karbon dapat mengikat dislokasi, menghambat pengaturannya menjadi sub-batas.

• Parameter Deformasi: Regangan yang lebih tinggi meningkatkan kepadatan dislokasi, mendorong pembentukan sub-batas. Suhu deformasi yang lebih tinggi meningkatkan mobilitas dislokasi, memfasilitasi pengorganisasian menjadi sub-batas.

• Mikrostruktur Sebelumnya: Ukuran butir yang sudah ada dan pengaturan dislokasi mempengaruhi situs nukleasi dan jalur pertumbuhan sub-batas. Mikrostruktur butir halus cenderung mengembangkan jaringan sub-batas yang lebih seragam.

• Kondisi Perlakuan Panas: Proses pemulihan dan annealing pada suhu tertentu mendorong pengaturan kembali dislokasi, yang mengarah pada pengembangan struktur sub-batas.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Sudut misorientasi (θ) di seluruh sub-batas terkait dengan kepadatan dislokasi (