Subgrain dalam Mikrostruktur Baja: Pembentukan, Karakteristik & Dampak

Definisi dan Konsep Dasar

Suatu subgrain adalah fitur mikrostruktur dalam bahan kristalin, khususnya baja, yang ditandai oleh daerah dengan orientasi kristalografi yang hampir seragam yang sedikit menyimpang relatif terhadap matriks sekitarnya atau butir tetangga. Substruktur ini dibedakan dari butir yang lebih besar dan terdefinisi dengan baik oleh skala yang lebih halus dan penyimpangan internal yang halus.

Di tingkat atom atau kristalografi, subgrain terbentuk oleh akumulasi dislokasi menjadi batas sudut rendah, yang membagi kristal menjadi daerah dengan penyimpangan kisi minimal—biasanya kurang dari 15°. Batas ini terdiri dari susunan dislokasi yang diatur dalam konfigurasi tertentu, seperti batas kemiringan atau batas putar sudut rendah, yang berfungsi untuk mengakomodasi regangan internal dan mengurangi energi sistem secara keseluruhan.

Dalam metalurgi baja dan ilmu material, subgrain signifikan karena mempengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan, ketangguhan, dan keuletan. Mereka sering dikaitkan dengan proses pemulihan dan rekristalisasi, bertindak sebagai prekursor atau perantara dalam evolusi mikrostruktur selama perlakuan termomekanik. Memahami pembentukan dan perilaku subgrain sangat penting untuk mengendalikan hubungan mikrostruktur-sifat dalam baja berkinerja tinggi.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Subgrain ditandai oleh orientasi kristalografi mereka, yang sejajar erat dengan butir induk tetapi menunjukkan penyimpangan kecil di sepanjang batas sudut rendah. Batas ini terdiri dari susunan dislokasi yang menghasilkan perubahan bertahap dalam orientasi kisi, biasanya kurang dari 15°, yang membedakannya dari batas butir sudut tinggi.

Susunan atom dalam subgrain tetap pada dasarnya sama dengan kristal induk, mempertahankan sistem kristal yang sama—umumnya kubik berpusat badan (BCC) dalam baja feritik atau kubik berpusat wajah (FCC) dalam baja austenitik. Parameter kisi konsisten dengan fase bulk, dengan distorsi lokal kecil akibat susunan dislokasi.

Hubungan kristalografi antara subgrain dan matriks sekitarnya sering ditandai oleh peta orientasi yang diperoleh melalui difraksi elektron backscatter (EBSD). Peta ini mengungkapkan bahwa subgrain adalah daerah dengan orientasi hampir koheren, dipisahkan oleh batas sudut rendah yang berfungsi sebagai antarmuka internal dalam butir yang lebih besar.

Fitur Morfologis

Morfologis, subgrain biasanya berukuran submikron hingga beberapa mikrometer, sering berkisar antara 0,1 hingga 10 mikrometer tergantung pada sejarah pemrosesan baja. Mereka muncul sebagai domain yang berbeda dalam butir induk, dengan batas yang umumnya halus dan melengkung, mencerminkan susunan dislokasi.

Dalam mikroskopi optik, subgrain biasanya tidak terlihat secara langsung karena ukuran kecil dan kontras rendahnya. Namun, di bawah mikroskop elektron, mereka muncul sebagai daerah dengan perbedaan kontras halus, sering terlihat sebagai jaringan batas sudut rendah. Distribusi mereka dalam butir bisa seragam atau terkelompok, tergantung pada kondisi deformasi atau perlakuan panas.

Bentuk subgrain cenderung ekuiaxial atau memanjang, sejajar dengan arah slip dislokasi atau proses pemulihan. Konfigurasi tiga dimensi mereka sering menyerupai pola jaringan atau mozaik dalam butir induk, mempengaruhi topologi mikrostruktur secara keseluruhan.

Sifat Fisik

Secara fisik, subgrain mempengaruhi beberapa sifat material:

• Kepadatan: Karena subgrain adalah daerah internal dalam butir, kepadatannya sangat cocok dengan fase bulk, dengan perbedaan yang dapat diabaikan.
• Konduktivitas Listrik dan Termal: Kehadiran batas sudut rendah sedikit menghambat transportasi elektron dan fonon, yang mengarah pada pengurangan marginal dalam konduktivitas listrik dan termal dibandingkan dengan kristal tanpa cacat.
• Sifat Magnetik: Dalam baja ferromagnetik, batas subgrain dapat bertindak sebagai situs pengikat untuk dinding domain magnetik, mempengaruhi permeabilitas magnetik dan koersivitas.
• Sifat Mekanik: Subgrain berkontribusi pada mekanisme penguatan dengan menghambat gerakan dislokasi, sehingga meningkatkan kekuatan hasil dan kekerasan. Mereka juga mempengaruhi keuletan dan ketangguhan dengan memodifikasi distribusi regangan internal.

Jika dibandingkan dengan konstituen mikrostruktur lainnya seperti batas butir atau presipitat, subgrain ditandai oleh batas sudut rendah dan perannya sebagai zona akomodasi regangan internal daripada antarmuka fase yang berbeda.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan subgrain didorong oleh pengurangan energi elastis yang tersimpan yang terkait dengan dislokasi yang dihasilkan selama proses deformasi atau pemulihan. Ketika sebuah kristal mengalami deformasi plastis, dislokasi berlipat ganda dan terorganisir menjadi konfigurasi energi rendah, seperti dinding dislokasi atau susunan, yang membentuk batas subgrain.

Dari sudut pandang termodinamika, sistem meminimalkan energi bebasnya dengan mengurangi total kepadatan dislokasi dan regangan internal. Pembentukan batas sudut rendah secara efektif membagi kristal menjadi daerah dengan orientasi yang sedikit berbeda, mengurangi energi regangan elastis yang tersimpan dalam kisi.

Diagram fase kurang terlibat langsung dalam pembentukan subgrain, tetapi stabilitas mikrostruktur tergantung pada suhu dan komposisi, mempengaruhi mobilitas dislokasi dan perilaku pemulihan.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan subgrain melibatkan mekanisme nukleasi dan pertumbuhan yang diatur oleh dinamika dislokasi. Awalnya, dislokasi yang dihasilkan selama deformasi atau pemulihan tersusun menjadi dinding atau batas sudut rendah, membentuk inti subgrain.

Pertumbuhan subgrain terjadi melalui pengaturan ulang dan pemusnahan dislokasi, didorong oleh stres internal dan aktivasi termal. Laju pembentukan dipengaruhi oleh suhu, laju regangan, dan kepadatan dislokasi awal. Suhu yang lebih tinggi memfasilitasi pendakian dislokasi dan slip silang, mempercepat perkembangan subgrain.

Langkah yang mengendalikan laju sering kali adalah migrasi dan pengaturan ulang dislokasi di sepanjang batas, dengan energi aktivasi biasanya dalam kisaran 100–200 kJ/mol. Proses ini mengikuti perilaku tipe Arrhenius, dengan laju pembentukan meningkat secara eksponensial dengan suhu.

Faktor yang Mempengaruhi

Faktor kunci yang mempengaruhi pembentukan subgrain meliputi:

• Komposisi Paduan: Unsur-unsur seperti karbon, nitrogen, dan tambahan mikro paduan mempengaruhi mobilitas dislokasi dan perilaku pemulihan.
• Kondisi Deformasi: Laju regangan yang lebih tinggi meningkatkan kepadatan dislokasi, mendorong pembentukan subgrain selama pemulihan berikutnya.
• Parameter Perlakuan Panas: Suhu tinggi dan laju pendinginan yang tepat memfasilitasi pengaturan ulang dislokasi menjadi batas sudut rendah.
• Mikrostruktur yang Sudah Ada: Mikrostruktur yang halus atau sangat terdeformasi menyediakan sumber dislokasi yang melimpah, mempercepat perkembangan subgrain.

Parameter pemrosesan seperti mode deformasi (kompresi, ketegangan, penggulungan) dan mikrostruktur sebelumnya secara signifikan mempengaruhi ukuran, distribusi, dan stabilitas subgrain.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Sudut penyimpangan ( \theta ) antara daerah subgrain dapat dihubungkan dengan kepadatan dislokasi ( \rho ) melalui hubungan geometris:

$$
\theta = \frac{b}{d}
$$

di mana:

• ( \theta ) adalah sudut penyimpangan (radian),
• ( b ) adalah magnitudo vektor Burgers (m),
• ( d ) adalah jarak antara dislokasi dalam batas (m).

Kepadatan dislokasi dalam batas berhubungan dengan penyimpangan batas sebagai:

$$
\rho = \frac{\theta}{b}
$$

Total energi ( E ) yang terkait dengan