Kembar, Annealing: Pembentukan Mikrostruktur dan Dampaknya pada Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah twin dalam konteks mikrostruktur baja yang di-anneal mengacu pada jenis cacat kristalografi tertentu yang ditandai dengan hubungan orientasi simetris cermin dalam kisi kristal. Fitur-fitur ini terbentuk selama perlakuan termal, terutama annealing, dan muncul sebagai batasan koheren atau semi-koheren yang membagi kristal menjadi daerah dengan orientasi yang berbeda tetapi saling terkait.

Secara fundamental, twin atomik atau kristalografi adalah bentuk reorientasi kisi simetris yang terjadi melalui transformasi geser, menghasilkan kisi cermin di seberang bidang tertentu yang disebut bidang twin. Proses ini melibatkan pergeseran terkoordinasi dari bidang atom, mempertahankan batas energi rendah yang secara energetik menguntungkan di bawah kondisi termodinamika tertentu.

Dalam metalurgi baja, twin secara signifikan mempengaruhi evolusi mikrostruktur, sifat mekanik, dan perilaku deformasi. Mereka berfungsi sebagai penghalang terhadap gerakan dislokasi, mempengaruhi karakteristik batas butir, dan dapat memfasilitasi proses pemulihan dan rekristalisasi. Memahami pembentukan twin selama annealing sangat penting untuk mengontrol penyempurnaan mikrostruktur, kekuatan mekanik, duktilitas, dan ketangguhan pada berbagai jenis baja.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Twin kristalografi dalam baja terutama terkait dengan sistem kristal kubik berpusat muka (FCC) atau kubik berpusat badan (BCC), tergantung pada fase baja yang terlibat. Dalam baja ferritik (BCC), twinning kurang umum tetapi dapat terjadi di bawah kondisi tertentu, sedangkan dalam baja austenitik (FCC), twinning lebih umum.

Jenis twin yang paling umum dalam baja FCC adalah Σ3 twin, yang ditandai dengan simetri cermin di seberang bidang {111}. Batas twin adalah antarmuka koheren atau semi-koheren dengan ketidakcocokan kisi yang rendah, sering kali menunjukkan bidang twin yang merupakan bidang kristalografi {111}. Parameter kisi dari domain induk dan twin terkait oleh operasi cermin, dengan orientasi twin menjadi gambar cermin dari induk di seberang bidang twin.

Dalam baja BCC, twin deformasi sering terbentuk di sepanjang bidang {112}, dengan batas twin menunjukkan hubungan cermin di seberang bidang twin. Susunan atom di seberang batas twin mempertahankan tingkat kontinuitas kisi yang tinggi, meminimalkan energi batas.

Hubungan orientasi kristalografi antara twin dan butir induk biasanya dijelaskan oleh hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann dalam baja FCC, menunjukkan penyelarasan orientasi tertentu yang mendukung pembentukan twin.

Fitur Morfologis

Twinning muncul sebagai fitur planar dalam mikrostruktur, tampak sebagai lamela atau pita simetris cermin yang tipis yang tertanam dalam butir. Di bawah mikroskop optik, twin muncul sebagai garis tipis, lurus, atau sedikit melengkung yang membagi butir menjadi dua daerah dengan orientasi yang berbeda.

Dalam mikroskop elektron transmisi (TEM), twin diamati sebagai batas yang tajam secara atom dengan simetri cermin yang khas. Lamela twin biasanya memiliki ketebalan beberapa nanometer hingga beberapa mikrometer, tergantung pada kondisi pemrosesan.

Distribusi twin dapat seragam atau terlokalisasi, sering kali terbentuk di sepanjang batas butir, di dalam butir, atau di lokasi deformasi. Morfologi mereka dapat bervariasi dari lamela sederhana hingga jaringan kompleks, terutama dalam baja yang sangat terdeformasi atau di-anneal.

Sifat Fisik

Twin mempengaruhi beberapa sifat fisik dari mikrostruktur baja:

• Kepadatan: Twin sedikit meningkatkan kepadatan lokal karena batas koheren, tetapi secara keseluruhan, perubahan kepadatan tidak signifikan pada skala makro.
• Konduktivitas Listrik: Batas twin bertindak sebagai pusat hamburan untuk elektron, mengurangi konduktivitas listrik secara marginal dibandingkan dengan matriks.
• Sifat Magnetik: Dalam baja ferromagnetik, twin dapat mengubah struktur domain magnetik, mempengaruhi permeabilitas magnetik dan koersivitas.
• Konduktivitas Termal: Kehadiran batas twin memperkenalkan situs hamburan fonon, yang menyebabkan pengurangan kecil dalam konduktivitas termal.

Jika dibandingkan dengan konstituen mikrostruktur lainnya seperti batas butir atau presipitat, twin ditandai oleh antarmuka koheren energi rendah, yang mempengaruhi stabilitas dan interaksinya dengan dislokasi.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan twin selama annealing diatur oleh pertimbangan termodinamika yang mendukung konfigurasi batas energi rendah. Batas twin adalah salah satu batas butir energi terendah karena derajat kecocokan kisi yang tinggi dan simetri cermin, yang meminimalkan energi batas.

Perubahan energi bebas (ΔG) yang terkait dengan pembentukan twin dipengaruhi oleh pengurangan energi yang tersimpan dari pengaturan ulang dislokasi dan energi batas. Ketika pengurangan total energi melebihi biaya energi untuk menciptakan batas twin, twinning menjadi menguntungkan secara termodinamika.

Diagram fase dan pertimbangan stabilitas fase menunjukkan bahwa dalam rentang suhu tertentu, terutama selama pemulihan dan annealing suhu rendah, pembentukan twin mengurangi energi bebas keseluruhan dari mikrostruktur, mendorong perkembangan mereka.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi twin melibatkan geser terkoordinasi dari bidang atom, yang dapat diaktifkan oleh energi termal dan interaksi dislokasi. Proses ini dikendalikan secara kinetik oleh ketersediaan dislokasi yang bergerak dan kemudahan transformasi geser.

Pertumbuhan twin terjadi melalui migrasi batas twin, difasilitasi oleh difusi atom dan tegangan geser. Laju pertumbuhan twin dipengaruhi oleh suhu, dengan suhu yang lebih tinggi mendorong migrasi batas yang lebih cepat tetapi juga meningkatkan kemungkinan pembatalan atau transformasi batas.

Energi aktivasi untuk pembentukan twin bervariasi tergantung pada komposisi baja dan mikrostruktur awal tetapi umumnya berkisar antara 50 hingga 150 kJ/mol. Kinetika mengikuti perilaku tipe Arrhenius, dengan fraksi volume twin meningkat seiring waktu dan suhu hingga mencapai titik jenuh yang ditentukan oleh keadaan mikrostruktur.

Faktor yang Mempengaruhi

Beberapa faktor mempengaruhi pembentukan twin selama annealing:

• Komposisi Paduan: Unsur-unsur seperti karbon, nitrogen, dan tambahan paduan (Ni, Mn, Cr) memodifikasi energi kesalahan tumpukan (SFE), yang secara langsung mempengaruhi kecenderungan twinning. SFE yang lebih rendah mendukung twinning.
• Parameter Pemrosesan: Suhu annealing yang lebih tinggi dan durasi yang lebih lama mendorong nukleasi dan pertumbuhan twin. Pendinginan cepat dapat menekan pembentukan twin dengan membatasi mobilitas atom.
• Mikrostruktur yang Sudah Ada: Mikrostruktur yang halus atau sangat terdeformasi menyediakan sumber dislokasi yang melimpah, memfasilitasi nukleasi twin selama pemulihan atau rekristalisasi.
• Keadaan Tegangan: Tegangan yang diterapkan atau residual selama annealing dapat mendorong mekanisme geser yang mengarah pada twinning.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Fraksi volume twin $V_twin$ sebagai fungsi dari waktu annealing (t) dan suhu (T) dapat dimodelkan menggunakan persamaan kinetik yang diturunkan dari teori nukleasi dan pertumbuhan klasik:

$$V_{twin}(t, T) = V_{max} \left(1 - e^{-\frac{K(T) \cdot t}{V_{max}}}\right) $$

di mana:

• $V_{max}$ adalah fraksi volume twin maksimum yang dapat dicapai,
• ( K(T) ) adalah konstanta laju yang bergantung pada suhu, dinyatakan sebagai:

$$K(T) = K_0 \cdot e^{-\frac{Q}{RT}} $$

dengan:

• $K_0$ adalah faktor pre-exponential,
• ( Q ) energi aktivasi untuk pembentukan twin,
• ( R )