Kembar, Kristal: Pembentukan, Mikrostruktur, dan Dampaknya terhadap Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah kembar, kristal mengacu pada jenis fitur mikrostruktur tertentu yang ditandai dengan hubungan orientasi simetris, cermin dalam satu kristal atau antara butir yang berdekatan. Ini muncul sebagai batas yang koheren atau semi-koheren di mana susunan atom di kedua sisi adalah refleksi cermin di sepanjang bidang atau sumbu kristalografi tertentu.

Di tingkat atom, kembaran melibatkan reorientasi sebagian dari kisi kristal, yang menghasilkan orientasi yang berbeda tetapi terkait yang mempertahankan hubungan kristalografi tertentu dengan kisi induk. Fenomena ini muncul karena operasi simetri yang melekat dalam grup ruang kristal, memungkinkan sebagian dari kristal mengalami transformasi geser yang menghasilkan simetri cermin.

Dalam metalurgi baja dan ilmu material, kembar sangat signifikan karena mereka mempengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan, duktilitas, dan ketangguhan. Mereka bertindak sebagai penghalang terhadap gerakan dislokasi, berkontribusi pada pengerasan regangan, dan dapat memodifikasi evolusi mikrostruktur selama pemrosesan termomekanik. Memahami pembentukan dan perilaku kembar sangat penting untuk mengontrol mikrostruktur dan mengoptimalkan kinerja baja.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Kembar ditandai oleh hubungan kristalografi tertentu antara domain kembar dan kristal induk. Batas kembar biasanya merupakan antarmuka koheren atau semi-koheren dengan energi rendah yang mematuhi operasi simetri tertentu.

Dalam baja kubik pusat muka (FCC), seperti austenitik atau beberapa baja paduan tinggi, jenis kembar yang paling umum adalah Σ3 kembar, yang melibatkan simetri cermin di sepanjang bidang {111}. Bidang kembar adalah bidang kristalografi {111}, dan orientasi kembar terkait dengan induk melalui rotasi 180° di sekitar sumbu yang tegak lurus terhadap bidang ini.

Dalam baja kubik pusat tubuh (BCC), seperti ferrit atau martensit, kembaran sering terjadi di sepanjang bidang {112} atau {111}, tergantung pada mekanisme deformasi atau transformasi tertentu. Susunan atom di seluruh batas kembar mempertahankan antarmuka koheren atau semi-koheren, dengan distorsi kisi minimal, memfasilitasi pembentukan yang mudah selama deformasi atau transformasi fase.

Hubungan kristalografi antara kembar dan induk sering dijelaskan menggunakan hubungan orientasi Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann dalam baja FCC, menunjukkan korelasi orientasi tertentu yang dapat diprediksi.

Ciri Morfologis

Kembaran muncul sebagai fitur planar dalam mikrostruktur, sering terlihat di bawah mikroskop optik atau elektron. Batas kembar biasanya muncul sebagai antarmuka tipis, lurus, atau sedikit melengkung yang memisahkan dua wilayah dengan orientasi cermin.

Ukuran kembar individu bervariasi secara luas, dari lamela skala nanometer dalam material nanokristalin hingga beberapa mikrometer dalam baja yang terdeformasi. Ketebalan lamela kembar dapat berkisar dari beberapa lapisan atom hingga beberapa nanometer, tergantung pada mekanisme pembentukan.

Dalam tiga dimensi, kembar dapat membentuk struktur lamelar, urutan tumpukan, atau jaringan kompleks, terutama dalam baja yang sangat terdeformasi atau martensitik. Di bawah mikroskop, kembar dibedakan oleh simetri cermin karakteristik dan hubungan orientasi kristalografi tertentu, sering muncul sebagai fitur planar tipis dengan perbedaan kontras yang jelas.

Sifat Fisik

Kembar mempengaruhi beberapa sifat fisik dari mikrostruktur baja:

• Kepadatan: Karena kembar adalah batas koheren atau semi-koheren dengan gangguan kisi minimal, mereka tidak secara signifikan mengubah kepadatan keseluruhan material.
• Kekonduksian Listrik: Kembar dapat menyebarkan elektron di batas, sedikit mengurangi kekonduksian listrik dibandingkan dengan daerah kristal tunggal.
• Sifat Magnetik: Dalam baja ferromagnetik, kembar dapat mempengaruhi struktur domain magnetik, mempengaruhi permeabilitas magnetik dan koersivitas.
• Kekonduksian Termal: Kehadiran batas kembar dapat menghambat transportasi fonon, sedikit mengurangi kekonduksian termal.
• Sifat Mekanik: Kembar bertindak sebagai penghalang terhadap gerakan dislokasi, sehingga meningkatkan kekuatan dan kekerasan sambil berpotensi meningkatkan duktilitas melalui akomodasi regangan.

Jika dibandingkan dengan fitur mikrostruktur lainnya seperti batas butir atau presipitasi, kembar biasanya menyajikan antarmuka energi yang lebih rendah, menjadikannya lebih menguntungkan secara energetik selama proses deformasi atau transformasi fase.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan kembar diatur oleh minimisasi total energi bebas dalam kristal selama deformasi atau transformasi fase. Kembaran mengurangi energi regangan elastis yang terkait dengan distorsi kisi dengan mengakomodasi regangan geser.

Secara khusus, kembaran terjadi ketika penghalang energi untuk slip tinggi atau ketika stres yang diterapkan mendukung mode geser yang kompatibel dengan kembaran. Batas kembar itu sendiri adalah antarmuka energi rendah, dan pembentukannya dapat secara termodinamika menguntungkan jika mengurangi energi bebas keseluruhan sistem di bawah kondisi tertentu.

Diagram fase dan pertimbangan stabilitas fase juga mempengaruhi kembaran. Misalnya, dalam rentang suhu dan komposisi tertentu, kembaran mungkin lebih stabil daripada mekanisme deformasi lainnya seperti slip dislokasi atau transformasi martensitik.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi kembar melibatkan deformasi geser lokal dari kisi kristal, sering dimulai di konsentrator stres seperti tumpukan dislokasi, inklusi, atau batas butir. Stres geser kritis yang diperlukan untuk nukleasi kembar tergantung pada faktor-faktor seperti suhu, stres yang diterapkan, dan konstanta elastis material.

Pertumbuhan kembar berlangsung melalui propagasi geser di sepanjang bidang kembar, dengan laju yang dikendalikan oleh mobilitas atom dan kemudahan reorientasi kisi. Proses ini sering cepat selama deformasi, terjadi dalam rentang mikrodetik hingga milidetik, terutama pada suhu tinggi.

Energi aktivasi untuk nukleasi dan pertumbuhan kembar bervariasi dengan material dan kondisi deformasi. Dalam baja FCC, kembaran dapat menjadi mode deformasi dominan pada laju regangan tinggi atau suhu rendah, di mana slip dislokasi menjadi kurang menguntungkan.

Faktor yang Mempengaruhi

Beberapa faktor mempengaruhi pembentukan kembar:

• Komposisi Kimia: Unsur-unsur seperti nikel, mangan, dan karbon dapat mendorong kembaran dengan mengubah energi kesalahan tumpukan.
• Parameter Pemrosesan: Pengerjaan dingin, laju regangan tinggi, dan perlakuan panas tertentu dapat meningkatkan kepadatan kembar.
• Mikrostruktur Sebelumnya: Ukuran butir yang halus dan kepadatan dislokasi yang ada dapat memfasilitasi nukleasi kembar.
• Suhu: Suhu yang lebih rendah umumnya lebih mendukung kembaran dibandingkan slip karena meningkatnya stres geser kritis untuk gerakan dislokasi.

Dalam baja, energi kesalahan tumpukan (SFE) secara kritis menentukan kecenderungan untuk kembaran; SFE rendah mendukung kembaran, sementara SFE tinggi menekannya.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Pembentukan dan perilaku kembar dapat dijelaskan secara matematis melalui model yang melibatkan regangan geser, energi kesalahan tumpukan, dan stres geser yang teratasi kritis.

• Regangan geser untuk kembaran:

$$
\gamma_{tw} = \frac{b}{d}
$$

di mana (b) adalah magnitudo vektor Burgers, dan (d) adalah ketebalan lamela kembar.

• Stres geser kritis untuk nukleasi kembar:

$$
\tau_{crit} = \frac{\gamma_{tw} \cdot G}{2\pi (1 - \nu