Kembar, Deformasi: Pembentukan Mikrostruktur dan Dampaknya pada Sifat Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Kembar, Deformasi mengacu pada fitur mikrostruktural spesifik yang ditandai oleh pembentukan daerah-daerah simetris cermin yang tidak berubah dalam kisi dalam material kristalin, yang dihasilkan dari proses deformasi. Daerah kembar ini ditandai oleh hubungan kristalografi yang terdefinisi dengan baik dengan matriks induk, terbentuk sebagai respons terhadap stres yang diterapkan selama deformasi plastik.

Di tingkat atom, kembar deformasi terbentuk melalui mekanisme geser yang terkoordinasi yang mengubah orientasi sebagian kisi kristal sepanjang bidang dan arah kristalografi tertentu. Proses ini melibatkan perpindahan geser yang menghasilkan susunan kisi simetris, secara efektif menciptakan citra cermin di seluruh bidang kembar yang terdefinisi. Perpindahan atom sangat teratur, mempertahankan integritas kristal sambil mengakomodasi regangan.

Dalam metalurgi baja, kembar deformasi signifikan karena mereka mempengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan. Mereka berfungsi sebagai penghalang internal terhadap gerakan dislokasi, sehingga mempengaruhi perilaku pengerasan kerja dan mekanisme deformasi. Memahami pembentukan dan perilaku kembar sangat penting untuk menyesuaikan mikrostruktur dalam baja maju, terutama yang terkena regangan tinggi atau perlakuan termomekanik tertentu.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Kembar deformasi dalam baja biasanya terjadi dalam sistem kristal kubik berpusat tubuh (BCC), yang merupakan karakteristik dari baja ferritik dan martensitik. Susunan atom dalam struktur BCC melibatkan atom yang terletak di sudut kubus dengan satu atom di pusat, menghasilkan parameter kisi sekitar 2,86 Å pada suhu kamar.

Pembagian kembar biasanya adalah bidang {112} atau {111}, tergantung pada mode deformasi spesifik dan komposisi paduan. Untuk baja BCC, sistem kembar utama melibatkan sistem geser {112}〈111〉, di mana geser terjadi sepanjang bidang {112} dalam arah <111>. Geser ini menghasilkan kisi simetris cermin di seluruh batas kembar, yang merupakan antarmuka koheren atau semi-koheren.

Hubungan kristalografi antara kisi induk dan kembar sering dijelaskan oleh hukum kembar, seperti hubungan Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, yang menentukan hubungan orientasi dan sifat batas kembar. Hubungan ini sangat penting untuk memahami orientasi kembar dan interaksinya dengan dislokasi.

Fitur Morfologis

Dari segi morfologi, kembar deformasi muncul sebagai daerah lamelar sempit di dalam butir induk, sering kali sejajar dengan bidang kristalografi tertentu. Lamela kembar biasanya memiliki ketebalan beberapa nanometer hingga beberapa mikrometer, tergantung pada tingkat deformasi dan komposisi baja.

Di bawah mikroskop optik, kembar dapat muncul sebagai garis atau pita paralel tipis di dalam butir, sering kali dengan kontras mirip cermin yang khas. Mikroskop elektron transmisi (TEM) mengungkapkan sifat lamelar dan planar mereka, dengan batas kembar yang jelas memisahkan kembar dari matriks.

Distribusi kembar umumnya seragam dalam baja yang sangat terdeformasi, dengan kepadatan meningkat seiring dengan regangan. Kembar dapat terbentuk dalam kelompok atau sebagai lamela terisolasi, dan morfologi mereka dapat berkembang selama deformasi, bergabung atau membagi tergantung pada keadaan stres lokal.

Sifat Fisik

Kembar deformasi mempengaruhi beberapa sifat fisik mikrostruktur baja. Mereka umumnya kurang padat daripada fase induk karena reorientasi kisi, tetapi kepadatannya tergantung pada tingkat deformasi.

Dari segi magnetik, kembar dapat mengubah struktur domain magnetik, mempengaruhi permeabilitas magnetik dan koersivitas, terutama pada baja feromagnetik. Secara elektrik, batas kembar dapat bertindak sebagai pusat hamburan untuk elektron, sedikit memodifikasi konduktivitas listrik.

Dari segi termal, kembar dapat mempengaruhi jalur konduksi panas, sering kali mengurangi konduktivitas termal karena peningkatan hamburan batas. Kehadiran kembar juga berdampak pada sifat mekanik, terutama meningkatkan kekuatan dan kekerasan melalui mekanisme penguatan batas kembar.

Jika dibandingkan dengan konstituen mikrostruktural lainnya seperti jaringan dislokasi atau presipitat, kembar lebih stabil pada suhu tinggi dan dapat bertahan selama perlakuan panas selanjutnya, mempengaruhi perilaku keseluruhan baja.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan kembar deformasi diatur oleh keseimbangan termodinamika antara energi yang tersimpan dalam kisi akibat dislokasi dan energi yang diperlukan untuk menciptakan batas kembar. Batas kembar memperkenalkan antarmuka dengan energi antarmuka tertentu, yang harus dikompensasi oleh pengurangan energi regangan elastis yang dihasilkan dari reorientasi kisi.

Gaya pendorong untuk pembentukan kembar meningkat dengan stres yang diterapkan dan densitas energi regangan. Energi batas kembar relatif rendah dibandingkan dengan antarmuka lainnya, menjadikan pembentukan kembar secara energetik menguntungkan dalam kondisi tertentu, terutama pada material dengan sistem slip terbatas atau energi kesalahan tumpukan yang tinggi.

Diagram fase dan pertimbangan stabilitas fase menunjukkan bahwa kembar adalah fitur metastabil yang terbentuk selama deformasi plastik daripada fase kesetimbangan. Pembentukannya lebih disukai dalam kondisi di mana gerakan dislokasi dibatasi atau di mana energi kesalahan tumpukan material rendah, memfasilitasi emisi dislokasi parsial dan nukleasi kembar.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi kembar melibatkan emisi dislokasi parsial pada sistem slip tertentu, yang secara kolektif menghasilkan geser yang cukup untuk mengubah orientasi kisi menjadi kembar. Laju nukleasi kembar tergantung pada stres yang diterapkan, suhu, dan ketersediaan situs nukleasi seperti batas butir atau cacat yang ada.

Pertumbuhan kembar terjadi melalui pergerakan batas kembar yang didorong oleh stres geser, dengan kecepatan yang diatur oleh mobilitas antarmuka kembar. Kinetika mengikuti hubungan tipe Arrhenius, dengan energi aktivasi yang terkait dengan migrasi batas dan pengacakan atom.

Diagram waktu-suhu-transformasi (TTT) menggambarkan kondisi di mana kembar terbentuk selama deformasi. Suhu yang lebih tinggi umumnya memfasilitasi migrasi batas kembar, tetapi suhu yang berlebihan dapat menyebabkan pemulihan atau rekristalisasi, mengurangi kepadatan kembar.

Langkah-langkah yang mengontrol laju termasuk emisi dislokasi, migrasi batas, dan pengacakan atom. Kinetika keseluruhan dipengaruhi oleh energi kesalahan tumpukan paduan, ukuran butir, dan mikrostruktur sebelumnya, yang menentukan kemudahan nukleasi dan pertumbuhan kembar.

Faktor yang Mempengaruhi

Komposisi paduan secara signifikan mempengaruhi pembentukan kembar. Unsur-unsur seperti karbon, nitrogen, dan tambahan paduan seperti mangan atau silikon memodifikasi energi kesalahan tumpukan, sehingga mendorong atau menekan pembentukan kembar.

Parameter pemrosesan, termasuk laju regangan, suhu, dan mode deformasi (misalnya, tegangan, kompresi, geser), mempengaruhi kepadatan dan morfologi kembar. Laju regangan yang lebih tinggi cenderung meningkatkan pembentukan kembar karena aktivitas dislokasi yang cepat, sementara suhu yang tinggi dapat mempromosikan pertumbuhan kembar atau memfasilitasi pemulihan, mengurangi kepadatan kembar.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir dan kepadatan dislokasi, juga mempengaruhi pembentukan kembar. Baja dengan butir halus dan kepadatan dislokasi tinggi cenderung lebih banyak nukleasi kembar, sedangkan butir kasar dapat menekan pembentukan kembar karena terbatasnya situs nukleasi.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Stres geser kritis ((\tau_c)) yang diperlukan untuk nukleasi kembar dapat diperkirakan dengan:

$$
\tau_c = \frac{\gamma_{twin}}{b \cdot d}
$$

di mana:

• (\gamma_{twin}) adalah energi batas kembar per unit area (J/m²),
• (b) adalah magnitudo vektor Burgers (m),
• (d) adalah ukuran nukleus k