Pembentukan Kembar dalam Mikrostruktur Baja: Dampak pada Sifat dan Pengolahan

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah twin dalam mikrostruktur baja mengacu pada jenis cacat kristalografi tertentu yang ditandai oleh hubungan orientasi simetris, cermin dalam kisi kristal. Ini muncul sebagai batas yang koheren atau semi-koheren di mana susunan atom di satu sisi batas adalah refleksi cermin dari sisi lainnya, menghasilkan antarmuka yang terdefinisi dengan baik dan teratur.

Di tingkat atom, twin terbentuk melalui transformasi geser yang mengubah orientasi sebagian dari kisi kristal, menciptakan simetri cermin di sepanjang bidang kristalografi tertentu yang disebut bidang twin. Proses ini melibatkan pergeseran terkoordinasi dari atom, mempertahankan integritas kisi secara keseluruhan tetapi mengubah orientasi secara lokal.

Dalam metalurgi baja, twin sangat penting karena mempengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan. Mereka bertindak sebagai penghalang terhadap gerakan dislokasi, sehingga berkontribusi pada pengerasan kerja dan akomodasi regangan. Memahami twin sangat penting untuk rekayasa mikrostruktur, terutama dalam pemrosesan termomekanik, di mana pengendalian pembentukan twin dapat mengoptimalkan kinerja baja.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Twins umumnya diamati dalam logam kubik pusat muka (FCC) dan kubik pusat tubuh (BCC), termasuk banyak baja. Jenis twin yang paling umum dalam baja adalah twin annealing dalam austenit FCC dan ferit, yang terjadi di sepanjang bidang kristalografi tertentu.

Dalam struktur FCC, batas twin biasanya terbentuk di sepanjang bidang {111}, yang padat dan energetik menguntungkan untuk pembentukan twin. Bidang twin bertindak sebagai bidang cermin, dengan susunan atom di kedua sisi terkait oleh operasi simetri yang disebut refleksi.

Parameter kisi untuk baja FCC adalah sekitar 0,36 nm, dengan bidang {111} yang terorientasi pada sudut tertentu relatif terhadap sumbu kristal. Hubungan twin melibatkan refleksi di sepanjang bidang {111}, menghasilkan simetri cermin antara twin dan kisi induk.

Dalam baja BCC, twin sering terbentuk di sepanjang bidang {112} atau {111}, dengan susunan atom mencerminkan operasi simetri yang serupa. Hubungan orientasi kristalografi antara twin dan matriks dijelaskan oleh hubungan orientasi Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, yang menentukan hubungan sudut antara twin dan butir induk.

Fitur Morfologis

Morfologis, twin muncul sebagai fitur planar dalam mikrostruktur, sering kali membentang lebih dari beberapa mikrometer dalam panjang. Mereka biasanya merupakan daerah tipis, lamelar dengan ketebalan berkisar dari beberapa nanometer hingga beberapa mikrometer, tergantung pada kondisi pembentukan.

Di bawah mikroskop optik, twin terlihat sebagai pita sempit, terang atau gelap dalam butir, sering kali menunjukkan pola cermin yang khas. Di bawah mikroskop elektron, mereka muncul sebagai batas koheren atau semi-koheren dengan perubahan orientasi kristalografi yang jelas.

Distribusi twin dalam mikrostruktur baja dapat bersifat acak atau teratur, tergantung pada riwayat deformasi dan perlakuan termal. Twin dapat terbentuk di daerah terisolasi atau sebagai jaringan, terutama selama deformasi plastis yang parah atau annealing.

Sifat Fisik

Twins mempengaruhi beberapa sifat fisik baja. Mereka umumnya meningkatkan kekuatan material dengan menghambat gerakan dislokasi, berkontribusi pada pengerasan regangan. Sifat koheren dari batas twin menghasilkan gangguan minimal pada kisi, mempertahankan ketangguhan yang baik.

Dalam hal densitas, twin tidak secara signifikan mengubah densitas keseluruhan baja, karena mereka pada dasarnya adalah reorientasi kisi daripada fase volumetrik. Namun, mereka dapat mempengaruhi sifat magnetik, terutama pada baja BCC, dengan memodifikasi struktur domain magnetik.

Dari segi termal, twin dapat bertindak sebagai situs nukleasi untuk transformasi fase, seperti transformasi martensitik atau bainitik, mempengaruhi kinetika dan mikrostruktur yang dihasilkan. Kehadiran mereka juga dapat sedikit mempengaruhi konduktivitas listrik karena hamburan batas dari elektron.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan twin diatur oleh keseimbangan termodinamika antara biaya energi untuk menciptakan batas dan pengurangan energi yang dicapai melalui akomodasi geser atau pelepasan regangan. Batas twin umumnya merupakan antarmuka energi rendah dibandingkan dengan batas butir lainnya, menjadikan pembentukannya secara termodinamika menguntungkan dalam kondisi tertentu.

Perubahan energi bebas (ΔG) yang terkait dengan pembentukan twin melibatkan pengurangan energi regangan elastis selama deformasi dan energi antarmuka dari batas twin. Ketika tegangan geser melebihi nilai kritis, nukleasi twin mengurangi total energi bebas sistem.

Diagram fase, seperti diagram kesetimbangan Fe–C, menunjukkan bahwa pembentukan twin lebih disukai dalam rentang suhu dan komposisi tertentu, terutama selama proses deformasi rendah hingga sedang atau annealing di mana mobilitas atom memungkinkan reorientasi yang diinduksi oleh geser.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi twin terjadi melalui mekanisme geser yang melibatkan pergeseran atom yang terkoordinasi. Tegangan geser kritis yang diperlukan untuk nukleasi twin tergantung pada energi cacat tumpukan (SFE) material, suhu, dan mikrostruktur yang ada.

Pertumbuhan twin berlangsung melalui pergerakan batas twin yang didorong oleh tegangan geser, dengan laju yang dikendalikan oleh difusi atom dan aktivitas dislokasi. Kinetika sering dijelaskan oleh model klasik yang didorong oleh geser, di mana kecepatan batas twin (v) terkait dengan tegangan geser yang diterapkan (τ) melalui parameter mobilitas (M):

$$v = M \times \tau $$

Energi aktivasi (Q) untuk migrasi batas twin mempengaruhi ketergantungan suhu dari pertumbuhan twin, dengan suhu yang lebih tinggi memfasilitasi pembentukan twin yang lebih cepat.

Diagram waktu-suhu-transformasi (TTT) untuk baja menunjukkan bahwa pembentukan twin lebih umum selama pendinginan lambat atau annealing, di mana mobilitas atom memungkinkan reorientasi geser tanpa menghasilkan dislokasi yang berlebihan.

Faktor yang Mempengaruhi

Faktor kunci yang mempengaruhi pembentukan twin meliputi:

• Energi Cacat Tumpukan (SFE): SFE rendah mendukung pembentukan twin karena aktivitas dislokasi parsial mendorong geser dan pembentukan twin. Baja dengan SFE tinggi cenderung mengalami deformasi melalui slip dislokasi daripada pembentukan twin.

• Elemen Paduan: Elemen seperti Mn, Ni, dan C memodifikasi SFE, sehingga mempengaruhi kecenderungan twin. Misalnya, baja kaya Mn cenderung memiliki SFE lebih rendah, mendorong pembentukan twin.

• Mode Deformasi dan Laju Regangan: Deformasi plastis yang parah, seperti penggulungan dingin atau proses laju regangan tinggi, meningkatkan pembentukan twin karena tegangan geser yang tinggi.

• Suhu: Suhu yang lebih rendah meningkatkan tegangan geser kritis untuk gerakan dislokasi, mendukung pembentukan twin daripada slip.

• Mikrostruktur yang Sudah Ada: Mikrostruktur yang halus atau sangat terdeformasi menyediakan situs nukleasi dan jalur untuk pembentukan twin.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Tegangan geser kritis (τ_c) untuk nukleasi twin dapat diperkirakan dengan:

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

di mana:

• ( \gamma_{twin} ) adalah energi batas twin per unit area,

• ( b ) adalah magnitudo vektor Burgers,

• ( d ) adalah ukuran inti twin atau jarak bidang geser.

Kecepatan migrasi batas twin (v) terkait dengan tegangan geser yang diterapkan (τ) sebagai:

$$v = M \