Strain Kritis: Nilai Ambang yang Mengatur Mikrostuktur Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Regangan kritis mengacu pada jumlah deformasi plastis tertentu di mana perubahan mikrostruktur yang signifikan terjadi pada logam, terutama inisiasi rekristalisasi selama proses pengerjaan panas. Ini mewakili nilai regangan ambang yang harus dilampaui untuk memicu rekristalisasi dinamis selama deformasi atau untuk menyimpan energi yang cukup untuk rekristalisasi statis selama perlakuan panas berikutnya.

Properti ini sangat mendasar dalam pengolahan baja karena menentukan kondisi yang diperlukan untuk memperhalus struktur butir dan mencapai sifat mekanik yang diinginkan. Regangan kritis berfungsi sebagai batas parameter pemrosesan yang memisahkan daerah perilaku yang didominasi pemulihan dari perilaku yang didominasi rekristalisasi.

Dalam konteks yang lebih luas dari metalurgi, regangan kritis menghubungkan pemrosesan mekanis dengan evolusi mikrostruktur, menjembatani kesenjangan antara parameter manufaktur yang diterapkan dan sifat material yang dihasilkan. Ini mewakili konsep kunci dalam pemrosesan termomekanik baja, di mana deformasi dan rekristalisasi yang terkontrol digunakan untuk mengoptimalkan mikrostruktur.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, regangan kritis sesuai dengan akumulasi kepadatan dislokasi yang cukup untuk memberikan gaya pendorong termodinamika untuk rekristalisasi. Ketika baja terdeformasi, dislokasi berlipat ganda dan berinteraksi, menciptakan jaringan kompleks di dalam butir.

Dislokasi ini mewakili energi yang tersimpan dalam bentuk distorsi kisi. Pada ambang regangan kritis, energi yang tersimpan menjadi cukup untuk mengatasi hambatan nukleasi untuk butir baru yang bebas regangan. Sel dislokasi dan subbutir yang terbentuk selama deformasi berfungsi sebagai situs nukleasi preferensial untuk rekristalisasi.

Mekanisme fisik melibatkan pengaturan ulang dislokasi menjadi konfigurasi energi yang lebih rendah, diikuti oleh migrasi batas butir sudut tinggi yang mengkonsumsi struktur yang terdeformasi. Proses ini sangat bergantung pada suhu, dengan suhu yang lebih tinggi mengurangi regangan kritis yang diperlukan.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan regangan kritis didasarkan pada pertimbangan energi yang tersimpan. Model Sellars mengaitkan regangan kritis ($\varepsilon_c$) dengan ukuran butir awal dan kondisi deformasi melalui persamaan tipe Arrhenius.

Pemahaman historis berkembang dari pengamatan empiris pada awal abad ke-20 hingga model kuantitatif pada tahun 1970-an-80-an, terutama melalui karya Sellars dan McQueen. Penelitian mereka menetapkan hubungan antara parameter Zener-Hollomon dan regangan kritis.

Pendekatan alternatif termasuk hubungan Bailey-Hirsch yang menghubungkan kepadatan dislokasi dengan tegangan aliran, dan pekerjaan terbaru yang menggunakan automata seluler dan model fase-lapangan. Pendekatan komputasi yang lebih baru ini mencoba untuk mensimulasikan proses nukleasi dan pertumbuhan pada tingkat mikrostruktur.

Dasar Ilmu Material

Regangan kritis sangat terkait dengan struktur kristal, dengan logam FCC seperti baja austenitik menunjukkan nilai regangan kritis yang berbeda dibandingkan dengan ferit BCC. Batas butir berfungsi sebagai penghalang dislokasi dan situs potensial nukleasi untuk rekristalisasi.

Mikrostruktur sebelum deformasi secara signifikan mempengaruhi nilai regangan kritis. Faktor-faktor seperti ukuran butir awal, keberadaan partikel fase kedua, dan sejarah pemrosesan sebelumnya mempengaruhi akumulasi dan distribusi dislokasi selama deformasi.

Properti ini terhubung dengan prinsip dasar ilmu material termasuk teori dislokasi, migrasi batas butir, dan termodinamika nukleasi. Ini mewakili persimpangan antara input kerja mekanis dan proses evolusi mikrostruktur yang diaktifkan secara termal.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Regangan kritis untuk rekristalisasi dinamis ($\varepsilon_c$) biasanya dinyatakan sebagai:

$$\varepsilon_c = A \cdot d_0^m \cdot Z^n$$

Di mana:
- $\varepsilon_c$ adalah regangan kritis
- $d_0$ adalah ukuran butir awal (μm)
- $Z$ adalah parameter Zener-Hollomon ($Z = \dot{\varepsilon} \cdot \exp(Q/RT)$)
- $A$, $m$, dan $n$ adalah konstanta spesifik material
- $\dot{\varepsilon}$ adalah laju regangan (s⁻¹)
- $Q$ adalah energi aktivasi untuk deformasi (kJ/mol)
- $R$ adalah konstanta gas (8.314 J/mol·K)
- $T$ adalah suhu mutlak (K)

Formula Perhitungan Terkait

Tegangan kritis ($\sigma_c$) yang sesuai dengan regangan kritis dapat dihitung menggunakan:

$$\sigma_c = K \cdot \varepsilon_c^n$$

Di mana:
- $\sigma_c$ adalah tegangan kritis
- $K$ adalah koefisien kekuatan
- $n$ adalah eksponen pengerasan regangan

Hubungan antara regangan kritis dan regangan puncak ($\varepsilon_p$) dalam kurva aliran sering dinyatakan sebagai:

$$\varepsilon_c = \alpha \cdot \varepsilon_p$$

Di mana $\alpha$ biasanya 0.6-0.8 untuk sebagian besar baja, memungkinkan regangan kritis ditentukan dari kurva aliran eksperimental.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini umumnya berlaku untuk kondisi deformasi panas di atas 0.5Tm (suhu leleh dalam Kelvin) di mana proses yang diaktifkan secara termal signifikan. Di bawah suhu ini, mekanisme yang berbeda mendominasi.

Model-model ini mengasumsikan deformasi homogen dan tidak memperhitungkan lokalisasi regangan atau efek pemanasan adiabatik yang mungkin terjadi pada laju regangan tinggi. Mereka juga biasanya mengabaikan pengaruh elemen paduan kompleks.

Persamaan ini mengasumsikan kondisi keadaan mantap dan mungkin tidak secara akurat memprediksi perilaku selama jalur deformasi transien atau rute pemrosesan industri yang kompleks di mana jalur regangan dan sejarah suhu bervariasi secara terus-menerus.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

• ASTM E112: Metode Uji Standar untuk Menentukan Ukuran Butir Rata-rata (digunakan untuk mengukur pemurnian butir setelah regangan kritis)
• ISO 6892: Material Logam - Pengujian Tarik (memberikan dasar untuk pengukuran regangan)
• ASTM E2627: Praktik Standar untuk Menentukan Ukuran Butir Rata-rata Menggunakan Difraksi Elektron Backscatter

Standar ini menyediakan metodologi untuk mengkuantifikasi perubahan mikrostruktur yang dihasilkan dari melampaui ambang regangan kritis, meskipun regangan kritis itu sendiri biasanya ditentukan melalui teknik penelitian khusus.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Pengujian kompresi panas menggunakan simulator termomekanik Gleeble adalah metode yang paling umum untuk penentuan regangan kritis. Sistem ini memberikan kontrol yang tepat terhadap suhu, regangan, dan laju regangan sambil mengukur respons beban.

Pengujian torsi menawarkan pendekatan alternatif yang memungkinkan regangan yang lebih besar tanpa pembulatan spesimen. Kedua metode bergantung pada prinsip pemantauan perilaku stres-regangan untuk mengidentifikasi titik belok yang menunjukkan transisi mikrostruktur.

Karakterisasi lanjutan sering menggunakan difraksi sinar-X sinkrotron in-situ atau difraksi neutron untuk mengamati evolusi mikrostruktur secara real-time selama deformasi, meskipun teknik ini memerlukan fasilitas khusus.

Persyaratan Sampel

Spesimen silindris standar untuk pengujian kompresi biasanya memiliki diameter 10mm × tinggi 15mm, dengan rasio aspek antara 1.2 dan 1.5 untuk meminimalkan efek pembulatan.

Persiapan permukaan memerlukan penggilingan halus untuk memastikan kontak yang seragam dengan plat, meskipun pemeriksaan metalografi akhir memerlukan persiapan metalografi