Pengembangan Struktur Mikro dalam Paduan Isomorf

Pendinginan Kesetimbangan

Pada titik ini diinstruksikan untuk memeriksa perkembangan mikro yang terjadi untuk paduan isomorf selama pemadatan. Kami pertama-tama memperlakukan situasi di mana pendinginan terjadi sangat lambat, dalam fase itu keseimbangan terus dipertahankan.

Mari kita perhatikan sistem tembaga-nikel, khususnya paduan komposisi 35 wt% Ni–65 wt% Cu saat didinginkan dari 1300 °C. Pendinginan paduan komposisi ini bergerak ke bawah garis putus-putus vertikal. Pada 1300 °C, titik a, paduan benar-benar cair (komposisi 35% berat Ni–65% berat Cu) dan memiliki mikrostruktur yang diwakili oleh inset lingkaran pada gambar. Saat pendinginan dimulai, tidak ada perubahan mikrostruktur atau komposisi yang akan terwujud sampai bahan mencapai garis liquidus (titik b, ~1260 °C). Pada titik ini, padatan pertama 𝛼 mulai terbentuk, yang memiliki komposisi yang ditentukan oleh garis ikat yang ditarik pada suhu ini [yaitu, 46 wt% Ni–54 wt% Cu, dicatat sebagai (46 Ni)]; komposisi cairannya masih kurang lebih 35 wt% Ni–65 wt% Cu [L(35 Ni)], yang berbeda dari padatan. Dengan pendinginan lanjutan, baik komposisi dan jumlah relatif dari masing-masing fase akan berubah. Komposisi fase cair dan 𝛼 akan mengikuti garis liquidus dan garis solidus, masing-masing. Selanjutnya, fraksi fase 𝛼 akan meningkat dengan pendinginan lanjutan. Perhatikan bahwa komposisi paduan keseluruhan (35 wt% Ni–65 wt% Cu) tetap tidak berubah selama pendinginan meskipun ada redistribusi tembaga dan nikel antara fase.

Pada 1240 °C, titik c pada Gambar, komposisi fase cair dan adalah: 29 wt% Ni–71 wt% Cu [L(29 Ni)] dan 40 wt% Ni–60 wt% Cu [𝛼(40 Ni)], masing-masing. Proses pemadatan hampir selesai pada sekitar 1220 °C, titik d; komposisi padatan kira-kira 35% berat Ni–65% berat Cu (paduan keseluruhan komposisi), sedangkan cairan yang tersisa terakhir adalah 24 wt% Ni–76 wt% Cu. Pada melintasi garis solidus, cairan yang tersisa ini membeku; produk akhir kemudian adalah fase polikristalin larutan padat yang memiliki seragam 35 wt% Ni–65 wt% Cu komposisi (titik e). Pendinginan selanjutnya tidak menghasilkan mikrostruktur atau komposisi perubahan.

Pendinginan Tak Seimbang

Kondisi solidifikasi ekuilibrium dan perkembangan struktur mikro, seperti yang dijelaskan di bagian sebelumnya, direalisasikan hanya untuk pendinginan yang sangat lambat. Alasannya adalah bahwa dengan perubahan suhu, harus ada penyesuaian ulang dalam komposisi fase cair dan padat sesuai dengan diagram fase (yaitu, dengan garis liquidus dan solidus), seperti yang dibahas. Penyesuaian kembali dicapai dengan proses difusi di kedua fase padat dan cair dan juga melintasi permukaan fase padat-cair. Karena difusi adalah fenomena yang bergantung pada waktu, untuk menjaga keseimbangan selama pendinginan, waktu yang cukup harus diberikan pada setiap suhu untuk komposisi penyesuaian kembali. Laju difusi (yaitu, besaran koefisien difusi) sangat rendah untuk fase padat dan, untuk kedua fase, penurunan dengan suhu yang semakin berkurang. Dalam hampir semua situasi solidifikasi praktis, laju pendinginan terlalu cepat untuk memungkinkan penyesuaian ulang komposisi dan pemeliharaan keseimbangan; akibatnya, struktur mikro selain yang sebelumnya dijelaskan berkembang.

Mari kita mulai pendinginan dari suhu sekitar 1300 °C; ini ditunjukkan dengan poin a′ di daerah cair. Cairan ini memiliki komposisi 35% berat Ni–65% berat Cu [tercatat seperti L(35 Ni) pada gambar], dan tidak ada perubahan yang terjadi saat pendinginan melalui fase cair wilayah (bergerak ke bawah secara vertikal dari titik a′). Pada titik b′ (sekitar 1260 °C), Partikel fase 𝛼 mulai terbentuk, yang, dari garis ikat yang dibangun, memiliki komposisi dari 46 wt% Ni–54 wt% Cu [𝛼(46 Ni)].

Setelah pendinginan lebih lanjut ke titik c′ (sekitar 1240 °C), komposisi cairan bergeser ke 29% berat Ni–71% berat Cu; Selanjutnya pada suhu tersebut komposisi fasa yang memadat adalah 40 wt% Ni–60 wt% Cu [𝛼(40 Ni)]. Namun, karena difusi dalam padat fase relatif lambat, fase yang terbentuk di titik b′ tidak berubah komposisinya masih sekitar 46 wt% Ni dan komposisi dari butir terus berubah dengan posisi radial, dari 46 wt% Ni pada bulir pusat ke 40 wt% Ni di batas butir luar. Jadi, pada titik c′, rata-rata komposisi dari padatan butir yang telah terbentuk akan menjadi beberapa volume-tertimbang rata-rata komposisi terletak antara 46 dan 40 wt% Ni. Mari kita mengambil komposisi rata-rata ini menjadi 42 wt% Ni–58 wt% Cu [𝛼(42 Ni)]. Lebih-lebih lagi, kami juga akan menemukan bahwa, berdasarkan perhitungan aturan tuas, proporsi yang lebih besar dari cairan hadir untuk kondisi tidak seimbang ini daripada untuk pendinginan keseimbangan. Itu implikasi dari fenomena solidifikasi nonequilibrium ini adalah bahwa solidus garis pada diagram fase telah digeser ke konten Ni yang lebih tinggi ke komposisi rata-rata dari fase (misalnya, 42 wt% Ni pada 1240 °C)—dan diwakili oleh garis putus-putus garis pada Gambar. Tidak ada perubahan yang sebanding dari garis likuidus sejauh itu adalah diasumsikan bahwa kesetimbangan dipertahankan dalam fase cair selama pendinginan karena laju difusi yang cukup cepat.

Pada titik d′ (~1220 °C) dan untuk laju pendinginan ekuilibrium, pemadatan harus lengkap. Namun, untuk situasi tidak seimbang ini, masih ada proporsi cairan yang tersisa yang cukup besar, dan fase yang terbentuk memiliki komposisi 35 wt% Ni [𝛼(35 Ni)]; juga komposisi fase rata-rata pada titik ini adalah 38% berat Ni [𝛼(38 Ni)].

Pemadatan nonequilibrium akhirnya mencapai penyelesaian pada titik e′ (~1205 °C). Komposisi fase terakhir yang memadat pada titik ini adalah sekitar 31% berat Ni; rata-rata komposisi fase pada pemadatan sempurna adalah 35% berat Ni. Inset pada titik f menunjukkan struktur mikro dari bahan yang benar-benar padat.

Derajat perpindahan kurva solidus nonequilibrium dari kesetimbangan satu tergantung pada tingkat pendinginan; semakin lambat laju pendinginan, semakin kecil ini perpindahan, perbedaan antara padatan kesetimbangan dan padatan rata-rata komposisi lebih rendah. Selanjutnya, jika laju difusi dalam fase padat meningkat, ini pemindahan menurun.

Ada beberapa konsekuensi penting untuk paduan isomorf yang telah memadat: dalam kondisi tidak seimbang. Seperti yang telah dibahas sebelumnya, distribusi keduanya elemen dalam butir tidak seragam, sebuah fenomena yang disebut segregasi—bahwa adalah, konsentrasi gradien didirikan di seluruh butir yang diwakili oleh insets. Bagian tengah setiap butir, yang merupakan bagian pertama yang dibekukan, kaya akan elemen leleh tinggi (misalnya, nikel untuk sistem Cu-Ni ini), sedangkan konsentrasi itu elemen leleh rendah meningkat dengan posisi dari wilayah ini ke batas butir. Ini disebut inti struktur, yang menimbulkan sifat kurang optimal. Sebagai pengecoran yang memiliki struktur inti dipanaskan kembali, daerah batas butir meleleh terlebih dahulu karena mereka lebih kaya akan komponen dengan titik leleh rendah. Ini menghasilkan kerugian tiba-tiba dalam mekanis integritas karena film cair tipis yang memisahkan butir. Lebih-lebih lagi, ini pelelehan dapat dimulai pada suhu di bawah suhu keseimbangan solidus itu paduan. Coring dapat dihilangkan dengan perlakuan panas homogenisasi yang dilakukan pada: Sebuah suhu di bawah titik solidus untuk komposisi paduan tertentu. Selama ini proses, difusi atom terjadi, yang menghasilkan butiran komposisi homogen.

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL SEPUTAR MATERIAL TEKNIK LAINNYA!

Kontributor: Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Callister, William D. Jr, dan Rethwisch, David G. 2018. Materials Science and Engineering An Introduction (10^th ed). Amerika Serikat: John Wiley & Sons, Inc.