Kerapuhan Solder: Risiko Utama dan Pencegahan dalam Pengendalian Kualitas Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Patah Solder adalah fenomena metalurgi yang ditandai dengan pengurangan signifikan dalam duktilitas dan ketangguhan baja akibat adanya paduan solder dengan titik lebur rendah atau kotoran tertentu yang difusi ke dalam matriks baja. Cacat ini muncul sebagai penurunan yang jelas dalam kemampuan material untuk deformasi plastis tanpa patah, sering kali mengarah pada kegagalan rapuh di bawah stres mekanis.

Dalam konteks pengendalian kualitas baja dan pengujian material, patah solder adalah perhatian kritis karena dapat mengkompromikan integritas struktural komponen baja, terutama yang terkena proses pengelasan, penyolderan, atau brazing. Ini dianggap sebagai bentuk patah metalurgi yang dihasilkan dari difusi yang tidak diinginkan atau kontaminasi elemen atau fase tertentu ke dalam mikrostruktur baja.

Dalam kerangka yang lebih luas dari jaminan kualitas baja, patah solder menandakan pentingnya mengendalikan komposisi paduan, kondisi pemrosesan, dan perlakuan pasca-pemrosesan untuk mencegah pembentukan zona rapuh. Ini adalah faktor kunci dalam memastikan keandalan dan keamanan produk baja yang digunakan dalam aplikasi kritis seperti bejana tekan, pipa, dan komponen struktural.

Sifat Fisik dan Dasar Metalurgi

Manifestasi Fisik

Di tingkat makro, patah solder muncul sebagai patahan mendadak dan rapuh selama pengujian mekanis atau beban layanan, sering kali dengan sedikit deformasi plastis sebelum kegagalan. Permukaan patah biasanya menunjukkan fitur yang khas dari kegagalan rapuh, seperti faset cleave, retakan intergranular, atau penampilan granular.

Secara mikroskopis, patah solder muncul sebagai adanya fase intermetallic rapuh, segregasi, atau zona difusi di batas butir, antarmuka, atau dalam mikrostruktur. Wilayah ini sering kali menunjukkan kurangnya fitur duktil seperti dimples atau slip bands, sebaliknya menunjukkan morfologi patah rapuh.

Fitur karakteristik meliputi:

• Retakan intergranular yang sejajar di sepanjang batas butir.
• Adanya senyawa intermetallic rapuh, seperti fase berbasis timah, seng, atau timbal tertentu.
• Microvoids atau microcracks yang berasal dari segregasi kotoran atau elemen paduan.
• Kohesi mikrostruktur yang berkurang, yang mengarah pada propagasi retakan yang mudah.

Mekanisme Metalurgi

Mekanisme dasar di balik patah solder melibatkan difusi paduan solder dengan titik lebur rendah atau kotoran ke dalam mikrostruktur baja, terutama di sepanjang batas butir. Paduan solder yang umum, seperti solder berbasis timah atau seng, mengandung elemen yang dapat berinteraksi dengan konstituen baja di bawah kondisi tertentu.

Selama penyolderan atau paparan suhu tinggi, elemen-elemen ini difusi ke dalam baja, membentuk senyawa intermetallic rapuh atau segregasi di batas butir. Fase-fase ini sering kali ditandai dengan ketangguhan patah yang rendah dan dapat bertindak sebagai situs inisiasi retakan.

Perubahan mikrostruktur meliputi:

• Pembentukan fase intermetallic rapuh (misalnya, senyawa kaya timah atau kaya seng).
• Segregasi kotoran seperti timbal, kadmium, atau elemen beracun lainnya.
• Pengurangan fase duktil atau karbida, yang melemahkan mikrostruktur.
• Patah di batas butir, mengurangi kohesi dan meningkatkan kerentanan terhadap patah intergranular.

Komposisi baja mempengaruhi kerentanan; misalnya, baja dengan kandungan sulfur atau fosfor tinggi mungkin lebih rentan terhadap patah. Kondisi pemrosesan seperti penyolderan suhu tinggi, pendinginan cepat, atau perlakuan panas yang tidak memadai dapat memperburuk difusi dan pembentukan fase yang menyebabkan patah.

Sistem Klasifikasi

Patah solder diklasifikasikan berdasarkan tingkat keparahan, fitur mikrostruktur, dan sejauh mana pembentukan fase yang menyebabkan patah. Kriteria klasifikasi umum meliputi:

• Tipe I (Ringan): Segregasi intergranular minor dengan dampak minimal pada duktilitas; sering kali hanya terdeteksi melalui analisis mikroskopis.
• Tipe II (Sedang): Fase rapuh intergranular yang terlihat menyebabkan pengurangan ketangguhan; mungkin terlihat dalam pengujian mekanis.
• Tipe III (Parah): Pembentukan luas fase rapuh di sepanjang batas butir, yang mengarah pada kegagalan rapuh yang katastrofik.

Dalam aplikasi praktis, klasifikasi ini memandu kriteria penerimaan dan strategi perbaikan. Misalnya, komponen baja yang menunjukkan patah Tipe III mungkin memerlukan peleburan ulang, perlakuan panas, atau penggantian.

Metode Deteksi dan Pengukuran

Teknik Deteksi Utama

Metode utama untuk mendeteksi patah solder meliputi:

• Analisis Mikrostruktur (Mikroskopi Optik dan Elektron): Mengungkapkan adanya fase intermetallic rapuh, zona segregasi, dan fitur batas butir.
• Pengujian Mekanis (Ketangguhan Patah, Dampak Charpy): Mengukur pengurangan ketangguhan atau ketahanan dampak yang menunjukkan patah.
• Analisis Kimia (Spektroskopi, Mikroprobes): Mendeteksi difusi elemen paduan solder atau kotoran dalam mikrostruktur baja.
• Difraksi Sinar-X (XRD): Mengidentifikasi fase intermetallic tertentu yang terbentuk akibat penyolderan.

Prinsip fisik melibatkan difraksi sinar-X oleh fase kristalin, interaksi elektron dengan fitur mikrostruktur, atau pengukuran gaya-perpindahan selama pengujian mekanis.

Pengaturan peralatan biasanya mencakup:

• Mikroskop optik dengan persiapan sampel metalurgi.
• Mikroskop elektron pemindaian (SEM) yang dilengkapi dengan spektroskopi sinar-X energi-disperif (EDS).
• Mesin pengujian mekanis untuk pengujian dampak atau tarik.
• Analyzer mikroprobe untuk pemetaan elemen.

Standar dan Prosedur Pengujian

Standar internasional yang relevan meliputi:

• ASTM E1820: Metode Uji Standar untuk Pengukuran Ketangguhan Patah.
• ISO 148-1: Material Logam — Uji Dampak Charpy.
• EN 10002-1: Pengujian Tarik Material Logam.

Prosedur standar umumnya melibatkan:

1. Persiapan sampel: Memotong spesimen dengan permukaan yang halus dan bersih; memoles untuk menghilangkan kontaminan permukaan.
2. Pemeriksaan mikrostruktur: Menggores spesimen untuk mengungkap batas butir dan fase.
3. Pengujian mekanis: Melakukan pengujian dampak atau tarik pada suhu yang ditentukan.
4. Analisis kimia: Melakukan analisis mikroprobe atau spektroskopi pada daerah kritis.
5. Pencatatan data: Mendokumentasikan mode patah, nilai ketangguhan, dan fitur mikrostruktur.

Parameter kritis meliputi suhu uji, laju regangan, dan dimensi spesimen, yang mempengaruhi sensitivitas dan reproduktifitas hasil.

Persyaratan Sampel

Sampel harus representatif dari produk, dengan persiapan permukaan termasuk pemolesan dan pembersihan untuk mencegah kontaminasi. Untuk analisis mikrostruktur, bagian tipis disiapkan melalui penggilingan, pemolesan, dan penggoresan.

Pemilihan spesimen mempengaruhi validitas pengujian; misalnya, spesimen tarik harus diambil dari daerah yang dicurigai mengalami patah, seperti zona las atau sambungan solder.

Akurasi Pengukuran

Presisi pengukuran tergantung pada kalibrasi peralatan, keahlian operator, dan keseragaman spesimen. Repetisi dijamin melalui prosedur standar dan beberapa pengujian.

Sumber kesalahan termasuk kontaminasi permukaan