Coring dalam Mikrostruktur Baja: Pembentukan, Efek & Signifikansi

Definisi dan Konsep Dasar

Coring adalah fenomena mikrostruktural yang diamati pada baja dan paduan lainnya selama pembekuan, yang ditandai dengan gradien komposisi dan mikrostruktural dari pusat (inti) dendrit atau butir ke tepinya (pinggiran). Ini muncul sebagai variasi dalam konsentrasi elemen paduan, distribusi fase, dan fitur mikrostruktural dalam butir atau dendrit individu, yang mengakibatkan mikrostruktur yang tidak seragam di seluruh volume yang telah dibekukan.

Pada tingkat atom dan kristalografi, coring muncul akibat proses pembekuan yang tidak seimbang. Selama pendinginan, elemen-elemen solut cenderung terpartisi antara fase padat dan cair berdasarkan koefisien partisi mereka, yang mengarah pada gradien konsentrasi dalam dendrit. Wilayah inti, yang membeku lebih awal, sering memiliki komposisi yang lebih dekat dengan lelehan awal, sementara pinggiran, yang membeku kemudian, menjadi kaya atau kekurangan elemen tertentu tergantung pada perilaku partisi mereka.

Dalam metalurgi baja, coring secara signifikan mempengaruhi sifat mekanik, ketahanan korosi, dan respons perlakuan panas selanjutnya. Ini adalah pertimbangan kritis dalam pengendalian mikrostruktural, karena heterogenitas yang diperkenalkan oleh coring dapat menyebabkan sifat anisotropik dan tegangan sisa. Memahami dan mengendalikan coring sangat penting untuk mencapai kinerja baja yang diinginkan, terutama dalam kelas baja berkualitas tinggi, kekuatan tinggi, atau khusus.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Coring terjadi dalam kisi kristal mikrostruktur yang telah dibekukan, terutama dalam struktur dendritik atau butir. Fase utama yang terlibat biasanya adalah ferit, austenit, semenit, atau berbagai karbida, tergantung pada komposisi baja dan kondisi pendinginan.

Fitur kristalografi dari coring sangat terkait dengan morfologi dendritik atau butir. Dendrit ditandai dengan batang utama dengan lengan sekunder dan tersier yang memancar ke luar, masing-masing dengan orientasi kristalografi tertentu. Hubungan orientasi sering mengikuti pola pertumbuhan epitaksial klasik, seperti orientasi kubus pada kubus antara inti dendrit dan matriks sekitarnya.

Parameter kisi dipengaruhi oleh elemen paduan yang terpisah selama pembekuan. Misalnya, dalam baja, pemisahan elemen seperti karbon, mangan, atau krom mengubah jarak kisi secara lokal, berkontribusi pada heterogenitas mikrostruktural. Struktur fase yang terlibat biasanya adalah austenit kubus berpusat muka (FCC) atau ferit kubus berpusat badan (BCC), dengan fase transisi atau karbida yang terbentuk pada bidang kristalografi tertentu.

Hubungan kristalografi antara wilayah inti dan pinggiran sering mengikuti hubungan orientasi seperti Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, yang menggambarkan penyelarasan kisi kristal selama transformasi fase. Hubungan ini mempengaruhi morfologi dan stabilitas mikrostruktur coring.

Fitur Morfologis

Morfologi coring terutama diamati pada skala dendritik atau butir. Wilayah inti umumnya adalah dendrit yang ekuiaxed atau memanjang dengan rentang ukuran dari beberapa mikrometer hingga beberapa ratus mikrometer, tergantung pada laju pendinginan dan komposisi paduan.

Bentuk wilayah inti biasanya dendritik, dengan lengan utama yang memanjang sepanjang arah kristalografi tertentu, seperti <100> dalam sistem kubik. Wilayah pinggiran atau rim cenderung lebih halus dan mungkin mengandung fase atau konsentrasi solut yang berbeda, menghasilkan gradien dari inti ke luar.

Dalam mikrostruktur tiga dimensi, coring muncul sebagai zona konsentris atau gradien dalam dendrit atau butir individu. Di bawah mikroskop optik atau elektron, coring muncul sebagai zona dengan kontras yang kontras karena perbedaan komposisi, sering terlihat sebagai variasi warna dalam etsa metalografi atau sebagai perbedaan kontras dalam pencitraan elektron yang dipantulkan kembali.

Distribusi coring biasanya tidak seragam, dengan derajat pemisahan tergantung pada laju pendinginan, komposisi paduan, dan sejarah termal. Pendinginan cepat cenderung mengurangi coring dengan membatasi redistribusi solut, sementara pendinginan lambat mendorong pemisahan yang jelas.

Sifat Fisik

Coring mempengaruhi beberapa sifat fisik dari mikrostruktur baja:

• Kepadatan: Variasi dalam konsentrasi solut dan distribusi fase dapat menyebabkan perbedaan kepadatan yang sedikit dalam mikrostruktur, meskipun ini sering diabaikan pada skala makro.

• Konduktivitas Listrik: Pemisahan elemen paduan mempengaruhi konduktivitas listrik lokal, dengan wilayah yang kaya akan elemen seperti mangan atau krom menunjukkan konduktivitas yang berbeda dibandingkan dengan inti.

• Sifat Magnetik: Variasi dalam komposisi fase dan kandungan solut mempengaruhi permeabilitas magnetik dan koersivitas, terutama pada baja dengan fase magnetik seperti ferit dan martensit.

• Konduktivitas Termal: Zona pemisahan mungkin menunjukkan konduktivitas termal yang berbeda karena heterogenitas komposisi, mempengaruhi transfer panas selama pemrosesan.

Jika dibandingkan dengan mikrostruktur homogen, wilayah coring sering menunjukkan profil sifat fisik yang berbeda, yang dapat mempengaruhi kinerja keseluruhan komponen baja, terutama di bawah beban termal atau magnetik.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan coring diatur oleh termodinamika pembekuan, khususnya keseimbangan fase dan perilaku partisi elemen solut. Selama pendinginan, sistem berusaha meminimalkan energi bebas, tetapi pembekuan yang cepat atau kondisi tidak seimbang mencegah homogenisasi yang lengkap.

Koefisien partisi (k), yang didefinisikan sebagai rasio konsentrasi solut dalam padatan terhadap yang ada dalam cairan pada antarmuka padat-cair, menentukan sejauh mana pemisahan terjadi. Untuk sebagian besar elemen paduan dalam baja, k < 1, yang berarti elemen lebih memilih fase cair selama pembekuan awal, yang mengarah pada pengayaan dalam cairan yang tersisa dan wilayah pinggiran dendrit.

Diagram fase, seperti sistem Fe-C atau Fe-C-Mn, menggambarkan hubungan suhu-komposisi dan stabilitas berbagai fase. Saat pembekuan berlangsung, komposisi lokal menyimpang dari keseimbangan karena partisi solut, menghasilkan gradien komposisi yang muncul sebagai coring.

Kinetika Pembentukan

Kinetika coring melibatkan proses nukleasi, pertumbuhan, dan redistribusi solut. Nukleasi terjadi pada pendinginan tinggi, dengan dendrit terbentuk dengan cepat saat lelehan mendingin di bawah suhu liquidus.

Pertumbuhan dendrit dikendalikan oleh ekstraksi panas dan difusi solut. Lengan dendrit utama tumbuh sepanjang arah kristalografi dengan densitas kemasan atom tertinggi, seperti arah <100> dalam kisi kubik.

Redistribusi solut terjadi melalui difusi dalam fase cair dan padat. Laju difusi dalam cairan biasanya jauh lebih cepat daripada dalam padatan, yang mengarah pada gradien konsentrasi dalam dendrit. Koefisien difusi $D$ dan suhu mempengaruhi laju di mana pemisahan berkembang.

Langkah yang mengendalikan laju sering kali adalah difusi solut dalam cairan, terutama selama tahap akhir pembekuan. Energi aktivasi untuk difusi (Q) menentukan seberapa cepat solut dapat bermigrasi, mempengaruhi sejauh mana coring terjadi.

Faktor yang Mempengaruhi

Derajat coring dipengaruhi oleh komposisi paduan, laju pendinginan, dan gradien termal. Konsentrasi elemen yang terpisah seperti mangan atau krom yang lebih tinggi mendorong coring yang lebih jelas.

Pembekuan cepat atau pendinginan mengurangi waktu yang tersedia untuk difusi solut, sehingga meminimalkan pemisahan dan menghasilkan mikrostruktur yang lebih seragam. Sebaliknya, pendinginan lambat memungkinkan redistribusi solut yang luas, yang mengarah pada coring yang menonjol.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir austenit sebelumnya atau keberadaan inokulan, mempengaruhi situs nukleasi dan pola pertumbuhan, mempengaruhi sejauh mana dan morfologi coring