Dendrit dalam Mikrostruktur Baja: Pembentukan, Karakteristik & Dampak

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah dendrit dalam mikrostruktur baja mengacu pada formasi kristalin bercabang yang menyerupai pohon yang berkembang selama proses pembekuan. Dendrit ditandai oleh batang utama atau batang dari mana beberapa cabang sekunder dan tersier muncul, menciptakan struktur yang kompleks dan sering kali sangat anisotropik.

Di tingkat atom, dendrit terdiri dari butir kristalin dengan orientasi kristalografi tertentu, terbentuk sebagai hasil dari proses pembekuan terarah. Dasar ilmiah fundamental dari pembentukan dendrit terletak pada termodinamika dan kinetika transformasi fase, di mana antarmuka padat-cair maju dengan cara yang dipengaruhi oleh gradien suhu, komposisi, dan difusi atom.

Dalam metalurgi baja, dendrit sangat signifikan karena mereka mempengaruhi mikrostruktur akhir, sifat mekanik, dan kinerja produk baja. Morfologi dan distribusi mereka mempengaruhi ukuran butir, pola segregasi, dan distribusi fase, yang merupakan parameter kritis dalam merancang baja dengan kekuatan, ketangguhan, dan keuletan yang diinginkan.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Dendrit adalah struktur kristalin yang terbentuk dengan susunan kisi tertentu tergantung pada fase yang terlibat. Dalam baja, fase utama selama pembekuan biasanya adalah ferit (kubus berpusat badan, BCC) atau austenit (kubus berpusat wajah, FCC), dengan pertumbuhan dendrit terjadi terutama dalam fase-fase ini.

Penyusunan atom dalam dendrit mencerminkan sistem kristal yang mendasarinya—sering kali BCC atau FCC—yang ditentukan oleh komposisi paduan dan kondisi suhu. Parameter kisi untuk ferit adalah sekitar 2.866 Å, sedangkan austenit memiliki parameter kisi mendekati 3.58 Å, yang mempengaruhi arah pertumbuhan dendrit.

Dari sudut pandang kristalografi, dendrit cenderung tumbuh sepanjang arah kristalografi tertentu yang meminimalkan energi antarmuka, seperti <100> dalam struktur BCC atau <111> dalam struktur FCC. Arah pertumbuhan ini sering kali sejajar dengan sumbu utama kisi kristal, menghasilkan fitur morfologis yang khas.

Fitur Morfologis

Dendrit menunjukkan morfologi bercabang yang khas menyerupai pohon atau pakis, dengan lengan utama sentral dan banyak cabang sekunder dan tersier. Ukuran dendrit bervariasi secara luas, biasanya berkisar dari beberapa mikrometer dalam baja butir halus hingga beberapa milimeter dalam struktur kasar.

Bentuk dendrit umumnya memanjang dan runcing, dengan jaringan cabang yang kompleks dan tiga dimensi. Di bawah mikroskop optik atau elektron, dendrit muncul sebagai struktur yang berbeda, sering kali angular atau faceted dengan batas yang terdefinisi dengan baik. Morfologi dapat dipengaruhi oleh laju pendinginan, komposisi paduan, dan gradien termal.

Dalam mikrostruktur baja, dendrit sering terlihat sebagai daerah dengan kontras yang berbeda atau batas butir, terutama dalam pengecoran atau pengelasan. Distribusi mereka dapat seragam atau terpisah, tergantung pada kondisi pembekuan.

Sifat Fisik

Dendrit memiliki sifat yang khas dari fase kristal mereka, tetapi morfologi mereka mempengaruhi beberapa atribut fisik. Mereka biasanya memiliki densitas yang mendekati fase induk, dengan variasi kecil akibat segregasi atau akumulasi kotoran.

Konditivitas listrik di daerah dendrit mungkin sedikit berbeda dari matriks sekitarnya karena segregasi komposisi, mempengaruhi sifat listrik keseluruhan dari baja. Sifat magnetik juga terpengaruh; misalnya, dendrit feritik menunjukkan feromagnetisme, sedangkan dendrit austenitik umumnya non-magnetik.

Dari segi termal, dendrit menghantarkan panas dengan cara yang konsisten dengan fase dan komposisi mereka. Bentuk anisotropik mereka dapat menyebabkan perbedaan arah dalam konduktivitas termal, mempengaruhi aliran panas selama pemrosesan.

Jika dibandingkan dengan konstituen mikrostruktur lainnya seperti karbida atau martensit, dendrit lebih sedikit keras tetapi lebih berpengaruh dalam mendefinisikan struktur butir dan pola segregasi.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamik

Pembentukan dendrit didorong oleh kecenderungan termodinamik dari paduan untuk meminimalkan energi bebas selama pembekuan. Ketika baja cair mendingin di bawah suhu cairnya, nukleasi terjadi, dan fase kristalin mulai tumbuh.

Perbedaan energi bebas antara fase cair dan padat memberikan gaya pendorong termodinamik untuk nukleasi dan pertumbuhan. Pertumbuhan dendrit lebih disukai ketika gradien suhu curam, dan antarmuka padat-cair menjadi tidak stabil, yang mengarah pada pola pertumbuhan anisotropik.

Diagram fase, seperti sistem Fe-C, menggambarkan daerah stabilitas berbagai fase. Selama pembekuan, komposisi lokal dan suhu menentukan apakah pertumbuhan dendrit atau equiaxed terjadi, dengan dendrit biasanya terbentuk dalam kondisi pembekuan terarah.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan dendrit melibatkan proses nukleasi, pertumbuhan, dan impingement. Nukleasi terjadi ketika kondisi termodinamik lokal mendukung pembentukan inti kristalin yang stabil, sering kali difasilitasi oleh pendinginan berlebih.

Pertumbuhan berlangsung melalui keterikatan atom di antarmuka padat-cair, dengan laju yang dipengaruhi oleh difusi solut dan panas menjauh dari antarmuka. Lengan dendrit utama tumbuh sepanjang arah kristalografi yang diinginkan, dengan cabang sekunder dan tersier terbentuk akibat pendinginan konstitusional dan ketidakstabilan antarmuka.

Hubungan waktu-suhu sangat penting; pendinginan cepat lebih disukai untuk struktur dendrit yang lebih halus, sementara pendinginan lambat memungkinkan dendrit yang lebih kasar untuk berkembang. Langkah pengendali laju sering kali adalah difusi solut dalam fase cair atau padat, dengan energi aktivasi yang terkait dengan mobilitas atom.

Faktor yang Mempengaruhi

Komposisi paduan secara signifikan mempengaruhi pembentukan dendrit. Unsur-unsur seperti karbon, mangan, dan tambahan paduan seperti nikel atau kromium mengubah perilaku pembekuan dan morfologi dendrit.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, gradien termal, dan desain cetakan mempengaruhi struktur dendrit. Laju pendinginan yang lebih tinggi cenderung menghasilkan dendrit yang lebih halus dan bercabang, sementara pendinginan yang lebih lambat menghasilkan struktur yang lebih kasar.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir austenit sebelumnya, mempengaruhi lokasi nukleasi dendrit dan pola pertumbuhan. Komposisi yang homogen dan kondisi termal yang terkontrol mendorong struktur dendrit yang seragam, sedangkan segregasi atau kotoran dapat menyebabkan ketidakberaturan.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Pertumbuhan dendrit dapat dijelaskan oleh persamaan pertumbuhan dendrit klasik yang diturunkan dari model fase-lapangan atau antarmuka tajam:

$$V = \frac{D}{\delta} \times \left( \frac{\Delta T}{T_m} \right) $$

di mana:
- $V$ adalah kecepatan pertumbuhan ujung dendrit,
- $D$ adalah koefisien difusi solut dalam cairan,
- ( \delta ) adalah ketebalan antarmuka,
- ( \Delta T ) adalah pendinginan berlebih atau perbedaan suhu yang mendorong pembekuan,
- $T_m$ adalah suhu lebur.

Kriteria pendinginan konstitusional, yang memprediksi ketidakstabilan dendrit, dinyatakan sebagai:

[ G / V > m C_0 (1 - k) / D ]

di mana:
- $G$ adalah gradien suhu,
- $V$ adalah kecepatan pertumbuhan,
- ( m ) adalah kemiringan garis cair,
- $C_0$ adalah konsentrasi solut awal,
- ( k ) adalah koefisien partisi,
- $D$ adalah koefisien difusi solut.

Persamaan ini membantu memprediksi morfologi dendrit dan laju pertumbuhan di bawah kondisi termal dan komposisional tertentu.

Model Prediktif

Model komputasional seperti simulasi fase-lapangan dan automata sel