Pemisahan Dendritik dalam Baja: Pembentukan, Mikostruktur & Dampaknya terhadap Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Pemisahan dendritik mengacu pada fenomena mikrostruktural di mana elemen paduan dan kotoran menjadi terdistribusi secara tidak merata dalam mikrostruktur baja yang telah membeku, membentuk pola bercabang seperti pohon yang dikenal sebagai dendrit. Mikrosegregasi ini terjadi selama proses pembekuan ketika baja cair berubah menjadi padatan kristalin, yang mengarah pada heterogenitas komposisi pada tingkat mikroskopis.

Pada skala atom dan kristalografi, pemisahan dendritik dihasilkan dari penggabungan atau penolakan atom solut yang lebih disukai di antarmuka padat-cair yang maju. Ketika fase padat mengkristal dan tumbuh, elemen tertentu—seperti karbon, mangan, atau tambahan paduan—baik diperkaya atau dikurangi di daerah tertentu karena perbedaan dalam koefisien partisi dan dinamika pembekuan. Ini mengarah pada gradien konsentrasi di dalam dendrit individu dan daerah interdendritik.

Dalam metalurgi baja, pemisahan dendritik signifikan karena mempengaruhi evolusi mikrostruktural selanjutnya, sifat mekanik, ketahanan korosi, dan kemampuan las material. Memahami dan mengendalikan pemisahan dendritik sangat penting untuk mengoptimalkan kinerja baja, terutama dalam aplikasi kelas tinggi atau khusus di mana keseragaman mikrostruktural diinginkan.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Struktur dendritik ditandai oleh sifat kristalinnya, biasanya terbentuk dalam fase austenit kubik berpusat muka (FCC) selama pembekuan. Lengan dendrit primer tumbuh sepanjang arah kristalografi tertentu, sering kali sejajar dengan sumbu kristalografi baja seperti arah <100> atau <111>, tergantung pada fase dan komposisi paduan.

Pengaturan atom di dalam dendrit mengikuti struktur kisi dari fase induk. Untuk baja austenitik, parameter kisi adalah sekitar 0,36 nm untuk struktur FCC, dengan sistem kristal menunjukkan simetri tinggi. Pertumbuhan dendrit terjadi sepanjang arah kristalografi yang meminimalkan energi bebas keseluruhan sistem, menghasilkan pola pertumbuhan anisotropik.

Hubungan orientasi kristalografi, seperti orientasi Kurdjumov–Sachs atau Nishiyama–Wassermann, sering mengatur antarmuka antara lengan dendrit dan matriks sekitarnya. Hubungan ini mempengaruhi morfologi dan transformasi fase selanjutnya selama pendinginan atau perlakuan panas.

Fitur Morfologis

Dendrit menunjukkan morfologi khas seperti pohon dengan lengan primer yang memanjang ke luar dari situs nukleasi. Lengan primer ini biasanya memiliki panjang beberapa mikrometer hingga ratusan mikrometer, tergantung pada laju pendinginan dan komposisi paduan.

Cabang sekunder dan tersier muncul dari lengan primer, menciptakan struktur bercabang yang kompleks. Ukuran keseluruhan dendrit dapat bervariasi dari beberapa mikrometer pada baja yang didinginkan dengan cepat hingga beberapa milimeter pada struktur yang didinginkan lambat atau dicetak.

Dalam mikrograf, dendrit muncul sebagai fitur yang memanjang, seperti jarum atau pelat dengan batas yang jelas memisahkan mereka dari daerah interdendritik. Zona interdendritik sering mengandung solut yang terpisah, membentuk jaringan area yang diperkaya atau dikurangi yang kontras dengan inti dendrit yang lebih seragam.

Sifat Fisik

Wilayah dendritik biasanya menunjukkan sifat fisik yang berbeda dibandingkan dengan matriks sekitarnya karena variasi komposisi. Misalnya:

• Kepadatan: Sedikit lebih rendah atau lebih tinggi tergantung pada konsentrasi solut; segregasi dapat menyebabkan fluktuasi kepadatan pada tingkat mikroskopis.
• Konduktivitas listrik: Variasi terjadi karena elemen yang terpisah seperti karbon atau mangan mempengaruhi mobilitas elektron.
• Sifat magnetik: Pemisahan elemen feromagnetik atau paramagnetik dapat menyebabkan heterogenitas magnetik lokal.
• Konduktivitas termal: Perbedaan dalam distribusi solut mempengaruhi karakteristik transfer panas dalam mikrostruktur.

Variasi sifat ini dapat mempengaruhi kinerja keseluruhan baja, terutama dalam aplikasi yang sensitif terhadap keseragaman mikrostruktural.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan pemisahan dendritik diatur oleh prinsip-prinsip termodinamika yang terkait dengan stabilitas fase dan minimisasi energi bebas. Selama pembekuan, sistem berusaha untuk mengurangi total energi bebasnya dengan mengkristalkan fase kristalin yang stabil dari cairan.

Diagram fase baja, terutama sistem Fe–C dan elemen paduan terkait, menentukan fase keseimbangan dan non-keseimbangan yang terbentuk selama pendinginan. Koefisien partisi (k), yang didefinisikan sebagai rasio konsentrasi solut dalam padatan terhadap yang ada dalam cairan di antarmuka, mempengaruhi redistribusi solut. Untuk banyak solut, k < 1, yang berarti mereka ditolak ke dalam cairan selama pembekuan, mengarah pada pengayaan di daerah interdendritik.

Perubahan energi bebas Gibbs (ΔG) yang terkait dengan transformasi fase menentukan gaya pendorong untuk pertumbuhan dendrit. Ketika pendinginan melebihi nilai kritis, nukleasi terjadi secara preferensial di situs tertentu, memulai struktur dendritik.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pemisahan dendritik melibatkan proses nukleasi, pertumbuhan, dan redistribusi solut. Nukleasi biasanya terjadi secara heterogen di batas butir, inklusi, atau cacat lainnya, dengan laju nukleasi dipengaruhi oleh suhu, komposisi paduan, dan keberadaan inokulan.

Setelah ter-nukleasi, dendrit tumbuh melalui keterikatan atom di antarmuka padat-cair. Laju pertumbuhan tergantung pada gradien suhu (G) dan kecepatan pembekuan (V). Rasio G/V mempengaruhi morfologi, dengan G/V yang lebih tinggi mendukung pertumbuhan planar, sementara G/V yang lebih rendah mendorong struktur dendritik.

Langkah yang mengontrol laju sering kali adalah difusi solut dalam cairan, yang mendistribusikan solut di sekitar ujung dendrit. Koefisien difusi (D) solut dalam baja cair mempengaruhi sejauh mana segregasi. Panjang difusi karakteristik (L) dapat diperkirakan dengan:

L ≈ √(D·τ)

di mana τ adalah skala waktu karakteristik dari pembekuan.

Faktor yang Mempengaruhi

Komposisi paduan memainkan peran penting; elemen dengan koefisien partisi rendah cenderung lebih kuat terpisah. Misalnya, karbon dan mangan adalah elemen yang umum terpisah dalam baja.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, gradien suhu, dan kecepatan pembekuan secara signifikan mempengaruhi morfologi dendrit dan tingkat segregasi. Pendinginan cepat cenderung memperhalus ukuran dendrit dan mengurangi segregasi, sementara pendinginan lambat memungkinkan pola segregasi yang lebih jelas.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya, seperti ukuran butir austenit sebelumnya, juga mempengaruhi perilaku pertumbuhan dendritik. Butir halus cenderung mendorong pembekuan yang lebih seragam, mengurangi tingkat segregasi.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Kerangka matematis utama yang menggambarkan pemisahan dendritik melibatkan persamaan redistribusi solut selama pembekuan:

∂C/∂t + V·∂C/∂z = D·∂²C/∂z²

di mana:

• C = konsentrasi solut dalam cairan pada posisi z dan waktu t,
• V = kecepatan pembekuan,
• D = koefisien difusi solut dalam cairan.

Persamaan difusi-adveksi ini memodelkan bagaimana solut diangkut dan terakumulasi selama pertumbuhan dendritik.

Pemisahan di antarmuka dijelaskan oleh koefisien partisi (k):

k = C_s / C_l

di mana C_s adalah konsentrasi solut dalam padatan di antarmuka, dan C