Liquation dalam Mikrostruktur Baja: Pembentukan, Efek & Signifikansi Metalurgi

Definisi dan Konsep Dasar

Liquation adalah fenomena mikrostruktur metalurgi yang ditandai oleh pencairan lokal dan segregasi elemen atau fase paduan tertentu dalam matriks baja padat selama perlakuan panas atau pemrosesan. Ini melibatkan pencairan sebagian dari beberapa konstituen, yang menghasilkan pembentukan film atau kolam cair yang memfasilitasi redistribusi elemen atau pemisahan fase.

Di tingkat atom, liquation terjadi ketika energi bebas dari fase atau komponen tertentu melebihi energi fase cair pada suhu tertentu, yang mendorong pencairan lokal. Proses ini diatur oleh keseimbangan fase yang dijelaskan dalam diagram fase baja, terutama di dekat titik eutektik atau peritektik, di mana fase padat dan cair ada bersamaan. Susunan atom dalam mikrostruktur terganggu secara lokal, yang mengarah pada pembentukan daerah cair yang dapat mempengaruhi evolusi mikrostruktur selanjutnya.

Dalam metalurgi baja, liquation signifikan karena mempengaruhi kemampuan pengelasan, duktilitas panas, dan pembentukan segregasi yang dapat mengkompromikan sifat mekanik. Memahami liquation membantu dalam mengendalikan stabilitas mikrostruktur selama pemrosesan, memastikan karakteristik kinerja yang diinginkan, dan mencegah cacat seperti retak panas atau kelemahan yang disebabkan oleh segregasi.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Liquation melibatkan pembentukan daerah cair dalam mikrostruktur yang sebagian besar kristalin. Fase kristalin yang terlibat—seperti ferit (α-Fe), austenit (γ-Fe), semenit (Fe₃C), atau berbagai karbida dan nitride paduan—mempertahankan susunan atom mereka di luar zona liquation.

Fase cair yang terbentuk selama liquation tidak memiliki kisi kristalin tetapi menunjukkan susunan atom amorf dengan urutan jangka pendek. Saat membeku, cairan kembali ke fase kristalin, sering kali dengan hubungan orientasi tertentu terhadap butir induk, dipengaruhi oleh sejarah termal dan komposisi paduan.

Dalam hal parameter kisi, fase padat memiliki nilai yang terdefinisi dengan baik—misalnya, ferit dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) dan parameter kisi sekitar 2,87 Å pada suhu kamar—sementara fase cair tidak memiliki parameter semacam itu. Antarmuka antara fase padat dan cair dapat menunjukkan orientasi kristalografi tertentu, terutama selama pembekuan cepat, yang mengarah pada fenomena seperti pertumbuhan epitaksial atau liquation batas butir.

Fitur Morfologis

Secara mikrostruktur, liquation muncul sebagai kolam atau film cair lokal di sepanjang batas butir, daerah interdendritik, atau dalam zona mikrosegregasi. Daerah cair ini biasanya mikroskopis atau sub-mikroskopis, berkisar dari beberapa nanometer hingga beberapa mikrometer dalam ukuran.

Morfologi bervariasi tergantung pada kondisi pemrosesan: di zona pengelasan, liquation muncul sebagai film tipis di sepanjang batas butir; dalam mikrostruktur cor, dapat membentuk kolam interdendritik. Bentuknya sering tidak teratur, dengan fitur yang memanjang atau bulat, dan distribusinya tidak merata, terkonsentrasi di lokasi mikrostruktur tertentu.

Di bawah mikroskop optik atau elektron, zona liquation muncul sebagai daerah dengan kontras yang berbeda atau sebagai film cair yang mungkin tergores secara berbeda, sering kali menunjukkan sebagai lapisan kontinu atau tidak kontinu di sepanjang batas butir atau daerah interdendritik. Dalam beberapa kasus, mereka muncul sebagai area terang atau gelap tergantung pada mode pencitraan dan mekanisme kontras.

Sifat Fisik

Sifat fisik dari zona liquation berbeda secara mencolok dari fase padat di sekitarnya. Daerah cair dicirikan oleh:

• Kepadatan: Lebih rendah daripada fase padat, yang mengarah pada potensi pembentukan porositas atau kekosongan saat membeku.
• Konduktivitas Listrik: Secara signifikan lebih tinggi dalam keadaan cair dibandingkan dengan fase padat, mempengaruhi konduktivitas listrik dan termal secara lokal.
• Sifat Magnetik: Fase cair umumnya menunjukkan perilaku paramagnetik atau non-magnetik, berbeda dengan fase padat ferromagnetik seperti ferit.
• Konduktivitas Termal: Daerah cair memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi daripada beberapa fase padat, mempengaruhi aliran panas selama siklus termal.

Sifat-sifat ini mempengaruhi stabilitas mikrostruktur, perilaku mekanik, dan respons terhadap pemrosesan lebih lanjut. Zona liquation cenderung melemahkan mikrostruktur karena sifat cairnya dan potensi untuk segregasi, yang mengarah pada pelunakan atau kerapuhan lokal.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Liquation didorong secara termodinamik oleh pengurangan lokal energi bebas yang dicapai melalui transformasi fase dari padat ke cair. Pada suhu tinggi, elemen paduan tertentu—seperti sulfur, fosfor, atau kotoran—secara preferensial tersegregasi ke batas butir atau daerah interdendritik karena kelarutannya yang lebih rendah dalam fase primer.

Diagram fase, terutama sistem Fe-C, Fe-Ni, atau Fe-Mn, mengungkapkan daerah di mana fase cair dan padat ada bersamaan. Dekat titik eutektik atau peritektik, perbedaan energi bebas antara fase berkurang, mendukung pencairan lokal. Perubahan energi bebas Gibbs (ΔG) untuk transformasi fase dapat dinyatakan sebagai:

ΔG = ΔH - TΔS

di mana ΔH adalah perubahan entalpi, T adalah suhu, dan ΔS adalah perubahan entropi. Ketika ΔG menjadi negatif secara lokal, liquation terjadi.

Kinetika Pembentukan

Kinetika liquation melibatkan nukleasi dan pertumbuhan daerah cair di lokasi mikrostruktur tertentu. Nukleasi difasilitasi oleh keberadaan elemen yang tersegregasi, ketidaksempurnaan batas butir, atau mikrovoid, yang menurunkan penghalang energi untuk pencairan.

Pertumbuhan fase cair tergantung pada suhu, waktu, dan laju difusi elemen paduan. Langkah yang mengontrol laju sering kali adalah difusi solut di sepanjang batas butir atau daerah interdendritik, diatur oleh hukum Fick. Energi aktivasi untuk difusi mempengaruhi seberapa cepat zona liquation berkembang selama siklus termal.

Hubungan waktu-suhu mengikuti perilaku tipe Arrhenius, dengan suhu yang lebih tinggi mempercepat liquation. Pemanasan atau pendinginan cepat dapat menekan atau mempromosikan liquation tergantung pada profil termal, mempengaruhi ukuran dan distribusi zona cair.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen komposisi kunci yang mempengaruhi liquation termasuk sulfur, fosfor, dan elemen kotoran lainnya yang tersegregasi ke batas butir, menurunkan titik lebur secara lokal. Elemen paduan seperti mangan, silikon, atau tambahan mikroaloy dapat memodifikasi kecenderungan segregasi dan stabilitas fase.

Parameter pemrosesan seperti laju pemanasan, waktu tahan suhu, dan laju pendinginan secara signifikan mempengaruhi perkembangan liquation. Misalnya, pendinginan lambat memungkinkan liquation dan segregasi yang lebih luas, sementara pendinginan cepat dapat menekannya.

Mikrostruktur yang sudah ada sebelumnya—seperti ukuran butir austenit sebelumnya, distribusi inklusi, atau deformasi sebelumnya—juga mempengaruhi perilaku liquation dengan mempengaruhi lokasi nukleasi dan jalur difusi.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Termodinamika liquation dapat dijelaskan oleh kondisi keseimbangan fase:

f_L * γ_L + f_S * γ_S = ΔG_mix

di mana:

• f_L dan f_S adalah fraksi volume fase cair dan padat,
• γ_L dan γ_S adalah energi bebas masing-masing,
• ΔG_mix adalah perbedaan energi bebas yang mendorong transformasi fase.

Kecepatan nukleasi (I) dari daerah cair di sepanjang batas butir dapat dimodelkan sebagai:

I = I_0 * exp(-ΔG*/kT)

di mana:

• I_0 adalah faktor pre-ekspresional