Liquidus dalam Metalurgi Baja: Definisi, Mikrostruktur & Dampak Pemrosesan

Definisi dan Konsep Dasar

Liquidus adalah suhu kritis dalam diagram fase baja dan paduan, yang mewakili suhu tertinggi di mana suatu material sepenuhnya berada dalam fase cair selama pemanasan. Pada suhu ini, partikel padat pertama mulai mengkristal dari lelehan saat suhu menurun, menandai awal dari proses pembekuan. Sebaliknya, selama pendinginan, liquidus menunjukkan suhu di atas mana paduan tetap sepenuhnya cair, tanpa fase padat yang hadir.

Secara fundamental, liquidus berakar pada termodinamika dan interaksi atom. Ini sesuai dengan suhu di mana energi bebas Gibbs dari fase cair sama dengan fase padat, yang mendukung keadaan cair. Pada tingkat atom, ini melibatkan keseimbangan kontribusi entalpi dan entropi, yang menentukan stabilitas fase. Susunan atom dalam fase cair tidak teratur, ditandai dengan distribusi atom yang acak, sedangkan fase padat menunjukkan kisi kristalin yang teratur.

Dalam metalurgi baja, liquidus sangat penting untuk memahami perilaku pencairan, proses pengecoran, dan jalur pembekuan. Ini membimbing pemilihan suhu pemrosesan, mempengaruhi perkembangan mikrostruktur, dan mempengaruhi sifat mekanik akhir. Pengetahuan yang akurat tentang liquidus membantu mencegah cacat seperti retak panas dan memastikan pembekuan yang terkontrol, yang penting untuk memproduksi komponen baja berkualitas tinggi.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Fase liquidus itu sendiri secara inheren non-kristalin, mewakili susunan atom yang tidak teratur tanpa kisi tetap. Namun, saat suhu turun di bawah liquidus, pengkristalan fase kristalin terjadi, biasanya membentuk ferit, austenit, atau mikrokonstituen lainnya tergantung pada komposisi dan kondisi pendinginan.

Dalam keadaan cair, atom terdistribusi secara acak, tanpa urutan jangka panjang. Setelah pembekuan dimulai, atom tersusun menjadi kisi kristal periodik yang khas dari fase tertentu. Misalnya, ferit mengadopsi struktur kubik berpusat badan (BCC) dengan parameter kisi sekitar 2,86 Å, sedangkan austenit menunjukkan simetri kubik berpusat muka (FCC) dengan parameter kisi mendekati 3,58 Å. Transisi dari cair ke padat melibatkan pengkristalan dan pertumbuhan fase kristalin ini, dengan orientasi sering dipengaruhi oleh mikrostruktur sebelumnya dan gradien termal.

Ciri Morfologis

Dalam keadaan cair, mikrostruktur tampak sebagai cairan homogen tanpa fitur yang dapat dikenali di bawah mikroskop. Saat pembekuan dimulai, situs pengkristalan muncul secara acak atau heterogen di permukaan cetakan atau kotoran, yang mengarah pada pembentukan butir kecil yang ekuiaxed atau struktur kolumnar tergantung pada gradien termal.

Ukuran partikel padat awal bervariasi dari nanometer hingga mikrometer, tumbuh seiring dengan kemajuan pendinginan. Morfologi mikrostruktur yang telah membeku dapat bersifat dendritik, seluler, atau globular, dipengaruhi oleh laju pendinginan, komposisi, dan kondisi termal. Pendinginan cepat cenderung menghasilkan mikrostruktur yang lebih halus dengan butir ekuiaxed, sementara pendinginan lambat lebih disukai untuk pertumbuhan kolumnar yang lebih kasar.

Di bawah mikroskop optik atau elektron, batas pembekuan muncul sebagai batas antara fase cair dan padat. Antarmuka dapat halus atau dendritik, dengan lengan sekunder dan tersier yang khas dalam struktur dendritik. Fitur-fitur ini sangat penting untuk memahami evolusi mikrostruktur selanjutnya dan sifat mekanik.

Sifat Fisik

Fase liquidus menunjukkan sifat khas cairan, termasuk fluiditas tinggi, viskositas rendah, dan konduktivitas termal tinggi. Kerapatannya umumnya lebih rendah daripada fase padat, dengan nilai sekitar 7,0 g/cm³ untuk baja cair pada suhu tinggi.

Konduktivitas listrik dalam fase cair relatif tinggi, memfasilitasi proses pengadukan elektromagnetik dan pemanasan induksi. Sifat magnetik dapat diabaikan dalam keadaan cair karena susunan atom yang tidak teratur, tetapi saat pembekuan terjadi, domain magnetik dapat berkembang dalam fase kristalin.

Dari segi termal, suhu liquidus mempengaruhi transfer panas selama pengecoran dan pengelasan. Difusivitas termal fase cair tinggi, membantu dalam disipasi panas yang cepat. Dibandingkan dengan mikrostruktur padat, fase cair tidak memiliki kekuatan mekanik dan menunjukkan perilaku cair, membuatnya rentan terhadap cacat yang disebabkan oleh aliran selama pemrosesan.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan mikrostruktur liquidus diatur oleh termodinamika keseimbangan fase. Diagram fase baja, biasanya sistem Fe-C, menggambarkan hubungan suhu-komposisi untuk berbagai fase.

Pada suhu liquidus, energi bebas Gibbs dari fase cair sama dengan fase padat, menandai titik keseimbangan di mana padat mulai mengkristal. Perbedaan energi bebas (ΔG) antara fase mendorong proses pengkristalan dan pertumbuhan. Diagram fase menunjukkan bahwa pada liquidus, lelehan hampir akan mengalami pembekuan, dengan komposisi fase cair di batas garis liquidus.

Stabilitas fase cair tergantung pada suhu, komposisi, dan tekanan. Saat suhu menurun di bawah liquidus, perbedaan energi bebas mendukung pembentukan padat, dan sistem bergerak menuju mikrostruktur keseimbangan. Garis liquidus itu sendiri diturunkan dari penilaian termodinamika dan data eksperimental, berfungsi sebagai referensi dasar dalam desain proses.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembekuan dari cair melibatkan mekanisme pengkristalan dan pertumbuhan. Pengkristalan dapat bersifat homogen, terjadi secara merata dalam lelehan, atau heterogen, difasilitasi oleh kotoran, permukaan cetakan, atau inklusi.

Kecepatan pengkristalan (I) tergantung pada derajat pendinginan (ΔT = T_liquidus - T), dengan teori pengkristalan klasik dinyatakan sebagai:

$$I = I_0 \exp \left( - \frac{\Delta G^*}{kT} \right) $$

di mana $I_0$ adalah faktor pre-ekspresional, ( \Delta G^* ) adalah penghalang energi bebas kritis untuk pengkristalan, ( k ) adalah konstanta Boltzmann, dan $T$ adalah suhu.

Kecepatan pertumbuhan (G) dari inti dikendalikan oleh difusi atom dan gradien termal, sering dimodelkan sebagai:

$$G = G_0 \exp \left( - \frac{Q}{RT} \right) $$

di mana $G_0$ adalah konstanta, $Q$ adalah energi aktivasi untuk difusi atom, $R$ adalah konstanta gas universal, dan $T$ adalah suhu.

Kecepatan pembekuan keseluruhan dipengaruhi oleh laju pendinginan, gradien termal, dan komposisi paduan. Pendinginan cepat menghasilkan mikrostruktur yang lebih halus karena meningkatnya laju pengkristalan, sementara pendinginan lambat lebih disukai untuk butir yang lebih kasar.

Faktor yang Mempengaruhi

Beberapa faktor mempengaruhi pembentukan dan evolusi mikrostruktur liquidus:

• Komposisi Paduan: Unsur-unsur seperti karbon, mangan, silikon, dan tambahan paduan memodifikasi suhu liquidus dan mempengaruhi perilaku pengkristalan. Kandungan karbon yang lebih tinggi meningkatkan suhu liquidus, mempengaruhi dinamika pembekuan.

• Parameter Pemrosesan: Laju pendinginan, desain cetakan, dan laju ekstraksi panas secara signifikan mempengaruhi ukuran dan morfologi mikrostruktur. Pendinginan yang lebih cepat mendorong butir yang lebih halus dan menekan makrosegrasi.

• Mikrostruktur Sebelumnya: Kehadiran inklusi, batas butir, atau fase residu dapat bertindak sebagai situs pengkristalan, mengubah kerapatan pengkristalan dan pola pertumbuhan.

• Gradien Termal: Gradien termal yang curam mendukung pembekuan terarah, menghasilkan mikrostruktur kolumnar, sementara pendinginan yang merata mendorong butir ekuiaxed.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Persamaan laju pengkristalan