Solidus dalam Metalurgi Baja: Definisi, Mikrostruktur & Dampak Pemrosesan

Definisi dan Konsep Dasar

Solidus adalah titik suhu kritis dalam diagram fase metalurgi, yang mewakili suhu tertinggi di mana paduan baja sepenuhnya berada dalam keadaan padat. Pada suhu ini, fase cair terakhir yang tersisa dalam paduan baru saja membeku saat pendinginan, menandai batas antara keadaan sepenuhnya padat dan sebagian cair.

Dari sudut pandang ilmiah, solidus sesuai dengan suhu di mana energi bebas fase cair sama dengan fase padat untuk komposisi paduan tertentu. Pada tingkat atom dan kristalografi, ini menandakan suhu di bawah mana atom tersusun dalam kisi kristal yang stabil dan teratur tanpa adanya daerah cair. Susunan atom ditandai dengan pola yang teratur dan berulang yang khas dari padatan kristal, tanpa mobilitas atom yang akan memfasilitasi transformasi fase menjadi cair.

Dalam metalurgi baja, suhu solidus sangat penting untuk memahami perilaku pencairan, pengecoran, proses perlakuan panas, dan evolusi mikrostruktur. Ini memberikan batas termodinamika yang penting untuk merancang siklus termal, mengontrol pembekuan, dan memprediksi transformasi fase selama pemrosesan.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Mikrostruktur pada suhu solidus sebagian besar bersifat kristalin, dengan atom tersusun dalam kisi periodik. Dalam baja, struktur kristalin utama adalah ferit kubik pusat badan (BCC) atau austenit kubik pusat muka (FCC), tergantung pada suhu dan komposisi.

Susunan atom dalam fase padat ditandai dengan parameter kisi yang bervariasi dengan elemen paduan. Misalnya, besi murni memiliki struktur BCC pada suhu kamar, berubah menjadi FCC (austenit) di atas 912°C. Solidus menandai suhu di mana austenit mulai terbentuk selama pemanasan atau menyelesaikan pembekuan selama pendinginan.

Orientasi kristalografi sering menunjukkan tekstur yang diutamakan tergantung pada sejarah pemrosesan, tetapi pada solidus, struktur tetap menjadi fase kristal yang stabil dan teratur dengan cacat minimal. Batas fase tajam, dengan transisi dari padat ke cair terjadi dalam rentang suhu yang sempit.

Ciri Morfologis

Mikrostruktural, solidus terkait dengan mikrostruktur yang terdiri dari butir-butir fase kristalin—seperti ferit, austenit, atau semen—tergantung pada paduan dan sejarah termal. Butir-butir ini biasanya berkisar dari beberapa mikrometer hingga ratusan mikrometer dalam ukuran.

Dalam mikrostruktur, bentuk butir umumnya equiaxed atau memanjang, dengan batas yang terlihat di bawah mikroskop optik atau elektron. Selama pemanasan, pertumbuhan butir dapat terjadi saat suhu mendekati solidus, yang mengarah pada mikrostruktur yang lebih kasar.

Secara visual, dalam persiapan metalografi, mikrostruktur dekat solidus dapat menunjukkan batas butir yang jelas, antarmuka fase, dan kadang-kadang fitur pencairan yang muncul seperti kantong cair atau film cair di batas butir, terutama pada paduan dengan titik lebur rendah.

Sifat Fisik

Pada solidus, material menunjukkan sifat yang khas dari padatan kristal: densitas tinggi, konduktivitas listrik rendah dibandingkan dengan keadaan cair, dan perilaku magnetik tergantung pada fase (misalnya, ferit bersifat feromagnetik). Konduktivitas termal relatif tinggi, memfasilitasi transfer panas dalam keadaan padat.

Jika dibandingkan dengan fase cair, mikrostruktur solidus memiliki modulus elastis dan kekerasan yang lebih tinggi. Densitasnya sedikit lebih tinggi daripada cairan karena tidak adanya ketidakaturan atom cair. Sifat magnetik dipertahankan atau ditingkatkan dalam fase padat, yang signifikan dalam aplikasi baja magnetik.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan mikrostruktur solidus diatur oleh termodinamika, khususnya energi bebas Gibbs (G). Pada suhu solidus $T_s$, energi bebas fase padat dan cair adalah sama:

$$G_{solid}(T_s, C) = G_{liquid}(T_s, C) $$

di mana $C$ mewakili komposisi paduan.

Diagram fase menggambarkan keseimbangan antara fase, dengan garis solidus menandai suhu di mana cairan terakhir membeku selama pendinginan atau cairan pertama muncul selama pemanasan. Stabilitas fase padat pada T_s tergantung pada komposisi paduan, dengan elemen seperti karbon, mangan, dan krom yang menggeser suhu solidus.

Perbedaan energi bebas antara fase menentukan gaya pendorong termodinamik untuk transformasi fase, mempengaruhi awal pencairan atau pembekuan.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan solidus melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan. Selama pendinginan, nukleasi butir padat terjadi di berbagai lokasi, seperti batas butir atau inklusi, setelah suhu turun di bawah liquidus dan mendekati solidus.

Kecepatan pertumbuhan fase padat tergantung pada laju difusi atom, yang meningkat seiring dengan suhu. Saat suhu mendekati T_s dari atas, mobilitas atom menurun, memperlambat transformasi. Langkah yang mengontrol laju sering kali adalah difusi atom dalam fase cair atau padat.

Energi aktivasi untuk difusi atom mempengaruhi kinetika; energi aktivasi yang lebih tinggi memperlambat transformasi. Profil waktu-suhu selama pendinginan atau pemanasan menentukan apakah mikrostruktur mencapai keseimbangan atau menjadi metastabil.

Faktor yang Mempengaruhi

Komposisi paduan secara kritis mempengaruhi suhu solidus. Elemen seperti karbon, nikel, dan molibdenum cenderung menurunkan atau menaikkan T_s tergantung pada perilaku diagram fase mereka.

Parameter pemrosesan seperti laju pemanasan, laju pendinginan, dan gradien termal mempengaruhi perkembangan mikrostruktur dekat solidus. Pendinginan cepat dapat menekan transformasi keseimbangan, yang mengarah pada mikrostruktur non-keseimbangan.

Mikrostruktur sebelumnya, seperti fase yang ada atau ukuran butir, mempengaruhi lokasi nukleasi dan dinamika pertumbuhan, mempengaruhi keseragaman dan morfologi mikrostruktur pada solidus.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Aturan tuas memberikan hubungan kuantitatif dasar untuk fraksi fase pada keseimbangan:

$$f_{liquid} = \frac{C_{solidus} - C_0}{C_{liquid} - C_{solidus}} $$

di mana:

• $f_{liquid}$ adalah fraksi cair pada suhu ( T ),
• $C_0$ adalah komposisi keseluruhan paduan,
• $C_{solidus}$ dan $C_{liquid}$ adalah komposisi fase solidus dan cair pada ( T ).

Persamaan diagram fase, seperti persamaan Scheil, memodelkan proses pembekuan:

$$C_s = C_0 \times (1 - f_s)^{k-1} $$

di mana:

• $C_s$ adalah komposisi padat pada fraksi ( f_s ),
• ( k ) adalah koefisien partisi.

Persamaan ini membantu memprediksi mikrostruktur selama pemrosesan termal.

Model Prediktif

Alat komputasi seperti CALPHAD (Perhitungan Diagram Fase) mensimulasikan keseimbangan fase dan memprediksi suhu solidus berdasarkan basis data termodinamika. Model elemen hingga menggabungkan transfer panas, difusi, dan kinetika transformasi fase untuk mensimulasikan pembekuan dan pencairan.

Model bidang fase menggambarkan evolusi mikrostruktur selama pembekuan, menangkap pertumbuhan butir, nukleasi, dan dinamika antarmuka. Pendekatan pembelajaran mesin sedang muncul untuk memprediksi fitur mikrostruktur berdasarkan parameter pemrosesan.

Limitasi termasuk akurasi data termodinamik, asumsi keseimbangan, dan kompleksitas komputasi. Model-model ini paling dapat diandalkan dalam rentang komposisi dan suhu tertentu.

Metode Analisis Kuantitatif

Mikroskopi optik yang dikombinasikan dengan perangkat lunak analisis gambar memungkinkan pengukuran ukuran butir, distribusi fase, dan morfologi. Standar ASTM E112 menyediakan prosedur untuk pengukuran ukuran butir.