Rentang Peleburan: Interval Suhu Kritis dalam Manufaktur Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Rentang lebur mengacu pada interval suhu antara suhu solidus dan liquidus dari suatu material, khususnya pada baja dan paduan logam lainnya. Berbeda dengan logam murni yang meleleh pada suhu tunggal, paduan biasanya berubah dari padat menjadi cair dalam rentang suhu karena komposisi heterogen mereka.

Properti ini sangat mendasar dalam pengolahan baja karena menentukan parameter pengecoran, suhu pengerjaan panas, dan protokol perlakuan panas. Rentang lebur secara langsung mempengaruhi perilaku pembekuan, pola segregasi, dan pada akhirnya mikrostruktur serta sifat produk baja akhir.

Dalam metalurgi, rentang lebur berfungsi sebagai properti termodinamika kritis yang menghubungkan komposisi dan pengolahan. Ini mewakili zona transisi di mana fase padat dan cair ada dalam keseimbangan, menjadikannya penting untuk interpretasi diagram fase, desain paduan, dan optimasi proses dalam operasi pembuatan baja.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat atom, rentang lebur ada karena spesies atom yang berbeda dalam suatu paduan memiliki energi ikatan dan susunan atom yang bervariasi. Selama pemanasan, daerah yang kaya akan elemen dengan titik lebur lebih rendah mulai mencair terlebih dahulu, sementara area dengan elemen yang memiliki titik lebur lebih tinggi tetap padat.

Mekanisme ini melibatkan pelarutan progresif kisi kristal saat energi termal mengatasi ikatan antaratom. Pelarutan yang tidak merata ini terjadi karena atom solut menciptakan variasi komposisi lokal, yang mengarah pada titik lebur yang berbeda di seluruh mikrostruktur.

Antarmuka padat-cair selama pencairan mengandung zona mushy di mana dendrit (struktur kristal seperti pohon) ada bersama dengan logam cair. Perilaku zona ini mengatur fenomena penting seperti mikrosegregasi, pembentukan porositas, dan kerentanan terhadap robekan panas dalam pengecoran baja.

Model Teoretis

Aturan tuas mewakili model teoretis utama yang menggambarkan proporsi fase dalam rentang lebur. Dikembangkan pada awal abad ke-20 bersamaan dengan teori diagram fase, ini memungkinkan perhitungan fraksi cair dan padat pada suhu mana pun dalam rentang lebur.

Pemahaman historis berkembang dari prinsip termodinamika Gibbs hingga termodinamika komputasional modern. Pendekatan empiris awal memberi jalan kepada metodologi CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams), yang mengintegrasikan data termodinamika untuk memprediksi perilaku lebur.

Pendekatan alternatif termasuk model Scheil-Gulliver, yang mengasumsikan tidak ada difusi dalam padat tetapi pencampuran lengkap dalam cair, dan model difusi padat terbatas, yang memperhitungkan beberapa difusi keadaan padat. Model-model ini menawarkan pendekatan yang berbeda terhadap perilaku pembekuan non-ekuilibrium yang umum dalam proses industri.

Dasar Ilmu Material

Struktur kristal secara signifikan mempengaruhi rentang lebur, dengan fase besi kubik pusat tubuh (BCC) dan kubik pusat wajah (FCC) menunjukkan kelarutan yang berbeda untuk elemen paduan. Perbedaan kelarutan ini menciptakan transformasi fase yang mempengaruhi suhu solidus dan liquidus.

Batas butir sering kali mencair sebelum bagian dalam butir karena segregasi elemen dengan titik lebur lebih rendah dan energi antarmuka yang lebih tinggi. Pencairan preferensial ini dapat menyebabkan pembentukan film cair di sepanjang batas butir, yang berpotensi menyebabkan kerentanan terhadap kerusakan panas atau retak selama pemrosesan.

Rentang lebur terhubung dengan prinsip termodinamika fundamental termasuk minimisasi energi bebas Gibbs, yang mengatur stabilitas fase. Lebar rentang lebur secara langsung mencerminkan derajat non-idealisasi dalam termodinamika larutan sistem paduan.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Formula Definisi Dasar

Rentang lebur secara matematis dinyatakan sebagai:

$$\Delta T_m = T_L - T_S$$

Di mana $\Delta T_m$ mewakili rentang lebur (K atau °C), $T_L$ adalah suhu liquidus (K atau °C), dan $T_S$ adalah suhu solidus (K atau °C).

Formula Perhitungan Terkait

Fraksi cair pada suhu mana pun dalam rentang lebur dapat diperkirakan menggunakan aturan tuas:

$$f_L = \frac{T - T_S}{T_L - T_S}$$

Di mana $f_L$ adalah fraksi cair (tanpa dimensi) dan $T$ adalah suhu saat ini (K atau °C).

Untuk pembekuan non-ekuilibrium, persamaan Scheil memberikan fraksi cair yang lebih realistis:

$$f_L = \left(\frac{T_L - T}{T_L - T_S}\right)^{\frac{1}{k-1}}$$

Di mana $k$ adalah koefisien partisi (tanpa dimensi) yang mewakili rasio konsentrasi solut dalam padat terhadap yang dalam cair.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Formula ini mengasumsikan kondisi ekuilibrium atau model non-ekuilibrium tertentu, yang mungkin tidak sepenuhnya mewakili proses pembekuan industri dengan laju pendinginan yang cepat. Mereka berlaku terutama untuk sistem biner atau ternary sederhana.

Aturan tuas mengasumsikan difusi lengkap dalam fase padat dan cair, yang jarang terjadi dalam praktik. Model Scheil mengasumsikan tidak ada difusi dalam padat tetapi pencampuran lengkap dalam cair, yang lebih baik mendekati kondisi pengecoran tetapi masih menyederhanakan kenyataan.

Model-model ini biasanya mengabaikan efek pendinginan, faktor kinetik, dan pengaruh tekanan yang dapat mengubah perilaku lebur. Untuk baja multikomponen yang kompleks, perangkat lunak termodinamika komputasional yang menggunakan metode CALPHAD memberikan prediksi yang lebih akurat.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM E1461 mencakup pengukuran difusivitas termal menggunakan metode flash, yang dapat digunakan untuk mengidentifikasi transisi fase termasuk rentang lebur.

ISO 11357 menetapkan metode kalorimetri pemindaian diferensial (DSC) yang berlaku untuk menentukan suhu dan rentang lebur untuk berbagai material termasuk logam.

DIN 51004 merinci prosedur analisis termal untuk menentukan suhu karakteristik material, termasuk titik lebur dan rentang.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Kalorimetri Pemindaian Diferensial (DSC) mengukur perbedaan aliran panas antara sampel dan material referensi selama pemanasan terkontrol, mengungkapkan puncak endotermik yang sesuai dengan peristiwa pencairan. Instrumen DSC modern dapat mendeteksi transisi dengan presisi ±0.1°C.

Analisis Termal Diferensial (DTA) memantau perbedaan suhu antara sampel dan material referensi, mengidentifikasi transisi fase melalui dataran suhu atau deviasi. Teknik ini sangat berguna untuk pengukuran suhu tinggi di atas 1000°C.

Mikroskopi pemindaian laser konfokal suhu tinggi memungkinkan pengamatan langsung proses pencairan secara real-time, memungkinkan visualisasi kemajuan antarmuka padat-cair dan pengukuran suhu kritis dengan akurasi tinggi.

Persyaratan Sampel

Sampel standar biasanya memerlukan 10-100 mg material dengan komposisi seragam. Sampel berbentuk silinder atau cakram dengan rasio diameter terhadap tinggi antara 2:1 dan 5:1 adalah umum.

Persiapan permukaan harus memastikan kontak termal yang baik dengan perangkat pengukuran. Polishing untuk menghilangkan oksida dan kontaminan sangat penting, dengan pembersihan akhir menggunakan pelarut yang sesuai.

Sampel harus representatif dari material bulk, menghindari daerah tersegregasi atau area dengan komposisi atipikal yang dapat mempengaruhi hasil.

Parameter Uji

Pengujian standar biasanya menggunakan laju pemanasan antara 5-20°C/menit, dengan laju yang lebih lambat memberikan resolusi yang lebih baik tetapi memerlukan durasi uji yang lebih lama. Atmosfer pelindung (argon atau nitrogen) mencegah oksidasi selama pengujian.

Kalibrasi menggunakan material