STurn PENDAHULUAN T AHAP PENGINTIAN DALAM KINETIKA SEPARASI FASA PADUAN Cu-O.9at%Ti DENGAN HAMBURAN NEUTRON SUDUT KECIL. S.M.

~~~

~

H-I

~

k... ~

X KI.

4, ,S~ 1410-?~g~

STurn PENDAHULUAN T AHAP PENGINTIAN DALAM KINETIKA

SEPARASI FASA PADUAN Cu-O.9at%Ti DENGAN

HAMBURAN NEUTRON SUDUT KECIL

S.M. Prasetyo

Puslitbang Iptek Bahan -BAT AN, Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang

ABSTRAK

STUDI PENDAHULUAN TAHAP PENGINTIAN DALAM KINETIKA SEPARASI FASA PADUAN Cu-O.9AT% Ti DENGAN HAMBURAN NEUTRON SUDUT KECIL. Telah dilakukan pengamatan presipitat pada cuplikan paduan Cu-O,9%at Ti dengan hamburan neutron

sudut kecil. Cuplikan tersebut di-anil selama 15 men it pada dua temperatur yang berbeda, yaitu 3500 C dan 2500 C. Pengukuran dengan SANS berhasil menampilkan presipitat yang te~adi, bahkan pada tahap sangat awal sekalipun. Dalam makalah ini disajikan teon separasi fasa, dan juga teon pengintian klasik maupun non-klasik. Dari hasil studi awal ini diharapkan dapat dilakukan pengamatan yang saksama terhadap kontinuitas pengintian, sehingga dapat dipilih tahap pengintian yang paling baik pengaruhnya terhadap kualitas paduano

ABSTRACT

A PRELIMINARY STUDY OF NUCLEATION STAGE IN PHASE SEPARATION KINETICS OF Cu-O.9AT% TI BY MEANS OF SMALL ANGLE NEUTRON SCATTERING. Precipitates in Cu-O.9at% Ti alloy samples have been investigated by means of small angle neutron scattering. These samples have been annealed for 15 minutes using two different aging temperatures, namely 3500 C dan 2500 C. SANS measurements showed the occuring precipitates significantly, even at the very early stages. The phase separation theory, and also nucleation theories for both classical and non-classical are presented in this paper. From the result of this preliminary study, it is expected that precise observations on the continuity of nucleations could be done, so that a certain nucleation stage which has the best influence on the quality of the alloy could be chosen.

PENDAHULUAN

mulai dari tahap presipitasi yang masih sangat awal

sampai dengan tahap presipitasi yang sudah sangat

lanjut.

TEORI SEPARASI FASA DALAM PADUAN Cu-Ti

Kinetika reaksi presipitasi terutama ditentukan oleh suatu kondisi tahap awal-nya yang kerapatan jumlah presipitat-nya NV<t) meningkat berdasarkan persamaan

(1)

Presipitat-presipitat

ini merupakan klaster-klaster yang

bentuknya menyerupai bola-bola berjari-jari R yang

ukuran dan distribusinya berdasarkan

fungsi j(R) dengan

radius Terata

yang memenuhi

persamaan

-fRf(R)dR

R=

ff(R)dR

Paduan tembaga-titaniurn

(Cu- Ti) sudah banyak

digunakan dalam berbagai bidang industri yang

memanfaatkan

teknologi tinggi. Hal ini disebabkan

oleh

keunggulannya, baik

konduktivitasnya maupun

kekuatannya.

Konduktivitasnya

yang unggul berasal dari

matrik logamnya, yaitu tembaga,

sedangkan

keunggulan

kekuatannya

diperoleh dari pengerasan

presipitat selama

berlangsungnya

separasi

rasa.

Keberadaan

sebaran

presipitat-presipitat

berukuran sangat kecil (dalam orde beberapa puluh

angstrom),

yang adalah sebagai

rasa ke dua dalam matrik

logam tembaga (Cu) merupakan faktor penguat yang

signifikan. Penyebaran

rasa-rasa

ke dua ini merupakan

fungsi waktu daD temperatur,

sehingga kekuatan

paduan

tembaga-titaniurn ini

sangat ditentukan oleh

struktunnikro presipitatnya, sebagai akibat dari kinetika

pengerasan

presipitat.

Sebagai alat ukur, digunakan spektro-meter

hamburan neutron sudut kecil (SANS), karena

spektrometer ini

mampu mendeteksi keberadaan

presipitat-presipitat dalam paduan tembaga-titanium,

(2)

149

~

p(..!_~!,.I,...,-

TJ.-f

p~

o,d ~

~

F~ p~

c O.~~T~

~

H~

N~

s..J..t

~

S.H.P~

fluktuasinya terdiri daTi model tetes-tetes yang terpisah, yaitu dari tetes pertama menjadi tetes kedua daD seterusnya. Bila spesifikasi energi bebasnya sudah ditentukan, maka distribusi kesetimbangan daTi fluktuasi multifasanya, daD juga penghambat proses pengintiannya dapat diperhitungkan.

Teori non-klasik menganggap bahwa proses 5~p3rasi fasanya merupakan fluktuasi rasa tunggal yang di dalamnya berlangsung fluktuasi gelombang secara kontinyu. Untuk teori non- klasik ini digunakan pendekatan melalui teori spinodal, yaitu teori yang menyajikan kinetika dekomposisi tahap awal dalam bentuk evolusi waktu yang berlangsung pada amplitudo daD panjang gelombang yang stabil daTi fluktuasi suatu rasa tunggal.

Teori Pengintian K/asik

Bila larutan padat Cu- Ti yang homogen di-anil

pada daerah metastabil

di dalam daerah antara kelarutan,

maka akan terbentuk klaster-klaster

yang memuat

atom-atom Ti di dalam matrik Cu. Dalam teorl klasik ini

fluktuasi atom-atom

terlarut Ti dipandang sebagai

klaster

berbentuk

tetes atau butir denganjari-jari R, sehingga

Dalam tahap-tahap awal, reaksi presipitasinya disebut tahap pengintian (nucleation), yang pada urnumnya dianggap bahwa rasa induk a daD rasa presipitat P saling berbagi kisi kristal, sehingga tiap dua fasanya menjadi koheren. Tetapi basil penelitian Liu daD

Wagner (1984 ) menunjukkan bahwa selama tahap awal tersebut, harga radius rerata-nya meningkat, sedangkan kondisi superjenuhnya menurun sedikit, Ac, secara lambat. Namun, harga Ac ini sudah cukup untuk mencegah terjadinya pengintian selanjutnya. Berhentinya tahap pengintian ini ditandai dengan tercapainya harga maksimurn N v ( t) .

Setelah melampaui harga maksimurn ini, reaksi presipitasi mencapai tahap pengasaran (coarsening), yaitu klaster-klaster kecil akan larut lagi ke dalam matrik, sehingga klaster-klaster yang besar dapat tumbuh menjadi lebih besar lagi. Selama tahap pengasaran ini berlangsung, harga Ac menurun secara asimptotis menuju harga nolo

Dalam daerah antara kelarutan (miscibility gap) pada diagram rasa, rasa induk a menjadi tidak stabil daD berdekomposisi menjadi larutan padat stabil a' dan rasa presipitat p. Tetapi hila daerah antara kelarutan ini cukup lebar, maka proses dekomposisinya berlangsung dalam

dua tahap, yaitu _{41f 3}

Volume klaster = -R

3

(3)

a -..a"

+ f3'

-..a'

+ f3

Dari penelitiannya terhadap paduan Cu- Ti dengan

kandungan Ti di antara "" 1 % at. daD 5 % at., (Wagner

et.al., 1988) menampilkan dekomposisi paduan Cu- Ti

dalam bentuk diagram sebagai

berikut,

a-Cu-(

5 at. %) Ti

Bila suatu inti kIaster yang semula hanya berisi

beberapa atom Ti dipandang sebagai satu tetes

makroskopik yang menyatakan

rasa fJ dan berada di

dalam matrik rasa a, maka energi bebasnya juga

dipandang sebagai besaran makroskopik. Tetes dengan

radius R yang regangan-regangan

koherennya terns

meningkat, akan menimbulkan pernbahan harga energi

bebasnya

menurut

persamaan

[4]

AF(R) = (l1.fch

+LV'eI)~R3

+ 47l'R2uaP (4)

3

dengan, ~h adalah peningkatan

energi bebas chemical,

Af 01 adalah peningkatan

energi bebas regangan elastik,

(~f" + ~f ,I ) adalah gaya pendorong

proses pengintian

per unit volume, 0' "I! adalah energi interfacial spesiftk.

Bila ditinjau sebelah

kanan dari persamaan

ini,

bagian pertama dengan faktor ~ menyatakan

kenaikan

energi bebas yang membentuk tetes, sedangkan

bagian

kedua dengan faktor K menyatakan perbesaran tetes

yang membentuk

batas internal fasanya.

Proses pengintian yang terns berlangsung

akan

mengakibatkan pertumbuhan ukuran klaster hingga

mencapai ukuran kritisnya, yang dinyatakan dengan

ukuran jari-jari kritiS[4].

TEOR! PENGINTIAN (NUCLEATION THEORI')

Terdapat dua macarn teori pengintian yang

berbeda, yaitu teori klasik dan teori non-klasik.

Perbedaan ini didasarkan pada cara mengevaluasi

pengaruh energi bebas terhadap distribusi klaster yang

ada di dalarn larutan padat yang tidak uniform.

Dalarn teori klasik dianggap bahwa proses

separasi fasanya merupakan fluktuasi multifasa, karena

St...l.:

P,...J~/...l.._"

T~ P~

~

~

~

F~ P~

c..-O.1,.;fYoT~

~

H

e

,..

N~

5...l.4

~

S.H.P~

Sehingga hanya klaster-klaster yang dapat

mencapai

harga kritis saja, yang disebut inti-inti kritis,

dapat terns tumbuh secara

kontinu. Harga kritis ini hanya

dapat dicapai melalui fluktuasi, karena fluktuasi ini dapat

mengatasi setiap gaya yang menghambat proses

pengintian.

energi bebas dari tiap elemen dV dinyatakan dengan f (c) + K .(V c) 2 , dengan K. sebagai koefisien gradien energi. Dengan menjumlahkan semua elemen energi bebas dari setiap elemen volume dV, akan diperoleh energi bebas dari keseluruhan volume V yang dinyatakan dalam persamaan (7).

Teori bukan klasik yang menggunakan model kontinyu ini didasarkan pada asumsi bahwa energi bebas .f(c) bervariasi secara kontinu terhadap komposisi.

Asumsi berikutnya adalah bahwa kedua rasa (a daD fJ ) saling koheren, sehingga struktur kristal keduanya sarna, daD parameter kisinya juga mirip. Bila parameter kisinya berubah dengan perubahan komposisi, maka syarat koherensinya akan mengalami regangan koherensi yang dikaitkan dengan energi bebas elastik.

TATAKERJA

Teori Pengintian Non-K/asik

Bila dalam teori klasik dengan model tetesnya dianggap bahwa komposisi klasternya uniform di seluruh tetes, maka dalam teori pengintian non-klasik yang mulai dikembangkan oleh Cahn daD Hilliard (1959) dianggap bahwa larutan padatnya tidak homogen. Selain itu, pada kondisi metastabilnya terdapat fluktuasi-fluktuasi di dalam fasa tunggal dengan diffuse interfaces daD terbentuk suatu komposisi yang tidak uniform, karena komposisinya bervariasi terhadap posisinya di setiap bagian klaster.

Oalam teori non-klasik ini, suatu fluktuasi kritis harus dikarakterisasi oleh paling sedikit dua parameter, yaitu perbesaran spasial yang dinyatakan oleh harga panjang gelombangnya ().), daD variasi komposisi spasialnya. Perubahan energi bebas dinyatakan dengan perubahan dari sistem yang homogen dengan komposisi awal Co yang memiliki energi bebas F 0 menurut persamaan

Cup/ikon

Digunakan pactuM logarn kristal tunggal Cu-O.9%at Ti yang dibeli produk komersial khusus untuk teknologi tinggi, daD dibuat berdasarkan metoda Bridgestone

(6)

Pengukuran

Dilakukan di GKSS -Jennan, dengan SANS yang memiliki spesifikasi sebagai berikut :

Daya Reaktor 5 MW dengan sumber dingin; Panjang gelombang :2: 2.8 A; Selektor kecepatan dengan putaran baling-baling sebagai monokromator; Resolusi panjang gelombang 11), / ). = 0.1; Panjang kolimator 2 m, 4 m, 8 m, 15.5 m; Jangkau Q: 10-3 ~ Q ~ 0.2 A-I; Jarak detektor ke cuplikan I m ~ d ~ 22 m; Detektor 2 dimensi dengan isian gas 3He, daerah sensitif 55 X 55 cm2, ukuran efektif pixel 0.7 X 0.7 cm2, clan cacah latar 4 cps.

yang menjadi sistem tidak homogen

dengan energi bebas

F menurut

persamaan

F = If(c) + KO(VC)2]dV

₍₇₎

sehingga

diperoleh

perubahan

energi bebas

_{BASIL DAN PEMBAHASAN}

(8)

M = (F-~)

=

= f[f(c)-f(co)

+ K.(VC)2]dV

v

Arti fisis daTi persarnaan (7) adalah, bahwa

larutan padat Cu- Ti dengan

volume V dipandang sebagai

satu sistem yang terdiri alas elemen-elemen

volume dV,

yang energi bebas tiap elemennya

adalah .f(c)dV, dengan

.f(c) adalah energi bebas per unit volume yang

komposisinya c. Komposisi c ini harganya

sarna dengan

c(r), yaitu harga komposisi rerata dalarn elemen volume

dV yang ada di titik r.

Untuk suatu sistem yang tidak uniform, Cahn

dan Hilliard (1959) berasumsi bahwa energi bebas

lokalnya dipengaruhi oleh gradien komposisi V c, yang

ditarnbahkan sebagai energi gradien tunggal. Harga

gradien energi tunggal ini setara dengan (Vcr, sehingga

Garnbar I menunjukkan kurva SANS yang dihasilkan oleh proses anil yang dilakukan terhadap paduan Cu-0.9%at Ti dengan temperatur 2500 C selama 15 menit, karena efek harnburan dari cuplikan basil anil tersebut telah dikurangi dengan efek harnburan pacta kondisi homogennya. lntensitas terkoreksi untuk puncak kurvanyajelas terletak disekitar 5.3 X 10-3 cm-1 .

Garnbar 2 menunjukkan kurva SANS yang dihasilkan oleh proses anil yang dilakukan terhadap paduan Cu-0.9%at Ti dengan temperatur 3500 C selama 15 menit, karena efek harnburan dari cuplikan basil anil tersebut telah dikurangi dengan efek harnburan pada kond~i homogennya. lntensitas terkoreksi untuk puncak kurvanyajelas terletak disekitar 1.3 X 10-2 cm-1 .

Pada studi yang telah dilakukan terhadap paduan yang sarna, Cu-0.9%at Ti, Boerchers[2] pada tahun 1992 menggunakan temperatur anil 350°C. Semula diharapkan akan dapat memenuhi teori non-klasik dengan tahap pengintiannya yang berlangsung kontinu,

,51

~ Pe.."'~t..l..~,-

T~ P~

l)...l ~

~

F~ P~ c..-O.ld1oT~

~

H..,..t"." Ne.-t.- s

l..t ~

S.H.P~

tetapi temyata disimpulkan bahwa kontinuitasnya masih

belum dapat diamati dengan metode pengukuran yang digunakan, yaitu dengan mikroskop elektron transmisi. Sehingga pada studi tersebut disimpulkan bahwa paduan tersebut perlu di-anil paling sedikit selama satu jam, agar presipitat-presipitat yang diharapkan dapat diamati dan dianalisis dengan baik.

lebih teliti terhadap kontinuitas pengintian dapat dilakukan.

KESIMPULAN

Dari basil studi pendahuluan ini dapat diharapkan bahwa tahap pengintian dalam paduan Cu-O.9atU/o Ti akan dapat diamati kontinuitasnya, sehingga

dapat dipilih tahap pengintian yang paling baik pengaruhnya terhadap kualitas paduano

~-~~Jm)lI!QjJ , , ,~~-"'- -~ c-.J)--~~ UCAP AN TERIMAKASIH

1

.

_~

.~

,..;/'-.,

l' ' }~

Penulis mengucapkan terimakasih kepada Dr. Abarrul Ikram sebagai Kepala Balai Spektrometri di Puslitbang Iptek Bahan, yang telah memberikan dorongan, koreksi, dan saran-saran kepada penulis untuk menyelesaikan makalah ini.

Ucapan terimakasih juga diucapkan kepada Prof. Richard Wagner, Mr. Reinhard Kampmann, dan Mr. Helmut Eckerlebe yang memberikan kesempatan kepada penulis untuk melakukan pengukuran-pengukuran ini.

Gambar 1. Kurva SANS untuk temperatur anil 2500 C selama 15 menit

DAFfARPUSTAKA

~

[1].

~ +-\:-_{~ .} ..~, _\

-f~-

_\J ... i JC'

1

i

"

[2]

--"";"";"'--"'1"';':

Gambar 2. Kurva SANS untuk temperatur anil 3500 C selama 15 menit

Dalam studi pendahuluan terhadap paduan Cu-O.9a~/oTi ini digunakan metoda hamburan neutron sudut kecil. Dari kurva hasil pengukuran tampak jelas bahwa perlakuan anil pada temperatur 350°C, daD juga 250°C selama 15 menit saja sudah dapat menampilkan adanya sebaran presipitat di dalam matrik logam Cu. Dengan demikian dapat diharapkan bahwa pengamatan yang

[4]

BIEHL, K.E., AND WAGNER. R., 1981, Early

Stage Decomposition

in

Cu-Ti

Alloys,

Proceeding International Conference on

Solid-solid Phase Transfonnations, Ed. Aaronson. H.I.,

Pittsburg-USA

BOERCHERS, C., 1992, Elektronenmikroskopie

und

Thermodynamik der

Entmischung von

Kupfer -0.9 at. % Titan, Ph.D Thesis, University of

Hamburg

ECKERLEBE, H, 1985,

Neutronenkleinwinkel-streuexperimente zur

Bestimmung

der

Entmischungskinetik in

Uebersaettigen

Cu-2.9at% Ti

Einkristallen,

Diploma Thesis,

University of Hamburg

WAGNER, R. AND KAMPMANN, R., 1991,

Homogeneous Second Phase Precipitation in

Materials Science and Technology, Ed. Cahn,

R.W., Haasen, P., and Kramer, E.J. Vol. 5,

Chapt.4, Verlag Chemie GmbH, Weinheim.

TANYA-JAWAB

Penanya

: Futichah (P2TBDU-BA TAN)

Puncak-puncak SANS menyatakan sebaran atau ukuran presipitat ?

Mengapa dipilih suhu anil 3500 C clan 2500 C, clan apakah pada suhu-suhu tersebut sudah membentuk rasa ke dua ?

~

p j~t.-l TJ..t

p~

~

~

~

F~ p~

(!"-O.'1,.;t'1oT~

~

H~

N~

s...l..;t

~

S.H.

p~

Jawaban

Posisi puncak SANS menyatakan ukuran presipitat, daD kemiringan kurvanya menyatakan sebaran

presipitat

pada tiap satuan

volume sampel.

Pada dasarnya

memang dipilih suhu anil serendah

mungkin, yang dalam hal ini 2500

C. Suhu 3500

C juga

dipilih sebagai pembanding,

karena hingga saat ini suhu 350°C dianggap sebagai suhu terendah yang

masih bisa membentuk

presipitat. Dengan terbentuknya

puncak pada kurva SANS, berarti rasa ke dua

sudah

terbentuk.

2,

Penanya : Sinthia R. (Fisika IPB -Bogor)

Apakah teknik SANS dapat mengamati

keseluruhan

rasa presipitat yang mungkin muncul pada Cu-O.9a~/o

Ti ( mulai rasa metastabil

sampai

stabil ) daD

bagaimana

caranya ?

Mengapa

yang diinginkan rasa metastabil

yang terbentuk ?

2,

Jawaban

Teknik SANS dapat mengamati

keseluruhan

rasa presipitllt, mulai daTi metastabil sampai stabil, yaitu

dengan melakukan

proses anil secara bertahap

dengan

jangkau waktu yang cukup lebar, yaitu mulai daTi

yang sangat

singkat (misalnya satu menit) sampai

sangat

lama (misalnya satu

jam).

Diinginkan terbentuknya rasa metastabil, karena sifat presipitat pada rasa metastabil masih koheren

terhadap

rasa induk/matrik. Koherensi

presipitat

membawa

dampak positifterhadap kekuatan

bahan.

2.

153

~,

6 J~ 2001