Apa itu Alloy Material? Bagian 2 : Teori Bahan Paduan(Alloy)

KIia sudah belajar tentang karateristik bahan paduan atau alloy di bagian pertama. Selanjutnya kita akan belajar tentang teori atom dan struktur dari alloy.

Paduan logam dilakukan dengan menggabungkannya dengan satu atau lebih elemen lain. Proses Alloy yang paling umum dan tertua dilakukan dengan memanaskan logam dasar di luar titik lelehnya dan kemudian melarutkan zat terlarut ke dalam cairan cair, yang mungkin bahkan jika titik leleh zat terlarut jauh lebih besar daripada basa. Misalnya, dalam keadaan cair, titanium adalah pelarut yang sangat kuat yang mampu melarutkan sebagian besar logam dan elemen. Selain itu, mudah menyerap gas seperti oksigen dan terbakar dengan adanya nitrogen. Hal ini meningkatkan kemungkinan kontaminasi dari permukaan yang bersentuhan, dan karenanya harus dilebur dalam pemanas induksi vakum dan cawan lebur tembaga khusus berpendingin air. 

Namun, beberapa logam dan zat terlarut, seperti besi dan karbon, memiliki titik leleh yang sangat tinggi dan tidak mungkin bagi manusia purba untuk meleleh. Jadi, Alloy (khususnya, Alloy interstitial) juga dapat dilakukan dengan satu atau lebih konstituen dalam keadaan gas, seperti ditemukan dalam tanur tinggi untuk membuat pig iron (cair-gas), nitriding, carbonitriding atau bentuk lain dari kasus pengerasan. (padat-gas), atau proses sementasi yang digunakan untuk membuat baja melepuh (solid-gas). Ini juga dapat dilakukan dengan satu, lebih, atau semua konstituen dalam keadaan padat, seperti yang ditemukan dalam metode kuno pengelasan pola (padat-padat), baja geser (padat-padat), atau produksi baja wadah (padat-padat). cair), pencampuran unsur-unsur melalui difusi solid-state.

Dengan menambahkan elemen lain ke logam, perbedaan ukuran atom menciptakan tekanan internal dalam kisi kristal logam; tekanan yang sering meningkatkan sifat-sifatnya. Misalnya, kombinasi karbon dengan besi menghasilkan baja, yang lebih kuat dari besi, elemen utamanya. Konduktivitas listrik dan termal Alloy biasanya lebih rendah daripada logam murni. Sifat fisik, seperti densitas, reaktivitas, modulus Young Alloy mungkin tidak jauh berbeda dari elemen dasarnya, tetapi sifat teknik seperti kekuatan tarik, daktilitas, dan kekuatan geser mungkin secara substansial berbeda dari bahan penyusunnya. Ini kadang-kadang merupakan akibat dari ukuran atom dalam Alloy, karena atom yang lebih besar memberikan gaya tekan pada atom tetangga, dan atom yang lebih kecil memberikan gaya tarik pada tetangga mereka, membantu 

Alloy menahan deformasi. Kadang-kadang Alloy dapat menunjukkan perbedaan perilaku yang nyata bahkan ketika sejumlah kecil satu elemen hadir. Misalnya, pengotor dalam Alloy feromagnetik semikonduktor menyebabkan sifat yang berbeda, seperti yang pertama kali diprediksi oleh White, Hogan, Suhl, Tian Abrie dan Nakamura.

Tidak seperti logam murni, sebagian besar Alloy tidak memiliki titik leleh tunggal, tetapi rentang leleh di mana bahannya adalah campuran fase padat dan cair (lumpur). Suhu saat pelelehan dimulai disebut solidus, dan suhu saat pelelehan baru selesai disebut likuidus. Untuk banyak Alloy ada proporsi Alloy tertentu (dalam beberapa kasus lebih dari satu), yang disebut campuran eutektik atau komposisi peritektik, yang memberikan Alloy titik leleh yang unik dan rendah, dan tidak ada transisi lumpur cair/padat.

Perlakuan Panas 

Allotropes of iron, (alpha iron and gamma iron)
memperlihatkan perbedaan struktur atomnya

Fotomikrograf baja. Foto atas: Baja anil (didinginkan perlahan) membentuk struktur mikro lamelar heterogen yang disebut perlit, terdiri dari fase sementit (terang) dan ferit (gelap). Foto bawah: Baja yang didinginkan (didinginkan dengan cepat) membentuk fase tunggal yang disebut martensit, di mana karbon tetap terperangkap di dalam kristal, menciptakan tekanan internal

Elemen Alloy ditambahkan ke logam dasar, untuk menginduksi kekerasan, ketangguhan, keuletan, atau sifat lain yang diinginkan. 

Sebagian besar logam dan Alloy dapat dikerjakan dengan pengerasan dengan menciptakan cacat pada struktur kristalnya. Cacat ini dibuat selama deformasi plastis dengan memalu, menekuk, mengekstrusi, dan lain-lain, dan bersifat permanen kecuali logam direkristalisasi. Jika tidak, beberapa Alloy juga dapat diubah sifatnya dengan perlakuan panas. Hampir semua logam dapat dilunakkan dengan anil, yang mengkristal ulang Alloy dan memperbaiki cacat, tetapi tidak banyak yang dapat dikeraskan dengan pemanasan dan pendinginan yang terkontrol. Banyak Alloy aluminium, tembaga, magnesium, titanium, dan nikel dapat diperkuat sampai tingkat tertentu dengan beberapa metode perlakuan panas, tetapi hanya sedikit yang menanggapi hal ini pada tingkat yang sama seperti baja.

Besi adalah logam dasar dari Alloy besi karbon yang dikenal sebagai baja, mengalami perubahan susunan (alotropi) atom-atom matriks kristalnya pada suhu tertentu (biasanya antara 1.500 °F (820 °C) dan 1.600 °F ( 870 °C), tergantung pada kandungan karbon). Hal ini memungkinkan atom karbon yang lebih kecil untuk memasuki celah kristal besi. Ketika difusi ini terjadi, atom karbon dikatakan berada dalam larutan dalam besi, membentuk fase kristal tunggal homogen yang disebut austenit. Jika baja didinginkan perlahan, karbon dapat berdifusi keluar dari besi dan secara bertahap akan kembali ke alotrop suhu rendah. Selama pendinginan lambat, atom karbon tidak akan lagi larut dengan besi, dan akan dipaksa untuk mengendap dari larutan, nukleasi menjadi bentuk besi karbida (Fe3C) yang lebih terkonsentrasi di ruang antara kristal besi murni. 

Baja kemudian menjadi heterogen, karena terbentuk dari dua fase, fase besi-karbon yang disebut sementit (atau karbida), dan ferit besi murni. Perlakuan panas semacam itu menghasilkan baja yang agak lunak. Namun, jika baja didinginkan dengan cepat, atom karbon tidak akan punya waktu untuk berdifusi dan mengendap sebagai karbida, tetapi akan terperangkap di dalam kristal besi. Ketika didinginkan dengan cepat, transformasi tanpa difusi (martensit) terjadi, di mana atom karbon terperangkap dalam larutan. Hal ini menyebabkan kristal besi berubah bentuk ketika struktur kristal mencoba untuk berubah ke keadaan suhu rendah, meninggalkan kristal tersebut sangat keras tetapi kurang ulet (lebih rapuh).

Sementara kekuatan baja yang tinggi dihasilkan ketika difusi dan pengendapan dicegah (membentuk martensit), sebagian besar Alloy yang dapat diolah dengan panas adalah Alloy pengerasan presipitasi, yang bergantung pada difusi elemen Alloy untuk mencapai kekuatannya. Ketika dipanaskan untuk membentuk larutan dan kemudian didinginkan dengan cepat, Alloy ini menjadi jauh lebih lembut dari biasanya, selama transformasi difusi, tetapi kemudian mengeras seiring bertambahnya usia. Zat terlarut dalam Alloy ini akan mengendap seiring waktu, membentuk fase intermetalik, yang sulit dibedakan dari logam dasar. Tidak seperti baja, di mana larutan padat terpisah menjadi fase kristal yang berbeda (karbida dan ferit), Alloy pengerasan presipitasi membentuk fase yang berbeda dalam kristal yang sama. Paduan intermetalik ini tampak homogen dalam struktur kristal, tetapi cenderung berperilaku heterogen, menjadi keras dan agak rapuh.

Pada tahun 1906, Alloy pengerasan presipitasi ditemukan oleh Alfred Wilm. Paduan pengerasan presipitasi, seperti Alloy aluminium, titanium, dan tembaga tertentu, adalah Alloy yang dapat diolah dengan panas yang melunak saat dipadamkan (didinginkan dengan cepat), dan kemudian mengeras seiring waktu. Wilm telah mencari cara untuk mengeraskan Alloy aluminium untuk digunakan dalam kotak peluru senapan mesin. Mengetahui bahwa Alloy aluminium-tembaga dapat diolah dengan panas sampai tingkat tertentu, Wilm mencoba memadamkan Alloy terner aluminium, tembaga, dan penambahan magnesium, tetapi awalnya kecewa dengan hasilnya. 

Namun, ketika Wilm mengujinya kembali keesokan harinya, dia menemukan bahwa Alloy itu meningkat kekerasannya ketika dibiarkan menua pada suhu kamar, dan jauh melebihi harapannya. Meskipun penjelasan untuk fenomena tersebut tidak diberikan sampai tahun 1919, duralumin adalah salah satu Alloy "pengerasan usia" pertama yang digunakan, menjadi bahan bangunan utama untuk Zeppelin pertama, dan segera diikuti oleh banyak lainnya. Karena mereka sering menunjukkan kombinasi kekuatan tinggi dan berat rendah, Alloy ini menjadi banyak digunakan dalam berbagai bentuk industri, termasuk konstruksi pesawat modern.

Mekanisme Atom Alloy 

Different atomic mechanisms of alloy formation, showing pure metal, substitutional, interstitial, and a combination of the two

 Mekanisme atom yang berbeda dari pembentukan Alloy, menunjukkan logam murni, substitusi, interstisial, dan kombinasi keduanya Ketika logam cair dicampur dengan zat lain, ada dua mekanisme yang dapat menyebabkan Alloy terbentuk, yang disebut pertukaran atom dan mekanisme interstisial. Ukuran relatif setiap elemen dalam campuran memainkan peran utama dalam menentukan mekanisme mana yang akan terjadi. 

Jika ukuran atom relatif sama, metode pertukaran atom biasanya terjadi, di mana beberapa atom penyusun kristal logam diganti dengan atom penyusun lainnya. Ini disebut Alloy substitusi. Contoh Alloy substitusi termasuk perunggu dan kuningan, di mana beberapa atom tembaga masing-masing diganti dengan atom timah atau seng. 

 Dalam kasus mekanisme interstisial, satu atom biasanya jauh lebih kecil dari yang lain dan tidak berhasil menggantikan jenis atom lain dalam kristal logam tidak mulia. Sebaliknya, atom-atom yang lebih kecil terperangkap di situs interstisial antara atom-atom matriks kristal. Ini disebut sebagai Alloy interstisial. 

Baja adalah contoh Alloy interstisial, karena atom karbon yang sangat kecil masuk ke celah matriks besi. Baja tahan karat adalah contoh Alloy interstisial dan Alloy substitusi, karena atom karbon masuk ke dalam celah, tetapi beberapa atom besi diganti dengan atom nikel dan kromium.

Di bagian selanjutnya kita akan mempelajari tentang  Sejarah dan contoh contoh bahan paduan yang sudah digunakan manusia sejak jaman dahulu.