~~~ ~ H-I ~ k... ~ X KI. 4, ,S~ 1410-?~g~

STurn PENDAHULUAN T AHAP PENGINTIAN DALAM KINETIKASEPARASI 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 DENGANHAMBURAN NEUTRON SUDUT KECIL. Telah dilakukan pengamatan presipitat pada cuplikan paduan Cu-O,9%at Ti dengan hamburan neutronsudut kecil. Cuplikan tersebut di-anil selama 15 men it pada dua temperatur yang berbeda, yaitu 3500 C dan 2500 C. Pengukuran dengan SANSberhasil menampilkan presipitat yang te~adi, bahkan pada tahap sangat awal sekalipun. Dalam makalah ini disajikan teon separasi fasa, dan jugateon pengintian klasik maupun non-klasik. Dari hasil studi awal ini diharapkan dapat dilakukan pengamatan yang saksama terhadap kontinuitaspengintian, 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 SMALLANGLE 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 measurementsshowed the occuring precipitates significantly, even at the very early stages. The phase separation theory, and also nucleation theories for bothclassical and non-classical are presented in this paper. From the result of this preliminary study, it is expected that precise observations on thecontinuity 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 awalsampai dengan tahap presipitasi yang sudah sangatlanjut.

TEORI SEPARASI FASA DALAM PADUAN Cu-Ti

Kinetika reaksi presipitasi terutama ditentukanoleh suatu kondisi tahap awal-nya yang kerapatan jumlahpresipitat-nya NV<t) meningkat berdasarkan persamaan

(1)

Presipitat-presipitat ini merupakan klaster-klaster yangbentuknya menyerupai bola-bola berjari-jari R yangukuran dan distribusinya berdasarkan fungsi j(R) denganradius Terata yang memenuhi persamaan

-fRf(R)dRR=

ff(R)dR

Paduan tembaga-titaniurn (Cu- Ti) sudah banyakdigunakan dalam berbagai bidang industri yangmemanfaatkan teknologi tinggi. Hal ini disebabkan olehkeunggulannya, baik konduktivitasnya maupunkekuatannya. Konduktivitasnya yang unggul berasal darimatrik logamnya, yaitu tembaga, sedangkan keunggulankekuatannya diperoleh dari pengerasan presipitat selamaberlangsungnya separasi rasa.

Keberadaan sebaran presipitat-presipitatberukuran sangat kecil (dalam orde beberapa puluhangstrom), yang adalah sebagai rasa ke dua dalam matriklogam tembaga (Cu) merupakan faktor penguat yangsignifikan. Penyebaran rasa-rasa ke dua ini merupakanfungsi waktu daD temperatur, sehingga kekuatan paduantembaga-titaniurn ini sangat ditentukan olehstruktunnikro presipitatnya, sebagai akibat dari kinetika

pengerasan presipitat.Sebagai alat ukur, digunakan spektro-meter

hamburan neutron sudut kecil (SANS), karenaspektrometer ini mampu mendeteksi keberadaanpresipitat-presipitat dalam paduan tembaga-titanium,

(2)

149~ ~ J~ 2001

~ 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 daDseterusnya. Bila spesifikasi energi bebasnya sudahditentukan, maka distribusi kesetimbangan daTi fluktuasimultifasanya, daD juga penghambat proses pengintiannya

dapat diperhitungkan.Teori non-klasik menganggap bahwa proses

5~p3rasi fasanya merupakan fluktuasi rasa tunggal yangdi dalamnya berlangsung fluktuasi gelombang secarakontinyu. Untuk teori non- klasik ini digunakanpendekatan melalui teori spinodal, yaitu teori yangmenyajikan kinetika dekomposisi tahap awal dalambentuk evolusi waktu yang berlangsung pada amplitudodaD panjang gelombang yang stabil daTi fluktuasi suaturasa tunggal.

Teori Pengintian K/asikBila 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 inifluktuasi atom-atom terlarut Ti dipandang sebagai klasterberbentuk tetes atau butir denganjari-jari R, sehingga

Dalam tahap-tahap awal, reaksi presipitasinyadisebut tahap pengintian (nucleation), yang padaurnumnya dianggap bahwa rasa induk a daD rasapresipitat P saling berbagi kisi kristal, sehingga tiap duafasanya menjadi koheren. Tetapi basil penelitian Liu daDWagner (1984 ) menunjukkan bahwa selama tahap awaltersebut, harga radius rerata-nya meningkat, sedangkankondisi superjenuhnya menurun sedikit, Ac, secaralambat. Namun, harga Ac ini sudah cukup untuk

mencegah terjadinya pengintian selanjutnya. Berhentinyatahap pengintian ini ditandai dengan tercapainya hargamaksimurn 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 tumbuhmenjadi lebih besar lagi. Selama tahap pengasaran iniberlangsung, harga Ac menurun secara asimptotis menujuharga nolo

Dalam daerah antara kelarutan (miscibility gap)pada diagram rasa, rasa induk a menjadi tidak stabil daDberdekomposisi menjadi larutan padat stabil a' dan rasapresipitat p. Tetapi hila daerah antara kelarutan ini cukuplebar, maka proses dekomposisinya berlangsung dalamdua tahap, yaitu 41f 3Volume klaster = -R

3(3)

a -..a" + f3' -..a' + f3

Dari penelitiannya terhadap paduan Cu- Ti dengankandungan Ti di antara "" 1 % at. daD 5 % at., (Wagneret.al., 1988) menampilkan dekomposisi paduan Cu- Tidalam bentuk diagram sebagai berikut,

a-Cu-( 5 at. %) Ti

Bila suatu inti kIaster yang semula hanya berisibeberapa atom Ti dipandang sebagai satu tetesmakroskopik yang menyatakan rasa fJ dan berada didalam matrik rasa a, maka energi bebasnya jugadipandang sebagai besaran makroskopik. Tetes denganradius R yang regangan-regangan koherennya ternsmeningkat, akan menimbulkan pernbahan harga energibebasnya 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 pengintianper unit volume, 0' "I! adalah energi interfacial spesiftk.

Bila ditinjau sebelah kanan dari persamaan ini,bagian pertama dengan faktor ~ menyatakan kenaikanenergi bebas yang membentuk tetes, sedangkan bagiankedua dengan faktor K menyatakan perbesaran tetesyang membentuk batas internal fasanya.

Proses pengintian yang terns berlangsung akanmengakibatkan pertumbuhan ukuran klaster hinggamencapai ukuran kritisnya, yang dinyatakan denganukuran jari-jari kritiS[4].

TEOR! PENGINTIAN (NUCLEATION THEORI')

Terdapat dua macarn teori pengintian yangberbeda, yaitu teori klasik dan teori non-klasik.Perbedaan ini didasarkan pada cara mengevaluasipengaruh energi bebas terhadap distribusi klaster yangada di dalarn larutan padat yang tidak uniform.

Dalarn teori klasik dianggap bahwa prosesseparasi fasanya merupakan fluktuasi multifasa, karena

(5)

~, ~ J~ 2001150

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 dapatmencapai harga kritis saja, yang disebut inti-inti kritis,dapat terns tumbuh secara kontinu. Harga kritis ini hanyadapat dicapai melalui fluktuasi, karena fluktuasi ini dapatmengatasi setiap gaya yang menghambat prosespengintian.

energi bebas dari tiap elemen dV dinyatakan denganf (c) + K .(V c) 2 , dengan K. sebagai koefisien gradien

energi. Dengan menjumlahkan semua elemen energibebas dari setiap elemen volume dV, akan diperolehenergi bebas dari keseluruhan volume V yang dinyatakandalam persamaan (7).

Teori bukan klasik yang menggunakan modelkontinyu 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 kisinyaberubah dengan perubahan komposisi, maka syaratkoherensinya akan mengalami regangan koherensi yangdikaitkan dengan energi bebas elastik.

TATAKERJA

Teori Pengintian Non-K/asikBila dalam teori klasik dengan model tetesnya

dianggap bahwa komposisi klasternya uniform di seluruhtetes, maka dalam teori pengintian non-klasik yang mulaidikembangkan oleh Cahn daD Hilliard (1959) dianggapbahwa larutan padatnya tidak homogen. Selain itu, padakondisi metastabilnya terdapat fluktuasi-fluktuasi didalam fasa tunggal dengan diffuse interfaces daDterbentuk suatu komposisi yang tidak uniform, karenakomposisinya bervariasi terhadap posisinya di setiapbagian klaster.

Oalam teori non-klasik ini, suatu fluktuasi kritisharus dikarakterisasi oleh paling sedikit dua parameter,yaitu perbesaran spasial yang dinyatakan oleh hargapanjang gelombangnya ().), daD variasi komposisispasialnya. Perubahan energi bebas dinyatakan denganperubahan dari sistem yang homogen dengan komposisiawal Co yang memiliki energi bebas F 0 menurut

persamaan

Cup/ikonDigunakan pactuM logarn kristal tunggal Cu-

O.9%at Ti yang dibeli produk komersial khusus untukteknologi tinggi, daD dibuat berdasarkan metoda

Bridgestone

(6)

PengukuranDilakukan 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 denganputaran baling-baling sebagai monokromator; Resolusipanjang gelombang 11), / ). = 0.1; Panjang kolimator 2 m,

4 m, 8 m, 15.5 m; Jangkau Q: 10-3 ~ Q ~ 0.2 A-I; Jarakdetektor ke cuplikan I m ~ d ~ 22 m; Detektor 2dimensi dengan isian gas 3He, daerah sensitif 55 X 55cm2, ukuran efektif pixel 0.7 X 0.7 cm2, clan cacah latar 4

cps.

yang menjadi sistem tidak homogen dengan energi bebasF 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]dVv

Arti fisis daTi persarnaan (7) adalah, bahwalarutan padat Cu- Ti dengan volume V dipandang sebagaisatu 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 yangkomposisinya c. Komposisi c ini harganya sarna denganc(r), yaitu harga komposisi rerata dalarn elemen volumedV yang ada di titik r.

Untuk suatu sistem yang tidak uniform, Cahndan Hilliard (1959) berasumsi bahwa energi bebaslokalnya dipengaruhi oleh gradien komposisi V c, yangditarnbahkan sebagai energi gradien tunggal. Hargagradien energi tunggal ini setara dengan (Vcr, sehingga

Garnbar I menunjukkan kurva SANS yangdihasilkan oleh proses anil yang dilakukan terhadappaduan Cu-0.9%at Ti dengan temperatur 2500 C selama15 menit, karena efek harnburan dari cuplikan basil aniltersebut telah dikurangi dengan efek harnburan pactakondisi homogennya. lntensitas terkoreksi untuk puncakkurvanyajelas terletak disekitar 5.3 X 10-3 cm-1 .

Garnbar 2 menunjukkan kurva SANS yangdihasilkan oleh proses anil yang dilakukan terhadappaduan Cu-0.9%at Ti dengan temperatur 3500 C selama15 menit, karena efek harnburan dari cuplikan basil aniltersebut telah dikurangi dengan efek harnburan padakond~i homogennya. lntensitas terkoreksi untuk puncakkurvanyajelas terletak disekitar 1.3 X 10-2 cm-1 .

Pada studi yang telah dilakukan terhadappaduan yang sarna, Cu-0.9%at Ti, Boerchers[2] padatahun 1992 menggunakan temperatur anil 350°C. Semuladiharapkan akan dapat memenuhi teori non-klasikdengan tahap pengintiannya yang berlangsung kontinu,

,51

~, 6 J~ 2001

~ 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 masihbelum dapat diamati dengan metode pengukuran yangdigunakan, yaitu dengan mikroskop elektron transmisi.Sehingga pada studi tersebut disimpulkan bahwa paduantersebut perlu di-anil paling sedikit selama satu jam, agarpresipitat-presipitat yang diharapkan dapat diamati dandianalisis dengan baik.

lebih teliti terhadap kontinuitas pengintian dapatdilakukan.

KESIMPULAN

Dari basil studi pendahuluan ini dapatdiharapkan bahwa tahap pengintian dalam paduan Cu-O.9atU/o Ti akan dapat diamati kontinuitasnya, sehinggadapat dipilih tahap pengintian yang paling baikpengaruhnya terhadap kualitas paduano

~-~~Jm)lI!QjJ, , ,~~-"'- -~

c-.J)--

~~

UCAP AN TERIMAKASIH1.~

.~,..;/'-.,l' '}~

Penulis mengucapkan terimakasih kepada Dr.Abarrul Ikram sebagai Kepala Balai Spektrometri diPuslitbang Iptek Bahan, yang telah memberikandorongan, koreksi, dan saran-saran kepada penulis untukmenyelesaikan makalah ini.

Ucapan terimakasih juga diucapkan kepadaProf. Richard Wagner, Mr. Reinhard Kampmann, danMr. Helmut Eckerlebe yang memberikan kesempatankepada penulis untuk melakukan pengukuran-pengukuran ini.

Gambar 1. Kurva SANS untuk temperatur anil2500 C selama 15 menit

DAFfARPUSTAKA~

[1].~

+-\:-~ ...~, \

-f~-J \

...i JC'

1i"

[2]

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

Gambar 2. Kurva SANS untuk temperatur anil3500 C selama 15 menit

[3].

Dalam studi pendahuluan terhadap paduan Cu-O.9a~/oTi ini digunakan metoda hamburan neutron sudutkecil. Dari kurva hasil pengukuran tampak jelas bahwaperlakuan anil pada temperatur 350°C, daD juga 250°Cselama 15 menit saja sudah dapat menampilkan adanyasebaran presipitat di dalam matrik logam Cu. Dengandemikian dapat diharapkan bahwa pengamatan yang

[4]

BIEHL, K.E., AND WAGNER. R., 1981, EarlyStage Decomposition in Cu-Ti Alloys,Proceeding International Conference on Solid-solid Phase Transfonnations, Ed. Aaronson. H.I.,Pittsburg-USABOERCHERS, C., 1992, Elektronenmikroskopieund Thermodynamik der Entmischung vonKupfer -0.9 at. % Titan, Ph.D Thesis, University ofHamburgECKERLEBE, H, 1985, Neutronenkleinwinkel-streuexperimente zur Bestimmung derEntmischungskinetik in Uebersaettigen Cu-2.9at% Ti Einkristallen, Diploma Thesis,University of HamburgWAGNER, R. AND KAMPMANN, R., 1991,Homogeneous Second Phase Precipitation inMaterials 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 membentukrasa ke dua ?

2.

~, ~ J~ 2001152

~ 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 sebaranpresipitat pada tiap satuan volume sampel.Pada dasarnya memang dipilih suhu anil serendah mungkin, yang dalam hal ini 2500 C. Suhu 3500 C jugadipilih sebagai pembanding, karena hingga saat ini suhu 350°C dianggap sebagai suhu terendah yangmasih bisa membentuk presipitat. Dengan terbentuknya puncak pada kurva SANS, berarti rasa ke duasudah terbentuk.

2,

Penanya : Sinthia R. (Fisika IPB -Bogor)

Apakah teknik SANS dapat mengamati keseluruhan rasa presipitat yang mungkin muncul pada Cu-O.9a~/oTi ( 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, yaitudengan melakukan proses anil secara bertahap dengan jangkau waktu yang cukup lebar, yaitu mulai daTiyang sangat singkat (misalnya satu menit) sampai sangat lama (misalnya satu jam).Diinginkan terbentuknya rasa metastabil, karena sifat presipitat pada rasa metastabil masih koherenterhadap rasa induk/matrik. Koherensi presipitat membawa dampak positifterhadap kekuatan bahan.

2.

153~, 6 J~ 2001