Phase separation kinetics in CU-0.9 at degree Ti by small angle neutron scattering experiments

PRASETYO, Stanislaus Maria, Promotor Prof.Dr.Ir. Prayoto, M.Sc

2005 | Disertasi | S3 MIPA (Ilmu Fisika)

Telah dilakukan investigasi separasi fasa dalam paduan logam Cu-0.9at% Ti dengan menggunakan metoda hamburan neutron sudut kecil dan sudut besar. Temperatur aging yang dipilih untuk perlakuan panas-nya adalah 573 K. Suatu skala dispersi halus dari fasa kedua Cu4Ti di dalam matriks pada paduan logam tembaga titanium, yang terakumulasi selama tahap-tahap awal dalam separasi fasa kinetiknya, dapat menjadi faktor penguat yang signifikan terhadap paduan logam tembagatitanium. Kandungan titanium yang rendah, yaitu hanya sebesar 0.9at% saja, sengaja dipilih agar diperoleh kebolehjadian yang lebih besar untuk dapat berlangsungnya proses separasi fasa pada tahap-tahap awal. Temperatur aging yang rendah juga dipilih dengan alasan yang sama, karena dapat berlangsungnya proses separasi fasa tahap awal merupakan faktor penentu untuk memperoleh sifat-sifat paduan logam yang lebih baik. Perangkat hamburan neutron sudut kecil dipilih sebagai alat ukur dalam investigasi ini oleh karena kemampuannya untuk menyajikan hasil analisis struktural dari ketidaklarutan (“unmixing”) paduan, baik pada tahap-tahap awal ketika fluktuasi komposisinya masih kecil, maupun pada tahap lanjut dalam proses separasi fasa. Tahap lanjut ini juga perlu diamati, agar dapat dipastikan batas yang jelas antara tahap awal dan tahap lanjut dalam suatu proses separasi fasa. Studi tentang paduan Cu-0.9at% Ti ini menunjukkan bahwa telah sudah terjadi proses “unmixing” selama berlangsung pendinginan kejut (“quenching”). Namun demikian, kondisi lewat jenuhnya masih cukup memadai untuk melanjutkan proses “unmixing”, sekalipun dengan perlakuan aging yang singkat pada temperatur 573 K. Hal ini dimungkinkan oleh kinetika yang cukup lambat pada temperatur tersebut, sehingga proses separasi fasa-nya dapat diikuti secara eksperimental dengan menggunakan metoda pengukuran hamburan neutron sudut kecil (HNSK/”SANS”). HNSK juga mampu menampilkan parameter-parameter kinetik yang menunjukkan evolusi waktu dari : fraksi volume presipitat ; densitas jumlah “cluster” ; dan ukuran rata-rata “cluster”, khususnya selama tahap-tahap awal dekomposisi yang mendahului tahap pengasaran (“coarsening”). Pola hamburan yang dihasilkan oleh HNSK secara jelas menunjukkan bahwa presipitat yang dihasilkan adalah presipitat koheren metastabil jenis Cu4Ti. Regangan koheren-nya yang besar berasosiasi dengan densitasnya yang kecil menjadi faktor penentu untuk mendapatkan paduan tembagatitanium yang kuat secara efisien.

Phase separation kinetics in supersaturated Cu-0.9at% Ti alloys after isothermal heat treatment at 573 K are investigated by small and wide angle neutron scattering. A fine scale dispersion of the second phase Cu4Ti within a copper-titanium solid solution, which is accumulated during the very early stage of phase separation, can lead to significant strengthening. Up to the present, no investigation has covered these very early stages in copper titanium alloys. The low titanium content of 0.9 at% was chosen in order to have a better possibility to study the phase separation process in its early stages. The chosen low aging temperature leads to slow decomposition kinetics and, hence, is favorable to investigate early stage decomposition. Small angle neutron scattering is used in this work because of its ability to provide access to structural analysis of unmixing alloys, in both the early stages where the composition fluctuation can be small in spatial extension and in amplitude, and in the later stages of decomposition. These later stages are needed to be covered, in order to assess the transition from earlier stages to the later stages of phase separation. The present study shows that a Cu-0.9at% Ti had already undergone some unmixing during quenching. Nevertheless, however, during the short term aging at 573 K the supersaturation was still sufficiently high continuing unmixing. As the kinetics at 573 K are rather sluggish, it became possible to follow the phase separation process experimentally by using small angle neutron scattering techniques (SANS). SANS also provided the kinetic parameters that determined the time evolution of the precipitate volume fraction, the cluster number density, and of the mean cluster size, observed during the early stages of decomposition prior to significant coarsening. The scattering pattern clearly proved the precipitates to be of the metastable coherent type Cu4Ti. The large coherency strains associated with the small density give rise to an efficient and strong strengthening of the two phase Cu-Ti alloy.

Kata Kunci : Ilmu Fisika,Separasi Fasa, Logam Cu,09 at Persen Ti, Hamburan Neutron Sudut Kecil