Larutan Padat Interstisial dalam Baja: Pembentukan, Mikrostruktur & Dampaknya terhadap Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah Larutan Padat Interstisial dalam baja mengacu pada fase mikrostruktur di mana atom-atom kecil, biasanya karbon $C$ atau nitrogen (N), menempati situs interstisial dalam kisi kristal logam induk, terutama besi (Fe). Atom-atom ini jauh lebih kecil daripada atom logam utama dan cocok ke dalam celah—ruang antara posisi atom yang teratur—tanpa menggantikan atom induk.

Di tingkat atom, dasar ilmiah fundamental melibatkan difusi dan penggabungan atom interstisial ke dalam kisi kristal besi, yang memiliki struktur kubus berpusat badan (BCC) atau kubus berpusat wajah (FCC) tergantung pada fase. Atom-atom ini mendistorsi kisi secara lokal, mempengaruhi sifat material.

Dalam metalurgi baja, larutan padat interstisial sangat penting karena mereka secara signifikan mengubah sifat mekanik seperti kekerasan, kekuatan, dan ketangguhan. Mereka juga mempengaruhi stabilitas fase, perilaku transformasi, dan ketahanan korosi, menjadikannya pusat dalam rekayasa mikrostruktur dan desain paduan.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Fitur kristalografi utama dari larutan padat interstisial dalam baja adalah okupansi situs interstisial dalam kisi induk. Dalam ferit BCC (α-Fe), situs interstisial adalah void tetrahedral dan oktahedral, dengan situs oktahedral yang lebih menguntungkan secara energetik untuk atom kecil seperti karbon dan nitrogen.

Dalam austenit FCC (γ-Fe), situs interstisial lebih banyak dan lebih besar, memungkinkan kelarutan atom interstisial yang lebih tinggi. Parameter kisi dari besi murni adalah sekitar 2.866 Å untuk struktur BCC dan 3.597 Å untuk struktur FCC, dengan atom interstisial menyebabkan sedikit ekspansi kisi.

Atom interstisial terdistribusi secara acak dalam kisi pada konsentrasi rendah tetapi dapat membentuk susunan teratur atau presipitat pada konsentrasi yang lebih tinggi. Atom-atom ini tidak menggantikan atom besi tetapi tertanam dalam struktur kristal, mempertahankan simetri fase secara keseluruhan tetapi menyebabkan distorsi lokal.

Fitur Morfologis

Dalam istilah mikrostruktur, larutan padat interstisial muncul sebagai atom yang terdispersi secara seragam dalam matriks induk, sering kali pada skala atom di bawah resolusi mikroskop optik. Ketika hadir dalam konsentrasi signifikan, mereka dapat menyebabkan pembentukan semenit (Fe₃C) atau nitrit, yang merupakan fase yang berbeda.

Ukuran atom interstisial itu sendiri adalah sekitar 0.1 nm, jauh lebih kecil daripada atom induk (~0.2 nm). Distribusi mereka dapat homogen atau terkelompok, tergantung pada riwayat termal dan komposisi paduan.

Di bawah mikroskop optik atau elektron, mikrostruktur muncul sebagai matriks kontinu dengan distorsi kisi yang halus. Teknik canggih seperti mikroskop elektron transmisi (TEM) dapat mengungkapkan medan regangan lokal yang disebabkan oleh atom interstisial, tetapi atom-atom itu sendiri tidak terlihat secara langsung.

Sifat Fisik

Larutan padat interstisial mempengaruhi beberapa sifat fisik:

• Kepadatan: Penggabungan atom interstisial sedikit meningkatkan kepadatan karena ekspansi kisi.
• Konduktivitas Listrik: Kehadiran atom interstisial menyebarkan elektron konduksi, mengurangi konduktivitas listrik.
• Sifat Magnetik: Atom interstisial dapat mengubah perilaku magnetik dengan mendistorsi kisi dan mempengaruhi struktur domain magnetik.
• Konduktivitas Termal: Distorsi kisi dan pusat penyebaran mengurangi konduktivitas termal.
• Sifat Mekanik: Mereka meningkatkan kekerasan dan kekuatan melalui penguatan larutan padat tetapi dapat mengurangi ketangguhan.

Jika dibandingkan dengan larutan padat substitusi, larutan interstisial cenderung menghasilkan distorsi kisi dan perubahan sifat yang lebih signifikan pada konsentrasi solut yang lebih rendah.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan larutan padat interstisial diatur oleh prinsip-prinsip termodinamika yang melibatkan minimisasi energi bebas. Faktor kunci termasuk perbedaan potensial kimia antara atom solut dalam kisi dan lingkungan sekitarnya, serta energi regangan kisi yang disebabkan oleh ketidakcocokan ukuran.

Stabilitas atom interstisial dalam kisi induk tergantung pada perubahan energi bebas Gibbs (ΔG):

$$\Delta G = \Delta H - T \Delta S $$

di mana ΔH adalah perubahan entalpi yang terkait dengan penggabungan solut, dan ΔS adalah perubahan entropi. Atom interstisial cenderung larut pada suhu tinggi di mana kontribusi entropi mendukung penggabungan mereka.

Diagram fase, seperti sistem Fe-C dan Fe-N, menggambarkan batas kelarutan atom interstisial dalam fase yang berbeda. Misalnya, dalam austenit, kelarutan karbon dapat mencapai hingga 2.0 wt%, sedangkan dalam ferit, dibatasi sekitar 0.02 wt%.

Kinetika Pembentukan

Kinetika penggabungan atom interstisial melibatkan proses yang dikendalikan oleh difusi. Nukleasi larutan interstisial terjadi saat atom-atom difusi ke dalam kisi, dengan laju tergantung pada suhu, gradien konsentrasi, dan koefisien difusi.

Pertumbuhan fase larutan interstisial dikendalikan oleh mobilitas atom, dengan suhu yang lebih tinggi mempercepat difusi. Langkah yang mengendalikan laju sering kali adalah difusi atom interstisial melalui kisi atau sepanjang situs cacat seperti dislokasi.

Energi aktivasi untuk difusi (Q) bervariasi dengan fase induk dan jenis solut; untuk karbon dalam ferit, Q adalah sekitar 0.7 eV. Persamaan Arrhenius menggambarkan ketergantungan suhu:

$$D = D_0 \exp \left( - \frac{Q}{RT} \right) $$

di mana D adalah koefisien difusi, D₀ adalah faktor pre-exponential, R adalah konstanta gas, dan T adalah suhu.

Faktor yang Mempengaruhi

Pembentukan larutan padat interstisial dipengaruhi oleh:

• Komposisi Paduan: Kandungan karbon atau nitrogen yang lebih tinggi mendorong pembentukan larutan interstisial.
• Suhu: Suhu yang lebih tinggi meningkatkan kelarutan dan laju difusi.
• Kecepatan Pendinginan: Pendinginan cepat dapat menjebak atom interstisial dalam larutan, sementara pendinginan lambat memungkinkan presipitasi atau transformasi fase.
• Mikrostruktur Sebelumnya: Ukuran butir, kepadatan dislokasi, dan fase yang ada mempengaruhi jalur difusi dan situs nukleasi.

Elemen paduan seperti mangan, kromium, atau molibdenum dapat memodifikasi batas kelarutan dan perilaku difusi atom interstisial.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Kelarutan atom interstisial dalam fase baja dapat dijelaskan oleh hubungan Arrhenius:

$$C_{sol} = C_0 \exp \left( - \frac{\Delta G_{sol}}{RT} \right) $$

di mana:

• $C_{sol}$ adalah konsentrasi keseimbangan atom interstisial,
• $C_0$ adalah faktor pre-exponential yang terkait dengan kelarutan maksimum,
• ( \Delta G_{sol} ) adalah perubahan energi bebas Gibbs untuk penggabungan solut.

Regangan kisi yang disebabkan oleh atom interstisial dapat dimodelkan menggunakan hukum Vegard:

$$\Delta a = k \times C_{interstitial} $$

di mana:

• ( \Delta a ) adalah perubahan parameter kisi,
• ( k ) adalah konstanta proporsionalitas,
• $C_{interstitial}$ adalah fraksi atom dari atom interstisial.

Model Prediktif

Pendekatan komputasional seperti CALPHAD (Perhitungan Diagram Fase) memungkinkan pred