Zat terlarut dalam Mikrostuktur Baja: Pembentukan, Peran & Dampak pada Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Seorang solute dalam metalurgi baja mengacu pada elemen atau senyawa yang sengaja ditambahkan atau secara inheren hadir dalam paduan yang ada dalam konsentrasi kecil relatif terhadap konstituen utama, biasanya besi dan karbon. Solut ini adalah atom terlarut yang terintegrasi ke dalam kisi kristal atau ada sebagai fase minor dalam mikrostruktur baja.

Di tingkat atom, solut adalah atom substitusi atau interstitial yang menempati situs kisi tertentu dalam struktur kristalin. Solut substitusi menggantikan atom host dalam kisi kristal, sedangkan solut interstitial menempati ruang antara atom host, sering menyebabkan distorsi kisi.

Signifikansi solut dalam metalurgi baja terletak pada pengaruh mendalam mereka terhadap stabilitas mikrostruktur, transformasi fase, sifat mekanik, ketahanan korosi, dan perilaku termal. Mereka berfungsi sebagai alat kritis untuk rekayasa mikrostruktur, memungkinkan sifat yang disesuaikan untuk aplikasi tertentu.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Dalam baja, struktur kristal utama adalah ferrit kubik berpusat badan (BCC) atau austenit kubik berpusat wajah (FCC), tergantung pada suhu dan komposisi. Solut diintegrasikan ke dalam kisi ini, baik menggantikan atom besi atau berada di situs interstitial.

Solut substitusi seperti mangan (Mn), nikel (Ni), atau krom (Cr) mengadopsi posisi kisi yang mirip dengan atom besi, mempertahankan simetri kristal tetapi menyebabkan modifikasi parameter kisi. Solut interstitial seperti karbon $C$ dan nitrogen (N) menempati ruang interstitial dalam kisi, sering menyebabkan distorsi kisi dan stabilisasi fase.

Parameter kisi sensitif terhadap konsentrasi solut; misalnya, menambahkan Mn sedikit memperluas kisi, mempengaruhi stabilitas fase. Orientasi kristalografi dan hubungan antara fase, seperti austenit dan ferrit, dipengaruhi oleh distribusi solut, mempengaruhi jalur transformasi dan evolusi mikrostruktur.

Fitur Morfologis

Solut umumnya terdistribusi secara merata pada skala atom dalam matriks tetapi juga dapat tersegregasi di batas butir, dislokasi, atau antarmuka fase di bawah kondisi tertentu. Ukuran dan konsentrasi mereka mempengaruhi pembentukan fitur mikrostruktur seperti presipitat, karbida, atau fase sekunder lainnya.

Dalam mikrograf, solut itu sendiri tidak terlihat secara langsung; namun, efek mereka muncul sebagai perubahan dalam morfologi fase, pembentukan presipitat, atau zona segregasi. Misalnya, daerah kaya karbon dapat muncul sebagai presipitat semenit (Fe₃C), sementara elemen paduan seperti Cr dapat membentuk karbida atau nitride kromium.

Ukuran presipitat kaya solut bervariasi dari nanometer hingga mikrometer, tergantung pada kondisi pemrosesan. Distribusi dapat homogen atau terlokalisasi, mempengaruhi sifat seperti kekuatan dan ketangguhan.

Sifat Fisik

Solut mempengaruhi beberapa sifat fisik dari mikrostruktur baja:

• Kepadatan: Penambahan solut dengan berat atom yang berbeda dari besi sedikit mengubah kepadatan keseluruhan. Misalnya, menambahkan elemen yang lebih berat seperti molibdenum (Mo) meningkatkan kepadatan secara marginal.

• Konduktivitas Listrik: Atom solut menyebarkan elektron konduksi, mengurangi konduktivitas listrik. Konsentrasi tinggi solut seperti Cr atau Ni mengurangi konduktivitas dibandingkan dengan besi murni.

• Sifat Magnetik: Beberapa solut memodifikasi perilaku magnetik; misalnya, Ni meningkatkan ferromagnetisme, sementara yang lain seperti Cr dapat mengurangi saturasi magnetik.

• Sifat Termal: Solut mempengaruhi koefisien ekspansi termal dan konduktivitas termal. Misalnya, elemen paduan dapat mengurangi konduktivitas termal dengan menyebarkan fonon.

Jika dibandingkan dengan besi murni, baja dengan kandungan solut tinggi menunjukkan sifat fisik yang diubah, memungkinkan penyesuaian sifat untuk aplikasi tertentu.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan dan stabilitas solut dalam baja diatur oleh prinsip-prinsip termodinamika. Perubahan energi bebas Gibbs (ΔG) untuk penggabungan solut menentukan apakah solut akan larut, mengendap, atau tersegregasi.

Stabilitas fase solut tergantung pada potensi kimia mereka dan interaksi dengan matriks host. Diagram fase, seperti sistem Fe-C, Fe-Cr, atau Fe-Mn, menggambarkan batas kelarutan kesetimbangan pada berbagai suhu.

Solut cenderung larut ke dalam matriks ketika energi bebas larutan negatif, mendukung larutan padat homogen. Sebaliknya, ketika energi bebas mendukung pemisahan fase, presipitat atau segregasi terbentuk, mempengaruhi mikrostruktur dan sifat.

Kinetika Pembentukan

Kinetika penggabungan solut melibatkan proses nukleasi dan pertumbuhan selama perlakuan termal. Nukleasi fase sekunder atau presipitat terjadi ketika konsentrasi solut lokal melebihi batas kelarutan, sering difasilitasi oleh pendinginan atau penuaan.

Kecepatan pertumbuhan tergantung pada mobilitas atom, yang bergantung pada suhu. Suhu yang lebih tinggi mendorong difusi yang lebih cepat, memungkinkan solut untuk bermigrasi dan membentuk presipitat atau tersegregasi di antarmuka.

Langkah-langkah pengendali laju termasuk difusi atom, migrasi antarmuka, dan hambatan nukleasi. Energi aktivasi untuk difusi bervariasi dengan jenis solut; misalnya, karbon berdifusi dengan cepat dalam austenit tetapi lebih lambat dalam ferrit.

Faktor yang Mempengaruhi

Konsentrasi elemen paduan (misalnya, Cr, Ni, Mo) secara langsung mempengaruhi perilaku solut. Tingkat solut yang lebih tinggi meningkatkan kemungkinan pembentukan presipitat atau segregasi.

Parameter pemrosesan seperti laju pendinginan, suhu perlakuan panas, dan waktu tahan secara signifikan mempengaruhi distribusi solut. Pendinginan cepat dapat menekan pembentukan presipitat, mempertahankan larutan padat yang jenuh, sementara pendinginan lambat mendorong fase kesetimbangan.

Mikrostruktur sebelumnya, seperti ukuran butir atau fase yang ada, mempengaruhi mobilitas solut dan kecenderungan segregasi. Misalnya, dislokasi dan batas butir bertindak sebagai jalur difusi cepat atau situs penjebakan untuk solut.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Termodinamika kelarutan solut dapat dijelaskan dengan energi bebas Gibbs larutan:

$$\Delta G_{solution} = \Delta H_{solution} - T \Delta S_{solution} $$

di mana:

• ( \Delta H_{solution} ) adalah entalpi larutan,
• ( \Delta S_{solution} ) adalah entropi larutan,
• $T$ adalah suhu.

Kelarutan kesetimbangan $C_{eq}$ dari suatu solut dalam suatu fase dapat diperkirakan menggunakan hubungan tipe Arrhenius:

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

di mana:

• $C_0$ adalah konsentrasi referensi,
• ( \Delta G_{activation} ) adalah energi bebas aktivasi untuk pelarutan solut,
• $R$ adalah konstanta gas universal.

Pertumbuhan presipitat yang dikendalikan difusi mengikuti hukum kedua Fick:

$$\frac{\partial C}{\partial t} = D \frac{\partial^2 C}{\partial x^2} $$

di mana:

• $C$ adalah konsentrasi solut,
• ( t ) adalah waktu,
• $D$ adalah koefisien difusi,
• ( x ) adalah koordinat spasial.

Model Prediktif

Termodinamika komputasional, seperti CALPH