Larutan Padat Substitusi dalam Baja: Pembentukan, Mikrostruktur & Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah larutan padat substitusi dalam metalurgi baja adalah fase kristalin homogen di mana atom solut menggantikan atau mensubstitusi atom pelarut dalam kisi kristal logam induk tanpa secara signifikan mengganggu strukturnya. Mikrostruktur ini dihasilkan dari pelarutan elemen paduan ke dalam matriks besi utama, membentuk distribusi yang seragam pada tingkat atom.

Pada skala atom, dasar ilmiah fundamental melibatkan penggantian atom induk (terutama atom besi dalam baja) oleh atom solut dengan ukuran dan valensi atom yang serupa, menjaga integritas kristal. Atom solut ini menempati situs kisi yang biasanya dipegang oleh atom pelarut, yang mengarah pada mikrostruktur fase tunggal yang kontinu.

Konsep ini signifikan karena secara langsung mempengaruhi sifat mekanik, termal, dan kimia baja. Pembentukan larutan padat substitusi memungkinkan komposisi paduan yang disesuaikan, memungkinkan kontrol atas kekuatan, ketangguhan, ketahanan korosi, dan sifat kritis lainnya. Ini membentuk dasar desain paduan dan rekayasa mikrostruktur dalam metalurgi baja, mendasari transformasi fase, mekanisme penguatan, dan respons perlakuan panas.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Dalam larutan padat substitusi dalam baja, struktur kristal utama biasanya adalah kubus berpusat badan (BCC) untuk baja ferritik atau kubus berpusat wajah (FCC) untuk baja austenitik. Susunan atom melibatkan kisi yang teratur dan periodik di mana atom solut menggantikan atom besi di situs kisi.

Parameter kisi dari larutan tergantung pada ukuran dan sifat atom solut. Misalnya, ketika atom mangan atau nikel menggantikan dalam kisi besi, mereka menyebabkan distorsi kisi yang sedikit karena perbedaan ukuran atom. Atom solut terdistribusi secara acak dalam kisi, menjaga simetri kristal tetapi menyebabkan regangan lokal.

Dari sudut pandang kristalografi, atom substitusi terorientasi secara acak relatif terhadap fase induk, tanpa orientasi yang diutamakan kecuali dipengaruhi oleh faktor eksternal seperti deformasi atau perlakuan termal. Hubungan fase sering digambarkan menggunakan diagram fase, di mana larutan padat substitusi ada pada rentang suhu dan komposisi tertentu, seperti dalam sistem Fe-C, Fe-Ni, atau Fe-Mn.

Ciri Morfologis

Morfologi larutan padat substitusi dalam baja dicirikan oleh mikrostruktur yang seragam dan homogen pada tingkat mikroskopis. Atom solut tersebar di seluruh matriks, membentuk fase kontinu tanpa batasan atau antarmuka yang jelas.

Dari segi ukuran, skala atom berada pada urutan angstrom, tetapi fitur mikrostruktur yang dapat diamati di bawah mikroskop biasanya berada pada skala mikrometer. Distribusi atom solut muncul sebagai kontras halus dan seragam dalam mikroskopi optik atau elektron, tanpa presipitat atau fase sekunder yang terlihat kecuali solut melebihi batas kelarutan.

Variasi bentuk minimal; mikrostruktur muncul sebagai matriks kontinu dengan distorsi kisi yang sedikit. Konfigurasi tiga dimensi pada dasarnya adalah larutan padat fase tunggal, tanpa partikel atau fase diskrit yang terbenam di dalamnya.

Sifat Fisik

Larutan padat substitusi mempengaruhi beberapa sifat fisik baja:

• Kepadatan: Sedikit berubah dibandingkan dengan besi murni karena perbedaan massa atom dari atom solut.
• Konduktivitas Listrik: Umumnya menurun dengan penambahan solut karena peningkatan hamburan elektron yang disebabkan oleh distorsi kisi.
• Sifat Magnetik: Dapat dimodifikasi; misalnya, penambahan nikel meningkatkan permeabilitas magnetik pada baja austenitik.
• Konduktivitas Termal: Sedikit berkurang karena hamburan fonon dari distorsi kisi.

Jika dibandingkan dengan besi murni, larutan substitusi cenderung memiliki kekuatan dan kekerasan yang meningkat karena mekanisme penguatan larutan padat, tetapi mungkin mengalami penurunan ketangguhan atau ketahanan tergantung pada komposisi dan mikrostruktur.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan larutan padat substitusi diatur oleh prinsip termodinamika yang melibatkan minimisasi energi bebas. Ketika elemen paduan ditambahkan ke besi, sistem berusaha mencapai keadaan energi bebas Gibbs terendah, yang mendukung pelarutan solut ke dalam kisi pelarut jika entalpi pencampuran negatif atau cukup rendah.

Diagram fase menggambarkan batas kelarutan kesetimbangan pada berbagai suhu, menunjukkan daerah stabilitas untuk larutan padat substitusi. Misalnya, dalam sistem Fe-C, austenit (γ-Fe) dapat melarut hingga kandungan karbon tertentu pada suhu tinggi, membentuk larutan substitusi dengan karbon interstitial.

Stabilitas larutan substitusi tergantung pada faktor-faktor seperti ketidakcocokan ukuran atom, konsentrasi elektron valensi, dan entalpi pencampuran. Semakin kompatibel atom solut dengan kisi induk, semakin besar kelarutan dan stabilitas larutan.

Kinetika Pembentukan

Kinetika pembentukan larutan padat substitusi melibatkan proses difusi atom. Nucleasi larutan terjadi dengan cepat selama peleburan atau paduan suhu tinggi, di mana atom cukup bergerak untuk menempati situs kisi.

Pertumbuhan fase larutan tergantung pada laju difusi, yang bergantung pada suhu. Suhu yang lebih tinggi mempercepat mobilitas atom, memungkinkan atom solut untuk berdifusi ke dalam kisi dan mencapai distribusi yang seragam. Langkah pengendali laju sering kali adalah difusi atom, dengan energi aktivasi yang terkait dengan migrasi kekosongan atau lompatan atom.

Hubungan waktu-suhu sangat penting; pendinginan cepat dapat "membekukan" larutan non-kesetimbangan dengan solut yang terlampau jenuh, sementara pendinginan lambat memungkinkan proses pelarutan dan presipitasi kesetimbangan.

Faktor yang Mempengaruhi

Elemen komposisi kunci yang mempengaruhi pembentukan termasuk ukuran atom, valensi, dan afinitas kimia atom solut. Elemen seperti mangan, nikel, kromium, dan molibdenum dengan mudah membentuk larutan substitusi dengan besi.

Parameter pemrosesan seperti suhu, laju pendinginan, dan penambahan paduan secara signifikan mempengaruhi sejauh mana dan keseragaman pembentukan larutan. Suhu larutan yang lebih tinggi mendorong kelarutan yang lebih besar, sementara pendinginan cepat dapat menjebak solut dalam keadaan terlampau jenuh.

Mikrostruktur sebelumnya, seperti fase yang ada atau batas butir, mempengaruhi jalur difusi dan keseragaman pembentukan larutan. Presipitat atau fase kedua yang sudah ada dapat bertindak sebagai penghalang atau situs nucleasi, mempengaruhi keseluruhan mikrostruktur.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Kelarutan atom solut dalam kisi induk dapat dijelaskan dengan persamaan Arrhenius:

$$C_s = C_0 \exp \left( - \frac{Q}{RT} \right) $$

di mana:

• $C_s$ = konsentrasi solut kesetimbangan dalam larutan (pada suhu tertentu)
• $C_0$ = faktor pre-ekspresional yang terkait dengan kelarutan maksimum
• ( Q ) = energi aktivasi untuk pelarutan
• ( R ) = konstanta gas universal
• ( T ) = suhu mutlak

Fluks difusi ( J ) dari atom solut mengikuti hukum pertama Fick:

$$J = -D \frac{\partial C}{\partial x} $$

di mana:

• ( D ) = koefisien difusi, tergantung pada suhu melalui

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

• ( C ) = konsentrasi
• ( x ) = posisi

Persamaan ini digunakan untuk memodelkan kinetika pelarutan dan distribusi solut selama perlakuan panas.

Model Prediktif

Alat komputasi