Kekosongan dalam Mikrostuktur Baja: Pembentukan, Peran, dan Dampaknya terhadap Sifat

Definisi dan Konsep Dasar

Vacancy dalam mikrostruktur baja mengacu pada cacat titik skala atom yang ditandai dengan tidak adanya atom di lokasi kisi dalam struktur kristal. Pada tingkat atom, ini adalah atom yang hilang dalam susunan atom yang seharusnya periodik yang membentuk kisi kristalin, biasanya dalam fase kubik berpusat badan (BCC) atau kubik berpusat wajah (FCC) dari baja.

Secara fundamental, vacancy adalah cacat titik yang diaktifkan secara termal yang terjadi secara alami akibat getaran termal dan pertimbangan entropi. Mereka memainkan peran penting dalam proses difusi, transformasi fase, dan perilaku mekanis baja. Kehadiran dan perilaku vacancy mempengaruhi sifat-sifat seperti ketahanan creep, kemampuan pengerasan, dan duktilitas, menjadikannya integral untuk memahami metalurgi baja dan evolusi mikrostruktur.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Dalam baja, vacancy terbenam dalam kisi kristal, yang sebagian besar BCC (ferrit) atau FCC (austenit) pada suhu tinggi. Susunan atom dalam struktur BCC melibatkan atom yang terletak di sudut kubus dengan satu atom di pusat kubus, sementara struktur FCC memiliki atom di sudut dan pusat wajah.

Parameter kisi bervariasi dengan komposisi paduan dan suhu, tetapi nilai tipikal adalah sekitar 2,86 Å untuk ferrit dan 3,58 Å untuk austenit pada suhu kamar. Vacancy terdistribusi secara acak dalam kisi ini, tanpa orientasi kristalografi yang diutamakan, meskipun pembentukan dan migrasi mereka dapat dipengaruhi oleh medan regangan lokal dan batas fase.

Dari sudut pandang kristalografi, vacancy tidak mengubah simetri keseluruhan kisi tetapi menciptakan gangguan lokal. Mereka dapat mempengaruhi hubungan orientasi antara fase, terutama selama transformasi fase seperti transformasi austenit menjadi ferrit atau pembentukan martensit.

Fitur Morfologis

Dalam skala mikroskopis, vacancy adalah cacat titik dan dengan demikian tidak terlihat secara langsung di bawah mikroskop optik. Namun, efek kolektif mereka muncul melalui fitur mikrostruktur seperti kluster vacancy, void, atau loop dislokasi yang diinduksi oleh vacancy.

Ukuran kluster vacancy dapat berkisar dari beberapa nanometer hingga beberapa puluh nanometer, tergantung pada suhu dan elemen paduan. Kluster ini sering muncul sebagai void skala nano atau presipitat, yang dapat dibedakan melalui mikroskop elektron resolusi tinggi.

Dalam tiga dimensi, vacancy terdistribusi secara acak dalam butiran, dengan distribusi mereka dipengaruhi oleh sejarah termal dan deformasi mekanis. Di bawah mikroskop elektron transmisi (TEM), kluster vacancy dapat muncul sebagai fitur kontras gelap kecil akibat medan regangan atau perbedaan hamburan elektron.

Sifat Fisik

Vacancy mempengaruhi beberapa sifat fisik dari mikrostruktur baja:

• Kepadatan: Ketidakhadiran atom sedikit mengurangi kepadatan lokal, tetapi efek keseluruhan pada kepadatan massa dapat diabaikan karena konsentrasi vacancy yang rendah pada keseimbangan.

• Konduktivitas Listrik: Vacancy bertindak sebagai pusat hamburan untuk elektron konduksi, mengurangi konduktivitas listrik. Efek ini lebih nyata pada konsentrasi vacancy yang tinggi, seperti selama pendinginan cepat atau iradiasi.

• Sifat Magnetik: Vacancy dapat memodifikasi momen magnetik lokal dengan mengganggu interaksi pertukaran, yang mengarah pada perubahan halus dalam perilaku magnetik, terutama pada baja ferromagnetik.

• Konduktivitas Termal: Vacancy menghambat propagasi fonon, mengurangi konduktivitas termal. Efek ini menjadi signifikan pada konsentrasi vacancy yang tinggi atau di daerah kaya vacancy.

Jika dibandingkan dengan konstituen mikrostruktur lainnya seperti karbida atau martensit, vacancy memiliki kepadatan yang lebih rendah dan tidak berkontribusi langsung pada kekuatan tetapi mempengaruhi difusi dan kinetika transformasi.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Pembentukan vacancy diatur oleh prinsip-prinsip termodinamika yang bertujuan untuk meminimalkan energi bebas sistem. Konsentrasi keseimbangan vacancy, $C_v$, pada suhu $T$ dijelaskan oleh hubungan tipe Arrhenius:

$$
C_v = \exp \left( - \frac{Q_v}{RT} \right)
$$

di mana:

• $Q_v$ adalah energi pembentukan vacancy (biasanya 1–2 eV dalam baja),
• $R$ adalah konstanta gas universal,
• $T$ adalah suhu absolut.

Hubungan ini menunjukkan bahwa konsentrasi vacancy meningkat secara eksponensial dengan suhu, mencapai nilai keseimbangan sekitar ( 10^{-4} ) hingga ( 10^{-3} ) pada suhu tinggi (~1000°C). Energi pembentukan mencerminkan biaya energi untuk mengeluarkan atom dari lokasi kisi, menciptakan vacancy.

Diagram fase dan pertimbangan stabilitas fase mempengaruhi pembentukan vacancy, terutama selama transformasi fase di mana perbedaan energi bebas lokal mendorong pembangkitan atau penghancuran vacancy.

Kinetika Pembentukan

Pembentukan vacancy terjadi melalui agitasi termal, dengan nukleasi terutama didorong oleh entropi. Kinetika melibatkan dua proses utama:

• Nukleasi: Vacancy nukleasi secara spontan akibat fluktuasi termal, dengan laju tergantung pada suhu dan energi pembentukan vacancy.

• Migrasi: Setelah terbentuk, vacancy bermigrasi melalui kisi melalui lompatan atom, yang merupakan proses yang diaktifkan secara termal yang ditandai dengan energi aktivasi untuk migrasi, $Q_m$.

Koeffisien difusi vacancy, $D_v$, mengikuti hubungan Arrhenius:

$$
D_v = D_0 \exp \left( - \frac{Q_m}{RT} \right)
$$

di mana $D_0$ adalah faktor pre-eksponensial. Laju migrasi vacancy mempengaruhi proses yang dikendalikan oleh difusi seperti presipitasi karbida, pertumbuhan butir, dan transformasi fase.

Kinetika keseluruhan dikendalikan oleh laju pembangkitan, migrasi, dan penghancuran vacancy di tempat-tempat seperti dislokasi, batas butir, atau antarmuka.

Faktor yang Mempengaruhi

Beberapa faktor mempengaruhi pembentukan dan perilaku vacancy:

• Komposisi Paduan: Elemen seperti karbon, nitrogen, dan tambahan paduan (Ni, Cr, Mo) mengubah energi pembentukan vacancy dan penghalang migrasi.

• Suhu: Suhu yang tinggi meningkatkan konsentrasi dan mobilitas vacancy, mendorong difusi dan perubahan mikrostruktur.

• Deformasi Mekanis: Deformasi plastik memperkenalkan dislokasi dan vacancy, sering kali meningkatkan kepadatan vacancy secara lokal.

• Mikrostruktur yang Sudah Ada: Struktur butir halus atau kepadatan dislokasi yang tinggi menyediakan tempat untuk vacancy, mempengaruhi konsentrasi keseimbangan mereka.

• Iradiasi: Paparan terhadap partikel energi tinggi menghasilkan vacancy non-keseimbangan pada konsentrasi tinggi, yang secara signifikan mempengaruhi stabilitas mikrostruktur.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Konsentrasi vacancy keseimbangan diberikan oleh:

$$
C_v = \exp \left( - \frac{Q_v}{RT} \right)
$$

di mana:

• $C_v$ adalah fraksi atom dari vacancy,
• $Q_v$ adalah energi pembentukan vacancy,
• $R$ adalah konstanta gas,
• $T$ adalah suhu dalam Kelvin.

Koeffisien difusi vacancy:

$$
D_v = D_0 \exp \left( - \frac{Q_m}{RT} \right)<