Difusi Material

Bahan dari semua jenis sering diberi perlakuan panas untuk ditingkatkan sifat-sifatnya. Fenomena yang terjadi selama perlakuan panas hampir selalu melibatkan difusi atom. Banyak reaksi dan proses yang penting dalam pengolahan bahan bergantung pada perpindahan massa baik dalam padatan tertentu (biasanya pada tingkat mikroskopis) atau dari cair, gas, atau fase padat lainnya. Hal ini harus dicapai dengan difusi, fenomena transportasi material dengan gerakan atom.

Mekanisme Difusi

Dari perspektif atom, difusi hanyalah migrasi bertahap atom dari kisi ke kisi. Faktanya, atom dalam bahan padat bergerak konstan, berubah dengan cepat. Agar atom dapat bergerak seperti itu, dua kondisi harus dipenuhi: (1) harus ada menjadi tempat kosong yang berdekatan, dan (2) atom harus memiliki energi yang cukup untuk memutuskan ikatan dengan atom tetangga dan kemudian menyebabkan beberapa distorsi kisi selama perpindahan. Pada suhu tertentu, beberapa fraksi kecil dari jumlah total atom mampu melakukan gerakan difusi, berdasarkan besaran energi getaran. Fraksi ini meningkat dengan meningkatnya suhu.

Beberapa macam difusi antara lain:

Vacancy Diffusion: Salah satu mekanisme melibatkan pertukaran atom dari posisi kisi normal ke kisi kosong yang berdekatan atau kosong. Mekanisme ini disebut difusi kekosongan (vacancy). Tentu saja, proses ini memerlukan keberadaan kekosongan, dan sejauh mana difusi kekosongan dapat terjadi adalah sebuah fungsi dari jumlah cacat ini yang ada; konsentrasi kekosongan yang signifikan mungkin ada dalam logam pada suhu tinggi. Karena atom yang berdifusi dan pertukaran posisi kekosongan, difusi atom dalam satu arah sesuai dengan pergerakan kekosongan dalam arah yang berlawanan. Baik difusi sendiri maupun interdifusi terjadi mekanisme ini; yang terakhir atom pengotor harus menggantikan atom inang.

Interstitial Diffusion: Jenis difusi kedua melibatkan atom yang bermigrasi dari posisi interstisial ke tetangga yang kosong. Mekanisme ini ditemukan untuk interdifusi pengotor seperti hidrogen, karbon, nitrogen, dan oksigen, yang memiliki atom yang cukup kecil agar sesuai dengan posisi interstisial. Inang atau atom pengotor pengganti jarang membentuk interstisial dan biasanya tidak menyebar melalui mekanisme ini.

Di sebagian besar paduan logam, difusi interstisial terjadi jauh lebih cepat daripada difusi oleh mode kekosongan, karena atom interstisial lebih kecil dan dengan demikian lebih mobile. Selain itu, ada lebih banyak posisi interstitial kosong daripada kekosongan; maka, peluang pergerakan atom interstisial lebih besar daripada difusi kekosongan.

Faktor-faktor Yang Memengaruhi Difusi

Jenis Difusi

Besarnya koefisien difusi D menunjukkan tingkat di mana atom berdifusi. Jenis difusi dan bahan inang mempengaruhi koefisien difusi. Untuk contoh, ada perbedaan besaran yang signifikan antara difusi sendiri dan karbon interdifusi dalam besi alpha pada 500 °C, D yang lebih besar untuk interdifusi karbon (3.0 × 10^-21 vs 1,4 × 10^-12 m²/s). Perbandingan ini juga kontras antara laju difusi melalui mode kekosongan dan interstisial, seperti yang dibahas sebelumnya. Difusi diri terjadi oleh mekanisme kekosongan, sedangkan difusi karbon dalam besi adalah interstisial.

Suhu

Suhu memiliki pengaruh besar pada koefisien dan laju difusi. Sebagai contoh, untuk difusi sendiri Fe dalam 𝛼-Fe, koefisien difusi meningkat sekitar enam orde besarnya (dari 3,0 × 10^-21 menjadi 1,8 × 10^-15 m²/s) dalam kenaikan suhu dari 500 °C hingga 900 °C.

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL SEPUTAR MATERIAL TEKNIK LAINNYA!

Kontributor: Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Callister, William D. Jr, dan Rethwisch, David G. 2018. Materials Science and Engineering An Introduction (10^th ed). Amerika Serikat: John Wiley & Sons, Inc.