DIFUSI DALAM PADATAN

LOGAM/PADUAN LOGAM

T1 a

T2

a + b

A XB

Paduan

T

t t1 t2

a

b

a

a

b

b

a

Dari t1 ke t2 :

Transformasi fasa a ke b

Perlu Pasokan b (difusi B dalam a)

Difusi terjadi karena penurunan Energi Bebas (G) dari sistem tersebut.

Transformasi : a a + b dapat berlangsung.

Pada :

T = T0 : Fasa yang stabil adalah fasa a

T = Te : Kesetimbangan, a a + b, G = 0 T = T1 : Fasa yang stabil a + b, G1

T = T2 : Fasa yang stabil a + b, G2

Secara termodinamika, transformasi a a + b lebih mungkin terjadi pada T = T2

karena gaya dorong transformasi lebih besar (G2 > G1)

Tetapi mobilitas atom pada T2 < T1

Umumnya dilakukan pada temperatur medium (aging) untuk memunculkan fasa b

T0

a

T2 a + b

A %

B Paduan

T1 T2 T1

Te

T2 T1 Te T0

G

G2 G1

Ga Ga+b

Logam memiliki jenis ikatan atom, maka setiap proses perubahan baik perubahan komposisi kimia maupun perubahan fasa akan melibatkan

difusi atomik (pergerakan atom di dalam kisi kristal).

Difusi dalam padatan logam/paduan logam : pergerakan/perpindahan atom dalam kristal logam/paduan logam karena adanya perbedaan

potensial kimia (bukan selalu perbedaan konsentrasi)

Atom-atom akan bergerak/berpindah dari potensial kimia (mi) tinggi ke potensial kimia rendah, atau aktifitas atom dari tinggi ke rendah.

mi a mi b mi = mi

o + RT ln ai

Difusi penting dalam : transformasi fasa, homogenisasi, karburisasi, nitridisasi

XB1 XB

2 A B

T1

a

L + a

L

2 1

TM B

TM A

Difusi down-hill

Paduan 1, kaya B dengan komposisi kimia XB2

Paduan 2, kaya A dengan komposisi kimia XB1

Buat pasangan difusi (diffusion couple) paduan 1 dan 2

Paduan 1 adalah kaya akan unsur B dan paduan

2 adalah kaya akan unsur A

Energi bebas paduan 1 dan 2 adalah G1 dan G2 Energi bebas total sistem 1 dan 2 adalah G3 Potensial kimia unsur A dalam paduan 1 dan 2

adalah m1A dan m2

A

Potensial kimia unsur B dalam paduan 1 dan 2

adalah m1B dan m2

B

Dipanaskan pada T = T1, maka akan terjadi

difusi unsur A dari paduan 2 ke paduan 1 serta

difusi unsur B dari paduan 1 ke paduan 2

Difusi ini berlangsung karena m2A > m1

A dan m1

B >

m2B Hal ini memungkinkan penurunan energi bebas

sistem dari G3 ke G4 (energi bebas difusi

lengkap, potensial kimia A dan B sama)

G = G4 G3, gaya dorong berlangsungnya proses difusi, bernilai negatif.

Karena unsur A dan B menuruni gradien

konsentrasinya, maka disebut difusi down-hill

XB1 XB

2 A B

T2

a

L + a

L

2 1

TM B

TM A

a1 a2

a1 + a2

m1B = m2

B m1A = m

2A

Difusi Up-hill Dipanaskan pada T = T2, maka akan terjadi difusi

unsur A dari paduan 1 ke paduan 2 serta difusi

unsur B dari paduan 2 ke paduan 1

Difusi ini berlangsung karena m1A > m2

A dan m2

B >

m1B

Hal ini dalam rangka menurunkan energi bebas sistem dari G3 ke G4 di mana G24 adalah energi

bebas sistem paduan biner A-B setelah difusi

lengkap, yaitu pemisahan dua fasa.

Karena unsur A dan B menaiki gradien konsentrasinya, maka disebut difusi up-hill

Catatan :

Untuk proses difusi umumnya yang terjadi adalah difusi down-hill, sehingga biasanya difusi terjadi dari konsentrasi tinggi ke rendah.

Yang perlu diingat, difusi hanya terjadi dari potensial kimia tinggi ke potensial kimia rendah,

bukan selalu konsentrasi tinggi ke rendah.

XB

0

1

to , t1 , t~ Makin kaya B

Makin kaya A

Difusi Up-hill

Dua buah baja karbon disambung dengan pengelasan. Baja 1 mengandung 3,8 %Si dan 0,49 %C. Baja 2 mengandung 0,05 %Si dan 0,45 %C.

Setelah 13 hari dipanaskan pada 1050oC, C berdifusi dari Baja 2 ke Baja 1.

C pada Baja 2 memiliki potensial kimia lebih besar.

L. S. Darken (Trans. AIME, Vol. 180 (1949), pp. 430-438)

Difusi atom dari konsentrasi kimia yang tinggi

ke konsentrasi yang lebih rendah. Potensial kimia

atom yang menyebar di wilayah konsentrasi yang

tinggi juga lebih tinggi dibandingkan dengan

potensial kimia atom yang menyebar di wilayah

yang lebih rendah.

Difusi atom dari konsentrasi kimia rendah menuju

ke konsentrasi yang lebih tinggi. Potensial kimia

atom yang menyebar di wilayah konsentrasi kimia

rendah , lebih tinggi dibandingkan dengan potensial

kimia atom yang menyebar di daerah konsentrasi

yang lebih tinggi.

Down-hill

Up-hill

MEKANISME DIFUSI

Larutan padat :

Interstisi Difusi Interstisi, difusi melalui rongga antar atom, misal : C dalam Fe-g

Subtitusi Difusi Subtitusi, difusi melalui kekosongan (vakansi), misal Cr, Ni dalam Fe-g

Difusi Interstisi

Dalam larutan encer, misalnya ultra low carbon steel, maka :

Atom-atom induk (pelarut : Fe) tersusun dalam kristal kubik Atom-atom terlarut tidak menimbulkan distorsi kisi (ukuran atom intertisi

lebih kecil dari ukuran rongga antar atom)

Setiap atom interstisi C dikelilingi oleh 6 posisi atom Fe (posisi oktahedral)

Analisa Difusi Atom Interstisi

Asumsi :

1. Model kubus sederhana (simple cubic).

2. Konsentrasi unsur terlarut interstisi relatif kecil

sehingga tiap atom interstisi dikelilingi oleh

enam posisi interstisi kosong

Konsentrasi B bervariasi terhadap jarak (x).

Bidang 1 mengandung n1 atom B/m2

Bidang 2 mengandung n2 atom B/m2

Masing-masing atom B meloncat keenam posisi interstisi secara acak.

Lompatan atom B perdetik, B kali perdetik

a adalah jarak antar bidang, m. Fluks/jml atom B yg loncat dari bidang :

JB (12) = 1/6Bn1 atom.m-2.dt-1

JB (21) = 1/6Bn2 atom.m-2.dt-1

Fluks B total : JB = 1/6B(n1-n2) atom.m

-2.dt-1

Bila : CB(1) = n1/a atom.m

-3

CB(2) = n2/a atom.m-3 maka :

(n1-n2) = a[CB(1) CB(2)]

Dari gambar diketahui :

sehingga diperoleh

atom.m-2.dt-1

Bila :

Secara umum dapat ditulis :

dimana DB adalah koefisien difusi (difusifitas) interstisi B

x

CCC BBB

-

-

a

)2()1(

x

CCC BBB

-- a)2()1(

x

CJ BBB

- 2

6

1a

2

6

1aBBD

x

CDJ BBB

-

Persamaan di atas merupakan Hukum Fick I

Koefisien Difusi Intertisi umumnya dianggap tetap dan bebas terhadap konsentrasi [DB f(C)]. Pada kenyataannya DB

tergantung konsentrasi. Contoh larutan padat interstisi g(Fe-C).

Semakin besar C, maka DCg semakin besar pula. Hal ini

disebabkan karena atom yang semakin banyak akan meregang

kristal semakin besar sehingga atom C akan lebih mudah

berdifusi.

x

CDJ BBB

-

Pengaruh Temperatur Terhadap Difusi Intertisi

Dari Hukum Fick I :

Maka DB tergantung pada B yaitu frekwensi loncatan atom B

Apakah B = f(T) ?

Arhenius :

Fraksi atom yang memiliki energi sebesar Gm adalah :

Maka bila suatu atom interstisi dengan frekwensi vibrasi rata-rata perdetik = , maka fraksi atom

yang sukses meloncat ke posisi tetangganya perdetik adalah :

Dimana Gm adalah energi aktivasi untuk migrasi atom interstisi

2

6

1aBBD

-RT

Gmexp

-

RT

Gmexp

Bila atom interstisi dikelilingi oleh z posisi kosong, maka frekwensi loncatan atom B :

Artinya, B meningkat secara eksponensial terhadap T

Bila : Gm = Hm - TSm dan maka :

Jika :

maka :

Jika Hm = QID = entalpi aktivasi difusi interstisi, maka :

RT

Gz mB

- exp

2

6

1aBBD

RT

H

R

SzD mmB

-

expexp

6

1 2 aR

SzD mBO

exp

6

1 2 a

-

RT

HDD mBB exp0

RT

QDD IDBOB

- exp

-

TR

QDD IDBB

1

3,2loglog 0

Difusi Dalam Keadaan Tunak Untuk Interstisi

Difusi keadaan tunak menggambarkan keadaan dimana konsentrasi atom interstisi disetiap posisi tidak berubah terhadap waktu selama berlangsungnya proses difusi.

Contoh : difusi gas hidrogen dari dalam bejana bertekanan yang mengandung hidrogen cair ke luar, ke atmosfer melalui dinding baja.

Berdasarkan Hukum Fick I, fluks hidrogen dari dalam bejana ke atmosfer luar melintasi dinding baja dinyatakan sebagai :

Gas H

H2

CH

CH=0

Difusi H H2

l

CD

l

CDJ HHHBH

--

)0(

Difusi Dalam Keadaan Tidak Tunak Untuk Interstisi

Dalam transformasi fasa, umumnya difusi berlangsung dalam keadaan tidak tunak. Ini berarti konsentrasi unsur

yang berdifusi pada jarak tertentu berubah terhadap

waktu, sehingga fluks unsur tersebut pada jarak tertentu

juga berubah terhadap waktu.

Profil konsentrasi unsur yang berdifusi (B) yang memberikan gradien fluks pada dua penampang difusi 1

dan 2 dengan luas A yaitu x dan x+dx

Jumlah atom B yang melintasi bidang 1 = J1.A.dt Jumlah atom B yang melintasi bidang 2 = J2.A.dt Akumulasi atom B di dalam volume Adt = (J1-J2) Adt Peningkatan konsentrasi atom B di dalam volume Adt

Untuk dx sangat kecil berlaku :

xA

tAJJCB

d

dd

)( 21 -

-

x

J

x

JJ

d21

sehingga bila dt mendekati nol, maka :

DB = f(CB)

DB tetap f(CB)

Persamaan di atas merupakan Hukum Fick II

-

x

CD

xx

J

t

C BB

BB

2

2

x

CD

t

C BB

B

xA

tAJJCB

d

dd

)( 21 -

-

x

J

x

JJ

d21

Peningkatan konsentrasi atom B di dalam volume Adt

Untuk dx sangat kecil berlaku

2

2

x

CD

t

C BB

B

2

2

x

CD

t

C BB

B

> 0 konsentrasi bertambah

dengan waktu

< 0 konsentrasi berkurang

dengan waktu

Latihan 1

Contoh (1) :

A thick-walled pipe 3 cm in diameter contains a gas including 0.5 x 1020 N atoms per cm3 on

one side of a 0.001 cm thick iron membrane. The gas is continuously introduced to the pipe.

The gas on the other side of the membrane contains 1 x 1018 N atoms per cm3. Calculate the

total number of nitrogen atoms passing through the iron membrane at 700 oC if the diffusion

coefficient for nitrogen in iron is 4 x 10-7 cm2.s-1.

Contoh (2) :

Koefisien difusi untuk alumunium dalam paduan tembaga pada temperatur 200 oC dan 500 oC

adalah masing-masing (0.8 dan 2,5) x 10-20 cm2.dt-1. Hitung energi aktivasi untuk difusi

alumunium dalam paduan tembaga.