Diagram Besi Karbon

DIAGRAM FASA BESI-KARBON DASAR PENGGAMBARAN DAN PEMBACAAN

Pengantar.

Pengembangan bahan pengecoran logam berbasis besi (ferrous material)  material)  tidak dapat dipisahkan dari diagram biner Besi-Karbon, dimana diagram ini secara ideal mampu memberikan pemahaman-pemahaman tentang berbagai perubahan fasa maupun fenomena metalurgi besi/baca cor pada umumnya. Kompetensi seorang Ahli Teknik Pengecoran Logam akan dirasa kurang lengkap bila tidak ditunjang oleh kemampuannya dalam menganalisis fasa-fasa paduan besi karbon melalui diagram biner Besi-Karbon ini. Walaupun sudah banyak referensi tentang diagram biner Besi-Karbon, tulisan yang  berjudul “Diagram Fasa Besi Karbon; Dasar Penggambaran dan Pembacaan”   ini disusun secara praktis agar mudah dibaca dan dipahami oleh penggunanya, serta diharapkan dapat membantu mahasiswa Politeknik Manufaktur Bandung khususnya dari Jurusan/Prodi Pengecoran Logam dalam melaksanakan proses pembelajaran. Versi ini adalah refisi ke I   dari tulisan yang disusun pada tahun 2002 dengan judul dan  penulis yang sama. Beberapa perbaikan telah dilakukan, terutapa pada penyempurnaan  beberapa istilah teknis, penyederhanaan uraian dan penggunaan bahasa serta beberapa  perbaikan kesalahan pengetikan. Perbaikan-perbaikan masih akan terus dilakukan, untuk itu masukan dari para

Daftar Isi.

Pengantar Daftar Isi Daftar Gambar 1 2 3

Sejarah Diagram Fasa Besi-Karbon. Diagram Biner Diagram Ganda Besi-Karbon. a) Bentuk umum. b) Sistim Besi-Karbida besi. c) Sistim Besi-Grafit.  Referensi

Hal ii iii iii 4 5 11 14 18 20

Daftar Gambar.

Gambar 1 Gambar 2 Gambar 3 Gambar 4 Gambar 5

Kurva pendinginan yang menhasilkan diagram fasa paduan tidak larut dalam keadaan padat. Kurva pendinginan yang menghasilkan diagram fasa paduan larut sempurna dalam keadaan cair maupun padat. Diagram fasa dengan eutektikum. Diagram fasa dengan peritektikum. Diagram fasa dengan ikatan intermentalik.

7 8 9 9 10

Diagram Fasa Besi-Karbon adalah suatu diagram keseimbangan (equilibrium) yang menggambarkan tentang keadaan keseimbangan fasa-fasa yang terjadi untuk konsentrasi  paduan karbon tertentu didalam besi dan pada temperatur tertentu, serta pada tekanan 1 atmosphere. Secara umum diagram ini disebut Diagram Biner Besi-Karbon 1, serta menjadi dasar teknologi besi paduan mengingat karbon merupakan unsur yang memiliki pengaruh paling kuat terhadap sifat-sifat besi.

1. Sejarah Diagram Fasa Besi-Karbon. Diagram besi-karbon dan hasil-hasil penelitian yang menyangkut sifat-sifat transformasi terutama austenit, memberikan gambaran dan pengetahuan yang mendalam tentang paduan  besi-karbon untuk keperluan pengembangan meterial besi-karbon dan perlakuan panasnya. Dengan mempelajari diagram besi-karbon, perubahan fasa-fasa yang secara langsung  berpengaruh terhadap sifat mekanis paduan ini dapat diperediksi dengan cukup akurat. Berdampingan dengan perkembangan teknik metalografi, penelitian-penelitian tentang temperatur pembekuan dan transformasi serta pengaruh unsur-unsur paduan lain terhadap  besi-karbon, maka diagram besi-karbon menjadi alat yang sangat ampuh dalam upaya  penggembangkan teknologi material berbasis besi-karbon. Pengembangan diagram besi karbon sendiri diawali pada tahun 1864, ketika  H, C. Sorby melakuan pangamatan mikrokopis terhadap meteorit yang mengandung unsur besi.

sebagai cabang dari thermodinamika serta kepeloporannya dalam menggunakan berbagai  jenis larutan asam maupun garam dalam penelitiannya. Diketemukannya larutan padat atau kristal campuran pada besi-karbon oleh  A. Ledebur  (1882) dan  H. Le Chatelier   (1897) telah membuka mata dunia tentang struktur paduan  besi-karbon yang sebenarnya, sehingga memasuki tahun 1900 diagram besi-karbon lengkap yang pertamapun dapat di luncurkan dan untuk selanjutnya dikembangkan terus menerus.  Namun demikian perkembanggan yang dilandasi oleh kepeloporan  B. Roozeboom  masih mengandung hambatan yang cukup berarti, mengingat pengamatan terhadap pertumbuhan karbon elementer (grafit) tidak ikut dilakukan. Masalah ini baru dapat dipecahkan setelah  E. Heyn  (1904) dan G. Charpy  (1905) menciptakan diagram ganda besi karbon. Kedua ilmuan ini, walaupun baru pada sebagaian kecil, telah membagi diagram besi-karbon menjadi sistim karbida dan sistim grafit serta menjadi titik tolak perkembangan kedua sistim ini selanjutnya. Landasan tersebut kemudian dikembangkan oleh  R. Ruer   dan mitra-mitranya dengan  berbagai penelitian sejak tahun 1911. Kelompok ini berhasil membuktikan adanya daerah B dan menetapkan daerah-daerah fasa pada diagram besi-karbon. Hingga saat tersebut masih diyakini bahwa sampai dengan kandungan karbon rendah fasa ? terbentuk dari keadaan cair, hanya beberapa penelitian yaitu dari  E. J. Ball (1890), P. Curie (1894) dan W. Gontermann  (1908) yang menyarakan tentang kemungkinan adanya fasa B. Sebagai  penutup, W. Köstmer   (1930) menyempurnakan daerah-daerah fasa dengan menambah

dengan ordinat menyatakan konsentrasi paduan tertentu c, sedangkan setiap garis horizontal sejajar dengan absis menyatakan suatu temperatur tertentu T (secara umum disebut diagram c-T). Pertemuan dari kedua garis tersebut menjadi acuan (titik berat) keseimbangan fasa-fasa yang tengah terjadi. Perubahan fasa pada tiap-tiap perubahan temperatur pertama-tama dibatasi olah garis-garis tramsformasi dari cair manjadi padat, untuk selanjutnya oleh garis batas transformasi pada keadaan padat yang berlangsung sacara alotropi2. Diagram biner dibuat berdasarkan kurva analisa termal, yaitu kurva laju perubahan temperatur selama proses pendinginan. Setiap logam murni, pada kurva pendinginannya memiliki temperatur konstan (isotermal ) yang merupakan temperatur saat terjadinya  perubahan fasa padat menjadi cair atau sebaliknya. Fenomena ini dapat diidentikkan dengan pendinginan air. Pada saat pembekuan, terjadi pelepasan energi sehingga temperatur akan tertahan pada 0 DC sampai air membeku seluruhnya serta disebut titik  beku (titik cair). Namun demikian dengan melarutkan garam kedalamnya maka titik beku air tersebut akan menjadi lebih rendah serta memiliki selang temperatur. Dengan demikian bila kedalam suatu logam dipadukan unsur lain dengan persentase yang  berbeda-beda, maka akan diperoleh pula kurva-kurva pendinginan dengan titik beku maupun selang pembekuan yang berbeda. Dan bila kurva-kurva tersebut dijajarkan secara urut sesuai persentasenya, dengan menghubungkan setiap titik awal pembekuan serta titik akhir pembekuan maka akan diperoleh kurva baru yang disebut kurva pembekuan biner atau diagram biner 

Gambar 1. Kurva pendinginan yang menhasilkan diagram fasa  paduan tidak larut dalam keadaan padat.

Tipe pembekuan semacam ini hanya berlaku untuk kondisi ideal dimana pada keadaan cair kedua material (A dan B) harus dapat saling larut sempurna, sedangkan dalam keadaan  padat tidak saling larut. Pada paudan dengan konsentrasi B dibawah paduan eutektik, segera sesaat setelah temperatur pendinginan mencapai garis likuidus (A’C), terbentuk kristal-kristal yang teridiri dari komponen A murni. Kristal-kristal ini terus tumbuh dan membesar bersama dengan turunnya temperatur sehingga persentasi komponen B didalam sisa cairan akan terus meningkat mengikuti garis likuidus A’C menuju ke titik C. pada saat konsentrasi B

Selama proses pemebekuan, kristal-kristal tumbuh (membesar) bersama dengan penurunan temperatur sehingga keseimbangan fasa padat dan sisa fasa cair dapat selalu diperbandingkan. Pembandingan dilakukan menurut hukum keseimbangan momen terhadap garis horizontal yang sejajar dengan absis serta memotong kurva likuidus, dengan garis vertikal yang sejajar dengan ordinat sebagai titik berat.

Gambar 2. Kurva pendinginan yang menghasilkan diagram fasa  paduan larut sempurna dalam keadaan cair maupun padat.

Sebagai contoh, pendinginan cairan dengan konsentrasi B sebesar  x % (komposisi 4 pada gambar 2) berlangsung sebagai berikut: Ketika penurunan temperatur mencapai E, maka

heterogen (tidak larut). Susunan kristal eutektikum tidak terdiri dari komponen A dan B melainkan kristal campuran dengan komposisi D dan E. Pada pendinginan selanjutnya sampai dibawah temperatur eutektik, kelarutan pada kristal campuran A menurun pada daerah komposisi kristal D hingga F. Pada diagram dibatasi oleh kurva DF. Hal yang sama terjadi pada kristal campuran B yang menurun pada kurva EG. Kristal campuran dengan komposisi tepat pada garis A’DF dan B’EG disebut kristal campuran jenuh. Sedangkan kristal campuran yang berada pada daerah komposisi A’DFA dan B’EGB merupakan kristal campuran tak jenuh.  Daerah dengan komposisi antara kurva DF dan EG disebut daerah campuran. Kurva DF dan EG disebut garis  solvus7.

Pada pendinginan selanjutnya akan tumbuh terus kristal campuran B jenuh tadi, dimana secara difusi sepanjang garis EB’, terbentuk pula kristal campuran B homogen. Reaksi semacam ini, dimana suatu cairan mengandung kristal campuran tertentu berubah menjadi kristal campuran yang lain disebut reaksi peritektik. Garis DEC disebut horizontal  peritektik atau peritektikal 8. Pada temperatur dibawah peritektikal, sepanjang garis solvus DF, dari kristal campuran A akan terbentuk kristal campuran B, sedangkan sepanjang garis solvus EG akan terbentuk kebalikannya. Pada tipe pembekuan yang telah dibahas sebelumnya ( gambar 1  sampai gambar 4),  peristiwa terjadi pada material dengan kandungan A dan B murni atau pembentukan kristal campuran berasal dari kedua material tersebut. Pada paduan logam biner, kemungkinan dapat pula terbentuk kristal-kristal lain hasil dari ikatan (senyawa) kedua komponen  pembentukannya, mengingat unsur logam A dan B dapat membentuk ikatan intermetalik . Fenomena ini menghasilkan tipe diagram sebagaimana ditunjukkan pada gambar 5. Pada kasus ini logam paduan A dan B membentuk ikatan dengan komposisi C (A mBn) dan  pada daerah konsentrasi D sampai E membentuk kristal primer.

akan terjadi penguraian dari sebagai kristal campuran yang telah terbentuk menjadi kristal yang lainnya. Pada pedinginan lambat penguraian ini akan membentuk kristal-kristal pada  batas butiran sehingga menyelimuti kristal-kristal yang terbentuk sejak awal. Sebaliknya bila pendinginan berlangsung secara cepat, maka akibat keterbatasan kemampuan difusi dari kristal-kristal, akan tersebar halus dan merata di dalam kristal campuran dan secara jelas dapat diamati melalui pengamatan metalogrfi. Perubahan yang terjadi dalam keadan padat, yang malalui mekanisme perubahan secara alotropi, digambarkan pada gambar 6.

teknologi laboratorium saat ini masih sulit untuk mendapatkan kurva dengan kandungan karbon lebih tinggi, bahkan sejak kandungan karbon 5%. Hal ini yang perlu diperhatikan pada diagram ini adalah adanya garis putus-putus selain garis tegas. Perbedaan penggunaan garis menyatakan bahwa karbon dapat terbentuk dalam dua macam fasa berbeda, yaitu sebagai grafit atau karbon murni dan sebagai sementit dalam senyawanya dengan besi. Kedua fasa dari karbn ini dapat muncul bersama-sama.  Namun demikian pada dasarnya dapat dipastikan bahwa karbon akan muncul pada  pendinginan yang lambat, sedangkan sementit muncul pada pendinginan yang cepat. Lebih  jauh lagi, untuk paduan dengan kandungan karbon tinggi, sementit dapat diubah menjadi grafit melalui proses aneal (anil). Sedangakan pada paduan dengan kandungan karbon rendah, karbon cenderung akan terbentuk sebagai semetit. Kecenderungan pembentukan grafit dari sementit akan terjadi bila besi atau kristal campuran kaya besi membentuk keadaan kesimbangan stabil . Sedangakn struktur mikro dari baja pada dasarnya terbentuk dari keseimbangan metastabil   paduan besi-karbida besi, serta secara teknis lebih penting untuk diperhatikan. Gambar 7  memperlihatkan garis yang digambarkan penuh sebagai keseimbangan metastabil, sedangkan garis yang digambarkan terputus-putus adalah keseimbangan stabil. Diagram ini disebut Diagram Ganda. Perbedaan letak garis pada diagram memperlihatkan  bahwa beda stabilitas antara grafit dengan karbida besi didalam paduan tidak besar. 9 Gambar 8 dan  gambar 9 merupakan diagram yang menggambarkan kedua keadaan

1392 DC : Titik A4, besi- (gamma). 911 D : Titik A3, besi-  (alpha) nonmagnetik 10. • 769 D : Titik A2, besi-  (alpha) Ferromagnetis. • Dan untuk besi dengan kandungan karbon didalamnya adalah: 723 DC : Titik A1, transformasi eutektoid (titik perlit). • •

seragam dan merupakan kristal isomorphy, namun juga merupakan fasa tunggal yang untuk besi murni terputus pada daerah temperatur 911 oC dan 1392 oC oleh besi-. Struktur atom  dengan latis FCC dapat dikatakan sebagai kumpulan bola-bola yang kurang rapat sedangkan struktur atom  dan  dengan latis BCC merupakan kumpulan  bola-bola yang sangat rapat. Dengan demikian mengingat jumlah atom yang mengikat  jumlah atom yang membentuk struktur latis FCC lebih banyak dari BCC, maka pada tranformasi    akan terjadi pemuaian volume (titik A3). Pada pemanasan selanjutnya volume akan kembali menyusut, yaitu ketika berlangsung transformasi    (titik A4).

Gambar 10. Model struktur latis besi.

 jenuh. Sturktur ini kemudian disebut dengan ledeburit . Temperatur pembekuan besi menurun dengan bertambahnya konsentrasi karbon dan mencapai titik terendahnya pada titik eutektik. Gambar 11  sampai dengan Gambar 13  memperlihatkan struktur mikro dari paduan hipoeutektik, eutektik dan hipereutektik.

100 x

100 x

100 x

membentuk keseimbangan pada garis IN dengan kristal campuran ?. Perubahan berakhir  pada saat temperatur mencapai garis IN. Pada temperature 1392 DC besi murni, garis HN dan IN bertemu dititik N dan merupakan titik perubahan kristal campuran B menjadi ?. Untuk komposisi bahan antara H dan I yaitu  paduan dengan kandungan karbon antara 0,1 sampai 0,16 %-berat, perubahan berlangsung sampai dengan temperatur 1493 DC. Kristal campuran ?, secara metalografi disebut sebagai austenit . Untuk paduan dengan kandungan karbon dibawah 0,51 %-berat, austenit terbentuk melalui reaksi peritektik dari kristal campuran B dan sisa cairan B. Sedangkan untuk paduan dengan kandungan karbon antara 0,51 sampai 4,3 %-berat, austenit terbentuk primer dari cairan. Pada saat konsentrasi karbon didalam austenit mencapai 2,06 %-berat, maka sisa cairan akan mencapai konsentrasi eutektik C (ledeburit). Pada temperatur ini (1147 DC) austenit mencapai konsentrasi karbon yang paling tinggi (2,06%-berat). Transformasi austenit pada temperatur lebih rendah berlangsung sebagaimana digambarkan pada gambar 6. Bila kandungan karbon pada paduan berada dibawah S = 0,8 %-berat (gambar14 ), maka bersama dengan turunnya temperatur, austenit akan terurai menjadi kristal campuran @ ( ferrit ) yang mengandung sedikit sekali karbon (garis GP) dan sisa austenit dengan konsentrasi karbon naik mengikuti garis GS. Untuk paduan dengan kandungan karbon lebih dari 0,8 %-berat, akan terbentuk  sementit sekunder   dari austenit, sehingga konsentrasi karbon dalam austenit sisa akan menurun menikuti garis ES ( gambar

Pada saat temperatur mencapai 723 DC sisa austenit dengan konsentrasi karbon S akan tertransfiormasi menjadi eutektoid  ( perlit ) yang terdiri dari kristal campran @ (ferrit) dan karbida besi (sementit)12. Pada pendinginan dibawah 723 DC selanjutnya, dari ferrit akan terbentuk karbida besi ( sementit tertier ) dengan mengikuti garis kelarutan karbon PQ (gambar 15). Sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya, pada temperatur 769 DC (A2), besi akan berubah menjadi ferromagnetis dari keadaan paramagnetis sampai dengan konsentrasi karbon sekitar 0,5 %-berat, perubahan ini terjadi pada temperatur yang sama ( gambar 8, garis MO). Pada kandungan karbon yang lebih tinggi, besi @ yang ferromagnetis terbentuk dari kristal campuran ? yang nonmagnetic mengikuti garis OSK. Transformasi magnetic yang tidak secara khusus digambarkan dalam diagram dan disimbolkan dengan A 0 terjadi pula  pada karbida besi dengan temperature 210 DC. Daerah transformasinya tidak dipengaruhi oleh kandungan karbon di dalam paduan.

disebut  perlit . Paduan hipereutektoid   dengan kandungan karbon 0,8 sampai 2,06 %-berat terdiri dari perlit dan sementit sekunder yang menepati batas-batas butiran austenit atau di dalam butiran sebagai pelat-pelat yang bercampur dengan perlit (gambar 19). 500 x

Gambar 16. Struktur paduan besi-karbon dengan kandungan karbon sangat rendah. [Ferrit dengan semenit tertier pada batas-batas  butiran]. Etsa: Nital. 500 x

500 x

Gambar 17. Struktur paduan besi-karbon hipoeutektoid. [Ferrit (terang) dan perlit]. Etsa: Nital.

500 x

karbon 4,25 %-berat akan membeku pada temperatur 1153 DC, beberapa derajat lebih tinggi dari eutektikum pada sistim besi-karbida besi. Sisa cairan ini akan menjadi grafit dan kristal campuran ? jenuh E’ dengan konsentrasi karbon 2,03 %-berat. Untuk paduan kaya karbon atau hipereutektik, grafit primer akan terbentuk dari cairan mengikuti garis D’C’ . Gambar 20, gambar 21  dan gambar 22  memperlihatkan sturktur paduan hipoeutektik, eutektik dan hipereutektik berdasarkan sistim stabil. Transformasi austenit pada paduan hipoteuktoid (sebelah kiri S’), berlangsung mirip dengan sistim besi-karbida besi ferrit terbentuk mengikuti garis GS’, dimana komposisinya tergantung dari temperatur dan mengikuti garis GP’. Untuk paduan hipereutektoid (sebelah kanan dari S’) dari kristal campuran ?, akan terbentuk grafit sekunder baik berasal dari pembentukan primer maupun dari eutektikum C’ serta mengikuti garis E’S’. Perhatikan bahwa garis E’S’ berada dikiri garis ES, dimana  pada daerah diantara kedua garis tersebut kristal campuran ? telah jenuh oleh grafit.  Namun demikian bila dilihat dari sisi karbida besi, daerah ini belum jenuh, mengingat karbon hanya dapat tumbuh dalam bentuk elementar. Kristal campuran pada konsentrasi S’ (karbon 0,69 %-berat ) yang tersisa setelah terjadi  pembentukan grafit, akan terbentuk menjadi eutektoid yang terdiri dari kristal campuran @ dengan konsentrasi P’ dan grafit. Temperatur transformasi yang merupakan garis horisontal (P’S’K’) terletak pada 738 DC. Diakhir penguraian ? menjadi ferrit-grafiteutektoid (pada temperatur kamar), hanya akan diketemukan ferrit dan grafit sebagai komponen yang membentuk sruktur besi untuk komposisi karbon yang manapun.

100 x

100 x

100 x

Gambar 20. Struktur dari Gambar 21. Struktur dari Gambar 23. Struktur dari  paduan besi-karbon stabil  paduan besi-karbon stabil  paduan besi-karbon stabil hipoeutektik. eutektik. hipereutektik. Gambar 20 sampai gambar 22. Struktur paduan besi-karbon sistim besi-grafit Etsa: Nital.

Gambar 8. Diagram  biner Besi-Karbon sistim Metastabil (Fe – Fe3C). I

Gambar 9. Diagram  biner Besi-Karbon sistim Stabil (Fe – Grafit). II