1
I.
DIAGRAM FASA
Tujuan Pembelajaran Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa diharapkan mampu: 1. Memahami perilaku logam lebur dan beku. 2. Menggambar dan menginterpretasikan diagram fasa. 3. Memprediksi jenis dan jumlah fasa pada titik kedudukan dalam diagram fasa.
1.1. Pendahuluan Pada sistem paduan logam terdapat beberapa struktur di dalamnya. Umumnya sifat-sifat material tergantung pada jenis, nomor, jumlah, dan bentuk fasa yang ada didalamnya. Disamping itu sifat material dapat berubah oleh pengaturan kuantitas fasanya, oleh karena itu sangat penting untuk mengetahui ; 1) kondisi fasa yang ada, dan 2) kondisi perubahan fasa yang terjadi. Banyak informasi mengenai perubahan fasa dalam berbagai sistem paduan, dan metode pengolahan data dalam diagram fasa. Nama lain dari diagram fasa adalah diagram kesetimbangan. Secara spesifik sistem keadaan utuh dalam kesetimbangan dinyatakan dalam tiga variabel independen. Ketiga variabel itu untuk mengontrolan fasa dari luar, ketiga variable tersebut adalah temperatur, tekanan dan komposisi. Yang mana tekanan diasumsikan konstan pada kondisi atmosfer, sehingga diagram kesetimbangan hanya menunjukan perubahan struktur karena variasi temperatur dan komposisi. Diagram ini sangat penting untuk menggambarkan sistem paduan dalam pengecoran logam. Idealnya, diagram kesetimbangan menggambarkan hubungan fasa dibawah kondisi setimbang yang tidak berubah karena waktu. Kondisi setimbang ini didekati dengan pemanasan dan pendinginan lambat sehingga perubahan fasa yang terjadi cukup waktu. Pada kenyataannya, fasa cenderung berubah secara langsung pada temperatur tinggi dan temperatur rendah. Diagram kesetimbangan dapat diklasifikasikan atas : 1. Unsur larut total dalam kondisi cair. a). Larut total dalam kondisi padat (Jenis I) b). Tak larut dalam kondisi padat : reaksi eutektik (Jenis II) c). Larut sebagian dalam kondisi padat : reaksi eutektik (Jenis III) d). Pembentukan sebagian-cair fasa intermediate (Jenis IV) e). Reaksi peritectic (Jenis V)
2
2. Unsur larut sebagian dalam kondsi cair : reaksi monotectic (Jenis VI) 3. Unsur tak larut dalam kondisi liquid dan tak larut dalam kondisi solid (Jenis VII) 4. Perubahan dalam kondisi solid a). Perubahan allotropic b). Orde-disorder c). Reaksi eutectoid d). Reaksi peritectoid
1.2. Koordinat Diagram Fasa Diagram fasa diplot dalam bentuk salib sumbu temperatur (ordinat) dan komposisi paduan dalam %berat (absis), seperti dalam Gb.1.1a. Kadangkala komposisi paduan dinyatakan dalam %atomik, seperti dalam Gb.1.1b. Konversi %berat ke % atomik dirumuskan sebagai berikut: ………………………………… (1-1)
……………………… …….. (1-2)
Yang mana : M : berat atom logam A, N : berat atom logam B, X : % berat logam A,Y % berat logam B. Contoh : 1 Paduan Al-Cu (duralumin) dengan 95%berat Al dan 5%berat Cu biasa ditulis 95Al-5Cu bila duralumin tersebut dinyatakan dengan persen atomik adalah 97,811%Atom Al dan 2,189%Atom Cu (lihat Gb.1.1c). Hasil tersebut diperoleh dari pengoperasian pers. 1-1 dan 1-2, yang mana berat atom Al = 27 dan berat atom Cu = 63,5. Paduan Al-Si (silumin) dengan 80%berat Al dan 20%berat Si ditulis 80Al-20Si bila silumin tersebut dinyatakan dengan persen atomic adalah 80,57%atom Al dan 19,43%atom Si. Yang mana berat atom Si = 28. Paduan Fe-C dengan 99,6%berat Fe dan 0,4%berat C (baja carbon sedang) biasa ditulis S40C. Yang mana berat atom Fe = 55,85 dan berat atom C = 12 maka baja carbon sedang yang dimaksud adalah 98,165%atom Fe dan 1,835%atom C.
3
a)
b)
c) Gambar 1.1. Diagram fasa dua unsur a). Persen berat, b). Persen atomik dan berat paduan Cu-Au, c). Paduan Al-Cu
1.3. Metode Percobaan Diagram kesetimbangan dibuat berdasarkan data percobaan dengan berbagai metode, umumnya metode yang digunakan sebagai berikut: Metode Analisa panas : Metode ini banyak digunakan dalam percobaan dengan mengeplot temperatur dan waktu pada komposisi konstan sehingga menghasilkan kurva pendinginan dengan menunjukan perubahan kemiringan apabila terjadi perubahan fasa karena evolusi panas. Metode ini sangat baik untuk menentukan temperatur awal dan akhir solidifikasi masing-masing pada garis liquidus dan garis solidus. Perubahan fasa
4
ini terjadi dalam keadaan padat dengan perubahan panas yang kecil, dan metode ini memberikan hasil yang akurat. Metode Metallographic : Metode ini terdiri dari pemanasan sample paduan dengan temperatur yang berbeda, ditunggu sampai kondisi dinyatakan stabil, dan cepat didinginkan sampai struktur tetap bertemperatur tinggi, selanjutnya sample di uji secara mikroskopik. Pengamatan mikroskop ini dapat dilakukan dengan mikroskop optic dengan pembesaran 50 sampai 1000 kali, scanning electron microscope (SEM) dengan pembesaran 20.000 sampai 60.000 kali, dan transmision electron microscope (TEM) pembesaran diatas 60.000 kali. Mikroskop electron ini dapat mengamati benda kerja berukuran 50 sampai 500 nm. Metode metallographic sulit diterapkan pada logam temperatur tinggi karena pendinginan cepat tidak selalu menghasilkan struktur yang tetap pada temperatur tinggi, dan metode ini tergantung pada keahlian pengamatan mikroskopik. Biasanya metode metallographic banyak digunakan untuk verifikasi diagram. Difraksi Sinar-X: metode pengukuran dimensi kisi struktur kristal ini menunjukan indikasi tampilan fasa baru atau penunjukan struktur kristal baru karena terjadi perubahan dimensi kisi. Metode ini sederhana, tepat, dan banyak digunakan untuk menentukan perubahan dalam larutan padat oleh temperatur. Difraksi merupakan ekivalen dengan pemantulan simetrik dari berbagai bidang kristal, dimana syarat-syarat yang ada telah terpenuhi. Syarat pemantulan dan saling menguatkan dinyatakan oleh : Hukum Bragg, ……………... (1-3) Yang mana; n : jumlah berkas sinar datang, λ: panjang gelombang, θ : sudut berkas sinar, dan d : tebal bidang (hkl).
1.4. Jenis 1 – Dua Logam Larut Total dalam Kondisi Liquid dan Solid Awalnya dua logam larut total dalam kondisi padat, hanya jenis fasa padat yang terbentuk akan terlarut substitusional padat. Dua logam umumnya mempunyai jenis struktur yang sama dan beda diameter atomnya kurang dari 8%. Hasil percobaan seri pendinginan berbagai macam kombinasi atau paduan logam A dan B, variasi komposisi dari 100%A 0%B sampai 0%A 100%B, seperti Gb.1.2. Gb.1.2. menunjukan hubungan antara kurva pendinginan yang diplot pada sumbu tung-
5
gal. Perhatikan, tiap kurva pendinginan merupakan percobaan yang terpisah dimulai dari waktu nol. Kurva pendinginan untuk nilai logam murni A dan B ditunjukan oleh garis horizontal karena tempat ini merupakan awal dan akhir solidifikasi pada temperatur konstan. Tetapi, bentuk komposisi intermediete larutan padat, laju pendinginan ini menunjukan dua patahan atau perubahan kemiringan. Komposisi paduan 80A dan 20B, patahan pertama pada temperatur T1, sebagai indikasi awal solidifikasi. Semua komposisi intermediete akan menunjukan jenis kurva pendinginan yang sama. Tanda diagram fasa, atau pembentukan fasa, terdiri dari gambar garis-garis yang menghubungkan semua titik awal solidifikasi dibagian atas dan garis yang lain sebagai akhir solidifikasi seperti Gb.1.2.
Gambar 1.2. Susunan kurva pendinginan untuk dua paduan dalam system kelarutan. Garis putus-putus menunjukan bentuk diagram fasa.
Sekarang diagram fasa aktual dapat ditentukan dengan mengeplot temperatur vs komposisi. Titik-titik yang tersedia dari urutan kurva pendinginan dan diplot pada diagram baru. Contoh dalam Gb.1.3, dimulai dari sumbu kiri sebagai logam murni A, TA diplot sepanjang garis ini. Dengan cara yang sama, TB juga diplot pada sumbu kanan. Semula semua komposisi intermediate merupakan prosentase A dan B, intinya tanda persen dihilangkan. Dalam gambar, garis vertikal menunjukan paduan 80A-20B, dan T1
6
dan T2 dari Gb.1.3. diplot sepanjang garis ini. Prosedur yang sama juga digunakan untuk komposisi yang lain. Diagram fasa ini terdiri dua titik, dua garis, dan tiga daerah. Dua titik TA dan TB menunjukan pembekuan dua logam murni.
Gambar 1.3. Diagram fasa dua logam larut menyeluruh dalam keadaan cair dan padat.
Garis atas, terdiri dari hubungan titik-titik yang menunjukan awal solidifikasi disebut garis liquidus, dan garis bawah, ditentukan oleh titik-titik akhir solidifikasi, disebut garis solidus. Diatas garis liquidus merupakan daerah fasa tunggal yang terdiri larutan homogen. Seperti daerah dibawah garis solidus adalah daerah fasa tunggal. Ini sangat praktis untuk penandaan pada diagram kesetimbangan dengan menampilkan kembali larutan padat dan paduan-paduan intermediate dengan huruf Greek. Dalam hal ini, berikan tanda larutan padat alpha (α). Huruf A dan B digunakan untuk menunjukan logamlogam murni. Diantara garis liquidus dan solidus adalah sumbu daerah dua-fasa. Paduan dalam daerah ini terdiri dari campuran larutan liquid dan solid. Spesifikasi temperatur dari komposisi paduan dalam daerah dua-fasa menunjukan paduan dari campuran dua-fasa. Diagram fasa juga menjelaskan komposisi aktual
7
dan jumlah relatif dua-fasa yang ada. Penentuan informasi ini sangat penting dan ditentukan dengan dua aturan, yaitu ; Aturan I. Unsur Kimia Fasa Untuk menentukan komposisi kimia aktual fasa-fasa paduan, kesetimbangan beberapa temperatur spesifik dalam daerah dua-fasa, tarik garis sejajar temperatur kesekeliling biasa disebut garis tie. Tarik garis ke bawah dari titik-titik ini sampai berhenti di garis dasar sehingga komposisinya langsung terbaca. Gb.1.4a, terkait dengan campuran paduan 80A-20B pada temperatur T. Paduan ini merupakan daerah dua-fasa. Pengoperasian aturan I, tarik garis tie MO kesamping. Titik M, adalah garis tie yang memotong garis solidus, apabila ditarik kebawah memotong sumbu dasar, sehingga menghasilkan komposisi 90A-10B. Dengan cara yang sama titik O, akan memotong sumbu dasar, sehingga memberikan komposisi kimia pada fasa campuran, dalam kasus ini larutan liquid pada komposisi 74A-26B.
a)
b) Gambar 1.4. Garis dalam diagram fasa, a). Garis Tie mo dalam daerah dua-fasa, b). Garis Tie mo pada aturan tuas.
Aturan II. Jumlah Relatif Tiap Fasa. Untuk menentukan jumlah relatif dua-fasa dalam kesetimbangan pada suatu temperatur spesifik dalam daerah dua-fasa, tarik garis vertikal yang menunjukan paduan dan garis horizontal sebagai temperatur pada daerah tersebut, garis vertikal akan dibagi
8
oleh garis horizontal dalam dua bagian panjang yaitu berbanding terbalik terhadap jumlah fasa yang ada. Ini biasanya disebut aturan pengungkit (lever). Titik dimana garis vertikal memotong garis horizontal sebagai fulctrum pada sistem pengungkit. Panjang relatif perkalian lengan tuas merupakan jumlah fasa dalam kesetimbangan Gb.1.4a, garis vertikal, menunjukan paduan 20B, dibagi garis horizontal tie dalam dua bagian MN dan NO. Jika panjang garis tie MO menunjukan 100%, atau berat total adanya dua-fasa pada temperatur T, aturan pengungkit secara matematis dinyatakan :
Jika garis tie dipindahkan dari diagram fasa dan nilai numerik dimasukan, terlihat seperti Gb. 1.4b, dengan menggunakan persamaan diatas maka;
Kesimpulan kedua aturan tersebut, paduan dengan komposisi 80A-20B pada temperatur T terdiri campuran dua-fasa. Satu larutan cair dengan komposisi 74A-26B menjadi 62,5% pada semua material yang ada dan larutan padat lain pada komposisi 90A-10B menjadi 37,5% pada semua material yang ada.
1.5. Kesetimbangan Pendinginan Pada Paduan Larutan Padat Pendinginan sangat lambat dibawah kondisi setimbang, bagian paduan 70A-30B akan diamati perubahan fasa yang terjadi (lihat Gb.1.5). Paduan pada temperatur TO merupakan larutan cair fasa tunggal homogen (Gb.1.5a) dan tetap sampai temperatur T1 tercapai. T1 diawal garis liquidus, merupakan awal pembekuan (solidifikasi). Butir (nuclei) awal larutan padat membentuk α1 akan bertambah banyak dalam logam A dengan titik-lebur-tinggi dan akan tercampur pada 95A-5B (Aturan I). Semenjak larutan padat terbentuk dalam material ini A akan sangat banyak dari liquid, sehingga liquid menjadi
9
lebih kaya dengan B. Hanya setelah awal solidifikasi, komposisi liquid mendekati 69A31B (Gb.1.5b).
Gambar 1.5. Pendinginan lambat paduan dan mikrostruktur di berbagai titik selama pembekuan
Apabila temperatur turun T2 tercapai, komposisi liquid L2. Hanya larutan solid dalam kesetimbangan dengan L2 dan karena hanya larutan padat yang terbentuk pada T2 sebagai α2. Penggunaan Aturan I, α2 merupakan campuran 10B. Disini temperatur turun, tidak hanya komposisi liquid menjadi kaya dengan B tetapi juga larutan solid. Pada T2, kristal α2 terbentuk disekeliling inti-inti komposisi α1 dan juga memisahkan dendritdendrit α2 (Gb.1.6a). T2 menyatakan kesetimbangan, fasa solid dengan komposisi α2. Difusi atom B memperkaya inti A tidak hanya dari solid yang terbentuk tetapi juga dari liquid. Kemungkinan ini terjadi jika pendinginan sangat lambat sehingga difusi berlangsung dengan pertumbuhan kristal (Gb.1.5c). Pada T2, jumlah relatif liquid dan larutan padat ditentukan oleh penggunaan Aturan II: Temperatur turun, larutan padat secara kontinyu tumbuh dan berkembang pada liquid. Komposisi larutan padat mengikuti garis solidus dan komposisi liquid mengikuti
10
garis liquidus, dan kedua fasa menjadi kaya dengan B. Pada T3 (Gb.1.5d), larutan padat akan mencapai ¾ dari seluruh material yang ada. Aturan tuas harus digunakan pada T3 dan penentuan jumlah relatif α3 dan L3. Akhirnya, garis liquid dicapai pada T4 dan liquid terakhir L4, kaya dengan B, solidifikasi pertama pada batas butir (Gb.1.5e). Tetapi, difusi akan berlangsung dari semua larutan padat α menjadi seragam (70A-30B), yang mana komposisi akhir paduan (Gb.5f). Gb.1.6b. menggambarkan pendinginan lambat paduan larutan padat. Larutan padat hanya pada butiran dan batas-batas butir. Larutan padat tidak membuktikan perbedaan unsur kimia didalam butir, indikasi hanya terjadi pada butir yang homogen.
a)
b) Gambar 1.6. Mekanisme pendinginan a). Dendrit dalam liquid, b). Bentuk butir pada pendinginan lambat
1.6. Difusi Difusi merupakan gerakan awal atom-atom, dalam kondisi padat dan merupakan bagian yang sangat penting. Menyambung mekanisme difusi dibawah aliran lambat struktur dendrit hilang, dan butiran menjadi homogen. Bagian ini menjelaskan bagaimana difusi dalam kondisi solid terjadi. Difusi sangat utama dalam bentuk statistik, hasil
11
dari beberapa gerakan acak pada atom-atom secara individu. Lintasan atom individu mungkin zig-zag dan tidak dapat diprediksi, ketika sejumlah besar atom membuat semacam gerakan dengan aliran sistematik. Dalam larutan padat difusi yang terjadi dibedakan atas tiga metode yaitu : Mekanisme kekosongan (vacancy), mekanisme sisipan (interstitial), dan mekanisme pertukaran atom (interchange). Semua mekanisme tersebut dapat dilihat dalam Gb.1.7.
Gambar 1.7. Skema mekanisme difusi
Pada kondisi normal kristalisasi sering menunjukan kekosongan dan sisipan. Ketidak sempurnaan banyak memfasilitasi difusi atau atom-atom yang meloncat dan bergabung. Gb.1.7a, menunjukan atom larut dan bergerak satu spasi atom kekiri menempati kekosongan yang ada. Ini sebanding, dengan atom tetangga yang kosong karena loncatan. Kekosongan bergerak kekanan menduduki posisi atom terdahulu dan sekarang siap untuk berpindah. Mekanisme sisipan diilustrasikan dalam Gb.1.7b, dimana atom posisi normal bergerak masuk ke jarak sisipan, dan kekosongan disebabkan penyusupan atom. Terkait dengan gambar yang sama, difusi terjadi oleh sisipan atom kristal yang berpindah, tetapi metode ini lebih menyerupai larutan sisipan padat. Kemungkinan gerakan ini disebabkan oleh perpindahan langsung antara dua atom, seperti dalam Gb.1.7c, atau oleh cincin perpindahan 4 atom dalam Gb.1.7d. Tetapi, kemungkinan ini terjadi dibawah kondisi khusus, semula problem fisik berurutan diantara kantong tertutup atom-atom tetangga bertambah untuk difusi. Percobaan yang dilakukan menunjukan penggunaan kekosongan sebagai metode awal difusi pada logam. Pada paduan yang sama laju difusi lebih besar dengan pendinginan cepat dibanding pendinginan lambat. Perbedaan ini disebabkan besarnya jumlah kekosongan yang
12
terjadi dalam paduan oleh pendingian cepat. Migrasi kekosongan juga mempunyai energi aktivasi yang rendah bila dibandingkan dengan metode-metode yang lain. Laju difusi suatu logam dipengaruhi oleh koefisien difusi, yang diberikan dalam satuan centimeter persegi per detik. Koefisien difusi merupakan fungsi berbagai variable dan yang paling penting adalah temperatur. Umumnya aturan, koefisien difusi menjadi dua kali untuk setiap kenaikan temperatur 20 derajat. Ini tidak ditekankan, semua vibrasi atom mempunyai vibrasi konstan sekitar posisi setimbang dalam kisi, dan awal amplitudo vibrasi bertambah dengan naiknya temperatur. Energi bergabung dengan vibrasi panas, sebagai acuannya energi termal, posisi kisi dalam kondisi tidak stabil menyebabkan atom-atom berloncatan. Selanjutnya temperatur sebagai faktor terpenting untuk menentukan terjadinya loncatan atau difusi. Paduan mempunyai energi bebas rendah dalam kondisi homogen, dan ini sebagai gaya penggerak (driving force) untuk difusi.
1.7. Pendinginan–Awal Tak Setimbangan pada Coring Kenyataanya dalam eksperimen sulit untuk mendapatkan pendinginan kondisi setimbang. Difusi dalam kondisi solid terjadi pada laju yang sangat lambat, diharapkan dengan laju pendinginan awal menjadi berbeda dengan kondisi pendinginan dalam diagram kesetimbangan. Mengacu pada paduan 30B (lihat Gb.1.8) merupakan awal solidifikasi pada T1, membentuk larutan padat komposisi α1. Pada T2 liquid L2 dan larutan padat yang berbentuk α2 (lihat Gb.1.6a). Difusi sangat lambat untuk mencapai pertumbuhan kristal, waktu tidak cukup menghasilkan solid yang merata, dan komposisi ratarata diantara α1 dan α2 katakan α’2. Selanjutnya temperatur turun, komposisi rata-rata larutan padat bertolak dari kondisi setimbang. Terlihat komposisi larutan padat mengikuti “ketidak setimbangan” garis solidus α1 ke α5 yang ditunjukan oleh garis putus-putus dalam Gb.1.8. Liquid dalam sisi lain, sangat penting dalam komposisi yang diberikan oleh garis liquidus, awalnya difusi relatif cepat dalam liquid. Pada T3 larutan padat ratarata mejadi komposisi α’3 dari α3 . Dibawah pendinginan setimbang, solidifikasi menyeluruh pada T4; ketika, komposisi rata-rata larutan padat α’4 komposisi paduannya tidak tercapai, beberapa liquid harus tetap ada. Dari aturan tuas pada T4 menghasilkan:
13
Gambar 1.8. Pendinginan nonequilibrium
Solidifikasi berlanjut sampai tercapai T5. Pada temperatur ini komposisi larutan padat α’5 bersamaan dengan komposisi paduan, dan membeku secara total. Liquid terakhir membeku, L5, kaya dengan B dari pada liquid terakhir untuk membeku dibawah kondisi setimbang. Ini terlihat dari amatan Gb.1.8, paduan lebih cepat membeku menjadi rentang komposisi dalam paduan. Laju variasi serangan kimia dengan komposisi, setelah di etza secara mikroskopik terlihat struktur dendritnya (Gb.1.9). Bila hasil akhir solidifikasi dikupas, akhir pembekuan struktur terdiri “inti” dengan bagian pusat lebur tinggi yang dikelilingi oleh titik lebur rendah. Kondisi diatas mengacu terhadap coring atau segragasi (pemisahan) dendrit.
14
Gambar 1.9. Sebaran dendrit halus pada paduan Al-Pb
Rinkasnya, hasil pendinginan ketidak setimbangan menambah rentang temperatur dimana liquid dan solid berada; akhir solidifikasi terjadi pada temperatur yang lebih rendah dari yang diprediksi oleh diagram fasa ; liquid terakhir membeku akan diperkaya oleh logam dengan titik-lebur-rendah ; dan difusi tidak ditunjukan dengan pertumbuhan kristal, solidifikasi ini menyebabkan perbedaan komposisi kimia dari pusat kebagian luar butir. Pengaruh tersebut disebabkan oleh laju pendinginan yang cepat.
1.8. Homoginisasi Struktur inti logam tuang ditunjukan oleh pendinginan terakhir yang terbentuk sepanjang batas-batas butir dan ruang-ruang interdendritik yang kaya dengan logam titik-lebur-rendah, batas butir merupakan bidang-bidang yang lemah. Itu disebabkan oleh ketidak seragaman sifat-sifat mekanik dan fisik, dalam beberapa kasus menambah serangan korosi intergranular karena serangan yang berbeda sebagai media yang korosif. Oleh karena itu dalam beberapa aplikasi, stuktur inti dapat dijadikan objek pengamatan. Masalah coring dapat diselesaikan dengan dua metode yaitu. Pertama pencegahan dengan proses pendinginan lambat liquid, tetapi ini menghasilkan ukuran butir yang besar dan memerlukan waktu yang lama. Kedua dengan pengaturan komposisi. Dalam industri metode yang dipilih adalah kesamaan komposisi atau homogenenisasi struktur inti dengan difusi dalam keadaan solid. Pada temperatur ruang, umumnya laju difusi
15
logam sangat lambat, tetapi jika paduan dipanasi ulang sampai temperatur dibawah garis solidus, difusi lebih cepat dan homogenisasi yang terjadi relatif singkat.
Gambar 1.10. Diagram kesetimbangan Copper-Nickel
Gb.1.10 merupakan diagram kesetimbangan aktual sistem Cu-Ni, dan paduan 85Cu-15Ni, ditunjukan dengan garis putus-putus. Pengaruh homogenisasi pada struktur paduan 85Cu-15NI digambarkan secara seri dalam photografi Gb.1.11. Gambar pertama pada urutan ini menunjukan mikrostuktur paduan dengan pengecoran cepat (chill-cast). Prediksi diagram kesetimbangan, padatan pertama terbentuk dalam sumbu sentral dendrit yang kaya nickel. Karena pendinginan cepat, menghasilkan perbedaan yang besar pada kandungan nickel antara sumbu pusat dendrit dan ruang interdendritik. Perbedaan ini, dinyatakan oleh kemampuan etching. Gambar berikutnya menunjukan beberapa sample setelah dipanasi pada 13820F selama 3 jam. Kebalikan difusi atom-atom Ni dan Cu diantara inti-inti kaya-Ni dan dipenuhi kaya-Cu menurunkan perbedaan komposisi diantaranya. Mikrostruktur sample yang sama dipanasi sampai 17420F selama 9 jam seperti terlihat pada gambar ketiga. Komposisi total sama, dan dendritnya terpisah, dengan batas butir yang lebih jelas. Partikel-partikel hitam merupakan inklusi-inklusi oksida copper atau oksida nickel. Gambar keempat mengilustrasikan paduan yang sama dengan pendinginan lambat pada pengecoran dengan cetakan panas. Struktur dendritnya lebih kasar dari paduan coran dengan pendinginan cepat. Gambar terakhir menunjukan sample yang sama dengan pemanasan 17420F selama 15 jam. Sekarang total strukturnya homogen. Meskipun perbedaan komposisi awal kecil dan potongan dendritnya kasar dibandingkan dengan dendrit kecil, itu butuh waktu lebih lama untuk meratakan karena jarak yang lebih besar dimana atom tembaga dan nikel harus tersebar di struktur yang
16
kasar. Keadaan ekstrim ini harus di uji dalam perlakuan yang tidak memotong garis liquidus; sebaliknya peleburan pada batas-batas butir akan terjadi, ini akan merusak bentuk dan sifat fisik coran (Gb.1.12).
Gambar 1.10. Mikrostruktur paduan 85Cu-15Ni pembesaran 50x. a). chill-cast, b). chill-cast, reheated 3 jam pada suhu 1382oF; c). chill-cast, reheated 9 jam pada suhu 1742oF; d). cor cetakan dipanasi; e). cor cetakan dipanasi, reheated 15 jam pada suhu 1742oF
Gambar 1.12. Mikrostruktur paduan aluminium pada batas butir selama pemanasan. Setelah pendinginan, ini bagian batas butir tampak garis gelap, pembesaran 1000x
17
1.9. Sifat Paduan Larut-Padat Jika paduan membeku, fasa padat yang terbentuk umumnya mempunyai komposisi yang berbeda dengan fasa cairnya. Distribusi larutan didalam fasa padat secara umum berbeda dalam liquid utama sampai membeku. Redistribusi larutan yang dihasilkan oleh solidifikasi kebanyakan merupakan bentuk segragasi, seperti yang terjadi pada paduan binary. Secara umum didalam pembentukan sistem paduan larutan padat seri berlanjut, kebanyakan sifatnya berubah karena distorsi struktur kristal logam larut oleh penambahan logam terlarut. Pengaruh komposisi pada beberapa sifat fisik dan mekanik pada paduan annealing dalam sistem paduan Cu–Ni seperti dalam Tabel 1-1. Paduan Cu–Ni merupakan paduan komersil yang dikenal dengan sebutan monel. Paduan ini mempunyai kekuatan dan ductility yang tinggi, tahan korosi dan kekerasanya maksimum. Tabel 1.1. Sifat paduan Cu-Ni annealing Komposisi Ni [%]
Kekuatan Tarik [psi]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
30.000 35.000 39.000 44.000 48.000 50.000 53.000 53.000 50.000 48.000 43.000
Perpanjangan [%] 53 47 43 40 39 41 41 42 43 45 48
Kekerahan [BHN]
Ukuran Kisi [10-8cm]
36 51 58 67 70 73 74 73 68 61 54
3,6073 3,5975 3,5871 3,5770 3,5679 3,5593 3,5510 3,5432 3,5350 3,5265 3,5170
Tahanan Electrik [μohm/cm3] 1,7 14 27 38 46 51 50 40 30 19 6,8
1.10. Variasi Jenis I Setiap paduan jenis I mempunyai titik cair diantara titik lebur A dan B. Titik cair tersebut kemungkinan berada pada kondisi minimum atau maksimum di garis liquidus dan solidus (Gb.13a, b). Komposisi paduan x dalam Gb.13a hanya terjadi pada logam murni dan ini tidak berbeda dalam komposisi liquid dan solid. Awal dan akhir solidifikasinya pada temperatur konstan dengan komposisi yang tidak berubah, dan dalam kurva pendinginan akan terlihat garis horizontal. Paduan-paduan diketahui sebagai pa-
18
duan lebur sejenis. Karena paduan x mempunyai titik lebur rendah dalam larutan dan diagram kesetimbangan tersusun jenis eutektik, titik eutektik ini sebagai paduan pseudoeutectic. Contoh, paduan Cu-Au dan Ni-Pd mempunyai eutektik yang rendah. Dan titik eutektik maksimum jarang ditemui karena tidak terjadi pada sistem metalik.
Gambar 1.13. Sistem solidifikasi paduan. a). Larutan nimimum, b). Larutan maksimum
1.11. Jenis II Dua logam larut total dalam kondisi cair dan tidak larut total dalam kondisi solid. Secara teknis, dua logam tidak dapat larut secara menyeluruh satu sama lain. Tetapi dari beberapa kejadian kelarutan sangat praktis digunakan yang berkaitan dengan ketidak larutan. Hukum Raoult’s menyatakan penambahan zat kedua yang terlarut dalam logam murni menyebabkan titik cairnya lebih rendah dari titik cair logam murni dan zat kedua tidak dapat larut ketika membeku. Jumlah penurunan titik cair sebanding dengan berat molekuler larutan. Diagram fasa dapat dikembangkan dari kurva pendinginan seri dengan analogi diagram larutan padat, seperti dijelaskan dimuka, tetapi dalam kejadian ini, kurva-kurva percobaan menunjukan jenis perilaku yang berbeda. Kurva pendinginan seri logam murni dan variasi paduan, dan mikrostruktur temperatur ruang, seperti terlihat dalam Gb.1.14. Kurva pendinginan logam murni A dan B menunjukan garis horizontal tunggal pada titik pembekuan. Diharapkan. A ditambah B menurunkan temperatur awal solidifi-
19
kasi paduan. Selanjutnya, setiap logam dengan titik pembekuan rendah dari yang lain, garis penghubung titik menunjukan awal solidifikasi, garis liquidus menunjukan minimum. Ilustrasi tersebut dinyatakan dengan garis putus-putus dalam Gb.1.14, menunjukan titik E minimum, yang diketahui sebagai titik E, untuk komposisi 40A-60B. Perhatikan, rentang komposisi diatas, bagian kurva pendinginan menunjukan akhir solidifikasi pada temperatur campuran. Garis horizontal bawah TE ditunjukan dengan garis putusputus dalam Gb.1.14, sebagai temperatur eutektik. Dalam paduan, komposisi eutektik 40A-60B, solidifikasi total terjadi pada temperatur tunggal yaitu temperatur eutektik. Meskipun pembekuan komposisi eutektik seperti logam murni tetapi itu bukan paduan lebur sejenis yang terlihat sepintas menghasilkan padatan sebagai campuran dua-fasa.
Gambar 1.14. Mikrostruktur kurva pendinginan dan temperature ruang untuk paduan seri dua logam yang tidak larut dalam kondisi solid. Garis putus-putus atas dan bawah menunjukan garis solidus dan liquidus.
Diagram fasa aktual sekarang dibuat dengan mentransfer patahan kurva pendinginan yang diplot pada temperatur vs komposisi, seperti terlihat dalam Gb.1.15, titik lebur logam murni pada titik M dan N yang diplot pada garis vertical. Untuk paduan 80A-20B dengan awal solidifikasi pada T1 dan akhir solidifikasi pada TE. Prosedur yang sama diikuti untuk paduan yang lain. Garis atas pada diagram fasa merupakan hubungan
20
dua titik lebur, MEN merupakan garis liquidus, dan menunjukan awal solidifikasi. Titik dimana garis liquidus memotong titik minimum E, dikenal titik eutektik. TE disebut temperatur eutektik dan 40A-60B sebagai komposisi eutektik. Garis solidus berupa garis kontinyu yang menghubungkan titik-titik lebur logam murni, yang merupakan garis solidus total yaitu MFGN.
Gambar 1.15. Diagram fasa jenis-eutektik Diagram fasa ini berisi 4 daerah. Daerah diatas garis liquidus merupakan fasa tunggal larutan cair homogen, dua logam terlarut dalam kondisi cair. Tiga daerah yang tersisa adalah daerah dua-fasa. Setiap daerah dua-fasa pada diagram fasa dibatasi oleh garis horizontal dengan fasa tunggal. Jika daerah fasa tunggal sebagai label pertama, selanjutnya daerah fasa dua dengan mudah ditentukan. Contoh, dalam Gb.1.15, untuk menentukan fasa yang terdapat dalam daerah dua-fasa MFE, tarik garis horizontal tie OL. Garis ini memotong liquidus pada L berarti cair yang merupakan satu fase terdapat dalam daerah dua-fasa dan memotong garis sumbu kiri dari titik O. Sumbu kiri menunjukan fasa tunggal logam murni A, yang dibawahnya titik cair adalah padat. Selanjutnya dua-fasa dalam daerah MFE yaitu liquid dalam solid A. Cara yang sama digunakan untuk menentukan dua-fasa yang berbeda dalam daerah NEG. Daerah ini terdiri liquid dan solid B. Idea diatas dapat digunakan untuk diagram fasa yang lain dan diagram yang lebih komplek.
21
Dua logam diasumsikan tidak larut total dalam kedaan solid, dapat ditunjukan apabila awal pembekuan hanya dapat terbentuk solid yang merupakan logam murni. Juga, setiap paduan bila membeku total dua logam murni harus tercampur. Secara praktis paduan disebelah kiri campuran eutektik adalah paduan hypoeutectic dan sebelah kanan paduan hypereutectic. Penetapan ini akan digunakan sebagai acuan untuk pendinginan lambat berbagai paduan.
Gambar 1.16. Jenis fasa dalam diagram fasa jenis eutektik
Paduan 1 dalam Gb.1.16. merupakan eutektik 40A-60B. Paduan tersebut didinginkan dari temperatur TO, sisa larutan cair seragam sampai titik E, garis temperatureutektik. Perpotongan garis liquidus dan solidus, liquidus sekarang mulai membeku, dan temperaturnya tidak turun sampai paduan padat total. Liquid akan membeku masuk kedalam campuran dua-fasa. Fasa ini selalu menunjukan akhir garis horizontal temperatureutektik. Dalam kondisi ini titik F merupakan logam murni A, dan titik G, logam murni B. Diasumsikan sejumlah kecil logam murni A membeku. Liquid yang tersisa kaya dengan B.
22
Komposisi liquid langsung mengearah ke kanan. Mempersiapkan komposisi liquid ke kesetimbangan, B akan membeku. Jika secara langsung B banyak yang membeku, komposisi liquid berada disebelah kanan, dibutuhkan A untuk membeku ke arah kesetimbangan. Selanjutnya temperatur konstan, liquid A murni dan B murni membeku, menghasilkan campuran yang sangat halus dapat dilihat dibawah mikroskop. Campuran ini yang disebut campuran eutektik (Gb.1.17.). Perubahan liquid pada komposisi E masuk dua padat pada temperatur konstan yang disebut reaksi eutektik dan ditulis sebagai berikut :
Gambar 1.17. Campuran eutektik Timbal-Bismut, pembesaran 100x Solidifikasi paduan eutektik terjadi pada temperatur konstan, kurva pendinginan ini seperti logam murni atau suatu paduan lebur-bersama. Pembekuan eutektik, tetapi, tidak sebangun yang berbeda komposisi antara fasa liquid dan solid individu. Paduan 2, campuran paduan hypoeutectic 80A-20B, sisa larutan liquid seragam sampai garis liquidus, temperatur T1. Pada titik liquid L1 merupakan saturated (jenuh) di A dan temperatur langsung turun, akibatnya A membeku. Liquid, menyimpan kristal A murni yang kaya B. Penggunaan Aturan I pada temperatur T2 menunjukan fasa solid A
23
murni dan komposisi liquid L2 adalah 70A-30B. Jumlah pembekuan pada temperatur ini dihitung dengan menggunakan Aturan II :
Mikrostrutur yang tampak seperti dalam Gb.18a. Pendinginan lanjut, jumlah A padat murni bertambah secara bertahap oleh presipitasi kontinyu dari liquid. Komposisi liquid, menjadi kaya dengan B yang secara lambat bergerak ke bawah dan ke kanan sepanjang kurva liquidus, ketika jumlah liquidus berkurang secara gradual. Bila paduan mencapai garis eutektik XE, liquid pada titik E. Kondisi yang ada merupakan tingkat fraksi diatas TE adalah : Fasa Komposisi Jumlah relative
Liquid 40A-60B
Solid 100A
Gambar 1.18. Tahap pendinginan lambat paduan 80A-20B Mikrostruktur dalam Gb.1.18b. Cairan tersisa (30%), mencapai titik eutektik, sekarang pembekuan secara lambat masuk ke campuran mendekati A dan B seperti diuraikan dibawah paduan 1. Bila pembekuan, paduan terdiri 67% butiran utama A atau proeutektik A (yang terbentuk diantara T1 dan TE sebelum reaksi eutektik) dan 32% campuran eutektik (A + B) Gb.1.18c. Setiap paduan mengarah kekiri titik eutektik E, ketika membeku, akan terdiri butiran proeutektik A dan campuran eutectic. Sebagai komposisi paduan
24
akhir adalah komposisi eutektik. Campuran eutektik banyak ditunjukan dalam pembekuan paduan ( lihat mikrostuktur dalam Gb.1.14). Paduan 3, paduan hypereutectic terdiri 10A-90b, mengalami proses pendinginan yang sama seperti paduan 2 kecuali ketika garis likuidus tercapai endapan kristal cair dari B murni bukan dari A. Ketika suhu turun, B akan bertambah besar, meninggalkan cairan kaya A. Jumlah cairan secara bertahap berkurang, dan komposisi secara bertahap bergerak ke bawah dan ke kiri sepanjang garis likuidus sampai titik E dicapai pada suhu eutektik. Cairan yang tersisa sekarang membeku ke campuran eutektik (A + B). Setelah pembekuan, paduan terdiri 75% butiran B primer atau B proetectic dan 25% campuran eutektik (A + B). Gambar dan sketsa mikro pada suhu kamar harus diverivikasi. Setiap paduan ke kanan dari titik eutektik, ketika dibekukan, terdiri dari butir B proeutectic dan campuran eutektik. Perbedaan hanya dalam jumlah relatif (lihat mikrostruktur dalam Gb.1.14). Hubungan komposisi paduan dan mikro dapat ditampilkan dengan menggunakan komposisi eutektik sebagai garis batas imajiner. Area di bawah garis solidus dan ke kiri dari komposisi eutektik diberi label padat A + campuran eutektik, dan ke kanan, padat B + campuran eutektik (Gambar 1.16). Gb.1.19, menunjukkan hubungan antara komposisi paduan dan jumlah relatif.
Gambar 1.19. Diagram hubungan linier antara mikrostruktur dan kompisisi paduan untuk sis tem eutektik
Dari pembahasan sebelumnya terlihat bahwa, reaksi yang sama terjadi apabila setiap garis suhu-eutektik tercapai, yaitu ;
25
Reaksi diatas khusus berlaku untuk diagram ini, namun, reaksi eutektik dapat ditulis secara umum sebagai ;
Satu persyaratan bahwa campuran eutektik terdiri dari dua fase padat yang berbeda. Campuran ini terdiri dua logam murni, dua larutan padat, atau kombinasi di atas.
Gambar 1.20. Diagram paduan Al-Si, nomor dibagian bawah berhubungan dengan mikrostruktur
Penyederhanaan diagram fase Aluminium-Sillicon ditunjukkan pada Gb.1.20, dengan mengabaikan kelarutan silikon dalam aluminium. Mikrostruktur Gb. 1.21. mengacu pada angka di bagian bawah diagram Al-Si ini. Dimulai dengan paduan 1 di
26
sebelah kiri Gb.1.20, mikrostruktur aluminium murni ditunjukkan pada Gb.1.21a. Paduan 2 (Gb.1.21b), mengandung 8% silikon, terdiri dari dendrit aluminium primer atau proeutectic yang dikelilingi campuran eutektik dari aluminium dan silikon. Perhatikan pengaturan cahaya terang yang lembut dan struktur gelap. Karena eutektik terbentuk dari cairan terakhir yang membeku, dan mengisi ruang antara lengan dendrit. Paduan 3 (Gb.1.21c) adalah komposisi eutektik dari 12% silikon dan seluruhnya terdiri dari campuran eutektik. Ketika bergerak ke kanan, mikrostruktur terdiri dari silikon primer (hitam) dan campuran eutektik, jumlah silikon primer meningkat dengan bertambahnya kandungan silikon seperti dalam Gb.1.21b dan e. Akhirnya, mikrostruktur silikon murni ditunjukan dalam Gb.1.21f. Dan hasil prediksi diagram kesetimbangan, dengan akurasi memadai, dengan proporsi dari setiap fase dalam paduan setelah pendinginan lambat sampai suhu kamar seperti dalam Gb.1.21.
Gambar 1.21. Mikrostruktur paduan Al-Si sesuai nomor dalam Gb.1.20 .
27
1.12. Jenis III-Dua Logam Larut Total dalam Keadaan Cair tetapi Larut Sebagian dalam Keadaan Padat Kebanyakan logam menunjukkan kelarutan yang sama untuk satu sama lain dalam keadaan padat, jenis ini yang paling umum dan, oleh karena itu, sistem paduan menjadi penting.
Gambar 1.22. Diagram fasa ilustrasi bagian sifat larutan padat
Diagram fase tipe ini ditunjukkan di Gb.1.22. Titik leleh dari dua logam murni masingmasing ditunjukkan oleh titik TA dan TB. Garis likuidus TAETB, dan garis solidus TAFEGTB. Dan daerah fasa-tunggal harus diberi label terlebih dahulu. Di atas garis likuidus, hanya ada larutan cair fase tunggal. Pada titik leleh, dimana likuidus dan garis solidus bertemu, diagramnya menyerupai bentuk cerutu tipe I (kelarutan padat total), dan karena logam ini sebagian larut pada keadaan padat, suatu larutan padat harus dibentuk. Paduan dalam sistem ini pernah memperkuat kristal dari A murni atau B murni tetapi selalu larutan padat atau campuran larutan padat. Daerah fase tunggal α dan β larutan-padat sekarang diberi label. Karena ini larutan-padat di samping sumbu, mereka dikenal sebagai larutan padat terminal. Sisa tiga daerah dua fase sekarang
28
berlabel sebagai cairan+α, β+cair, dan α+β, di TE, larutan padat α sebagai kelarutan maksimum dari 20%B seperti yang ditunjukkan oleh titik F dan larutan padat β maksimum 10% seperti ditunjukkan oleh titik G. Suhu turun, jumlah maksimum larutan yang terlarut menurun, karena diindikasikan dengan garis FH dan GJ. Garis ini disebut garis solvus dan menunjukkan kelarutan maksimum (larutan jenuh) B dalam A (α larut) atau A di B (larutan β) sebagai fungsi dari suhu. Titik E, di mana garis likuidus bertemu di minimum, seperti pada tipe II, yang dikenal sebagai titik eutektik. Pendinginan lambat beberapa paduan sekarang akan dipelajari.
Gambar 1.23. Diagram fasa ilustrasi bagian sifat larutan padat
Paduan 1 (Gb.1.23), terdiri 95A-5B, ketika didinginkan lambat akan mengikuti proses yang sama seperti paduan tipe I. Ketika garis likuidus memotong di T1, ia mulai membeku dengan membentuk kristal larutan padat α yang sangat kaya A. Proses ini berkesinambungan, dengan cairan makin kaya B dan secara bertahap bergerak ke bawah sepanjang garis likuidus. Larutan padat α, juga semakin kaya B, bergerak di sepanjang garis solidus. Ketika garis solidus akhirnya memotong di T4 dan kecepatan difusi sesuai dengan pertumbuhan kristal, seluruh padat menjadi larutan padat α homogen dan akan
29
tetap seperti itu sampai ke suhu kamar. Proses solidifikasi dan kurva pendinginan untuk paduan ini ditunjukkan pada Gb.1.24.
Gambar 1.24. Kurva pendinginan dan mikrostruktur pada variasi temperature selama solidifikasi paduan 95A-5B
Paduan 2, 30A-70B, adalah komposisi eutektik yang tetap cair sampai suhu eutektik mencapai titik E. Karena ini juga garis solidus, cairan sekarang mengalami reaksi eutektik, pada suhu konstan, membentuk campuran yang sangat halus dari dua padatan. Kedua padatan membentuk campuran eutektik yang diberikan secara ekstrim oleh garis eutektik-suhu, α pada komposisi F dan β pada komposisi G. Reaksi eutectic ditulis sebagai berikut :
30
Reaksi ini sama dengan salah satu yang terjadi dalam diagram Tipe II, kecuali untuk pengganti larutan padat logam murni. Jumlah relatif β dan α dalam campuran eutektik dapat ditentukan dengan menerapkan Aturan II (aturan tuas) :
Karena perubahan kelarutan B dalam A, garis FH, dan A di B, garis GJ, akan ada sedikit perubahan dalam jumlah relatif α dan β pada suhu kamar :
Campuran eutektik ditunjukkan pada Gb.1.28c. Perhatikan kesamaan antara gambar itu dan campuran eutektik pada Tipe II (Gb.1.17). Hal ini tidak mungkin untuk mengatakan secara mikroskopis apakah campuran eutektik itu terdiri dari dua larutan padat atau dua logam murni. Paduan 3, 60A-40b, tetap cair sampai garis likuidus tercapai di T3. Cairan mulai mengkristal pada larutan primer atau proeutectic α yang kaya A. Ketika suhu turun cairan menjadi lebih kaya dan lebih kaya B, secara bertahap bergerak ke bawah dan ke kanan sepanjang garis likuidus sampai mencapai titik E. Meneliti kondisi yang ada tepat di atas suhu eutektik TE, ada dua fase hadir : Fasa Komposisi Kimia Jumlah Relatif
liquid
α utama
30A-70B
80A-20B
40%
60%
Mahasiswa harus memverifikasi angka di atas dengan menerapkan aturan I dan II pada suhu eutektik. Karena cairan yang tersisa (40%) berada di titik E, suhu dan komposisi
31
yang tepat membentuk campuran eutektik, sekarang membeku dengan membentuk kristal α dan β yang muncul pada komposisi bergantian di akhir garis suhu eutektik (titik F dan G). Suhu tidak turun sampai solidifikasi selesai, dan ketika selesai, mikrostruktur yang muncul seperti ditunjukkan pada Gb. 1.25.
Gambar 1.25. Skema mikrostruktur, setelah solidifikasi paduan 3 dalam Gb.1.23
Perhatikan kesamaan mikrostruktur antara paduan dan Gb.1.18c. Sebagai paduan mendingin ke suhu kamar karena perubahan dalam kelarutan ditunjukkan oleh garis solvus FH, beberapa pengaruh β yang diendapkan dari larutan. Proses solidifikasi dan kurva pendinginan untuk paduan ini ditunjukkan pada Gb.1.26.
Gambar 1.26. Kurva pendinginan dan mikrostruktur pada variasi
32
Paduan 4, 85A-15B, mengikuti proses yang sama seperti dijelaskan untuk paduan 1. Mikro pada berbagai suhu dan kurva pendinginan untuk paduan ini ditunjukkan dalam Gb.1.27. Solidifikasi dimulai pada T2 dan selesai di T5, zat padat yang dihasilkan menjadi fase tunggal homogen, larutan padat α. Pada larutan titik M adalah jenuh. Garis solvus FH, seperti yang dijelaskan sebelumnya, menunjukkan penurunan kelarutan B pada A dengan penurunan suhu. Sebagai paduan dingin, garis solvus dicapai pada titik N. Larutan α sekarang jenuh dalam B. Di bawah suhu ini, di bawah kondisi pendinginan lambat, pengaruh B harus keluar dari solusi. Karena A adalah larut dalam B, endapan tidak keluar sebagai logam murni B, melainkan larutan padat β. Pada suhu kamar, paduan akan terdiri sebagian besar α dengan sejumlah kecil pengaruh β, terutama di sepanjang batas butir (Gb.1.27). Mahasiswa harus menentukan jumlah kelebihan β dengan menerapkan aturan tuas ta yang HJ baris (Gb.1.23).
Gambar 1.27. Kurva pendinginan dan mikrostruktur pada variasi temperatur paduan 85A-15B
Jika fase β relatif rapuh, paduan tidak akan kuat atau ulet. Kekuatan paduan untuk sebagian besar ditentukan oleh fase yang berkelanjutan melalui paduan. Dalam hal ini, meskipun larutan β hanya sekitar 5% dari paduan, tetapi ada sebagai jaringan terus menerus di sepanjang batas butir. Oleh karena itu, paduan akan cenderung pecah di sepanjang batas-batas. Paduan ini, bagaimanapun, dapat dibuat untuk mengalami perubahan yang signifikan dalam kekuatan dan kekerasan setelah perlakuan panas dengan benar.
33
Diagram kesetimbangan timbal-antimon dan photomikro berbagai sistem paduan ini ditunjukkan pada Gb.1.28. Paduan 1 (Gb.1.28b), yang mengandung antimon 6, %, menggambarkan struktur hypoeutectic khas dendrit α primer (hitam) dan campuran eutektik mengisi ruang antara dendrit. Paduan 2 (Gambar1.28c), yang mengandung 11,5% antimon, seluruhnya terdiri dari campuran eutektik larutan padat α dan β. Di sebelah kanan komposisi eutektik, paduan terdiri dari β primer (putih) dikelilingi oleh campuran eutektik (Gb.1.28d) dan berbeda dalam jumlah relatif atau fase ini. Jumlah campuran eutektik menurun sebagai komposisi paduan bergerak menjauh dari komposisi eutektik.
Gambar 1.28. a). Diagram fasa Pb-Sb; b). paduan 6,5%Sb, 75x; c). paduan eutektik, 11,5%Sb, 250x; d). paduan 12,25%Sb, 250x
Diagram kesetimbangan timbal-timah dan photomikro berbagai sistem paduan ini ditunjukkan pada Gb.1.29. Paduan 1 (Gb.1.29b), yang mengandung 70% timah,
34
adalah komposisi eutektik. Mikrostruktur terdiri dari dendrit β primer (putih) dikelilingi oleh campuran eutektik. Paduan 2 (Gb.1.29c) adalah komposisi eutektik dan seluruhnya terdiri dari campuran larutan padat α dan β. Paduan 3 dan 4 (Gb.1.29d dan e), yang mengandung 60 dan 50% timah, masing-masing, terdiri dari dendrit l primer kaya timbal larutan padat α (hitam) dikelilingi oleh campuran eutektik, jumlah α meningkat sebagai komposisi paduan bergerak ke kiri. Perhatikan kesamaan photomicrographs yang ditunjukkan Gb.1.21, 1.28, dan 1.29.
Gambar 1.29. a). Diagram fasa Pb-Sn; b). Paduan 70%Sn; c). Paduan eutektik; d). Paduan 60%Sn; e). Paduan 50%Sn. Semua mikrostruktur pada pembesaran 200x.
35
1.13. Sifat Sistem Paduan Eutectic Gb.1.19 menunjukan hubungan linear antara konstituen muncul di mikro dan komposisi paduan untuk sistem eutektik. Hal ini sepertinya menunjukkan bahwa sifat fisik dan mekanik dari sistem eutektik juga harus variasi linier. Dalam praktek sebenarnya, perilaku ideal ini adalah jarang ditemukan. Sifat setiap paduan multifase tergantung pada karakteristik individu dari fase ini dan bagaimana didistribusikan dalam mikro. Hal ini terutama berlaku untuk sistem paduan eutektik. Kekuatan, kekerasan, dan keuletan terkait dengan ukuran, jumlah, distribusi, dan sifat-sifat kristal pada kedua fasa. Dalam komersialisasi sistem paduan eutektik menjadi penting, satu fasa relatif lunak dan plastik sedang fasa yang lain relatif keras dan rapuh. Komposisi eutectic ditunjukan dari sisi fasa-plastik, ini akan menambah kekuatan pada paduan tersebut. Mereka akan menurunkan kekuatan dibatasi komposisi eutektik disebabkan berkurangnya jumlah partikel-partikel kecil eutektik dan bertambahnya ukuran dan jumlah fasa proeutectic rapuh. Oleh karena itu, sistem semacam ini umumnya komposisi eutektik menunjukkan kekuatan maksimum. Hal ini diilustrasikan pada Gb.1.30, yang menunjukkan variasi kekuatan tarik dan perpanjangan untuk paduan aluminium-silikon tuang mengandung silikon sampai 14 %Si. Kekuatan tarik maksimum sangat dekat komposisi eutektik. Diagram fase aluminium-silikon diberikan pada Gb.1.20.
Gambar 1.30. Variasi jenis sifat-sifat paduan Al-Si sampai 14%Si Hal penting lainnya adalah sifat yang dihasilkan dari campuran yang paling mirip yang berlanjut yaitu, fase yang membentuk matriks di mana partikel dari fase lainnya tertanam. Campuran eutektik secara mikro selalu konstituen dan berkelanjutan, karena cairan terakhir untuk solidifikasi dan mengelilingi butiran primer. Umumnya
36
fase membentuk proporsi yang lebih besar dalam campuran eutektik menjadi fase kontinyu. Jika fasa ini plastik, seluruh rangkaian paduan akan menunjukkan plastisitas. Jika fase ini rapuh, seluruh rangkaian paduan menjadi relatif rapuh. Selain faktor di atas, peningkatan laju pendinginan selama pembekuan menghasilkan campuran eutektik, sebagian besar campuran eutektik, dan butiran utama yang lebih halus, yang pada akhirnya mempengaruhi sifat mekanik.
1.14. Jenis IV-Fasa Intermediate Lebur-Serempak Bila suatu fasa berubah masuk ke fasa lain secara isothermal (temperatur konstan) dan tanpa suatu perubahan dalam komposisi kimia, ini dikatakan perubahan fasa bersama atau transformasi bersama (congruent) semua logam murni membeku secara bersamaan. Didepan telah dicontohkan paduan lebur bersama seperti variasi diagram fasa jenis I. Paduan x dalam Gb.13a berangkat dari fasa liquid ke fasa solid tunggal pada temperatur konstan tanpa perubahan komposisi dan itu karena paduan lebur bersama. Fasa-fasa itu dinamai intermediate karena merupakan fasa tunggal yang terjadi diantara fasa-fasa terakhir pada diagram fasa. Jenis IV berhubungan dengan pembentukan fasa intermediate oleh lebur bersama, seraya jenis V akan ditutup fasa intermediate lebur tak bersama. Ada fasa intermediate yang diperlakukan sebagai komponen lain pada diagram fasa. Jika fasa intermediate mempunyai rentang komposisi yang sempit sebagai susunan intermetalic dan susunan sisipan, ini ditunjukan pada diagram sebagai garis vertikal dan dilabelkan dengan rumusan kimia campuran. Jika fasa intermediate berada diatas rentang komposisi, itu umumnya susunan kimia dan dilabelkan dengan huruf Greek.
Gambar 1.31. Komposisi dan titik lebur A murni, B murni, dan senyawa AnBm
37
Gb. 1.31, fasa paduan intermediate yang digambarkan sebagai garis vertikal. Susunan ini diindikasikan sebagai AmBn, yang mana m dan n indikasi jumlah susunan atom-atom kombinasi. Contoh, magnesium dan tin membentuk fasa intermediate yang mempunyai rumusan kimia Mg2Sn. Dalam kasus ini, Mg ekuivalen A, 2 ekuivalen m, tin ekuivalen B dan n ekuivalen 1. Disini ditunjukan sistem A-B pada Gb.1.31, merupakan dua bagian independent yang terpisah, satu menunjukan semua paduan antara A dan susunan AmBn dan yang lain menunjukan AmBn dan B. Porsi diagram antara A dan AmBn mungkin ada jjenis yang dipelajari dalam bab ini, sama untuk porsi antara AmBn dan B. Jika susunan menunjukan beberapa kelarutan satu sama lain, diagram kesetimbangan seperti Gb.1.32. Diagram ini menunjukan dua perbedaan campuran eutektik. Persamaan eutektik dapat ditulis sebagai berikut : Pada T1 liquid Pada T2 liquid
Pelajaran pada beberapa sistem aktual menunjukan pembentukan beberapa fasa intermediate lebur bersama disederhanakan dengan pendekatan diatas.
Gambar 1.32. Ilustrasi diagram fasa paduan intermediate dengan senyawa intermetalic
38
1.15. Jenis V-Reaksi Peritectic Dalam reaksi peritektik liquid dan solid bereaksi secara isothermal membentuk solid baru pada pendinginan. Secara umum reaksi ini digambarkan sebagai :
Pembentukan padat baru umumnya fasa intermediate (Gb.1.33) tetapi dalam beberapa kejadian mungkin akhir larutan padat (Gb.1.34).
Gambar 1.33. Pembentukan fasa intermediate pada lebur tak bersama dengan reaksi peritektik
Gambar 1.34. Pembentukan terminal larutan padat oleh reaksi peritektik pada Sistem paduan Ag-Pt
39
Kaitan Gb.1.33. menunjukan susunan AmBn, 70A-30B ketika dipanasi sampai temperatur peritectic, titik G, terursi masuk pada phase, liquid dan solid A. Oleh karena itu, ini merupakan contoh paduan intermediate lebur tak sama. Kenyataannya reaksi peritectic hanya kebalikan reaksi eutectic, dimana fasa tunggal membentuk dua fasa baru dalam pendinginan. Garis liquidus TADETB dan garis solidus TATPGJTETB. Garis reksi peritectic adalah TPD. Prehatikan hanya garis ini. Panjang TPG, bersamaan dengan garis solidus. Pendinginan lambat pada beberapa paduan akan kita pelajari. Paduan 1, 90A-10B, liquid sisa sampai garis liquidus dicapai pada T1. Pembekuan sekarang terjadi oleh pembentukan Kristal pada logam murni.Temperatur turun, liquid berkurang jumlahnya, dan komposisinya bergerak turun sepanjang garis liquidus. Kondisi diatas temperatur peritectic TP. Fasa Komposisi Jumlah relative
Liquid 60A-40B
Solid A 100A
Kondisi dibawah temperatur peritectic adalah : Fasa Komposisi Jumlah relative
AmBn 70A-30B
Solid A 100A
Pertama sekilas pada dua daerah terliahat indikasi liquid meninggalkan garis horizontal dan disini tersusun AmBn. Hubungan komposisi kimia menunjukan ketidakmungkinan. Liquid mengandung 60A, yang AmBn mengandunng 70A. Liquid tidak cukup kaya A untuk membentuk susunan dirinya. Liquid harus bereaksi dengan jumlah kanan solid A, dalam hal ini 8%, untuk membawa komposisi susunan AmBn. Reaksi yang terjadi pada temperature peritectic : Fasa
60A
Persamaan Jumlah relative
25%
100A
70 A 33%
Reaksi pada tempat ini sekeliling tiap butir pada solid A domana terisi liquid. Bila dikoreksi komposisi yang diperoleh, lapisan solidifikasi masuk sekeliling material AmBn
40
setaip butir A. Selanjutnya reaksi yang lambat harus ditunggu untuk difusi atom-atom masuk kedinding AmBn secara kontinyu (lihat Gb.1.35a). Bila difusi menyeluruh, semua paduan akan dimasuki, disini mencapai 67%A di kiri. Mikrostruktur akhir akan terlihat butiran utama A yang dikelilingi oleh susunan AmBn. Gb.1.35b. menunjukan mikrostruktur pada variasi temperature dalam pendinginan lambat pada paduan ini. Kisah yang sama untuk paduan lain sampai kiri titik B. Hanya perbedaan dalam jumlah akibat A tersisa setelah reaksi peritectic menyeluruh. Komposisi paduan merupakan susunan komposisi, mengurangi A utama yang tersisa.
a)
b)
Gambar 1.35. a). Skema reaksi peritektik, AnBm bertambah oleh difusi A dari dalam dan atom B dari luar. b). Mikrostruktur pada pendinginan lambat paduan 90A-10B
Paduan 2, 65A-35B, pembekuan logam murni bila garis liquidus memotong pembekuan kontinyu T2, cairan menjadi kaya dengan B. Bila titik H dicapai, komposisi liquid adalah 60A-40B. Aturan tuas untuk paduan ini adalah 35/40 x 100 atau 87,5% liquid dan 12,5% solid A. Garis GD bukan bagian garis solidus, beberapa liquid tersisa setelah reaksi ini. Itu karena solid A hilang dalam reaksi dengan beberapa liquid membentuk susunan AmBn. Reaksi yang sama ditempat ini diperoleh : Komposisi Reaksi
60A
100A
70A
41
Jumlah liquid masuk kedalam reaksi diatas ditentukan oleh penggunaan aturan tuas dibawah temperatur reaksi:
Semula adalan 87,5% liquid sebelum reaksi dan 50% liquid sesudah reaksi, ini tampak 37,5% liquid bereaksi dengan 12,5% solid A memberikan 50% susunan AmBn pada temperaatur peritectic. Dengan pendinginan kontinyu, liquid sekarang terpisah Kristal-kristal pada AmBn. Liquid menjadi kaya dengan B, dan komposisi itu secara tertutup bergerak turun dan mengarah sepanjang garis liquidus sampai mencapai titik E temperatur eutectic. Pada temperatur ini, ini hanya 5/50 x 100 atau 10% kiri liquid. Semula cairan mencapai titik eutectic, sekarang solidifikasi masuk campuran eutectic (An Bn + B). Gb.1.36. menunjukan kurva pendinginan dan perubahan pada mikrostruktur pada variasi titik dalam pendinginan lambat pada paduan salah satu sisi titik peritectic P dalam diagram kesetimbangan mengilustrasikan pembentukan akhir kelarutan padat oleh reaksi peritectic (Gb.1.34).
a)
b)
Gambar 1.36. a). Kurva pendinginan dan mikrostruktur pada variasi temperature selama pendinginan lambat. B). Mikrostruktur paduan 60Ag-40Pt cor. α primer (terang), dan β (gelap) pada pembesaran 100x
Reaksi peritektik digambarkan dalam kondisi ekuilibrium. Dalam prakteknya, kondisi ini jarang tercapai. Karena bentuk-bentuk fase baru di sekitar lingkaran fase primer, yang bertindak sebagai penghalang difusi yang sangat penting untuk melanjutkan reaksi (lihat Gb.1.35a). Sebagai lapisan fase baru menjadi lebih tebal, meningkatkan jarak
42
difusi, sehingga reaksi sering tidak lengkap. Contoh, diagram fase sistem paduan Ag-Pt, Gb.1.34, paduan Ag 60 persen harus menjadi fase tunggal β pada suhu kamar. Mikrostruktur cor, Gb.1.36b, adalah bukan fase tunggal. Daerah terang butir primer α dikelilingi oleh dua- daerah gelap dari β, menunjukkan bahwa reaksi peritektik tidak lengkap. Paduan peritektik biasanya campuran dua-fase, sifat mekaniknya dinyatakan mengikuti prinsip keadaan paduan eutektik dengan dua perbedaan: (1) fasa individu berbeda dari yang diperkirakan untuk kondisi ekuilibrium, dan (2) ukuran butir cor biasanya kasar.
1.16. Jenis VI- Dua Liquid Larut Sebagian dalam kondisi Liquid : Reaksi Monotectic Reaksi Monotektik. Semua jenis reaksi yang didiskusiksn didepan diasumsikan larut total dalam kondisi liquid. Itu sangat mungkin, tetapi, diatas rentang komposisi dua larutan liquid yang terbentuk tidak terlarut satu sama lain. Bentuk lain kelarutan yang dapat tercampur. Zat yang tak dapat larut satu sama lain, seperti minyak dan air, mereka dikatakan tidak dapat tercampur. Zat yang terlarut sebagian satu sama lain dikatakan mempunyai gap tidak larut seperti jenis VI. Diagram kesetimbangan jenis ini dapat dilihat dalam Gb.1.37. Garis liquidus TACFETB, dan garis solidus TATEJTB.. Paduan ini mempunyai komposisi antara titik C dan titik F pada temperatur diatas TM berisi dua larutan liquid, L1 dan L2. Garis CD dan FG menunjukan komposisi dua-fasa liquid dalam kesetimbangan satu sama lain pada temperatur tinggi. Umumnya, ditunjukan dengan garis putus-putus karena eksperimen pada temperature tinggi sulit. Garis ini cenderung saling berdekatan pada temperatur tinggi sehingga terjadi luasan tertutup dan larutan liquid homogeny. Daerah ini diperlakukan seperti beberapa daerah dua-fasa yang lain, dan aturan yang sama digunakan untuk menentukan komposisi kimia L1 dan L2 dan jumlah relatif yang lain pada beberapa temperatur. L1 merupakan larutan liquid B yang terlarut dalam A, yang mana L2 merupakan larutan liquid A yang terlarut dalam B. Selanjutnya ttudi pendinginan lambat dalam berbagai paduan. Paduan x mengandung 10% B merupakan larutan liquid fasa tuggal L1, dan sisanya sampai memotong garis liquidus pada X1. Solidifikasi pembentukan kristal logam murni A. Liquid menjadi kaya B, secara bertahap gerakan turun dan menuju kekanan sepanjang garis liquidus.
43
Bila paduan mencapai garis temperatur monolitik TM pada titik X2, Komposisi yang diberikan oleh titik C, adalah 80A-20B. Garis horizontal pada beberapa diagram fasa menunjukan reaksi yang terjadi ditempat ini. Apa reaksi yang terjadi ? Dibawa garis, dua fasa yang hadir adalah solid A dan L2. Sisi lain, terlihat L1 dipisahkan dan ditempat ini mempunyai L2. Komposisi L2 diberikan oleh titik F, adalah 40A-60B, yang mana L1 mempumyai komposisi 80A dan 20B. Selanjutnya L1 dipindahkan tidak membentuk L2. Ingat L1 adalah larutan liquid kaya A dimana L2 merupakan larutan liquid kaya B. Masalahnya adalah L1 terlalu kaya A. Selanjutnya apakah yang terjadi pada garis horizontal yang cukup presipitasi solid A dari L1 membawa komposisi kekanan membentuk L2.
Gambar 1.37. Diagram kesetimbangan hypoeutectic dua logam yang terlarut sebagian dalam kondisi cair : Reaksi monotektik.
Untuk pembuktian ini, kita dapat menerapkan Aturan II di atas dan di bawah garis horizontal TM. Di atas garis diperoleh 50% solid A (10/20 x 100) dan L1 50%. Di bawah garis, diperoleh 17% L2 (10/60 x 100) dan 83 diperoleh L2 17% dan 33% padat
44
A. 33%, ditambah 50%, memberikan total 83% solid A ditentukan oleh perhitungan. Reaksi ini diringkas sebagai berikut: Komposisi
80A
40A
Persamaan Jumlah reltive
50%
17%
100A 33%
Bila liquid membentuk liquid yang lain, ditambah solid pada suatu pendinginan, itu sebagai reaksi monotektik ; persamaan umum reaksi monotektik ditulis sebagai berikut :
Titik C sebagai titik monotectic yang menunjukan reaksi monotectic seperti reaksi eutectic, hanya berbeda satu produknya fasa liquid. Kembali ke titik-titik monotectic binary sistem logam yang letaknya dekat komposisi fasa solid, selanjutnya fasa solid predominan dalam reaksi. Dalam kasus ini, 33% solid A yang terbentuk dibanding dengan 17% L2. Masalah paduan eutectic kekiri titik C, seperti paduan x sebagai paduan hypomonotectic titik F adalah paduan hypermonotectic. Sekarang diskusi dilanjutkan dengan pendinginan lambat pada paduan x. Setelah reaksi montektik total dan temperatur turun mencapai TE, paduan mencapai x3 dan L3 mencapai titik E. Suhu dan komposisi yang tepat akan membentuk campuran eutektik Reaksi eutectic s ditempat ini, L2 membentuk campuran sangat halus pada padat A, ditambah padat B. Struktur akhir terdiri dari 87,5% butiran A utama yang dikelilingi oleh 12,5% campuran eutectic (A+B). Dua liquid paduan hypermonotectic, merupakan paduan pada komposisi diantara C dan F, diatas temperatur monotectic, yang dikenal berkaitan dengan struktur. Waktu yang cukup dua liquid akan berpindah dalam dua lapisan menghasilkan kerapatan, dengan lapisan ringan diatas. Hal ini sangat mungkin, namun, untuk memiliki dua cairan yang ada sebagai suatu emulsi dimana tetesan kecil dari satu cairan tetap tersuspensi dalam cairan lainnya. Sayangnya, pengetahuan tentang perilaku sehubungan dengan logam sangat terbatas pada saat ini. Kaitan pendinginan lambat paduan hypermonotectic Y 70A – 30B. Pada temperature tinggi, paduan ini akan tersusun fasa liquid homogen L1 tunggal. Pada pendinginan, batas ketidak larutan liquid adalah perpotongan Y dan kedua L2 kemungkinan ditunjukan pada permukaan pembatas bejana dan pada titik-titik celupan liquid. Komposisi L2 kemungkinan diperoleh dengan menarik garis tie didaerah dua fasa dan menggu-
45
nakan aturan I. selanjutnya temperatur turun, jumlah L2 bertambah, selanjutnya diatas temperatur monotectic, pada temperatur Y2, jumlah L2 menjadi sama sampai 10/40 x 100 atau 25%. Kondisi yang menguntungkan ini, liquid ini akan memisahkan lapisan dalam crucible atau cetakan. Bagian campuran yang tersusun pada L1 sekarang bereaksi menghasilkan persamaan monotectic membentuk L2 + solid A lebih banyak. Dengan pendinginan kontinyu, lebih banyak solid A yang terbentuk dari L2, komposisi ini menjadi kaya B, sampai tempertur eutectic mencapai titik Y2. Pada suhu itu, L2 yang tersisa (37,5%) mengalami reaksi eutektik dan membeku menjadi campuran A+B yang sangat halus.
Gambar 1.38. Diagram kesetimbangan Cu-Pb
Contoh paduan reaksi monotectic adalah antara tembaga dan timbal seperti dalam Gb.1.38. Perhatikan kejadian ini L1 + L2 merupakan daerah tertutup. Juga, meskipun terminal solid menunjukan α dan β, kelarutan actual menjadi kecil dan secara praktis logam murni, tembaga dan timbal.
46
1.17. Jenis VII- Dua Logam Tak-Larut dalam Kondisi Cair dan Padat Ini merupakan studi menyeluruh diagram fasa dasar yang meliputi keadaan liquid dan solid. Jika titik C dan F dalam Gb.1.37. digerakan dalam arah yang berlawanan, mereka akan secepatnya menggerakan sumbu diagram seperti dalam Gb.1.39a. Diperoleh beberapa kombinasi logam yang secara praktis tidak larut satu sama lainnya. Bila didinginkan, dua logam nampak terlarut pada titik pembekuan masing-masing tampak jelas dua lapis dengan garis-garis terang pada kontak dan umumnya bukan difusi. Sistem paduan tertutup pada jenis ini adalah diantara aluminium dan timbal dalam Gb.1.39b. Perhatikan daerah liquid dua fasa sampai masuk memotong diagram. Kondisi ini berkaitan dengan batas reaksi monotectic dan reaksi eutectic. Diatas horizontal menunjukan reaksi monotectic dalam titik monotectic yang sangat tertutup terhadap komposisi dan tttik lebur aluminium murni. Garis horizontal bawah menunjukan reaksi eutectic yang titik eutectic secara praktis bersamaan dengan komposisi dan titik lebur timbal murni.
a)
b)
Gambar 1.39. a). Diagram kesetimbangan hypotactic dua logam tak larut dalam kondisi liquid dan solid, b). Paduan Al-Pb
1.18. Keterkaitan jenis-jenis Dasar Sudah didiskusikan variasi jenis diagram kesetimbangan yang dikombinasi dengan beberapa cara untuk membuat diagram aktual. Ini sangat penting mengetahui keterkaitan antara jenis dasar untuk mempelajari diagram komplek. Tiga jenis yang berbeda dengan kelarutan solid. Dimulai dengan system ketidaklarutan total jenis II (Gb.1.40a.),
47
jika titik kedua berakhir pada garis eutektik ( F dan G) yang masing-masing bergerak mengarah menuju kelarutan lebih besar dalam kondisi solid, ini menghasilkan diagram jenis III, larut sebagian dalam kondisi solid (Gb.1.40b). Jika bergerak bersama sampai komposisi eutektiknya sama di E, menghasilkan sistem kelarutan total (Gb.1.40c). Jenis IV dan V ditentukan dengan fasa intermediate. Jika pemanasan mengurai fasa ini (lebur tidak sebagian) diagram menunjukan reaksi peritectic. Titik peleburan fasa intermediate aktual (lebur sebagian) diagram menunjukan reaksi eutektik.
Gambar 1.40. Keterkaitan diagram fasa sebagai kelarutan dalam variasi keadaan padat
Transformasi keadaan solid Transformasi adalah berbagai perubahan kesetimbangan dan reaksi yang terjadi secara total dalam keadaan solid.
48
1.19. Allotropy Beberapa logam mungkin mempunyai lebih dari satu jenis struktur kristal yang tergantung pada temperaturnya. Besi, tin, manganese, dan cobalt adalah contoh-contoh perilaku allotropy. Pada diagram kesetimbangan, perubahan allotropy diindikasikan dengan titik atau titik-titik garis vertical yang menunjukan logam murni. Gb. 1.41a. mengilustrasikan allotropy, dalam diagram ini, bidang larutan padat–gamma merupakan “looped“. Logam murni A dan paduan kaya A mengalami transformasi. Beberapa diagram fasa iron seperti Fe – Si, Fe – Mo, dan Fe - Cr memperlihatkan loopped daerah larutan padat. Jenis besi berada dalam rentang temperatur besi gamma, daerah yang disebut loop gamma.
a)
b) Gambar 1.41. Perubahan allotropic, a). Diagram fasa hypothectic, b). Diagram fasa Fe-Ni
Beberapa system paduan iron, loop gamma tidak tertutup. Ini digambarkan oleh diagram fasa dalam Gb.1.41b. Diagram ini memperlihatkan titik pembekuan iron murni 1539oC membentuk larutan padat δ, yang mempunyai kubus pusat ruang (KPR). Larutan padat γ mempunyai kubus pusat muka (KPM) yang terbentuk oleh reaksi peritectic pada 1512oC. Perhatikan besi murni mengalami perubahan allotropy dari struktur kristal δ (KPR) ke struktur kristal γ (KPM) pada temperatur 1400oC tetapi untuk paduan perubahan ini dimulai pada temperatur tinggi. Perubahan allotropy terakhir pada 910oC membentuk struktur kristal α (KPR).
49
1.20. Transformasi Orde-Disorder Pembentukan jenis substitusi atom larutan padat yang terlarut tidak menempati posisi spesifik tetapi terdistribusi secara random dalam struktur kisi terlarut. Paduan ini dikatakan kondisi “disordered”. Beberapa larutan padat acak, jika didinginkan secara lambat, mengalami penataan atom-atom. Dimana atom terlarut bergerak masuk keposisi terkecil kisi. Struktur ini sekarang disebut larutan padat ordered atau superkisi (superlattice) seperti Gb.1.42. Ordering umumnya dalam logam yang dapat larut total dalam kondisi solid, jumlah maksimum ordering dalam perbandingan atomic sederhana dua elemen. Contoh, rumusan kimia fasa ordered diberikan, seperti AuCu dan AuCu3 dalam system paduan gold- copper. Diagram fasa larutan ordered kebanyakan dirancang sebagai α’, β’ dan seterusnya. Atau α’, α’’ dan seterusnya dan daerah ini kebanyakan terikat oleh garis putus-putus. Diagram fasa aktual sistem Au–Cu seperti dalam Gb.1.43.
Gambar 1.42. Tatanan atom dalam larutan padat disordered dan ordered
Bila fasa ordered mempunyai struktur yang sama sebagai fasa disordered, pengaruh ordering pada sifat-sifat mekanik dapat diabaikan. Gabungan pengerasan dengan proses ordering kebanyakan dalam sistem bentuk unit sel yang berubah oleh odering. Perhatikan struktur yang terbentuk sebagai hasil ordering menghasilkan perubahan sifat penting, biasanya tidak ada pengerasan hanya tahanan electric (Gb.1.44a.). Amati bentuk pengurangan tahanan elektrik pada komposisi yang berkaitan fasa ordered AuCu3 dan AuCu. Dalam diagram fasa Au–Cu tidak ada daerah dua–fasa antara larutan disordered dan ordered. Dalam baberapa kejadian daerah dua–fasa antara larutan padat ordered dan disordered. Kebanyakan gabungan ini membentuk struktur kristal yang berbeda dari fasa disordered yang terbentuk. Ini diilustrasikan oleh sistem paduan Cu–Pd
50
seperti dalam Gb.1.44b. Diagram ini menunjukan tiga-fasa ordered : α’, α’’, dan β. Copper dan palladium keduanya KPM dan larutan ordered α’ dan α’’ adalah KPM tetapi β adalah KPR dan menunjukan daerah dua-fasa pada tiap sisi.
Gambar 1.43. Diagram fasa Au-Cu
a)
b) Gambar 1.44. a). Tahanan elektrik vs komposisi untuk paduan Au-Cu, b). Paduan Cu-Pd
1.21. Reaksi Eutectoid Reaksi ini terjadi dalam kondisi solid, sama seperti reaksi eutectic tetapi tidak melibatkan liquid. Dalam kejadian ini, transformasi fasa solid karena pendinginan menghasilkan dua-fasa padat baru. Persamaan umumnya adalah :
51
Gabungan campuran eutectoid sangat kecil, menyerupai campuran eutectic. Dibawah mikroskop kedua campuran tampak sama, dan secara mikroskopik tidak menentukan campuran yang dihasilkan oleh reaksi eutectic atau reaksi eutectoid. Ilustrasi diagram fasa reaksi eutectoid dapat dilihat dalam Gb.1.45.
Gambar 1.45. Diagram fasa reaksi eutectoid
TAETB dan TAFGTB masing-masing merupakan garis liquidus dan garis solidus. Campuran eutectic merupakan susunan fasa yang terjadi pada kedua garis akhir temperatur eutectic, yang dinamai larutan padat γ (titik F) dan larutan padat β (titik G). Titik M menunjukan perubahan allotropy logam murni A. Pentingnya garis volvus MN, sebagai komposisi paduan dengan B meningkat, temperatur dimana terjadi perubahan allotropy turun, mencapai minimum pada titik N. Garis solvus FN menunjukan b kelarutan B turun dalam γ yang mana temperatur turun. Titik N diketahui sebagai titik eutectic. Disini komposisi sebagai komposisi eutectoid, dan garis OP merupakan garis tempera-
52
tur eutectoid. Seperti diagram eutectic. Praktisnya semua paduan disebelah kiri dan kanan titik N disebut hypoeutectoid dan hypereutectoid. Paduan hypoeutectoid 1 didinginakan lambat, larutan padat γ terbentuk ketika garis liquidus memotong di X. Kebanyakan γ terbentuk sampai garis liquidus memotong pada X2. Sisanya larutan padat uniform sampai garis solidus memotong di X3. Logam murni A sekarang mengalami perubahan allotropy, membentuk larutan padat α. Perhatikan larutan padat α yang terlarut turun pada B dari pada larutan padat γ. Beberapa atom atom B terlarut dalam daerah akan mengalami perubahan allotropy sekarang berdifusi keluar daerah. Bila difusinya atom B cukup, atom-atom A yang tersisa sementara kembali masuk ke struktur kristal baru, membentuk larutan padat α. Akibat atom B yang larut didalam sisa larutan γ, yang kaya B temperaturnya turun. Komposisi γ sisa secara bertahap bergerak turun dan mengarah kekanan sepanjang garis solvus MN. Bila paduan mencapai temperatur eutectoid X4, γ yang tersisa sekarang mencapai titik N. Kebutuhan garis eutectoid pada temperatur ini merupakan akhir perubahan struktur kristal dimulai pada X3, dan yang tersisa sekarang bertransformasi dengan reaksi eutectoid, membentuk lapisan pengatur pada α dan β dalam campuran yang sangat lembut. Reaksinya ditulis :
Mikrostruktur pada temperatur ruang terdiri α utama atau α proeutectoid yang terbentuk antara X3 dan X4, dikelilingi oleh campuran campuran eutectoid α + β. Ini dapat dilihat pada Gb.1.46a. Gambar kurva pendinginan untuk paduan dari diagram fasa, itu sangat penting untuk garis yang memotong diagram fasa. Bila garis horizontal memotong diagram fasa, mengindikasikan reaksi dan menunjukan kurva pendinginan sebagai garis horizontal. Kurva pendinginan paduan seperti terlihat pada Gb.1.46b. Sebagai latihan, uraikan pendinginan lambat pada paduan hypereutectoid 2 dan 3 di sebelah kiri.
53
b)
a)
Gambar 1.46. Pendinginan lambat, a). Mikrostruktur paduan hypoeutectoid, paduan 1 pada Gb.1.45. b). Kurva pendinginan paduan 1 pada Gb.1.45.
1.22. Diagram Komplek Secara umum reaksi peritectioid ditulis :
Umumnya easa solid baru adalah paduan intermediate, tetapi mungkin juga berupa larutan padat. Reaksi peritectoid sama seperti reaksi peritectic sebagaimana eutectoid dengan eutectic. Intinya, penempatan liquid oleh solid. Diagram fasa dua hypothectic diilustrasikan reaksi peritectoid seperti dalam Gb.1.47a. dan 1.47b. Gb.1.47a. reaksi dua-fasa solid α dan β pada garis temperatur peritectoid EF membentuk fasa intermediate γ. Persamaannya ditulis :
54
Gb.1.47b. fasa dua solid, logam murni A dan larutan padat P, reasi pada garis temperatur peritectoid CD membentuk fasa solid baru, pertemuan larutan padat γ. Persamaannya ditulis :
a)
b)
Gambar 1.47. Diagram fasa. a). Pembentukan fasa intermediate γ oleh reaksi peritectoid, b). Pembentukan terminal larutan padat γ oleh reaksi peritectoid.
Dapat disimpulkan bahwa mikrostruktur reaksi peritectic pada paduan sesungguhnya menunjukan transformasi total (Gb.1.36b.). Ini karena difusi yang terjadi pada fasa baru diperlukan untuk mencapai kesetimbangan. Semula reaksi peritectoid terjadi secara total dalam kondisi padat dan pada umumnya pada temperatur rendah dari reaksi peritectic, laju difusi menjadi lambat dan ini kehilangan struktur kesetimbangan. Gb.1.48, menunjukan bagian diagram Ag-Al dengan reaksi peritektoidnya. Jika paduan Aluminium 7% dengan cepat digunakan dari daerah dua-fasa hanya diatas temperatur peritectoid, duafasa akan tersisa, dan mikrostrukturnya terlihat matrik γ dengan beberapa partikel α (Gb.1.49a). Jika paduan yang sama didinginkan secara lambat dibawah temperatur peritectoid dan dipertahankan selama 20 menit sebelum didinginkan cepat, beberapa transformasi akan terjadi pada tempat ini. Mikrostruktur, Gb.1.49b. menunjukan beberapa γ bertransformasi ke fasa baru β, banyak α original yang tertinggal. Diagram fasa hanya mengindikasikan fasa–tunggal β, selanjutnya kesetimbangan sesungguhnya tidak terca-
55
pai. Kejadian setelah holding 2 jam di bawah temperatur peritectoid struktur fasa– tunggal tetap tidak dihasilkan (Gb.1.49c).
Gambar 1.48. Porsi pada diagram fasa Ag-Al
Gambar 1.49. A). Paduan peritectoid Ag-7Al, stabilisasi heat treatment panjang diatas suhu peritectoid dan quenching. “Kepulauan” merupakan fasa γ melekat dalam matrik γ. B). Sama seperti a), didinginkan sampai suhu dibawah peritectoid selama 20 menit sebelum di quenching. Banyak warna-terang γ yang bertransformasi ke warna gelap β tanpa banyyak mempengaruhi kepulauan γ. C). Sama seperti a), didinginkan sampai suhu dibawah peritectoid dan di tahan 2 jam sebelum quenching. Matrik gelap adalah β, luasan terang sisa a yang tidak terlarut oleh β. Semua mikrostruktur dengan pembesaran 150x.
Kesamaannya tampak pada kedua persamaan umum dan diagram kesetimbangan, untuk reaksi-reaksi: monotectic, eutectic, dan eutectoid dan reaksi peritectic dan peritectoid seperti dalam Tabel 1.2. Reaksi-reaksi ini tidak berarti satu-satunya yang terjadi pada diagram kesetimbangan. Namun, reaksi ini yang paling umum, dan mahasiswa harus akrab dengan reaksi-reaksi tersebut.
56
Tabel 1.2. Reaksi diagram fasa Nama Reaksi
Persamaan Umum
Tampil pada Diagram
Diagram komplek. Beberapa sistem paduan mempunyai lebih dari satu jenis reaksi dan umumnya lebih komplek dari jenis sederhana. Tetapi, umumnya diagram komplek menunjukan reaksi utama dan diagram fasa komplek dalam table dapat dipahami ; mengerti peranan ; semua titik, garis, dan luasan ; menentukan variasi reaksi yang terjadi pada garis-garis horizontal, dan menjelaskan pendinginan lambat dan mikrostrutur beberapa paduan pada diagram fasa binary. Dalam aplikasi beberapa prinsip dalam bab ini sekarang menjadi ilustrasi untuk diagram fasa komplek seperti sitem paduan Cobalt-Tungsten pada Gb.1.50. Titik pembekuan Cobalt terlihat di sumbu kiri 1495oC. Titik lebur Tungsten 3410oC digambar dengan 2 garis putus-putus disebelah kanan bertemu dan diatas rentang temperatur. Semua daerah dua-fasa terlihat oleh fasa-tunggal pada salah satu garis horizontal, itu penting sebagai label pertama pada daerah fasa-tunggal. Garis diatas diagram fasa merupakan garis liquidus, selanjutnya diatas garis liquidus larutan liquid homogen tunggal yang diindikasikan dengan L. Pada sebelah kiri, dari titik beku Cobalt, ini sangat kecil bentuk luasannya seperti cerutu, yang menyerupai garis I. Oleh karena itu larutan padat pasti terbentuk dibawah luasan ini. Larutan padat yang diberi label β. Suatu daerah β sudah dilabelkan, perbandingan antara garis sangat kecil yang dilabelkan
57
sebagai β + L. Daerah berikutnya adalah perbandingan diagram yang tampak seperti jenis I dan menunjukan maksimum pada 1500oC. Luasan diantara titik-titik 35, 45, dan 1500oC juga menjadi β+L. Sepanjang sumbu kanan, garis putus-putus menunjukan luas larutan padat kecil yang dilebelkan dengan Epsilon, Є. Garis horizontal pertama pada 1690oC dilabelkan sebagai L+Є. Garis horizontal pertama pada 1690oC. Diatas garis ini adalah L+Є. Dibawah tampak larutan padat baru S. Ini harus diyakini bahwa sebagai reaksi peritectic. Setelah daerah S dilabelkan, luas di sebelah kanan dilabelkan S+Є. Luas sebelah kiri daerah S diatas 1465oC sekarang dilabelkan dengan L+S. Luasan antara 1100oC dan 1465oC juga dilabelkan dengan β+S. Ini di akui sebagai titik eutectic pada 45% W dan 1465oC. Diatas larutan cair dan dibawah dua solid β dan S. Pada 1100oC garis horizontal yang lain dan oleh karena reaksi lain. Diatas garis dua solid S dan β.
Gambar 1.50. Sistem paduan Cobalt-Tungsten Dibawah garis tampak fasa baru, fasa intermediate yang dilabelkan γ. Ini merupakan reaksi peritectoid. Daerah γ yang sudah dilabelkan menjadi γ + S dan luas sebelah kiri β+γ. Jika titik A pada garis vertikal menunjukan Cobalt pasti berupa allotropic. Dibawah titik A dengan larutan tungsten sangat kecil dalam cobalt. Luasan larutan padat
58
yang terlalu kecil ditunjukan pada diagram, tetapi diindikasikan sebagai α. Segitiga AB3 sekarang dilabelkan sebagai α+β, meskipun itu tidak dilabelkan dalam diagram. Garis horizontal putus-putus pada 350oC menunjukan reaksi lain. Ini merupakan reaksi eutectoid pada 3% W dan 350oC. Diatas garis adalah dua larutan padat α+γ. Sekarang semua diagram sudah dilabelkan. Intermediate paduan dua-fasa terlihat pada diagram, γ dan δ. Rentang komposisi tidak begitu besar, dan inetrmediate umumnya menyerupai susunan intermetalic. Fasa γ tampak berhubungan terhadap rumusan Co7W2 dan fasa δ terhadap rumusan CoW. Fakta lain yang signifikan dari diagram adalah perbedaan kelarutan tungsten yang besar dalam di kobalt tergantung pada jenis struktur kristalnya. Dalam larutan padat β, cobalt berbentuk fcc, kelarutan maksimum tungsten dalam cobalt 35% pada 14650C. Tetapi, perubahan Allotropy sudah terjadi dan cobalt menjadi close– packed hexogonal dibawah titik A, kelarutan tungsten dalam cobalt umumnya diabaikan. Reaksi dan persamaan spesifik yang terjadi dalam tiap garis horizontal pada diagram ini dapat dilihat dalam Tabel 1.3.
Tabel 1.3. Reaksi dan pers. Pesifik pada tiap garis horizontal Suhu Reaksi
Persamaan
