Diagram Fasa

BAB V DIAGRAM DIAGRAM FASE

ISTILAH-ISTILAH ●

Komponen : adala adalah h logam logam murni murni atau atau senya senyawa wa yang yang menyu menyusun sun suatu suatu logam logam paduan. Contoh : Cu - Zn (perunggu), komponennya adalah Cu dan Zn

●

Solid solution (larutan padat) : terdiri dari beberapa atom, minimal dua atom yang berbeda, atom terlarut menempati posisi substitusi atau interstisi pada kisi pelarut dan struktur kristal mengikuti struktur kristal pelarut.

●

Batas kelarutan (solubility limit). Suatu logam paduan paduan akan mempunyai mempunyai maksimum maksimum konsentrasi konsentrasi dari atom terlarut terlarut yang akan larut pada pelarut. ika atom terlarut konsentrasinya melampaui batas kelarutan maka sebagian atom tersebut tersebut tidak tidak akan terlarut terlarut lagi. lagi. !ntuk !ntuk menggamb menggambarkan arkan keadaan keadaan ini bisa dilihat dilihat "ontoh larutan air gula. ika gula yang di"ampur terlalu banyak maka gula tersebut tidak akan larut lagi (lihat gra#ik $.%).

●

&ase: &ase dide#inisikan sebagai sistem yang homogen yang mempunyai si#at kimia dan si#at #isika yang seragam'uni#orm. seragam'uni#orm. Satu #ase : "ontohnya logam murni, padatan, "airan.

ebi ebih h % #as #ase e

: "ont "ontoh ohny nya a lar larut utan an airair-gu gula la deng dengan an gula gula (lar (larut utan an airair-gu gula la yang yang melampaui batas kelarutan).

Sistem #ase tunggal → homogen Sistem  atau lebih #ase → "ampuran atau sistem heterogen. ●

Struktur mikro : Si#at-si#a Si#at-si#att #isik suatu bahan bahan seperti seperti si#at mekanik tergantung tergantung dari struktur mikro. Struktur Struktur mikro mikro diketahui diketahui dengan dengan obser*as obser*asii mikrosko mikroskopik pik mengguna menggunakan kan mikrosko mikroskop p optik atau mikroskop elektron. +ada logam paduan, penggolongan struktur mikro berdasarkan berapa umlah #ase, proporsinya dan bagaimana susunannya didalam bahan. Struktur Struktur mikro mikro bergantu bergantung ng kepada kepada umlah umlah elemen elemen paduan, paduan, konsentra konsentrasiny sinya a dan perlakuan panasnya (temperatur, lamanya pemanasan, lau pendinginan). pendinginan).

●

Kesetimbangan Kesetimbangan #ase Keseti Kesetimb mbang angan an : ika ika sebua sebuah h siste sistem m mempu mempuny nyai ai energ energii bebas bebas minimu minimum m pada pada temperatur, tekanan dan komposisi tertentu → tidak teradi perubahan kondisi akin tinggi energi bebas → gerak atom pada bahan makin a"ak dan tidak teratur. Se"ara makro : si#at-si#at sistem tidak t idak berubah terhadap waktu → stabil Kesetimbangan #ase : adalah kesetimbangan pada sistem yang terdiri lebih dari % #ase. asing-masing #ase tidak mengalami perubahan.

DIAGRAM KESETIMBANGAN FASE. Banya Banyak k in#or in#ormas masii tentan tentang g pengon pengontro trola lan n struk struktur tur mikro mikro pada pada paduan paduan logam logam tertentu tertentu lebih memudahk memudahkan an ika digambar digambar dalam bentuk bentuk diagram yaitu yaitu

diagram diagram #ase

atau diagram kesetimbangan. Banya Banyak k perub perubah ahan an strukt struktur ur mikro mikro tera teradi di pada pada saat saat trans trans#or #ormas masii #ase #ase yaitu yaitu perub perubah ahan an yang yang terad teradii dianta diantara ra dua dua #ase #ase atau atau lebih lebih karen karena a temper temperat atur ur berub berubah ah.. ealanya bisa berupa transisi dari satu #ase ke #ase lain atau terbentuk #ase baru atau hilangnya hilangnya sebuah #ase. /iagram kesetimbangan kesetimbangan #ase menggambarkan menggambarkan hubungan antara temperatur dan komposisi dan kuantitas #ase-#ase pada kesetimbangan. kesetimbangan. +aduan biner : (binary alloy) adalah paduan yang terdiri dari dua komponen ("ontoh : Cu 0 1i) /iagram #ase paduan biner Cu 0 1i bisa dilihat pada gambar $.. Sumbu y

: temperatur

Sumb Sumbu u2

: komp kompos osis isii pad padua uan n (dal (dalam am 3 bera beratt 0 baw bawah ah,, dala dalam m 3 ato atom m 0 ata atas) s)..

4 daerah pada kur*a

: - α (#ase α) → struktur #"" -  (#ase "air)

Asyari Daryus - Material Teknik Teknik Mesin, Universitas Darma Persada - Jakarta

51

- α 5  (#ase α 5 "air). &ase α adalah solid solution 1i 0 Cu → substitusi Solid solution 1i 0 Cu

: - 1i dan Cu sama 0 sama mempunyai struktur &CC. - ari 0ari atom yang hampir sama. - elektro-negati# yang hampir sama. - *alensi yang sama.

•

aris li6uidus

: garis antara l dan α 5 .

•

aris solidus

: garis antara α dan α 5 .

+ada sistem biner, ika diketahui komposisi dan temperatur kesetimbangan, 4 in#ormasi yang diperoleh : %. &ase paduan . Komposisi #ase 4. +ersen atau #raksi #ase.

Mencari komposisi fase paa aera! " fase # - titik B pada gb. $. : ( 47 wt3 1i 0 87 wt3 Cu pada %79 9 C) %. arik garis horisontal melalui B (;tie line<) . andai perpotongan garis dengan kur*a di kedua garis 4. arik garis tegak lurus pada perpotongan kur*a terhadap sumbu 2, komposisi paduan bisa didapat. - +erpotongan dengan garis li6uidus C  : 4%,7 wt3 1i 0 8=,7 wt3 Cu (gambar $.b) - +erpotongan dengan garis solidus C α : >,7 wt3 1i 0 7?,7 wt3 Cu

Mencari persen a$a% fraksi fase

•

+ada daerah % #ase

: titik @ pada gb. $.b

→ %99 3 α. •

+ada daerah  #ase

:

titik B pada gb $.b :

/igunakan garis horisontal (tie line) dan prosedur le*er rule (hukum tuas). +rosedurnya hukum tuas sbb: %. arik garis horisontal pada temperatur yang diketahui (titik B) (garis tie line). . /iperoleh komposisi alloi keseluruhan, Co. 3. &raksi sebuah #ase dihitung dengan mengambil panang dari komposisi alloi

keseluruhan, Co kebatas #ase yang lainnya dan dibagi dengan panang total tie line (panang C - Cα). >. &raksi #ase yang lain dilakukan dengan "ara yang sama.


52

7. ika diinginkan dalam persen, #raksi dikali %99. ika komposisi dalam 3 berat, maka #raksi adalah #raksi massa (berat).

W L = S R  S

W L = Cα - Co C α - C L

W L

A #raksi berat #ase L

C α

A komposisi #ase α


53

C L

A komposisi #ase L

Co

A komposisi keseluruhan

Sebagai "ontoh, lihat gambar $..

W L =

42,5 −35 = 0,68 42,5 − 31,5

/engan "ara yang sama untuk #ase α

W

R R S

=



=

=

C 0 −C L C  −C L

35− 31,5 = 0,32 42,5− 31,5

&ERKEMBANGAN STR'KT'R MIKR( +ada gambar $.4 diperlihatkan diagram #ase Cu 0 1i, ika pendinginan teradi sangat lambat dari #ase  ke #ase α untuk bahan 47 wt3 1i 0 87 wt3 Cu dari temperatur %499 9

C maka teradi :

K

a A #ase  &ase α

: 47 t3 1i. : -

b A &ase 

: 47 t3 1i.

&ase α

: >$ t3 1i.

" A &ase  : 49 t3 1i. &ase α : >4 t3 1i. d A &ase  : 4 t3 1i. &ase α : 47 t3 1i. e A &ase  : 47 t3 1i.


54

ika pendinginan teradi lebih "epat maka teradi segregasi yaitu distribusi yang tidak merata yang teradi di dalam butir. +ada pusat butir yang pertama membeku akan kaya oleh bahan yang mempunyai titik leleh tinggi, bahan yang mempunyai titik leleh rendah akan naik manauhi pusat butir. adi teradi gradien konsentrasi pada butir (gb. $.>). &enomena ini disebut ; "ored stru"ture<. Kelemahan ;"ored stru"ture< : - ika dipadatkan, akan "epat meleleh. - mengurangi kekuatan mekanik pada temperatur tinggi.

Komposisi bahan akan mempengaruhi kekuatan tarik dan keuletan bahan tersebut (gb. $.7).


55

SISTEM E'TE)TI) BINER # Deaksi eute"ti"

: phase li6uid berubah menadi dua #ase padat pada proses pendinginan.

 (CE)

α (CαE) 5 β (CβE).

/iagram #ase untuk reaksi eute"ti" adalah paduan Cu 0 @g. (gb. $.8). +ada diagram #ase Cu 0 @g terdapat tiga daerah  #ase yaitu : α 5 , β 5 , α 5 β

α adalah #ase kaya Cu. β adalah #ase kaya @g. Asyari Daryus - Material Teknik Teknik Mesin, Universitas Darma Persada - Jakarta

56

itik E : titik eute"ti".

&ERKEMBANGAN STR'KT'R MIKR( &ADA &AD'AN E'TE)TI). +erubahan mikro struktur untuk bahan +b 0 Sn bisa dilihat pada gb. $.$, $.%9, $.%%. +ada gambar $.$ adalah terbentuknya #ase tunggal α pada pendinginan dari temperatur 479 9C,  wt3 Sn s'd 9 9C. +ada gambar $.%9 adalah terbentuknya #ase α 5 β pada proses pendinginan pada titik eutektoid.


57


58

+ada pendinginan melewati temperatur eutekti" (b. $.%%), struktur mikro yang terbentuk adalah struktur yang berbentuk lapisan atau lamellae (lapisan), struktur seperti ini disebut struktur eute"ti". +ada pendinginan pada komposisi antara α dan titik eute"ti" akan terbentuk eute"ti" α, primary α, β. (gb. $.%>)


59


60

REAKSI E'TE)T(ID DAN &ERITE)TI) Deaksi eute"toid yaitu reaksi dimana teradi perubahan #ase padat menadi  #ase padat lainnya pada proses pendinginan atau sebaliknya. Contoh : pd  A 77= 9C ?7 t3 Zn 0 7 t3 Cu.

δ

"ooling

γ 5 ε

heating

Deaksi perite"ti" yaitu pada proses pemanasan, satu #ase padat berubah menadi % #ase padat dan % #ase "air. Contoh : pd  A 7$= 9C ?=,8 t3 Zn 0 %,> t3 Cu.

δ 5 

"ooling

ε

heating


61


62

TRANSF(RMASI FASE K(NGR'EN*SEBANG'N rans#ormasi #ase "ongruent adalah trans#ormasi #ase dimana tidak teradi perubahan komposisi awannya trans#ormasi #ase in"ongruent → teradi perubahan komposisi. Contoh trans#ormasi #ase "ongruent itik  pada b. $.%=.

H'K'M FASE GIBBS Konstruksi

diagram

#ase

dan

kondisi

kesetimbangan

#ase

mengikuti

hukum

termodinamika. .w. gibbs memberikan #ormula yang disebut hukum #ase gibbs :

P A umlah #ase P  ! = C  "

! A deraat kebebasan C A umlah komponen sistem " A umlah *aribel non 0 komposisi.

isal

: sistem Cu 0 @g (b. $.8) ekanan konstan

" = 1 (hanya temperatur *ariabel non komposisi) P  ! = 2+1 =3

! = 3 – P ika #ase A #ase tunggal ( α atau β atau )

P = 1 ! = 3 – 1 = 2 ! = 2 @rtinya bahwa menerangkan karakteristik paduan mempunyai #ase tunggal, kita harus menentukan  parameter yaitu komposisi dan temperatur.

SISTEM BESI KARB(N Besi dengan "ampuran karbon adalah bahan yang paling banyak digunakan.

DIAGRAM FASA BESI + BESI )ARBIDA ,Fe + Fe) /iagram #asa besi 0 besi "arbida bisa dilihat pada gambar $..


63

/iagram #asa besi 0 karbida dibatasi sampai komposisi karbon 8,? 3wt. /iatas 8,? wt3 bahan digolongkan kedalam bahan gra#it.

: pada temperatur ruang disebut #erit atau besi α yang

- besi murni

mempunyai struktur kristal BCC. &erit akan berubah menadi austenit atau besi γ pada temperatur $% 9C(%8?> 9C) dengan struktur kristal &CC. +ada temperatur %74=

9

C (=99

9

&) austenite akan

berubah menadi besi #erit δ dan struktur kristal BCC. - baa dan besi tuang adalah besi yang mempunyai kadar karbon ke"il dari 8,? wt3. +ada 8,?wt3 terdapat kandungan &e4C sebesar %99 3wt, sehingga kandungan karbon 8,? wt3 disebut uga mempunyai kandungan %99 wt3 &e 4C ("ementite). - besi α (#erit)

:

komposisi maksimum C adalah 9,9 wt3 pada ?? 9C (%4>% 9&). si#at bahan : - lunak - bisa dibuat magnet pada temperatur dibawah ?8= 9C


64

- kerapatan : $,== gr'"m4. - austenite (besi γ )

: maksimum karbon ,%%wt3 pada %%>= 9C. Struktur kristal &CC. @ustenite bersi#at non magnet.

- besi δ (#erit δ)

: mempunyai bentuk yang sama dengan #erit α hanya temperatur yang berbeda yaitu antara %4$> 9C sampai %74= 9C.

- "ementite (#e4")

: terbentuk ketika batas kelarutan karbon pada besi α terlewati pada temperatur dibawah ?? 9C. &e4C uga terbentuk dengan #asa γ pada temperatur ?? s'd %%>= 9

C. Si#at mekanik "ementite adalah keras dan rapuh.

Kekuatan beberapa baa bisa ditingkatkan dengan kandungan "ementite.

•

Deaksi eute"ti" teradi pada >,4 wt3 C dan temperatur %%>= 9C



•

"ooling

γ 5 &e4C

heating

Deaksi eute"toid teradi pada 9,?? wt3 C dan temperatur ?? 9C :

γ (9,?? t3 C) → α (9,9 t3 C) 5 &e4C


65

BESI &AD'AN ,FERR('S ALL(/ : @dalah dimana besi sebagai komponen utama dan karbon beserta komponen 0 komponen lainnya sebagai bahan paduan. Berdasarkan kandungan paduan, besi paduan dibagi atas :

●

•

Besi (iron)

•

Baa (steel)

•

Besi tuang ("ast iron).

Besi murni : kandungan karbon kurang dari 9,99= wt3, dan strukturnya #erit pada temperatur ruang.

●

Baa : kandungan karbon antara 9,99= 0 9,%% wt3 C struktur kristal : α 5 &e4C.

●

Besi tuang : kandungan karbon antara %,%% 0 8,? wt3 C. Besi tuang komersial biasanya kandungan karbon F >,7wt3 C.

rans#ormasi #asa teradi dari daerah γ ke daerah α 5 &e4C. +ada titik eute"toid (gb. $.>) austenite dengan komposisi 9,?? wt3 C akan berubah menadi #erit (9,9 wt3 C) dan &e4" (8,? wt3 C). Struktur α 5 &e4C disebut uga pearlite (gb. $.7).


66

&AD'AN H/&(E'TE)T(ID +embentukan #asa α 5 &e4C dengan komposisi dibawah titik eute"toid disebut paduan hypoeute"toid. +roses pembentukannya bisa dilihat pada gambar $.?. Struktur kristal yang terbentuk mempunyai #asa pearlite dan proeute"toid α. +roeute"toid #erit (α) adalah #erit yang terbentuk sebelum terbentuknya pearlite.


67

+ada pembentukan hypoeute"toid : (lihat b. $.$),

W#

W# A #raksi pearlite.

= T T  $ =

W α% = =

Co’ – 0,022 0,76 – 0,022

= Co’ – 0,022 0,74

W α’ A #raksi #erit proeute"toid.

$ T  $ 0,76 – C o% 0,76 – 0,022

= 0,76 – C o% 0,74

&AD'AN H/&ERE'T)T(ID +embentukan #asa α 5 &e4C dengan komposisi diatas titik eute"toid disebut paduan hypereute"toid. (gb. $.49).

W# = _ & _ $  &

= _6,70 – C l’ = _6,70 – C l’ 6,70 – 0,76 5,94

W !e'C = _ $ _ = _ C l% – 0,76 _ = _ Cl % – 0,76 _ $  & 6,70 – 0,76 5,94

W !e'C A #raksi sementit proeute"toid

+roeute"toid sementit adalah : sementit yang terbentuk sebelum terbentuknya pearlite.


68


69

)on$o! Soa0 !ntuk paduan $$,87 wt3 &e 0 9,47 wt3 C pada temperatur sedikit di bawah titik eute"toid, "arilah: a. #raksi total #ase #erit dan sementit. b. #raksi #erit proeute"toid dan pearlite proeute"toid. ". #raksi #erit eute"toid. awab a. fraksi total fase ferit dan sementit C 9G A 9,47 wt3 C


70

W



=

6,70 −0,35 = 0,95 6,70− 0,022

dan W !e 3 C =

0,35− 0,022 = 0,05 6,70 −0,022

b. fraksi ferit proeutectoid dan pearlite proeutectoid

W # =

0,35 − 0,022 = 0,44 0,76 − 0,022

dan W  ( =

0,76 −035 = 0,56 0,76 − 0,022

". fraksi ferit eutectoid Semua #erit, baik sebagai proeutektoid ataupun sebagai eutektoid (dalam pearlit). aka umlah kedua #raksi #erit ini sama dengan umlah total #erit, sehingga:

W

W al =W 

 (

dimana W al adalah #raksi total paduan yang berupa #erit eutektoid. aka:

W al =W



−W  ( = 0,95 −0,56 = 0,39

&ENGAR'H ELEMEN &AD'AN LAINN/A . Elemen paduan lain seperti Cr, 1i, i, dll, memberikan pengaruh yang besar pada diagram #asa &e 0 C. b. $.9 memperlihatkan pengaruh paduan ini terhadap posisi batas perubahan #asa. b. $.49 memperlihatkan perubahan komposisi eute"toid karena logam paduan.


71

Soa0-soa0 %. Sebutkanlah *ariabel-*ariabel yang menentukan struktur mikro sebuah paduan. . Kondisi

termodinamik

apa

yan

harus

dipenuhi

supaya

teradi

kondisi

kesetimbangan. 4. Sebutkan #ase-#ase yang diumpai dari komposisi #ase paduan berikut: a. $9 wt3 Zn 0 %9 wt3 Cu pada >99 9 C. b. ?7 wt3 Sn 0 7 wt3 +b pada %?7 9 C. ". 77 wt3 @g 0 >7 wt3 Cu pada $999 C. d. 49 wt3 +b 0 ?9 wt3 g pada >7 9 C. e. ,% kg Zn dan %,== kg Cu pada 799 9 C. #. =, mol 1i dan >,4 mol Cu %799 C. >. !ntuk paduan dengan komposisi ?> wt3 Zn 0 8 wt3 Cu, sebutkanlah #ase-#ase yang diumpai pada temperatur-temperatur berikut: =99 9 C, ?799 C, 8=99 C, 8999 C, dan 7999 C. 7. a. elaskan dengan rinkas #enomena dari pembentukan cored structured dan apa penyebab teradinya. b. Sebutkanlah satu konsekuensi yang tidak diinginkan dari pembentukan struktur inti ("ored stru"tured). 8. isalkan 4,7 kg austenite mengandung 9,$7 wt3 C, didinginkan ke suhu di bawah ??9 C. a. @pakah #ase dari proeutektoidH b. Berapa kg berat #erit total dan sementitH ". Berapa kg berat #ase pearlite dan proeutektoidH d. Buatlah sketsa sturktur mikro yang teradi, dan beri nama.


72

Diagram Fasa

Recommend Documents