BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang
Sebagian besar transformasi bahan padat tidak terjadi terus menerus sebab ada hambatan yang menghalangi jalannya reaksi dan bergantung terhadap waktu. Contoh : umumnya transformasi membentuk minimal satu fase baru yang mempunyai komposisi atau struktur kristal yang berbeda dengan bahan induk (bahan sebelum terjadinya transformasi). Pengaturan susunan atom tejadi karena proses difusi. Secara stuktur mikro, proses pertama yang terjadi pada transformasi fasa adalah nukleasi yaitu pembentukan partikel sangat kecil atau nuklei dari fase baru. Nuklei ini akhirnya tumbuh tumbuh membesar membentuk fasa baru. Pertumbuhan fase ini akan selesai jika pertumbuhan tersebut berjalan sampai tercapai fraksi kesetimbangan. Laju transformasi yang merupakan fungsi waktu (sering disebut kinetika transformasi) adalah hal yang penting dalam perlakuan panas bahan. Pada penelitian kinetik akan didapat kurva S yang yang di plot sebagai fungsi fraksi bahan yang bertransformasi vs waktu (logaritmik). 1.2
Rumusan Masalah
Adapun rumusan masalahnya adalah sebagai berikut: 1. Pengertian Transformasi Fasa? 2. Pengertian Recovery Pengertian Recovery,, Recrystalization and Growth? Growth?
1.3
Tujuan
Diharapkan mahasiswa memahami sedikit tentang Transformasi Fasa yang akan kita pelajari di mata kuliah Material Teknik ini
1
BAB II LANDASAN TEORI
2.1
Transformasi Fasa
Transformasi fasa adalah pembentukansebuah fasa baru dengan perbedaan pada komposisi dan struktur kristal yang berbeda dengan bahan induk. A. Transformasi Fasa Pada Logam Transformasi fasa dibagi menjadi tiga golongan: 1. Diffusion-dependent transformations tanpa perubahan dalam nomor dan komposisi fasa( pembekuan logam murni,transformasi allotropic, dll.) 2. Diffusion-dependent transformations dengan perubahan nomor dan komposisi fasa(reaksi eutectoid) 3. Diffusionless transformations (transformasi martensite dalam campuran logam) B. Kinetika Pada Transformasi fasa Kinetika pada transformasi fasa terdiri dari dua proses yaitu necleation (nukleasi) dan Growt (pertumbuhan). 1. Necleation (nukleasi) Pembentukan fasa baru tidak terjadi secara otomatis, proses pertama yang terjadi pada transformasi fasa adalah nukleasi yaitu pembentukan partikel sangat kecil atau nuklei dari fasa baru. 2. Growth Nuklei ini akhirnya tumbuh membesar membentuk fasa baru.Pertumbuhan fase ini akan selesai jika pertumbuhan tersebut berjalan sampai tercapai fraksi baru. C. Pertimbangan Kinetika Pada Transformasi Benda Padat Laju transformasi yang merupakan fungsi waktu (sering disebut kinetika transformasi) adalah hal yang penting dalam perlakuan panas bahan.Pada penelitian kinetic akan didapat kurva S yang di plot sebagai fungsi fraksi bahan yang bertransformasi vs waktu (logaritmik). Fraksi transformasi, y di rumuskan:
2
Y =1 – exp( - kt n ) t = waktu k,n = konstanta yang tidak tergantung waktu. Persaamaan ini disebut juga persamaan AVRAMI Laju transformasi ,r diambil pada waktu ½ dari proses berakhir:
t0,5 = waktu ½proses
Gambar 1.1
3
Gambar 1.2 Laju transformasi ,r terhadap jangkauan temperatur dirumuskan:
R = konstanta gas T = temperatur mutlak A = konstanta,tidaktergantung Waktu. Q = Energi aktivasiuntuk reaksi Tertentu. D. Transformasi Multi fasa Transformasi fasa bisa dilakukan dengan memvariasikan temperatur ,komposisi, dan tekanan. Perubahan panas yang terjadi bisa dilihat pada diagram fasa. Namun kecepatan perubahan temperatur berpengaruh terhadap perkembangan pembentukan struktur mikro. Hal ini tidak bisa diamati pada diagram fasa. Posisi kesetimbangan yang dicapai pada proses pemanasan atau pendinginan sesuai dengan diagram fasa bisa dicapai dengan laju yang sangat pelan sekali , sehingga hal ini tidak praktis. Cara lain yang dipakai adalah supercooling yaitu transformasi pada proses pendinginan dilakukan pada temperatur yang lebih rendah, atau superheating yaitu transformasi pada proses pemanasan dilakukan pada temperatur yang lebih tinggi . 1. Superheating Proses pemanasan pada umum nya terdiri dari dua tahap : a) Proses heating yaitu proses pemanansan yang dilakukan dari temperatur kamar sampai suhu yang diinginkan.perlakuan panas bertujuan untuk memperoleh sifat – sifat yang diinginkan dari logam dengan batas – batas tertentu 4
b) Proses holding time yaitu proses penahanan pada temperatur tertentu sehin gga terjadi transformasi yang sempurna dan homogen.Bila transformasi tidak sempurna maka benda kerja masih mengandung fasa
(ferit).Proses ini
bertujuan agar karbon yang terdapat dalam karbida dapat larut kepada fasa autenit secara merata dan temperatur yang diterima pada. Proses dari superheating di representasikan dengan menggunakan Diagram Transformas i Isotermal / diagram TTT(time-temperatur-transformation). 2. Supercooling Proses pendinginan yaitu proses dimana benda kerja tidak mengalami pemanasan lagi melainkan pelepasan strukturmikro yang diinginkan. Proses pendingan ada 2 yaitu : a) Proses pendinginan cepat Pencelupan (quenching ) dengan media: air,minyak b) Proses pendingan lambat Pendinginan dengan media udara. Pada proses ini direfresentasikan dengan menggunakan grafik continous cooling transformation (CCT).
E. Diagram Transformasi Isotermal / diagram TTT (time-temperatur transformation) Dengan menggunakan reaksi eutektoid :
Dengan reaksi tersebut mengahasilkan diagram :
Gambar 1.3 5
Ada 5 jenis fasa yang terdapat dalam diagram fasa Fe-Fe3C yaitu fasa cair,fasa alfa,besi delta,besi gamma dan senyawa Fe-Fe3C.Diagram Fe-Fe3C tidak mencapai C 100 %,karena Fe-Fe3C merupakan senyawa dan batas dari diagram fasa. Fe (besi) merupakan unsur logam yang memiliki lebih dari 1 bentuk sel satuan (politropik),sedangkan C (karbon ) merupakan unsur nonlogam.Paduan dari kedua jenis ini menghasilkan 2 material yaitu besi cor dan baja. Adapun sifat – sifat dari fasa yang terbentuk :
a) Ferrit ( Besi Alfa )
Padareaksi eutektoid, austenite dengan kandungan karbon sedang akan berubah menjadi ferit dengan kadar karbon kecil dan sementit dengan kadar karbon tinggi. Pada saat pembentukan pearlite, gerakan atom C bergerak dari feritke sementit. Ferrit memiliki bentuk sel satuan BCC dan dapat melarutkan carbon mencapai 0,025 %. Hal ini dikarenakan struktur BCC dimana ruang ruang antar atom kecil dan padat, sehingga daya larut nya rendah. b) Austenit Austenit memiliki bentuk sel satuan FCC dan jarak atom nya lebih besar dari pada Ferrit.Austenit stabil pada temperature antara 912 – C dengan daya larut karbon sebesar 2,11 %.Pada temperature stabil nya Austenit bersifat lunak dan ulet,sehingga mudah dibentuk dan besifat f erromagnetik. c) Besi delta Besi delta memiliki bentuk sel satuan BCC dengan daya larut karbon 0,1 %,tetapi terjadi pada temperature 1350 – C.
d) Sememtit Sememtit merupakan suatu senyawa antara atom Fe dengan atom C.Sememtit bersifat sangat keras,kurang ulet dan kurang kuat getas.
6
F. Continous Cooling Transformation (CCT). Diagram Continous Cooling Transformation Fe-Fe3C
Gambar 1.4
Gambar 1.5 Hubungan antara laju pendinginan dan mikrostruktur yang terbentuk digambarkan dalam diagram yang menghubungkan waktu temperatur dan transformasi yang dikenal dengan diagram continous cooling transformation (CCT). Gambar 1.5 menunjukkan bahwa struktur martensit dihasilkan dengan pencelupan di air dengan waktu ( 1-10 ) detik.Sedangkan struktur martensit dan pearlit diperoleh dengsn pencelupan di oli dengan waktu ( 10 -100 ) detik.Struktur bainet dan pearlit diperoleh dengan pendinginan di udara dengan waktu lebih kurang ( 9050 – 10000 ) detik dan struktur mikro pearlite diperoleh dengan pendinginan di dapur pada waktu lebih besar dari 100000 detik.
7
Gambar 1.5 menunjukkan bila laju pendinginan menurun berarti waktu pendinginan dari temperatur austenit juga menurun,sehingga mikro struktur yang terbentuk adalah dari gabungan fasa ferrit – fasa pearlit ke fasa ferrit – fasa pearlit – fasa bainit – fasa martensit,kemidian ke fasa bainit – fasa martensit dan akhirnya pada laju tinggi sekali mikrostruktur akhirnya fasa martensit.Pembentukan fasa martensit terjadi dekomposisi fasa austensit dalam fasa ferrit ( ) + karbida (c) .Hal ini berarti bahwa ada waktu untuk karbon untuk berdifusi dan berkosentrasi dalam karbida sehingga fasa ferrit kekurangan karbon bila fas a austensit didinginkan dengan sangat cepat ( quenching ). Struktur FCC austensit akan berubah menjadi struktur BCT (body centered tetragonal) martensit, pada transformasi ini.Transformasi martensit tidak melewati proses difusi, maka ia terjadi seketika sehingga laju transformasi martensit adalah tidakbergantung waktu. Pada struktur martensit masih didapati struktur austenit yang tidak sempat bertransformasi.Disamping itu tegangan internal karena proses quencning juga memberikan efek perlemahan. Ketangguhan dan keuletan martensitm bisa ditingkatkan dan tegangan internal bisa dibuang dengan caraperlakuan panas yang disebut tempering. Tempering dilakukan dengan memanaskan baja martensit sampaitemperatur dibawah eutectoid pada periode waktu tertentu. Biasanyatemering dilakukan pada temperatur antara 250-650 0C.Tegangan internal akan hilang pada suhu ± 2000C.Proses tempering akan membentuk “ tempered maetensite ”.
Foto struktur mikro tempered martensite sama dengan spheroidit hanya partikel sementit lebih banyak dan lebih kecil. Tempered martensit mempunyai sifat seker as dan sekuat matensit namun ketangguhan dan keuletan lebih baik. Hubungan antara tegangan tarik, kekuatan luluh dan keuletan terhadap temperatur temper pada baja paduan bisa dilihat pada gambar dibawah.
8
Pada proses tempering beberapa baja bisa mengalami penurunan ketangguhan, hal ini disebut perapuhan temper. Fenomena ini terjadibila baja ditemper pada suhu diatas 5750C dan diikuti pendinginan lambat sampai temperatur ruangan, atau jika tempering dilakukan pada suhu antara 375 – 5750C. Perapuhaan ini disebabkan oleh kandungan elemen lain dalam jumlah yang cukup signifikan seperti mangan, nikel, crom dan phospor, arsen, timah putih. Perapuhan temper bisa dicegah dengan : a) Pengontrolan komposisi b) Tempering diatas 575 0C atau dibawah 375 0 C diikuti dengan quenching pada temperatur ruang. Ketangguhan baja yang telah mengalami perapuhan bisa diperbaiki dengan pemanasan samapai kira-kira 6000C, dan kemudian secara cepat didinginkan sampai temperatur dibawah 300 0C.
2.1 Recovery, R ecrystalization and Growth A. Pemulihan atau Recovery Panas yang diterima logam menjadi pendorong tersusunnya kembali dislokasidislokasi ke susunan yang memiliki energy lebih rendah dan stabil. Pada tahapan pemulihan ini, dislokasi-dislokasi akan menyusun kembali menjadi dinding sel. Fenomena ini disebut dengan poligonisasi. Poligonisasi merupakan pembentukan sub batas butir dengan mekanisme pergerakan kekosongan atau vacancies dari atom untuk menghasilkan pergerakan dan pemanjatan dislokasi. Pada proses pemulihan ini kekuatan logam sedikit berkurang yang dibarengi dengan peningkatan keuletan. B. Rekristalisasi atau Recrystalization Pada tahapan ini, kisi-kisi yang terdeformasi dingin akan tergantikan oleh kisikisi baru yang bebas regangan melalui nukleasi atau pengintian dan selanjutnya tumbuh membentuk struktur rekristalisasi. Pembentukan struktur ini melalui pertumbuhan yang sangat lambat, yaitu periode inkubasi. Mekanisme rekristalisasi terjadi saat nucleus atau inti yang terisolasi membesar di dalam butir dan adanya batas butir yang memiliki sudut besar bermigrasi atau bergerak ke dalam daerah yang memiliki derajat deformasi yang lebih besar. Batas butir akan bergerak menjauhi pusat. Pertumbuhan butir baru akan mengeliminasi daerah terdeformasi yang memiliki regangan dan energy dalam tinggi. Butir-butir baru ini merupakan daerah bebas regangan yang memiliki energy dalam lebih rendah.
9
Butir-butir halus akan tumbuh membesar seiring dengan naiknya temperature. Beberapa batas butir akan segera migrasi dan menelan sejumlah butir tetangganya. Pertumbuhan butir ini disebut sebagai pertumbuhan diskontinyu atau pertumbuhan butir abnormal, discontinuous grain growth dan abnormal grain growth. Terjadi ketidak homogenan besar butir. Artinya ada perbedaan ukuran butir yang cukup besar. Butit besar dikelilingi butir-butir kecil. Temperatur yang dibutuhkan agar terjadi proses rekristalisasi tergangtung pada banyak logam, seperti jenis logam dan besarnya deformasi yang diterima. Proses rekristalisasi biasanya terjadi pada rentang temperature tertentu. Semakin tinggi temperature, semakin cepat terjadinya rekritalisasi. Ketika temperature minimumnya tercapat, maka kekuatan tarik akan berkurang, tetapi keuletan bertambah. Temperatur rekristalisasi dapat ditentukan dengan formula berikut: Tr = 0,4 Tm Tr = temperature rekristalisasi Tm = titik leleh logam. Kelvin C. Pertumbuhan atau Growth Pada tahapan ini butir-butir akan tumbuh lebih lanjut secara perlahan dan menghasilkan butir yang ralatif seragam. Pertumbuhan butir ini disebut sebagai pertumbuhan butir normal. Proses pertumbuhan berjalan sangat lambat dan merupakan pertumbuhan butir paling lambat selama proses annealing. Gaya pendorong pertumbuhan ini adalah energy yang dimiliki oleh batas butir. Pada butir yang sudah besar energy batas butir menjadi kecil. Hal ini disebabkan oleh luas permukaan batas butir mengecil, akibatnya energy batas butit menjadi lebih rendah. Factor lain yang dapat menghambat laju pertumbuhan butir adalah terdapatnya fasa kedua yang terdispersi atau tersebar pada butir. Inklusi dan orientasi tekstur merupakan factor-faktor yang dapat memperlambat pertumbuhan butir selama proses annealing .
10
BAB III PENUTUP 3.1
Kesimpulan
A. Transformasi fasa adalah pembentukansebuah fasa baru dengan perbedaan pada komposisi dan struktur kristal yang berbeda dengan bahan induk. Transformasi fasa dibagi menjadi tiga golongan: 1. Diffusion-dependent transformations tanpa perubahan dalam nomor dan komposisi fasa( pembekuan logam murni,transformasi allotropic, dll.) 2. Diffusion-dependent transformations dengan perubahan nomor dan komposisi fasa(reaksi eutectoid) 3. Diffusionless transformations (transformasi martensite dalam campuran logam) B. Recovery, Recrystalization and Growth 1. Recovery Pembentukan sub batas butir dengan mekanisme pergerakan kekosongan atau vacancies dari atom untuk menghasilkan pergerakan dan pemanjatan dislokasi. Pada proses pemulihan ini kekuatan logam sedikit berkurang yang dibarengi dengan peningkatan keuletan. 2. Recrystalization kisi-kisi yang terdeformasi dingin akan tergantikan oleh kisi-kisi baru yang bebas regangan melalui nukleasi atau pengintian dan selanjutnya tumbuh membentuk struktur rekristalisasi. 3. Growth Pada tahapan ini butir-butir akan tumbuh lebih lanjut secara perlahan dan menghasilkan butir yang ralatif seragam. Pertumbuhan butir ini disebut sebagai pertumbuhan butir normal. Proses pertumbuhan berjalan sangat lambat dan merupakan pertumbuhan butir paling lambat selama proses annealing.
3.2
Saran
Saran dari penulis adalah mempraktekan sendiri ap a yang sudah ditulis pada makalah ini, karena makalah ini hanyalah sebatas teori dan harus dibuktikan sendiri untuk mengetahui dan mengerti lebih lanjut dari teori pada makalah ini.
11
