Pertemuan ke 4 Keseimbangan Diagram Phase Paduan Paduan adalah campuran bahan yang memiliki sifat-sifat logam terdiri dari dua atau lebih komponen dan sedikitnya satu komponen utamanya adalah logam. Suatu system paduan adalah suatu sisitem yang terdiri dari semua paduan yang terbentuk dari beberapa unsur dengan semua macam komposisi yang mungkin dapat dibuat.paduan dapat diklasifikasikan menurut strukturnya dan system paduan dapat diklasifikasikan menurut diagram kesetimbangannya (diagram phasenya).paduan bisa merupakan paduan homogen dan bisa merupakan campuran, bila homogen merupakan fasa tunggal bila campuran terdiri dari beberapa fasa. Pada paduan dalam keadaan padat ada tiga kemungkinan macam fasanya, yaitu: 1. Logam murni 2. Senyawa (compound) 3. Larutan padat (solid solution) Suatu paduan dalam keadaan padat, jika homogen, maka ia hanya mungkin berupa larutan padat atau berupa senyawa. Bila paduan itu merupakan mixture maka ia dapat terdiri dari kombinasi dari fase-fase yang mungkin terjadi pada keadaan padat diatas, mungkin berupa kombinasi dua logam murni, atau dua larutan padat, atau larutan padat dan senyawa, dan sebagainya. Logam Murni Pada kondisi equilibrium suatu logam murni akan mengalami perubahan fase pada suatu temperature tertentu, perubahan fase dari padat ke cair akan terjadi pada temperature tertentu, dinamakan titik cair, dan perubahan ini berlangsung pada temperature yang tetap hingga seluruh perubahan selesai. Lihat kurva pendinginan pada gambar 4.1. Demikan juga halnya dengan perubahan fase yang lain (bila ada), berlangsung pada suatu temperature konstan tertentu. Senyawa (compound) Gabungan dari beberapa unsur dengan perbandingan tertentu yang tetap.compound memiliki sifat dan struktur yang samasekali berbeda dari unsur2 pembentuknya. Com[ound juga memiliki titik beku yang tetap seperti halnya pada logam murni. Ada tiga macam compound yang serimg di jumpai yaitu 1. Intermetallic compound Biasanya terbentuk dari logam-logam yang sifat kimianya sangat berbeda dan kombinasinya mengikuti aturan valensi kimia.ikatan atomnya sangat kuat (ionic atau covalent), sehingga sifatnya seperti non metal, keuletan rendah, konduktivitas listrik rendah, dan struktur kristalnya kompleks Contoh : CaSe, Mg2Pb, Mg 2 Sn, Cu 2 Se. Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 1
2. Interstitial compound Biasanya terbentuk dari logam logam transisi seperti Scandium atau Sc, Titanium, Ti, Tantalum(Ta), Wolfram (W), Besi(Fe), dengan Hydrogen (H), Oksigen(O), Carbon( C ), Boron (B), Nitrogrn(N). Kelima unsur ini diameter atomnya sangat kecil sehingga dapat masuk ke dalam lattice Kristal logam diatas secara interstitials. Senyawa interstitials bersifat metallic, komposisi kimia mungkin dapat bervariasi dalam daerah yang sempit, titik leburnya tinggi, dan sangat keras. Contoh : Fe 3 C, TiC, TaC, W 2 C, Fe 4 N, CrN, TiH 3. Electron compound Senyawa ini dapat terbentuk diantara logam-logam Tembaga(Cu), Emas(Au), Perak(Ag), Besi(Fe) dan Nikel(Ni) dengan logam-logam Cadmium (Ca), Magnesium(Mg), Timah Putih(Sn), Seng (Zn), dan Alumunium(Al). Senyawa ini terjadi sedemikian rupa sehingga mendekati perbandingan jumlah-elektron-valensi dengan jumlah -atom yang tertentu. Contohnya : Electron Atom Ratio 3:2 BCC Structure Electron Atom Ratio 21:13 Compplex cubic Electron Atom Ratio 7:4 CPH Structure AgZn Cu3Al4 Ag2Al3 Cu 2 Al Cu 3 Sn4 AuZn2 AuMg Au3Zn4 Cu2Si FeAl Fe3Zn24 FeZn2 Cu 2 Sn Cu 2 Zn21 Ag2Sn Solid Solution Suatu larutan terdiri dari solute (terlarut) dan solvent (pelarut). Solute merupakan bagian yan sedikit sedangkan solvent merupakan bagian yang banyak. Ada tiga kondisi larutan yaitu : 1. Larutan tidak jenuh (unsaturated) Bila jumlah solute yang terlarut masih lebih sedikit bila dibandingkan solventnya pada temperature dan tekanan tertentu. 2. Larutan jenuh (saturated) Bila solute yang terlarut tepat mencapai batas kelarutannya dalam solvent 3. Larutan lewat jenuh (Supersaturated) Bila solute yang terlarut melewati batas kelarutannya dalam solvent pada temperature dan tekanan tertentu. Pada kondisi ini larutan berada dalam keadaan tidak seimbang, dalam waktu lama atau dengan penambahan sedikit saja energy cenderung akan menjadi stabil dengan terjadinya pengendapan, sehingga larutan menjadi larutan jenuh. Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 2
Solid solution adalah larutan dalam keadaan padat terdiri dari dua atau lebih jenis atom yang berkombinasi dalam satu jenis space lattice. biasanya kelarutan dalam keadaan padat jauh lebih rendah daripada kelarutan dalam keadaan cair. Solid solution tidak terjadi pada suatu temperature tertentu, biasanya pembekuan terjadi pada suatu range temperature tertentu, pembekuan biasanya terjadi bersamaan dengan penurunan temperature. Solid solution ada dua macam yaitu, 1. Substitution solid solution Pada larutan ini atom solute padat mengisi tempat atom solvent pada struktur lattice solvent. 2. Interstitial solid solution Pada larutan ini atom yang sangat kecil meyisip di rongga antar atom pada struktur lattice dari solvent. Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 3
Phase Phase merupakan bagian dari material yang homogen, komposisi kimia dan strukturnya dapat dibedakan secara fisik dapat dipisahkan secara mekanis dari bagian lain material itu. Suatu fasa dapat dibedakan dari material lain secara fisiknya, yaitu cair, gas, dan padat. Bagian material dengan komposisi kimia yang berbeda dapat dikatakan sebagai fasa yang berbeda. Struktur lattice juga membedakan satu fasa dengan fasa yang lainnya. Logam yang memiliki sifat allotropi misalnya, setiap bentuk allotropinya merupakan fasa tersendiri meskipun komposisi kimia dan keadaan fisiknya sama. Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 4
Ilustrasi tentang perubahan fase adalah sebagai berikut : H 2 O Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 5
Bentu struktur atum pada tiap fase dan kondisi tertentu pada ketiga fase berikut Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 6
Keseimbangan Phase Diagram Diagram phase idealnya menggambarkan hubungan antara fase komposisi dan temperature.pada kondisi kesetimbangan yaitu suatu kondisi yang tidak terjadi perubahan yang tergantung pada waktu. Kondisi keseimbangan biasanya didekati dengan kondisi pemanasan atau pendinginan yang sangat lambat, sehingga bila ada perubahan fase yang harus terjadi akan ada waktu yang cukup untuk mencapai kondisi keseimbangan. Diagram fase ada beberapa macam, yaitu: 1. Diagram fase yang terdiri dari paduan dua komponen dinamakan diagram fase binary 2. Diagram fase tang terdiri dari paduan tiga komponen dinamakan diagram fase tinery. Diagram fase dapat merupakan diagram fase yang sederhana antara dua komponen atau merupakan paduan dari beberapa diagram fase yang sederhana. Perubahan fase dapat terjadi dari fase cair menjadi padat atau dari padat ke bentuk padat yang lain. Ada beberapa reaksi yang dapat terjadi pada setiap transfomasi. Transformasi dengan reaksi yang sama akan mempunyai bentuk diagram fase yang sama.pada transformasi cair ke padat ada beberapa kemungkinan yang dapat terjadi pada paduan : 1. Kedua komponenya tetap larut tak terbatas pada keadaan padat. 2. Kedua komponennya saling tidak melarutkan pada keadaan padat(tidak membentuk larutan padat) terjadi reaksi eutectic. 3. Kedua komponen dapat saling melarutkan secara terbatas(partially solube) pada keadaan padat. 4. Kedua komponennya mengalami reaksi peritektik. Pada keadaan padat kemungkinan sudah tidak terjadi lagi perubahan fase, tetapi pada beberapa system paduan dapat terjadi transformasi padat-padat, antara lain : 1. Transformasi allotropic 2. Reaksi eutectoid 3. Reaksi peritektoid Diagram fase dua komponen yang larut padat tak terbatas Kurva mulai terjadinya perubahan fase dari cair menjadicair padat dinamakan liquidus. Kurva mulai terjadinya perubahan fase sepenuhnya menjadi padat dinamakan solidus. Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 7
A Simple Phase Diagram Contoh. Simple Phase Diagram dari Bismuth(Bi) Antimony(Sb) Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 8
Simple Binary phase diagram Larutan padat biasanya dinyatakan dengan huruf yunani α,β,ϒ. Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 9
Lever Rule Dipergunakan untuk mencari komposisi paduan pada suatu fase tertentu berdasarkan persentase beratnya. Bila Paduan Komposisinya Co dan komposisi,, komposisi L,, dan fraksi massa, adalah dan fraksi massa L, adalah maka penurunan Lever Rule dapat dilakukan sbb: Maka Contoh Soal: Paduan 40 wt% Sn 60 wt% Pb pada 150 C, a. Apa phasenya? b. Bagaimana komposisi phasenya dan berapa mass fractionnya? Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 10
Transformasi selama pendinginan equilibrium Contoh suatu paduan 70% A dan 30% B yang didinginkan sangat lambat. Pada temperatur To paduan ini terdiri dari satu fase, fase cair. Dan akan tetap demikian sampai temperatur mancapai T1. Pada T1 yang terletak pada garis liquidus, mulai terjadi pembekuan mulai terbentuk inti kristal larutan padat alpha. Inti larutan padat yang pertama kali terbentuk ini tentunya tentunya akan mengandung banyak logam A yang bertitik lebur tinggi dengan komposisi yang ditunjukkan, yaitu 95% Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 11
A dan 5% B. Karena inti yang terbentuk ini lebih banyak logam A maka sisa cairannya tentunya sedikit mengandung A daripada semula (69% A dan 31% B). Dengan temperatur yang terus menurun maka makin banyak larutan padat yang terbentuk dan komposisi larutan cair makin kaya B, larutan padat juga makin kaya B, pada temperatur T2 ditunjukkan oleh L2 dan α2. Pada temperatur ini kristal α2 terbentuk mengelilingi kristal α1 disamping juga terbentuk dendrit α2 baru, seperti gambar berikut. Untuk mencapai keseimbangan, dimana pada temperatur T2 kristal yang ada semuanya harus mempunyai komposisi α2 maka harus terjadi diffusi atom B menuju kristal α1 di bagian tengah yang lebih kaya A, dan ini hanya mungkin terjadi jika pendinginan sangat lambat.bila temperatur terus turun hingga T4 pada garis solidus dan sisa larutan cair terakhir sudah kaya B dan akan membeku pada batas butir yang telah ada. Tetapi difusi akan membuat kristal akan menjadi homogen tidak tampak adanya perbedaan komposisi pada butiran kristal, seperti terlihat pada gambar berikut. Tugas anda apa pengertian dari hal berikut ini: Diffusi? Reaksi peritektik? Transformasi allotropik? Transformasi order disorder? Reaksi eutektoid? Reaksi pertektoid? Allotropi pada Besi? Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 12
Fe C phase diagram Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 13
Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 14
Allotropi pada besi Besi dikenal sebagai salah satu logam yang memiliki sifat allotropi memiliki bentuk lattice yang berbeda, besi memiliki tiga macam modifikasi allotropik. 1. Besi murni cair yang didinginkan akan mulai membeku pada 1535C menjadi besi delta dengan struktur BCC. Besi ini mampu melarutkan karbon hingga 0.1% pada 1500C. 2. Pada 1400C akan mengalami transformasi allotropik menjadi besi gamma dengan struktur FCC, besi gamma ini stabil hingga temp. 910C. besi ini mampu melarutkan karbon hingga 1130C. 3. Pada 910C akan berubah lagi menjadi besi alpha non magnetik dengan struktur BCC. Dan pada 768C terjadi perubahan dari alpha non magnetik menjadi magnetik, tetapi tidak terjadi perubahan struktur kristal. Besi ini mampu melarutkan karbon hingga 0.0025% pada 723C. Diagram phase Besi Karbon Dalam besi cair karbon dapat terlarut, tetapi dalam keadaan padat kelarutan carbon dalam besi sangat terbatas. Selain sebagai larutan padat besi dan karbon juga dapat membentuk senyawa interstitial, eutectic dan eutectoid atau mungkin juga karbon akan terpisah. Secara garis besar sistem paduan besi karbon dapat di bedakan menjadi dua yaitu, Baja dan besi tuang. Baja tidak mengandung struktur eutictic sedangkan besi tuang terdapat struktur eutectic. Istilah yang banyak digunakan pada diagram phase besi karbida besi dapat dijelaskan sebagai berikut. Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 15
1. Cementite Karbida besi, Fe3C merupakan senyawa interstitial mengandung 6,67%C. sangat keras (650BHN) getas dan kekuatan rendah (350kg/cm2) struktur kristalnya orthorhombik. 2. Austenite Larutan padat karbon dalam besi gamma, kekuatan tarik 1058 kg/cm2, kekerasan 40RC ketangguhan tinggi, biasanya tidak stabil pada temperatur kamar. 3. Ledeburite Suatu eutectic mixture dari austenit dan sementit mengandung 4,3 % C terbentuk pada 1130C. 4. Ferrite Larutan padat karbon dalam besi alpha kelarutan karbon maksimum 0.025% pada 723C dan hanya 0,008% ditemperatur kamar. Kekuatan rendah dan keuletan tinggi serta kekerasan kurang dari 90Rc 5. Pearlite Suatu eutectoid mixture dari sementit dan ferrite mengandung 0.8%C terbentuk pada 723C 6. Lower Critical Temperature(temperatur kristis bawah) Temperatur eutectoid, pada diagram Fe-Fe3C tampak berupa sebuah garis horizontal pada temperatur 723C. pada temperatur ini terjadi reaksi eutectoid Austenite ========== Ferrite + sementit S 7. Uper Critical Temperatur Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 16
Temperatur mulainya terjadi perubahan allotropik dari gamma ke alpha (pada pendinginan) atau akhir allotropik dari alpha ke gamma(pada pemanasan) 8. Garis solvus Batas kelarutan karbon dalam austenit. Transformasi pada baja eutektoid (0.8% C) Baja eutectoid paduan besi carbon dengan kadar C = 0.8% adalah paduan dengan komposisi eutectoid. Pada temperatur diatas garis liquidus berupa larutan cair(liquid). Bila temperatur diturunkan secar perlahan-lahan pada saat mencapai garis liquidus akan mulai terbentuk inti austenit yang selanjutnya akan tumbuh menjadi dendrit austenit. Selajutnya bila pendinginan dilakukan terus maka seluruhnya akan menjadi austenit, dan pada pendinginan selanjutnya tidak terjadi perubahan hingga temperatur kritis bawah. Disini austenit yang mempunyai komposisi eutectoid akan mengalami reaksi eutectoid: Austenit =========== feritte + cementit (pearlite) Terbentukya pearlit ini dimulai dengan terbentuknya inti sementit (biasanya pada batas butir). Inti ini akan tumbuh dengan mengambil sejumlah karbon dari austenit disekitarnya.(sementit Fe3C mengandung 6.67% C sedangkan austenit mengandung 0.8% C) karenanya austenit disekitar inti sementit akan kehabisan karbon dan austenit dengan kadar karbon yang sangat rendah ini pada temperatur ini akan menjadi ferrite (transformasi allotropic). Ferrite ini juga akan tumbuh dengan mengambil besi dari austenit disekitarnya, sehingga austenit disekitar Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 17
ferrite ini akan kelebihan karbon dan mulai membentuk sementit disebelah ferrite yang ada. Demikian seterusnya sampai seluruh austenit habis dan yang terjadi adalah suatu struktur yang berlapis-lapis (lamellar) yang terdiri dari lame-lamel sementit-ferrite-sementit, struktur ini dinamakan pearlit. TUGAS SAUDARA COBA CERITAKAN TRANSFORMASI BERIKUT: Transformasi pada baja hypoeutektoid (%C<0.8)? Transformasi pada baja hypereutectoid (0.8<%C<2.0)? Transformasi pada besi tuang hypoeutectoid (2.0<%C<4.3)? Transformasi pada besi tuang kelabu(diagram fasa Fe-Fe3C)? Pengaruh laju pemanasan /pendinginan dan unsur paduan? Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 18
Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 19
TTT ( Temperature Time Transformation) phase diagram Materi kuliah Teknologi Bahan hadisaputra@live.com Page 20