MATA KULIAH TRANSFORMASI FASA Pertemuan Ke-7 TRANSFORMASI FASA PADA LOGAM Nurun Nayiroh, M.Si 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. 1
Transformasi fasa Transformasi fasa: perubahan pada jumlah atau karakter dari suatu fasa. Difusi sederhana Tidak ada perubahan pada jenis fasa Tidak ada perubahan pada komposisi Example: solidification of a pure metal, allotropic transformation, recrystallization, grain growth Difusi komplek Change in # of phases Change in composition Example: eutectoid reaction Tidak terjadi difusi Example: metastable phase - martensite Transformasi Fasa Kebanyakan transformasi fasa dimulai dengan pembentukan sejumlah partikel-partikel kecil fasa baru (nukleasi) yang meningkat ukurannya sampai transformasi terjadi sempurna. Pertumbuhan fase ini akan selesai jika pertumbuhan tersebut berjalan sampai tercapai fraksi kesetimbangan. Nukleasi (pengintian) adalah proses di mana inti (benih) bertindak sebagai template/pola untuk pertumbuhan kristal. Nukleasi Homogen bentuk inti secara seragam merata di seluruh fasa induk; membutuhkan pendinginan-supercooling yang cukup (biasanya 80-300 C). Nukleasi Heterogen bentuk pada struktur yang tidak homogen (tejadi pada permukaan, impuritas, batas butir, dislokasi), pada fasa liquid lebih mudah terjadi karena kestabilan permukaan nukleasi sudah terjadi; membutuhkan sedikit pendinginan-supercooling (0.1-10ºC). 2
Supercooling Selama pendinginan suatu liquid, pemadatansolidification (nukleasi) akan mulai terjadi hanya setelah temperatur diturunkan dibawah temperatur pemadatan setimbang (atau meleleh) T m. Fenomena ini disebut dengan supercooling (atau undercooling). Gaya dorong untuk nukleasi meningkat seiring dengan meningkatnya T Supercooling kecil kecepatan nukleasi lambat sedikit inti kristalnya besar Supercooling besar kecepatan nukleasi cepat banyak inti kristal kecil 3
Laju Transformasi 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 di plot sebagai fungsi fraksi bahan yang bertransformasi vs waktu (logaritmik). Fraksi transformasi (y) di rumuskan: t = waktu k,n = konstanta yang tidak tergantung waktu. Persaamaan ini disebut juga persamaan AVRAMI Fraction transformed, y 0.5 Fixed T t 0.5 Avrami equation => y = 1- exp (-kt n ) fraction transformed transformation complete maximum rate reached now amount unconverted decreases so rate slows rate increases as surface area increases & nuclei grow Fraction log t transformed depends on time time By convention rate = 1 / t 0.5 Avrami relationship - the rate is defined as the inverse of the time to complete half of the transformation. This describes most solid-state transformations that involve diffusion. 8 4
Laju transformasi (r) diambil pada waktu ½ dari proses berakhir : t 0,5 = waktu ½ proses Laju transformasi (r) terhadap jangkauan temperatur dirumuskan : R = konstanta gas T = temperatur mutlak A = konstanta, tidak tergantung waktu. Q = Energi aktivasi untuk reaksi tertentu. Efek temperatur terhadap kinetik bisa dilihat pada gambar 7.2. Gambar 7.2 Persen rekristalisasi sebagai fungsi waktu dan pada temperatur konstan untuk tembaga murni 5
Laju nukleasi dan pertumbuhan kristal pada Pearlite 100 % Pearlite 50 0 Nucleation regime t 50 Growth regime Nucleation rate increases w/ T Growth rate increases w/ T log (time) Examples: pearlite γ colony γ γ T just below TE T moderately below TE T way below TE Nucleation rate low Nucleation rate med. Nucleation rate high Growth rate high Growth rate med. Growth rate low Nukleasi partikel bola padat pada liquid Perubahan energi bebas G (sebuah fungsi energi dalam dan entalpi sistem) harus negative agar transformasi terjadi. Asumsikan bahwa inti pada fasa padat membentuk interior liquid sebagai cluster atom bersama--sama dengan packing pada fasa padat. Begitu juga, setiap inti yang spherical dan mempunyai radius r. Perubahan energi bebas sebagai hasil suatu transformasi: 1) perbedaan antara fasa padat dan cair (energi bebas volume, G V ); dan 2) batas fasa padat-cair (energi bebas permukaan, G S ). G = G S + G V Transformasi satu fasa ke dalam fasa lain terhadap waktu Fe Fe 3 C C FCC γ Eutectoid transformation (cementite) (Austenite) + α (ferrite) (BCC) Liquid 6
NUKLEASI Homogen & PENGARUH Energi Energi bebas permukaan membuat inti tidak stabil (dia mengambil energi untuk membuat permukaan) 2 G S = 4πr γ γ = tegangan permukaan G T = Total Free Energy = G S + G V Volume (Bulk) Free Energy Menstabilkan inti (melepaskan energy) 4 3 G V = πr Gυ 3 volume free energy G υ = unit volume r* = critical nucleus: for r < r* nuclei shrink; for r >r* nuclei grow (to reduce energy) Solidification r * = 2γTm H T f r* = critical radius γ = surface free energy T m = melting temperature H f = latent heat of solidification (fusion) T = T m -T= supercooling Note: H f and γ are weakly dependent on T r* decreases as T increases For typical T r* ~ 10 nm 7
Tranrformasi 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 komposisi vs temperatur. 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. 8