Paduan · PDF filetemperature.pada kondisi kesetimbangan yaitu suatu kondisi yang tidak terjadi ... Diagram fase yang terdiri dari paduan dua komponen dinamakan diagram fase binary

Materi kuliah Teknologi Bahan [email protected] Page 1

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, Mg2Sn, Cu2Se.


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 : Fe3C, TiC, TaC, W2C, Fe4N, 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

Cu2Al Cu3Sn4 AuZn2

AuMg Au3Zn4 Cu2Si

FeAl Fe3Zn24 FeZn2

Cu2Sn Cu2Zn21 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.


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.


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.


Ilustrasi tentang perubahan fase adalah sebagai berikut :

H2O

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/43/Phase-diag-id.svg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/43/Phase-diag-id.svg


Bentu struktur atum pada tiap fase dan kondisi tertentu pada ketiga fase berikut


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.


A Simple Phase Diagram

Contoh. Simple Phase Diagram dari Bismuth(Bi) – Antimony(Sb)


Simple Binary phase diagram

Larutan padat biasanya dinyatakan dengan huruf yunani α,β,ϒ.


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?


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%


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?


Fe – C phase diagram



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.


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


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


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?



TTT ( Temperature – Time – Transformation) phase diagram

Documents

Paduan · PDF filetemperature.pada kondisi kesetimbangan yaitu suatu kondisi yang tidak terjadi ... Diagram fase yang terdiri dari paduan dua komponen dinamakan diagram fase binary