Diagram Fasa

A. Pengertian dan Fungsi   Diagram fasa merupakan suatu gambar yang menyatakan daerah  fasa yang stabil dengan dekomposisi dan temperatur sebagai koordinatnya . Fasa sendiri dapat diartikan bagian dari suatu sistem yang homogen secara fisis. Diagram fasa merupakan fungsi dari hubungan temperatur, komposisi dan fasa. Contoh diagram fasa : Diagram Fasa Air

T emperatur emperatur ( T) T)

Gas Cair + Gas Cair  Padat + Cair  Padat

Waktu (t  ) Diagram Fasa Logam

T emperatur emperatur ( T) T)

Cair  Padat + Cair  Padat

Waktu (t  )

B. Fungsi Diagram Fasa Untuk

meramalkan/memperkirakan :

y

Proses Solidfikasi

y

Struktur Mikro yang diperoleh

y

Sifat Mekanik 

Berdasarkan jumlah unsur, Diagram Fasa dapat digolongkan secara umum menjadi : y

Diagram Fasa Biner terdiri dari 2 unsur 

y

Diagram Fasa Terner terdiri dari 3 unsur 

Diagram Fasa Biner ada 3 jenis, yaitu : 1. Diagram Fasa yang menunjukkan kelarutan yang sempurna dalam keadaan cair dan padat 2. Diagram Fasa yang menunjukkan kelarutan sebagian/terbatas dalam keadaan padat. Diagram Fasa ini terdiri dari 3 tipe : y

Memiliki reaksi fasa Eutektik.

y

Memiliki reaksi fasa Peritektik 

y

Memiliki reaksi fasa Senyawa

3. Diagram Fasa yang menunjukkan adanya ketidaklarutan dari unsurunsur penyusun paduan. Untuk

memperoleh Diagram Fasa dapat dilakukan cara-cara sebagai

 berikut : y

Diturunkan dari berbagai Diagram Fasa yang menghubungkan Temperatur dan waktu pada berbagai komposisi paduan.

y

Melalui percobaan pada berbagai komposisi paduan, dengan menggunakan alat dilatometer.

y

Melalui perhitungan dengan menggunakan teori termodinamika dan  probabilitas (Gibbs).

C. Diagram Fasa (Keseimbangan Fasa)

 Pada Logam

T emperatur ( T)

Cair  Padat + Cair  Fungsi (T, t, F) Padat Fungsi (T, K, F) Waktu (t  ) (% W)

 Diagram Fasa Biner 

T Cair A

T Cair B Pada Sumbu T, terdapat : Titik cair unsur  Titik perubahan bentuk  sel satuan y y

A 100% A 0% B

% B >> komposisi

B 100% B 0% A

(1) Larut satu sama Lain; (2) Reaksi Fasa Peritektik; (3) Reaksi Fasa Eutektik; (4) Reaksi Fasa Eutektoid dan (5) Tidak Larut Gambar 1. Jenis-jenis Diagram Fasa Biner

D. Diagram Fasa Fe ± Fe3C

Ada 5 jenis fasa yang terdapat pada Diagram Fasa Fe ± Fe3C, yaitu : Fasa Cair, Besi Alfa, Besi Delta, B esi Gamma, dan Senyawa Fe ± Fe3C. Besi Alfa, Besi Delta, dan Besi Gamma dala m bentuk larutan padat. Diagram Fasa Fe ± Fe3C tidak mencapai C 100%, karena Fe ± Fe3C merupakan senyawa dan batas dari Diagram Fasa. Bila %C > 6,67 % maka sudah tidak dapat digunakan untuk material teknik sebab sifat materialnya sudah sangat getas. Dari Diagram Fasa Fe ± Fe3C menghasilkan 2 jenis material teknik, yaitu : 1. % C < 1,7 % disebut Baja 2. % C > 1,7 % disebut Besi Cor Fe (Besi) merupakan unsur logam yang memiliki lebih dari 1 bentuk sel satuan (politropik), sedangkan C (Karbon) merupakan unsur nonlogam. Paduan dari kedua jenis unsur ini akan menghasilkan 2 jenis material teknik, yaitu Baja (C-Steel) dan Besi Cor (Cast Iron). Setiap transformasi fasa yang terjadi selalu diiringi dengan perubahan volume.

Gambar 2. Diagram Fasa Fe ± Fe3C

Dari Diagram Fasa Fe ± Fe3C, ada 3 reaksi fasa yang terbentuk, yaitu : 1. Reaksi Fasa Peritektik  2. Reaksi Fasa Eutektik  3. Reaksi Fasa Eutektoid Adapun sifat dari masing-masing fasa yang terbentuk adalah : Ferrit (Besi Alfa)

Ferrit memiliki bentuk sel satuan BCC dan dapat melarutkan karbon sampai dengan 0,025%. Hal ini dikarenakan struktur BCC dimana ruang antar atom kecil dan padat, sehingga daya larut karbon rendah. Ferrit bersifat o

ferromagnetik pada temperatur kurang 770 C. Sifat Ferrit yaitu : y

Lunak 

y

Ulet

y

Mampu Las Tinggi

y

Sifat Korosi Rendah

 Austenit (Besi Gamma)

Austenit memiliki bentuk sel satuan FCC dan jarak atomnya lebih o

 besar daripada Ferrit. Austenit stabil pada temperatur antara 912 ± 1350 C dengan daya larut atom karbon sebesar 2,11%. Pada temperatur stabilnya Austenit bersifat lunak dan ulet, sehingga mudah dibentuk, serta tidak   bersifat ferromagnetik.  Besi Delta

Besi Delta memiliki bentuk sel satuan BCC dengan daya larut atom karbon yang rendah (0,1%), tetapi lebih besar daripada Ferrit karena terjadi  pada temperatur tinggi antara 1350 ± 1535 oC.  S ementit

(Fe3C)

Sementit merupakan suatu senyawa antara atom Fe dengan atom C. Sementit bersifat sangat keras, kurang ulet dan kurang kuat (getas).

E. Transformasi Tidak Seimbang

Dalam praktek laju pendinginan yang dialami oleh logam pada saat terjadi proses transformasi fasa relatif cepat. Jika laju pendinginan cepat maka difusi tidak dapat berlangsung, sehingga struktur logam yang dihasilkan dapat berubah sekali.

Kondisi ini akan berbeda bila laju

  pendinginannya berlangsung lambat.

Laju pendinginan cepat akan

mengakibatkan berubahnya sifat-sifat mekanik bahan, hal ini disebabkan tejadinya perubahan struktur mikro dari bahan tersebut. Contohnya dalam  proses pembentukan Martensit. Pengaturan laju pendinginan, selanjutnya diterapkan dalam proses   perlakuan panas (heat treatment).

Heat treatment merupakan proses

  pengubahan sifat mekanik suatu bahan melalui pengubahan struktur mikro dengan cara memanaskan bahan dan mengatur laju pendinginannya. Proses  pendinginan yang lambat, di dalam praktek dapat dilakukan dengan 2 cara, yaitu: 1.

Pendinginan

Udara

(air cooling), yang dikenal dengan istilah

 Normalizing. 2.

Pendinginan di dala m tungku (Anealing)

Pada industri baja, penerapan proses pendinginan ini lazimnya melalui  proses air cooling. T emperatur ( T) Keterangan: RC = Rapid Cooling   N = Normalizing A = Anealing y y y

Tp

RC

N

A

Waktu (t  ) Proses Rapid Cooling (pendinginan cepat), dapat dilakukan dengan cara :

y

Pencelupan ke dalam medium pendingi, seperti air, oli, minyak dll. (Quenching)

y

Penyemprotan dengan Nitrogen cair (atomization atau spray method).

Dari aspek traktur mikro, variasi laju pendinginan pada besi karbon dapat dilihat pada skema ilustrasi berikut :

Laju Pendinginan Lambat Austenit

Ferrit + Fe3C (Pearlite)

Laju Pendinginan Cepat Martensit

F.

Efek Laju Pendinginan Terhadap Transformasi Fasa pada Sistem Fe - C

T emperatur ( T)

T aust.

M Keterangan : M = Martensit B = Bainit P = Pearlit Halus (Trostit)   N = Normalizing A = Anealing

B

P

N

A Waktu (t  )

Untuk

memahami efek laju pendinginan terhadap transformasi fasa

dalam sistem Fe ± C, dapat dipelajari melalui diagram CCT. Faktor penting dalam diagram CCT yaitu : y

Waktu

y

Temperatur 

y

Laju Pendinginan

Diagram CCT, hanya berlaku untuk sekelompok atau satu jenis komposisi. Dari diagram fasa Fe ± C, ada 3 jenis diagram CCT yang terjadi, yaitu :

o

1.

Diagram CCT Baja Karbon Hipoetektoid

2.

Diagram CCT Baja Karbon Eutektoid

3.

Diagram CCT Baja Karbon Hiper etektoid

T ( C)

o

T ( C)

%C (1)

t

T(oC)

T( oC)

%C

t

(2)

o

o

T( C)

T( C)

%C

t (3)

Gambar 3. Diagram CCT Baja Karbon

Dari ketiga diagram terlihat makin besar %C, maka Ms akan semakin ke bawah, artinya austenit semakin stabil.

Hal ini dikarenakan

daerah austenit yang terbentuk semakin luas dan proses untuk terjadinya Martensit semakin besar.

Untuk

Karbon yang lebih rendah, hidung kurva S

lebih dekat terhadap sumbu tegak (Te mperatur). Dari diagram CCT dapat diturunkan pula beberapa aspek, seperti y

Transformasi Isotermal (T-I) o

T( C)

t

Diagram Transformasi Isotermal diperoleh dari pendinginan yang diselang atau di´interupsi´. Bila proses interupsi dilakukan di atas temperatur Ms disebut Austemper sedangkan bila proses interupsi dilakukan di bawah t emperatur Ms disebut Martemper. y

Harden Ability (Mampu Keras) Kemudahan untuk dikeraskan, indikatornya adalah luas daerah austenit yang tidak stabil di depan hidung kurva. dipengaruhi oleh unsur karbon dan unsur paduan.

Luasan ini

Unsur

Nikel akan

memperluas daerah austenit, sehingga dikatakan sebagai penyetabil Gamma, sedangkan unsur Krom akan memperkecil daerah austenit, sehingga dikatakan sebagai penyetabil alfa. Cara untuk mengetahui harden ability adalah dengan melakukan pengujian Jominy.

Gambar 4. Spesimen Uji Jominy

Kekerasan (H)

Baik 

Buruk 

Jarak 

G. Literatur

1. Efendy, Hady,´Catatan Kuliah Material Teknik Lanjut´, Prog.Studi Ilmu dan Teknik Material ITB, Bandung, 2000. 2. Efendy, Hady,´Laporan Praktikum Pengujian Heat Treatment dan Jominy´,Laboratorium Metalurgi ITB, Bandung, 2000. 3. Kramer, Hans,´Werkstoffkunde fur Praktiker,3´Vollmer & Co, 1989. 4. Suratman,Rochim,´Materi

Kuliah

Material

Teknik

Lanjut´,

Prog.Studi Ilmu dan Teknik Material ITB, Bandung, 2000. 5. Van

Vlack,

Lawrence,´Elements

of

Materials

Engineering, 5th Ed.´Addison-Wesley, USA,1985.

Science

and

DIAGR AM FASA

Disusun Oleh :

Hady Efendy, ST., MT. 132 233 791

Tulisan ini disajikan dalam rangka Pelatihan Asisten Laboratorium Metalurgi Fisik  Jurusan Mesin Fakultas Teknik  Universitas Hasanuddin Tanggal 20-21 Januari 2003

Devisi Material Jurusan Mesin Fakultas Teknik  Universitas Hasanuddin 2003