Phase Transformation

POLITEKNIK MANUFAKTUR ASTRA

PHASE PHASE TRANSFORMATIONTRANSFORMATION

Engineering MaterialEngineering MaterialAgung KaswadiAgung Kaswadi

Material Teknik – Prodi P4

Campuran > adalah material dengan lebih dari satu fasa.

Larutan > fasa dengan lebih dari satu komponen.

Ilustrasi dari fasa dan kelarutan:a.Uap air – cairan – padat

masing-masing adalah fasab.Larut tidak terbatasc.Larut terbatasd.Tidak larut

Material Teknik – Prodi P4

Material Teknik – Prodi P4

Parameter Paduan

Limit kelarutan adalah yang membatasi antara Fasa (antara 1-2 atau lebih).Macamnya: Limit Kelarutan Cairan

Limit Kelarutan Padat

Material Teknik – Prodi P4

Kurva Kelarutan

Material Teknik – Prodi P4

FasaAdalah bagian dari material yang memiliki struktur dan komposisi yang berbeda dari yang lainnya.

Contoh:Es batu = es batu terdiri dari 2 fasa yaitu fasa padat dan fasa cair,meskipun memiliki komposisi yang sama,es batu adalah padatan kristalin dengan kisi heksagonal, sedangkan air adalah cairan.

Material Teknik – Prodi P4

DIAGRAM FASA / DIAGRAM KESETIMBANGAN FASA

Pengertian

Yaitu diagram yang menghubungkan ketiga parameter paduan ( temperature, Komposisi, dan Fasa ).

Fungsi diagram Fasa : untuk menganalisis

Proses pembekuan / pencairan paduan pada berbagai komposisi.

Untuk melihat fasa apa yang akan terjadi pada temperatur dan komposisi tertentu.

Jenis-jenis diagram fasa tergantung pada jenis paduannya, yaitu:•Diagram Fasa Biner•Diagram Fasa Terner.•Diagram Fasa Quartener

Material Teknik – Prodi P4

Diagram Fasa BinerPengertian

Diagram fasa yang terbentuk oleh 2 unsur (paduan biner).

Diagram fasa biner terdiri dari 3 kelompok, yaitu: Diagram fasa yang menunjukan adanya kelarutan yang sempurna

dalam keadaan cair atau padat. Diagram fasa yang menunjukan adnya kelarutan yang terbatas

dalam keadaan padat yang mengandung: Reaksi fasa Eutektik. Reaksi fasa peritektik. Senyawa.

Diagram fasa yang menunjukan adanya ketidaklarutan satu sama lain dalam keadaan padat.

Material Teknik – Prodi P4

DIAGRAM FASA Ag-Cu

Material Teknik – Prodi P4

CRYSTAL STRUCTURE OF IRON

Material Teknik – Prodi P4

DIAGRAM Fe-Fe3C

Material Teknik – Prodi P4

DIAGRAM Fe-Fe3C

Material Teknik – Prodi P4

Fasa-fasa dalam diagram Fe-Fe3C

Cementite

Material Teknik – Prodi P4

Fasa-fasa dalam diagram Fe-Fe3C

Material Teknik – Prodi P4

Fasa-fasa dalam diagram Fe-Fe3C

Material Teknik – Prodi P4

Three Invariant Reactions

Material Teknik – Prodi P4

Eutectoid Steel (Pearlitic steel)

Material Teknik – Prodi P4

Fe

(Austenite)

Eutectoid transformation

C FCC

Fe3C (cementite)

(ferrite)

+(BCC)

Eutectoid Steel (Pearlitic steel)

675°C (T smaller)

1 10 102 103time (s)

0

50

100

y (

% p

earl

ite)

0

50

100

600°C (T larger)

650°C

% a

ust

enit

e

• Reaction rate increases with T.

• Transforming one phase into another takes time.

5

• Reaction rate is a result of nucleation and growth of crystals.

• Examples:

% Pearlite

0

50

100

Nucleation regime

Growth regime

log (time)t50

Nucleation rate increases w/ T

Growth rate increases w/ T

Nucleation rate high

T just below TE T moderately below TE T way below TENucleation rate low

Growth rate high

pearlite colony

Nucleation rate med Growth rate med. Growth rate low

Adapted fromFig. 10.1, Callister 6e.

NUCLEATION AND GROWTH

Material Teknik – Prodi P4

Formation of Pearlitic

Material Teknik – Prodi P4

Hypoeutectoid steel

Material Teknik – Prodi P4

Hypoeutectoid steel (0.38%C)

Material Teknik – Prodi P4

Hypereutectoid steel

Material Teknik – Prodi P4

Hypereutectoid steel (1.4%C)

Material Teknik – Prodi P4

PENGARUH DARI BEBERAPA ELEMEN PADUAN : Belerang (S) dan Phospor (P).

Bila kadar S tinggi baja akan rapuh pada suhu yang tinggi, sebaliknya jika kaar P yang tinggi baja akan rapuh pada suhu yang rendah.

Silisium (Si)Si terdapat pada semua baja, dinamakan elemen paduan jika kadarnya mencapai 0.5%, Adanya Si akan menaikkan batas mulur. Si juga menurunkan kecepatan pendinginan kritis.

Mangan (Mn)Jika kadarnya melebihi 0,6% maka dikatakan sebagai elemen paduan. Semakin tinggi kadar Mn maka akan semakin turun temperature ubah gamma- alpha. Kadar Mn yang sangat kecil; sudah sangat berpengaruh pada kecepatan pendinginan kritis, pada kadar 1 – 1,2% baja sudah dapat dikeraskan dengan oli (baja keras oli).

Crom (Cr)Sama seperti Mn, Cr juga akan menurunkan kecepatan pendinginan kritis. Cr juga dapat membentuk senyawa Crom Karbid yang keras, dan dengan adanya Cr maka material akan tahan aus. Baja dengan kadar Cr mulai 1,5% dapat dikeraskan dengan oli dan pada kadar Cr diatas 13% dengan kadar karbon kurang dari 0,6% maka baja bersifat anti karat.

Nickel (Ni)Ni menurunkan titik ubah gamma- alpha dan menurunkan kecepatan pendinginan kritis. Baja dengan kadar Ni tinggi berstruktur austenit, anti karat, tahan panas dan tidak dapat dikeraskan.

Wolfram (W)Dengan terbentuknya Wolfram Karbid maka akan menaikan kekerasan, kemampuan potong dan sifat tahan aus material baja tersebut. Kecepatan pendinginan kritis tidak terlalu banyak berubah sehingga baja wolfram murni atau elemen paduan yang lain dalam kadar yang rendah merupakan baja keras air.

Vandium (V)Vandium membuat baja menjadi tahan panas, menaikan kemampuan potong dan tahan aus.

Cobalt (Co)Cobalt tidak memiliki pengaruh yang besar terhadap struktur baja, sebagai elemen paduan hanya dapat digunakan jika bersenyawa dengan elemen yang lain.

Material Teknik – Prodi P4

PENGARUH DARI BEBERAPA ELEMEN PADUAN :

Adapted from Fig. 10.15, Callister 6e.

COOLING EX: Fe-C SYSTEM (1)• Co = Ceutectoid• Three histories...

time (s)10 103 10510-1

400

600

800

T(°C)Austenite (stable)

200

P

B

0%

100%50%

A

S

M + AM + AM + A

0%50%90%

100% Bainite

A

100%A 100%B

Case I

Rapid cool to:

350°C

250°C

650°C

Hold for:

104s

102s

20s

Rapid cool to:

Troom

Troom

400°C

Hold for:

104s

102s

103s

Rapid cool to:

Troom

Troom

Troom

• Co = Ceutectoid• Three histories...

time (s)10 103 10510-1

400

600

800

T(°C)Austenite (stable)

200

P

B

0% 100%50%

A

S

M + AM + AM + A

0%50%90%

M + trace of A

A

100%A

Case II

Rapid cool to:

350°C

250°C

650°C

Hold for:

104s

102s

20s

Rapid cool to:

Troom

Troom

400°C

Hold for:

104s

102s

103s

Rapid cool to:

Troom

Troom

Troom

Adapted from Fig. 10.15, Callister 6e.

COOLING EX: Fe-C SYSTEM (2)

Adapted from Fig. 10.15, Callister 6e.

COOLING EX: Fe-C SYSTEM (3)

Rapid cool to:

350°C

250°C

650°C

Hold for:

104s

102s

20s

Rapid cool to:

Troom

Troom

400°C

Hold for:

104s

102s

103s

Rapid cool to:

Troom

Troom

Troom

• Co = Ceutectoid• Three histories...

time (s)10 103 10510-1

400

600

800T(°C)

Austenite (stable)

200

P

B

0%

100%50%

A

S

M + AM + AM + A

0%50%90%

50%P, 50%B

A

50%P, 50%A

50%P, 50%A

100%A

50%P, 50%B

Case III

Adapted from Fig. 10.20, Callister 6e. (Fig. 10.20 based on data from Metals Handbook: Heat Treating, Vol. 4, 9th ed., V. Masseria (Managing Ed.), American Society for Metals, 1981, p. 9.)

Adapted from Fig. 9.27,Callister6e. (Fig. 9.27 courtesy Republic Steel Corporation.)

Adapted from Fig. 9.30,Callister 6e. (Fig. 9.30 copyright 1971 by United States Steel Corporation.)

MECHANICAL PROP: Fe-C SYSTEM (1)

• Effect of wt%C

• More wt%C: TS and YS increase, %EL decreases.wt%C

0 0.5 10

50

100%EL

Impact

energ

y (

Izod,

ft-lb)

0

40

80

300

500

700

900

1100YS(MPa)TS(MPa)

wt%C0 0.5 1

hardness

0.7

7

0.7

7

Co>0.77wt%C Hypereutectoid

Co<0.77wt%C Hypoeutectoid

Pearlite (med)ferrite (soft)

Pearlite (med)Cementite

Hypo HyperHypo Hyper

(hard)

Adapted from Fig. 10.21, Callister 6e. (Fig. 10.21 based on data from Metals Handbook: Heat Treating, Vol. 4, 9th ed., V. Masseria (Managing Ed.), American Society for Metals, 1981, pp. 9 and 17.)

MECHANICAL PROP: Fe-C SYSTEM (2)• Fine vs coarse pearlite vs spheroidite

• Hardness: fine > coarse > spheroidite • %AR: fine < coarse < spheroidite

80

160

240

320

wt%C0 0.5 1

Bri

nell

hard

ness

fine pearlite

coarse pearlitespheroidite

0

30

60

90

wt%C0 0.5 1

Duct

ility

(%

AR

)

fine pearlite

coarse pearlite

spheroidite

Hypo Hyper Hypo Hyper

• Fine Pearlite vs Martensite:

• Hardness: fine pearlite << martensite.

Adapted from Fig. 10.23, Callister 6e. (Fig. 10.23 adapted from Edgar C. Bain, Functions of the Alloying Elements in Steel, American Society for Metals, 1939, p. 36; and R.A. Grange, C.R. Hribal, and L.F. Porter, Metall. Trans. A, Vol. 8A, p. 1776.)

MECHANICAL PROP: Fe-C SYSTEM (3)

0

200

wt%C0 0.5 1

400

600

Bri

nell

hard

ness

martensite

fine pearlite

Hypo Hyper

• reduces brittleness of martensite,• reduces internal stress caused by quenching.

Adapted from Fig. 10.24, Callister 6e. (Fig. 10.24 copyright by United States Steel Corporation, 1971.)

Adapted from Fig. 10.25, Callister 6e. (Fig. 10.25 adapted from Fig. furnished courtesy of Republic Steel Corporation.)

TEMPERING MARTENSITE

• decreases TS, YS but increases %AR

YS(MPa)TS(MPa)

800

1000

1200

1400

1600

1800

304050

60

200 400 600Tempering T (°C)

%AR

TS

YS

%AR

9

m

• produces extremely small Fe3C particles surrounded by

Austenite ()

Bainite ( + Fe3C plates/needles)

Pearlite ( + Fe3C layers + a

proeutectoid phase)

Martensite (BCT phase diffusionless

transformation)

Tempered Martensite ( + very fine

Fe3C particles)

slow cool

moderate cool

rapid quench

reheat

Str

ength

Duct

ilit

y

Martensite T Martensite

bainite fine pearlite

coarse pearlite spheroidite

General Trends

Adapted from Fig. 10.27, Callister 6e.

SUMMARY: PROCESSING OPTIONS