BAB IPENDAHULUAN

1.1 Latar BelakangPengenalan bahan teknik mempelajari tentang material-material, cara pembuatan, penerapan di lapangan, dan juga teori-teori mengenai bahan teknik. Salah satunya adalah diagram fasa, dimana melalui diagram fasa dapat diketahui bahan-bahan pada fasa cair, padat, dan gas. Sebagian besar material terdiri dari campuran fasa-fasa, misalnya yaitu baja, solder, semen portland, batu gerinda, cat, dan fiber glass. Campuran dari dua atau lebih fasa dalam satu material memungkinkan terjadinya interaksi pada fasa. Diagram fasa sangat membantu dalam mengatur dan meringkas eksperimental, datapengamatan serta dapat digunakan untuk membuat prediksi tentang proses-proses yang melibatkan reaksi kimia dengan fasa. Kekuatan listrik atau medan magnet dapat diterapkan sebagai pengganti suhu, tekanan, dan komposisi lainnya. Untuk memberikan informasi tentang struktur dan fasa-fasa kesetimbangan khususnya pada dua komponen unsur atau temperatur, maka dapat digunakan satu jenis plot diagram fasa temperatur terhadap konsentrasi relatif dari dua zat dalam biner campuran yang disebut diagram fase biner.Oleh karena itu, disusunlah makalah tentang Diagram fasa dengan spesifikasi diagram fasabiner, agar dapat mempermudah memahami tentang fasa kesetimbangan.

1.2 TujuanAdapun tujuan dari pembuatan makalah ini yaitu untuk mengetahui tentang :1. Diagram fasa kesetimbangan dan fasa pada sistem besi-karbon, serta untuk memenuhi syarat mata kuliah Teknologi Bahan.2. Mengetahui gambaran umum dan spesifikasi diagram fasa khususnya diagram fasaequilibrium dan fasa besi karbon3. Memahami pembacaan untuk diagram fasa.

BAB IILANDASAN TEORI

2.1Dasar TeoriPada umumnya logam tidak berdiri sendiri atau dalam keadaan murni, tetapi lebih banyak dalam keadaan dipadu atau logam paduan dengan kandungan unsur-unsur tertentu sehingga struktur yang terdapat dalam keadaan setimbang pada temperatur dan tekanan tertentu akan berlainan. Kombinasi dua unsur atau lebih yang membentuk paduan logam akan menghasilkan sifat yang berbeda dari logam asalnya. Tujuan pemaduan adalah untuk memperbaiki sifat logam, sifat yang diperbaiki adalah kekuatan, keuletan, kekerasan, ketahanan korosi, ketahanan aus, ketahanan lelah, dll. Komponen-komponen umum diagram fasa adalah garis kesetimbangan, yang merujuk pada garis yang menandakan terjadinya transisi fase. Fasa pada suatu material didasarkan atas daerah yang berbeda dalam struktur atau komposisi dari daerah lainnya. Fasa adalah bagian homogen dari suatu sistem yang memiliki sifat fisik dan kimia yang seragam. Untuk mempelajari paduan dibuatlah kurva yang menghubungkan antara fasa, komposisi dan temperatur. Diagram fasa adalah suatu grafik yang merupakan representasi tentang fasa-fasa yang ada dalam suatu material pada variasi temperatur, tekanan dan komposisi. Pada umumnya diagram fasa dibangun pada keadaan kesetimbangan (kondisinya adalah pendinginan yang sangat lambat). Diagram ini dipakai untuk mengetahui dan memprediksi banyak aspek terhadap sifat material.Informasi penting yang dapat diperoleh dari diagram fasa adalah:1. Memperlihatkan fasa-fasa yang terjadi pada perbedaan komposisi dan temperatur dibawah kondisi pendinginan yang sangat lambat.2. Mengindikasikan kesetimbangan kelarutan padat satu unsur atau senyawa pada unsur lain.3. Mengindikasikan pengaruh temperatur dimana, suatu paduan dibawah kondisi kesetimbangan mulai membeku dan pada rentang temperatur tertentu terjadi pembekuan.4. Mengindikasikan temperatur dimana perbedaan fasa-fasa mulai mencair.2.2Diagram Fasa ( Diagram Keseimbangan ) Seperti pada Diagram Pb Sn adalah diagram fasa yang digunakan sebagai peta yang menunjukkan fasa yang ada pada suhu tertentu dan komposisi paduan pada keadaan keseimbangan, yaitu semua reaksi yang mungkin terjadi telah selesai.

Gambar 2.1 Diagram Pb(Timbal) - Sn(Timah)

Diagram tersebut pada komposisi 50% Sn dan suhu 100C, menunjukkan bahwa terdapat dua fasa padat yaitu fasa dan fasa .

Pada komposisi yang sama pada suhu 200C terdapat fasa dan cairan, sedangkan pada suhu 250C seluruh larutan berupa cairan. Sebaliknya pada komposisi 80% Sn dan suhu 200C terdapat fasa dan cairan, dan pada komposisi 10% Sn dan suhu 200C hanya terdapat fasa saja.Daerah fasa dalam diagram keseimbangan tergantung pada sistem paduannya. Untuk diagram keseimbangan tembaga dan nikel bentuk diagramnya sederhana karena hanya ada satu macam fasa dari kedua logam tersebut.

Gambar 2.2 Diagram Fasa Cu-Ni

Pada bagian bawah dari diagram, semua paduan membentuk satu larutan padat yang terdiri dari satu struktur kristal yaitu kps. Karena tembaga dan nikel mempunyai struktur kristal kps dan ukuran kedua atom hampir sama sehingga tembaga dapat saling menggantikan dalam kristal dengan segala perbandingan pada suhu 1000C.Jenis-jenis pemaduan yaitu sebagai berikut :1. Unsur logam + unsur logam Contoh: Cu + Zn; Cu + Al; Cu + Sn2. Unsur logam + unsur non logam Contoh: Fe + C2.3Tipe Diagram Fasa

Gambar 2.3 Tipe diagram fasaBeikut ini adalah tipe-tipe diagram fasa yaitu :A. Diagram Fasa Tipe 2DDiagram fasa yang paling sederhana adalah diagram tekanan- temperatur dari zat tunggal,seperti air. Sumbu-sumbu diagram berkoresponden dengan tekanan dan temperatur. Diagram fasa pada ruang tekanan-temperatur menunjukkan garis kesetimbangan atau sempadan fase antara tiga fasa yaitu padat, cair, dan gas.

Gambar 2.4 Diagram fasa Tekanan-TemperaturGaris titik-titik merupakan sifat anomali air. Garis berwarna hijau menandakan titik beku dan Garis yang berwarna biru menandakan titik didih yang berubah-ubah sesuai dengan tekanan.Penandaan diagram fase menunjukkan titik-titik dimana energi bebas bersifat non-analitis. Fase-fase dipisahkan dengan sebuah garis non-analisitas, dimana transisi fase terjadi, dan disebut sebagai sempadan fase.Pada diagaram di atas, sempadan fase antara cair dan gas tidak berlanjut sampai takterhingga. Ia akan berhenti pada sebuah titik pada diagaram fase yang disebut sebagai titik kritis. Ini menunjukkan bahwa pada temperatur dan tekanan yang sangat tinggi, fase cair dan gas menjadi tidak dapat dibedakan yang dikenal sebagai fluida super kritis.Pada air, titik kritis ada pada sekitar 647K dan 22,064MPa(3.200,1psi). Keberadaan titik kritis cair-gas menunjukkan ambiguitas pada definisi diatas. Ketika dari cair menjadi gas, biasanya akan melewati sebuah sempadan fase, namun untuk memilih lajur yang tidak melewati sempadan dengan berjalan menuju fase superkritis. Oleh karena itu,fase cair dan gas dapat dicampur terus menerus.Sempadan padat-cair pada diagram fase, kebanyakan zat memiliki gradien yang positif. Hal ini dikarenakan fase padat memiliki densitas yang lebih tinggi dari pada fase cair, sehingga peningkatan tekanan akan meningkatkan titik leleh. Pada beberapa bagian diagram fase air, sempadan fase padat-cair air memiliki gradien yang negatif, yang menunjukkan bahwa es mempunyai densitas yang lebih kecil daripada air.B. Diagram fasa tipe 3DDigunakan untuk membuat grafik tiga dimensi (3D) yang menunjukkan tiga kuantitas termodinamika. Sebagai contoh, untuk sebuah komponen tunggal, koordinat 3D Cartesius dapat menunjukkan temperatur (T), tekanan (P), dan volume jenis (v). Grafik 3D disebut diagram P-V-T. Kondisi kesetimbangan akan ditunjukkan sebagai permukaan tiga dimensi dengan luas permukaan untuk fase padat, cair, dan gas. Garis pada permukaan tersebut disebut garis tripel, di mana zat padat, cair, dan gas dapat berada dalam kesetimbangan. Titik kritis masih berupa sebuah titik pada permukaan bahkan pada diagram fase 3D. Proyeksi ortografi grafik P-V-T 3D yang menunjukkan tekanan dan temperatur sebagai sumbu vertikal dan horizontal akan menurunkan plot 3D tersebut menjadi diagram tekanan-temperatur 2D. Ketika hal ini terjadi, permukaan padat-uap, padat-cair, dan cair-uap akan menjadi tiga kurva garis yang akan bertemu pada titik tripel, yang merupakan proyeksi ortografik garis tripel.

2.4 Batas Daya Larut Padat Pada Logam

Gambar 2.5 Diagram paduan Pb-Sn

Pada diagram bahan padat yang kaya Pb terdapat atom Sn yang larut dalam struktur kps. (Berbeda pada NaCl tidak larut dalam struktur kristal Es dalam jumlah yang berarti). Pada suhu 183C batas daya larut Sn sekitar 29% atom

(19% berat) dalam bahan padat yang kaya Pb. Semakin tinggi suhu larutan padat batas daya larutnya semakin rendah, contoh : Pada 300C ada 10% atom (6% berat) Sn yang larut pada Pb. Demikian halnya pada 183C bahan padat yang kaya Sn dapat mengandung 2.5% berat Pb yang larut pada struktur tpr (Sn). Dimana, (dengan struktur kristal kps) dan (dengan struktur kristal tpr) dari system Pb Sn.

Batas daya larut padat mempunyai harga maksimum pada suhu eutektik. Baik diatas maupun dibawah 183C jumlah Sn yang dapat larut dalam kps yang kaya Pb menurun. Hal yang serupa terjadi pada Pb pada 183C, maksimum 2,5% berat Pb larut dalam tpr yang kaya Sn.2.5Komposisi FasaDiagram keseimbangan selain berguna sebagai peta , juga memberikan komposisi kimia fasa yang terdapat pada keadaan seimbang setelah semua reaksi berakhir.

Gambar 2.6 Komposisi FasaDaerah Fasa TunggalPada fasa tunggal (keseluruhan logam dalam keadaan padat atau cair) komposisi kimianya sesuai dengan paduannya.

Misalnya, Dalam paduan 60Sn dan 40 Pb pada 225C cairan mempunyai komposisi 60 40, hal serupa berlaku untuk diagram fasa dengan larutan padat fasa tunggal.Daerah dua fasaKomposisi kedua fasa terdapat pada kedua ujung garis isotermis yang melintasi daerah dua fasa.

Sebagai contoh paduan timah patri 80Pb 20Sn pada 150C. Pada diagram dapat dilihat bahwa mempunyai komposisi 10% Sn dan komposisi hampir 100% Sn. Namun pada paduan yang sama dan suhu yang berbeda komposisi dan akan berbeda. Hal ini berdasarkan kenyataan bahwa batas larut Sn dalam pada 150C besarnya 10%. Karena paduan adalah 20%Sn maka, jenuh dengan Sn dan kelebihan Sn terdapat pada . Demikian batas daya larut Pb dalam < 1%, maka hampir seluruh Pb berada dalam fasa .Reaksi Eutektik

Cairan yang mempunyai komposisi eutektik (38.1% Pb 61.9% Sn pada system Pb Sn) terurai menjadi fasa padat ( dan ) pada suhu eutektik 183C . Pada suhu ini saja tiga fasa berada dalam keseimbangan. Reaksi eutektik dapat dituliskan sebagai berikut : Didinginkan (ke arah produk)

L S + S Dipanaskan (ke arah reaktan)Catatan : 1,2,3 menunjukkan kadar yang meningkat dari salah satu diantara komponen2.6 Kuantitas FasaDengan melihat diagram fasa maka dapat mengidentifikasi:1. Jenis fasa yang telah stabil/seimbang2. Komposisi kimia3. Kuantitas setiap fasa yang ada dalam keseimbanganDaerah dua fasaKuantitas dari dua fasa ditentukan dengan cara interpolasi komposisi paduan diantara komposisi kedua fasa itu.

Gambar 2.7 Kuantitas Fasa (Paduan Pb Sn)

Sebagai contoh timah patri 80 Pb 20 Sn pada 150C, dari diagram terlihat bahwa komposisi 80 Pb- 20 Sn terletak pada titik sejauh 0.11 x jarak komposisi kimia (90 Pb -10 Sn) dan komposisi kimia (< 1 Pb-100Sn). Sehingga jumlah seluruh patri , fraksi kuantitas = 0.11 dan = 0.89 Jumlah ini dapat ditulis 89% untuk massa dan 11% untuk massa .

Dalam komposisi yang sama (80 Pb 20 Sn) pada 250C dari diagram dapat dilihat bahwa (88 Pb -12 Sn) dan L (64 Pb - 36 Sn). Komposisi kimi paduan ini secara keseluruhan (80 Pb 20 Sn) sama dengan 1/3 jarak antara dan komposisi cairan. Sehingga jumlah patri keseluruhan pada 250C kuantitas fraksi cairan 1/3 bagian dan fraksi padat () 2/3 bagian. Kuantitas dinyatakan dalam fasa dan atau dan L, sesuatu yang beda dengan komposisi kimia yang dinyatakan dalam jumlah komponen Pb dan Sn.Pada Sistem Besi Karbon

Baja merupakan paduan dari besi dan karbon. Besi murni berubah strukturnya pada 912C dari kpr menjadi kps. Pada 1394C berubah lagi dari kps menjadi kpr lagi dan kpr ini stabil sampai besi mencair pada 1538C.

Gambar 2.8 Diagram keseimbangan besi karbon

Gambar 2.9 Kurva pendingin besi murniBerikut ini adalah fase-fase pada diagram besi-karbon yaitu :1. Ferit atau besi - Struktur besi murni pada suhu ruangan disebut ferit atau besi . Ferit mempunyai struktur kpr, ruangan antar atom kecil dan rapat sehingga, sulit menampung atom karbon sekalipun kecil. Oleh sebab itu, daya larut karbon dalam ferit rendah (< 1 karbon per 1000 atom besi).2. Austenit atau besi -

Besi dengan struktur kps disebut Austenit atau besi -. Besi ini stabil pada suhu antara 912C dan 1394C. Austenit mempunyai sifat yang lunak dan ulet sehingga mudah dibentuk. Besi austenit berstruktur kps yang mempunyai jarak atom yang lebih besar dibanding ferit. Meskipun demikian lubang pada strtuktur kps hampir tidak dapat menampung atom karbon dan penyisipan ini menyebabkan regangan dalam struktur. Akibatnya tidak semua lobang dapat diisi atom karbon (6% pada 912C). Daya larut maksimum 2.11% (9% atom) karbon.3. Besi-.

Di atas 1394C austenit bukan bentuk besi yang paling stabil karena struktur kristal berubah dari kps menjadi kpr atau besi-. Besi- sama dengan besi kecuali daerah suhunya. Oleh karena itu, biasa disebut ferit . Daya larut karbon dalam ferit kecil, akan tetapi lebih besar dari pada ferit , karena suhunya lebih tinggi.4. Karbida besi

Pada paduan besi karbon, karbon melebihi daya larut membentuk fasa kedua yang disebut karbida besi (sementit) yang mempunyai kompsisi kimia FeC. Hal ini tidak berarti sementit membentuk molekul molekul FeC, akan tetapi membentuk kisi kristal mengandung atom besi dan karbon dalam perbandingan tiga satu. FeC mempunyai sel satuan ortorombik (semua sudut = 90C dan a b c) dengan 12 atom besi dan 4 atom karbon per sel. Kandungan karbonnya 6.7% (berat) dan berat jenisnya 7,6 Mg/m

Diagram fasa Fe-FeC

Pada gambar bawah terlihat diagram fasa besi (Fe) dan karbida besi (FeC). Diagram ini merupakan landasan untuk memberikan perlakuan panas (kebanyakan jenis baja).

Komposisi eutektik terdapat pada 4.3% (berat) karbon atau 17% atom karbon dan suhu eutektik adalah 1148C. Besi - yang kaya Fe dapat menampung sampai 2.11% (berat) atau 9%(atom) karbon. Atom-atom karbon ini larut secara intersisi dalam besi kps.Reaksi eutektikPada gambar dibawah ini merupakan perbandingan antara penambahan karbon pada austenite dengan penambahan garam pada air. Pada setiap keadaan penambahan bahan yang dilarutkan menurunkan jangkauan suhu stabil larutan.

Gambar 2.12 Grafik penambahan karbon pada austenite dengan penambahan garam pada airPada sistem es-garam, larutan cairan ada diatas suhu eutektik, sedangkan pada sistem besi-karbon terdapat larutan padat sehingga, reaksi eutektik tidak terjadi pada waktu pendinginan. Akan tetapi, karena analogi reaksi ini dengan reaksi eutektik, reaksi ini disebut eutectoid (secara harfiah berarti seperti eutektik). Didinginkan (ke arah produk)

Eutektik : L S + S Dipanaskan (ke arah reaktan)

Didinginkan (ke arah produk)

Euitektoid: S S + S Dipanaskan (ke arah reaktan)

Suhu eutectoid untuk paduan besi karbon adalah 727C. Komposisi eutectoid terdiri sekitar 0.8% karbon. Reaksi eutectoid untuk paduan Fe C adalah :

723C

(0.77%C) ( 0.02% C ) + FeC (6.7% C) Pergeseran EutektoidPada baja paduan atom karbon dan atom besi saling berkoordinasi dengan atom lain. Oleh karena itu, kadar karbon Eutektoid dan suhu Eutektoid berubah bila ada elemen paduan lainnya. Perubahan kadar karbon Eutektoid dan suhu Eutektoid dapat dilihat pada diagram di bawah ini :

Gambar 2.13 Pergeseran Titik EutectoidDekomposisi Austenit

Selama pendinginan terjadi reaksi eutektoid Fe C yang menyangkut pembentukkan feritdan karbida C sebagai hasil dekomposisi austenit berkomposisi eutektoid :

(0.8% C ) + CDalam campuran yang dihasilkan terdapat 12% karbida dan lebih dari 88% ferit. Karena karbida dan ferit terbentuk bersama-sama, keduanya bercampur dengan baik.Dengan kata lain ferit adalah campuran khusus yang terdiri dari dua fasa dan terbentuk pada waktu austenit dengan komposisi eutectoid bertransformasi menjadi ferit dan karbida. Perlit adalah campuran khusus dari dua fasa dan terbentuk pada waktu austenit dengan komposisi eutectoid bertransformasi menjadi ferit dan karbida

12