DIAGRAM FASADIAGRAM FASAEdy Septe.SEdy Septe.S

• Dinyatakan berdasarkan struktur mikro Dinyatakan berdasarkan struktur mikro (struktur dan komposisi) yang homogen dari (struktur dan komposisi) yang homogen dari suatu area yang terdapat didalam material. suatu area yang terdapat didalam material.

• Diagram fasa merupakan gambaran Diagram fasa merupakan gambaran secara grafis fasa-fasa yang terdapat secara grafis fasa-fasa yang terdapat didalam suatu material dengan didalam suatu material dengan variabel temperatur, tekanan dan variabel temperatur, tekanan dan komposisi komposisi

Diagram fasa digunakan untuk memahami Diagram fasa digunakan untuk memahami dan memprediksi berbagai aspek dan dan memprediksi berbagai aspek dan perilaku material. Beberapa informasi perilaku material. Beberapa informasi penting yang dapat diperoleh dari diagram penting yang dapat diperoleh dari diagram fasa adalah :fasa adalah :1.1.Fasa-fasa yang terdapat pada material Fasa-fasa yang terdapat pada material

pada berbagai komposisi dan pada berbagai komposisi dan temperatur dibawah kondisi temperatur dibawah kondisi pendinginan lambat.pendinginan lambat.

2.2.Indikasi kesetimbangan kelarutan Indikasi kesetimbangan kelarutan padat dari suatu elemen/senyawa padat dari suatu elemen/senyawa dalam elemen/senyawa lain.dalam elemen/senyawa lain.

3.3.Indikasi temperatur, dimana paduan Indikasi temperatur, dimana paduan didinginkan dari cair (start) hingga didinginkan dari cair (start) hingga padat (solidifikasi) dan rentang padat (solidifikasi) dan rentang temperatur proses solidifikasi terjadi.temperatur proses solidifikasi terjadi.

4.4.Indikasi temperatur dimana terjadi Indikasi temperatur dimana terjadi perubahan fasa padat pada saat perubahan fasa padat pada saat meleleh.meleleh.

• Senyawa murni seperti air dapat berada Senyawa murni seperti air dapat berada dalam fasa padat, cair dan gas, tergantung dalam fasa padat, cair dan gas, tergantung pada kondisi temperatur dan tekanannya. pada kondisi temperatur dan tekanannya.

• Contoh : Contoh : Untuk dua fasa senyawa murni dalam Untuk dua fasa senyawa murni dalam kesetimbangan adalah “segelas air kesetimbangan adalah “segelas air yang berisi balok-balok kecil es”. yang berisi balok-balok kecil es”. Pada kasus ini, air pada fasa padat Pada kasus ini, air pada fasa padat (es) dan cair adalah dua fasa yang (es) dan cair adalah dua fasa yang berbeda dan berdampingan, yang berbeda dan berdampingan, yang dipisahkan oleh batas fasa (phase dipisahkan oleh batas fasa (phase boundary) yaitu permukaan balok es boundary) yaitu permukaan balok es tersebut. tersebut. Selama pemanasan (boiling), air yang Selama pemanasan (boiling), air yang cair dan uap air adalah fasa dalam cair dan uap air adalah fasa dalam keadaan setimbang. keadaan setimbang.

Diagram fasa air pada berbagai temperatur Diagram fasa air pada berbagai temperatur dan tekanan diperlihatkan pada gambar sbb :dan tekanan diperlihatkan pada gambar sbb :

Temperatur H2O, oC

0 100

760

Tekanan H2O, torr

CAIRPA

DAT

GAS

Triple point O,0098 oC

Garis PenguapanGaris Pembekuan

Diagram fasa kesetimbangan Tekanan-Temperatur air murni

Pada diagram fasa Pada diagram fasa tekanan-temperatur tekanan-temperatur air, terdapat air, terdapat triple triple pointpoint pada tekanan pada tekanan rendah (4,579 torr) dan rendah (4,579 torr) dan temperatur rendah temperatur rendah (0,0098 (0,0098 ooC), dimana C), dimana fasa padat, cair dan fasa padat, cair dan uap air terjadi uap air terjadi bersamaan. bersamaan. Fasa cair dan uap Fasa cair dan uap terjadi sepanjang garis terjadi sepanjang garis penguapan dan garis penguapan dan garis pembekuan. pembekuan. Garis-garis ini Garis-garis ini merupakan dua garis merupakan dua garis kesetimbangan fasakesetimbangan fasa

Diagram fasa kesetimbangan tekanan dan Diagram fasa kesetimbangan tekanan dan temperatur juga dapat dibuat untuk zat murni temperatur juga dapat dibuat untuk zat murni

lain. Contohnya adalah diagram fasa besi lain. Contohnya adalah diagram fasa besi murni, seperti terlihat pada gambar murni, seperti terlihat pada gambar

Fe (BCC)

Fe (BCC)

Fe (FCC)

Temp, oC

Tekanan, atm

910 oC

1538 oC

1394 oC

500 oC

2000 oC

1500 oC

1000 oC

10 -12 10 -8 10 -4 10 41

Triple point

UAP

PADAT

CAIR

1

3

2

Diagram fasa kesetimbangan Tekanan-Temperatur besi murni

Pada diagram terlihat Pada diagram terlihat ada 3 triple point : ada 3 triple point : • Triple point pertama Triple point pertama : : besi-besi-, besi-, besi- dan dan uap. uap. • Triple point kedua : Triple point kedua : besi-besi-, besi-, besi- dan dan uap. uap. • Triple point ketiga : Triple point ketiga : besi-besi-, cair dan uap. , cair dan uap.

Besi-Besi- dan besi- dan besi- mempunyai struktur mempunyai struktur kristal BCC, kristal BCC, sedangkan besi-sedangkan besi- memiliki struktur memiliki struktur kristal FCC.kristal FCC.

Fe (BCC)

Fe (BCC)

Fe (FCC)

Temp, oC

Tekanan, atm

910 oC

1538 oC

1394 oC

500 oC

2000 oC

1500 oC

1000 oC

10 -12 10 -8 10 -4 10 41

Triple point

UAP

PADAT

CAIR

1

3

2

Batas fasa dalam keadaan padat mempunyai sifat Batas fasa dalam keadaan padat mempunyai sifat yang sama dengan batas fasa cair-padat. Contoh : yang sama dengan batas fasa cair-padat. Contoh : dibawah kondisi setimbang besi-dibawah kondisi setimbang besi- dan besi- dan besi- terbentuk pada temperatur 910 terbentuk pada temperatur 910 ooC dan tekanan 1 atm. C dan tekanan 1 atm. Diatas 910 Diatas 910 ooC, hanya satu fasa besi-C, hanya satu fasa besi- saja yang saja yang terbentuk dan dibawah 910 terbentuk dan dibawah 910 ooC hanya fasa besi-C hanya fasa besi- saja saja yang terbentukyang terbentuk

GIBBS PHASE RULEGIBBS PHASE RULEBerdasarkan pertimbangan termodinamika, J.W. Gibbs Berdasarkan pertimbangan termodinamika, J.W. Gibbs (1839-1903), Physicist Mathematical dari Yale University (1839-1903), Physicist Mathematical dari Yale University menyatakan persamaan untuk menentukan jumlah fasa menyatakan persamaan untuk menentukan jumlah fasa yang berdampingan, yang dikenal sebagai “Gibbs phase yang berdampingan, yang dikenal sebagai “Gibbs phase rule” sebagai berikut :rule” sebagai berikut :

P + F = C + 2P + F = C + 2

P = Jumlah fasa pada sistem yang berdampingan.P = Jumlah fasa pada sistem yang berdampingan.C = Jumlah komponen dalam sistem.C = Jumlah komponen dalam sistem.F = derajat kebebasanF = derajat kebebasan Aplikasi Gibbs phase rule untuk diagram fasa Aplikasi Gibbs phase rule untuk diagram fasa tekanan-temperatur air murni adalah sebagai tekanan-temperatur air murni adalah sebagai berikut :berikut :

• Pada Pada triple pointtriple point , 3 (tiga) fasa yang , 3 (tiga) fasa yang berdampingan dalam keadaan setimbang dan berdampingan dalam keadaan setimbang dan didalam sistem hanya ada 1 (satu) komponen, didalam sistem hanya ada 1 (satu) komponen, yaitu : air, maka jumlah derajat kebebasannya yaitu : air, maka jumlah derajat kebebasannya dapat ditentukan :dapat ditentukan :

P + F = C + 2P + F = C + 23 + F = 1 + 23 + F = 1 + 2F = 3 – 3 = 0 F = 3 – 3 = 0 ((nol derajat kebebasannol derajat kebebasan))

Temperatur H2O, oC

0 100

760

Tekanan H2O, torr

CAIRPA

DAT

GAS

Triple point O,0098 oC

Garis PenguapanGaris Pembekuan

Karena tidak ada Karena tidak ada variabel (temperatur variabel (temperatur atau tekanan) dapat atau tekanan) dapat berubah dan tetap berubah dan tetap terdapat tiga fasa terdapat tiga fasa yang berdampingan, yang berdampingan, maka triple point ini maka triple point ini dinamakan “invariant dinamakan “invariant point”.point”.

• Perhatikan titik disepanjang kurva Perhatikan titik disepanjang kurva pembekuan cair-padat. Pada berbagai titik pembekuan cair-padat. Pada berbagai titik sepanjang garis (kurva) ini terdapat 2 (dua) sepanjang garis (kurva) ini terdapat 2 (dua) fasa yang berdampingan. fasa yang berdampingan. Dari Gibbs phase Dari Gibbs phase rule diperoleh :rule diperoleh :

P + F = C + 2P + F = C + 2

2 + F = 1 + 22 + F = 1 + 2

F = 3 – 2 = 1 F = 3 – 2 = 1

(satu(satu derajat kebebasan derajat kebebasan))Pada kurva tersebut Pada kurva tersebut terdapat satu derajat terdapat satu derajat kebebasan, artinya : kebebasan, artinya : satu variabel (tekanan satu variabel (tekanan atau temperatur) dapat atau temperatur) dapat dirobah secara bebas dirobah secara bebas dan tetap dan tetap mempertahankan sistem mempertahankan sistem dengan dua fasa yang dengan dua fasa yang berdampingan, Jadi jika berdampingan, Jadi jika tekanan tetap, maka tekanan tetap, maka hanya temperatur yang hanya temperatur yang mempengaruhi mempengaruhi perubahan fasa (menjadi perubahan fasa (menjadi fasa cair atau fasa fasa cair atau fasa padat).padat).

Temperatur H2O, oC

0 100

760

Tekanan H2O, torr

CAIRPA

DAT

GAS

Triple point O,0098 oC

Garis PenguapanGaris Pembekuan

• Perhatikan satu titik didalam satu fasa air Perhatikan satu titik didalam satu fasa air tersebut !, artinya hanya ada satu fasa (P=1), tersebut !, artinya hanya ada satu fasa (P=1), lalu dari persamaan :lalu dari persamaan :

P + F = C + 2P + F = C + 21 + F = 1 + 21 + F = 1 + 2F = 3 – 1 = 2 F = 3 – 1 = 2 (dua(dua derajat kebebasan derajat kebebasan))

Hasil ini memperlihatkan Hasil ini memperlihatkan bahwa dua variabel bahwa dua variabel (tekanan dan temperatur) (tekanan dan temperatur) dapat divariasikan secara dapat divariasikan secara bebas, dan sistem akan bebas, dan sistem akan tetap berada dalam fasa tetap berada dalam fasa tunggal (single phase).tunggal (single phase).

Temperatur H2O, oC

0 100

760

Tekanan H2O, torr

CAIRPA

DAT

GAS

Triple point O,0098 oC

Garis PenguapanGaris Pembekuan

ISOMORPHOUS BINARY ISOMORPHOUS BINARY ALLOY SISTEMALLOY SISTEM

• Perhatikan paduan dua logam murni ! Perhatikan paduan dua logam murni ! • Paduan dua logam ini disebut binary Paduan dua logam ini disebut binary

alloy dan terdiri dari dua komponen, alloy dan terdiri dari dua komponen, karena masing-masing unsur logam karena masing-masing unsur logam dalam paduan ini terdiri dari komponen dalam paduan ini terdiri dari komponen yang berbeda. yang berbeda.

• Jadi Jadi tembaga murnitembaga murni adalah sistem satu adalah sistem satu komponen, sebaliknya komponen, sebaliknya paduan tembaga-paduan tembaga-nikelnikel adalah sistem dua-komponen. adalah sistem dua-komponen.

• Kadangkala senyawa dalam paduan juga Kadangkala senyawa dalam paduan juga dianggap sebagai komponen yang berbeda.dianggap sebagai komponen yang berbeda.– Contoh : baja karbon (plain carbon steels) yang Contoh : baja karbon (plain carbon steels) yang

memiliki kandungan utama besi dan karbida besi memiliki kandungan utama besi dan karbida besi adalah sistem dengan dua komponen.adalah sistem dengan dua komponen.

• Pada beberapa sistem binary logam, dua Pada beberapa sistem binary logam, dua unsur dapat larut, baik dalam keadaan cair unsur dapat larut, baik dalam keadaan cair atau padat. atau padat.

• Pada sistem seperti ini, hanya satu jenis Pada sistem seperti ini, hanya satu jenis struktur kristal terdapat untuk semua struktur kristal terdapat untuk semua komposisi dari komponen tersebut. Oleh komposisi dari komponen tersebut. Oleh karena itu disebut sebagai sistem karena itu disebut sebagai sistem isomorphous.isomorphous.

• Untuk dua unsur yang mempunyai Untuk dua unsur yang mempunyai kelarutan padat sempurna satu sama kelarutan padat sempurna satu sama lain, biasanya memenuhi satu atau lebih lain, biasanya memenuhi satu atau lebih kondisi yang diformulasikan oleh William kondisi yang diformulasikan oleh William Hume Rothey (1899-1968) metallurgist Hume Rothey (1899-1968) metallurgist Inggris, yang dikenal sebagai kaidah Inggris, yang dikenal sebagai kaidah kelarutan padat Hume Rothey :kelarutan padat Hume Rothey :1.1. Struktur kristal masing-masing unsur dari Struktur kristal masing-masing unsur dari

larutan padat tersebut harus sama.larutan padat tersebut harus sama.2.2. Ukuran atom masing-masing unsur tidak Ukuran atom masing-masing unsur tidak

berbeda lebih dari 15 %.berbeda lebih dari 15 %.3.3. Unsur-unsur tersebut mempunyai valensi Unsur-unsur tersebut mempunyai valensi

yang sama.yang sama.4.4. Unsur-unsur tersebut tidak membentuk Unsur-unsur tersebut tidak membentuk

senyawa satu dan lainnya.senyawa satu dan lainnya.

• Contoh isomorphous binary alloy sistem : sistem Cu-Ni. Contoh isomorphous binary alloy sistem : sistem Cu-Ni. • Diagram fasa sistem ini : temperatur (ordinat) dan % Diagram fasa sistem ini : temperatur (ordinat) dan %

wt komposisi kimia (absis), seperti gambar. wt komposisi kimia (absis), seperti gambar.

T, oC

Cu % wt Ni Ni

0 100

C+

LarutanPadat

Cair

1455 oC

1084 oC

LIQUIDUS

SOLIDUS1300 oC

7525 50

• Diagram ini diperoleh berdasarkan Diagram ini diperoleh berdasarkan pendinginan lambat pada tekanan pendinginan lambat pada tekanan atmosfiratmosfir

T, oC

Cu % wt Ni Ni

0 100

C+

LarutanPadat

Cair

1455 oC

Wo=53 %

WS=58 %

Wl=45 %

1084 oC

1300 oC

7525 50

a

TIE LINE

Diagram fasa Diagram fasa biner untuk biner untuk komponen komponen dimana terjadi dimana terjadi kelarutan kelarutan sempurna sempurna antara satu dan antara satu dan lainnya dalam lainnya dalam keadaan padat keadaan padat dapat dapat digambarkan digambarkan dengan dengan serangkaian serangkaian kurva kurva pendinginan pendinginan cair – padat, cair – padat, seperti seperti diperlihatkan diperlihatkan untuk sistem untuk sistem Cu-Ni pada Cu-Ni pada gambar gambar

CuMurni

80%Ni50%

Ni20%Ni

NiMurni

1500

1400

1300

1200

1100

T, oC

waktu

DC

BA

L3

L2

L1

S3

S2

S1

T, oC

Cu % wt Ni Ni0 10

0

LarutanPadat

Cair

1455 oC

Cair +

1084 oC

LIQUIDUS

SOLIDUS

1300 oC

8020 50

S1

L1 S2

S3

L2

L3

Pada gambar terlihat bahwa kurva Pada gambar terlihat bahwa kurva pendinginan untuk logam murni pendinginan untuk logam murni mempunyai garis horizontal termal yang mempunyai garis horizontal termal yang tertahan pada titik pembekuannya (garis tertahan pada titik pembekuannya (garis AB dan CD). Sedangkan larutan padat AB dan CD). Sedangkan larutan padat biner diperlihatkan oleh perubahan sudut biner diperlihatkan oleh perubahan sudut (slope) antara garis liquidus dan solidus (slope) antara garis liquidus dan solidus pada kurva pendinginan tersebut pada kurva pendinginan tersebut

THE LEVER RULETHE LEVER RULE

T, oC

A Fraksi berat B B

0 1

LarutanPadat

Cair

Cair +

T

WsWl Wo

S1

L

X

S

Persen berat fasa dalam daerah dua fasa pada Persen berat fasa dalam daerah dua fasa pada diagram fasa biner dapat dihitung dengan diagram fasa biner dapat dihitung dengan menggunakan kaidah batang (lever rule). menggunakan kaidah batang (lever rule).

Persamaan untuk memperoleh Persamaan untuk memperoleh persamaan kaedah batang ini, yaitu :persamaan kaedah batang ini, yaitu :

• Persamaan pertamaPersamaan pertama : Jumlah fraksi berat : Jumlah fraksi berat fasa cair (Xl) dan fraksi berat fasa padat fasa cair (Xl) dan fraksi berat fasa padat (Xs) sama dengan 1, maka :(Xs) sama dengan 1, maka :

XL + XS = 1XL + XS = 1

XL = 1 - XS XL = 1 - XS

XS = 1 - XL XS = 1 - XL

• Persamaan keduaPersamaan kedua : Kesetimbangan berat B : Kesetimbangan berat B dalam paduan adalah jumlah B dalam dua dalam paduan adalah jumlah B dalam dua fasa berbeda. Jika berat paduan adalah 1 fasa berbeda. Jika berat paduan adalah 1 gram, maka kesetimbangan beratnya adalah gram, maka kesetimbangan beratnya adalah ::

Berat (gr) B dalam fasa campuran = Berat B dalam fasa cair + Berat B dalam fasa padatBerat (gr) B dalam fasa campuran = Berat B dalam fasa cair + Berat B dalam fasa padat

Fraksi berat fasa

campuran

Berat fasa campuranBerat fasa campuran

Jadi : WJadi : WOO = X = XLL W WLL + X + XSS W WSS

Substitusi : Substitusi : XXLL = = 1 - X1 - XSS MakaMaka : W : WOO = (1 - X = (1 - XSS ) W ) WLL + + XXSS W WSS

WWOO = W = WLL – X – XSS W WLL + X + XSS WWSS

XXSS W WSS - X - XSS W WLL = W = WOO – – WWLL . . XXSS (W (WSS - W - WLL ) = W ) = WOO – – WWLL . .

Sehingga fraksi berat fasa Sehingga fraksi berat fasa padat : padat : XXSS = ( W = ( WOO – W – WLL / W / WSS - - WWLL ) )

Berat (gr) B dalam fasa campuran = Berat B dalam fasa cair + Berat B dalam fasa padatBerat (gr) B dalam fasa campuran = Berat B dalam fasa cair + Berat B dalam fasa padat

(1 gr) . (1 gr) . (1)(1). . ( % ( % WOWO /100) /100) = (1gr) . = (1gr) . ((XLXL)) . . ( % ( % WLWL /100) /100) + (1gr) . + (1gr) . ((XSXS)) . . ( % ( % WSWS /100) /100)

Berat fasa cairBerat fasa cair Berat fasa padatBerat fasa padat

Fraksi berat

fasa cair

Fraksi berat

fasa padatFraksi berat B

dalam fasa padat

Fraksi berat Bdalam fasa

cair

Fraksi berat Bdalam fasa campuran

T, oC

A Fraksi berat B

B0 1

Larutan

Padat

Cair

Cair +

T

WsWl Wo

S1

L

X

S

• Dengan cara yang sama :Dengan cara yang sama :

WWOO = X = XLL W WLL + X + XSS W WSS

XXSS = 1 - X = 1 - XLL

WWOO = X = XLL W WLL + (1 - X + (1 - XLL ) W ) WSS

WWOO = X = XLL W WLL + W + WSS - X - XLL W WSS

XXLL W WSS - X - XLL W WLL = W = WSS – W – WOO

XXLL (W (WSS - W - WLL ) = W ) = WSS – W – WOO

• Jadi fraksi berat fasa cair : Jadi fraksi berat fasa cair :

XXLL = ( W = ( WSS – W – WOO / W / WSS - W - WLL ) )

T, oC

A Fraksi berat B

B0 1

Larutan

Padat

Cair

Cair +

T

WsWl Wo

S1

L

X

S

T, oC

Cu % wt Ni Ni

0 100

C+

LarutanPadat

Cair

1455 oC

Wo=53 %WS=63 %

Wl=35 %

1084 oC

1300 oC

7525 50

a

TIE LINE

Contoh :Contoh :Paduan tembaga Paduan tembaga nikel yang nikel yang mengandung 47 % mengandung 47 % Cu dan 53 % Ni pada Cu dan 53 % Ni pada 1300 1300 ooC. C. a. Tentukan fraksi a. Tentukan fraksi berat Cu dalam fasa berat Cu dalam fasa cair dan padat. cair dan padat. b. Tentukan persen b. Tentukan persen berat paduan ini berat paduan ini sebagai cairan dan sebagai cairan dan padatan.padatan.

α

α

αc

• Penyelesaian :Penyelesaian :Dari gambar diagram fasa Cu-Ni, pada temperatur 1300 Dari gambar diagram fasa Cu-Ni, pada temperatur 1300 ooC diperoleh :C diperoleh :Pada liquidus : 55 % Cu, Pada solidus : 42 % Cu. Pada liquidus : 55 % Cu, Pada solidus : 42 % Cu. Jadi pada tie line : WO = 53 % Ni, WL = 45 % Ni dan WS = Jadi pada tie line : WO = 53 % Ni, WL = 45 % Ni dan WS = 58 % Ni.58 % Ni.

• Fraksi berat fasa cair : Fraksi berat fasa cair : XXLL = ( W = ( WSS – W – WOO / W / WSS - W - WLL ) )XXLL = ( 58 – 53 / 58 - 45 ) = ( 58 – 53 / 58 - 45 )XXLL = ( 5 / 13 ) = 0,38. = ( 5 / 13 ) = 0,38.

Persen berat fasa cair = 0,38 . 100 % = 38 %.Persen berat fasa cair = 0,38 . 100 % = 38 %.• Fraksi berat fasa padat : Fraksi berat fasa padat :

XXSS = ( W = ( WOO – W – WLL / W / WSS - W - WLL ) )XXLL = ( 53 – 45 / 58 - 45 ) = ( 53 – 45 / 58 - 45 )XXL L = ( 8 / 13 ) = 0,62. = ( 8 / 13 ) = 0,62.

Persen berat fasa cair = 0,62 . 100 % = 62 %.Persen berat fasa cair = 0,62 . 100 % = 62 %.

DIAGRAM FASADIAGRAM FASA

DIAGRAM FASADIAGRAM FASA

DIAGRAM FASA BESI-KARBONDIAGRAM FASA BESI-KARBON

REAKSI FASAREAKSI FASA

Peritektik : Peritektik : + L + L Eutektik : Eutektik : L L + + FeFe33CCEutektoid : Eutektoid : + + FeFe33CC

Contoh 1.

T1. 100 % CairT2. Pengintian fasa T3. terbentuk 100 % T4. Pengintian fasa T5. terbentuk 100 % T6. Pengintian fasa T7. Fasa 100%

Q & AQ & A