Slide i Metalurgi Fisik i

  • Upload
    fraroza

  • View
    1.050

  • Download
    20

Embed Size (px)

DESCRIPTION

metalurgi fisik1

Citation preview

METALURGI FISIK IProses reduksi bijih besi Proses pembuatan baja Struktur, sistim dan cacat kristal Pengamatan metalografi Diagram fasa Perlakuan panas Efek strain hardening Sifat-sifat mekanis dan pengujiannya

KLASIFIKASI LOGAMFERROUS :Fe u 50 % diklasifikasikan menjadi : - Baja : 1. Menurut kadar C (plain carbon steel) : Baja karbon rendah Baja karbon sedang Baja karbon tinggi 2. Menurut penggunaannya 3. Menurut perlakuan panas - Besi tuang : 1. Besi tuang kelabu 2. Besi tuang putih 3. Besi tuang berbintik 4. Besi tuang mampu tempa 5. Besi tuang bergrafit bulat

Non Ferrous : Fe < 50 %, diklasifikasikan menjadi : -. Aluminium (Al) - Magnesium (Mg) - Tembaga (Cu) - Kuningan / brass (Cu Zn) - Perunggu / bronze (Cu Sn) - Timah putih (Sn) - Timah hitam (Pb) - Seng (Zn) - Nikel (Ni) - dsb

PERBEDAAN BAJA DAN BESI Dapat ditinjau dari : 1. Komposisi kimia 2. Sifat-sifat mekanis 3. Proses pembuatannya

BESI BAJA 2 % < C < 6,67 % 0,002 % < C < 2 % Mn < 1 % Mn < 1 % Si = 1 3 % Si < 1 % P < 0,05 % P < 0,05 % S < 0,05 % S < 0,05 % ------------------------------------------------------------------------------------------- Keras dan getas - Dapat dibentuk secara plastis - Meredam getaran - Meneruskan getaran ------------------------------------------------------------------------------------------- Proses pembuatannya - Proses pembuatannya secara secara reduksi oksidasi

PROSES PEMBUATAN BESI BAJABijih Besi Pemurnian & aglomerisasi Pelet (oksida besi) / Fe2O3, Fe3O4 Reduksi Fe (besi murni) casting oksidasi Besi tuang Baja casting Baja tuang

REDUKSI BIJIH BESIBesi diperoleh dari mineral bijih besi yang terdiri dari : Hidroksida (Fe 20 50 %) dapat berupa : - Goetmit (Fe2O3.H2O) - Limonit (2Fe2O3.3H2O) - Laterit (Fe2O3.xH2O) Oksida (Fe 40 70 %) - Magnetit (Fe2O3) - Hematit (Fe3O4) Karbonat (Fe 30 40 %) - FeCO3 - CaCO3 Unsur-unsur lain : SiO2, P, S dll

Bijih besi mengalami proses pemurnian (dipisahkan dari unsurunsur pngotor), setelah itu dilakukan proses aglomerisasi (penggumpalan) membentuk oksida-oksida besi dari magnetit atau hematit. Oksida-oksida besi tsb diproses / dipanaskan dan ditekan membentuk pelet (bulat berdiameter 2 mm) dan dapat juga berupa sinter (bentuknya tidak beraturan) Pelet (Fe2O3. Fe3O4) kemudian dilakukan proses reduksi, yang secara garis besar perubahannya adalah sbb : Fe3O4 Fe Fe Fe2O3

KLASIFIKASI REDUKSI BIJIH BESIReduksi Tidak Langsung : dilakukan dalam dapur yang disebut dapur tinggi (blast furnace). I I. Stack II. Saucher Bosch II III. Bosch III IV besi cair (pig iron) ditiupkan udara panas Pada stack, feed (umpan) dimasukkan berselang seling mulai dari pelet, batu kapur, kokas demikian seterusnya IV. Hearth

REAKSI REDUKSI TIDAK LANGSUNG- Pada bagian bosch terjadi reaksi pembuatan gas reduktor : FeO + CO p Fe + CO2 CO2 + C p 2 CO FeO + C p Fe + CO (gas reduktor) - Pada bagian stack terjadi reaksi reduksi : 3 Fe2O3 + CO p 2 Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO p 3 FeO + CO2 FeO + CO p Fe + CO2 3 Fe2O3 + 9 CO p 6 Fe + 9 CO2 Fe (besi murni) yang diperoleh ini adalah dalam fasa cair (pig iron)

Reduksi Langsung. Disebut dengan proses HYL.(Hoyalanta). Gas reduktor yang digunakan berasal dari LNG (gas alam cair) :CH4 yang direaksikan dengan uap air panas (H2O) sebagai berikut : CH4 + H2O p CO + 3 H2 (gas reduktor) Gas reduktor tersebut digunakan untuk mereduksi pelet : Fe2O3 + 3 H2 p 2 Fe + 3 H2O atau Fe2O3 + 3 CO p 2 Fe + 3 CO2 Besi yang dihasilkan berbentuk padatan (sponge iron)

PERBEDAAN REDUKSI LANGSUNG & TIDAK LANGSUNGReaksinya berbeda, pada reduksi tidak langsung Fe diperoleh dari beberapa tahap reaksi, pada reduksi langsung dengan 1 tahap reaksi dapat diperoleh Fe murni Hasil akhirnya berbeda, output dari reduksi tidak langsung adalah besi dalam keadaan cair (pig iron), output dari reduksi langsung adalah besi dalam keadaan padat (sponge iron) Sumber gas reduktornya berbeda, reduksi tidak langsung menggunakan kokas untuk menghasilkan gas reduktor CO, reduksi langsung menggunakan CH4 untuk menghasilkan gas reduktor CO dan H2

Kualitasnya berbeda, reduksi langsung menghasilkan besi dengan kualitas yang lebih baik daripada reduksi tidak langsung. Karena reduksi tidak langsung menggunakan kokas untuk menghasilkan gas reduktor. Kokas berasal dari batubara yang mengandung Sulfur (S), dimana S tsb dapat ikut masuk ke dalam besi hasil reduksi yang mengakibatkan besi mengalami hot shortness (retak panas)

PROSES PEMBUATAN BAJAMelalui proses oksidasi yang tujuannya : 1. Mengurangi % C dalam besi : C + O2 2. Menambahkan unsur-unsur paduan 3. Mengurangi gas-gas yang larut untuk mencegah kegetasan dalam baja

CO2

KRISTAL LOGAMKristal adalah susunan atom-atom yang teratur dimana keteraturannya selalu berulang dalam pola 3 dimensi. Yg tidak teratur : amorf Kristal logam diklasifikasikan menjadi : Sistim kristal Struktur kristal SISTIM KRISTAL c a F E K

b

SISTIM KRISTAL : Bentuk bangun / pola

3 dimensi yang terbentuk akibat adanya keteraturan atom-atom di dalam kristal logam. dalam pola 3 dimensi (di dalam sistim kristal)

STRUKTUR KRISTAL : Susunan / posisi atom-atom di

Berdasarkan parameter-parameter yang ada maka sistim kristal diklasifikasikan menjadi 7 macam : 1. Triklin : a # b # c ; E # F # K # 90o 2. Monoklin : a # b # c ; E = K = 90o # F 3. Ortorombik: a b # c, E = F = K = 90o 4. Rhombohedral (trigonal) : a = b = c, E = F = K 90o 5. Hexagonal : a = b # c, E = F = 90o, K = 120o 6. Tetragonal : a = b # c, E = F = K = 90o 7. Cubic : a = b = c, E = F = K = 90o a, b, c = rusuk-rusuk bangun 3 dimensi disebut dg konstanta kisi , , = sudut-sudut antara konstanta kisi Umumnya logam-logam penting mempunyai sistim kristal kubus (cubic) dan hexagonal.

STRUKTUR KRISTALUntuk sistim kristal cubic terdapat 2 macam struktur kristal yaitu FCC dan BCC sedangkan untuk sistim kristal hexagonal dikenal struktur kristal CPH FCC (Face Centered Cubic) / Kubus Pemusatan Sisi Mempunyai kerapatan atom = 0,74 Lunak dan ulet Mudah dibentuk karena mempunyai bidang geser yang cukup banyak Contoh logam yang mempunyai struktur kristal FCC adalah Al, Ni, Cu, Au, Ag, Pt, Pb, Fe(K)

BCC (Body Centered Cubic) / Kubus Pemusatan Ruang Mempunyai kerapatan atom = 0,68 Kuat dan keras Sulit dibentuk karena mempunyai sedikit bidang geser Contoh logam yang mempunyai struktur kristal BCC adalah Cr, Fe(E), Fe(H), Mo, V dan Na CPH (Closed Packed Hexagonal) / Heksagonal Tumpukan Padat Mempunyai kerapatan atom = 0,74 Lunak dan ulet Mudah dibentuk Contoh logam yang mempunyai struktur kristal CPH adalah Mg, Be, Zn, Cd, Hf dan Ti

CACAT KRISTALDalam penyusunannya ternyata atom-atom dalam kristal tidak seluruhnya membentuk keteraturan yang sempurna. Ketidaksempurnaan itu disebut cacat kristal yang dapat berupa : Cacat titik Cacat garis Cacat bidang atau volume Cacat-cacat kristal tersebut dapat mengganggu keteraturan susunan atom-atom setempat.

CACAT TITIKa. Atom kosong (vacancy) : 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 c. Atom pengganti (substitusi) : 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Fe dapat digantikan oleh Cr,Ni

b. Atom sisipan (interstisi) : 0 0 0 0 0 0* 0 0 0 0 0 0 Fe dapat disisipkan dengan C, N,H

CACAT GARIS (DISLOKASI)a. Edge Dislocation (dislokasi sisi)

b.

Screw Dislocation (dislokasi ulir) :

CACAT BIDANG / VOLUME : BATAS BUTIRCATATAN : -Butir yang besar mengakibatkan sifat logam menjadi lunak -Butir yang kecil / halus mengakibatkan sifat logam menjadi keras / kuat

Batas butir merupakan daerah yang mobile / mudah bergerak yang mengakibatkan semua proses perubahan atom/metalurgi selalu berawal dari batas butir misalnya perubahan fasa, pergerakan dislokasi, pertumbuhan butir.

Butir yang halus / kecil artinya mempunyai batas butir yang banyak, dimana batas butir ini menjadi penghalang bagi pergerakan dislokasi. Makin banyak penghalang / hambatan terhadap pergerakan dislokasi maka logam menjadi kuat. HAMBATAN TERHADAP PERGERAKAN DISLOKASI CUKUP BANYAK Oleh karena itu untuk meningkatkan kekuatan logam dapat ditempuh dengan cara antara lain: menambah unsur paduan, menghaluskan butir yang semuanya dapat menjadi hambatan terhadap pergerakan dislokasi KUAT

Gambaran butir / batas butir dapat diperoleh melalui pengamatan metalografi dengan tahapan pengujiannya sebagai berikut : 1. Pemotongan sampel 2. Grinding 3. Polishing 4. Pencucian 5. Etsa 6. Pembersihan 7. Pengeringan 8. Pengamatan dengan mikroskop optik / elektron

DIAGRAM FASA LOGAMDisebut juga dengan diagram kesetimbangan atau diagram konstitusional. Tujuan mempelajari diagram fasa : Mengetahui komposisi kimia suatu paduan Mengetahui jumlah relatif fasa suatu paduan pada temperatur tertentu Mengetahui perubahan-perubahan struktur mikro yang terjadi pada suatu paduan akibat proses perlakuan panas Mengetahui temperatur cair suatu paduan (khususnya pada proses peleburan logam untuk proses pengecoran) Mengetahui temperatur perlakuan panas suatu paduan Mengetahui temperatur pembentukan fasa suatu paduan

KLASIFIKASI DIAGRAM FASADiagram fasa 1 komponen / 1 unsur : misalnya untuk airpadatcair

Tek

gas

Temp

Diagram fasa biner (paduan 2 unsur) Diagram fasa tersier (paduan 3 unsur)

DIAGRAM FASA BINERDigambarkan dengan grafik sebagai berikut : (pada tekananan konstan 1 atmosfir) Temp

30 %B 70 %A

(100%)

A

10

20

30

B

(100% B)

% berat B Berat total A dan B = 100 %

KLASIFIKASI DIAGRAM FASA BINERTipe I : dua logam larut sempurna dalam keadaan cair dan padat Tipe II : dua logam larut sempurna dalam keadaan cair dan tidak larut sempurna dalam keadaan padat Tipe III : dua logam larut sempurna dalam keadaan cair dan larut sebagian dalam keadaan padat Tipe IV : dua logam membentuk fasa intermediate dengan titik lebur kongruen Tipe V : dua logam membentuk reaksi peritektik Tipe VI : dua logam membentuk reaksi monotektik Tipe VII : dua logam tidak terlarut sempurna dalam keadaan cair dan padat Diagram fasa Fe Fe3C

DIAGRAM FASA BINER TIPE IDua logam larut sempurna dalam keadaan cair dan padat. Contoh Cu - NiGaris liquidus TA

L+L TB Garis solidus Fasa lumpur

L = fasa liquid =fasa padat (solid solution) TA = temperatur awal logam A mulai mencair TB = temperatur awal logam B mulai mencair

A

B

DIAGRAM FASA BINER TIPE IIDua logam larut sempurna dalam keadaan cair dan tidak larut sempurna dalam keadaan padat. Contoh Al SiTA TE L+A L L+B B+E A+ B A XE TA = Temp cair Logam A TB TB = Temp cair logam B E = fasa eutektik (fasa campuran A dan B B Komposisi hypoeutektik : A - XE Komposisi hypereutektik : XE - B

A+ E

+B Reaksi Eutektik : L TE = Temperatur terjadinya reaksi eutektik XE = Komposisi kimia fasa eutektik

DIAGRAM FASA BINER TIPE IIIDua logam larut sempurna dalam keadaan cair dan larut sebagian dalam keadaan padat. Contoh : Pb Sb, Al CuTA+L

L +Lf e

TB

= solid solution (larutan padat yang kaya akan unsur A = solid solution (larutan padat yang kaya akan unsur B =

TE

+E+

+E XEd b

A

a c

B

a = kelarutan B dalam pada temperatur kamar b = kelarutan A dalam pada temperatur kamar c = kelarutan max B dalam pada temperatur TE d = kelarutan max A dalam pada temperatur TE

%B a e = garis solvus (kelarutan B dalam ) b f = garis solvus (kelarutan A dalam ) Reaksi eutektik : L +

DIAGRAM FASA BINER TIPE IVDua logam membentuk fasa intermediate dengan titik lebur kongruen. Contoh Mg Sn membentuk fasa intermediate Mg2SnTAxBy TAA+L A + E1

LB+L

TB

LAxBy+L

AxBy+L

Titik lebur kongruen : TAxByAxBy + E2 B + E2

Fasa intermediate : AxBy

AxBy + E1

A AxBy Reaksi eutektik 1 : LReaksi eutektik 2 : L

B A + AxBy B + AxBy

DIAGRAM FASA BINER TIPE VDua logam membentuk reaksi peritektik. Contoh Pt - AgTA +L +L TB + A %B B L

Reaksi peritektik : + L

DIAGRAM FASA BINER TIPE VIDua logam membentuk reaksi monotektik. Contoh Cu - PbL1 L1+L2 m A+L2 +L2 A+ E L2

Reaksi monotektik : L1 Reaksi eutektik : L2

A + L2 A+

DIAGRAM FASA BINER TIPE VIIDua logam tidak larut sempurna dalam keadaan cair dan tidak larut sempurna dalam keadaan padat. Contoh Al - PbL1 L1+L2 + L2 + A B L2

%B

JENIS-JENIS REAKSI FASA YANG TERDAPAT PADA DIAGRAM FASA LOGAM1. REAKSI MONOTEKTIK : L1L1 L2 + Solid

L2 + Solid

2.

REAKSI EUTEKTIK : LL Solid 1 + solid 2

Solid 1 + Solid 2

3.

REAKSI EUTEKTOID : Solid 1Solid 1

Solid 2 + Solid 3

Solid 2 + Solid 3

3.

REAKSI PERITEKTIK : L + Solid 1L + Solid 1 Solid 2

Solid 2

4.

REAKSI PERITEKTOID : Solid 1 + Solid 2Solid 1 + Solid 2

Solid 3

Solid 3

DIAGRAM FASA Fe Fe3CMerupakan diagram fasa antara unsur Fe dengan C1535

+L +

L +L1130

1490

L+Fe3C

1390 0,10 0.5 0.18

T (oC)910

+ Fe3C+723

0,002%

+ Fe3C6,67

Fe

0,02

0,8

2

4,3

%C

Fe3C

Merupakan diagram fasa yang penting untuk besi baja karena : Dapat menggambarkan fasa-fasa yang terjadi pada besi baja pada temperatur dan komposisi tertentu Merupakan dasar referensi untuk menentukan temperatur perlakuan panas besi baja (di daerah austenit / ) Menggambarkan dengan jelas perbedaan antara besi dan baja ditinjau dari komposisi C dan fasa-fasa / struktur mikro yang terjadi

REAKSI-REAKSI FASA YANG TERJADI PADA DIAGRAM FASA Fe Fe3C1. REAKSI EUTEKTOID (723oC , 0,8 %C) + Fe3C 2. REAKSI EUTEKTIK (1130oC , 4,3 %C) + Fe3C L REAKSI PERITEKTIK (1490oC , 0,18 %C) +L

3.

Baja mengandung 0,002 %C s/d 2 % C dan diklasifikasikan menjadi Baja hypoeutektoid (0,002 s/d 0,8 %C) Baja hypereutektoid (0,8 s/d 2 % C) Besi mengandung 2 s/d 6,67 % C dan diklasifikasikan menjadi : Besi hypoeutektik (2 s/d 4,3 %C) Besi hypereutektik (4,3 s/d 6,67 %C)

SIFAT ALLOTROPI BAJABila didinginkan perlahan-lahan pada daerah baja dengan kadar C yang sangat rendah (di daerah )maka Fe (baja) akan mempunyai sifat allotropi yaitu mengandung lebih dari satu tipe struktur kristal tergantung dari temperaturnya Tk 723oC : fasa , mempunyai struktur kristal BCC (magnetik) 723oC 910oC : fasa , struktur kristal BCC (non magnetik) 910oC 1390oC : fasa , struktur kristal FCC (non magnetik) 1390oC 1535oC : fasa , struktur kristal BCC (magnetik) Logam-logam lain yang bersifat allotropi Sn, Mg, Co, C (intan/grafit) Perubahan struktur kristal ini disebabkan karena konstanta kisi setiap struktur pada setiap fasa berbeda-beda ( = 2,93 A, =3,65 A, = 2,87 A )

JENIS-JENIS FASA PADA DIAGRAM Fe Fe3C = ferit ; merupakan larutan padat yang hanya dapat melarutkan sejumlah kecil karbon. Di bawah mikroskop nampak berwarna terang. Kelarutan maksimum C dalam fasa ini 0,02 %C pada temperatur 723oC. Merupakan fasa yang paling lunak dalam baja. = austenit : merupakan larutan padat yang dapat melarutkan maksimum 2 % C pada temperatur 1130oC. Merupakan struktur yang tidak stabil yang mudah berubah menjadi fasa-fasa lain sesuai dengan sifat mekanis yang diharapkan , oleh karena itu daerah perlakuan panas adalah pada daerah austenit.(dimulai pada suhu austenisasi). Fe3C = sementit = karbida besi: merupakan senyawa yang keras dan rapuh dengan kekuatan tarik yang rendah dan kekuatan tekan yang tinggi. Struktur kristalnya adalah ortorombik.

+ Fe3C = perlit : merupakan campuran eutektoid yang mengandung 0,8 % C dan terbentuk pada temperatur 723oC pada pendinginan yang sangat lambat. Di bawah mikroskop, campuran ini nampak berbentuk lamel-lamel atau plat-plat yang merupakan campuran dari dan Fe3C + Fe3C = ledeburit : merupakan campuran eutektik yang terjadi pada 4,3 % C dan temperatur 1130oC

STRUKTUR MIKROMerupakan gabungan dari satu atau lebih struktur kristal yang membentuk fasa- fasa tertentu. Secara garis besar dapat dikelompokkan menjadi :

-Kristal tunggal (monokristal) - Fasa tunggal

-Kristal majemuk (polykristal) - Fasa tunggal

-Kristal majemuk (polykristal) - 2 fasa ( & )

PENGAMATAN METALOGRAFIBenda Uji Mounting Grinding Polishing Cleaning Etching Cleaning Pengamatan di bawah Mikroskop