Diagram Fasa [PDF]

Citation preview

DIAGRAM FASA



TK 3204 BAHAN KONSTRUKSI



1



PENDAHULUAN 



























2



Sifat mekanik = f (strukturmikro) ; strukturmikro  diagram fasa (titik leleh, kristalisasi, dll) Komponen = logam murni atau senyawa yang tersusun menjadi paduan = solute dan solvent Sistem = 1. Bagian utuh dari suatu material, misal : 1 lembar pelat baja karbon 2. Seri paduan yang mengandung komponen yang sama, tanpa melihat komposisi, misal : sistem besi-karbon Batas kelarutan (solubility limit) : konsentrasi maksimum atom solute yang dapat larut dalam solvent membentuk larutan padat. Kelarutan = f (temperatur)  diagram T vs C Fasa : bagian homogen dari suatu sistem, dengan karakteristik fisik dan kimia yang seragam. Bahan murni, larutan padat, cair atau gas  1 fasa Strukturmikro = f (jenis dan konsentrasi unsur pemadu, temperatur dan waktu heat treatment, laju pendinginan) Karakteristik strukturmikro : jumlah fasa, perbandingan kuantitas tiap fasa, susunan atau distribusi fasa dalam sistem



KESETIMBANGAN FASA Suatu sistem berada dalam kesetimbangan  G minimum pada T, P dan C tertentu ; perubahan T, P dan/atau C  peningkatan G dan perubahan spontan menuju kondisi lain  G berkurang • Kesetimbangan fasa (sistem dengan > 1 fasa)  karakteristik tiap fasa dalam sistem tidak berubah dengan waktu • Laju pendekatan menuju keadaan kesetimbangan lambat  sistem dalam keadaan di luar kesetimbangan (metastabil) ; strukturmikro metastabil dapat meningkatkan sifat mekanik • Info tentang strukturmikro & fasa sebagai fungsi T & C  diagram fasa = diagram kesetimbangan fasa = hubungan antara T, C dan kuantitas fasa dalam kesetimbangan (P konstan)  penentuan langkah transformasi fasa untuk menghasilkan strukturmikro tertentu • Transformasi fasa : perubahan struktur / fasa dengan perubahan temperatur (terutama saat pendinginan) •



3



SISTEM ISOMORF BINER



(Inverse) lever rule : 𝐂 −𝐂



𝐟𝐫𝐚𝐤𝐬𝐢 𝐦𝐚𝐬𝐬𝐚 𝐋 = 𝐖𝐋 = 𝐂𝛂 −𝐂𝐨 𝛂



Isomorf: saling larut sempurna dalam fasa cair maupun padat Pada T & C tertentu  Fasa yang ada Komposisi tiap fasa Fraksi tiap fasa



4



𝐟𝐫𝐚𝐤𝐬𝐢 𝐯𝐨𝐥𝐮𝐦 𝛂 = 𝐕𝛂 =



𝐋



𝐖𝛂 ൗ𝛒𝛂 𝐖 𝐖𝛂 ൗ𝛒𝛂 + 𝛃ൗ𝛒𝛃



𝐖𝛂 =



𝐕𝛂 𝛒𝛂 𝐕𝛂 𝛒𝛂 +𝐕𝛃 𝛒𝛃



PERKEMBANGAN STRUKTURMIKRO PADUAN ISOMORF Struktur cored : • Konsentrasi komponen bertitik leleh lebih tinggi  dengan jarak dari pusat butir ke batas butir • Jika dipanaskan  batas butir meleleh lebih dulu  film cairan yang memisahkan butirPendinginan butir  kehilangan kesetimbangan integritas mekanik  (sangat lambat)  sistem pelelehan pada T < homogen Tsolidus Pendinginan non-kesetimbangan Segregasi = gradien konsentrasi • Coring dapat dicegah dengan homogenisasi melewati butir



5



SIFAT MEKANIK PADUAN ISOMORF Paduan isomorf  kekuatan & kekerasan masing-masimg komponen bertambah dengan penambahan komponen yang lain



6



SISTEM EUTECTIC BINER • Ada 3 daerah fasa tunggal : , , dan L, serta 3 daerah 2 fasa : +, +L dan +L • Garis kesetimbangan  / +L = garis solidus ; kesetimbangan  / + = garis solvus; kesetimbangan L/+L dan L/+L = garis liquidus • Kesetimbangan (+L) / (+) = garis solidus ; titik potong garis ini dengan 2 garis liquidus +L/L dan +L/L = titik eutectic cooling • Reaksi eutectic : L(CE) (CE) + (CE) heating • Pembekuan cairan komposisi eutectic  solid 2 fasa dgn struktur lamellae (eutectic structure)



7



Pendinginan equilibrium cairan dengan komposisi di antara kelarutan padat pada T eutectic dan komposisi eutectic  pada T > isoterm eutectic : cairan dgn komposisi eutectic + solid   pada T < isoterm eutectic :  primer + (+) lamellae (struktur eutectic)



Pendinginan equilibrium cairan dengan komposisi antara kelarutan padat pada T kamar dan kelarutan padat pada T eutectic  solid dengan matriks butiran  + partikel  Pendinginan cepat  butiran konstituenmikro cored ; fraksi konstituenmikro eutectic lebih besar daripada dengan pendinginan equilibrium



8



DIAGRAM FASA DENGAN FASA / SENYAWA INTERMEDIET



•  dan  : larutan padat terminal ; , , ,  : larutan padat intermediet • ’ : larutan padat “ordered” : atom2 kedua komponen tertata secara teratur dan spesifik dalam setiap sel satuan



9



SENYAWA INTERMETALIK



M = Mg2Pb (33%at Pb) = komponen



• = senyawa intermediet dalam sistem logam-logam dengan rumus kimia spesifik ; digambarkan dengan garis vertikal pada diagram fasa • Transformasi congruent = transformasi fasa tanpa perubahan komposisi contoh : pelelehan bahan murni & senyawa intermetalik • Transformasi incongruent = transformasi fasa dengan perubahan komposisi contoh : reaksi eutectic dan eutectoid



10



Reaksi-reaksi Eutectoid & Peritectic



Reaksi eutectoid: cooling δ γ+ε heating



Reaksi peritectic: cooling δ + L heating ε



11



SISTEM BESI – KARBON (Fe – C) Diagram Fasa Fe – Fe3C •



Besi murni = polimorfik : T < 912 ºC :  ferrite, struktur BCC, magnetik pada T < 768 ºC 912 < T < 1394 ºC :  austenite, struktur FCC, non magnetik 1394 < T < 1538 ºC :  ferrite, struktur BCC T = 1538 ºC : titik leleh • Senyawa intermetalik besi – karbon Fe3C : cementite (6,7 %-berat C), metastabil, sangat keras dan rapuh  meningkatkan kekuatan baja • Besi, baja dan besi – cor termasuk dalam diagram ini • Kelarutan C : 0,022 %-b pada 727 ºC dalam ferrite : 2,14 %-b pada 1147 ºC dalam austenite • Eutectic Fe-Fe3C : 4,3 %-b C pada 1147 ºC ; reaksi : cooling L  + Fe3C heating • Eutectoid  /  + Fe3C : 0,76 %-b C pada 727 ºC ; reaksi : cooling   + Fe3C ; penting dalam heat treatment baja heating



12



13



Perkembangan Strukturmikro Baja



Baja eutectoid



Baja hypoeutectoid



14



Baja hypereutectoid



• Perkembangan strukturmikro tergantung pada konsentrasi karbon dan heat treatment



• Equilibrium cooling : *  (0,76%-b C)  lamellae  + Fe3C dengan perbandingan tebal 8 : 1  pearlite *  (C < 0,76%-b) = baja hypoeutectoid  proeutectoid ferrite di batas butir + butiran pearlite



• • •



• •



•



*  (C > 0,76%-b) = baja hypereutectoid  proeutectoid cementite di batas butir + butiran pearlite C'0  0,022 Fraksi pearlite dalam baja hypoeutectoid : WP  0,76  0,022 0,76  C'0 Fraksi  proeutectoid : W '  0,76  0,022 ' 6 , 7  C 1 Fraksi pearlite dalam baja hypereutectoid : WP  6,7  0,76 C1'  0,76 Fraksi Fe3C proeutectoid : WFe C'  6,7  0,76 6,7  C'0 Fraksi ferrite total baja hypoeutectoid : W  6,7  0,022 ' C 0  0,022 Fraksi cementite total baja hypoeutectoid : W  Fe C 6,7  0,022 3



3



15



Pendinginan Nonequilibrium • Pendinginan equilibrium sangat lambat  yang dipraktekkan : pendinginan nonequilibrium • Akibat pendinginan nonequilibrium : - perubahan / transformasi fasa terjadi pada T yang berbeda dengan yang terdapat pada diagram fasa - pada T kamar terdapat fasa nonequilibrium yang tidak tergambar pada diagram fasa



Pengaruh Unsur Pemadu yang lain • Penambahan unsur pemadu lain dalam paduan Fe – C akan mengubah temperatur dan komposisi eutectoid serta perbandingan fraksi pearlite dengan fasa proeutectoid



16



LATIHAN 1. Suatu paduan 0,7Pb-0,3Sn dipanaskan perlahan mulai dari 150C. a. Pada T berapa mulai terbentuk cairan? b. Komposisi fasa cair tsb? c. Pada T berapa seluruh paduan tsb cair? d. Komposisi padatan yang terakhir meleleh?



2. Suatu sample paduan Mg-Pb didinginkan dari 600C ke 450C, membentuk Mg2Pb dan mikrokonstituen eutectic. Jika fraksi massa mikrokonstituen eutectic = 0,28, tentukan komposisi paduan. Jawab : komposisi eutectic : …%-b Mg, …%-b Pb; Mg2Pb : 19%-b Mg, 81%-b Pb 81−𝑥𝑃𝑏 𝑓𝑟𝑎𝑘𝑠𝑖 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑒𝑢𝑡𝑒𝑐𝑡𝑖𝑐 = 81−⋯ = 0,28  xPb = … ; xMg = 1 - … =…



17



3. Baja austenit yang mengandung 0,45%-b karbon, mempunyai berat 6 kg. Jika baja tersebut didinginkan hingga T < 727C, a. Sebutkan fasa proeutectoid yang terbentuk. b. Berapa kg total ferit dan total cementit yang terbentuk? c. Berapa kg perlit dan fasa proeutectoid yang terbentuk? d. Sebutkan semua mikrokonstituen yang terbentuk setelah pendinginan.



Konsentrasi C : A = 0,022 %-b B = 0,45 %-b C = 0,76 %-b D = 6,7 %-b



18