Reaksi Fasa Padat [PDF]

Citation preview

Makalah Material



Oleh: Berton Maruli Siahaan Sinta Marito Siagian



UNIVERSITAS NEGERI MEDAN



KATA PENGANTAR



Puji syukur kami ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha, yang karena bimbingan nyalah maka penulis bisa menyelesaikan sebuah makalah yang berjudul BAHAN BERFASA BANYAK yang dispesifikasikan ke masing-masing bentuk nya Makalah ini dibuat dengan berbagai sumber dalam jangka waktu tertentu sehingga menghasilkan makalah yang bisa dipertanggungjawabkan hasilnya. kami mengucapkan terimakasih kepada pihak terkait yang telah membantu kami dalam dalam penyusunan makalah ini. kami menyadari bahwa masih sangat banyak kekurangan yang mendasar pada makalah ini. Oleh karna itu saya mengundang pembaca untuk memberikan kritik dan saran yang bersifat membangun untuk kemajuan ilmu pengetahuan ini. Terima kasih, dan semoga makalah ini bisa memberikan sumbangsih positif bagi kita semua



Medan, 2 Oktober 2012 Penulis,



Kelompok II



DAFTAR ISI



KATA PENGANTAR DAFTAR ISI



BAB I PEMBAHASAN 1. REAKSI FASA PADAT 1.1 reaksi eutectoid dan peritectic 1.2 paduan hypoeutectoid 1.3 paduan hypereutctoid



2. STRUKTUR MIKRO SIFAT MEKANIK DAN FISIK 2.1struktur mikro 2.2perkembangan struktur mikro 3. PROSES ANNEALING (ANIL) 3.1 perlakuan panas 3.2 process annealing 3.2.1Annealing 3.2.2Full annealing (annealing) 3.2.3Stress relief Annealing 4. PROSES NORMALISASI 5. PROSES PENGENDAPAN 5.1 Pembentukan larutan 5.2. Proses pengendapan 6.MAMPU KERAS 6.2 Perbedaan kekerasan dengan kemampukerasan 6.2 Faktor yang mempengaruhi besarnya kekerasa



1. REAKSI FASA PADAT



1.1 REAKSI EUTECTOID DAN PERITECTIC Reaksi eutectoid yaitu reaksi dimana terjadi perubahan fase padat menjadi 2 fase padat lainnya pada proses pendinginan atau sebaliknya. Contoh : pd T = 558 0C 75 Wt% Zn – 25 Wt% Cu.



Reaksi peritectic yaitu pada proses pemanasan, satu fase padat berubah menjadi 1 fase padat dan 1 fase cair. Contoh : pd T = 598 0C 78,6 Wt% Zn – 21,4 Wt% Cu.



1.2 PADUAN HYPOEUTECTOID Pembentukan fasa dengan komposisi dibawah titik eutectoid disebut paduan hypoeutectoid. Proses pembentukannya bisa dilihat pada gambar Struktur kristal yang terbentuk mempunyai fasa pearlite dan proeutectoid. ferit (Fe) adalah ferit yang terbentuk sebelum terbentuknya pearlite.



Pada pembentukan hypoeutectoid



Wp = fraksi pearlite. Wa’ = fraksi ferit proeutectoid.



1.3 PADUAN HYPEREUTCTOID Pembentukan fasa W + Fe3C dengan komposisi diatas titik eutectoid disebut paduan hypereutectoid.



WFe3C = fraksi sementit proeutectoid Proeutectoid sementit adalah : sementit yang terbentuk sebelum terbentuknya pearlite.



2. STRUKTUR MIKRO SIFAT MEKANIK DAN FISIK



2.1Struktur mikro



Sifat-sifat fisik suatu bahan seperti sifat mekanik tergantung dari struktur mikro. Struktur mikro diketahui dengan observasi mikroskopik menggunakan mikroskop optik atau mikroskop elektron. Pada logam paduan, penggolongan struktur mikro berdasarkan berapa jumlah fase, proporsinya dan bagaimana susunannya didalam bahan. Struktur mikro bergantung kepada jumlah elemen paduan, konsentrasinya dan perlakuan panasnya (temperatur, lamanya pemanasan, laju pendinginan). Ferrite ialah suatu komposisi logam yang mempunyai batas maksimum kelarutan Carbon 0,025%C pada temperature 723 Derajat Celcius, struktur kristalnya BCC (Body Center Cubic) dan pada temperature kamar mempunyai batas kelarutan Carbon 0,008%C. Austenite ialah suatu larutan padat yang mempunyai batas maksimum kelarutan Carbon 2%C pada temperature 1130 Derajat Celcius, struktur kristalnya FCC (Face Center Cubic). Cementid ialah suatu senyawa yang terdiri dari unsur Fe dan C dengan perbandingan tertentu (mempunyai rumus empiris) dan struktur kristalnya Orthohombic. Lediburite ialah campuran Eutectic antara besi Gamma dengan Cementid yang dibentuk pada temperature 1130 Derajat Celcius dengan kandungan Carbon 4,3%C. Pearlite ialah campuran Eutectoid antara Ferrite dengan Cementid yang dibentuk pada temperature 723 Derajat Celcius dengan kandungan Carbon 0,83%C.



2.2PERKEMBANGAN STRUKTUR MIKRO Pada gambar diperlihatkan diagram fase Cu – Ni, jika pendinginan terjadi sangat – 65 wt% Cu dari temperatur 1300 0C maka terjadi :



3. PROSES ANNEALING (ANIL) 3.1 PERLAKUAN PANAS Perlakuan panas adalah suatu metode yang digunakan untuk mengubah sifat fisik, dan kadang-kadang sifat kimia dari suatu material. Aplikasi yang paling umum adalah untuk material logam walaupun perlakuan panas juga digunakan dalam pembuatan berbagai materi lain, seperti kaca. Secara umum perlakuan panas adalah memanaskan atau mendinginkan material, biasanya dalam suhu ekstrem, untuk mencapai hasil yang diinginkan seperti pengerasan atau pelunakan material. Perlakuan panas adalah suatu proses pemanasan dan pendinginan logam dalam keadaan padat untuk mengubah sifat-sifat mekaniknya. Baja dapat dikeraskan sehingga tahan aus dan kemampuan memotong meningkat atau dapat dilunakan untuk memudahkan proses pemesinan lanjut. Melalui perlakuan panas yang tepat, tegangan dalam dapat dihilangkan, ukuran butir dapat diperbesar atau diperkecil. Selain itu ketangguhan ditingkatkan atau dapat dihasilkan suatu permukaan yang keras disekeliling inti yang ulet. Untuk memungkinkan perlakuan panas tepat, komposisi kimia baja harus diketahui karena perubahan komposisi kimia, khususnya karbon dapat mengakibatkan perubahan sifat-sifat fisis. Dari sebuah rangkuman yang ditulis oleh Avner (1974: 676) menyatakan bahwa perlakuan panas (heat treatment) adalah: “Heating and cooling a solid metal or alloy in such away as to obtain desired conditions or properties. Heating for the sole purpose of hotworking is excluded from the meaning of this definition”. Yang termasuk Teknik Perlakuan Panas adalah Annealing, case Hardening, precipitation Strengthening, Tempering dan Quenching. Perlu dicatat bahwa walaupun perlakuan panas sengaja dilakukan untuk untuk tujuan mengubah sifat secara khusus, di mana pemanasan dan pendinginan dilakukan untuk tujuan mengubah sifat, pemanasan dan pendinginan sering terjadi secara kebetulan selama proses manufaktur lain seperti pembentukan panas (Hot forming) atau Pengelasan.



3.2 Process Annealing 3.2.1Annealing Annealing ialah suatu proses laku panas (heat treatment) yang sering dilakukan terhadap logam atau paduan dalam proses pembuatan suatu produk. Tahapan dari proses



Anneling ini dimulai dengan memanaskan logam (paduan) sampai temperature tertentu, menahan pada temperature tertentu tadi selama beberapa waktu tertentu agar tercapai perubahan yang diinginkan lalu mendinginkan logam atau paduan tadi dengan laju pendinginan yang cukup lambat. Jenis Anneling itu beraneka ragam, tergantung pada jenis atau kondisi benda kerja, temperature pemanasan, lamanya waktu penahanan, laju pendinginan (cooling rate), dll. Selain untuk tujuan pengerasan perlakuan panas dapat dilakukan untuk tujuan pelunakan. Hal ini diperlukan untuk perlakuan baja-baja yang keras, sehingga dapat dikerjakan dengan mesin. Disamping itu juga pelunakan di lakukan untuk tujuan meningkatkan keuletan dan mengurangi tegangan dalam yang menyebabkan material berperilaku getas. Secara umum proses pelunakan dapat berupa proses normalizing, full annealing dan spheroidizing.



3.2.2Full annealing (annealing) Merupakan proses perlakuan panas untuk menghasilkan perlite yang kasar (coarse pearlite) tetapi lunak dengan pemanasan sampai austenitisasi dan didinginkan dengan dapur, memperbaiki ukuran butir serta dalam beberapa hal juga memperbaiki machinibility. Pada proses full annealing ini biasanya dilakukan dengan memanaskan logam sampai keatas temperature kritis (untuk baja hypoeutectoid , 25 Derajat hingga 50 Derajat Celcius diatas garis A3 sedang untuk baja hypereutectoid 25 Derajat hingga 50 Derajat Celcius diatas garis A1). Full annealing merupakan proses perlakuan panas yang bertujuan untuk melunakkan logam yang keras sehingga mampu dikerjakan dengan mesin. Proses ini banyak dilakukan pada baja medium. Proses ini dilakukan dengan cara memanaskan material baja pada temperatur 15 hingga 40 0C di atas temparatur A3 atau A1 tergantung kadar karbonnya. Pada temperatur



tersebut



pemanasan



ditahan



untuk



beberapa



lama



hingga



mencapai



kesetimbangan. Selanjutnya material didinginkan dalam dapur pemanas secara perlahanlahan hingga mencapai temperatur kamar. Struktur mikro hasil full annealing berupa pearlit kasar yang relatif lunak dan ulet. Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan yang cukup lambat (biasanya dengan dapur atau dalam bahan yang mempunyai sifat penyekat panas yang baik). Perlu diketahui bahwa selama pemanasan dibawah temperature kritis garis A1 maka belum terjadi perubahan struktur mikro. Perubahan baru mulai terjadi bila temperature pemanasan mencapai garis atau temperature A1 (butir-butir Kristal pearlite bertransformasi menjadi austenite yang halus).



Pada baja hypoeutectoid bila pemanasan dilanjutkan ke temperature yang lebih tinggi maka butir kristalnya mulai bertransformasi menjadi sejumlah Kristal austenite yang halus, sedang butir Kristal austenite yang sudah ada (yang berasal dari pearlite) hampir tidak tumbuh. Perubahan ini selesai setelah menyentuh garis A3 (temperature kritis A3). Pada temperature ini butir kristal austenite masih halus sekali dan tidak homogen. Dengan menaikan temperature sedikit diatas temperature kritis A3 (garis A3) dan memberI waktu penahanan (holding time) seperlunya maka akan diperoleh austenite yang lebih homogen dengan butiran kristal yang juga masih halus sehingga bila nantinya didinginkan dengan lambat akan menghasilkan



butir-butir



Kristal



ferrite



dan



pearlite



yang



halus.



Baja yang dalam proses pengerjaannya mengalami pemanasan sampai temperature yang terlalu tinggi ataupun waktu tahan (holding time) terlalu lama biasanya butiran kristal austenitenya akan terlalu kasar dan bila didinginkan dengan lambat akan menghasilkan ferrit atau pearlite yang kasar sehingga sifat mekaniknya juga kurang baik (akan lebih getas). Untuk baja hypereutectoid, annealing merupakan persiapan untuk proses selanjutnya dan tidak merupakan proses akhir.



3.2.3Stress relief Annealing



Merupakan process perlakuan panas untuk menghilangkan tegangan sisa akibat proses sebelumnya. Perlu diingat bahwa baja dengan kandungan karbon dibawah 0,3% C itu tidak bisa dikeraskan dengan membuat struktur mikronya berupa martensite. Nah, bagaimana caranya agar kekerasannya meningkat tetapi struktur mikronya tidak martensite? Ya, dapat dilakukan dengan pengerjaan dingin (cold working) tetapi perlu diingat bahwa efek dari cold working ini akan timbu yang namanya tegangan dalam atau tegangan sisa dan untuk menghilangkan tegangan sisa ini perlu dilakukan proses Stress relief Annealing.



4. PROSES NORMALISASI Normalisasi yaitu proses perlakuan panas pada suhu austenite dan didinginkan diudara terbuka. (ASM Hand book 1:329) 1993. Adapun cara nya adalah memanaskan baja pada suhu diatas daerah kritis( untuk baja hipoetektonik, 500C diatas garis A3 sedangkan untuk baja hiperetektoid 500C diatas Acm) disusul dalam pendinginan didalam udara. Normalizing biasa diterapkan pada karbon rendah dan baja paduan untuk menghilangkan pengaruh pekerjaan bahan sebelumnya memperbaiki dan menghaluskan struktur butiran, serta membentuk struktur mikro agar terbentuk butiran halus dan seragam, sehingga pengaruh pengerjaan dingin atau panas dapat dihilangkan.



Tujuan: 



memperbaiki struktur ukuran partikel baja







menghilangkan tegangan-tegangan yang disebabkan karena proses pengerjaan dingin seperti : pemukulan (hammering), pembengkokan atau pengerolan (bending atau rolling) dsb.



5. PROSES PENGENDAPAN Proses dari pemanasan awal hingga pendinginan cepat disebut proses perlakuan pelarutan (solution treatment), dan proses sesudahnya disebut proses perlakuan pengendapan (precipitation treatment). 5.1 Pembentukan larutan Jika proses pendinginan pada paduan Aluminium dilakukandengan lambat dan diberikan pemanasan lanjut untuk mendapatkanlarutan padat yang menyeluruh, kemudian di-Quenching padamedia air atau oli tidak akan terjadi pengendapan tetapi akanmenghasilkan larutan padat yang jenuh.Temperatur serta durasi waktu yang diperlukan untuk“solution treatment” akan tergantung kepada komposisi unsur daripaduan itu sendiri. Dari akhir perlakuan panas akan dihasilkanbentuk Paduan Aluminium yang lunak dan lembek sehingga dapatdikerjakan dengan proses pengerjaan dingin.



5.2. Proses pengendapan Larutan jenuh yang diperoleh dari larutan padat melaluiproses pelarutan hanya akan stabil pada temperature rendah,sehingga apabila dilakukan proses pemanasan lanjut atau yangdisebut precipitation-treatment dimana akan terjadinya prosespengendapan maka kebutuhan temperature pemanasan jugatidak terlalu tinggi. Unsur tembaga atau berbagai unsur paduanlainnya tidak akan meninggalkan larutan padat tetapi hanyaakan membentuk daerah populasi tinggi (High-Population) , olehkarena itu tegangannya akan meningkat.Derajat Temperatur pemanasan juga akan tergantungpada komposisi unsur paduan dari Aluminium itu sendiri,demikian pula dengan durasi waktu yang diperlukan, selain jugatergantung pada komposisi unsur paduannya juga ukuranketebalan harus dipertimbangkan, secara rata-rata temperaturepemanasan ini biasanya diberikan antara 100oC hingga 200OC dengan waktu pemanasan antara 2 sampai 30 jam. Petunjukdalam proses ini hendaknya dipatuhi karena kesalahan dariprosedur pelaksanaannya dapat mengakibatkan tereduksinyakekuatan bahan itu sendiri terlebih lagi jika Temperatur pemanasannya terlalui tinggi atau pemanasannya terlalu lama.



6.MAMPU KERAS Hardenability atau sifat mampu keras adalah ukuran kemampuan suatu material untuk membentuk fasa martensite. Hardenability dapat diukur dengan beberapa metode. Diantaranya metode jominy dan metode grossman. Dari metode tersebut kita akan mendapatkan kurva antara harga kekerasan dengan jarak quenching dari pusat quench. Asumsi : 



Laju pendinginan sangat lambat







Laju Pemanasan lambat







Terjadi mekanisme difusi (perpindahan atom secara individual dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah)



6.1 Perbedaan kekerasan dengan kemampukerasan ialah Kekerasan adalah kemampuan material untuk menahan deformasi plastislokal akibat penetrasi dipermukaan. Sedangkan sifat mampu keras merupakan kemampuan material untuk ditingkatkan kekerasannya dengan serangkaian perlakuan panas 6.2 Faktor yang mempengaruhi besarnya kekerasan 1. Kandungan Karbon 2. Jarak Pendinginan 3. Perlakuan panas (Heat Treatment) Percobaan Jominy Percobaan Jominy bertujuan untuk mengetahui Hardenability suatu logam.Cara untuk mengetahuinya adalah: 1. Bila laju pendinginan dapat diketahui, kekerasan dapat lansung dibaca dari kurvakemampuan keras. 2. Bila kekerasan dapat diukur, laju pendinginan dari titik tersebut dapat diperoleh. Pada uji Jominy ini, material dipanaskan dalam tungku dipanaskan sampai suhu transformasi ( austenit ) dan terbentuk sedemikian rupa sehingga dapatdipasangkan pada aparatus Jominy



kemudian air disemprotkan dari bawah, sehinggamenyentuh permukaan bawah spesimen. Dengan ini didapatkan kecepatan pendinginan ditiap bagian spesimen berbeda-beda. Pada bagian yang terkena air mengalami pendinginan yang lebih cepat dan semakin menurun kebagian yang tidak terkena air. Dari hasil pengukuran kekerasan tiap-tiap bagian dari spesimen akandidapatkan kurva Hardenability Band Kurva Hardenability dan Hardenability Band



6.3Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Sifat Mampu Keras Hal-hal yang mempengaruhi sifat mampu keras suatu material adalah: 1. Kecepatan pendinginan Setelah logam dipanaskan, lalu dilakukan pendinginan cepat, maka logam akanmenjadi semakin keras. Proses pendinginan material dapat dilakukan dengan beberapa cara yaitu: 



Annealing



Pemanasan material sampai suhu austenit ( 7270C ) lalu diholding kemudiandibiarkan dingin didalam tungku. Proses ini menghasilkan material yanglebih lunak dari semula. 



Normalizing



Pemanasan material sampai suhu austenit ( 7270C ) lalu diholding kemudiandidinginkan di udara.







Quenching



Pemanasan material sampai suhu austenit ( 7270C ) lalu diholding kemudiandilakukan pendinginan cepat, yaitu dicelupkan kedalam media. Medianyaadalah air, air garam dan oli. Proses ini yang menghasilkan material yanglebih keras dari semula. 2.Komposisi kimia Komposisi kimia menentukan Hardenability Band. Karena komposisi material menentukan struktur dan sifat material. Semakin banyak unsur kimia yangmenyusun suatu logam, maka makin keras logam tersebut 3.Kandungan karbon Semakin banyak kandungan karbon dalam suatu material maka makin keras material tersebut. Hal inilah yang menyebabkan baja karbon tinggi memiliki kekerasan yang tinggi setelah proses pengerasan kerena akan membentuk martensit yang memiliki kekerasan yang sangat tinggi.Untuk meningkatkan kadar karbon dari beberapa material dapat dilakukan dengan beberapa perlakuan, yaitu: 



Carborizing



Yaitu proses penambahan karbon pada baja, dengan menyemprotkan karbon pada permukaan baja. 



Nitriding



Yaitu proses penambahan nitrogen untuk meningkatkan kekerasan material. 



Carbonitriding



Yaitu proses penambahan karbon dan nitrogen secara sekaligus untuk meningkatkan kekerasan material.Sumber :http://www.scribd.com/doc/38171067/jominy-ipankedit http://sariyusriati.wordpress.com/2011/02/24/hardenability-dan-percobaan-jominy/



KESIMPULAN Berdasarkan uraian diatas dapat disimpulkan bahwa :  Struktur mikro diketahui dengan observasi mikroskopik menggunakan mikroskop optik atau mikroskop electron



 Secara umum perlakuan panas adalah memanaskan atau mendinginkan material, biasanya dalam suhu ekstrem, untuk mencapai hasil yang diinginkan seperti pengerasan atau pelunakan material.  Annealing ialah suatu proses laku panas (heat treatment) yang sering dilakukan terhadap logam atau paduan dalam proses pembuatan suatu produk  Full annealing merupakan proses perlakuan panas yang bertujuan untuk melunakkan logam yang keras sehingga mampu dikerjakan dengan mesin. Proses ini banyak dilakukan pada baja medium.



 Normalisasi yaitu proses perlakuan panas pada suhu austenite dan didinginkan diudara terbuka.



 Proses dari pemanasan awal hingga pendinginan cepat disebut proses perlakuan pelarutan (solution treatment), dan proses sesudahnya disebut proses perlakuan pengendapan (precipitation treatment).



DAFTAR PUSTAKA MONDOLFO, L.F., Aluminium Alloys Structure and Properties, London, Butter Worths,1979. PETZOW, G., EFFENBERG, G., (1992), Ternary Alloy AlFeNi, Vol.15, Germany: ASM, International, 1992



Perpustakaan universitas Pendidikan Bandung RAYNOR, GV., RIVLIN, GV., Phase Equilibria in iron Ternary Alloy, New york, The institute of Metals, 1988. . http://www.scribd.com/doc/38171067/jominy-ipankedit http://sariyusriati.wordpress.com/2011/02/24/hardenability-dan-percobaan-jominy/