DIAGRAM FASA Background Paduan (Alloy)

12/03/2015
Background
Pertemuan Ke-2
DIAGRAM FASA
• Umumnya
logam tidak
berdiri sendiri
(tidak dalam
keadaan murni)
• Pemaduan logam akan
memperbaiki sifat
logam, a.l.: kekuatan,
keuletan, kekerasan,
ketahanan korosi,
ketahanan aus,
ketahanan lelah, dll
Kemurnian
Sifat
Paduan
Struktur
By: Nurun Nayiroh, M.Si
• Logam lebih
banyak dalam
keadaan
dipadu (logam
paduan/alloy)
• Pemaduan logam
membuat struktur
dalam keadaan
setimbang pada
temperatur dan
tekanan tertentu
MK TRANSFORMASI FASA
Paduan (Alloy)
Paduan adalah campuran bahan yang memiliki sifat-sifat
logam terdiri dari dua atau lebih komponen dan sedikitnya
satu komponen utamanya adalah logam.
Suatu sistem paduan adalah suatu sistem yang terdiri dari
semua paduan yang terbentuk dari beberapa unsur dengan
semua macam komposisi yang mungkin dapat dibuat.
Paduan dapat diklasifikasikan menurut strukturnya dan sistem
paduan dapat diklasifikasikan menurut diagram
kesetimbangannya (diagram phasenya).
Paduan bisa merupakan paduan homogen dan bisa merupakan
campuran, bila homogen merupakan fasa tunggal bila
campuran terdiri dari beberapa fasa .
Ayat al-Qur’an tentang alloy (Al-kahfi:95&96)
Zulkarnain berkata: “Apa yang telah dikuasakan oleh Tuhanku terhadapnya
adalah lebih baik, maka tolonglah aku dengan kekuatan (manusia dan alatalat), agar aku membuatkan dinding antara kamu dan mereka,
berilah
aku potongan besi” . Hingga apabila besi itu telah sama rata dengan kedua
(puncak) gunung itu, berkatalah Zulkarnain “Tiuplah api itu” . Hingga
apabila besi itu sudah menjadi (merah seperti api), dia pun berkata: “Berilah
aku tembaga (yang mendidih) agar kutuangkan ke atas besi panas itu”.
Dari ayat di atas tersirat bahwa ketika Zulkarnain membuat sebuah dinding
pemisah, beliau tidak cukup dengan menggunakan material logam berupa
besi saja, tetapi dengan menggabungkan besi tersebut dengan bahan lain
berupa tembaga agar dinding tersebut lebih tangguh dan kuat.
Lewat penuturan Zulkarnain tersebut di atas, kita ketahui bahwa material
terkuat sampai akhir zaman berasal dari minimal dua zat/bahan yang
berbeda yang diolah sedemikian rupa sehingga saling memperkuat sifat
bahan yang satu dengan lainnya.
1
12/03/2015
Definisi
Fasa pada suatu material didasarkan atas daerah yang berbeda dalam struktur atau
Contoh mikrostruktur suatu fasa
komposisi dari daerah lainnya.
Fasa ⟹ bagian homogen dari suatu sistem yang memiliki sifat fisik dan kimia yang
seragam.
Contoh:
Satu fase : contohnya logam murni, padatan, cairan.
Lebih 1 fase : contohnya larutan air-gula dengan gula (larutan air-gula yang
melampaui batas kelarutan).
Sistem fase tunggal → homogen
Sistem 2 atau lebih fase → campuran atau sistem heterogen.
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.
Contoh Diagram Fasa Besi-Besi Karbida
Informasi Diagram Fasa
Informasi penting yang dapat diperoleh dari diagram fasa
adalah:
1. Memperlihatkan
fasa-fasa
yang
terjadi
pada
perbedaan komposisi dan temperatur di bawah kondisi
pendinginan yang sangat lambat.
2. Mengindikasikan kesetimbangan kelarutan padat satu unsur
atau senyawa pada unsur lain.
3. Mengindikasikan pengaruh temperatur dimana suatu
paduan di bawah
kondisi
kesetimbangan
mulai
membeku
dan
pada rentang temperatur tertentu
pembekuan terjadi.
4. Mengindikasikan temperatur dimana perbedaan fasa-fasa
mulai mencair.
2
12/03/2015
Contoh-contoh pemaduan:
Jenis Pemaduan (Alloy)
Unsur Logam
+Unsur Logam
• Contoh:
• Cu+Zn;
Cu+Al;
Cu+Sn.
Unsur Logam
+Unsur Non Logam
• Contoh:
• Fe+C
Pemaduan terjadi akibat adanya susunan atom sejenis ataupun ada
distribusi atom yang lain pada susunan atom lainnya.
Solid solution (larutan padat) : terdiri dari beberapa atom,
minimal dua atom yang berbeda, atom terlarut menempati
posisi substitusi interstisi pada kisi pelarut dan struktur
kristal mengikuti struktur kristal pelarut.
Batas kelarutan (solubility limit).
Suatu logam paduan akan mempunyai maksimum
konsentrasi dari atom terlarut yang akan larut pada pelarut.
Jika atom terlarut konsentrasinya melampaui batas
kelarutan maka sebagian atom tersebut tidak akan terlarut
lagi. Untuk menggambarkan keadaan ini bisa dilihat contoh
larutan air gula. Jika gula yang dicampur terlalu banyak
maka gula tersebut tidak akan larut lagi.
3
12/03/2015
Faktor Kelarutan Padat
Jenis Larutan Padat
Untuk mengetahui kelarutan padat suatu unsur dalam unsur lainnya, Hume-Rothery
mensyaratkan sebagai berikut:
Jika ditinjau dari posisi atom-atom yang
larut, diperoleh dua jenis larutan padat:
1. Larutan padat substitusi
1.Yang mempengaruhi terbentuknya jenis kelarutan ditentukan oleh faktor geometri
(diameter atom dan bentuk sel satuan).
Cu
Contoh jenis kelarutan:
Adanya atom-atom terlarut yang
menempati kedudukan atom-atom
pelarut.
2. Larutan padat interstisi
Adanya atom-atom terlarut yang
menempati rongga-rongga diantara
kedudukan atom/sel antara.
Ni
•A + B
C (sel satuan sama)
(kelarutan yang tersusun disebut kelarutan sempurna, dimana sifat C ≠ sifat A atau B
•Jika A dan B memiliki sel satuan yang berbeda
a. A + B
Fe
C
2. Larut padat substitusi/interstisi ditentukan oleh faktor diameter
atom.
Jika perbedaan diameter atom yang larut dibandingkan atom pelarut lebih
kecil dari 15%, maka kelarutan yang terjadi adalah larutan
padat
substitusi.
Jika perbedaan diameter atom yang larut dibandingkan atom pelarut lebih
besar dari 15%, maka kelarutan yang terjadi adalah larutan padat
interstisi.
3. Suatu hasil percampuran harus stabil
Stabilitas dari paduan dijamin oleh keelektronegatifan dan
keelektropositifan, makin besar perbedaan keelektronegatifan dan
keelektropositifan maka pencampurannya semakin stabil, tetapi kalau terlalu
besar perbedaannya yang terjadi bukan larutan melainkan senyawa
(compound)
A+B
A’ (dimana A yang dominan)
B’ (dimana B dominan)
(kelarutan yang tersusun disebut larut sebagian)
b. A + B
A + B (tidak larut)
Pembentukan Diagram Fasa
Hubungan antara temperatur dan
komposisi diplot untuk mengetahui
perubahan fasa yang terjadi.
Konstruksi pembentukan diagram fasa
Memvariasikan komposisi dari kedua
unsur (0-100%)
Dipanaskan hingga mencair
didinginkan dengan lambat (diukur
oleh dilatometer/kalorimeter)
Perubahan komposisi akan merubah pola dari kurva
pendinginan:
•Titik-titik A, L1, L2, L3 dan C merupakan awal
terjadinya pembekuan
•Titik-titik B, S1, S2, S3 dan D merupakan akhir
pembekuan.
4
12/03/2015
Garis Pada Diagram Fasa
Solubility Limit (Batas Kelarutan)
Solubility Limit
Menunjukkan konsentrasi
maksimum pada sebuah fasa
larutan, yang menyatakan batas
kelarutan maksimum unsur
terlarut di dalam pelarutnya
atau dapat juga disebut
maximum solubility limit.
The solubility of sugar (C12H22O11) in a sugar-water syrup.
The Example of Solubility Limit
Dari diagram fasa sistem air
(sirup) dan gula di samping.
Effect of Temperature and Composition
• Changing T can change number of phases: path A to B
• Changing Co can change number of phases: path B to D
B(100,70) D(100,90)
pertanyaan: Berapakah solubility limit
Answer: 65wt% sugar
If Co < 65wt% sugar: syrup
If Co > 65wt% sugar: syrup + sugar
Solubility limit increases with T:
e.g., if T = 100°C, solubility limit = 80wt% sugar
• water- sugar
system
1 phase
100
Temperature (°C)
pada temperatur20°C?
L
80
60
40
20
2 phases
(liquid)
L
(liquid solution
i.e., syrup)
+
S
(solid
sugar)
A(70,20)
2 phases
0
0
20
40
60 70 80
100
Co=Composition (wt% sugar)
5
12/03/2015
Cooling Curve for Pure Metal
(1)Pemanasan logam hingga titik Ta;
(2)Pendinginan logam dari titik a –b;
(3)Di titik b, logam mulai mengendap
menjadi larutan;
(4)Di titik c, logam menjadi padat;
garis horisontal lurus kurva dari b ke
c menunjukkan suhu konstan (Tb-c ),
karena energi panas yang diserap
dalam perubahan dari cair ke padat;
(5)Logam padat didinginkan kembali
dari c ke d dan temperatur mulai
turun kembali.
Cooling Curve for Pure Iron
(b)
Gambar (b) Cooling curve for pure iron.
Cooling Curve for a Metal Alloy
Allotropic Forms of Iron
(c)
Gambar Allotropic forms of iron (three phases: bcc, fcc, bcc)
FIG. 3-50 (c) Cooling curve for a metal alloy: (1) The alloy A-B heated to point a (liquid
phase, with both metals soluble in each other); (2) cooling of alloy in liquid phase; (3)
point b, solidification begins; (4) point c, solidification complete; sloped b – c due to
changing from liquid to solid over the temperature range Tb to Tc because
components A and B have different melting/cooling temperatures; (5) further cooling
from c to d of solid-state metal alloy.
6