MAKALAH TEKNOLOGI BAHAN DIAGRAM FASA Disusun oleh : Asep Kamalia Rizqi (04) Febri Dwi Siswanto (08) Hendra Utama (10) M. Fajar Hidayat (12) PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI SEMARANG 2012 1 KATA PENGANTAR Alhamdulillah hirabbilalamin, puji syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT. yang telah melimpahkan nikmat dan hidayahnya kepada kami, sehingga kami dapat menyelesaikan penulisan makalah ini. Makalah ini sedikit membahas mengenai diagram fasa. Dengan adanya makalah ini diharapkan dapat membantu mahasiswa dalam memahami diagram fasa, mulai dari teori, cara pembacaannya, serta penerapannya pada saat kegiatan belajar mengajar maupun praktek di lapangan. Kami menyadari dalam penyusunan makalah ini masih banyak kekurangan, oleh karena itu kami harapkan kritikan dan saran yang bersifat membangun guna perbaikan dari makalah Ini. Mudahmudahan makalah ini bermanfaat bagi kita semua. Atas perhatiannya kami ucapkan terima kasih. Semarang, Mei 2012 Penyusun 2 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR .................................................................................................................2 DAFTAR ISI ................................................................................................................................3 DAFTAR GAMBAR ...................................................................................................................4 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ..................................................................................................................5 1.2 Tujuan ...............................................................................................................................5 1.3 Manfaat .............................................................................................................................5 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Dasar Teori .......................................................................................................................... 2.2 Diagram Fasa ( Diagram Keseimbangan ) .......................................................................... 2.3 Tipe Diagram Fasa .............................................................................................................. A. Diagram fasa 2D ............................................................................................................ B. Diagram fasa 3D ............................................................................................................ 2.4 Batas Daya Larut Padat Pada Logam ................................................................... 2.5 Komposisi Fasa ................................................................................................................... 2.6 Kuantitas Fasa ..................................................................................................................... BAB III KESIMPULAN DAN SARAN 3 DAFTAR GAMBAR Gb. Diagram Pb – Sn Gb. Diagram Fasa Cu-Ni Gb. Tipe Diagram Fasa Gb. Diagram Tekanan - Temperatur Gb. Diagram paduan Pb-Sn Gb. Komposisi Fasa Gb. Kuantitas Fasa ( paduan Pb – Sn ) Gb. Diagram keseimbangan besi – karbon Gb. Kurva pendingin besi murni Gb. Reaksi eutektik Gb. Pergeseran titik eutectoid 4 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pengenalan bahan teknik mempelajari tentang material – material, cara pembuatan, penerapan di lapangan, dan juga teori-teori mengenai bahan teknik. Salah satunya adalah diagram fasa, dimana kita dapat mengetahui bahan-bahan pada fase liquid (cair), padat, atau gas. 1.2 Tujuan Diharapkan mahasiswa memahami diagram fasa, tahu cara membacanya dan lebih mengenal fase-fase zat yang ada di sekitar kita. 1.3 Manfaat Mahasiswa mudah menggetahui fase zat karena telah disusun dalam sebuah diagram. 5 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Dasar Teori Pada umumnya logam tidak berdiri sendiri atau keadaan murni, tetapi lebih banyak dalam keadaan dipadu atau logam paduan dengan kandungan unsur-unsur tertentu sehingga struktur yang terdapat dalam keadaan setimbang pada temperatur dan tekanan tertentu akan berlainan. Kombinasi dua unsur atau lebih yang membentuk paduan logam akan menghasilkan sifat yang berbeda dari logam asalnya.Tujuan pemaduan adalah untuk memperbaiki sifat logam Sifat yang diperbaiki adalah kekuatan, keuletan, kekerasan, ketahanan korosi, ketahanan aus, ketahanan lelah, dll. Komponen-komponen umum diagram fase adalah garis kesetimbangan, yang merujuk pada garisyang menandakan terjadinya transisi fase. Fasa pada suatu material didasarkan atas daerah yang berbeda dalam struktur atau komposisi dari daerah lainnya.Fasa adalah bagian homogen dari suatu sistem yang memiliki sifat fisik dan kimia yang seragam.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. Informasi penting yang dapat diperoleh dari diagram fasa adalah: 1. Memperlihatkan fasa-fasa yang terjadi pada perbedaan komposisi dan temperatur dibawah kondisi pendinginan yang sangat lambat. 2. Mengindikasikan kesetimbangan kelarutan padat satu unsur atau senyawa pada unsur lain. 3. Mengindikasikan pengaruh temperatur dimana suatu paduan dibawah kondisi kesetimbangan mulai membeku dan pada rentang temperatur tertentu pembekuan terjadi. 4. Mengindikasikan temperatur dimana perbedaan fasa-fasa mulai mencair. 6 2.2 Diagram Fasa ( Diagram Keseimbangan ) Seperti pada diagram Pb – Sn adalah diagram fasa yang digunakan sebagai peta yang menunjukkan fasa yang ada pada suhu tertentu dan komposisi paduan pada keadaan keseimbangan, yaitu semua reaksi yang mungkin terjadi telah selesai. Gb. Diagram Pb – Sn Pada diagram tersebut pada komposisi 50% Sn dan suhu 100 o C, menunjukkan bahwa terdapat dua fasa padat yaitu fasa α dan fasa β. Pada komposisi yang sama pada suhu 200 o C terdapat fasa α dan cairan. |Dan pada suhu 250 o C seluruh larutan berupa cairan. Sebaliknya pada komposisi 80% Sn dan suhu 200 o C terdapat fasa β dan cairan. Dan pada komposisi 10% Sn dan suhu 200 o C hanya terdapat fasa α saja. 7 Daerah fasa dalam diagram keseimbangan tergantung pada system paduannya. Untuk diagram keseimbangan tembaga dan nikel bentuk diagramnya sederhana karena hanya ada satu macam fasa dari kedua logam tersebut. Gb. Diagram Fasa Cu-Ni Pada bagian bawah dari diagram, semua paduan membentuk satu larutan padat yang terdiri dari satu struktur kristal yaitu kps. Karena tembaga dan nikel mempunyai struktur kristal kps dan ukuran kedua atom hampir sama sehingga tembaga dapat saling menggantikan dalam kristal dengan segala perbandingan pada suhu 1000 o C. Jenis pemaduan: 1. Unsur logam + unsur logam Contoh: Cu + Zn; Cu + Al; Cu + Sn. 2. Unsur logam + unsur non logam Contoh: Fe + C. 8 2.3 Tipe Diagram Fasa Gb. Tipe Diagram Fasa A. Diagram Fasa Tipe 2D Diagram fase yang paling sederhana adalah diagram tekanan- temperatur dari zat tunggal,seperti air.Sumbu-sumbu diagram berkoresponden dengan tekanan dan temperatur.Diagram fase pada ruang tekanan-temperatur menunjukkan garis kesetimbangan atau sempadan fase antara tiga fase padat,cair,dan gas. Gb. Diagram Tekanan - Temperatur 9 Diagram fase yang umum.Garis titik-titik merupakan sifat anomali air.Garis berwarna hijau menandakan titik beku dan garis biru menandakan titik didih yang berubah-ubah sesuai dengan tekanan. Penandaan diagram fase menunjukkan titik-titik dimana energi bebas bersifat nonanalitis.Fase-fase dipisahkan dengan sebuah garis non-analisitas, dimana transisi fase terjadi, dan disebut sebagai sempadan fase. Pada diagaram di atas, sempadan fase antara cair dan gas tidak berlanjut sampai takterhingga. Ia akan berhenti pada sebuah titik pada diagaram fase yang disebut sebagai titik kritis. Ini menunjukkan bahwa pada temperatur dan tekanan yang sangat tinggi, fase Cair dan gas menjadi tidak dapat dibedakan yang dikenal sebagai fluida super kritis. Pada air, titik kritis ada pada sekitar 647K dan 22,064MPa(3.200,1psi). Keberadaan titik kritis cair-gas menunjukkan ambiguitas pada definisi diatas.Ketika dari cair menjadi gas,biasanya akan melewati sebuah sempadan fase,namun adalah mungkin untuk memilih lajur yang tidak melewati sempadan dengan berjalan menuju fase superkritis.Oleh karena itu,fase cair dan gas dapat dicampurt erusmenerus. Sempadan padat-cair pada diagram fase kebanyakan zat memiliki gradien yang positif.Hal ini dikarenakan fase padat memiliki densitas yang lebih tinggi dari pada fase cair,sehingga peningkatan tekanan akan meningkatkan titik leleh.Pada beberapa bagian diagram fase air,sempadan fase padat-cair air memiliki gradien yang negatif,menunjukkan bahwa es mempunyai densitas yang lebih kecil daripada air. B. Diagram fasa tipe 3D Adalah mungkin untuk membuat grafik tiga dimensi (3D) yang menunjukkan tiga kuantitas termodinamika. Sebagai contoh, untuk sebuah komponen tunggal, koordinat 3D Cartesius dapat menunjukkan temperatur (T), tekanan (P), dan volume jenis (v). Grafik 3D tersebut kadangkadang disebut diagram P-v-T. Kondisi kesetimbangan akan ditungjukkan sebagai permukaan tiga dimensi dengan luas permukaan untuk fase padat, cair, dan gas. Garis pada permukaan tersebut disebut garis tripel, di mana zat padat, cair, dan gas dapat berada dalam kesetimbangan. Titik kritis masih berupa sebuah titik pada permukaan bahkan pada diagram fase 3D. Proyeksi ortografi grafik P-v-T 3D yang menunjukkan tekanan dan temperatur sebagai sumbu vertikal dan horizontal akan menurunkan plot 3D tersebut menjadi diagram tekanan-temperatur 2D. Ketika hal ini terjadi, permukaan padat-uap, padat-cair, dan cair-uap akan menjadi tiga kurva garis yang akan bertemu pada titik tripel, yang merupakan proyeksi ortografik garis tripel. 10 2.4 Batas Daya Larut Padat Pada Logam Gb. Diagram paduan Pb-Sn Pada diagram bahan padat yang kaya Pb terdapat atom Sn yang larut dalam struktur kps. ( Berbeda pada NaCl tidak larut dalam struktur kristal Es dalam jumlah yang berarti ) o Pada suhu 183 C batas daya larut Sn sekitar 29% atom ( 19% berat) dalam bahan padat yang kaya Pb. o Semakin tinggi suhu larutan padat batas daya larutnya semakin rendah Contoh : Pada 300 C ada 10% atom ( 6% berat ) Sn yang larut pada Pb Demikian halnya pada 183 o C bahan padat yang kaya Sn dapat mengandung 2.5% berat Pb yang larut pada struktur tpr ( Sn) Sesuai perjanjian kedua fasa disebut α ( dengan struktur kristal kps) dan β ( dengan struktur kristal tpr) dari system Pb – Sn 11 Batas daya larut padat mempunyai harga maksimum pada suhu eutektik. Baik diatas maupun dibawah 183 o C jumlah Sn yang dapat larut dalam α kps yang kaya Pb menurun. Hal yang serupa terjadi pada Pb pada 183 o C, maksimum 2,5% berat Pb larut dalam β tpr yang kaya Sn. 2.5 Komposisi Fasa Diagram keseimbangan selain berguna sebagai peta , juga memberikan komposisi kimia fasa yang terdapat pada keadaan seimbang setelah semua reaksi berakhir. Gb. Komposisi Fasa Daerah Fasa Tunggal Pada fasa tunggal ( keseluruhan logam dalam keadaan padat atau cair ) komposisi kimianya sesuai dengan paduannya. Misalnya dalam paduan 60Sn dan 40 Pb pada 225 o C cairan mempunyai komposisi 60 – 40, hal serupa berlaku untuk diagram fasa dengan larutan padat fasa tunggal. Daerah dua fasa Komposisi kedua fasa terdapat pada kedua ujung garis isotermis yang melintasi daerah dua fasa. 12 Sebagai contoh paduan timah patri 80Pb – 20Sn pada 150 o C. Pada diagram dapat dilihat bahwa α mempunyai komposisi 10% Sn dan komposisi β hampir 100% Sn. Namun pada paduan yang sama dan suhu yang berbeda komposisi α dan β akan berbeda. Hal ini berdasarkan kenyataan bahwa batas larut Sn dalam α pada 150 o C besarnya 10%. Karena paduan adalah 20%Sn maka α jenuh dengan Sn dan kelebihan Sn terdapat pada β. Demikian batas daya larut Pb dalam β < 1%, maka hampir seluruh Pb berada dalam fasa α. Reaksi Eutektik Cairan yang mempunyai komposisi eutektik (38.1% Pb – 61.9% Sn pada system Pb – Sn ) terurai menjadi fasa padat (α dan β) pada suhu eutektik 183 o C . Pda suhu ini saja tiga fasa berada dalam keseimbangan. Reaksi uetektik dapat ditulis : L2 didinginkan → ← Dipanaskan S1 + S 3 Catatan : 1,2,3 menunjukkan kadar yang meningkat dari salah satu diantara komponen 2.6 Kuantitas Fasa Dengan melihat diagram fasa maka dapat mengidentifikasi: 1. Jenis fasa yang telah stabil/seimbang 2. Komposisi kimia 3. Kuantitas setiap fasa yang ada dalam keseimbangan Daerah dua fasa 13 Kuantitas dari dua fasa ditentukan dengan cara interpolasi komposisi paduan diantara komposisi kedua fasa itu. Gb. Kuantitas Fasa ( paduan Pb – Sn ) Sebagai contoh timah patri 80 Pb – 20 Sn pada 150 o C, dari diagram terlihat bahwa komposisi 80 Pb- 20 Sn terletak pada titik sejauh 0.11 x jarak komposisi kimia α ( 90 Pb -10 Sn ) dan komposisi kimia β (< 1 Pb dan ~ 100Sn ). Sehingga jumlah seluruh patri , fraksi kuantitas β= 0.11 dan α = 0.89 Jumlah ini dapat ditulis 89% untuk massa α dan 11% untuk massa β. Dalam komposisi yang sama ( 80 Pb – 20 Sn ) pada 250 o C dari diagram dapat dilihat bahwa α ( 88 Pb -12 Sn ) dan L ( 64 Pb - 36 Sn ). Komposisi kimi paduan ini secara keseluruhan ( 80 Pb – 20 Sn ) sama dengan 1/3 jarak antara α dan komposisi cairan. Sehingga jumlah patri keseluruhan pada 250 o C kuantitas fraksi cairan 1/3 bagian dan fraksi padat ( α ) 2/3 bagian. 14 Kuantitas dinyatakan dalam fasa α dan β atau α dan L, sesuatu yang beda dengan komposisi kimia yang dinyatakan dalam jumlah komponen Pb dan Sn. Pada Sistem Besi Karbon Baja merupakan paduan dari besi dan karbon. Besi murni berubah strukturnya pada 912 o C dari kpr menjadi kps. Pada 1394 o C berubah lagi dari kps menjadi kpr lagi dan kpr ini stabil sampai besi mencair pada 1538 o C. Gb. Diagram keseimbangan besi - karbon 15 Gb. Kurva pendingin besi murni 16 17 Ferit atau besi α Struktur besi murni pada suhu ruangan disebut ferit atau besi α . Ferit mempunyai struktur kpr, ruangan antar atom kecil dan rapat sehingga sulit menampung atom karbon sekalipun kecil. Oleh sebab itu daya larut karbon dalam ferit rendah ( < 1 karbon per 1000 atom besi ). Austenit atau besi - . Besi dengan struktur kps disebut Austenit atau besi - . Besi ini stabil pada suhu antara 912 o C dan 1394 o C. Austenit mempunyai sifat yang lunak dan ulet sehingga mudah dibentuk. Besi austenit berstruktur kps yang mempunyai jarak atom yang lebih besar dibanding ferit. 18 Meskipun demikian lubang pada strtuktur kps hampir tidak dapat menampung atom karbon dan penyisipan ini menyebabkan regangan dalam struktur. Akibatnya tidak semua lobang dapat diisi atom karbon (~ 6% pada 912 o C). Daya larut maksimum 2.11% ( 9%atom) karbon. Besi- . Di atas 1394 o C austenit bukan bentuk besi yang paling stabil karena struktur kristal berubah dari kps menjadi kpr atau besi- . Besi- sama dengan besi α kecuali daerah suhunya. Oleh karena itu biasa disebut ferit . Daya larut karbon dalam ferit kecil, akan tetapi lebih besar dari pada ferit α , karena suhunya lebih tinggi. Karbida besi Pada paduan besi karbon, karbon melebihi daya larut membentuk fasa ke dua yang disebut karbida besi (sementit) yang mempunyai kompsisi kimia Fe 3 C. Hal ini tidak berarti sementit membentuk molekul –molekul Fe 3 C, akan tetapi membentuk kisi kristal mengandung atom besi dan karbon dalam perbandingan tiga – satu. Fe 3 C mempunyai sel satuan ortorombik ( semua sudut = 90 o C dan a ≠ b ≠ c ) dengan 12 atom besi dan 4 atom karbon per sel. Kandungan karbonnya 6.7%(berat) dan berat jenisnya 7,6 Mg/m 3 Diagram fasa Fe-Fe 3 C Pada gambar bawah terlihat diagram fasa besi (Fe) dan karbida besi(Fe 3 C). Diagram ini merupakan landasan untuk memberikan perlakuan panas (kebanyakan jenis baja). Komposisi eutektik terdapat pada 4.3% (berat) karbon atau 17% atom karbon dan suhu eutektik adalah 1148 o C. Besi - yang kaya Fe dapat menampung sampai 2.11% (berat) atau 9%(atom) karbon. Atomatom karbon ini larut secara intersisi dalam besi kps. 19 Reaksi eutektik Pada gambar bawah merupakan perbandingan antara penambahan karbon pada austenit dengan penambahan garam pada air. Pada setiap keadaan penambahan bahan yang dilarutkan menurunkan jangkauan suhu stabil larutan. Gb. Reaksi eutektik Pada system es-garam, larutan cairan ada diatas suhu eutektik, sedangkan pada system besikarbon terdapat larutan padat sehingga reaksi eutektik sungguhan tidak terjadi sewaktu pendinginan. Akan tetapi karena analogi reaksi ini dengan reaksi eutektik, reaksi ini disebut eutectoid ( secara harfiah berarti seperti eutektik ). Eutektik : L2 didinginkan S1 + S 3 ← Dipanaskan → Didinginkan Euitektoid S2 → S1 + S 3 ← 20 Dipanaskan Suhu eutectoid untuk paduan besi – karbon adalah 727 o C Komposisi eutectoid terdiri sekitar 0.8% karbon. Reaksi eutectoid untuk paduan Fe – C adalah : (0.77%C ) 723 o C α ( 0.02% C ) + Fe 3 C ( 6.7% C) Pergeseran Eutektoid Pada baja paduan atom karbon dan atom besi saling berkoordinasi dengan atom lain. Oleh karena itu kadar karbon Euitektoid dan suhu Euitektoid berubah bila ada elemen paduan lainnya. Perubahan kadar karbon Euitektoid dan suhu Euitektoid dapat dilihat pada diagram bawah Gb. Pergeseran titik eutectoid Dekomposisi Austenit Selama pendinginan terjadi reaksi eutiktoid Fe – C yang menyangkut pembentukkan ferit dan karbida C sebagai hasil dekomposisi austenit berkomposisi eutektoid : ( ~ 0.8% C ) → α + C 21 Dalam campuran yang dihasilkan terdapat ~ 12% karbida dan lebih dari 88% ferit. Karena karbida dan ferit terbentuk bersama-sama, keduanya bercampur dengan baik. Dengan kata lain ferit adalah campuran khusus terdiri dari dua fasa dan terbentuk sewaktu austenit dengan komposisi eutectoid bertransformasi menjadi ferit dan karbida. Perlit adalah campuran khusus dari dua fasa dan terbentuk sewaktu austenit dengan komposisi eutectoid bertransformasi menjadi ferit dan karbid 22
