STRUKTUR MIKRO
3.1. Diagram Fasa
Diagram fasa merupakan diagram kesetimbangan antara temperatur dengan komposisi (di bawah tekanan 1 atm). Diagram yang digunakan sebagai peta yang menunjukkan fasa yang ada pada suhu tertentu atau komposisi paduan pada keadaan keseimbangan.
Diagram fasa digunakan untuk membantu dalam memprediksi transformasi fasa dan menghasilkan struktur yang seimbang atau tidak, dan merepresentasikan hubungan antara komposisi dan temperatur dan kuantitas fasa pada kesetimbangan. Beberapa informasi penting yang dapat diperoleh dari diagram fasa tersebut adalah :
Fasa-fasa yang terdapat dalam material pada perbedaan komposisi dan temperatur dibawah kondisi pendinginan lambat.
Indikasi kesetimbangan kelarutan padat dari suatu elemen atau senyawa dalam elemen atau senyawa lain.
Indikasi temperatur, dimana paduan didinginkan dibawah kondisi setimbang mulai dari awal (start) hingga padat (solidifikasi) dan rentang temperatur dimana proses solidifikasi terjadi.
Indikasi temperatur dimana terjadi perubahan fasa padat pada saat meleleh.
Komposisi dari suatu paduan atau suatu fasa dalam suatu paduan biasanya diukur dalam berat (Weigth) %, symbol W.
= 100%
(3.1)
Daerah fasa dalam diagram keseimbangan dengan sendirinya tergantung dari sistem paduannya.
Constitution paduan ditunjukkan oleh:
(a) keseluruhan komposisi (the overall composition);
(b) jumlah fase (the number of phases);
(c) komposisi setiap fase (the composition of each phase);
(d) proporsi berat setiap fase (the proportion by weight of each phase).
S y a f r i z a l H a l . 3 1 Fasa adalah bagian homogen dari sistem yg mempunyai kharakteristik fisik & kimia yg
Uniform, contoh fasa , material murni, larutan padat, larutan cair dan gas. Material yg mempunyai dua atau lebih struktur disebut polimorfik, jumlah fasa yg ada &
bagiannya dalam material merupakan struktur mikro. Berikut akan ditampilkan beberapa bentuk fasa diagram campuran unsur pembentukan material.
Gambar 3.1. Diagram Fasa Air Dan Gula
Pada gambar 3.1 diperlihatkan bentuk fasa yang terjadi akan sangat ditentukan dengan persentase kandungan gula dalam pelarut air dan temperatur. Pada gambar 3.2 fasa campuran Cu dan Ni akan diperlihatkan bagaimana kita dapat menghitung komposisi fasa dari suatu paduan pada temperatur tertentu.
= = (Komposisi berat cair) (3.2)
= = (Komposisi berat padat) (3.3)
S y a f r i z a l H a l . 3 2 Eutectid dan eutektoid adalah dua titik istimewa yang akan kita temukan dalam diagram fasa material, seperti yang diperlihatkan pada gambar 3.3. dan gambar 3.4.
Gambar 3.2. Diagram fasa Cu & Ni
Reaksi eutectid, adalah suatu titik yang menandakan terjadinya perubahan fasa padat ganda menjadi satu fasa cair atau sebaliknya, kondisi seperti ini terjadi pada fasa paduan CuAg.
S y a f r i z a l H a l . 3 3 Gambar 3.3. Diagram Fasa Cu & Ag
Gambar 3.4. Diagram Fe-Fe3C, material science and metallurgy 4th ed, pollacprektice-Hall
Keterangan diagram Fe-Fe3C :
0,008%C : batas kelarutan minimum karbon pada ferit pada temperature kamar 0,025%C : batas kelarutan maksimum karbon pada ferit padatemperatur 723oC 0,083%C : titik eutectoid
2%C : batas kelarutan pada besi delta pada temperature 1130oC 4,3%C : titik eutectoid
18%C : batas kelarutan pada besi delta pada temperature 1439oC
Garis A0 :garis temperature dimana terjadi transformasi magnetic dari sementit Garis A1 : garis temperature dimana terjadi austenite (gamma) menjadi ferrit
dalam pendinginan
Garis A2 : garis termperatur dimana terjadi transformasi magnetic pada ferit Garis A3 : garis temperature dimana terjadi perubahan ferit menjadi
austenite(gamma) pada pemanasan
Garis A : garis yang menunjukan kandungan karbon dan transformasi baja hypoeutectoid
S y a f r i z a l H a l . 3 4 Garis E : garis yang menunjukan transformasi baja eutectoid
Garis B : garis yang menunjukkan kandungan karbon dari baja transformasi baja hypoeutectoid
Garis liquidus: garis yang menunjukan awal dari proses pendinginan(pembekuan) Garis solidus: garis yang menunjukan batas antara austenite solid dan austenite liquid.
Gambar 3.5. Transformasi Fasa Fe3C
Transformasi pada diagram fasa Fe-Fe3C
Diagram kesetimbangan fasa Fe-Fe3C adalah alat penting untuk memahami struktur mikro dan sifat-sifat baja karbon. Suatu jenis logam paduan besi (Fe) dan karbon (C).
diagram fasa Fe-Fe3C juga merupakan dasar pembuatan baja dan besi cor dalam pembuatan logam. Karbon larut didalam besi dalam bentuk larutan padat(solid solution) hingga 0,05% berat pada temperature ruangan. Pada kadar karbon lebih dari 0,055 akan terbentuk endapan karbon dalam bentuk hard intermetallic stoichiomater
S y a f r i z a l H a l . 3 5 compound (Fe3C) yang lebih dikenal sebagai cementid atau karbid. Dari diagram fasa tersebut dapat diperoleh informasi-informasi penting lain antara lain:
1. Fasa yang terjadi pada komposisi dan temperature yang berbeda dengan pendinginan lambat.
2. Temperature pembekuan dan daerah daerah pembekuan paduan Fe-C bisa dilakukan pendinginan lambat
3. Temperature cair masing-masing paduan
4. Batas-batas kelarutan atau batas kesetimbangan dari unsur karbon fasa tertentu.
5. Reaksi – reaksi metalurgi yang terbentuk.
Besi merupakan salah satu logam yang memiliki sifat allotropi, sifat allotropi dimiliki besi sendiri ada 3 yaitu:
1. Alpha iron(α) mampu melarutkan karbon max 0,025% pada 723oC 2. Delta iron(δ)mampu melarutkan karbon max 0,1% pada 1500oC 3. Gamma iron(γ)mampu melarutkan karbon max 2% pada 1130oC
Transformasi allotropic pada besi, Fe(α) ,Fe(δ), dan Fe(γ) terjadi secara difusi sehingga membutuhkan waktu tertentu pada temperature konstan Karena reaksi mengeluarkan panas laten.
Besi mengandung elemen utama Fe dan C. Baja karbon merupakan salah satu jenis logam paduan besi karbon terpenting dengan prosentase berat karbon hingga 2,11%. Baja karbon memiliki kadar C hingga 1.2% dengan Mn 0.30%-0.95%. Elemen-elemen prosentase maksimum selain bajanya sebagai berikut: 0.60% Silicon, 0.60%
Copper.
Karbon adalah unsur kimia dengan nomor atom 6, tingkat oksidasi 4.2 dan Mangan adalah unsur kimia dengan nomor atom 25, tingkat oksidasi 7.6423. Karbon dan Manganese adalah bahan pokok untuk meninggikan tegangan (strength) dari baja murni. Karbon (C) adalah komponen kimia pokok yang menentukan sifat baja.
Semakin tinggi kadar karbon di dalam baja, semakin tinggi kuat tarik serta tegangan leleh, tetapi koefisien muai bahan turun, dan baja semakin getas. Karbon mempunyai pengaruh yang paling dominan terhadap sifat mampu las. Semakin tinggi kadar karbon menjadikan sifat mampu las turun.
Fasa-fasa padat yang ada didalam baja :
S y a f r i z a l H a l . 3 6 a. Ferit (alpha) : merupakan sel satuan (susunan atom-atom yang paling kecil dan
teratur) berupa Body Centered Cubic (BCC=kubus pusat badan), Ferit ini mempunyai sifat : magnetis, agak ulet, agak kuat, dll.
b. Austenit : merupakan sel satuan yang berupa Face Centered Cubic (FCC =kubus pusat muka), Austenit ini mempunyai sifat : Non magnetis, ulet, dll.
c. Sementid (besi karbida) : merupakan sel satuan yang berupa orthorombik, Semented ini mempunyai sifat : keras dan getas.
d. Perlit : merupakan campuran fasa ferit dan sementid sehingga mempunyai sifat Kuat.
e. Delta : merupakan sel satuan yang berupa Body Centered Cubic (BCC=kubus pusat badan).
Gambar 3.6. Struktur kristal baja fasa ferit, austenit, dan martensit
Klasifikasi Baja Karbon
Baja karbon (carbon steel), dibagi menjadi tiga yaitu;
iii. Baja karbon rendah (low carbon steel) machine, machinery dan mild steel - 0,05 % - 0,30% C.
Sifatnya mudah ditempa dan mudah di mesin. Penggunaannya:
1. 0,05 % - 0,20 % C : automobile bodies, buildings, pipes, chains, rivets, screws, nails.
2. 0,20 % - 0,30 % C : gears, shafts, bolts, forgings, bridges, buildings.
iv. Baja karbon menengah (medium carbon steel)
1. Kekuatan lebih tinggi daripada baja karbon rendah.
2. Sifatnya sulit untuk dibengkokkan, dilas, dipotong. Penggunaan:
3. 0,30 % - 0,40 % C : connecting rods, crank pins, axles.
S y a f r i z a l H a l . 3 7 4. 0,40 % - 0,50 % C : car axles, crankshafts, rails, boilers, auger bits,
screwdrivers.
5. 0,50 % - 0,60 % C : hammers dan sledges.
v. Baja karbon tinggi (high carbon steel) tool steel
1. Sifatnya sulit dibengkokkan, dilas dan dipotong. Kandungan 0,60 % -1,50 % C
Penggunaannya:
screw drivers, blacksmiths hummers, tables knives, screws, hammers, visejaws,knives, drills. tools for turning brass and wood, reamers, tools
Struktur Mikro Baja Karbon
Struktur yang dimiliki oleh baja sangat ditentukan oleh kandungan karbonnya. Pada baja karbon rendah strutur di dominasi oleh ferit dan diikuti oleh sedikit perlit. Pada baja karbon tinggi struktur didomonasi oleh perlit dan sedikit sementit, dan baja karbon menengah struktur baja terdiri dari ferit dan perlit dengan perbandingan tergantung pada kandungan karbonnya, semakin tinggi karbon maka semakin banyak perlitnya. Gambar 3.7 di bawah ini menunjukkan strutur mikro baja karbon rendah, menengah dan tinggi.
(a) Baja karbon rendah (b) Baja karbon sedang (c) Baja karbon tinggi Gambar 3.7. Gambar Struktur Mikro Baja Karbon
Baja karbon rendah atau sangat rendah, banyak digunakan untuk proses pembentukan logam lembaran, misalnya untuk badan dan rangka kendaraan serta komponen-komponen otomotif lainnya. Baja jenis ini dibuat dan diaplikasikan dengan mengeksploitasi sifat-sifat ferrite. Ferrite adalah salah satu fasa penting di dalam baja
S y a f r i z a l H a l . 3 8 yang bersifat lunak dan ulet. Baja karbon rendah umumnya memiliki kadar karbon di bawah komposisi eutectoid dan memiliki struktur mikro hampir seluruhnya ferrite.
Pada lembaran baja kadar karbon sangat rendah atau ultra rendah, jumlah atom karbon-nya bahkan masih berada dalam batas kelarutankarbon-nya pada larutan padat sehingga struktur mikronya adalah ferrite seluruhnya
Gambar 3.6. Bentuk Struktur Mikro Baja Karbon Rendah Seluruhnya Ferrite.
Pada kadar karbon lebih dari 0,05% akan terbentuk endapan karbon dalam bentuk hard intermetallic stoichiometric compound (Fe3C) yang dikenal sebagai cementite atau carbide. Selain larutan padat alpha-ferrite yang dalam kesetimbangan dapat ditemukan pada temperatur ruang terdapat fase-fase penting lainnya, yaitu delta-ferrite dan gamma-austenite. Logam Fe bersifat polymorphis yaitu memiliki struktur kristal berbeda pada temperatur berbeda. Pada Fe murni, misalnya, alpha-ferrite akan berubah menjadi gamma-austenite saat dipanaskan melewati temperature 910oC. Pada temperatur yang lebih tinggi, mendekati 1400oC gamma-austenite akan kembali berubah menjadi delta-ferrite. (Alpha dan Delta) Ferrite dalam hal ini memiliki struktur kristal BCC sedangkan (Gamma) Austenite memiliki struktur kristal FCC.
Pada kadar karbon lebih tinggi akan mulai terbentuk endapan cementite atau fase pearlite pada batas butirnya
S y a f r i z a l H a l . 3 9 Struktur Mikro Baja Karbon Rendah
Sifat cementite atau carbide yang keras dan getas berperan penting di dalam meningkatkan sifat-sifat mekanik baja. Salah satu parameter penting yang menunjukkan hal tersebut, sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya adalah a mean ferrite path. a mean ferrite path menunjukkan jarak antar cementite, baik pada pearlite maupun sphreodite. Jarak antar carbide di dalam pearlite secara khusus dikenal sebagai interlamellar spacing atau spasi antar lamel atau lembaran
Fasa-fasa yang terbentuk pada baja karbon :
a. Ferit (alpha) : merupakan sel satuan (susunan atom-atom yang paling kecil dan teratur) berupa Body Centered Cubic (BCC=kubus pusat ruang), Ferit ini mempunyai sifat : magnetis, agak ulet, agak kuat, dll.
b. Austenit : merupakan sel satuan yang berupa Face Centered Cubic (FCC =kubus pusat bidang), Austenit ini mempunyai sifat : Non magnetis, ulet, dll.
c. Sementid (besi karbida) : merupakan sel satuan yang berupa orthorombik, Semented ini mempunyai sifat : keras dan getas.
d. Perlit : merupakan campuran fasa ferit dan sementid sehingga mempunyai sifat Kuat.
e. Delta : merupakan sel satuan yang berupa Body Centered Cubic (BCC=kubus pusat ruang).
S y a f r i z a l H a l . 4 0 BAB 4