BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Baja
2.1.4 Diagram Fasa Fe-C
Perlakuan panas pada logam merupakan ilmu yang mempelajari tentang perubahan sifat dan struktur pada logam akibat pemberian panas pengaturan laju pendinginan. Secara umum, perlakuan panas pada logam akan berhubungan erat dengan tiga hal yaitu temperatur, waktu, dan komposisi.
Logam tersusun dari atom – atom yang memiliki ikatan metalik. Setiap atom yang berikatan metalik akan membentuk satu kristal. Kristal ini memiliki struktur dan orientasi sendiri bergantung sumbu terbentuknya kristal tersebut, dan setiap kristal yang berada dalam satu orientasi akan berkumpul membentuk satu butir. Struktur kristal dipengaruhi oleh jumlah elemen
paduan yang mampu menyelinap di sela – sela ikatan atom, atau di sekitar kristal satu dengan yang lain. Selain jumlah, ukuran pun penting untuk menentukan apakah elemen paduan tersebut menyelinap (interstisi), atau mengganti (substitusi). Atom itu tidak diam, tapi bergerak. Atom dalam setiap logam mampu bergerak dan berpindah tempat disebabkan oleh dua hal yaitu kondisi energi yang diberikan (diwakilkan oleh temperatur) dan komposisi elemen paduan (diwakilkan oleh persen berat unsur). Secara alamiah, suatu lingkungan yang padat akan cenderung mencari kestabilan dengan mengurangi kepadatannya menuju lingkungan lain yang kurang padat. Itu adalah proses difusi, dipengaruhi oleh gradien komposisi. Namun, untuk bisa berpindah, butuh energi. Kombinasi dari keduanya, maka kita akan mendapatkan ilmu pertama dari Ilmu dan Teknik Material.
Diagram keseimbangan besi karbon seperti pada gambar 2.2 adalah diagram yang menampilkan hubungan antara temperatur dimana terjadi perubahan fasa selama proses pendinginan dan pemanasan yang lambat dengan kadar karbon. Diagram ini merupakan dasar pemahaman untuk semua operasi-operasi perlakuan panas. Dimana fungsi diagram fasa adalah memudahkan memilih temperatur pemanasan yang sesuai untuk setiap proses perlakuan panas baik proses anil, normalizing maupun proses pengerasan.
Menurut George Krauss (1995: 1-4), diagram keseimbangan besi karbon dapat digunakan sebagai dasar untuk melaksanakan perlakuan panas. Penggunaan diagram ini relatif terbatas karena beberapa metode perlakuan panas digunakan untuk menghasilkan struktur yang non-equilibrium. Akan tetapi pengetahuan
mengenai perubahan fasa pada kondisi seimbang memberikan ilmu pengetahuan dasar untuk melakukan perlakuan panas.
Untuk mempermudah penelitian atau pun memodifikasi suatu baja dengan kadar karbon tertentu maka dilakukan penelitian secara terperinci selama bertahun-tahun mengenai pengaruh kondisi temperatur pemanasan terhadap fasa yg terjadi pada baja tersebut. Sehingga menghasilkan kurva seperti gambar 2.2.
Gambar 2.2. Diagram Fasa Fe-C
Diagram fasa dibuat oleh dua orang, yang bernama Elliot J.F. dan Benz M.G. pada tahun 1949 (pada tahun yang sama, Indonesia masih berkutat melawan NICA yang datang dari Belanda, belum sempat membuat hal seperti ini, sungguh menyedihkan). Diagram ini, tidak dibuat dalam semalam, tapi selama bertahun – tahun, dan mengalami penyempurnaan hingga tahun 1992 oleh springerlink.
Komponen dari diagram fasa ada dua yaitu komposisi karbon (sumbu X) dan temperatur (sumbu Y). Di tengah diagram tersebut ada “peta” dari jenis fasa yang terbentuk.
Intinya yaitu dalam memodifikasi baja dengan pemanasan dalam tujuan memperlunak baja, hal-hal utama yang perlu diperhatikan yaitu kandungan kadar karbon dan temperatur pemanasan yang menyebabkan fasa tertentu.
2.1.4.1 Delta Iron (Delta Ferrite)
Delta Iron merupakan fasa yang terbentuk dan stabil pada temperatur sekitar 1500°C. Pada daerah ini, karbon yang bisa menjadi interstisi di dalam besi maksimal sekitar 0.09%. Delta, di sebelah kiri, memiliki garis kelarutan karbon (lebih dari 0.025% dan kurang dari 0.5%), garis mendatar di sebelah kanan, menunjukkan kelarutan karbon maksimal. Fasa delta ini cenderung lunak dan tidak stabil pada suhu kamar. Struktur kristal yang terbentuk adalah BCC. Gambar 2.3 ini menunjukkan gambar struktur mikro Delta Iron yang di etching dengan kondisi tertentu menggunakan teknik metalurgi khusus pada baja stainless steel.
Gambar 2.3. Struktur Mikro Delta Ferrite
2.1.4.2 Ferrite(α)
Ferrite (α) merupakan fasa yang terbentuk pada temperatur sekitar 300-723°C. Pada daerah ini, kelarutan karbon maksimalnya adalah 0,025% pada temperatur 725°C, dan turun drastis menjadi 0% pada 0°C. Fasa ini biasa terjadi bersamaan dengan cementite, membentuk pearlite pada pendinginan lambat. Fasa ini lunak, dan memberikan kemampuan bentuk pada logam. Gambar 2.4 menunjukkan struktur fasa ferrite yang berwarna hitam, dan austenite yang berwarna putih. Hal ini menunjukkan bahwa, selain lunak, ferrite sendiri cenderung lebih mudah berkarat dibandingkan austenite.
Gambar 2.4. Mikro Struktur Ferrite
2.1.4.3 Cementite (Fe3C)
Cementite merupakan kelarutan karbon maksimal 6,67 %. Kelarutan karbon yang tinggi memberikan sifat keras pada fasa ini, dan berkontribusi bersama dengan ferrite untuk menentukan kekuatan dari suatu logam. Gambar 2.5 di atas menunjukkan fasa cementite yang didapatkan dari proses pendinginan lambat
Gambar 2.5. Mikro Struktur Cementite
2.1.4.4 Pearlite(α + Fe3C)
Pearlite merupakan satu fasa yang terbentuk dari gabungan dua fasa, ferrite dan cementite. Pearlite dianggap sebagai satu fasa sendiri, karena memberikan kontribusi sifat yang seragam. Seperti dijelaskan di atas, di dalam satu fasa, biasa terbentuk dalam satu butir. Namun, untuk Pearlite berbeda, karena ada dua fasa dalam satu butir.
Karena butir berukuran lebih besar dari ukuran fasa ferrite dan cementite itu sendiri (ukuran terkecil yang bisa dikarakterisasi sebesar ukuran indentasi dari uji keras mikro vickers, sekitar 50 mikron), maka pearlite, atas kesepakatan bersama para ahli material, digolongkan sebagai satu fasa dalam satu butir. Pearlite memiliki morfologi mirip seperti lapisan (lamellae) antara ferrite (hitam) dan cementite (putih). Pada gambar 2.6, bisa dilihat struktur mikro dari pearlite tersebut. Perhatikan juga pembesaran yang ada di sebelah kanan bawah, hal ini menunjukkan perbedaan gambar ini dengan gambar pada baja cor putih. Apa perbedaannya dengan baja cor putih, pada pembesaran yang sama? distribusi dari fasa pearlite dan sementitnya.
Gambar 2.6 Mikro Struktur Pearlite
2.1.4.5 Austenite (γ)
Gamma Iron merupakan fasa yang terbentuk pada terbentuk pada temperatur 1140°C, dengan kelarutan karbon 2,08%. Kelarutan karbon akan turun menjadi 0,08% pada 723°C. Fasa austenite terlihat jelas pada gambar di bagian ferrite di atas, berwarna putih. Hal ini menunjukkan bahwa fasa ini memiliki ketahanan karat yang lebih baik daripada fasa yang lain. Austenite merupakan fasa yang tidak stabil di temperatur kamar, sehingga dibutuhkan komposisi
paduan lain yang akan berungsi sebagai
kamar, contohnya adalah mangan (Mn).
2.1.4.6 Eutectic, Hypo-eutectoid dan hyper-eutectoid
Seperti kata Human (manusia) dan Humanoid (seperti-manusia), maka daerah pendinginan pun memiliki dua garis mendatar yaitu eutectoic dan eutectoid (eutectic-like). Kedua garis isotermal ini menunjukkan perubahan fasa yang berbeda : Eutectic [L -> γ+Fe3C] dan Eutectoid [γ->α+Fe3C]. Titik eutectoid terletak pada garis komposisi 0,8%
karbon, sedangkan titik eutectic terletak pada garis komposisi 4% karbon. Biasanya, baja yang terletak pada daerah eutectoid disebut baja karbon, sedangkan pada daerah 4% karbon disebut baja cor. Pada baja karbon, ada baja karbon yang kandungan karbonnya rendah (di bawah 0,8%) dan tinggi (di atas 0,8%). Dengan kesepakatan bersama, baja dengan kandungan karbon di bawah 0,8% disebut baja karbon rendah, medium, dan tinggi, sedangkan baja dengan kandungan karbon di atas 0,8% disebut baja saja (steel).