diagram-fasa.ppt

Diagram Fasa/diagram kesetimbangan fasa

Diagram Fasa/diagram kesetimbangan fasa

Diagram Fasa/diagram kesetimbangan fasa

Diagram Fasa/diagram kesetimbangan fasa

(Equilibrium phase diagram)

(Equilibrium phase diagram)

(Equilibrium phase diagram)

(Equilibrium phase diagram)

Pada umumnya logam tidak berdiri sendiri atau keadaan murni, Pada umumnya logam tidak berdiri sendiri atau keadaan murni, Pada umumnya logam tidak berdiri sendiri atau keadaan murni, Pada umumnya logam tidak berdiri sendiri atau keadaan murni, tetapi lebih banyak dalam keadaan dipadu atau logam paduan tetapi lebih banyak dalam keadaan dipadu atau logam paduan tetapi lebih banyak dalam keadaan dipadu atau logam paduan tetapi lebih banyak dalam keadaan dipadu atau logam paduan dengan kandungan unsur-unsur tertentu sehingga struktur yang dengan kandungan unsur-unsur tertentu sehingga struktur yang dengan kandungan unsur-unsur tertentu sehingga struktur yang dengan kandungan unsur-unsur tertentu sehingga struktur yang terdapat dalam keadaan setimbang pada temperatur dan tekanan terdapat dalam keadaan setimbang pada temperatur dan tekanan terdapat dalam keadaan setimbang pada temperatur dan tekanan terdapat dalam keadaan setimbang pada temperatur dan tekanan tertentu akan berlainan.

tertentu akan berlainan. tertentu akan berlainan. tertentu akan berlainan.

Kombinasi dua unsur atau lebih yang membentuk paduan logam Kombinasi dua unsur atau lebih yang membentuk paduan logam Kombinasi dua unsur atau lebih yang membentuk paduan logam Kombinasi dua unsur atau lebih yang membentuk paduan logam akan menghasilkan sifat yang berbeda dari logam asalnya.

akan menghasilkan sifat yang berbeda dari logam asalnya. akan menghasilkan sifat yang berbeda dari logam asalnya. akan menghasilkan sifat yang berbeda dari logam asalnya. Tujuan pemaduan = untuk memperbaiki sifat logam

Tujuan pemaduan = untuk memperbaiki sifat logam Tujuan pemaduan = untuk memperbaiki sifat logam Tujuan pemaduan = untuk memperbaiki sifat logam

Sifat yang diperbaiki adalah kekuatan, keuletan, kekerasan, Sifat yang diperbaiki adalah kekuatan, keuletan, kekerasan, Sifat yang diperbaiki adalah kekuatan, keuletan, kekerasan, Sifat yang diperbaiki adalah kekuatan, keuletan, kekerasan, ketahanan korosi, ketahanan aus, ketahanan lelah, dll.

ketahanan korosi, ketahanan aus, ketahanan lelah, dll. ketahanan korosi, ketahanan aus, ketahanan lelah, dll. ketahanan korosi, ketahanan aus, ketahanan lelah, dll.

Fasa pada suatu material didasarkan atas daerah yang berbeda Fasa pada suatu material didasarkan atas daerah yang berbeda Fasa pada suatu material didasarkan atas daerah yang berbeda

Fasa pada suatu material didasarkan atas daerah yang berbeda

dalam struktur atau komposisi dari daerah lainnya. dalam struktur atau komposisi dari daerah lainnya. dalam struktur atau komposisi dari daerah lainnya.

dalam struktur atau komposisi dari daerah lainnya.

Fasa =

Fasa = bagian homogen bagian homogen dari suatu dari suatu sistem yang sistem yang memiliki sifat memiliki sifat fisik fisik  Fasa =

Fasa = bagian homogen bagian homogen dari suatu dari suatu sistem yang sistem yang memiliki sifat memiliki sifat fisik fisik 

dan kimia yang seragam. dan kimia yang seragam. dan kimia yang seragam.

dan kimia yang seragam.

Untuk mempelajari paduan dibuatlah kurva yang menghubungkan Untuk mempelajari paduan dibuatlah kurva yang menghubungkan Untuk mempelajari paduan dibuatlah kurva yang menghubungkan

Untuk mempelajari paduan dibuatlah kurva yang menghubungkan

antara fasa, komposisi dan temperatur. antara fasa, komposisi dan temperatur. antara fasa, komposisi dan temperatur.

antara fasa, komposisi dan temperatur.

Diagram fasa adalah suatu grafik yang merupakan representasi Diagram fasa adalah suatu grafik yang merupakan representasi Diagram fasa adalah suatu grafik yang merupakan representasi

Diagram fasa adalah suatu grafik yang merupakan representasi

tentang fasa-fasa yang ada dalam suatu material pada variasi tentang fasa-fasa yang ada dalam suatu material pada variasi tentang fasa-fasa yang ada dalam suatu material pada variasi

tentang fasa-fasa yang ada dalam suatu material pada variasi

temperatur, tekanan dan komposisi. temperatur, tekanan dan komposisi. temperatur, tekanan dan komposisi.

temperatur, tekanan dan komposisi.

Pada umumnya diagram fasa dibangun pada keadaan

Pada umumnya diagram fasa dibangun pada keadaan

Pada umumnya diagram fasa dibangun pada keadaan

Pada umumnya diagram fasa dibangun pada keadaan

kesetimbangan (kondisinya adalah pendinginan yang sangat kesetimbangan (kondisinya adalah pendinginan yang sangat kesetimbangan (kondisinya adalah pendinginan yang sangat

kesetimbangan (kondisinya adalah pendinginan yang sangat

lambat). Diagram ini dipakai untuk mengetahui dan memprediksi lambat). Diagram ini dipakai untuk mengetahui dan memprediksi lambat). Diagram ini dipakai untuk mengetahui dan memprediksi

Fasa pada suatu material didasarkan atas daerah yang berbeda Fasa pada suatu material didasarkan atas daerah yang berbeda Fasa pada suatu material didasarkan atas daerah yang berbeda

Fasa pada suatu material didasarkan atas daerah yang berbeda

dalam struktur atau komposisi dari daerah lainnya. dalam struktur atau komposisi dari daerah lainnya. dalam struktur atau komposisi dari daerah lainnya.

dalam struktur atau komposisi dari daerah lainnya.

Fasa =

Fasa = bagian homogen bagian homogen dari suatu dari suatu sistem yang sistem yang memiliki sifat memiliki sifat fisik fisik  Fasa =

Fasa = bagian homogen bagian homogen dari suatu dari suatu sistem yang sistem yang memiliki sifat memiliki sifat fisik fisik 

dan kimia yang seragam. dan kimia yang seragam. dan kimia yang seragam.

dan kimia yang seragam.

Untuk mempelajari paduan dibuatlah kurva yang menghubungkan Untuk mempelajari paduan dibuatlah kurva yang menghubungkan Untuk mempelajari paduan dibuatlah kurva yang menghubungkan

Untuk mempelajari paduan dibuatlah kurva yang menghubungkan

antara fasa, komposisi dan temperatur. antara fasa, komposisi dan temperatur. antara fasa, komposisi dan temperatur.

antara fasa, komposisi dan temperatur.

Diagram fasa adalah suatu grafik yang merupakan representasi Diagram fasa adalah suatu grafik yang merupakan representasi Diagram fasa adalah suatu grafik yang merupakan representasi

Diagram fasa adalah suatu grafik yang merupakan representasi

tentang fasa-fasa yang ada dalam suatu material pada variasi tentang fasa-fasa yang ada dalam suatu material pada variasi tentang fasa-fasa yang ada dalam suatu material pada variasi

tentang fasa-fasa yang ada dalam suatu material pada variasi

temperatur, tekanan dan komposisi. temperatur, tekanan dan komposisi. temperatur, tekanan dan komposisi.

temperatur, tekanan dan komposisi.

Pada umumnya diagram fasa dibangun pada keadaan

Pada umumnya diagram fasa dibangun pada keadaan

Pada umumnya diagram fasa dibangun pada keadaan

Pada umumnya diagram fasa dibangun pada keadaan

kesetimbangan (kondisinya adalah pendinginan yang sangat kesetimbangan (kondisinya adalah pendinginan yang sangat kesetimbangan (kondisinya adalah pendinginan yang sangat

kesetimbangan (kondisinya adalah pendinginan yang sangat

lambat). Diagram ini dipakai untuk mengetahui dan memprediksi lambat). Diagram ini dipakai untuk mengetahui dan memprediksi lambat). Diagram ini dipakai untuk mengetahui dan memprediksi

lambat). Diagram ini dipakai untuk mengetahui dan memprediksi

 banyak aspek terhadap sifat material.  banyak aspek terhadap sifat material.  banyak aspek terhadap sifat material.

Informasi penting yang dapat diperoleh dari

Informasi penting yang dapat diperoleh dari diagram fasa adalah:diagram fasa adalah: Informasi penting yang dapat diperoleh dari diagram fasa adalah: Informasi penting yang dapat diperoleh dari diagram fasa adalah:

1.

1. Memperlihatkan Memperlihatkan fasa-fasa fasa-fasa yang yang terjadi terjadi padapada 1.

1. Memperlihatkan Memperlihatkan fasa-fasa fasa-fasa yang yang terjadi terjadi padapada  perbedaan

 perbedaan  perbedaan  perbedaan komposisi

komposisi dan dan temperatur temperatur dibawah dibawah kondisi kondisi pendinginan pendinginan yangyang komposisi

komposisi dan dan temperatur temperatur dibawah dibawah kondisi kondisi pendinginan pendinginan yangyang sangat lambat.

sangat lambat. sangat lambat. sangat lambat. 2.

2. Mengindikasikan Mengindikasikan kesetimbangan kesetimbangan kelarutan kelarutan padat padat satu satu unsur unsur atauatau 2.

2. Mengindikasikan Mengindikasikan kesetimbangan kesetimbangan kelarutan kelarutan padat padat satu satu unsur unsur atauatau senyawa pada unsur lain.

senyawa pada unsur lain. senyawa pada unsur lain. senyawa pada unsur lain. 3.

3. Mengindikasikan Mengindikasikan pengaruh pengaruh temperatur temperatur dimana dimana suatu suatu paduanpaduan dibawah kondisi kesetimbangan mulai membeku dan pada dibawah kondisi kesetimbangan mulai membeku dan pada

rentang

rentang temperatur temperatur tertentu tertentu pembekuan pembekuan terjadi.terjadi. 4.

4. Mengindikasikan Mengindikasikan temperatur temperatur dimana dimana perbedaan perbedaan fasa-fasafasa-fasa mulai mulai mencair. mencair. Jenis pemaduan: Jenis pemaduan: Jenis pemaduan: Jenis pemaduan:

1. Unsur logam + unsur logam 1. Unsur logam + unsur logam 1. Unsur logam + unsur logam 1. Unsur logam + unsur logam

Water  Sugar  Saturated Syrup Excess Sugar  Water  Alcohol Solution Oil Water  Contoh-contoh pemaduan:  Next

Pemaduan terjadi akibat adanya susunan atom sejenis ataupun ada distribusi atom yang lain pada susunan atom lainnya.

Jika ditinjau dari posisi atom-atom yang larut, diperoleh dua jenis larutan padat:

1. Larutan padat substitusi

Adanya atom-atom terlarut yang menempati kedudukan atom-atom  pelarut.

2. Larutan padat interstisi

Adanya atom-atom terlarut yang menempati rongga-rongga diantara

Cu

Ni

Fe

Untuk mengetahui kelarutan padat suatu unsur dalam unsur lainnya,

Hume-Rothery mensyaratkan sebagai berikut:

1. Yang mempengaruhi terbentuknya jenis kelarutan ditentukan oleh faktor geometri (diameter atom dan bentuk sel satuan).

Jenis kelarutan:

•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 A’ (dimana A yang dominan) B’ (dimana B dominan)

kelarutan yang tersusun disebut larut sebagian b. A + B A + B (tidak larut)

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 makin stabil, tetapi kalau terlalu besar   perbedaannya yang terjadi bukan larutan melainkan senyawa

Pembentukan diagram fasa

Hubungan antara temperatur, komposisi diplot untuk mengetahui  perubahan fasa yang terjadi.

Dengan memvariasikan komposisi dari kedua unsur (0÷100%) dan

kemudian dipanaskan hingga mencair  setelah itu didinginkan dengan lambat (diukur oleh dilatometer/kalorimeter), maka akan diperoleh kurva  pendinginan (gambar a.). Perubahan komposisi akan merubah pola dari kurva pendinginan, titik-titik A, L₁, L₂, L₃ dan C merupakan awal terjadinya  pembekuan dan B, S₁, S₂, S₃ dan D

merupakan akhir pembekuan. Gambar   b. diagram kesetimbangan fasa Cu-Ni.

Konstruksi pembentukan diagram fasa

Garis liquidus = menunjukkan temperatur terendah dimana logam dalam keadaan cair atau temperatur dimana awal terjadinya  pembekuan dari kondisi cair akibat proses pendinginan.

Garis solidus = menunjukkan temperatur tertinggi suatu logam dalam keadaan padat atau temperatur terendah dimana masih terdapat fasa cair.

Selain garis-garis tersebut titik-titik kritis dari keadaan cair dan  padat, juga menyatakan batas kelarutan maksimum unsur terlarut

didalam pelarutnya (maximum solubility limit ).

• Example:

Phase Diagram of Water-Sugar System

Question: What is the solubility limit at 20°C?

• Solubility limit increases with T:

e.g., if T = 100°C, solubility limit = 80wt% sugar

   P  u   r   e    S  u   g   a   r    T  e   m   p   e   r   a    t  u   r   e    (    °    C    ) 0 20 40 60 80 100 Co=Composition (wt% sugar)

L

(liquid solution i.e., syrup) Solubility Limit

L

(liquid)

+

S

(solid sugar) 65 20 40 60 80 100    P  u   r   e    W   a    t  e   r

The Solubility Limit

Answer: 65wt% sugar

If Co < 65wt% sugar:

If Co > 65wt% sugar:

syrup

• Changing T can change number of phases: path A to B • Changing C_o can change number of phases: path B to D

• water-sugar  system 70 80 100 60 40 20 0    T  e   m   p   e   r   a    t  u   r   e    (    °    C    ) Co=Composition (wt% sugar)

L

(liquid solution i.e., syrup)

A

(70,20) 2 phases

B

(100,70) 1 phase

20

100

D

(100,90) 2 phases

40

60

80

0

L

(liquid)

+

S

(solid sugar)

(a)

FIG. 3-50 (1) Heat pure metal to point

FIG. 3-50 (1) Heat pure metal to point T T _aa; (2) cooling of liquid metal; (2) cooling of liquid metal a – ba – b; (3) at; (3) at point

point bb, pure metal starts to, pure metal starts to precipitate precipitate out of solution; (4) pointout of solution; (4) point cc, pure metal, pure metal completely solid; curve from

completely solid; curve from bb toto cc straight horizontal line showing constantstraight horizontal line showing constant temperature

temperature T T  because thermal energy absorbed in change from liquid to solid; (5)because thermal energy absorbed in change from liquid to solid; (5)

Cooling Curve for Pure Metal

FIG. 3-50 (b) Cooling curve for pure iron. FIG. 3-50 (b) Cooling curve for pure iron.

(b)

16

Cooling Curve for a Metal Alloy

(c)

FIG. 3-50 (c) Cooling curve for a metal alloy: (1) The alloy A-B heated to point FIG. 3-50 (c) Cooling curve for a metal alloy: (1) The alloy A-B heated to point aa

(liquid phase, with both metals soluble in each other); (2) cooling of alloy

(liquid phase, with both metals soluble in each other); (2) cooling of alloy in liquidin liquid phase; (3) point

phase; (3) point bb, solidification begins; (4) point, solidification begins; (4) point cc, solidification complete; sloped, solidification complete; sloped

b – c

b – c due to changing from liquid to solid over the temperature rangedue to changing from liquid to solid over the temperature range T T _bb toto T T _cc

because components

because components A A andand B B have different melting/cooling temperatures; (5)have different melting/cooling temperatures; (5) further cooling from to d of solid-state metal alloy.

Klasifikasi Diagram Kesetimbangan Fasa

1. Larut sempurna dalam keadaan cair dan padat.

2. Larut sempurna dalam keadaan cair, tidak larut dalam keadaan  padat (reaksi eutektik).

3. Larut sempurna dalam keadaan cair, larut sebagian dalam keadaan  padat (reaksi eutektik).

4. Larut sempurna dalam keadaan cair, larut sebagian dalam keadaan  padat (reaksi peritektik).

5. Larut sempurna dalam keadaan cair, tidak larut dalam keadaan  padat dan membentuk senyawa.

6. Larut sebagian dalam keadaan cair (reaksi monotektik). 7. Tidak larut dalam keadaan cair maupun padat.

1. Larut sempurna dalam keadaan cair dan padat

Biasa disebut binary isomorphous alloy systems, kedua unsur 

yang dipadukan larut sempurna dalam keadaan cair maupun padat. Pada sistem ini hanya ada satu struktur kristal yang berlaku untuk  semua komposisi, syarat yang berlaku adalah:

a. Struktur kristal kedua unsur harus sama.

 b. Perbedaan ukuran atom kedua unsur tidak boleh lebih dari 15%. c. Unsur-unsur tidak boleh membentuk senyawa.

d. Unsur-unsur harus mempunyai valensi yang sama.

Contoh klasik untuk jenis diagram fasa ini adalah diagram fasa Cu-Ni.

• 2 phas

L

(liqu

α

(FC

• 3 phas

L

L +

α α

wt% Ni

20

40

60

80

100

0

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

T(°C)

L (liquid)

α

(FCC solid

solution)

  L

 +

 α

  l  i q  u  i d  u s  s o  l  i d  u s

•

2 phases:

 – 

L (liquid)

 – 

(FCC solid solution)

•

2 lines (phase boundaries):

 – 

The liquidus line (L/L+ )

 – 

The solidus line ( /L+ )

•

3 phase fields:

 – 

L

 – 

L +

 – 

• aturan 1: jika diketahui T dan Co (komposisi), maka

– akan diketahui jumlah dan jenis fasa

• contoh: A (1100°C, 60wt% Ni): 1 phase: B (1250°C, 35wt% Ni): 2 phases: L +

wt% Ni

20 40 60 80 100 0 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

 T(°C)

L (liquid) α (FCC solid solution)   L +  α   l  i q  u  i d  u s  s o  l  i d  u s A(1100,60)    B    (    1    2    5    0 ,    3    5    )

Rules of Determining Number & Types of Phases

(The lever arm rule/Aturan kaidah lengan)

Aturan kaidah lengan/the lever arm rule

Untuk menghitung persentase

fasa-fasa yang ada pada komposisi tertentu, digunakan metoda kaidah lengan.

x adalah komposisi paduan yang akan dihitung persentase fasa-fasanya pada temperatur T, maka tarik garis yang memotong batas kelarutannya (garis L-S).

Jika x = w_o; L = w_l dan S = w_s maka % fasa cair dan padat :

%

100

 x

w

w

w

w

 L

l   s o  s − − =

 x

100

%

w

w

w

w

S 

o l  − − =

• aturan 2: jika diketahui T dan Co, maka

– akan diketahui komposisi dari fasa

wt% Ni 20 1200 1300  T(°C) L (liquid) α (solid)  L + α   l  i q u  i d u  s  s o  l  i d u s 30 40 50  TA A D  TD  TB B tie line  L + α 43 35 32 Co CL Cα • contoh: C₀ = 35 wt%Ni At TA: Only Liquid (L) C_L = C₀ = 35 wt%Ni At TD: Only Solid ( ) C = C₀ = 35 wt%Ni At TB: Both and L C_L = C_Liquidus = 32 wt%Ni C = C = 43 wt%Ni wt% Ni 20 40 60 80 100 0 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600  T(°C) L (liquid) α (FCC solid solution)   L +  α   l  i q  u  i d  u s  s o  l  i d u s

A(1100,60)    B    (    1    2    5    0 ,    3    5    )

% 7 , 72 % 100 32 43 35 43 = − − =  L  x  L % 3 , 27 % 100 32 43 32 35 = − − = S   x S 

Contoh lain: pada w_o= 53% Ni

% fasa cair dan padat: % 38 % 100 45 58 53 58 = − − =  L  x  L % 62 % 100 45 58 45 53 = − − = S   x S  w_l(45%) w_o(53%) w_s(58%)

For the alloys listed below:

60 wt% Ni-40 wt% Cu at 1100°C 35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250°C (1) Phase(s) that are present

(2) The composition of each phase

Example: Determine the phase(s) that are present

Example: Determine the phase(s) that are present

and the composition of the phase(s)

and the composition of the phase(s)

60 wt% Ni-40 wt % Cu at 1100°C

(L) (1) Determine the

phase(s) that are present

Point A: phase

60 wt% Ni-40 wt% Cu at 1100°C (Point A): (2) Determine the composition of each phase C = C₀ = 60 wt% Ni

35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250°C

(L) (1) Determine the

phase(s) that are present

Point B

35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250°C (Point B): + L (2) Determine the composition of each phase

• 35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250°C (Point B): in two phase ( + L) region (2) Determine the composition of each phase 42.5 35 31.5 Tie Line Composition (wt% Ni) C_L C_{0 C}

Draw a tie line

Composition of L: intersection / +L — C_L= 31.5 wt% Ni Composition of a: intersection L/ +L — C = 42.5wt% Ni