MAKALAH
MAKALAH
TEKNOLOGI BAHAN
TEKNOLOGI BAHAN
DIAGRAM FASA
DIAGRAM FASA
Disusun oleh :
Disusun oleh :
As
Asep
ep Ka
Kam
mal
aliia
a Ri
Rizzqi
qi ((0
04)
4)
F
Feeb
brri D
i Dw
wi
i S
Siissw
waan
ntto
o
((0
08
8))
H
Heen
nd
drra
a U
Uttaam
maa
((1
10
0))
M
M.
. F
Faajjaar
r H
Hiid
daay
yaatt
((1
12
2))
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG
2012
2012
KATA PENGANTAR KATA PENGANTAR
Alham
Alhamdulilladulillah h hirabhirabbilalambilalamin, in, puji syukur puji syukur kami panjatkan kehadirat Allah kami panjatkan kehadirat Allah SWT. yangSWT. yang telah
telah melimpahkan melimpahkan nikmat nikmat dan dan hidayahnya hidayahnya kepada kkepada kami, ami, sehingga ksehingga kami dapami dapat menyat menyelesaikanelesaikan penulisan makalah ini. Makalah ini sedikit membahas mengenai diagram fasa.
penulisan makalah ini. Makalah ini sedikit membahas mengenai diagram fasa. Dengan adany
Dengan adanya a makamakalah lah ini ini dihardiharapkan dapat apkan dapat membmembantu antu mahasimahasiswa swa dalam memahamidalam memahami dia
diagragram m fasafasa, , mumulai lai dardari i teoteori, ri, cara cara pempembacabacaannannyaya, , sertserta a penpeneraperapannannya ya padpada a saat saat kegkegiatiatanan belajar mengajar maupun praktek di lapangan.
belajar mengajar maupun praktek di lapangan.
Kami menyadari dalam penyusunan makalah ini masih banyak kekurangan, oleh karena itu kami 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. harapkan kritikan dan saran yang bersifat membangun guna perbaikan dari makalah Ini. Mudah-mudahan makalah ini bermanfaat bagi kita semua.
mudahan makalah ini bermanfaat bagi kita semua. Atas perhatiannya kami ucapkan terima kasih. Atas perhatiannya kami ucapkan terima kasih.
Semarang,
Semarang, Mei 2012Mei 2012
Penyusun Penyusun
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
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
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
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.
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 100o
C, menunjukkan bahwa terdapat dua fasa padat yaitu fasa α dan fasa β.
Pada komposisi yang sama pada suhu 200o
C terdapat fasa α dan cairan. |Dan pada suhu 250o
C seluruh larutan berupa cairan. Sebaliknya pada komposisi 80% Sn dan suhu 200o
C terdapat fasa β dan cairan. Dan pada komposisi 10% Sn dan suhu 200o
C hanya terdapat fasa α saja.
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 1000o
C.
Jenis pemaduan:
1. Unsur logam + unsur logam
Contoh: Cu + Zn; Cu + Al; Cu + Sn. 2. Unsur logam + unsur non logam
Contoh: Fe + C.
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
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
non-analitis.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 Cartes ius dapat menunjukkan temperatur (T), tekanan (P), dan volume jenis (v). Grafik 3D tersebut
kadang-kadang 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.
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 )
Pada suhu 183o
C batas daya larut Sn sekitar 29% atom ( 19% berat) dalam bahan padat yang kaya Pb.
Semakin tinggi suhu larutan padat batas daya larutnya semakin rendah Contoh : Pada 300 o
C ada 10% atom ( 6% berat ) Sn yang larut pada Pb
Demikian halnya pada 183o
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
Batas daya larut padat mempunyai harga maksimum pada suhu eutektik. Baik diatas maupun dibawah 183o
C jumlah Sn yang dapat larut dalam α kps yang kaya Pb menurun. Hal yang serupa terjadi pada Pb pada 183o
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 225o
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.
Sebagai contoh paduan timah patri 80Pb – 20Sn pada 150o
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 150o
C besarnya 10%. Karena paduan adalah 20%Sn maka α jenuh dengan Sn dan kelebihan Sn terdapat pada β.
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 183o
C . Pda suhu ini saja tiga fasa berada dalam keseimbangan. Reaksi uetektik dapat ditulis :
didinginkan
L2 → S1 + S3
← Dipanaskan
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
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 150o
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 250o
C kuantitas fraksi cairan 1/3 bagian dan fraksi padat ( α ) 2/3 bagian. 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 912o
C dari kpr menjadi kps. Pada 1394o
C berubah lagi dari kps menjadi kpr lagi dan kpr ini stabil sampai besi mencair pada 1538o
C.
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 -γ .
Besi dengan struktur kps disebut Austenit atau besi -γ . Besi ini stabil pada suhu antara 912o
C dan 1394o
C. Austenit mempunyai sifat yang lunak dan ulet sehingga mudah dibentuk. Besi austenit berstruktur kps yang mempunyai jarak atom yang lebih besar dibanding ferit.
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 912o
C). Daya larut maksimum 2.11% ( 9%atom) karbon.
Besi-δ .
Di atas 1394o
C austenit bukan bentuk besi yang paling stabil karena struktur kristal berubah dari kps menjadi kpr atau besi-δ . Besi-δ sama dengan besi α kecuali daerah suhunya. Oleh karena itu biasa disebut ferit δ . Daya larut karbon dalam ferit δ 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 Fe3C. Hal ini tidak berarti sementit
membentuk molekul –molekul Fe3C, akan tetapi membentuk kisi kristal mengandung atom
besi dan karbon dalam perbandingan tiga – satu.
Fe3C 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/m3
Diagram fasa Fe-Fe3C
Pada gambar bawah terlihat diagram fasa besi (Fe) dan karbida besi(Fe3C). 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 1148o
C.
Besi -γ yang kaya Fe dapat menampung sampai 2.11% (berat) atau 9%(atom) karbon. Atom-atom karbon ini larut secara intersisi dalam besi kps.
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 besi-karbon 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 ).
didinginkan Eutektik : L2 → S1 + S3 ← Dipanaskan Didinginkan Euitektoid S → S + S
Dipanaskan
Suhu eutectoid untuk paduan besi – karbon adalah 727o
C Komposisi eutectoid terdiri sekitar 0.8% karbon.
Reaksi eutectoid untuk paduan Fe – C adalah : 723o
C
γ (0.77%C ) α ( 0.02% C ) + Fe3C ( 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 feritα dan karbida C sebagai hasil dekomposisi austenit γ berkomposisi eutektoid :
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
