BAB I

PENDAHULUAN

A.    Latar Belakang

                  Sampai saat ini sebagian besar material rekayasa terdiri dari campuran fasa fasa misalnya, baja, solder, semen portland, batu gerinda, cat, dan fiber glass. Campuran dari dua atau lebih fasa dalam satu material memungkinkan terjadinya interaksi antara fasa. Diagram fasa sangat membantu dalam membantu dan meringkas eksperimental, data pengamatan serta dapat digunakan untuk membuat prediksi tentang proses-proses yang melibatkan reaksi kimia antar fase. Kekuatan listrik dan medan magnetdapat diterapkan sebagi pengganti suhu, tekanan, dan komposisi lainnya. Untuk memberikan informasi tentang struktur dan fasa-fasa kesetimbangan khususnya dua komponen unsure atau temperatur, akan dapat digunakan satu jenis plot diagram fasa temperatur terhadap konsentrasi relative dari dua zat dalam biner campuran yang disebut sebagai diagram fase biner. Oleh karena itu, maka disusunlah makalah tentang diagram fase agar dpat mempermudah pembacaan fase kesetimbangan pada dua komponen unsure.

B.     Tujuan

Tujuan dari pembuatan makalah ini adalah :

1.    Mengetahui gambaran umum dan spesifikasi diagram fasa

2.    Mengetahui kegunaan dari diagram fase tersebut

3.    Memahami pembacaan pada diagram fasa

BAB II

ISI

A.       Definisi Diagram Fasa

                 Diagram fasa adalah suatu grafik yang merupakan representasi tentang fasa-fasa yang ada dalam suatu material pada variasi temperatur, tekanan dan komposisi. Diagram ini merupakan dasar pemahaman untuk semua operasi – operasi perlakuan panas.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. Tidak seperti struktur logam murni yang hanya dipengaruhi oleh suhu, sedangkanstruktur paduan dipengaruhi oleh suhu dan komposisi. Pada kesetimbangan, struktur paduanini dapat digambarkan dalam suatu diagram yang disebut diagram fase (diagramkesetimbangan) dengan parameter suhu (T) versus komposisi (mol atau fraksi mol). (Fasedapat didefinisikan sebagai bagian dari bahan yang memiliki struktur atau komposisi yang berbeda dari bagian lainnya).Diagram fasa khususnya untuk ilmu logam merupakan suatu pemetaan dari kondisilogam atau paduan dengan dua variabel utama umumnya ( Konsentrasi dan temperatur).Diagram fasa secara umum dipakai ada dua jenis :

·         Diagram fasa tunggal         ( Komposisi sama dengan Paduan )

·         Diagram fasa biner             ( 2 komponen unsur dan temperatur)

·         Diagram fasa Terner          ( 3 komponen unsur dan temperatur)

                 Diagram fasa tunggal memiliki komposisi yang sama dengan paduan, misalnya timbaldan timah. Diagram fasa biner misalnya paduan kuningan ( Cu-Zn), (Cu-Ni) dll. Diagram fasa terner misalnya paduan stainless steel (Fe-Cr-Ni) dllDiagram pendinginan merupakan diagram yang memetakan kondisi struktur mikro apa yanganda akan dapatkan melalui dua variabel utama yaitu ( Temperatur dan waktu) disebut jugadiagram TTT atau juga dua variabel utama yaitu (temperatur dan cooling rater) dosebut jugadiagram CCT. Diagram ini berguna untuk mendapatkan sifat mekanik tertentu danmikrostruktur tertentu, Fasa bainit misalnya pada baja hanya terdapat pada diagram TTT bukan diagram isothermal Fe-Fe3C. Kegunaan Diagram Fase adalah dapat memberikan informasi tentang struktur dankomposisi fase-fase dalam kesetimbangan. Diagram fase digunakan oleh ahli geologi, ahlikimia, ceramists, metallurgists dan ilmuwan lain untuk mengatur dan meringkaseksperimental dan data pengamatan serta dapat digunakan untuk membuat prediksi tentang proses-proses yang melibatkan reaksi kimia antara fase.

B.       Tujuan dan Fugsi dari Diagram Fasa 

                 Diagram fasa dapat digunakan untuk memudahkan memilih temperatur pemanasan yang sesuai untuk setiap proses perlakuan panas baik proses anil, normalizing maupun proses pengerasan.

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.

Serta adapun fungsi dari diagram fasa adalah memudahkan memilih temperatur pemanasan yang sesuai untuk setiap proses perlakuan panas baik proses anil, normalizing maupun proses pengerasan. Baja adalah paduan besi dengan karbon maksimal sampai sekitar 1,7%.paduan besi diatas 1,7% disebut cast iron. Perlakuan panas bertujuan untuk memperoleh struktur mikro dan sifat yang di inginkan. Struktur mikro dan sifat yang diinginkan dapat diperoleh melalui proses pemanasan dan proses pendinginan pada temperatur tertentu.

C.       Contoh dari Diagram Fasa

a.      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). Karbon larut di dalam besi dalam bentuk larutan padat (solid solution) hingga 0,05% berat pada temperatur ruang. Baja dengan atom karbon terlarut hingga jumlah tersebut memiliki alpha ferrite pada temperatur ruang. Pada kadar karbon lebih dari 0,05% akan terbentuk endapan karbon dalam bentuk hard intermetallic stoichiometric compound (Fe₃C) yang dikenal sebagai

cementitte 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 polymorphism yaitu memiliki struktur kristal berbeda pada temperatur berbeda. Pada Fe murni, misalnya, alpha-ferrite akan berubah menjadi gamma-austenite saat dipanaskan melewati temperature 910^oC. Pada temperatur yang lebih tinggi, mendekati 1400^oC 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.

Fasa-fasa yang terdapat pada diagram fase Fe-Fe₃C :

1.      Austenit (g)

Fasa ini disebut gamma (γ) dan merupakan larutan padat interstisi karbon dengan sel satuan berupa kubik pemusatan sisi. Ruang antar atomnya lebih besar dibandingkan ferit dan fasa ini stabil pada temperatur tinggi, yaitu antara 912°C, pada besi murni. Kadar karbon maksimum gamma sebesar 2,14% pada temperatur 1147°C. Pada temperatur stabil austenit bersifat lunak dan liat sehingga mudah dibentuk. Austenit merupakan fasa penting sebagai dasar pembentuk fasa-fasa lainnya dalam proses perlakuan panas termasuk perlakuan panas pada permukaan baja.

2.      Ferit (a)

Fasa ini disebut alpha (α) dan merupakan larutan padat intersrisi karbon dengan sel satuan berupa kubik pemusatan ruang. Ruang antar atomnya kecil dan rapat sehingga kelarutan karbon sangat kecil. Pada temperatur ruang, kadar karbonnya hanya 0,008% sehingga dapat dianggap besi murni. Kadar maksimum karbon sebesar 0,02% pada temperatur 727°C, lunak dan liat. Dibawah mikroskop ferlit terlihat berwarna putih. Kekerasan dari ferit berkisar antara 140-180 HVN.

3.      Sementit (Fe₃C)

Fasa ini disebut karbida besi yang merupakan senyawa kimia dengan rumus (Fe3C). sel satuan sementit berbentuk orthorombik. Kadar karbon dalam sementit 6,7% dan senyawa ini bersifat keras tetapi getas. Pada baja, fasa ini dapat meningkatkan kekuatan dan kekerasan. Kekerasan sementit adalah lebih kurang berkisar antara 800 HVN.

4.      Perlit

Perlit adalah campuran sementit dan ferit yang tersebar meratapada seluruh penampang. Struktur ini barasal dari perubahan austensit pada pendinginan normal udara setelah melewati temperature kritis (700°C sampai 900°C). Kekerasan dari perlit kurang lebih 180-250 HVN.

5.      Martensit

Martensit merupakan fasa dimana ferit dan sementit bercampur. Tetapi bukan dalam lamellar. Fasa ini terbentuk dari austensit metastabil didinginkan dengan laju pendinginan cepat. Terjadi hanya presipitasi Fe3C unsur paduan lainnya tetapi larut transformasi isothermal pada 260°C untuk membentuk dispersi karbida yang halus dalam matriks ferit. Martensit bilah terbentuk jika kadar C dalam baja sampai 0,6% sedangkan di atas 1% akan terbentuk martensit pelat. Perubahan dari bilah ke pelat 18terjadi pada interval 0,6% < C < 1,08%. Kekerasan dari martensit lebih dari 500 HVN.

6.      Bainit

Bainit merupakan fasa yang terjadi akibat transformasi pendinginan yang sangat cepat dimana semua unsur paduan masih larut dalam keadaan padat dan atom karbon tidak sempat berdifusi keluar. Pada proses pembentukan bainit, austenit dibiarkan bertransformasi secara isothermal menjadi ferit dan karbida diatas temperatur MS ( temperatur permulaan reaksi martensit). Untuk ini diperlukan celup pada air garam untuk mencegah terbentuknya perlit pada temperatur yang lebih tinggi. Sehingga akan membentuk sifat bainit yang kuat dan tangguh. Kekerasan bainit kurang lebih berkisar antara 300 – 400 HVN.

b.      Diagram Fase Cu-Ag

           Pada diagram fase sistem Cu – Ag didapatkan 3 daerah yang terdiri dari fase tunggal yaitu fase α, β, dan L. Fase α adalah daerah yang kaya akan tembaga. Fase ini adalah solid solution yang memiliki atom perak sebagai solute dan memiliki struktur FCC. Solid solution fase β juga memilki struktur kristal FCC, tetapi dengan atom perak sebagai solvent dan atom tembaga sebagai solute. Pada temperatur tertentu  fase α dan β dapat terdiri dari 100% solvent (tembaga murni atau perak murni).Pada fase α dan β kelarutan masing-masing solute terbatas pada garis BEG pada diagram fase. Garis ini bersesuaian dengan temperatur 779^oC. Garis BEG membatasi kelarutan maksimum solute pada masing-masing fase. Untuk fase α, kelarutan Ag memiliki nilai maksimal sebesar 8.0 wt%, sebagaimana ditunjukkan oleh titik B. Sementara itu pada fase β batas kelarutan Cu adalah 8.8 wt% (ditunjukkan oleh titik G).

           Garis batas fase yang memisahkan fase α dan fase α + β pada temperatur di bawah 779 ^oC disebut dengan solvus line. Sedangkan garis batas fase yang memisahkan fase α dan fase α + L pada temperatur di atas 779 ^oC disebut dengan solidus line. Sementara itu, fase L dan fase α + L dipisahkan oleh garis batas fase yang disebut liquidus line. Titik E merupakan titik pertemuan antara garis AE dan EF. Garis AE menunjukkan penurunan titik lebur Cu sebagai fungsi kenaikan konsentrasi Ag yang ditambahkan. Sedangkan garis EF menunjukkan penurunan titik lebur Ag akibat peningkatan konsentrasi Cu dalam solid solution. Titik E disebut invariant point. Titik ini menunjukkan temperatur terendah di mana fase L masih ada sebelum berubah menjadi fase α + β. Pada titik E komposisi sistem adalah 71.9 wt% Ag – 28.1 wt% Cu.

c.       Diagram Fasa Cu-Ni

           Terdapat tiga fase yang teramati yaitu fase liquid (L), fase alpha (α), dan fase liquid-alpha (α+L). keberadaan tiap fase dibatasi oleh garis batas fase yang terdapat disepanjang rentang komposisi dan temperatur tertentu. Fase liquid L terdiri dari Cu dan Ni dalam liquid. Fase α adalah substitusional solid solution dari atom Cu dan Ni, serta memiliki struktur kristal FCC. Dari diagram fase dapat terlihat pada temperatur di bawah 1080 ^oC Cu dan Ni dapat membentuk solid solution pada sembarang komposisi. Fase yang diberi nama dengan huruf Yunani (α, β, γ, dll) menunjukkan fase solid solution dari paduan logam. Daerah fase L dan α+L dipisahkan oleh suatu garis yang disebut liquidus line. Daerah di atas liquidus line hanya terdiri dari L.

           Sementara itu daerah fase α dan α+L dipisahkan oleh suatu garis yang disebut solidus line. Daerah di bawah solidus line hanya terdiri dari fase α. Titik potong dari solidus dan liquidus line menunjukkan titik lebur dari masing-masing bahan murni. Untuk diagram fase Cu-Ni, kedua garis berpotongan di dua titik yaitu pada temperatur 1085 ^oC yang bersesuaian dengan komposisi 0 wt% Ni (100 wt% Cu) dan pada temperatur 1453 ^oC yang bersesuaian dengan komposisi 100 wt% Ni (0 wt% Cu). Untuk suatu paduan dengan komposisi tertentu, titik lebur akan terletak sedikit di atas solidus line. Jika temperatur dinaikkan secara perlahan-lahan sedikit demi sedikit fase solid akan berubah menjadi fase liquid. Sebelum mencapai liquid line, fase solid (α) dan liquid akan hadir bersamaan. Saat temperatur mencapai liquidus line, semua fase solid berubah menjadi fase liquid. Jika temperatur dinaikkan terus, hanya fase liquid (L) yang terdapat dalam sistem.

D.       Cara Pembacaan Diagram Fasa

                 Cara pembacaan diagram fasa Al-Si adalah sebagai berikut :

Gambar di atas, memperlihatkan diagram fasa dari sistem Al-Si. Tampak fasa yang ada untuk semua paduan Al-Si pada rentang suhu 300˚C-1500˚C, gambar sebelah kiri, dan pada rentang 400˚C-1400˚C gambar sebelah kanan untuk berbagai macam variasi komposisi.

Pada diagram fase di atas, α (struktur kristal fcc) dan β (struktur kristal bcc) digunakan untuk menunjukkan dua fasa yang berbeda masing-masing digunakan untuk menunjukkan fasa Al dan Si. Dari diagram fasa di atas kita dapat menganalisa, bahwa suatu paduan senyawa yang terdiri dari kira-kira 98% Al dan 2%Si dipanaskan secara perlahan dari suhu ruang hingga 1500˚C.  Maka fasa yang terjadi selama proses pemanasan berlangsung adalah:

            Suhu ruang hingga 550˚C                      α + β

            550˚C hingga 600˚C                             α

            600˚C hingga 660˚C                             α + liquid

            660˚C hingga 1500˚C                           cairan

                         

·           Kristal tunggal terbentuk hanya pada fase liquid. Jadi dari analisa di atas, dapat disimpulkan bahwa kristal tunggal terbentuk dengan mengkombinasikan Al dan Si masing-masing sebesar 98% dan 2%, kemudian dipanaskan pada rentang suhu kira-kira antara suhu kamar sampai 700˚C, hingga terbentuk fasa liquid. Setelah itu, untuk memisahkan komponen kristal tunggal (kemungkinan terbesar, didapatkan kristal tunggal Al dengan perbandingan 98:2) dapat dilakukuan proses sintesis.

·           Polikristal merupakan material yang memiliki banyak kristal dengan batas butir (grain boundary) yang menyertainya serta memiliki orientasi yang acak. Dari analisa diagram fase di atas, dapat diketahui bahwa untuk membentuk polikristal dari campuran Al dan Si, dapat diperoleh melalui paduan komposisi Al dan Si masing-masing 98% dan 2% dengan suhu sintering pada rentang kira-kira pemanasan dari suhu ruang sampai suhu 550˚C. Sehingga pada kondisi ini akan didapatkan akan dua fase secara bersamaan yaitu fase α dan β.

·           Polikristal terorientasi adalah polikristal yang memiliki spin (domain) searah. Hal ini dapat diperoleh, dengan memberikan magnetic field pada material polikristal. Hingga pada akhirnya akan didapatkan polikristal yanng memiliki spin (domain searah). Arah spin pada material polikristal dapat dilihat melalui AFM (Atomic Force Microscope). Polikristal terorientasi, dapat kita temukan pada fasa (α+L) atau (β+L), jadi jika kita mengkombinasikan komponen Al:Si 98%:2% maka dapat kita sintering dari rentang suhu antara suhu kamar sampai kira-kira pada suhu 660˚C. 

BAB III

PENUTUP

A.       Kesimpulan

Dari makalah yang telah disajikan dapat disimpulkan bahwa :

·           Diagram Fasa 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 operasioperasi perlakuan panas.

·           Fungsi dari diagram fasa adalah memudahkan memilih temperatur pemanasan yang sesuai untuk setiap proses perlakuan panas baik proses anil, normalizing maupun proses pengerasan

·           Beberapa contoh dari diagram fasa adalah diagram fasa Fe-Fe₃C, Al-Ag, dan Cu-Ni

B.       Saran

                 Kami sadar makalah ini masih jauh dari kata sempurna, untuk itu saya mambutuhkan kritik dan saran dari teman-teman yang sifanya membangun. Bagi teman-teman yang ingin menambah wawasan mengenai diagram fasa dan solidifitas,teman-teman bisa mencari referensi lain. Dan makalah ini juga semoga dapat bermanfaat guna menambah wawasan teman-teman sekalian.