1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 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 fase sangat membantu dalam mengatur dan meringkas eksperimental, data

pengamatan serta dapat digunakan untuk membuat prediksi tentang proses-proses yang

melibatkan reaksi kimia antara fase. Kekuatan listrik atau medan magnet dapat diterapkan

sebagai pengganti suhu, tekanan, dan komposisi lainnya. Untuk memberikan informasi

tentang struktur dan fasa-fasa kesetimbangan khususnya pada dua komponen unsur atau

temperatur, maka dapat digunakan satu jenis plot diagram fase temperatur terhadap

konsentrasi relatif dari dua zat dalam b i ner ca m puran yang disebut diagram fase biner.

Oleh karena itu, disusunlah makalah tentang diagram fasa dengan spesifikasi diagram fasa

biner ini agar dapat mempermudah pembacaan fasa kesetimbangan paduan dua komponen

unsur.

1.2 Tujuan

Tujuan dari pembuatan makalah ini adalah sebagai berikut :

1. Mengetahui gambaran umum dan spesifikasi diagram fasa khususnya diagram fasa

biner.

2. Memahami pembacaan diagram fasa biner.

3. Memahami contoh soal yang berhubungan dengan diagram fasa biner.

1.3 Permasalahan

Permasalahan yang dihadapi adalah sebagai berikut :

1. Bagaimanakah gambaran umum dan spesifikasi diagram fasa khususnya diagram fasa

biner?

2. Bagaimana cara membaca diagram fasa biner?

3. Bagaimana cara memahami contoh soal yang berhubungan dengan diagram fasa

biner?

1.4 Sistematika Penulisan

Makalah ini disusun meliputi Bab I terdiri dari latar belakang, tujuan, permasalahan,

dan sistematika penulisan. Bab II terdiri dari dasar teori. Bab III terdiri dari

pembahasan dan contoh soal. Bab IV terdiri dari kesimpulan dan saran.

2

BAB II DASAR

TEORI

2.1 Diagram Fasa

Tidak seperti struktur logam murni yang hanya dipengaruhi oleh suhu, sedangkan

struktur paduan dipengaruhi oleh suhu dan komposisi. Pada kesetimbangan, struktur paduan

ini dapat digambarkan dalam suatu diagram yang disebut diagram fase (diagram

kesetimbangan) dengan parameter suhu (T) versus komposisi (mol atau fraksi mol). (Fase

dapat 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 kondisi

logam 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 timbal

dan timah. Diagram fasa biner misalnya paduan kuningan ( Cu-Zn), (Cu-Ni) dll

Diagram fasa terner misalnya paduan stainless steel (Fe-Cr-Ni) dll

Diagram pendinginan merupakan diagram yang memetakan kondisi struktur mikro apa yang

anda akan dapatkan melalui dua variabel utama yaitu ( Temperatur dan waktu) disebut juga

diagram TTT atau juga dua variabel utama yaitu (temperatur dan cooling rater) dosebut juga

diagram CCT. Diagram ini berguna untuk mendapatkan sifat mekanik tertentu dan

mikrostruktur 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 dan

komposisi fase-fase dalam kesetimbangan. Diagram fase digunakan oleh ahli geologi, ahli

kimia, ceramists, metallurgists dan ilmuwan lain untuk mengatur dan meringkas

eksperimental dan data pengamatan serta dapat digunakan untuk membuat prediksi tentang

proses-proses yang melibatkan reaksi kimia antara fase.

2.2 Komponen Diagram Fasa

Komponen umum diagram fase adalah garis kesetimbangan atau batas fase, yang

merujuk pada baris yang menandai kondisi di mana beberapa fase dapat hidup berdampingan

pada kesetimbangan. Fase transisi terjadi di sepanjang garis dari ekuilibrium. Titik tripel

3

adalah titik pada diagram fase di mana garis dari ekuilibrium berpotongan. Tanda titik tripel

kondisi di mana tiga fase yang berbeda dapat ditampilkan bersama. Sebagai contoh, diagram

fase air memiliki titik tripel tunggal yang sesuai dengan suhu dan tekanan di mana padat, cair,

dan gas air dapat hidup berdampingan dalam keadaan kesetimbangan yang stabil.

Titik solidus adalah Garis yang memisahkan bidang semua cairan dari yang ditambah

cairan kristal. Titik likuidus adalah Garis yang memisahkan bidang semua cairan dari yang

ditambah cairan kristal. Temperatur di atas mana zat tersebut stabil dalam keadaan cair.

Terdapat sebuah kesenjangan antara solidus dan likuidus yang terdiri dari campuran kristal

dan cairan. Di bawah ini adalah Gambar yang dapat menjelaskan dalam bentuk yang

sebenarnya :

Gambar 2.1 Grafik Titik Likuidus dan Solidus

2.3 Diagram Fasa Biner

Diagram fase dengan lebih dari dua dimensi dapat dibuat yang menunjukkan efek

lebih dari dua variabel pada fase suatu zat. Diagram fasa dapat menggunakan variabel lain di

samping atau sebagai pengganti dari suhu, tekanan dan komposisi, misalnya kekuatan listrik

yang diterapkan atau medan magnet dan mereka juga dapat melibatkan bahan-bahan yang

mengambil lebih dari sekadar tiga negara dari materi. Satu jenis plot diagram fase temperatur

terhadap konsentrasi relatif dari dua zat dalam b i ner ca m puran yang disebut diagram fase

biner, seperti yang ditunjukkan di bawah ini :

4

Gambar 2.2 Sebuah diagram fase untuk suatu sistem biner menampilkan titik eutektik

Sebuah diagram fase untuk suatu sistem biner menampilkan sebuah titik eutektik.

Eutektik biner diagram fase menjelaskan perilaku kimia dua tidak bercampur (unmixable)

kristal dari yang benar-benar bercampur (mixable) meleleh, seperti olivin dan pyroxene, atau

pyroxene dan Ca plagioclase. Tipe lain dari diagram fasa biner adalah diagram titik didih

campuran dari dua komponen, yaitu s enya w ak imi a. Selama dua khusus vo l a ti l e komponen

pada tekanan tertentu seperti t ekanan a tm o s fer, diagram titik didih menunjukkan apa ua p

(gas) komposisi berada dalam ke s e tim bangan dengan komposisi cairan yang

diberikan tergantung pada suhu. Dalam biner khas titik didih diagram suhu diplot pada sumbu

vertikal dan campuran komposisi pada sumbu horizontal.

Gambar 2.3 Titik Didih Diagram

Reaksi Eutektik dapat disebut juga dengan Reaksi Invarian. Reaksi ini memiliki

jumlah fasa maksimum adalah tiga, dimana terdapat secara bersamaan dalam kondisi

kesetimbangan pada sistem biner yang melibatkan larutan cairan. Reaksi Invarian Kedua

disebut dengan Peritektik. Bentuk Generik dari Reaksi Peritektik adalah :

Arah panah pada persamaan di atas menyatakan bahwa terdapat 2 proses yang dapat

digunakan, yaitu pendinginan dan pemanasan. Reaksi Invarian Ketiga adalah Reaksi

Eutektoid. Reaksi ini melibatkan larutan padat. Bentuk generik dari Reaksi Eutektoid adalah

sebagai berikut :

Seperti halnya penjelasan pada Reaksi Peritektik, persamaan diatas menyatakan bahwa

terdapat 2 proses yang dapat digunakan, yaitu pemanasan dan pendinginan. Reaksi Invarian

lainnya dapat dikelompokkan menjadi beberapa macam, yaitu :

Monotektik

5

Peritektoid

Sintektik

Ketika satu fase padat berubah menjadi dua fasa padat selama pemanasan, disebut

eutektoid. Lain halnya dengan eutektoid, Peritectoid merupakan suatu titik di mana dua fasa

padat bergabung menjadi satu fase padat selama pemanasan.

Gambar 2.4 Diagram Peritectic, Eutectic, dan Eutectoid

Dua fasa yang terdiri dari padat dan cair secara kolektif terkondensasi dikenal sebagai

fase terkondensasi. Analisis kesetimbangan antara fase terkondensasi biasanya mengabaikan

fase gas. Kombinasi fase terkondensasi termasuk cair-padat dan padat-padat. Banyak

kristalografi bentuk padatan masing-masing dianggap sebagai tahap yang berbeda, jadi

kesetimbangan ini menunjukkan cukup beragam. Subjek ini dikenal sebagai representasi

diagram fase biner. Pada masing-masing contoh di atas, tujuannya adalah untuk menentukan

konsentrasi. komponen A dan B dalam dua fase bersamaan. Dalam fase kental

kesetimbangan, identifikasi stabil fase I dan II juga merupakan objektif.

Komposisi kimia dua fasa terletak di dua ujung isoterm, atau garis hubung yang

melalui daerah dua fasa. Sebagai gambaran, ambillah solder 80 Pb-20 Sn pada 150 derajat.

Dengan bantuan isoterm lainnya, kita dapat menentukan komposisi kimia dua fasa dari

sebarang paduan Pb-Sn pada sebarang suhu terkait.

2.4 Kaidah Fasa

Kita telah mengetahui bahwa kondisi pada sistem dua komponen dengan tiga fasa

adalah invarian.Apabila hanya ada satu atau dua fasa, kita memiliki kebebasan untuk memilih

suhu dan komposisi. Sebagai contoh, dalam medan satu fasa suatu diagram kesetimbangan,

baik suhu dan komposisi dapat diubah namun fasa tunggal tetap dipertahankan. Variansinya

adalah dua. Pada medan dua fasa, variansinya adalah satu sehingga kita hanya bebas

6

melakukan satu pilihan. Jika kita merubah suhu, kita terikat pada komposisi tertentu.Untuk

variansi, atau derajat kebebasan, F berlaku kaidah fasa :

P + F = C + I

Dimana P adalah jumlah fasa, C adalah jumlah komponen ( dua untuk sistem biner ). Jika

terdapat tiga fasa, maka F adalah 0, yang memiliki arti invarian.

2.5 Lever Rule

Gambar 2.5 Grafik Diagram Fasa Biner

Besarnya presentasi suatu fasa pada bagian dua fasa dari suatu diagram fasa biner

dapat dihitung dengan menggunakan Lever Rule. Contohnya adalah dengan menggunakan

Lever Rule , besarnya presentasi dari suatu cairan atau zat padat pada suhu tertentu dapat

untuk komposisi rata-rata pada dua fasa tersebut.Adapun persamaan yang dapat digunakan

adalah sebagai berikut :

Xl + Xs = 1

Xl = 1 – Xs

Xs = 1 – Xl

Dari persamaan diatas, diketahui bahwa Xl adalah besarnya fraksi dari fasa cair, sedangkan

Xs adalah besarnya fraksi dari fasa padat.

Persamaan lain yang dapat digunakan adalah sebagai berikut :

Deengan mengombinasi kedua persamaan, maka dapat diperoleh persamaan sebagai berikut :

7

Adapun gambar dari Lever Rule seperti berikut ini :

Gambar 2.6 Diagram Lever Rule

Tabel 2.1 Titik penting dalam system biner (ZrSn)

BAB III

PEMBAHASAN

8

Gambar 3.1 Diagram fasa biner Pb-Sn.

Gambar 3.1 memperlihatkan diagram fasa dari sistem Pb-Sn. Tampak fasa yang ada untuk

semua paduan Pb-Sn pada rentang suhu 0 hingga 350oC. Jadi, pada 100oC, paduan terdiri dari

60% Pb (40% Sn) terdiri dari dua fasa, yang disebut α dan β; pada 200oC terdapat α dan pada

300oC hanya terdapat cairan. Sama halnya dengan paduan 20% Pb (80% Sn) yang juga terdiri

dari campuran α dan β pada 100oC; tetapi pada 200oC terdiri dari cairan ditambah β.

Diagram fasa merupakan suatu kumpulan kurva limit kelarutan. Tiga pasangan kurva seperti

ini menghasilkan diagram Pb-Sn pada gambar 3.1 sebagai berikut:

1. Limit kelarutan timah berbentuk fasa fcc yang disebut α, dan limit kelarutan timbal

berbentuk fasa bct disebut β. Kurva ini berlaku untuk suhu tanpa cairan.

2. Limit kelarutan Sn dalam logam cair (61,9% Sn pada 183oC hingga 100% Sn pada

232oC). Limit kelarutan timbal dalam logam cair (38,1% Pb pada 183oC hingga 100%

Pb pada 327oC)

3. Limit kelarutan timah dalam α dan dari timbal dalam β, ketika ada cairan. Kurva

pertama turun dari 19,2% Sn pada 183oC menjadi 0 pada titik cair timah (232oC)

Gambar 3.1 bukan hanya suatu diagram fasa; melainkan juga merupakan suatu diagram

kesetimbangan. Untuk mendapatkan datanya maka segala kemungkinan reaksi antara fasa-

fasa dalam sistem dua komponen ini harus tuntas.

9

Gambar 3.2 Diagram fasa Cu-Ni

Medan fasa pada diagram kesetimbangan bergantung pada sistem yang digambarkan.

Ketika tembaga dan nikel dicampur, diperoleh diagram fasa seperti Gambar 4.2. Di bagian

bawah diagram, semua paduan hanya membentuk satu larutan padat, berarti hanya ada satu

struktur kristal yang diberi tanda alpha (α). Baik nikel maupun tembaga memiliki struktur fcc.

Karena ukuran masing-masing atomnya hampir sama, hal ini memungkinkan atom nikel dan

tembaga dapat saling menggantikan dalam struktur kristal dengan sembarang perbandingan

pada 1000oC. Ketika suatu paduan yang mengandung 60% tembaga dan 40% Nikel

dipanaskan, fasa padat tetap ada hingga suhu mencapai sekitar 1235oC (2255oF). Diatas suhu

ini hingga 1280oC (2336oF) terdapat larutan padat dan larutan cair. Diatas 1280oC hanya

terdapat fasa cair.

Contoh Soal:

1)

Perak sterling, suatu paduan yang mengandung sekitar 92,5 % perak dan 7,5 % tembaga,

dipanaskan secara perlahan dari suhu ruangan hingga 10000C atau 18300F. Sebutkan fasa

yang akan terjadi selama proses pemanasan berlangsung!

Jawaban :

1

Suhu ruangan hingga 7400C a + b

Suhu antara 7400C-8100C a saja

Suhu antara 8100C-9000C a + cairan

Suhu antara 9000C -10000C cairan saja

2)

Suatu kombinasi yang terdiri dari 90% SiO2 dan 10% Al2O3, dilebur pada suhu 18000C

dan kemudian didinginkan dengan sangat lambat hingga mencapai suhu 14000C. Sebutkan

fasa yang ada selama proses pendinginan berlangsung!

Jawaban :

18000C-17000C cairan saja

17000C-15870C cairan +mullit (Al6Si2O13)

15870C-14700C mullit + kistobalit (SiO2)

< 14700C mullit + trimidit (SiO2)

3) One kilogram of an alloy of 70% Pb and 30% Sn is slowly colled from 300 derjat celcius.

Refer tovthe lead tin phase diagram and calculate the weight percent of the liquid and

proeutectic alpha at 250 derajat!

Jawaban :

Wt % liquid = ( ( 30 – 12 ) / ( 40 – 12 ) ) ( 100% ) = 64 %

Wt % proutectic = ( ( 40 – 30 ) / ( 40 – 12 ) ) ( 100% ) = 36 %

BAB IV

1

KESIMPULAN

Dalam penyusunan makalah ini dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :

1. Diagram fasa khususnya untuk ilmu logam merupakan suatu pemetaan dari kondisi

logam 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)

2. Diagram fasa biner dapat dibaca bila terdapat dua paduan unsur sehingga dapat

diketahui kemungkinan-kemungkinan reaksi yang ada pada kesetimbangan tertentu.

3. Contoh soal pada sub bab diagram fasa biner ini ada beberapa tipe soal, dimana

meliputi cara membaca diagram fasa biner, dan penyelesaian soal dengan

menggunakan rumus yang ada.