Kesetimbangan Fase dan Diagram Fase Suatu bahan tunggal dapat memiliki beberapa tingkat keadaan, tingkat keadaan ini disebut dengan fase. Senyawa H2O dapat memiliki tiga tingkat keadaan seperti dinyatakan pada persamaan kesetimbangan berikut ini : H20(s) H20(l) H20(g) Terdapat suatu kondisi dimana dua fase atau lebih berada pada waktu yang sama. Kondisi dimana terdapat dua fase atau lebih yang hadir pada waktu yang sama disebut dengan kesetimbangan fase.

Aturan fase akan mengikuti suatu persamaan yang dikenal sebagai aturan fase Gibbs, dan dapat dinyatakan dalam persamaan berikut : F=CP+2 dimana, F : jumlah derajat kebebasan dalam sistem C : jumlah komponen P : jumlah fase yang ada

ContohKalsium karbonat (CaCO3) terdekomposisi berdasarkan reaksi berikut ini CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) Pada reaksi dekomposisi di atas akan terdapat: Tiga fase yang terdiri dari dua fase padat dan satu fase gas sehingga P = 3, Tiga senyawa kimia tetapi jumlah komponen yang dibutuhkan hanya dua sehingga C = 2 Dengan demikian berdasarkan aturan fase Gibbs, jumlah derajat kebebasan sistem adalah: F=CP+2 =23+2=1 Artinya untuk reaksi dekomposisi kalsium karbonat, hanya ada satu variabel bebas untuk sistem (temperatur saja atau tekanan saja)

Diagram Fase Untuk memahami dan membaca diagram fase diperlukan pemahaman tentang istilah-istilah yang digunakan di dalam diskusi tentang diagram fase. Istilah-istilah yang berkaitan dengan diagram fase dapat diringkaskan sebagai berikut: Komponen: Bagian yang menyusun suatu paduan (alloy). Komponen dapat berupa unsur atau senyawa. Dalam suatu paduan ada komponen yang bertindak sebagai solute dan ada yang bertindak sebagai solvent.

Sistem: Sistem adalah kumpulan dari berbagai komposisi komponen, di mana komponen penyusun sama hanya berbeda komposisinya. Contoh: sistem Fe-C terdiri dari Fe dan C dengan berbagai komposisi. Fase: Fase didefinisikan sebagai bagian dari sistem yang bersifat homogen sehingga memiliki karakteristik fisika dan kimia yang seragam.

Komponen dapat terdiri dari satu komponen tunggal (seperti larutan gas) atau multi komponen (seperti larutan sukrosa). Komponen-komponen yang sama dapat membentuk lebih dari satu fase jika komposisinya berbeda. Jika lebih dari satu fase terdapat dalam sistem, maka tiap fase akan memiliki sifat yang khas dan berbeda dari fase lainnya. Antara satu fase dan fase yang lainnya akan dibatasi oleh suatu batas yang memisahkan fase-fase tersebut jika mereka ada bersamaan.

Batas Kelarutan (Solubility Limit) Untuk suatu sistem dengan komposisi tertentu, terdapat batas kelarutan maksimum pada temperatur tertentu. Jika batas kelarutan telah tercapai, maka penambahan suatu solut akan menimbulkan fase baru. Sebagai contoh dapat ditunjukkan diagram airsukrosa (H2O-C12H22O11) sebagai berikut

Pada diagram air-sukrosa terlihat bahwa batas kelarutan berubah seiring dengan berubahnya temperatur. Jika sukrosa tetap ditambahkan kendati batas kelarutan telah tercapai, maka akan terbentuk fase baru yaitu larutan sukrosa + padatan sukrosa.

Binary SystemSistem dua komponen (binary system) dapat diwakili oleh sistem paduan tembaga-nikel (Cu-Ni). Diagram fase untuk sistem Cu-Ni dapat ditunjukkan di bawah ini:

Pada diagram fase sumbu ordinat mewakili temperatur sistem, sedangkan sumbu absis mewakili komposisi komponen. Komposisi dapat dinyatakan sebagai komposisi berat (wt%) ataupun komposisi atom (at%). Untuk sistem Cu-Ni, komposisi dapat bervariasi mulai dari 0 wt% Ni (100 wt% Cu) sampai dengan 100 wt% Ni (0 wt% Cu) Terdapat tiga fase yang teramati yaitu fase liquid (L), fase alpha (), dan fase liquid-alpha (+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 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 (, , , dll) menunjukkan fase solid solution dari paduan logam. Daerah fase L dan +L dipisahkan oleh suatu garis yang disebut liquidus line. Daerah di atas liquidus line hanya terdiri dari L. Sementara itu daerah fase dan +L dipisahkan oleh suatu garis yang disebut solidus line. Daerah di bawah solidus line hanya terdiri dari fase .

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 () 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.

Penentuan Komposisi Fase Komposisi fase menunjukkan perbandingan relatif suatu fase di dalam sistem. Komposisi fase tergantung pada temperatur dan komposisi unsur penyusun fase. Perhatikan kembali diagram fase sistem Cu-Ni. Suatu paduan 60 wt% Ni - 40 wt% Cu pada 1100 oC akan terletak di titik A. Pada titik ini hanya terdapat fase , sehingga dikatakan komposisinya adalah 100% . Sementara itu dalam fase terdapat komponenkomponen Ni dan Cu masing-masing sebanyak 60% dan 40%.

Perhatikan pula titik C. Titik ini mewakili paduan dengan komposisi 80 wt% Ni-20 wt% Cu pada temperatur 1500 oC. Pada titik itu hanya terdapat fase L, sehingga dapat dikatakan komposisi fase adalah 100% L. Sementara itu dalam fase L terdapat komponen-komponen Ni dan Cu masing-masing sebanyak 80 wt% dan 20 wt%. Titik B adalah kasus istimewa dimana dua fase hadir bersamaan. Pada titik B terdapat fase dan L. Informasi penting yang harus diketahui untuk titik B adalah: Komposisi fase dan L Komposisi penyusun fase (komponen Ni dan Cu pada fase dan L)

Untuk mendapatkan informasi tentang komposisi fase dan komposisi komponen penyusun fase dipergunakan prosedur sebagai berikut: Menarik garis horisontal yang melalui titik B dan memotong solidus dan liquidus line. Garis ini disebut tie line. Pada titik potong antara tie line dan solidus serta liquidus line ditarik garis vertikal sampai memotong sumbu komposisi bahan. Titik potong ini menunjukkan komposisi suatu komponen pada fase tertentu.

ContohDi titik B terdapat fase + L. jumlah Ni total (di dalam + L) adalah Co%. Jumlah Ni pada fase adalah C%, sedangkan jumlah Ni pada fase L adalah CL% Jika massa total bahan adalah Wo, maka massa Ni dalam fase + L adalah: WNi,(+L) = Co% Wo Jika massa fase dalam fase + L adalah W, maka massa Ni dalam fase adalah: WNi, = C% W Hubungan massa fase dan fase L adalah sebagai berikut: Wo = W+WL di mana WL adalah massa fase L dalam + L.

Dengan demikian massa Ni dalam fase L adalah WNi,L = CL% WL Hubungan WNi, dan WNi,L dapat dinyatakan sebagai berikut: WNi,(+L) = WNi, + WNi,L

Co% Wo = C% W + CL% WLUntuk menentukan W dan WL perhatikan kembali Gambar b. Dari gambar b didapatkan:S Wo RS

WL

Diketahui bahwa S dan R adalah S = C Co R = Co - CL Sehingga dengan mensubstitusikan S dan R pada persamaan WL akan didapatkanWL C C o Wo C C L

Dengan cara yang sama akan didapatkan:Co C L W Wo C C L

Pertumbuhan Microstruktur pada Isomorphous AlloyPendinginan secara setimbang (equilibrium cooling)

Pendinginan secara setimbang dilakukan dengan cara menurunkan temperatur bahan secara perlahan untuk mempertahankan kesetimbangan fase. Perhatikan kembali gambar diagram fase Cu-Ni berikut ini

Misalkan mula-mula terdapat komposisi komponen 35 wt% Ni 65 wt% Cu. Pada temperatur 1300 oC (titik a) hanya terdapat satu fase yaitu fase L. Komposisi fase L ini sama dengan komposisi awal sistem yaitu 35 wt% Ni-65 wt% Cu, sehingga titik a ditandai dengan notasi L (35 Ni). Jika temperatur diturunkan perlahan-lahan, tidak akan terbentuk struktur mikro sampai pendinginan mencapai titik b (~1260 oC). Pada titik b mikrostruktur mulai terbentuk, sehingga titik b dimulai pertumbuhan fase . Komposisi fase L di titik ini adalah L (35 Ni), sedangkan untuk fase adalah (46 Ni)

Seiring dengan turunnya temperatur, fase L semakin berkurang dan fase semakin bertambah. Di titik C komposisi Ni untuk fase dan L berturut adalah (43 Ni) dan L (32 Ni). Saat mencapai titik d, hampir semua fase L berubah menjadi fase . Komposisi No untuk titik d adalah (35 Ni) dan L (24 Ni). Setelah titik d terlewati semua fase liquid L telah berubah menjadi fase solid sebagaimana ditunjukkan pada titik e. pada titik ini komposisi fase adalah 35 wt% Ni- 65 wt% Cu sebagaimana di awal proses pendinginan. Saat semua fase L berubah menjadi fase , proses pertumbuhan mikrostruktur telah terhenti sehingga pendinginan lebih lanjut tidak akan membentuk fase baru.

Non Equilibrium Cooling Pada pendinginan secara setimbang (equilibrium cooling) temperatur turun secara sangat perlahan. Pendinginan yang terjadi sangat perlahan ini memungkinkan terjadinya re-adjusment dan redistribution pada komposisi fase dan L selama proses pendinginan. Re-adjusment pada komposisi penyusun fase terjadi melalui proses difusi dalam fase dan L, dan difusi yang terjadi antar fase dan L dengan melintasi batas fase. Agar proses re-adjusment ini berjalan dengan kondisi setimbang maka diperlukan waktu cukup panjang selama pendinginan berlangsung.

Ketika temperatur turun maka laju proses difusi pada kedua fase juga mengalami penurunan. Di samping itu proses difusi pada fase berjalan lebih lambat jika dibandingkan proses sejenis pada fase L. Dalam kondisi nyata pendinginan terjadi secara cepat sehingga proses re-adjusment tidak berjalan sempurna karena sulit mempertahankan keadaan setimbang jika temperatur turun secara cepat. Sebagai akibat pendinginan yang cepat, maka akan terjadi non-equilibrium cooling. Mikrostruktur pada nonequilibrium cooling akan berbeda dengan kondisi equilibrium cooling. Untuk mengamati proses non-equilibrium cooling, perhatikan skema proses pendinginan untuk paduan 35 wt% Ni- 65 wt% Cu berikut ini

Misalkan proses pendinginan dimulai pada temperatur sekitar 1300 oC (titik a) di daerah fase L. Fase ini memiliki komposisi 35 wt %Ni-65 wt% Cu [L(35 Ni)]. Fase L tidak mengalami perubahan mikrostruktur jika temperatur terus diturunkan sampai sedikit di atas titik b. Pada temperatur sekitar 1260 oC (titik b), fase mulai terbentuk dengan komposisi 46 wt% Ni-54 wt% Cu [ (46Ni)]. Saat mencapai titik c (pada temperatur sekitar 1240 oC), fase L memiliki komposisi 29 wt% Ni-71 wt% Cu [L(29Ni)], dan fase memiliki komposisi 40 wt% Ni-60 wt% Cu [(40Ni)]

Pada fase proses difusi berjalan lebih lambat seiring dengan menurunnya temperatur. Saat di titik b komposisi fase adalah (46 Ni) sedangkan saat di titik c adalah (40Ni). Akibat perlambatan proses difusi, maka butiran fase pada titik c akan terdiri dari dua lapisan solid yang memiliki dua macam komposisi yaitu (46 Ni) di bagian dalam dan (40Ni) di bagian luar mikrostruktur. Saat temperatur terus turun, maka akan terjadi peningkatan ukuran mikrostruktur dari fase dengan gradien konsentrasi Ni yang berubah secara radial dengan konsentrasi Ni tertinggi terletak di bagian terluar.

Untuk menyatakan komposisi komponen penyususun fase , maka digunakan nilai rerata komposisi dengan mempertimbangkan fraksi dari masing-masing nilai komposisi. Pada titik c nilai rerata komposisi untuk fase akan terletak di antara 40 wt% Ni dan 46 wt% Ni. Misalkan saja pada titik c rerata komposisi untuk fase adalah (42 Ni). Untuk non-equilibrium cooling, pada fase L terjadi peningkatan fraksi, sehingga akan menurunkan fraksi pada fase + L. Ini mengakibatkan solidus line bergeser pada daerah yang memiliki konsentrasi Ni lebih tinggi yang ditandai dengan garis putus-putus. Nilai rerata pada titik c dapat dilihat pada solidus line (garis putus-putus) yang ditunjukkan sebagai (42 Ni)

Pada titik d(temperatur sekitar 1220 oC) pendinginan setimbang (equilibrium cooling) akan menghasilkan proses solidifikasi yang sempurna. Tetapi pada nonequilibrium cooling, proses solidifikasi masih terus berlanjut di mana fase yang terbentuk memiliki komposisi (35Ni) dengan rerata komposisi fase adalah (38 Ni). Non-equilibrium cooling akan selesai membentuk fase di titik e dengan komposisi (31 Ni) dan rerata komposisi (35 Ni). Pendinginan lebih lanjut tidak akan merubah nilai komposisi fase . Besarnya pergeseran nilai solidus line pada nonequilibrium cooling ditentukan oleh laju pendinginan. Semakin lambat laju pendinginan, maka derajat pergeseran akan semakin kecil, dan proses difusi pada fase akan berjalan lebih cepat sehinggga perbedaan komposisi dalam mikrostruktur juga akan mengecil.

Perbedaan konsentrasi komponen penyusun mikrostruktur fase dalam suatu butiran akan menimbulkan suatu pola yang disebut sebagai cored structure. Pada struktur tipe ini, komponen dengan titik lebur tinggi akan memiliki konsentrasi terbesar di pusat mikrostruktur sedangkan komponen dengan titik lebur rendah akan memiliki konsentrasi terbesar di bagian terluar mikrostruktur. Sebagai akibat susunan mikrostruktur yang seperti ini akan terjadi heterogenitas dalam komposisi mikrostruktur yang akan mempengaruhi sifat mekanis bahan. Untuk menghilangkan variasi pada mikrostruktur dilakukan heat treatment untuk meningkatkan difusi atom pada fase sehingga akan dicapai struktur yang homogen.