DIAGRAM FASA BESI-KARBON

DASAR PENGGAMBARAN DAN PEMBACAAN

R. Widodo

JURUSAN PENGECORAN LOGAM POLITEKNIK MANUFAKTUR BANDUNG

2005

ii

Pengantar. Pengembangan bahan pengecoran logam berbasis besi (ferrous material) tidak dapat dipisahkan dari diagram biner Besi-Karbon, dimana diagram ini secara ideal mampu memberikan pemahaman-pemahaman tentang berbagai perubahan fasa maupun fenomena metalurgi besi/baca cor pada umumnya. Kompetensi seorang Ahli Teknik Pengecoran Logam akan dirasa kurang lengkap bila tidak ditunjang oleh kemampuannya dalam menganalisis fasa-fasa paduan besi karbon melalui diagram biner Besi-Karbon ini. Walaupun sudah banyak referensi tentang diagram biner Besi-Karbon, tulisan yang berjudul Diagram Fasa Besi Karbon; Dasar Penggambaran dan Pembacaan ini disusun secara praktis agar mudah dibaca dan dipahami oleh penggunanya, serta diharapkan dapat membantu mahasiswa Politeknik Manufaktur Bandung khususnya dari Jurusan/Prodi Pengecoran Logam dalam melaksanakan proses pembelajaran. Versi ini adalah refisi ke I dari tulisan yang disusun pada tahun 2002 dengan judul dan penulis yang sama. Beberapa perbaikan telah dilakukan, terutapa pada penyempurnaan beberapa istilah teknis, penyederhanaan uraian dan penggunaan bahasa serta beberapa perbaikan kesalahan pengetikan. Perbaikan-perbaikan masih akan terus dilakukan, untuk itu masukan dari para penggunanya sangat diharapkan agar muatan materi maupun tata cara penulisan dapat semakin baik dimasa mendatang.

Bandung, Juni 2005.

Penulis.

iii

Daftar Isi.

HalPengantar iiDaftar Isi iiiDaftar Gambar iii

1 Sejarah Diagram Fasa Besi-Karbon. 42 Diagram Biner 53 Diagram Ganda Besi-Karbon.

a) Bentuk umum. 11b) Sistim Besi-Karbida besi. 14c) Sistim Besi-Grafit. 18

Referensi 20

Daftar Gambar. Gambar 1 Kurva pendinginan yang menhasilkan diagram fasa paduan tidak

larut dalam keadaan padat. 7

Gambar 2 Kurva pendinginan yang menghasilkan diagram fasa paduan larut sempurna dalam keadaan cair maupun padat.

8

Gambar 3 Diagram fasa dengan eutektikum. 9Gambar 4 Diagram fasa dengan peritektikum. 9Gambar 5 Diagram fasa dengan ikatan intermentalik. 10Gambar 6 Diagram fasa dengan perubahan pada keadan padat. 11Gambar 7 Diagram Fasa Besi-Karbon (diagram ganda). 13Gambar 10 Model struktur latis besi. 14Gambar 11 Struktur mikro dari besi karbon metastabil hipoeutektik. 15Gambar 12 Struktur mikro dari besi karbon metastabil eutektik. 15Gambar 13 Struktur mikro dari besi karbon metastabil hipereutektik. 15Gambar 14 Keseimbangan ?/@. 16Gambar 15 Kurva daerah @. 17Gambar 16 Struktur paduan besi-karbon dengan kandungan karbon sangat

rendah. 18

Gambar 17 Struktur paduan besi-karbon hipoeutektoid. 18Gambar 18 Struktur paduan besi-karbon eutektoid. 18Gambar 19 Struktur paduan besi-karbon hipereutektoid. 18Gambar 20 Struktur dari paduan besi-karbon stabil hipoeutektik. 20Gambar 21 Struktur dari paduan besi-karbon stabil eutektik. 20Gambar 22 Struktur dari paduan besi-karbon stabil hipereutektik. 20Gambar 23 Grafit lamelar pada struktur dasar (matriks) perlit-ferrit. 20Gambar 24 Grafit lamelar pada struktur dasar (matriks) perlit. 20

Lampiran-Lampiran. Lampiran 1 Gambar 8. Diagram biner Besi-Karbon sistim Metastabil (Fe

Fe3C). I

Lampiran 2 Gambar 9. Diagram biner Besi-Karbon sistim Stabil (Fe Grafit). II

4Diagram Fasa Besi-Karbon adalah suatu diagram keseimbangan (equilibrium) yang menggambarkan tentang keadaan keseimbangan fasa-fasa yang terjadi untuk konsentrasi paduan karbon tertentu didalam besi dan pada temperatur tertentu, serta pada tekanan 1 atmosphere. Secara umum diagram ini disebut Diagram Biner Besi-Karbon1, serta menjadi dasar teknologi besi paduan mengingat karbon merupakan unsur yang memiliki pengaruh paling kuat terhadap sifat-sifat besi. 1. Sejarah Diagram Fasa Besi-Karbon. Diagram besi-karbon dan hasil-hasil penelitian yang menyangkut sifat-sifat transformasi terutama austenit, memberikan gambaran dan pengetahuan yang mendalam tentang paduan besi-karbon untuk keperluan pengembangan meterial besi-karbon dan perlakuan panasnya. Dengan mempelajari diagram besi-karbon, perubahan fasa-fasa yang secara langsung berpengaruh terhadap sifat mekanis paduan ini dapat diperediksi dengan cukup akurat. Berdampingan dengan perkembangan teknik metalografi, penelitian-penelitian tentang temperatur pembekuan dan transformasi serta pengaruh unsur-unsur paduan lain terhadap besi-karbon, maka diagram besi-karbon menjadi alat yang sangat ampuh dalam upaya penggembangkan teknologi material berbasis besi-karbon. Pengembangan diagram besi karbon sendiri diawali pada tahun 1864, ketika H, C. Sorby melakuan pangamatan mikrokopis terhadap meteorit yang mengandung unsur besi. Ilmuwan ini berhasil mengamati struktur yang kemudian ia namakan perlit. Namun demikian hasil penelitiannya belum mendapat respon yang cukup dari kalangan ilmiah, serta sampai dengan tahun 1887 hanya tersimpan saja di Inggris. Sementara itu pada awal tahun 1878, A. Martens (tanpa ada hubungan dengan penelitian H, C. Sorby) mengumumkan penemuannya tentang teknik pengamatan mikro untuk logam (metal-mikroskop) sekaligus memberikan landasan tentang paduan besi-karbon. Sejak saat itu para ilmuwan mulai menaruh perhatian yang besar terhadap paduan ini terutama F. Osmond dan mitranya J. Werth (1885), H. M. Howe(1891), E. Heyn (1898). Juga kelompok ilmuwan lain yaitu H. Wedding (1885), O. Jarnold (1890), H. Behrends (1891), A. Sauveur (1893), Th. Andrews dan J.E Stead (1894) serta H. J&ptner von Jonstorff (1897). Hal yang ikut mendorong perkembangan penelitian paduan besi-karbon adalah dengan dikembangkannya teknik analisa thermal dengan metode pyrometer thermoelektrik oleh W.C. Robert Austen (1897 dan 1899) sehingga dapat mengukur perbedaan temperatur yang sangat kecil. Berkat jasa para ilmuwan inilah kemudian diagram-besi karbon dikembangkan terus hingga satu abad kemudian dan digunakan sehingga menghasilkan paduan-paduan besi-karbon yang sedemikian luasnya. Dalam hal ini peran dari ahli-ahli kimia-fisik tak kalah pentingnya, dimana berdasarkan penemuan W. Gibbs tentang perubahan fasa (1873), B. Roozeboom telah mengumumkan penemuannya tentang keadaan keseimbangan heterogen

1 Tergantung unsur-unsur yang tidak saling berpengaruh didalamnya maka diagram dapat digambarkan

secara tunggal (murni), biner dan terner.

5sebagai cabang dari thermodinamika serta kepeloporannya dalam menggunakan berbagai jenis larutan asam maupun garam dalam penelitiannya. Diketemukannya larutan padat atau kristal campuran pada besi-karbon oleh A. Ledebur (1882) dan H. Le Chatelier (1897) telah membuka mata dunia tentang struktur paduan besi-karbon yang sebenarnya, sehingga memasuki tahun 1900 diagram besi-karbon lengkap yang pertamapun dapat di luncurkan dan untuk selanjutnya dikembangkan terus menerus. Namun demikian perkembanggan yang dilandasi oleh kepeloporan B. Roozeboom masih mengandung hambatan yang cukup berarti, mengingat pengamatan terhadap pertumbuhan karbon elementer (grafit) tidak ikut dilakukan. Masalah ini baru dapat dipecahkan setelah E. Heyn (1904) dan G. Charpy (1905) menciptakan diagram ganda besi karbon. Kedua ilmuan ini, walaupun baru pada sebagaian kecil, telah membagi diagram besi-karbon menjadi sistim karbida dan sistim grafit serta menjadi titik tolak perkembangan kedua sistim ini selanjutnya. Landasan tersebut kemudian dikembangkan oleh R. Ruer dan mitra-mitranya dengan berbagai penelitian sejak tahun 1911. Kelompok ini berhasil membuktikan adanya daerah B dan menetapkan daerah-daerah fasa pada diagram besi-karbon. Hingga saat tersebut masih diyakini bahwa sampai dengan kandungan karbon rendah fasa ? terbentuk dari keadaan cair, hanya beberapa penelitian yaitu dari E. J. Ball (1890), P. Curie (1894) dan W. Gontermann (1908) yang menyarakan tentang kemungkinan adanya fasa B. Sebagai penutup, W. Kstmer (1930) menyempurnakan daerah-daerah fasa dengan menambah daerah kristal campuran @.

Penelitian selanjutnya adalah dalam upaya penggambaran diagram besi-karbon ini dengan lebih cermat terutama dalam menetapkan temperatur-temperatur transformasi dalam hubungannya dengan kandungan maupun konsentrasi karbon. Pada tahun 1932 Verein Deutscher Eisenhnttenleute berdasarkan kecermatan penggambarannya membakukan diagram besi-karbon yang dikembangkan oleh F. Krber dan W. Oelsen. Pada saat yang bersamaan beberapa penelitian lanjut terhadap paduan besi-karbon yang semakin murni terus dilakukan, namun demikian hasilnya tidak terlalu banyak mengubah diagram yang telah ada. Penambahan yang cukup berarti dilakukan oleh W. C. Robert-Austen dan B. Roozeboom, yaitu penamaan pada titik dan garis-garis penting (seperti titik E, titik S, garis ES dsb) sehingga lebih mudah dalam penggunaannya. Pada akhirnya perlu disadari, bahwa diagram besi-karbon yang digunakan dewasa ini merupakan hasil kerja keras selama kurun waktu lebih dari satu abad lamanya. Walaupun untuk keperluan praktis saat ini sudah dapat digunakan sebagai acuan, namun masih belum disepakati bahwa telah seluruh detail paduan besi-karbon telah terungkapkan. 2. Diagram Biner Parameter yang mempengaruhi perubahan fasa adalah komposisi, temperatur dan tekanan. Sehingga diagram fasa selalu digambarkan dengan ordinat temperatur dan absis tekanan (material murni) atau komposisi (material paduan). Diagram biner sebagai representasi dari material paduan memiliki ordinat temperature dan absis komposisi, dengan asumsi tekanan konstan pada 1 atm. Setiap garis vertikal sejajar

6dengan ordinat menyatakan konsentrasi paduan tertentu c, sedangkan setiap garis horizontal sejajar dengan absis menyatakan suatu temperatur tertentu T (secara umum disebut diagram c-T). Pertemuan dari kedua garis tersebut menjadi acuan (titik berat) keseimbangan fasa-fasa yang tengah terjadi. Perubahan fasa pada tiap-tiap perubahan temperatur pertama-tama dibatasi olah garis-garis tramsformasi dari cair manjadi padat, untuk selanjutnya oleh garis batas transformasi pada keadaan padat yang berlangsung sacara alotropi2.

Diagram biner dibuat berdasarkan kurva analisa termal, yaitu kurva laju perubahan temperatur selama proses pendinginan. Setiap logam murni, pada kurva pendinginannya memiliki temperatur konstan (isotermal) yang merupakan temperatur saat terjadinya perubahan fasa padat menjadi cair atau sebaliknya. Fenomena ini dapat diidentikkan dengan pendinginan air. Pada saat pembekuan, terjadi pelepasan energi sehingga temperatur akan tertahan pada 0 DC sampai air membeku seluruhnya serta disebut titik beku (titik cair). Namun demikian dengan melarutkan garam kedalamnya maka titik beku air tersebut akan menjadi lebih rendah serta memiliki selang temperatur. Dengan demikian bila kedalam suatu logam dipadukan unsur lain dengan persentase yang berbeda-beda, maka akan diperoleh pula kurva-kurva pendinginan dengan titik beku maupun selang pembekuan yang berbeda. Dan bila kurva-kurva tersebut dijajarkan secara urut sesuai persentasenya, dengan menghubungkan setiap titik awal pembekuan serta titik akhir pembekuan maka akan diperoleh kurva baru yang disebut kurva pembekuan biner atau diagram biner.

Garis kurva yang mengawali pembekuan disebut garis likuidus3, sedangkan garis kurva yang mengakhiri pembekuan disebut solidus4.

Sacara umum kurva pendinginan paduan logam akan menghasilkan dua macam diagram biner sebagaimana ditunjukkan pada gambar 1 dan gambar 2. Ciri khas dari gambar 1 adalah temperatur pembekuan yang sama pada setiap konsentrasi paduan sehingga garis solidus pada kurva tergambar secara horizontal sejajar dengan absis. Sedangkan garis likuidus diawali dari titik lebur A dan B dari masing-masing bahan murni A maupun B yang menuju temperatur yang lebih rendah dan akhirnya saling berpotongan dititk C. Sebagaimana diperlihatkan pada gambar 1 kurva ke 4, konsentrasi paduan ini tidak memiliki selang temperatur pembekuan, namun seperti halnya material murni memilki titik beku/cair, hanya temperaturnya yang jauh lebih rendah. Paduan dengan konsentrasi ini disebut paduan eutektik.

2 Logam bila dipanaskan, dalam keadaan padat terjadi perubahan letak atom-atomnya saling bekaitan. Sifat ini disebut allotrop. Perubahan ini berlangsung reversible baik saat pemanasan maupun pendinginan. Temperatur perubahan untuk setiap logam berbeda tegantung dari unsur lain yang mempengaruhi maupun laju perubahan temperatur dan dapat secara pasti didefinisikan. Namun demikian histereris masih mungkin terjadi sehingga temperatur perubahan saat pemanasan dengan saat pendinginan dapat berbeda.

3 Likuidus (=liquidus), liquid = cair. 4 Solidus, solid = padat

7Gambar 1. Kurva pendinginan yang menhasilkan diagram fasa paduan tidak larut dalam keadaan padat.

Tipe pembekuan semacam ini hanya berlaku untuk kondisi ideal dimana pada keadaan cair kedua material (A dan B) harus dapat saling larut sempurna, sedangkan dalam keadaan padat tidak saling larut. Pada paudan dengan konsentrasi B dibawah paduan eutektik, segera sesaat setelah temperatur pendinginan mencapai garis likuidus (AC), terbentuk kristal-kristal yang teridiri dari komponen A murni. Kristal-kristal ini terus tumbuh dan membesar bersama dengan turunnya temperatur sehingga persentasi komponen B didalam sisa cairan akan terus meningkat mengikuti garis likuidus AC menuju ke titik C. pada saat konsentrasi B mencapai titik C inilah tercapai kondisi jenuh sehingga selanjutnya kedua komponen akan mengkristal secara bersamaan dan membeku sebagai campuran halus yang disebut eutektikum. Dengan demikian struktur material paduan ini akan terdiri dari butiran yang terbentuk dari kristal A murni serta butiran eutektikum.

Untuk paduan dengan konsentrasi B diatas paduan eutektik, kristal B akan terbentuk terlebih dahulu dan disebut B-primer. Selanjutnya konsentrasi B akan berkurang mengikuri garis liquidus BC menuju titik C serta diakhiri dengan pertumbuhan eutektikum sebagaimana halnya pada paduan sebelumnya. Struktur material paduan ini akan terdiri dari butiran B-primer dan eutektikum. Paduan dengan konsentrasi eutektik akan menghasilkan struktur eutektik secara keseluruhan. Tipe pembekuan yang lain sama sekali akan terjadi bila material paduan dapat larut sempurna baik dalam keadaan cair maupun padat seperti ditunjukan pada gambar 2, dalam kata lain komponen A maupun B membentuk kristal baru yang disebut kristal campuran5. Pada diagram ini titik beku kedua material murni dihubungkan dengnan dua garis lengkung, dimana garis atas merupakan kurva awal pembekuan (kurva likuidus) dan garis bawah merupakan kurva akhir pembekuan (kurva solidus) material paduan. Daerah fasa terbagi menjadi daerah fasa cair, daerah fasa cair + kristal campuran dan daerah kristal campuran. 5 Istilah kristal campuran sendiri sebetulnya kurang dapat mewakili keadaan yang sebenarnya, mengingat

pada kenyataannya kristal ini bukan merupakan gabungan dari kristal kedua komponen, melainkan masing-masing komponen saling larut dan membentuk kristal larutan. Istilah ini tetap digunakan karena sejak awal pengembangan material sudah membaku.

8Selama proses pemebekuan, kristal-kristal tumbuh (membesar) bersama dengan penurunan temperatur sehingga keseimbangan fasa padat dan sisa fasa cair dapat selalu diperbandingkan. Pembandingan dilakukan menurut hukum keseimbangan momen terhadap garis horizontal yang sejajar dengan absis serta memotong kurva likuidus, dengan garis vertikal yang sejajar dengan ordinat sebagai titik berat.

Gambar 2. Kurva pendinginan yang menghasilkan diagram fasa paduan larut sempurna dalam keadaan cair maupun padat.

Sebagai contoh, pendinginan cairan dengan konsentrasi B sebesar x % (komposisi 4 pada gambar 2) berlangsung sebagai berikut: Ketika penurunan temperatur mencapai E, maka mulai terjadi pengintian kristal campuran dengan komposisi E yang bila dihitung berdasarkan kurva solidusnya mengandung B lebih sedikit dari cairan. Bersama dengan turunnya temperatur, kristal campuran ini membesar dan dengan kandungan terus meningkat mengakibatkan kandungan B didalam sisa cairan sampai mencapai komposisi E serta membeku pada giliran yang terakhir. Kompisisi akhir dari material yang telah membeku seluruhnya adalah E, yaitu tepat sama dengan komposisi material paduan yang sedang dianalisa6.

Untuk material paduan AB yang pada keadaan padat tiak larut sempurna namun tetap menghasilkan kristal campuran, maka kristal yang dihasilkan adalah kristal campuran terbatas (paduan larut sebagian). Dan dalam keadaan tersebut akan terdapat dua jenis kristal campuran yaitu kristal kaya A dan kristal kaya B. (gambar 3 dan gambar 4). Kelarutan dari komponen paduan terhadap material dasarnyapun terbatas. Pada kasus pertama (gambar 3), maka titik beku material paduan akan menurun sebagai akibat dari adanya material paduan. Namun demikian dibandingkan dengan gambar 1 jelas tampak adanya perbedaan, dimana paduan didekat daerah material murni A dan B membeku sebagai kristal campuran yang homogen. Sedangkan paduan dengan komposisi antara D dan E, selain eutektikum, terdapat kristal-kristal campuran yang bercampur secara

6 Pengayaan B pada komposisi kristal campuran berlangsung secara difusi dan membutuhkan waktu agar

tercapai difusi yang sempurna (merata) serta mengakibatkan melambatnya laju pendinginan. Difusi yang tidak merata akan mengakibatkan terjadinya segregasi kristal, dimana pertumbuhannya akan menjadi berlapis-lapis (setiap lapisan memiliki komposisi berbeda), yang disebut kristal lapis. Peristiwa pembentukan kristal lapis ini hampir selalu terjadi pada setiap proses pembekuan logam paduan serta dapat dimunculkan dengan penggunaan bahan etsa untuk segregasi (etsa primer) pada pengamatan metalografi.

9heterogen (tidak larut). Susunan kristal eutektikum tidak terdiri dari komponen A dan B melainkan kristal campuran dengan komposisi D dan E. Pada pendinginan selanjutnya sampai dibawah temperatur eutektik, kelarutan pada kristal campuran A menurun pada daerah komposisi kristal D hingga F. Pada diagram dibatasi oleh kurva DF. Hal yang sama terjadi pada kristal campuran B yang menurun pada kurva EG. Kristal campuran dengan komposisi tepat pada garis ADF dan BEG disebut kristal campuran jenuh. Sedangkan kristal campuran yang berada pada daerah komposisi ADFA dan BEGB merupakan kristal campuran tak jenuh. Daerah dengan komposisi antara kurva DF dan EG disebut daerah campuran. Kurva DF dan EG disebut garis solvus7.

Gambar 3. Diagram fasa dengan eutektikum

Gambar 4. Diagram dengan fasa peritektikum.

Kasus kedua dapat dilihat pada gambar 4. Paduan ini memiliki ciri menurunnya titik lebur sebagai akibat adanya unsur paduan. Kurva ACB merupakan garis likuidus yang menurun terus (tanpa eutektik), kurva ADEB merupakan garis solidus. Kurva DF dan EG merupakan garis solvus. Pembekuan berlangsung sebagai berikut: Paduan pada daerah konsenterasi A sampai D dan C sampai B membeku sebagai kristal campuran yang kaya akan unsur A atau B. Paduan dengan konsentrasi pada daerah D sampai C, bila temperatur pendinginan telah mencapai garis horizontal CD, akan terdiri dari campuran antara kristal campuran A jenuh dengan komposisi D dan cairan dengan komposisi C. Pada temperatur ini kristal campuran A akan bereaksi dengan cairan dan membentuk kristal campuran B jenuh dengan komposisi E. Pada saat tersebut secara bersamaan kristal campuran A jenuh maupun cairan akan menghilang. Untuk komposisi antara D dan E akan terbentuk campuran kristal antara kristal campuran A dengan B, sedangkan untuk komposisi antara C dan E maka setelah kristal campuran A primer lenyap, disamping terbentuknya kristal campuran B jenuh masih akan tersisakan cairan.

7 Solvus, solve = larut.

10

Pada pendinginan selanjutnya akan tumbuh terus kristal campuran B jenuh tadi, dimana secara difusi sepanjang garis EB, terbentuk pula kristal campuran B homogen. Reaksi semacam ini, dimana suatu cairan mengandung kristal campuran tertentu berubah menjadi kristal campuran yang lain disebut reaksi peritektik. Garis DEC disebut horizontal peritektik atau peritektikal8. Pada temperatur dibawah peritektikal, sepanjang garis solvus DF, dari kristal campuran A akan terbentuk kristal campuran B, sedangkan sepanjang garis solvus EG akan terbentuk kebalikannya. Pada tipe pembekuan yang telah dibahas sebelumnya (gambar 1 sampai gambar 4), peristiwa terjadi pada material dengan kandungan A dan B murni atau pembentukan kristal campuran berasal dari kedua material tersebut. Pada paduan logam biner, kemungkinan dapat pula terbentuk kristal-kristal lain hasil dari ikatan (senyawa) kedua komponen pembentukannya, mengingat unsur logam A dan B dapat membentuk ikatan intermetalik.Fenomena ini menghasilkan tipe diagram sebagaimana ditunjukkan pada gambar 5.

Pada kasus ini logam paduan A dan B membentuk ikatan dengan komposisi C (AmBn) dan pada daerah konsentrasi D sampai E membentuk kristal primer.

Gambar 5. Diagram fasa dengan ikatan intermentalik. Berdasarkan diagram fasa gambar 1, diagram ini dapat dibagi dua serta dibaca sebagai diagram fasa paduan A-AmBn dan diagram fasa paduan AmBn-B. Pada keadaan kristal masih memungkinkan terjadinya perubahan-perubahan yang lainnnya, disatu sisi melalui perubahan kelarutan kristal dan disisi lainnya adalah akibat dari perubahan sifat komponen setelah terjadi ikatan intermentalik. Perubahanperubahan tersebut telah situnjukan pada gambar 3 dan gambar 4. Pada diagram tersebut kristal campuran jenuh D dan E memudar mengikuti kurva DF dan EG bersama dengan turunnya temperatur. Hal ini berarti bahwa pada setiap pendinginan 8 Pada kasus ini peristiwa ketidak-seimbangan sering terjadi, sehingga kristal campuran A primer hanya

terselimuti oleh kristal campuran B (difusi tidak trejadi).

11

akan terjadi penguraian dari sebagai kristal campuran yang telah terbentuk menjadi kristal yang lainnya. Pada pedinginan lambat penguraian ini akan membentuk kristal-kristal pada batas butiran sehingga menyelimuti kristal-kristal yang terbentuk sejak awal. Sebaliknya bila pendinginan berlangsung secara cepat, maka akibat keterbatasan kemampuan difusi dari kristal-kristal, akan tersebar halus dan merata di dalam kristal campuran dan secara jelas dapat diamati melalui pengamatan metalogrfi. Perubahan yang terjadi dalam keadan padat, yang malalui mekanisme perubahan secara alotropi, digambarkan pada gambar 6.

Gambar 6. Diagram fasa dengan perubahan pada keadan padat. Dalam hal ini dari keadaan cair mula mula akan terbentuk kristal campuran homogen. Namun karena komponen A dan B akan membentuk kristal secara alotropi pada temperatur sesuai garis CED, maka dibawah temperatur tersebut kristal-kristal yang tumbuh tidak lagi dapat membentuk kristal campuran saja, melainkan tumbuh pula kristal A atau kristal B. Dari sini peristiwa selanjutnya berlangung sebagaimana telah diterangkan melalui gambar 1. Bedanya adalah pada kasus ini pembentukkan kristal A dan B tidak berasal dari proses pembekuan namun merupakan penguraian dari kondisi padat (kristal campuran) menjadi kristal lainnya. Sisa larutan padat yang terurai serta mencapai komposisi E akan tersebar secara halus dan merata sebagai campuran dari A dan B disebut eutectoid.

3. Diagram Ganda Besi-Karbon. a) Bentuk umum. Secara umum parameter-parameter penting dari diagram fasa besi-karbon sampai dengan 7% berat karbon ditunjukkan sebagaimana gambar 7. Pada diagram tersebut karbon dinyatakan pula, dalam senyawanya dengan besi, sebagai karbida Fe3C dengan kandungan % berat karbon 6.67%, atau disebut juga Cementite (sementit). Dengan demikian absis diagram ini merupakan penunjukkan dari kandungan karbon atau sementit. Penguasaan

12

teknologi laboratorium saat ini masih sulit untuk mendapatkan kurva dengan kandungan karbon lebih tinggi, bahkan sejak kandungan karbon 5%. Hal ini yang perlu diperhatikan pada diagram ini adalah adanya garis putus-putus selain garis tegas. Perbedaan penggunaan garis menyatakan bahwa karbon dapat terbentuk dalam dua macam fasa berbeda, yaitu sebagai grafit atau karbon murni dan sebagai sementit dalam senyawanya dengan besi. Kedua fasa dari karbn ini dapat muncul bersama-sama. Namun demikian pada dasarnya dapat dipastikan bahwa karbon akan muncul pada pendinginan yang lambat, sedangkan sementit muncul pada pendinginan yang cepat. Lebih jauh lagi, untuk paduan dengan kandungan karbon tinggi, sementit dapat diubah menjadi grafit melalui proses aneal (anil). Sedangakan pada paduan dengan kandungan karbon rendah, karbon cenderung akan terbentuk sebagai semetit. Kecenderungan pembentukan grafit dari sementit akan terjadi bila besi atau kristal campuran kaya besi membentuk keadaan kesimbangan stabil. Sedangakn struktur mikro dari baja pada dasarnya terbentuk dari keseimbangan metastabil paduan besi-karbida besi, serta secara teknis lebih penting untuk diperhatikan. Gambar 7 memperlihatkan garis yang digambarkan penuh sebagai keseimbangan metastabil, sedangkan garis yang digambarkan terputus-putus adalah keseimbangan stabil. Diagram ini disebut Diagram Ganda. Perbedaan letak garis pada diagram memperlihatkan bahwa beda stabilitas antara grafit dengan karbida besi didalam paduan tidak besar. Gambar 8 dan gambar 99 merupakan diagram yang menggambarkan kedua keadaan keseimbangan tersebut secra terpisah. Untuk besi murni, pada proses pemanasan maupun pendinginan dalam keadaaan fasa padat akan terjadi beberapa transformasi. Secara umum telah dibakukan, bahwa transformasi yang terjadi, dilihat dari diagram analisa termal (kurva temperatur-waktu), akan menghasilkan perubahan laju pendinginan sampai dengan isothermal. Titik-titik transformasi tersebut dinotasikan dengan huruf A. Sedangkan angka yang dituliskan dibelakangnya berguna untuk membedakan suatu transformasi dengan yang lainnya. Kristal-kristal yang terbentuk pada selang temperatur yang berbeda dinyatakan dalam huruf Yunani. Perubahan pendinginan tersebut akan baik pada proses pendinginan maupun proses pemanasan, sehinngga untuk membedakan keduanya digunakan inisial titik-Ar untuk kurva pendinginan (r = refrodissement), sedangkan untuk kurva pemanasan adalah titik-Ac (c =cauffage). Perbedaan temperatur antara kurva proses pendinginan maupun pemanasan disebut hysteresis yang akan semakain besar bila laju perubahan temperatur diperbesar. Pada laju perubahan temperatur yang sangat lambat maka hysteresis akan semakin kecil dan akhirnya dapat diabaikan. Keadaan inilah yang disebutkan sebagai temperatur keseimbangan (equilibrium). Untuk selanjutnya kurva akan menghasilkan titik-titik sebagai berikut: 1536 DC : Temperatur pembekuaan (titik beku), besi- (delta).

9 Lihat lampiran pada akhir tulisan ini.

13

1392 DC : Titik A4, besi- (gamma). 911 D : Titik A3, besi- (alpha) nonmagnetik10. 769 D : Titik A2, besi- (alpha) Ferromagnetis. Dan untuk besi dengan kandungan karbon didalamnya adalah: 723 DC : Titik A1, transformasi eutektoid (titik perlit).

Gambar 7. Diagram Fasa Besi-Karbon (diagram ganda). Besi- pada daerah transformasi dari titik beku hingga titik A4 memiliki latice (latis = unit sel) BCC (body centered cubik) dimana atom-atom menempati posisi sudut-sudut dan pusat kubus (gambar 10, kiri). Setelah titik A4, latis berubah menjadi FCC (face centered cubik) dengan atom-atom yang menempati posisi sudut-sudut dan pusat diagonal bidang sisi-sisi kubus (gambar 10, kanan). Pada titik A3, FCC berubah menjadi BCC. Berdasarkan kurva-kurva yang terdapat didalam diagram fasa besi-karbon, dimana daerah kristal merupakan daerah tertutup, dapat dipastikan bahwa besi- dan besi- tidak hanya

10 Dulu disebut besi-L (beta).

14

seragam dan merupakan kristal isomorphy, namun juga merupakan fasa tunggal yang untuk besi murni terputus pada daerah temperatur 911 oC dan 1392 oC oleh besi-.

Struktur atom dengan latis FCC dapat dikatakan sebagai kumpulan bola-bola yang kurang rapat sedangkan struktur atom dan dengan latis BCC merupakan kumpulan bola-bola yang sangat rapat. Dengan demikian mengingat jumlah atom yang mengikat jumlah atom yang membentuk struktur latis FCC lebih banyak dari BCC, maka pada tranformasi akan terjadi pemuaian volume (titik A3). Pada pemanasan selanjutnya volume akan kembali menyusut, yaitu ketika berlangsung transformasi (titik A4).

Gambar 10. Model struktur latis besi. Pada pendinginan melalui titik A2 besi akan menjadi ferromagnetis, sebaliknya bila pemanasan dilakukan hingga melalui titik tersebut, sifat ferromagnetis menjadi nonmagnetis tanpa mengubah struktur kristalnya. Daya pelarutan besi terhadap karbon sangat tergantung dari bentuk struktur latis serta temperaturnya. FCC besi memiliki kemampuan kelarutan yang sangat besar dibandingkan dengan BCC besi . Atom-atom karbon akan menempati posisi pada stuktur latis besi sedemikian rupa sehingga untuk besi akan berada pada bidang-bidang sisi kubus sedangkan pada besi dan besi akan berada ditengah sisi-sisi kubus. b). Sistem Besi-Karbida besi. Dari suatu cairan dengan kandungan karbon kurang dari 4.3%-berat, akan terbentuk kristal campuran besi berkandungan karbon yang merupakan kristal primer (gambar 8). Sedangkan dari cairan dengan kandungan karbon lebih dari 4.3%-berat akan terbentuk kristal primary cementite (sementit primer)11. Paduan yang disebut pertama merupakan hipoeutektik sedangkan yang disebut kemudian adalah paduan hipereutektik. Pada saat pendinginan tersebut, komposisi dari cairan saling mendekati menuju ke konsentrasi karbon 4,3%-berat. Pada temperatr 1147 DC, sisa cairan akan membeku menjadi suatu eutektikum yang terdiri dari sementit dengan kandungan karbon 6,67%-berat (titik F) dan kristal campuran ? dengan konsentrasi karbon 2,06%-berat yang menjadi 11 Garis DC pada kurva yang menggambarkan awal transformasi, digambar sebagai garis titik-titik. Panjang

garisnya hanya sampai dengan kandungan karbon sekitar 5 %-berat . Titik lebur dari sementiti hingga saat ini tidak diketahui.

15

jenuh. Sturktur ini kemudian disebut dengan ledeburit. Temperatur pembekuan besi menurun dengan bertambahnya konsentrasi karbon dan mencapai titik terendahnya pada titik eutektik. Gambar 11 sampai dengan Gambar 13 memperlihatkan struktur mikro dari paduan hipoeutektik, eutektik dan hipereutektik.

100 x 100 x 100 x

Gambar 11. Struktur mikro dari besi karbon metastabil

hipoeutektik. [Kristal campuran ? terurai

menjadi bentuk-bentuk seperti pohon cemara (gelap)

dan ledeburit]. Etsa: Pikral.

Gambar 12. Struktur mikro dari besi karbon metastabil

eutektik [Ledeburit, terdiri dari

sementit (terang) dan kristal campuran ? yang terurai

(gelap)]. Etsa: Pikral.

Gambar 13. Struktur mikro dari besi karbon metastabil

hipereutektik [Sementit (batang-batang

besar yang terang) dan ledeburit].

Etsa: Pikral.

Bila cairan mengandung karbon lebih kecil dari 2,06 %-berat maka eutektikum tidak akan terbentuk, sehingga yang ada hanya pertumbuhan kristal campuran ?. Pada kandungan karbon rendah, terlebih dahulu akan terbetuk kristal campuran B (B-ferrit). AB adalah garis likuidus sedangkan AH adalah garis solidus. Batas jenuh kristal capuran B adalah pada titik H (kandungan karbon 0,1 %-berat, 1493 DC). Transformasi berlangsung bedasarkan reaksi peritektik sebagaimana diperlihatkan pada gambar 4 serta diuraikan berikut ini. Kristal campuran B pada H bereaksi dengan cairan B (kandungan karbon 0,51 %-berat) dan tertransformasi menjadi kristal campuran ? komposisi I (kandungan krbon 0,16 %-berat). Bila kompososisi karbon berada disebelah kanan dari titik I, maka kristal B primer yang telah terbentuk mengikuti garis AH akan lenyap sama sekali. Pembekuan selanjutnya berlangsung dengan terbentuknya kristal campuran ?, dengan BC sebagai garis likuidus dan IE sebagi garis solidus. Sedangkan bila komposisi karbon berada sebelah kiri dari titik I, maka sisa cairan akan menjadi kristal campuran ?. Untuk selanjutnya perubahan B menjadi ? berlangsung dalam keadaan padat dimana kristal campuran B akan menurun mengikuti garis HN dan

16

membentuk keseimbangan pada garis IN dengan kristal campuran ?. Perubahan berakhir pada saat temperatur mencapai garis IN. Pada temperature 1392 DC besi murni, garis HN dan IN bertemu dititik N dan merupakan titik perubahan kristal campuran B menjadi ?. Untuk komposisi bahan antara H dan I yaitu paduan dengan kandungan karbon antara 0,1 sampai 0,16 %-berat, perubahan berlangsung sampai dengan temperatur 1493 DC. Kristal campuran ?, secara metalografi disebut sebagai austenit. Untuk paduan dengan kandungan karbon dibawah 0,51 %-berat, austenit terbentuk melalui reaksi peritektik dari kristal campuran B dan sisa cairan B. Sedangkan untuk paduan dengan kandungan karbon antara 0,51 sampai 4,3 %-berat, austenit terbentuk primer dari cairan. Pada saat konsentrasi karbon didalam austenit mencapai 2,06 %-berat, maka sisa cairan akan mencapai konsentrasi eutektik C (ledeburit). Pada temperatur ini (1147 DC) austenit mencapai konsentrasi karbon yang paling tinggi (2,06%-berat). Transformasi austenit pada temperatur lebih rendah berlangsung sebagaimana digambarkan pada gambar 6. Bila kandungan karbon pada paduan berada dibawah S = 0,8 %-berat (gambar14), maka bersama dengan turunnya temperatur, austenit akan terurai menjadi kristal campuran @ (ferrit) yang mengandung sedikit sekali karbon (garis GP) dan sisa austenit dengan konsentrasi karbon naik mengikuti garis GS. Untuk paduan dengan kandungan karbon lebih dari 0,8 %-berat, akan terbentuk sementit sekunder dari austenit, sehingga konsentrasi karbon dalam austenit sisa akan menurun menikuti garis ES (gambar 8).

Gambar 14. Keseimbangan ?/@.

17

Pada saat temperatur mencapai 723 DC sisa austenit dengan konsentrasi karbon S akan tertransfiormasi menjadi eutektoid (perlit) yang terdiri dari kristal campran @ (ferrit) dan karbida besi (sementit)12.

Pada pendinginan dibawah 723 DC selanjutnya, dari ferrit akan terbentuk karbida besi (sementit tertier) dengan mengikuti garis kelarutan karbon PQ (gambar 15). Sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya, pada temperatur 769 DC (A2), besi akan berubah menjadi ferromagnetis dari keadaan paramagnetis sampai dengan konsentrasi karbon sekitar 0,5 %-berat, perubahan ini terjadi pada temperatur yang sama (gambar 8, garis MO). Pada kandungan karbon yang lebih tinggi, besi @ yang ferromagnetis terbentuk dari kristal campuran ? yang nonmagnetic mengikuti garis OSK. Transformasi magnetic yang tidak secara khusus digambarkan dalam diagram dan disimbolkan dengan A0 terjadi pula pada karbida besi dengan temperature 210 DC. Daerah transformasinya tidak dipengaruhi oleh kandungan karbon di dalam paduan.

Gambar 15. Kurva daerah @.

Struktur dari paduan dengan kandungan karbon sangat rendah (dibawah 0,02 %-berat) pada temperature kamar terdiri dari kristal campuran @ dan sementit tertier yang menempati bats-batas butiran (gambar 16). Paduan hipoeutektoid dengan kandungan karbon dibawah 0,8 %-berat mengandung kristal campuran @ (ferrit) dan eutektoid (perlit) yang terdiri dari ferrit dan sementit (gambar 17). Gambar 18 memperlihatkan struktur dari baja perlitik murni atau baja eutektoid, dengan ciri adanya bentuk-bentuk lamelar dari sementit diantara kristal campuran @ (ferrit) yang 12 Transformasi terjadi mirip dengan peristiwa terjadinya eutektikum.

18

disebut perlit. Paduan hipereutektoid dengan kandungan karbon 0,8 sampai 2,06 %-berat terdiri dari perlit dan sementit sekunder yang menepati batas-batas butiran austenit atau di dalam butiran sebagai pelat-pelat yang bercampur dengan perlit (gambar 19).

500 x 500 x

Gambar 16. Struktur paduan besi-karbon dengan kandungan karbon sangat rendah.

[Ferrit dengan semenit tertier pada batas-batas butiran].

Etsa: Nital.

Gambar 17. Struktur paduan besi-karbon hipoeutektoid.

[Ferrit (terang) dan perlit]. Etsa: Nital.

500 x 500 x

Gambar 18. Struktur paduan besi-karbon eutektoid.

[Perlit, terdiri dari sementit lamelar dan ferrit]. Etsa: Pikral.

Gambar 19. Struktur paduan besi-karbon hipereutektoid.

[Sementit (terang dengan batas-batas tegas pada batas butuiran) dan perlit].

Etsa: Pikral.

c) Sistim Besi-Grafit. Sistim stabil besi-garfit merupakan pelengkap dari metastabil besi-karbida besi. Sistim ini dapat dicapai dengan mudah menggunakan pengaruh unsur tertentu, terutama silikon. Paduan yang mengandung unsur silikon dapat dibaca sebagai paduan besi-karbon murni (besi-grafit). Pada pembacaan suatu sistim besi-grafit ideal (gambar 9), maka pembekuan dan proses transformasi memegang peranan yang sangat penting. Pembekuan suatu paduan miskin karbon atau hipoeutektik (sebelah kiri C) dibaca sebagaimana sistim karbida dan diawali dengan pertumbuhan primer dari kristal campuran ?. Sisa cairan Cdengan konsentrasi

19

karbon 4,25 %-berat akan membeku pada temperatur 1153 DC, beberapa derajat lebih tinggi dari eutektikum pada sistim besi-karbida besi. Sisa cairan ini akan menjadi grafit dan kristal campuran ? jenuh E dengan konsentrasi karbon 2,03 %-berat. Untuk paduan kaya karbon atau hipereutektik, grafit primer akan terbentuk dari cairan mengikuti garis DC.Gambar 20, gambar 21 dan gambar 22 memperlihatkan sturktur paduan hipoeutektik, eutektik dan hipereutektik berdasarkan sistim stabil. Transformasi austenit pada paduan hipoteuktoid (sebelah kiri S), berlangsung mirip dengan sistim besi-karbida besi ferrit terbentuk mengikuti garis GS, dimana komposisinya tergantung dari temperatur dan mengikuti garis GP. Untuk paduan hipereutektoid (sebelah kanan dari S) dari kristal campuran ?, akan terbentuk grafit sekunder baik berasal dari pembentukan primer maupun dari eutektikum C serta mengikuti garis ES. Perhatikan bahwa garis ES berada dikiri garis ES, dimana pada daerah diantara kedua garis tersebut kristal campuran ? telah jenuh oleh grafit. Namun demikian bila dilihat dari sisi karbida besi, daerah ini belum jenuh, mengingat karbon hanya dapat tumbuh dalam bentuk elementar. Kristal campuran pada konsentrasi S (karbon 0,69 %-berat ) yang tersisa setelah terjadi pembentukan grafit, akan terbentuk menjadi eutektoid yang terdiri dari kristal campuran @dengan konsentrasi P dan grafit. Temperatur transformasi yang merupakan garis horisontal (PSK) terletak pada 738 DC. Diakhir penguraian ? menjadi ferrit-grafit-eutektoid (pada temperatur kamar), hanya akan diketemukan ferrit dan grafit sebagai komponen yang membentuk sruktur besi untuk komposisi karbon yang manapun. Tentang kelarutan grafit didalam besi @ dari konsentrasi karbon P sepanjang garis PQ, hingga saat ini belum dilakukan penelitian. Fenomena tersebut tidak digambarkan pada gambar 7, gambar 14 dan gambar 15.

Transformasi magnetik pada sistim besi-grafit juga terletak pada temperatur 769 DC (A2), sebab perubahan itu terjadi pada besi @ yang sama dengan pada sistim besi-sementit. Namun pada sistim besi-grafit, perubahan sifat magnetis ketika temperatur mencapai 210 DC (A0) tidak terjadi , karena pada sistim ini tidak terdapat sementit. Sedangkan grafit tidak memiliki sifat ferromagnetis. Proses yang dijelaskan diatas, pada kasus pemenuhan keadaan keseimbangan biasa, secara praktis tidak dapat mencapai keseimbangan besi-grafit. Pada umunya karbon yang dapat tumbuh menjadi grafit adalah pada konsentrasi diatas 0,8 %-berat saja. Pada konsentrasi yang lebih rendah penguraian karbon hanya mengikuti sistim besi-sementit. Hal ini berarti bahwa austenit hanya dapat tertrasformasi secara metastabil sistim besi-sementit saja. Struktur akhir yang terbentuk pada paduan besi-karbon saat mencapai temperatur kamar akhirnya terdiri dari grafit dengan ferrit-perlit atau dengan perlit saja (gambar 23 dan 24). Hanya melalui pemanasan khusus yang cukup lama, terutama untuk paduan besi-karbon dengan kandungan silikon tinggi, barulah struktur mikro dapat dibuat menjadi grafit saja (gambar 20, gambar 21 dan gambar 22). Bentuk-bentuk grafit yang dikehendaki dapat dibuat melalui proses metalurgi tertentu hingga menjadi bentuk bentuk pipih (lamelar), bentuk-bentuk menggumpal (vermicular)sampai bentuk bulat (spheroidal).

20

100 x 100 x 100 x

Gambar 20. Struktur dari paduan besi-karbon stabil

hipoeutektik.

Gambar 21. Struktur dari paduan besi-karbon stabil

eutektik.

Gambar 23. Struktur dari paduan besi-karbon stabil

hipereutektik. Gambar 20 sampai gambar 22. Struktur paduan besi-karbon sistim besi-grafit

Etsa: Nital.

Gambar 23. Grafit lamelar pada struktur dasar (matriks) perlit-ferrit.

Etsa: Pikral.

Gambar 24. Grafit lamelar pada struktur dasar (matriks) perlit.

Etsa: Pikral. Referensi: 1. Brunhuber Ernst; Giesserei Lexikon. Fachcverlag Schiele & Schn GmbH. Berlin

1988. 2. Horstmann Dietrich; Das Zustandschaubild Eisen-Kohlenstff. 5 Auflage. Verlag

Stahl-Eisen mbH, D&sseldorf.1985. 3. Scuhmann Hermann; Metallographie. VEB Deutscher Verlag f&r Grundstoffindustrie,

Leipzig 1978.

IGambar 8. Diagrambiner Besi-Karbonsistim Metastabil(Fe Fe3C).

II

Gambar 9. Diagrambiner Besi-Karbonsistim Stabil(Fe Grafit).