Diagram Kesetimbangan Fe-Fe3C dan Tranformasinya

Gambar diatas menunjukkan diagram kesetimbangan untuk kombinasi karbon dalam

larutan padat dari besi. Diagram menunjukkan besi dan karbon yang dikombinasikan

untuk membentuk Fe - Fe3C pada akhir 6,67% C diagram. Sisi kiri dari diagram

adalah besi murni dikombinasikan dengan karbon , sehingga paduan baja . Tiga

daerah yang signifikan dapat dibuat relatif terhadap bagian baja dari diagram . Mereka

adalah E eutektoid , yang hypoeutectoid A , dan B. hypereutectoid Sisi kanan garis

besi murni adalah karbon dalam kombinasi dengan berbagai bentuk besi besi yang

disebut alpha ( ferit ) , besi gamma ( austenit ) , dan besi delta . Titik-titik hitam

menandai bagian diklik diagram .

Perubahan allotropic terjadi ketika terjadi perubahan dalam struktur kisi kristal . Dari

2802 - 2552F besi delta memiliki struktur kisi kubus berpusat badan . Pada 2552F ,

perubahan kisi dari tubuh berpusat kubik untuk jenis kisi kubik berpusat muka . Pada

1400F , kurva menunjukkan dataran tinggi tetapi ini tidak menandakan perubahan

allotropic . Hal ini disebut suhu Curie , di mana logam perubahan sifat magnetik .

Dua perubahan fase yang sangat penting berlangsung di 0,83 % C dan 4,3% C. Pada

0,83 % C , transformasi adalah eutektoid , disebut perlit .

gamma ( austenit ) - > alpha + Fe3C ( sementit )

Pada 4,3 % C dan 2066F , transformasi adalah eutektik , yang disebut ledeburite .

L ( cair) - > gamma ( austenit ) + Fe3C ( sementit )

Diagram Fasa Fe-Fe3CDiagram Fe-Fe3C adalah diagram yang menampilkan hubungan antara temperatur dan kandungan karbon (%C) selama pemanasan lambat. Dari diagram fasa tersebut dapat diperoleh informasi-informasi penting yaitu antara lain :1. Fasa yang terjadi pada komposisi dan temperatur yang berbeda dengan pendinginan lambat.2. Temperatur pembekuan dan daerah-daerah pembekuan paduan Fe -C bila dilakukan pendinginan lambat.3.Temperatur cair dari masing-masing paduan.4.Batas-batas kelarutan atau batas kesetimbangan dari unsur karbon fasa tertentu.5.Reaksi-reaksi metalurgis yang terjadi. 

Besi merupakan salah satu logam yang memiliki sifat allotropi. Sifat allotropi yang dimiliki besi sendiri ada 3, yaitu :• Delta iron (δ) mampu melarutkan karbon max 0,1% pada 1500° C• Gamma iron (γ) mampu melarutkan karbon max 2 % pada 1130° C• Alpha iron (α) mampu melarutkan karbon max 0,025% pada 723° C

Gambar 1. Kurva pendinginan besi murni

Transformasi allotropik yang pada besi, Fe(δ) Æ Fe(γ) Æ Fe(α) terjadi secara difusisehingga membutuhkan waktu tertentu pada temperatur konstan Æ karena reaksimengeluarkan panas laten.

Diagram Fase Besi – Karbon

Dalam kondisi cair karbon dapat larut dalam besi. Dalam kondisi padat besi dankarbon dapat membentuk :• Larutan padat (solid solution)• Senyawa interstitial (interstitial compound)• Eutectic mixture : campuran antara austenite (γ) dan cementite (Fe3C)• Eutectoid mixture : campuran antara ferrite (α) dan cementite (Fe3C)• Grafit : karbon bebas, tidak membentuk larutan padat ataupun tidak berikatanmembentuk senyawa dengan Fe.

Struktur-struktur yang ada pada diagram fase besi – karbida besi :

• Cementite :– Interstitial compound– Karbida besi (Fe3C)– Keras dang etas– Kekuatan tarik rendah– Kekuatan tekan tinggi– Struktur kristal orthorhombic– Struktur paling keras pada diagram Fe-Fe3C

• Austenite (γ)– Interstitial solid solution; larutan padat karbon dalam besi γ– Struktur kristal FCC (face centered cubic, kubus pemusatan bidang)– Kelarutan karbon max 2 % pada temperatur 1130 C– Tensile strength 1050 kg/cm2– Tangguh– Biasanya tidak stabil pada temperatur kamar

• Ledeburite– eutectic mixture (γ+Fe3C)– Campuran terdiri dari austenite dan cementite– Mengandung 4,3 % berat karbon– Terbentuk pada temperatur 1130 C (2065 F)

• Ferrite (α)– Interstitial solid solution– Larutan padat karbon dalam besi α– Pada temperatur 723 C, batas kelarutan karbon 0,025 %– Pada temperatur kamar, batas kelarutan karbon 0,008 %– Pada temperatur 1492 C, batas kelarutan karbon 0,1 %

– Tensile strength rendah– Keuletan tinggi– Kekerasan < 90 HRB– Struktur paling lunak pada diagram Fe-Fe3C

• Pearlite– Eeutectoid mixture dari ferrite dan cementite (α+Fe3C)– Terjadi pada temperatur 723 C– Mengandung 0,8 % karbon

Garis-garis penting dalam diagram Fe-Fe3C1. Upper critical temperature (temperatur kritis atas), A3 : temperatur perubahanallotropi2. Lower critical temperature (temperatur kritis bawah), A1 : temperatur reaksieutectoid3. Solvus line Acm : menunjukkan bats kelarutan karbon dalam austenite

Diagram fasa Fe – Fe3C

Reaksi-reaksi yang terjadi pada diagram Fe – Fe3C• Reaksi Peritectic pada temperatur :S + L ↔ S1δ + L ↔ γ

• Reaksi Eutectic pada temperatur 1130 C :L ↔ S1 + S2L ↔ γ + Fe3C (ledeburite)

• Reaksi Eutectoid pada temperatur 723 C :S ↔ S1 + S2γ ↔ α + Fe3C (pearlite)

ISOTHERMAL TRANSFORMATION DIAGRAM

Diagram TTT atau Isothermal Transformation Diagram (I-T diagram) merupakan

sebuah diagram yang menghubungkan transformasi austenite terhadap waktu (dalam skala

log) dan temperatur. Dalam proses laku panas pada baja, biasanya pemanasan dilakukan

hingga mencapaitemperature austenite, kemudian ditahan pada temperature tersebut beberapa

saat lalu didinginkan dengan laju pendinginan tertentu. Struktur mikro yang terjadi setelah

pendinginan akan tergantung pada laju pendinginan. Karenanya sifat mekanik dari baja

setelah akhir suatu proses laku panas akan banyak ditentukan oleh laju pendinginan. Proses

transformasi ini dibaca dengan diagram TTT karena kondisi tidak setimbang. Setiap baja

(komposisi penyusun baja yang berlainan) akan mempunyai I-T diagram sendiri.

Gambar 1. Diagram TTT untuk Baja Eutektoid (0.8%)

            Kurva sebelah kiri menunjukkan saat mulainya transformasi isothermal dan kurva

sebelah kanan menunjukkan saat selesainya transformasi isothermal. Diatas garis A1 austenit

dalam keadaan stabil (tidak terjadi transformasi walaupun waktu penahannya bertambah). Di

bawah temperature kritis A1 pada daerah di sebelah kiri kurva awal transformasi austenite

tidak stabil (suatu saat ia akan bertransformasi) dan disebelah kanan kurva akhir transformasi

terdapat hasil transformasi isothermal dari austenite, sedang pada daerah diantara dua kurva

tersebut terdapat sisa austenite (yang belum bertransformasi) dan hasil transformasi

isotermalnya. Titik paling kiri dari kurva awal transformasi disebut hidung (nose) diagram

ini. transformasi austenite diatas nose akan menghasilkan perlit sedangkan di

bawah nose akan menghasilkan bainit. Tetapi bila transformasi berlangsung pada temperature

yang lebih rendah lagi (dibawah garis Ms = Martensite start) akan diperoleh martensit.

Mekanisme Transformasi

            Perubahan austenite menjadi perlit berlangsung dengan difusi, suatu proses yang

berlangsung dengan difusi selalu temperature activated dan time dependent serta berlangsung

dengan mekanisme pengintian dan pertumbuhan.

            Bila austenite dipaksa berada pada temperature di bawah temperature kritis A1 maka

dorongan untuk berubah makin besar, perubahan terjadi lebih awal tetapi pertumbuhan makin

lambat, sehingga perlit yang terjadi makin halus. Makin rendah temperaturnya, maka

dorongan termodinamik ini berubah menjadi gaya geser (shear force) yang dapa menggeser

atom besi pada posisi tertentu (agar dapat berubah dari FCC menjadi BCC).

            Sebenarnya belum ferrit BCC yang terjadi namun suatu struktur BCT (Body Centered

Tetragonal) karena austenite mengandung banyak karbon ketika berada di bawah temperatur

A1.  Atom karbon yang terperangkap dalam ferrit tersebut membuat BCC memanjang.

Karbon yang banyak ini akan keluar melalui proses difusi membentuk sementit dan BCT

akan menjadi BCC (ferrit). Sementit yang keluar dari BCT akan keluar pada arah/bidang

kristallografik tertentu dari ferrit yang terbentuk ( struktur bainit). Proses ini terjadi bila

austenite didinginkan cepat sampai dibawah nose dan temperature berada diatas Ms.  Bainit

akan terjadi pada transformasi isothermal dari austenite pada temperature di bawah nose.

Pada temperature lebih tinggi diperolehupper bainite (bainit atas) atau feathery

bainite sedangkan pada temperature lebih rendah diperoleh lower bainite (bainit bawah)

atau acicular bainite. Perbedaan dari kedua bainit tersbeut terletak pada susunan lamellarnya.

            Selain itu, dari phase austenite pada suhu diantara A1 dan dibawah nose, terbentuk

pulaperlit (struktur eutectoid 0.8% C yang terdiri dari phasa ferit yang diselingi dengan

lapisan-lapisan Fe3C). dekomposisi dimulai dari nucleus cementit yang nantinya membentuk

nodule dari ferrit. Nodul perlit terbentuk dari plat-plat ferit yang diselingi dengan pelat-pelat

cementit. Pada  suhu  dekomposisi  austenit  pada  daerah  nose  akan  menghasilkan

campuran perlit dan bainit dalam periode waktu tertentu.

Ketika austenite berada dibawah Ms, maka yang terjadi adalah difusi telah terhenti

(karena atom karbon sudah tidak memiliki cukup energi) dan timbul struktur baru dari atom

karbon menjadi BCT yaitu martensit. Karena adanya karbon yang terperangkap maka

struktur itu menjadi tegang dan kekerasannya tinggi, tetapi juga getas. Banyaknya austenite

yang bertransformasi menjadi martensit hanya tergantung pada temperature (mulai Ms dan

berakhir di Mf).

CONTINOUS COOLING TRANSFORMATION DIAGRAM

Diagram continous

cooling transformation atau

biasa disebut CTT diagram,

merupakan diagram yang

menggambarkan hubungan

antara laju pendinginan

kontinyu dengan fasa atau

struktur yang terbentuk setelah

terjadinya transformasi fasa.

Gambar dibawah

menunjukkan diagram CCT untuk baja secara skematika. Terlihat bahwa kurva-kurva

pendinginan kontinyu dengan laju pendinginan yang berbeda akan menghasilkan fasa atau

struktur baja yang berbeda. Setiap kurva pendinginan yaitu kurva (a), (b), (c),

memperlihatkan permulaan dan akhir dari dekomposisi austenite menjad fasa atau struktur

baja akhir.

Sebagai ilustrasi, baja mengandung 0,2% karbon yang telah diaustenisasi pada temperatur

920 celcius, kemudian didinginkan dengan laju yang berbedasampai temperature 200 dan 250

celcius.

Kurva pendinginan (a) menunjukkan pendinginan secara kontinyu yang sangat cepat

dari temperatureaustenite sekitar 920 celcius ke temperature 200 celcius.laju pendinginan

cepat ini menghasilkan dekomposisi fasa austenite menjadi martensit. Fasa austenite akan

mulai terdekomposisi menjadi martensit pada temperature Ms, martensite start. Sedangkan

akhir pembentukan martensite akan berakhir ketika pendinginan mencapai temperature

Mf,martensite finish.

Kurva pendinginan (b) menunjukkan pendinginan kontinyu dengan laju

sedang/medium dari temperature 920 celsius ke 250 celcius. Dengan laju pendinginan

kontinyu ini fasa austenite terdekomposisi menjadi struktur bainite.

Kurva pendinginan (c) menunjukkan pendinginan kontinyu dengan laju pendinginan

lambat dari temperature 920 celsius ke 250 celcius. Pendinginan lambat ini menyebabkan

fasa austenite terdekomposisi menjadi fasa ferit dan perlit.