Download - Diagram Fasa
-
1
I. DIAGRAM FASA
1.1. Pendahuluan
Pada sistem paduan logam terdapat beberapa struktur di dalamnya. Umumnya
sifat-sifat material tergantung pada jenis, nomor, jumlah, dan bentuk fasa yang ada dida-
lamnya. Disamping itu sifat material dapat berubah oleh pengaturan kuantitas fasanya,
oleh karena itu sangat penting untuk mengetahui ; 1) kondisi fasa yang ada, dan 2) kon-
disi perubahan fasa yang terjadi. Banyak informasi mengenai perubahan fasa dalam
berbagai sistem paduan, dan metode pengolahan data dalam diagram fasa. Nama lain
dari diagram fasa adalah diagram kesetimbangan. Secara spesifik sistem keadaan utuh
dalam kesetimbangan dinyatakan dalam tiga variabel independen. Ketiga variabel itu
untuk mengontrolan fasa dari luar, ketiga variable tersebut adalah temperatur, tekanan
dan komposisi. Yang mana tekanan diasumsikan konstan pada kondisi atmosfer,
sehingga diagram kesetimbangan hanya menunjukan perubahan struktur karena variasi
temperatur dan komposisi. Diagram ini sangat penting untuk menggambarkan sistem
paduan dalam pengecoran logam.
Idealnya, diagram kesetimbangan menggambarkan hubungan fasa dibawah kon-
disi setimbang yang tidak berubah karena waktu. Kondisi setimbang ini didekati dengan
pemanasan dan pendinginan lambat sehingga perubahan fasa yang terjadi cukup waktu.
Pada kenyataannya, fasa cenderung berubah secara langsung pada temperatur tinggi dan
temperatur rendah. Diagram kesetimbangan dapat diklasifikasikan atas :
1. Unsur larut total dalam kondisi cair.
a). Larut total dalam kondisi padat (Jenis I)
b). Tak larut dalam kondisi padat : reaksi eutektik (Jenis II)
c). Larut sebagian dalam kondisi padat : reaksi eutektik (Jenis III)
d). Pembentukan sebagian-cair fasa intermediate (Jenis IV)
e). Reaksi peritectic (Jenis V)
Tujuan Pembelajaran
Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa diharapkan mampu:
1. Memahami perilaku logam lebur dan beku.
2. Menggambar dan menginterpretasikan diagram fasa.
3. Memprediksi jenis dan jumlah fasa pada titik kedudukan dalam diagram
fasa.
-
2
2. Unsur larut sebagian dalam kondsi cair : reaksi monotectic (Jenis VI)
3. Unsur tak larut dalam kondisi liquid dan tak larut dalam kondisi solid (Jenis VII)
4. Perubahan dalam kondisi solid
a). Perubahan allotropic
b). Orde-disorder
c). Reaksi eutectoid
d). Reaksi peritectoid
1.2. Koordinat Diagram Fasa
Diagram fasa diplot dalam bentuk salib sumbu temperatur (ordinat) dan kompo-
sisi paduan dalam %berat (absis), seperti dalam Gb.1.1a. Kadangkala komposisi paduan
dinyatakan dalam %atomik, seperti dalam Gb.1.1b. Konversi %berat ke % atomik diru-
muskan sebagai berikut:
(1-1)
.. (1-2)
Yang mana : M : berat atom logam A, N : berat atom logam B, X : % berat logam A,Y
% berat logam B.
Contoh : 1
Paduan Al-Cu (duralumin) dengan 95%berat Al dan 5%berat Cu biasa ditulis 95Al-5Cu
bila duralumin tersebut dinyatakan dengan persen atomik adalah 97,811%Atom Al dan
2,189%Atom Cu (lihat Gb.1.1c). Hasil tersebut diperoleh dari pengoperasian pers. 1-1
dan 1-2, yang mana berat atom Al = 27 dan berat atom Cu = 63,5.
Paduan Al-Si (silumin) dengan 80%berat Al dan 20%berat Si ditulis 80Al-20Si bila si-
lumin tersebut dinyatakan dengan persen atomic adalah 80,57%atom Al dan
19,43%atom Si. Yang mana berat atom Si = 28.
Paduan Fe-C dengan 99,6%berat Fe dan 0,4%berat C (baja carbon sedang) biasa ditulis
S40C. Yang mana berat atom Fe = 55,85 dan berat atom C = 12 maka baja carbon se-
dang yang dimaksud adalah 98,165%atom Fe dan 1,835%atom C.
-
3
Gambar 1.1. Diagram fasa dua unsur
a). Persen berat, b). Persen atomik dan berat paduan Cu-Au, c). Paduan Al-Cu
1.3. Metode Percobaan
Diagram kesetimbangan dibuat berdasarkan data percobaan dengan berbagai
metode, umumnya metode yang digunakan sebagai berikut:
Metode Analisa panas : Metode ini banyak digunakan dalam percobaan dengan men-
geplot temperatur dan waktu pada komposisi konstan sehingga menghasilkan kurva
pendinginan dengan menunjukan perubahan kemiringan apabila terjadi perubahan fasa
karena evolusi panas. Metode ini sangat baik untuk menentukan temperatur awal dan
akhir solidifikasi masing-masing pada garis liquidus dan garis solidus. Perubahan fasa
a) b)
c)
-
4
ini terjadi dalam keadaan padat dengan perubahan panas yang kecil, dan metode ini
memberikan hasil yang akurat.
Metode Metallographic : Metode ini terdiri dari pemanasan sample paduan dengan
temperatur yang berbeda, ditunggu sampai kondisi dinyatakan stabil, dan cepat didin-
ginkan sampai struktur tetap bertemperatur tinggi, selanjutnya sample di uji secara mi-
kroskopik. Pengamatan mikroskop ini dapat dilakukan dengan mikroskop optic dengan
pembesaran 50 sampai 1000 kali, scanning electron microscope (SEM) dengan pembe-
saran 20.000 sampai 60.000 kali, dan transmision electron microscope (TEM) pembesa-
ran diatas 60.000 kali. Mikroskop electron ini dapat mengamati benda kerja berukuran
50 sampai 500 nm.
Metode metallographic sulit diterapkan pada logam temperatur tinggi karena
pendinginan cepat tidak selalu menghasilkan struktur yang tetap pada temperatur tinggi,
dan metode ini tergantung pada keahlian pengamatan mikroskopik. Biasanya metode
metallographic banyak digunakan untuk verifikasi diagram.
Difraksi Sinar-X: metode pengukuran dimensi kisi struktur kristal ini menunjukan in-
dikasi tampilan fasa baru atau penunjukan struktur kristal baru karena terjadi perubahan
dimensi kisi. Metode ini sederhana, tepat, dan banyak digunakan untuk menentukan pe-
rubahan dalam larutan padat oleh temperatur. Difraksi merupakan ekivalen dengan pe-
mantulan simetrik dari berbagai bidang kristal, dimana syarat-syarat yang ada telah ter-
penuhi. Syarat pemantulan dan saling menguatkan dinyatakan oleh : Hukum Bragg,
... (1-3)
Yang mana; n : jumlah berkas sinar datang, : panjang gelombang, : sudut berkas si-
nar, dan d : tebal bidang (hkl).
1.4. Jenis 1 Dua Logam Larut Total dalam Kondisi Liquid dan Solid
Awalnya dua logam larut total dalam kondisi padat, hanya jenis fasa padat yang
terbentuk akan terlarut substitusional padat. Dua logam umumnya mempunyai jenis
struktur yang sama dan beda diameter atomnya kurang dari 8%.
Hasil percobaan seri pendinginan berbagai macam kombinasi atau paduan logam
A dan B, variasi komposisi dari 100%A 0%B sampai 0%A 100%B, seperti Gb.1.2.
Gb.1.2. menunjukan hubungan antara kurva pendinginan yang diplot pada sumbu tung-
-
5
gal. Perhatikan, tiap kurva pendinginan merupakan percobaan yang terpisah dimulai da-
ri waktu nol. Kurva pendinginan untuk nilai logam murni A dan B ditunjukan oleh garis
horizontal karena tempat ini merupakan awal dan akhir solidifikasi pada temperatur
konstan. Tetapi, bentuk komposisi intermediete larutan padat, laju pendinginan ini me-
nunjukan dua patahan atau perubahan kemiringan. Komposisi paduan 80A dan 20B,
patahan pertama pada temperatur T1, sebagai indikasi awal solidifikasi. Semua kompo-
sisi intermediete akan menunjukan jenis kurva pendinginan yang sama. Tanda diagram
fasa, atau pembentukan fasa, terdiri dari gambar garis-garis yang menghubungkan se-
mua titik awal solidifikasi dibagian atas dan garis yang lain sebagai akhir solidifikasi
seperti Gb.1.2.
Gambar 1.2. Susunan kurva pendinginan untuk dua paduan dalam system kelarutan. Garis pu-
tus-putus menunjukan bentuk diagram fasa.
Sekarang diagram fasa aktual dapat ditentukan dengan mengeplot temperatur vs
komposisi. Titik-titik yang tersedia dari urutan kurva pendinginan dan diplot pada dia-
gram baru. Contoh dalam Gb.1.3, dimulai dari sumbu kiri sebagai logam murni A, TA
diplot sepanjang garis ini. Dengan cara yang sama, TB juga diplot pada sumbu kanan.
Semula semua komposisi intermediate merupakan prosentase A dan B, intinya tanda
persen dihilangkan. Dalam gambar, garis vertikal menunjukan paduan 80A-20B, dan T1
-
6
dan T2 dari Gb.1.3. diplot sepanjang garis ini. Prosedur yang sama juga digunakan un-
tuk komposisi yang lain. Diagram fasa ini terdiri dua titik, dua garis, dan tiga daerah.
Dua titik TA dan TB menunjukan pembekuan dua logam murni.
Gambar 1.3. Diagram fasa dua logam larut menyeluruh dalam keadaan cair dan padat.
Garis atas, terdiri dari hubungan titik-titik yang menunjukan awal solidifikasi
disebut garis liquidus, dan garis bawah, ditentukan oleh titik-titik akhir solidifikasi, dis-
ebut garis solidus. Diatas garis liquidus merupakan daerah fasa tunggal yang terdiri laru-
tan homogen. Seperti daerah dibawah garis solidus adalah daerah fasa tunggal. Ini san-
gat praktis untuk penandaan pada diagram kesetimbangan dengan menampilkan kembali
larutan padat dan paduan-paduan intermediate dengan huruf Greek. Dalam hal ini, beri-
kan tanda larutan padat alpha (). Huruf A dan B digunakan untuk menunjukan logam-
logam murni. Diantara garis liquidus dan solidus adalah sumbu daerah dua-fasa. Paduan
dalam daerah ini terdiri dari campuran larutan liquid dan solid.
Spesifikasi temperatur dari komposisi paduan dalam daerah dua-fasa menunju-
kan paduan dari campuran dua-fasa. Diagram fasa juga menjelaskan komposisi aktual
-
7
dan jumlah relatif dua-fasa yang ada. Penentuan informasi ini sangat penting dan diten-
tukan dengan dua aturan, yaitu ;
Aturan I. Unsur Kimia Fasa
Untuk menentukan komposisi kimia aktual fasa-fasa paduan, kesetimbangan be-
berapa temperatur spesifik dalam daerah dua-fasa, tarik garis sejajar temperatur keseke-
liling biasa disebut garis tie. Tarik garis ke bawah dari titik-titik ini sampai berhenti di
garis dasar sehingga komposisinya langsung terbaca.
Gb.1.4a, terkait dengan campuran paduan 80A-20B pada temperatur T. Paduan
ini merupakan daerah dua-fasa. Pengoperasian aturan I, tarik garis tie MO kesamping.
Titik M, adalah garis tie yang memotong garis solidus, apabila ditarik kebawah memo-
tong sumbu dasar, sehingga menghasilkan komposisi 90A-10B. Dengan cara yang sama
titik O, akan memotong sumbu dasar, sehingga memberikan komposisi kimia pada fasa
campuran, dalam kasus ini larutan liquid pada komposisi 74A-26B.
Gambar 1.4. Garis dalam diagram fasa, a). Garis Tie mo dalam daerah dua-fasa,
b). Garis Tie mo pada aturan tuas.
Aturan II. Jumlah Relatif Tiap Fasa.
Untuk menentukan jumlah relatif dua-fasa dalam kesetimbangan pada suatu
temperatur spesifik dalam daerah dua-fasa, tarik garis vertikal yang menunjukan paduan
dan garis horizontal sebagai temperatur pada daerah tersebut, garis vertikal akan dibagi
a) b)
-
8
oleh garis horizontal dalam dua bagian panjang yaitu berbanding terbalik terhadap jum-
lah fasa yang ada. Ini biasanya disebut aturan pengungkit (lever). Titik dimana garis
vertikal memotong garis horizontal sebagai fulctrum pada sistem pengungkit. Panjang
relatif perkalian lengan tuas merupakan jumlah fasa dalam kesetimbangan
Gb.1.4a, garis vertikal, menunjukan paduan 20B, dibagi garis horizontal tie da-
lam dua bagian MN dan NO. Jika panjang garis tie MO menunjukan 100%, atau berat
total adanya dua-fasa pada temperatur T, aturan pengungkit secara matematis dinyata-
kan :
Jika garis tie dipindahkan dari diagram fasa dan nilai numerik dimasukan, terlihat seper-
ti Gb. 1.4b, dengan menggunakan persamaan diatas maka;
Kesimpulan kedua aturan tersebut, paduan dengan komposisi 80A-20B pada
temperatur T terdiri campuran dua-fasa. Satu larutan cair dengan komposisi 74A-26B
menjadi 62,5% pada semua material yang ada dan larutan padat lain pada komposisi
90A-10B menjadi 37,5% pada semua material yang ada.
1.5. Kesetimbangan Pendinginan Pada Paduan Larutan Padat
Pendinginan sangat lambat dibawah kondisi setimbang, bagian paduan 70A-30B
akan diamati perubahan fasa yang terjadi (lihat Gb.1.5). Paduan pada temperatur TO me-
rupakan larutan cair fasa tunggal homogen (Gb.1.5a) dan tetap sampai temperatur T1
tercapai. T1 diawal garis liquidus, merupakan awal pembekuan (solidifikasi). Butir (nuc-
lei) awal larutan padat membentuk 1 akan bertambah banyak dalam logam A dengan
titik-lebur-tinggi dan akan tercampur pada 95A-5B (Aturan I). Semenjak larutan padat
terbentuk dalam material ini A akan sangat banyak dari liquid, sehingga liquid menjadi
-
9
lebih kaya dengan B. Hanya setelah awal solidifikasi, komposisi liquid mendekati 69A-
31B (Gb.1.5b).
Gambar 1.5. Pendinginan lambat paduan dan mikrostruktur di berbagai titik selama pembekuan
Apabila temperatur turun T2 tercapai, komposisi liquid L2. Hanya larutan solid
dalam kesetimbangan dengan L2 dan karena hanya larutan padat yang terbentuk pada T2
sebagai 2. Penggunaan Aturan I, 2 merupakan campuran 10B. Disini temperatur turun,
tidak hanya komposisi liquid menjadi kaya dengan B tetapi juga larutan solid. Pada T2,
kristal 2 terbentuk disekeliling inti-inti komposisi 1 dan juga memisahkan dendrit-
dendrit 2 (Gb.1.6a). T2 menyatakan kesetimbangan, fasa solid dengan komposisi 2.
Difusi atom B memperkaya inti A tidak hanya dari solid yang terbentuk tetapi juga dari
liquid. Kemungkinan ini terjadi jika pendinginan sangat lambat sehingga difusi berlang-
sung dengan pertumbuhan kristal (Gb.1.5c).
Pada T2, jumlah relatif liquid dan larutan padat ditentukan oleh penggunaan Atu-
ran II: Temperatur turun, larutan padat secara kontinyu tumbuh dan berkembang pada
liquid. Komposisi larutan padat mengikuti garis solidus dan komposisi liquid mengikuti
-
10
garis liquidus, dan kedua fasa menjadi kaya dengan B. Pada T3 (Gb.1.5d), larutan padat
akan mencapai dari seluruh material yang ada. Aturan tuas harus digunakan pada T3
dan penentuan jumlah relatif 3 dan L3. Akhirnya, garis liquid dicapai pada T4 dan liq-
uid terakhir L4, kaya dengan B, solidifikasi pertama pada batas butir (Gb.1.5e). Tetapi,
difusi akan berlangsung dari semua larutan padat menjadi seragam (70A-30B), yang
mana komposisi akhir paduan (Gb.5f). Gb.1.6b. menggambarkan pendinginan lambat
paduan larutan padat. Larutan padat hanya pada butiran dan batas-batas butir. Larutan
padat tidak membuktikan perbedaan unsur kimia didalam butir, indikasi hanya terjadi
pada butir yang homogen.
Gambar 1.6. Mekanisme pendinginan a). Dendrit dalam liquid,
b). Bentuk butir pada pendinginan lambat
1.6. Difusi
Difusi merupakan gerakan awal atom-atom, dalam kondisi padat dan merupa-
kan bagian yang sangat penting. Menyambung mekanisme difusi dibawah aliran lambat
struktur dendrit hilang, dan butiran menjadi homogen. Bagian ini menjelaskan bagaima-
na difusi dalam kondisi solid terjadi. Difusi sangat utama dalam bentuk statistik, hasil
a) b)
-
11
dari beberapa gerakan acak pada atom-atom secara individu. Lintasan atom individu
mungkin zig-zag dan tidak dapat diprediksi, ketika sejumlah besar atom membuat se-
macam gerakan dengan aliran sistematik.
Dalam larutan padat difusi yang terjadi dibedakan atas tiga metode yaitu : Me-
kanisme kekosongan (vacancy), mekanisme sisipan (interstitial), dan mekanisme pertu-
karan atom (interchange). Semua mekanisme tersebut dapat dilihat dalam Gb.1.7.
Gambar 1.7. Skema mekanisme difusi
Pada kondisi normal kristalisasi sering menunjukan kekosongan dan sisipan. Ke-
tidak sempurnaan banyak memfasilitasi difusi atau atom-atom yang meloncat dan ber-
gabung. Gb.1.7a, menunjukan atom larut dan bergerak satu spasi atom kekiri menempati
kekosongan yang ada. Ini sebanding, dengan atom tetangga yang kosong karena lonca-
tan. Kekosongan bergerak kekanan menduduki posisi atom terdahulu dan sekarang siap
untuk berpindah. Mekanisme sisipan diilustrasikan dalam Gb.1.7b, dimana atom posisi
normal bergerak masuk ke jarak sisipan, dan kekosongan disebabkan penyusupan atom.
Terkait dengan gambar yang sama, difusi terjadi oleh sisipan atom kristal yang berpin-
dah, tetapi metode ini lebih menyerupai larutan sisipan padat.
Kemungkinan gerakan ini disebabkan oleh perpindahan langsung antara dua
atom, seperti dalam Gb.1.7c, atau oleh cincin perpindahan 4 atom dalam Gb.1.7d. Teta-
pi, kemungkinan ini terjadi dibawah kondisi khusus, semula problem fisik berurutan
diantara kantong tertutup atom-atom tetangga bertambah untuk difusi. Percobaan yang
dilakukan menunjukan penggunaan kekosongan sebagai metode awal difusi pada lo-
gam. Pada paduan yang sama laju difusi lebih besar dengan pendinginan cepat diband-
ing pendinginan lambat. Perbedaan ini disebabkan besarnya jumlah kekosongan yang
-
12
terjadi dalam paduan oleh pendingian cepat. Migrasi kekosongan juga mempunyai ener-
gi aktivasi yang rendah bila dibandingkan dengan metode-metode yang lain.
Laju difusi suatu logam dipengaruhi oleh koefisien difusi, yang diberikan dalam
satuan centimeter persegi per detik. Koefisien difusi merupakan fungsi berbagai variable
dan yang paling penting adalah temperatur. Umumnya aturan, koefisien difusi menjadi
dua kali untuk setiap kenaikan temperatur 20 derajat. Ini tidak ditekankan, semua vibra-
si atom mempunyai vibrasi konstan sekitar posisi setimbang dalam kisi, dan awal ampli-
tudo vibrasi bertambah dengan naiknya temperatur. Energi bergabung dengan vibrasi
panas, sebagai acuannya energi termal, posisi kisi dalam kondisi tidak stabil menyebab-
kan atom-atom berloncatan. Selanjutnya temperatur sebagai faktor terpenting untuk me-
nentukan terjadinya loncatan atau difusi. Paduan mempunyai energi bebas rendah dalam
kondisi homogen, dan ini sebagai gaya penggerak (driving force) untuk difusi.
1.7. PendinginanAwal Tak Setimbangan pada Coring
Kenyataanya dalam eksperimen sulit untuk mendapatkan pendinginan kondisi
setimbang. Difusi dalam kondisi solid terjadi pada laju yang sangat lambat, diharapkan
dengan laju pendinginan awal menjadi berbeda dengan kondisi pendinginan dalam dia-
gram kesetimbangan. Mengacu pada paduan 30B (lihat Gb.1.8) merupakan awal solidi-
fikasi pada T1, membentuk larutan padat komposisi 1. Pada T2 liquid L2 dan larutan
padat yang berbentuk 2 (lihat Gb.1.6a). Difusi sangat lambat untuk mencapai pertum-
buhan kristal, waktu tidak cukup menghasilkan solid yang merata, dan komposisi rata-
rata diantara 1 dan 2 katakan 2. Selanjutnya temperatur turun, komposisi rata-rata
larutan padat bertolak dari kondisi setimbang. Terlihat komposisi larutan padat mengi-
kuti ketidak setimbangan garis solidus 1 ke 5 yang ditunjukan oleh garis putus-putus
dalam Gb.1.8. Liquid dalam sisi lain, sangat penting dalam komposisi yang diberikan
oleh garis liquidus, awalnya difusi relatif cepat dalam liquid. Pada T3 larutan padat rata-
rata mejadi komposisi 3 dari 3 . Dibawah pendinginan setimbang, solidifikasi menye-
luruh pada T4; ketika, komposisi rata-rata larutan padat 4 komposisi paduannya tidak
tercapai, beberapa liquid harus tetap ada. Dari aturan tuas pada T4 menghasilkan:
-
13
Gambar 1.8. Pendinginan nonequilibrium
Solidifikasi berlanjut sampai tercapai T5. Pada temperatur ini komposisi larutan
padat 5 bersamaan dengan komposisi paduan, dan membeku secara total. Liquid te-
rakhir membeku, L5, kaya dengan B dari pada liquid terakhir untuk membeku dibawah
kondisi setimbang. Ini terlihat dari amatan Gb.1.8, paduan lebih cepat membeku menja-
di rentang komposisi dalam paduan. Laju variasi serangan kimia dengan komposisi, se-
telah di etza secara mikroskopik terlihat struktur dendritnya (Gb.1.9). Bila hasil akhir
solidifikasi dikupas, akhir pembekuan struktur terdiri inti dengan bagian pusat lebur
tinggi yang dikelilingi oleh titik lebur rendah. Kondisi diatas mengacu terhadap coring
atau segragasi (pemisahan) dendrit.
-
14
Gambar 1.9. Sebaran dendrit halus pada paduan Al-Pb
Rinkasnya, hasil pendinginan ketidak setimbangan menambah rentang tempera-
tur dimana liquid dan solid berada; akhir solidifikasi terjadi pada temperatur yang lebih
rendah dari yang diprediksi oleh diagram fasa ; liquid terakhir membeku akan diperkaya
oleh logam dengan titik-lebur-rendah ; dan difusi tidak ditunjukan dengan pertumbuhan
kristal, solidifikasi ini menyebabkan perbedaan komposisi kimia dari pusat kebagian
luar butir. Pengaruh tersebut disebabkan oleh laju pendinginan yang cepat.
1.8. Homoginisasi
Struktur inti logam tuang ditunjukan oleh pendinginan terakhir yang terbentuk
sepanjang batas-batas butir dan ruang-ruang interdendritik yang kaya dengan logam ti-
tik-lebur-rendah, batas butir merupakan bidang-bidang yang lemah. Itu disebabkan oleh
ketidak seragaman sifat-sifat mekanik dan fisik, dalam beberapa kasus menambah se-
rangan korosi intergranular karena serangan yang berbeda sebagai media yang korosif.
Oleh karena itu dalam beberapa aplikasi, stuktur inti dapat dijadikan objek pengamatan.
Masalah coring dapat diselesaikan dengan dua metode yaitu. Pertama pencega-
han dengan proses pendinginan lambat liquid, tetapi ini menghasilkan ukuran butir yang
besar dan memerlukan waktu yang lama. Kedua dengan pengaturan komposisi. Dalam
industri metode yang dipilih adalah kesamaan komposisi atau homogenenisasi struktur
inti dengan difusi dalam keadaan solid. Pada temperatur ruang, umumnya laju difusi
-
15
logam sangat lambat, tetapi jika paduan dipanasi ulang sampai temperatur dibawah garis
solidus, difusi lebih cepat dan homogenisasi yang terjadi relatif singkat.
Gambar 1.10. Diagram kesetimbangan Copper-Nickel
Gb.1.10 merupakan diagram kesetimbangan aktual sistem Cu-Ni, dan paduan
85Cu-15Ni, ditunjukan dengan garis putus-putus. Pengaruh homogenisasi pada struktur
paduan 85Cu-15NI digambarkan secara seri dalam photografi Gb.1.11. Gambar pertama
pada urutan ini menunjukan mikrostuktur paduan dengan pengecoran cepat (chill-cast).
Prediksi diagram kesetimbangan, padatan pertama terbentuk dalam sumbu sentral den-
drit yang kaya nickel. Karena pendinginan cepat, menghasilkan perbedaan yang besar
pada kandungan nickel antara sumbu pusat dendrit dan ruang interdendritik. Perbedaan
ini, dinyatakan oleh kemampuan etching. Gambar berikutnya menunjukan beberapa
sample setelah dipanasi pada 13820F selama 3 jam. Kebalikan difusi atom-atom Ni dan
Cu diantara inti-inti kaya-Ni dan dipenuhi kaya-Cu menurunkan perbedaan komposisi
diantaranya. Mikrostruktur sample yang sama dipanasi sampai 17420F selama 9 jam se-
perti terlihat pada gambar ketiga. Komposisi total sama, dan dendritnya terpisah, dengan
batas butir yang lebih jelas. Partikel-partikel hitam merupakan inklusi-inklusi oksida
copper atau oksida nickel. Gambar keempat mengilustrasikan paduan yang sama dengan
pendinginan lambat pada pengecoran dengan cetakan panas. Struktur dendritnya lebih
kasar dari paduan coran dengan pendinginan cepat. Gambar terakhir menunjukan sam-
ple yang sama dengan pemanasan 17420F selama 15 jam. Sekarang total strukturnya
homogen. Meskipun perbedaan komposisi awal kecil dan potongan dendritnya kasar
dibandingkan dengan dendrit kecil, itu butuh waktu lebih lama untuk meratakan karena
jarak yang lebih besar dimana atom tembaga dan nikel harus tersebar di struktur yang
-
16
kasar. Keadaan ekstrim ini harus di uji dalam perlakuan yang tidak memotong garis li-
quidus; sebaliknya peleburan pada batas-batas butir akan terjadi, ini akan merusak ben-
tuk dan sifat fisik coran (Gb.1.12).
Gambar 1.10. Mikrostruktur paduan 85Cu-15Ni pembesaran 50x. a). chill-cast, b). chill-cast,
reheated 3 jam pada suhu 1382oF; c). chill-cast, reheated 9 jam pada suhu 1742
oF; d). cor ceta-
kan dipanasi; e). cor cetakan dipanasi, reheated 15 jam pada suhu 1742oF
Gambar 1.12. Mikrostruktur paduan aluminium pada batas butir selama pemanasan. Setelah
pendinginan, ini bagian batas butir tampak garis gelap, pembesaran 1000x
-
17
1.9. Sifat Paduan Larut-Padat
Jika paduan membeku, fasa padat yang terbentuk umumnya mempunyai kompo-
sisi yang berbeda dengan fasa cairnya. Distribusi larutan didalam fasa padat secara
umum berbeda dalam liquid utama sampai membeku. Redistribusi larutan yang dihasil-
kan oleh solidifikasi kebanyakan merupakan bentuk segragasi, seperti yang terjadi pada
paduan binary.
Secara umum didalam pembentukan sistem paduan larutan padat seri berlanjut,
kebanyakan sifatnya berubah karena distorsi struktur kristal logam larut oleh penamba-
han logam terlarut. Pengaruh komposisi pada beberapa sifat fisik dan mekanik pada pa-
duan annealing dalam sistem paduan CuNi seperti dalam Tabel 1-1. Paduan CuNi
merupakan paduan komersil yang dikenal dengan sebutan monel. Paduan ini mempu-
nyai kekuatan dan ductility yang tinggi, tahan korosi dan kekerasanya maksimum.
Tabel 1.1. Sifat paduan Cu-Ni annealing
Komposisi
Ni [%]
Kekuatan
Tarik [psi]
Perpan-
jangan
[%]
Kekerahan
[BHN]
Ukuran Ki-
si [10-8
cm]
Tahanan
Electrik
[ohm/cm3]
0 30.000 53 36 3,6073 1,7
10 35.000 47 51 3,5975 14
20 39.000 43 58 3,5871 27
30 44.000 40 67 3,5770 38
40 48.000 39 70 3,5679 46
50 50.000 41 73 3,5593 51
60 53.000 41 74 3,5510 50
70 53.000 42 73 3,5432 40
80 50.000 43 68 3,5350 30
90 48.000 45 61 3,5265 19
100 43.000 48 54 3,5170 6,8
1.10. Variasi Jenis I
Setiap paduan jenis I mempunyai titik cair diantara titik lebur A dan B. Titik cair
tersebut kemungkinan berada pada kondisi minimum atau maksimum di garis liquidus
dan solidus (Gb.13a, b). Komposisi paduan x dalam Gb.13a hanya terjadi pada logam
murni dan ini tidak berbeda dalam komposisi liquid dan solid. Awal dan akhir solidifi-
kasinya pada temperatur konstan dengan komposisi yang tidak berubah, dan dalam
kurva pendinginan akan terlihat garis horizontal. Paduan-paduan diketahui sebagai pa-
-
18
duan lebur sejenis. Karena paduan x mempunyai titik lebur rendah dalam larutan dan
diagram kesetimbangan tersusun jenis eutektik, titik eutektik ini sebagai paduan pseu-
doeutectic. Contoh, paduan Cu-Au dan Ni-Pd mempunyai eutektik yang rendah. Dan
titik eutektik maksimum jarang ditemui karena tidak terjadi pada sistem metalik.
Gambar 1.13. Sistem solidifikasi paduan. a). Larutan nimimum, b). Larutan maksimum
1.11. Jenis II
Dua logam larut total dalam kondisi cair dan tidak larut total dalam kondisi sol-
id. Secara teknis, dua logam tidak dapat larut secara menyeluruh satu sama lain. Tetapi
dari beberapa kejadian kelarutan sangat praktis digunakan yang berkaitan dengan keti-
dak larutan.
Hukum Raoults menyatakan penambahan zat kedua yang terlarut dalam logam
murni menyebabkan titik cairnya lebih rendah dari titik cair logam murni dan zat kedua
tidak dapat larut ketika membeku. Jumlah penurunan titik cair sebanding dengan berat
molekuler larutan.
Diagram fasa dapat dikembangkan dari kurva pendinginan seri dengan analogi
diagram larutan padat, seperti dijelaskan dimuka, tetapi dalam kejadian ini, kurva-kurva
percobaan menunjukan jenis perilaku yang berbeda. Kurva pendinginan seri logam
murni dan variasi paduan, dan mikrostruktur temperatur ruang, seperti terlihat dalam
Gb.1.14. Kurva pendinginan logam murni A dan B menunjukan garis horizontal tunggal
pada titik pembekuan. Diharapkan. A ditambah B menurunkan temperatur awal solidifi-
-
19
kasi paduan. Selanjutnya, setiap logam dengan titik pembekuan rendah dari yang lain,
garis penghubung titik menunjukan awal solidifikasi, garis liquidus menunjukan mini-
mum. Ilustrasi tersebut dinyatakan dengan garis putus-putus dalam Gb.1.14, menunju-
kan titik E minimum, yang diketahui sebagai titik E, untuk komposisi 40A-60B. Perha-
tikan, rentang komposisi diatas, bagian kurva pendinginan menunjukan akhir solidifika-
si pada temperatur campuran. Garis horizontal bawah TE ditunjukan dengan garis putus-
putus dalam Gb.1.14, sebagai temperatur eutektik. Dalam paduan, komposisi eutektik
40A-60B, solidifikasi total terjadi pada temperatur tunggal yaitu temperatur eutektik.
Meskipun pembekuan komposisi eutektik seperti logam murni tetapi itu bukan paduan
lebur sejenis yang terlihat sepintas menghasilkan padatan sebagai campuran dua-fasa.
Gambar 1.14. Mikrostruktur kurva pendinginan dan temperature ruang untuk paduan seri dua
logam yang tidak larut dalam kondisi solid. Garis putus-putus atas dan bawah
menunjukan garis solidus dan liquidus.
Diagram fasa aktual sekarang dibuat dengan mentransfer patahan kurva pendin-
ginan yang diplot pada temperatur vs komposisi, seperti terlihat dalam Gb.1.15, titik
lebur logam murni pada titik M dan N yang diplot pada garis vertical. Untuk paduan
80A-20B dengan awal solidifikasi pada T1 dan akhir solidifikasi pada TE. Prosedur yang
sama diikuti untuk paduan yang lain. Garis atas pada diagram fasa merupakan hubungan
-
20
dua titik lebur, MEN merupakan garis liquidus, dan menunjukan awal solidifikasi. Titik
dimana garis liquidus memotong titik minimum E, dikenal titik eutektik. TE disebut
temperatur eutektik dan 40A-60B sebagai komposisi eutektik. Garis solidus berupa ga-
ris kontinyu yang menghubungkan titik-titik lebur logam murni, yang merupakan garis
solidus total yaitu MFGN.
Gambar 1.15. Diagram fasa jenis-eutektik
Diagram fasa ini berisi 4 daerah. Daerah diatas garis liquidus merupakan fasa
tunggal larutan cair homogen, dua logam terlarut dalam kondisi cair. Tiga daerah yang
tersisa adalah daerah dua-fasa. Setiap daerah dua-fasa pada diagram fasa dibatasi oleh
garis horizontal dengan fasa tunggal. Jika daerah fasa tunggal sebagai label pertama,
selanjutnya daerah fasa dua dengan mudah ditentukan. Contoh, dalam Gb.1.15, untuk
menentukan fasa yang terdapat dalam daerah dua-fasa MFE, tarik garis horizontal tie
OL. Garis ini memotong liquidus pada L berarti cair yang merupakan satu fase terdapat
dalam daerah dua-fasa dan memotong garis sumbu kiri dari titik O. Sumbu kiri menun-
jukan fasa tunggal logam murni A, yang dibawahnya titik cair adalah padat. Selanjutnya
dua-fasa dalam daerah MFE yaitu liquid dalam solid A. Cara yang sama digunakan un-
tuk menentukan dua-fasa yang berbeda dalam daerah NEG. Daerah ini terdiri liquid dan
solid B. Idea diatas dapat digunakan untuk diagram fasa yang lain dan diagram yang
lebih komplek.
-
21
Dua logam diasumsikan tidak larut total dalam kedaan solid, dapat ditunjukan
apabila awal pembekuan hanya dapat terbentuk solid yang merupakan logam murni. Ju-
ga, setiap paduan bila membeku total dua logam murni harus tercampur. Secara praktis
paduan disebelah kiri campuran eutektik adalah paduan hypoeutectic dan sebelah kanan
paduan hypereutectic. Penetapan ini akan digunakan sebagai acuan untuk pendinginan
lambat berbagai paduan.
Gambar 1.16. Jenis fasa dalam diagram fasa jenis eutektik
Paduan 1 dalam Gb.1.16. merupakan eutektik 40A-60B. Paduan tersebut didin-
ginkan dari temperatur TO, sisa larutan cair seragam sampai titik E, garis temperatur-
eutektik. Perpotongan garis liquidus dan solidus, liquidus sekarang mulai membeku, dan
temperaturnya tidak turun sampai paduan padat total. Liquid akan membeku masuk ke-
dalam campuran dua-fasa. Fasa ini selalu menunjukan akhir garis horizontal temperatur-
eutektik. Dalam kondisi ini titik F merupakan logam murni A, dan titik G, logam murni
B. Diasumsikan sejumlah kecil logam murni A membeku. Liquid yang tersisa kaya
dengan B.
-
22
Komposisi liquid langsung mengearah ke kanan. Mempersiapkan komposisi liq-
uid ke kesetimbangan, B akan membeku. Jika secara langsung B banyak yang membe-
ku, komposisi liquid berada disebelah kanan, dibutuhkan A untuk membeku ke arah ke-
setimbangan. Selanjutnya temperatur konstan, liquid A murni dan B murni membeku,
menghasilkan campuran yang sangat halus dapat dilihat dibawah mikroskop. Campuran
ini yang disebut campuran eutektik (Gb.1.17.). Perubahan liquid pada komposisi E ma-
suk dua padat pada temperatur konstan yang disebut reaksi eutektik dan ditulis sebagai
berikut :
Gambar 1.17. Campuran eutektik Timbal-Bismut, pembesaran 100x
Solidifikasi paduan eutektik terjadi pada temperatur konstan, kurva pendinginan
ini seperti logam murni atau suatu paduan lebur-bersama. Pembekuan eutektik, tetapi,
tidak sebangun yang berbeda komposisi antara fasa liquid dan solid individu.
Paduan 2, campuran paduan hypoeutectic 80A-20B, sisa larutan liquid seragam
sampai garis liquidus, temperatur T1. Pada titik liquid L1 merupakan saturated (jenuh) di
A dan temperatur langsung turun, akibatnya A membeku. Liquid, menyimpan kristal A
murni yang kaya B. Penggunaan Aturan I pada temperatur T2 menunjukan fasa solid A
-
23
murni dan komposisi liquid L2 adalah 70A-30B. Jumlah pembekuan pada temperatur ini
dihitung dengan menggunakan Aturan II :
Mikrostrutur yang tampak seperti dalam Gb.18a. Pendinginan lanjut, jumlah A padat
murni bertambah secara bertahap oleh presipitasi kontinyu dari liquid. Komposisi liq-
uid, menjadi kaya dengan B yang secara lambat bergerak ke bawah dan ke kanan sepan-
jang kurva liquidus, ketika jumlah liquidus berkurang secara gradual. Bila paduan men-
capai garis eutektik XE, liquid pada titik E. Kondisi yang ada merupakan tingkat fraksi
diatas TE adalah :
Fasa Liquid Solid
Komposisi 40A-60B 100A
Jumlah relative
Gambar 1.18. Tahap pendinginan lambat paduan 80A-20B
Mikrostruktur dalam Gb.1.18b. Cairan tersisa (30%), mencapai titik eutektik, sekarang
pembekuan secara lambat masuk ke campuran mendekati A dan B seperti diuraikan di-
bawah paduan 1. Bila pembekuan, paduan terdiri 67% butiran utama A atau proeutektik
A (yang terbentuk diantara T1 dan TE sebelum reaksi eutektik) dan 32% campuran eu-
tektik (A + B) Gb.1.18c. Setiap paduan mengarah kekiri titik eutektik E, ketika membe-
ku, akan terdiri butiran proeutektik A dan campuran eutectic. Sebagai komposisi paduan
-
24
akhir adalah komposisi eutektik. Campuran eutektik banyak ditunjukan dalam pembe-
kuan paduan ( lihat mikrostuktur dalam Gb.1.14).
Paduan 3, paduan hypereutectic terdiri 10A-90b, mengalami proses pendinginan
yang sama seperti paduan 2 kecuali ketika garis likuidus tercapai endapan kristal cair
dari B murni bukan dari A. Ketika suhu turun, B akan bertambah besar, meninggalkan
cairan kaya A. Jumlah cairan secara bertahap berkurang, dan komposisi secara bertahap
bergerak ke bawah dan ke kiri sepanjang garis likuidus sampai titik E dicapai pada suhu
eutektik. Cairan yang tersisa sekarang membeku ke campuran eutektik (A + B). Setelah
pembekuan, paduan terdiri 75% butiran B primer atau B proetectic dan 25% campuran
eutektik (A + B). Gambar dan sketsa mikro pada suhu kamar harus diverivikasi. Setiap
paduan ke kanan dari titik eutektik, ketika dibekukan, terdiri dari butir B proeutectic dan
campuran eutektik. Perbedaan hanya dalam jumlah relatif (lihat mikrostruktur dalam
Gb.1.14). Hubungan komposisi paduan dan mikro dapat ditampilkan dengan
menggunakan komposisi eutektik sebagai garis batas imajiner. Area di bawah garis
solidus dan ke kiri dari komposisi eutektik diberi label padat A + campuran eutektik,
dan ke kanan, padat B + campuran eutektik (Gambar 1.16). Gb.1.19, menunjukkan
hubungan antara komposisi paduan dan jumlah relatif.
Gambar 1.19. Diagram hubungan linier antara mikrostruktur dan kompisisi paduan untuk sis
tem eutektik
Dari pembahasan sebelumnya terlihat bahwa, reaksi yang sama terjadi apabila
setiap garis suhu-eutektik tercapai, yaitu ;
-
25
Reaksi diatas khusus berlaku untuk diagram ini, namun, reaksi eutektik dapat
ditulis secara umum sebagai ;
Satu persyaratan bahwa campuran eutektik terdiri dari dua fase padat yang berbeda.
Campuran ini terdiri dua logam murni, dua larutan padat, atau kombinasi di atas.
Gambar 1.20. Diagram paduan Al-Si, nomor dibagian bawah berhubungan dengan
mikrostruktur
Penyederhanaan diagram fase Aluminium-Sillicon ditunjukkan pada Gb.1.20,
dengan mengabaikan kelarutan silikon dalam aluminium. Mikrostruktur Gb. 1.21.
mengacu pada angka di bagian bawah diagram Al-Si ini. Dimulai dengan paduan 1 di
-
26
sebelah kiri Gb.1.20, mikrostruktur aluminium murni ditunjukkan pada Gb.1.21a.
Paduan 2 (Gb.1.21b), mengandung 8% silikon, terdiri dari dendrit aluminium primer
atau proeutectic yang dikelilingi campuran eutektik dari aluminium dan silikon.
Perhatikan pengaturan cahaya terang yang lembut dan struktur gelap. Karena eutektik
terbentuk dari cairan terakhir yang membeku, dan mengisi ruang antara lengan dendrit.
Paduan 3 (Gb.1.21c) adalah komposisi eutektik dari 12% silikon dan seluruhnya terdiri
dari campuran eutektik. Ketika bergerak ke kanan, mikrostruktur terdiri dari silikon
primer (hitam) dan campuran eutektik, jumlah silikon primer meningkat dengan ber-
tambahnya kandungan silikon seperti dalam Gb.1.21b dan e. Akhirnya, mikrostruktur
silikon murni ditunjukan dalam Gb.1.21f. Dan hasil prediksi diagram kesetimbangan,
dengan akurasi memadai, dengan proporsi dari setiap fase dalam paduan setelah
pendinginan lambat sampai suhu kamar seperti dalam Gb.1.21.
Gambar 1.21. Mikrostruktur paduan Al-Si sesuai nomor dalam Gb.1.20 .
-
27
1.12. Jenis III-Dua Logam Larut Total dalam Keadaan Cair tetapi La-
rut Sebagian dalam Keadaan Padat
Kebanyakan logam menunjukkan kelarutan yang sama untuk satu sama lain dalam
keadaan padat, jenis ini yang paling umum dan, oleh karena itu, sistem paduan menjadi
penting.
Gambar 1.22. Diagram fasa ilustrasi bagian sifat larutan padat
Diagram fase tipe ini ditunjukkan di Gb.1.22. Titik leleh dari dua logam murni masing-
masing ditunjukkan oleh titik TA dan TB. Garis likuidus TAETB, dan garis solidus
TAFEGTB. Dan daerah fasa-tunggal harus diberi label terlebih dahulu. Di atas garis
likuidus, hanya ada larutan cair fase tunggal. Pada titik leleh, dimana likuidus dan garis
solidus bertemu, diagramnya menyerupai bentuk cerutu tipe I (kelarutan padat total),
dan karena logam ini sebagian larut pada keadaan padat, suatu larutan padat harus
dibentuk. Paduan dalam sistem ini pernah memperkuat kristal dari A murni atau B
murni tetapi selalu larutan padat atau campuran larutan padat. Daerah fase tunggal dan
larutan-padat sekarang diberi label. Karena ini larutan-padat di samping sumbu,
mereka dikenal sebagai larutan padat terminal. Sisa tiga daerah dua fase sekarang
-
28
berlabel sebagai cairan+, +cair, dan +, di TE, larutan padat sebagai kelarutan
maksimum dari 20%B seperti yang ditunjukkan oleh titik F dan larutan padat
maksimum 10% seperti ditunjukkan oleh titik G. Suhu turun, jumlah maksimum larutan
yang terlarut menurun, karena diindikasikan dengan garis FH dan GJ. Garis ini disebut
garis solvus dan menunjukkan kelarutan maksimum (larutan jenuh) B dalam A ( larut)
atau A di B (larutan ) sebagai fungsi dari suhu. Titik E, di mana garis likuidus bertemu
di minimum, seperti pada tipe II, yang dikenal sebagai titik eutektik. Pendinginan
lambat beberapa paduan sekarang akan dipelajari.
Gambar 1.23. Diagram fasa ilustrasi bagian sifat larutan padat
Paduan 1 (Gb.1.23), terdiri 95A-5B, ketika didinginkan lambat akan mengikuti
proses yang sama seperti paduan tipe I. Ketika garis likuidus memotong di T1, ia mulai
membeku dengan membentuk kristal larutan padat yang sangat kaya A. Proses ini
berkesinambungan, dengan cairan makin kaya B dan secara bertahap bergerak ke bawah
sepanjang garis likuidus. Larutan padat , juga semakin kaya B, bergerak di sepanjang
garis solidus. Ketika garis solidus akhirnya memotong di T4 dan kecepatan difusi sesuai
dengan pertumbuhan kristal, seluruh padat menjadi larutan padat homogen dan akan
-
29
tetap seperti itu sampai ke suhu kamar. Proses solidifikasi dan kurva pendinginan untuk
paduan ini ditunjukkan pada Gb.1.24.
Gambar 1.24. Kurva pendinginan dan mikrostruktur pada variasi temperature selama
solidifikasi paduan 95A-5B
Paduan 2, 30A-70B, adalah komposisi eutektik yang tetap cair sampai suhu
eutektik mencapai titik E. Karena ini juga garis solidus, cairan sekarang mengalami
reaksi eutektik, pada suhu konstan, membentuk campuran yang sangat halus dari dua
padatan. Kedua padatan membentuk campuran eutektik yang diberikan secara ekstrim
oleh garis eutektik-suhu, pada komposisi F dan pada komposisi G. Reaksi eutectic
ditulis sebagai berikut :
-
30
Reaksi ini sama dengan salah satu yang terjadi dalam diagram Tipe II, kecuali untuk
pengganti larutan padat logam murni. Jumlah relatif dan dalam campuran eutektik
dapat ditentukan dengan menerapkan Aturan II (aturan tuas) :
Karena perubahan kelarutan B dalam A, garis FH, dan A di B, garis GJ, akan ada sedikit
perubahan dalam jumlah relatif dan pada suhu kamar :
Campuran eutektik ditunjukkan pada Gb.1.28c. Perhatikan kesamaan antara gambar itu
dan campuran eutektik pada Tipe II (Gb.1.17). Hal ini tidak mungkin untuk mengatakan
secara mikroskopis apakah campuran eutektik itu terdiri dari dua larutan padat atau dua
logam murni.
Paduan 3, 60A-40b, tetap cair sampai garis likuidus tercapai di T3. Cairan mulai
mengkristal pada larutan primer atau proeutectic yang kaya A. Ketika suhu turun
cairan menjadi lebih kaya dan lebih kaya B, secara bertahap bergerak ke bawah dan ke
kanan sepanjang garis likuidus sampai mencapai titik E. Meneliti kondisi yang ada
tepat di atas suhu eutektik TE, ada dua fase hadir :
Fasa liquid utama
Komposisi Kimia 30A-70B 80A-20B
Jumlah Relatif 40% 60%
Mahasiswa harus memverifikasi angka di atas dengan menerapkan aturan I dan II pada
suhu eutektik. Karena cairan yang tersisa (40%) berada di titik E, suhu dan komposisi
-
31
yang tepat membentuk campuran eutektik, sekarang membeku dengan membentuk
kristal dan yang muncul pada komposisi bergantian di akhir garis suhu eutektik (ti-
tik F dan G). Suhu tidak turun sampai solidifikasi selesai, dan ketika selesai, mikro-
struktur yang muncul seperti ditunjukkan pada Gb. 1.25.
Gambar 1.25. Skema mikrostruktur, setelah solidifikasi paduan 3 dalam Gb.1.23
Perhatikan kesamaan mikrostruktur antara paduan dan Gb.1.18c. Sebagai paduan
mendingin ke suhu kamar karena perubahan dalam kelarutan ditunjukkan oleh garis
solvus FH, beberapa pengaruh yang diendapkan dari larutan. Proses solidifikasi dan
kurva pendinginan untuk paduan ini ditunjukkan pada Gb.1.26.
Gambar 1.26. Kurva pendinginan dan mikrostruktur pada variasi
-
32
Paduan 4, 85A-15B, mengikuti proses yang sama seperti dijelaskan untuk
paduan 1. Mikro pada berbagai suhu dan kurva pendinginan untuk paduan ini
ditunjukkan dalam Gb.1.27. Solidifikasi dimulai pada T2 dan selesai di T5, zat padat
yang dihasilkan menjadi fase tunggal homogen, larutan padat . Pada larutan titik M
adalah jenuh. Garis solvus FH, seperti yang dijelaskan sebelumnya, menunjukkan
penurunan kelarutan B pada A dengan penurunan suhu. Sebagai paduan dingin, garis
solvus dicapai pada titik N. Larutan sekarang jenuh dalam B. Di bawah suhu ini, di
bawah kondisi pendinginan lambat, pengaruh B harus keluar dari solusi. Karena A
adalah larut dalam B, endapan tidak keluar sebagai logam murni B, melainkan larutan
padat . Pada suhu kamar, paduan akan terdiri sebagian besar dengan sejumlah kecil
pengaruh , terutama di sepanjang batas butir (Gb.1.27). Mahasiswa harus menentukan
jumlah kelebihan dengan menerapkan aturan tuas ta yang HJ baris (Gb.1.23).
Gambar 1.27. Kurva pendinginan dan mikrostruktur pada variasi temperatur paduan 85A-15B
Jika fase relatif rapuh, paduan tidak akan kuat atau ulet. Kekuatan paduan
untuk sebagian besar ditentukan oleh fase yang berkelanjutan melalui paduan. Dalam
hal ini, meskipun larutan hanya sekitar 5% dari paduan, tetapi ada sebagai jaringan
terus menerus di sepanjang batas butir. Oleh karena itu, paduan akan cenderung pecah
di sepanjang batas-batas. Paduan ini, bagaimanapun, dapat dibuat untuk mengalami
perubahan yang signifikan dalam kekuatan dan kekerasan setelah perlakuan panas
dengan benar.
-
33
Diagram kesetimbangan timbal-antimon dan photomikro berbagai sistem paduan
ini ditunjukkan pada Gb.1.28. Paduan 1 (Gb.1.28b), yang mengandung antimon 6, %,
menggambarkan struktur hypoeutectic khas dendrit primer (hitam) dan campuran
eutektik mengisi ruang antara dendrit. Paduan 2 (Gambar1.28c), yang mengandung
11,5% antimon, seluruhnya terdiri dari campuran eutektik larutan padat dan . Di
sebelah kanan komposisi eutektik, paduan terdiri dari primer (putih) dikelilingi oleh
campuran eutektik (Gb.1.28d) dan berbeda dalam jumlah relatif atau fase ini. Jumlah
campuran eutektik menurun sebagai komposisi paduan bergerak menjauh dari
komposisi eutektik.
Gambar 1.28. a). Diagram fasa Pb-Sb; b). paduan 6,5%Sb, 75x;
c). paduan eutektik, 11,5%Sb, 250x; d). paduan 12,25%Sb, 250x
Diagram kesetimbangan timbal-timah dan photomikro berbagai sistem paduan
ini ditunjukkan pada Gb.1.29. Paduan 1 (Gb.1.29b), yang mengandung 70% timah,
-
34
adalah komposisi eutektik. Mikrostruktur terdiri dari dendrit primer (putih) dikelilingi
oleh campuran eutektik. Paduan 2 (Gb.1.29c) adalah komposisi eutektik dan seluruhnya
terdiri dari campuran larutan padat dan . Paduan 3 dan 4 (Gb.1.29d dan e), yang
mengandung 60 dan 50% timah, masing-masing, terdiri dari dendrit l primer kaya tim-
bal larutan padat (hitam) dikelilingi oleh campuran eutektik, jumlah meningkat
sebagai komposisi paduan bergerak ke kiri. Perhatikan kesamaan photomicrographs
yang ditunjukkan Gb.1.21, 1.28, dan 1.29.
Gambar 1.29. a). Diagram fasa Pb-Sn; b). Paduan 70%Sn; c). Paduan eutektik; d). Paduan
60%Sn; e). Paduan 50%Sn. Semua mikrostruktur pada pembesaran 200x.
-
35
1.13. Sifat Sistem Paduan Eutectic
Gb.1.19 menunjukan hubungan linear antara konstituen muncul di mikro dan
komposisi paduan untuk sistem eutektik. Hal ini sepertinya menunjukkan bahwa sifat
fisik dan mekanik dari sistem eutektik juga harus variasi linier. Dalam praktek
sebenarnya, perilaku ideal ini adalah jarang ditemukan. Sifat setiap paduan multifase
tergantung pada karakteristik individu dari fase ini dan bagaimana didistribusikan dalam
mikro. Hal ini terutama berlaku untuk sistem paduan eutektik. Kekuatan, kekerasan,
dan keuletan terkait dengan ukuran, jumlah, distribusi, dan sifat-sifat kristal pada kedua
fasa. Dalam komersialisasi sistem paduan eutektik menjadi penting, satu fasa relatif lu-
nak dan plastik sedang fasa yang lain relatif keras dan rapuh. Komposisi eutectic ditun-
jukan dari sisi fasa-plastik, ini akan menambah kekuatan pada paduan tersebut. Mereka
akan menurunkan kekuatan dibatasi komposisi eutektik disebabkan berkurangnya jum-
lah partikel-partikel kecil eutektik dan bertambahnya ukuran dan jumlah fasa proeutec-
tic rapuh. Oleh karena itu, sistem semacam ini umumnya komposisi eutektik
menunjukkan kekuatan maksimum. Hal ini diilustrasikan pada Gb.1.30, yang
menunjukkan variasi kekuatan tarik dan perpanjangan untuk paduan aluminium-silikon
tuang mengandung silikon sampai 14 %Si. Kekuatan tarik maksimum sangat dekat
komposisi eutektik. Diagram fase aluminium-silikon diberikan pada Gb.1.20.
Gambar 1.30. Variasi jenis sifat-sifat paduan Al-Si sampai 14%Si
Hal penting lainnya adalah sifat yang dihasilkan dari campuran yang paling
mirip yang berlanjut yaitu, fase yang membentuk matriks di mana partikel dari fase
lainnya tertanam. Campuran eutektik secara mikro selalu konstituen dan berkelanjutan,
karena cairan terakhir untuk solidifikasi dan mengelilingi butiran primer. Umumnya
-
36
fase membentuk proporsi yang lebih besar dalam campuran eutektik menjadi fase kon-
tinyu. Jika fasa ini plastik, seluruh rangkaian paduan akan menunjukkan plastisitas. Jika
fase ini rapuh, seluruh rangkaian paduan menjadi relatif rapuh.
Selain faktor di atas, peningkatan laju pendinginan selama pembekuan mengha-
silkan campuran eutektik, sebagian besar campuran eutektik, dan butiran utama yang
lebih halus, yang pada akhirnya mempengaruhi sifat mekanik.
1.14. Jenis IV-Fasa Intermediate Lebur-Serempak
Bila suatu fasa berubah masuk ke fasa lain secara isothermal (temperatur kons-
tan) dan tanpa suatu perubahan dalam komposisi kimia, ini dikatakan perubahan fasa
bersama atau transformasi bersama (congruent) semua logam murni membeku secara
bersamaan. Didepan telah dicontohkan paduan lebur bersama seperti variasi diagram
fasa jenis I. Paduan x dalam Gb.13a berangkat dari fasa liquid ke fasa solid tunggal pada
temperatur konstan tanpa perubahan komposisi dan itu karena paduan lebur bersama.
Fasa-fasa itu dinamai intermediate karena merupakan fasa tunggal yang terjadi diantara
fasa-fasa terakhir pada diagram fasa. Jenis IV berhubungan dengan pembentukan fasa
intermediate oleh lebur bersama, seraya jenis V akan ditutup fasa intermediate lebur tak
bersama. Ada fasa intermediate yang diperlakukan sebagai komponen lain pada diagram
fasa. Jika fasa intermediate mempunyai rentang komposisi yang sempit sebagai susunan
intermetalic dan susunan sisipan, ini ditunjukan pada diagram sebagai garis vertikal dan
dilabelkan dengan rumusan kimia campuran. Jika fasa intermediate berada diatas ren-
tang komposisi, itu umumnya susunan kimia dan dilabelkan dengan huruf Greek.
Gambar 1.31. Komposisi dan titik lebur A murni, B murni, dan senyawa AnBm
-
37
Gb. 1.31, fasa paduan intermediate yang digambarkan sebagai garis vertikal. Su-
sunan ini diindikasikan sebagai AmBn, yang mana m dan n indikasi jumlah susunan
atom-atom kombinasi. Contoh, magnesium dan tin membentuk fasa intermediate yang
mempunyai rumusan kimia Mg2Sn. Dalam kasus ini, Mg ekuivalen A, 2 ekuivalen m,
tin ekuivalen B dan n ekuivalen 1. Disini ditunjukan sistem A-B pada Gb.1.31, merupa-
kan dua bagian independent yang terpisah, satu menunjukan semua paduan antara A
dan susunan AmBn dan yang lain menunjukan AmBn dan B.
Porsi diagram antara A dan AmBn mungkin ada jjenis yang dipelajari dalam bab
ini, sama untuk porsi antara AmBn dan B. Jika susunan menunjukan beberapa kelarutan
satu sama lain, diagram kesetimbangan seperti Gb.1.32. Diagram ini menunjukan dua
perbedaan campuran eutektik. Persamaan eutektik dapat ditulis sebagai berikut :
Pada T1 liquid
Pada T2 liquid
Pelajaran pada beberapa sistem aktual menunjukan pembentukan beberapa fasa inter-
mediate lebur bersama disederhanakan dengan pendekatan diatas.
Gambar 1.32. Ilustrasi diagram fasa paduan intermediate dengan senyawa intermetalic
-
38
1.15. Jenis V-Reaksi Peritectic
Dalam reaksi peritektik liquid dan solid bereaksi secara isothermal membentuk solid
baru pada pendinginan. Secara umum reaksi ini digambarkan sebagai :
Pembentukan padat baru umumnya fasa intermediate (Gb.1.33) tetapi dalam beberapa
kejadian mungkin akhir larutan padat (Gb.1.34).
Gambar 1.33. Pembentukan fasa intermediate pada lebur tak bersama dengan reaksi peritektik
Gambar 1.34. Pembentukan terminal larutan padat oleh reaksi peritektik pada Sistem paduan
Ag-Pt
-
39
Kaitan Gb.1.33. menunjukan susunan AmBn, 70A-30B ketika dipanasi sampai tempera-
tur peritectic, titik G, terursi masuk pada phase, liquid dan solid A. Oleh karena itu, ini
merupakan contoh paduan intermediate lebur tak sama. Kenyataannya reaksi peritectic
hanya kebalikan reaksi eutectic, dimana fasa tunggal membentuk dua fasa baru dalam
pendinginan. Garis liquidus TADETB dan garis solidus TATPGJTETB. Garis reksi peritec-
tic adalah TPD. Prehatikan hanya garis ini. Panjang TPG, bersamaan dengan garis soli-
dus. Pendinginan lambat pada beberapa paduan akan kita pelajari.
Paduan 1, 90A-10B, liquid sisa sampai garis liquidus dicapai pada T1. Pembekuan seka-
rang terjadi oleh pembentukan Kristal pada logam murni.Temperatur turun, liquid ber-
kurang jumlahnya, dan komposisinya bergerak turun sepanjang garis liquidus. Kondisi
diatas temperatur peritectic TP.
Fasa Liquid Solid A
Komposisi 60A-40B 100A
Jumlah relative
Kondisi dibawah temperatur peritectic adalah :
Fasa AmBn Solid A
Komposisi 70A-30B 100A
Jumlah relative
Pertama sekilas pada dua daerah terliahat indikasi liquid meninggalkan garis horizontal
dan disini tersusun AmBn. Hubungan komposisi kimia menunjukan ketidakmungkinan.
Liquid mengandung 60A, yang AmBn mengandunng 70A. Liquid tidak cukup kaya A
untuk membentuk susunan dirinya. Liquid harus bereaksi dengan jumlah kanan solid A,
dalam hal ini 8%, untuk membawa komposisi susunan AmBn.
Reaksi yang terjadi pada temperature peritectic :
Fasa 60A 100A 70 A
Persamaan
Jumlah relative 25% 33%
Reaksi pada tempat ini sekeliling tiap butir pada solid A domana terisi liquid. Bila diko-
reksi komposisi yang diperoleh, lapisan solidifikasi masuk sekeliling material AmBn
-
40
setaip butir A. Selanjutnya reaksi yang lambat harus ditunggu untuk difusi atom-atom
masuk kedinding AmBn secara kontinyu (lihat Gb.1.35a). Bila difusi menyeluruh, se-
mua paduan akan dimasuki, disini mencapai 67%A di kiri. Mikrostruktur akhir akan
terlihat butiran utama A yang dikelilingi oleh susunan AmBn. Gb.1.35b. menunjukan
mikrostruktur pada variasi temperature dalam pendinginan lambat pada paduan ini. Ki-
sah yang sama untuk paduan lain sampai kiri titik B. Hanya perbedaan dalam jumlah
akibat A tersisa setelah reaksi peritectic menyeluruh. Komposisi paduan merupakan su-
sunan komposisi, mengurangi A utama yang tersisa.
Gambar 1.35. a). Skema reaksi peritektik, AnBm bertambah oleh difusi A dari dalam dan atom
B dari luar. b). Mikrostruktur pada pendinginan lambat paduan 90A-10B
Paduan 2, 65A-35B, pembekuan logam murni bila garis liquidus memotong pembekuan
kontinyu T2, cairan menjadi kaya dengan B. Bila titik H dicapai, komposisi liquid ada-
lah 60A-40B. Aturan tuas untuk paduan ini adalah 35/40 x 100 atau 87,5% liquid dan
12,5% solid A. Garis GD bukan bagian garis solidus, beberapa liquid tersisa setelah
reaksi ini. Itu karena solid A hilang dalam reaksi dengan beberapa liquid membentuk
susunan AmBn. Reaksi yang sama ditempat ini diperoleh :
Komposisi 60A 100A 70A
Reaksi
a) b)
-
41
Jumlah liquid masuk kedalam reaksi diatas ditentukan oleh penggunaan aturan tuas di-
bawah temperatur reaksi:
Semula adalan 87,5% liquid sebelum reaksi dan 50% liquid sesudah reaksi, ini
tampak 37,5% liquid bereaksi dengan 12,5% solid A memberikan 50% susunan AmBn
pada temperaatur peritectic. Dengan pendinginan kontinyu, liquid sekarang terpisah
Kristal-kristal pada AmBn. Liquid menjadi kaya dengan B, dan komposisi itu secara
tertutup bergerak turun dan mengarah sepanjang garis liquidus sampai mencapai titik E
temperatur eutectic. Pada temperatur ini, ini hanya 5/50 x 100 atau 10% kiri liquid. Se-
mula cairan mencapai titik eutectic, sekarang solidifikasi masuk campuran eutectic (An
Bn + B). Gb.1.36. menunjukan kurva pendinginan dan perubahan pada mikrostruktur
pada variasi titik dalam pendinginan lambat pada paduan salah satu sisi titik peritectic P
dalam diagram kesetimbangan mengilustrasikan pembentukan akhir kelarutan padat
oleh reaksi peritectic (Gb.1.34).
Gambar 1.36. a). Kurva pendinginan dan mikrostruktur pada variasi temperature selama pen-
dinginan lambat. B). Mikrostruktur paduan 60Ag-40Pt cor. primer (terang), dan (gelap) pada pembesaran 100x
Reaksi peritektik digambarkan dalam kondisi ekuilibrium. Dalam prakteknya, kondisi
ini jarang tercapai. Karena bentuk-bentuk fase baru di sekitar lingkaran fase primer,
yang bertindak sebagai penghalang difusi yang sangat penting untuk melanjutkan reaksi
(lihat Gb.1.35a). Sebagai lapisan fase baru menjadi lebih tebal, meningkatkan jarak
a)
b)
-
42
difusi, sehingga reaksi sering tidak lengkap. Contoh, diagram fase sistem paduan Ag-Pt,
Gb.1.34, paduan Ag 60 persen harus menjadi fase tunggal pada suhu kamar.
Mikrostruktur cor, Gb.1.36b, adalah bukan fase tunggal. Daerah terang butir primer
dikelilingi oleh dua- daerah gelap dari , menunjukkan bahwa reaksi peritektik tidak
lengkap.
Paduan peritektik biasanya campuran dua-fase, sifat mekaniknya dinyatakan mengikuti
prinsip keadaan paduan eutektik dengan dua perbedaan: (1) fasa individu berbeda dari
yang diperkirakan untuk kondisi ekuilibrium, dan (2) ukuran butir cor biasanya kasar.
1.16. Jenis VI- Dua Liquid Larut Sebagian dalam kondisi Liquid :
Reaksi Monotectic
Reaksi Monotektik. Semua jenis reaksi yang didiskusiksn didepan diasumsikan
larut total dalam kondisi liquid. Itu sangat mungkin, tetapi, diatas rentang komposisi dua
larutan liquid yang terbentuk tidak terlarut satu sama lain. Bentuk lain kelarutan yang
dapat tercampur. Zat yang tak dapat larut satu sama lain, seperti minyak dan air, mereka
dikatakan tidak dapat tercampur. Zat yang terlarut sebagian satu sama lain dikatakan
mempunyai gap tidak larut seperti jenis VI.
Diagram kesetimbangan jenis ini dapat dilihat dalam Gb.1.37. Garis liquidus
TACFETB, dan garis solidus TATEJTB.. Paduan ini mempunyai komposisi antara titik C
dan titik F pada temperatur diatas TM berisi dua larutan liquid, L1 dan L2. Garis CD dan
FG menunjukan komposisi dua-fasa liquid dalam kesetimbangan satu sama lain pada
temperatur tinggi. Umumnya, ditunjukan dengan garis putus-putus karena eksperimen
pada temperature tinggi sulit. Garis ini cenderung saling berdekatan pada temperatur
tinggi sehingga terjadi luasan tertutup dan larutan liquid homogeny. Daerah ini diperla-
kukan seperti beberapa daerah dua-fasa yang lain, dan aturan yang sama digunakan un-
tuk menentukan komposisi kimia L1 dan L2 dan jumlah relatif yang lain pada beberapa
temperatur. L1 merupakan larutan liquid B yang terlarut dalam A, yang mana L2 meru-
pakan larutan liquid A yang terlarut dalam B.
Selanjutnya ttudi pendinginan lambat dalam berbagai paduan. Paduan x men-
gandung 10% B merupakan larutan liquid fasa tuggal L1, dan sisanya sampai memotong
garis liquidus pada X1. Solidifikasi pembentukan kristal logam murni A. Liquid menjadi
kaya B, secara bertahap gerakan turun dan menuju kekanan sepanjang garis liquidus.
-
43
Bila paduan mencapai garis temperatur monolitik TM pada titik X2, Komposisi yang di-
berikan oleh titik C, adalah 80A-20B. Garis horizontal pada beberapa diagram fasa me-
nunjukan reaksi yang terjadi ditempat ini. Apa reaksi yang terjadi ? Dibawa garis, dua
fasa yang hadir adalah solid A dan L2. Sisi lain, terlihat L1 dipisahkan dan ditempat ini
mempunyai L2. Komposisi L2 diberikan oleh titik F, adalah 40A-60B, yang mana L1
mempumyai komposisi 80A dan 20B. Selanjutnya L1 dipindahkan tidak membentuk L2.
Ingat L1 adalah larutan liquid kaya A dimana L2 merupakan larutan liquid kaya B. Ma-
salahnya adalah L1 terlalu kaya A. Selanjutnya apakah yang terjadi pada garis horizontal
yang cukup presipitasi solid A dari L1 membawa komposisi kekanan membentuk L2.
Gambar 1.37. Diagram kesetimbangan hypoeutectic dua logam yang terlarut sebagian dalam
kondisi cair : Reaksi monotektik.
Untuk pembuktian ini, kita dapat menerapkan Aturan II di atas dan di bawah
garis horizontal TM. Di atas garis diperoleh 50% solid A (10/20 x 100) dan L1 50%. Di
bawah garis, diperoleh 17% L2 (10/60 x 100) dan 83 diperoleh L2 17% dan 33% padat
-
44
A. 33%, ditambah 50%, memberikan total 83% solid A ditentukan oleh perhitungan.
Reaksi ini diringkas sebagai berikut:
Komposisi 80A 40A 100A
Persamaan
Jumlah reltive 50% 17% 33%
Bila liquid membentuk liquid yang lain, ditambah solid pada suatu pendinginan, itu se-
bagai reaksi monotektik ; persamaan umum reaksi monotektik ditulis sebagai berikut :
Titik C sebagai titik monotectic yang menunjukan reaksi monotectic seperti reaksi eu-
tectic, hanya berbeda satu produknya fasa liquid. Kembali ke titik-titik monotectic bi-
nary sistem logam yang letaknya dekat komposisi fasa solid, selanjutnya fasa solid pre-
dominan dalam reaksi. Dalam kasus ini, 33% solid A yang terbentuk dibanding dengan
17% L2. Masalah paduan eutectic kekiri titik C, seperti paduan x sebagai paduan hypo-
monotectic titik F adalah paduan hypermonotectic.
Sekarang diskusi dilanjutkan dengan pendinginan lambat pada paduan x. Setelah
reaksi montektik total dan temperatur turun mencapai TE, paduan mencapai x3 dan L3
mencapai titik E. Suhu dan komposisi yang tepat akan membentuk campuran eutektik
Reaksi eutectic s ditempat ini, L2 membentuk campuran sangat halus pada padat A, di-
tambah padat B. Struktur akhir terdiri dari 87,5% butiran A utama yang dikelilingi oleh
12,5% campuran eutectic (A+B).
Dua liquid paduan hypermonotectic, merupakan paduan pada komposisi diantara
C dan F, diatas temperatur monotectic, yang dikenal berkaitan dengan struktur. Waktu
yang cukup dua liquid akan berpindah dalam dua lapisan menghasilkan kerapatan, den-
gan lapisan ringan diatas. Hal ini sangat mungkin, namun, untuk memiliki dua cairan
yang ada sebagai suatu emulsi dimana tetesan kecil dari satu cairan tetap tersuspensi
dalam cairan lainnya. Sayangnya, pengetahuan tentang perilaku sehubungan dengan
logam sangat terbatas pada saat ini.
Kaitan pendinginan lambat paduan hypermonotectic Y 70A 30B. Pada temper-
ature tinggi, paduan ini akan tersusun fasa liquid homogen L1 tunggal. Pada pendingi-
nan, batas ketidak larutan liquid adalah perpotongan Y dan kedua L2 kemungkinan di-
tunjukan pada permukaan pembatas bejana dan pada titik-titik celupan liquid. Komposi-
si L2 kemungkinan diperoleh dengan menarik garis tie didaerah dua fasa dan menggu-
-
45
nakan aturan I. selanjutnya temperatur turun, jumlah L2 bertambah, selanjutnya diatas
temperatur monotectic, pada temperatur Y2, jumlah L2 menjadi sama sampai 10/40 x
100 atau 25%. Kondisi yang menguntungkan ini, liquid ini akan memisahkan lapisan
dalam crucible atau cetakan. Bagian campuran yang tersusun pada L1 sekarang bereaksi
menghasilkan persamaan monotectic membentuk L2 + solid A lebih banyak. Dengan
pendinginan kontinyu, lebih banyak solid A yang terbentuk dari L2, komposisi ini men-
jadi kaya B, sampai tempertur eutectic mencapai titik Y2. Pada suhu itu, L2 yang tersisa
(37,5%) mengalami reaksi eutektik dan membeku menjadi campuran A+B yang sangat
halus.
Gambar 1.38. Diagram kesetimbangan Cu-Pb
Contoh paduan reaksi monotectic adalah antara tembaga dan timbal seperti da-
lam Gb.1.38. Perhatikan kejadian ini L1 + L2 merupakan daerah tertutup. Juga, meski-
pun terminal solid menunjukan dan , kelarutan actual menjadi kecil dan secara prak-
tis logam murni, tembaga dan timbal.
-
46
1.17. Jenis VII- Dua Logam Tak-Larut dalam Kondisi Cair dan Padat
Ini merupakan studi menyeluruh diagram fasa dasar yang meliputi keadaan liq-
uid dan solid. Jika titik C dan F dalam Gb.1.37. digerakan dalam arah yang berlawanan,
mereka akan secepatnya menggerakan sumbu diagram seperti dalam Gb.1.39a. Dipero-
leh beberapa kombinasi logam yang secara praktis tidak larut satu sama lainnya. Bila
didinginkan, dua logam nampak terlarut pada titik pembekuan masing-masing tampak
jelas dua lapis dengan garis-garis terang pada kontak dan umumnya bukan difusi.
Sistem paduan tertutup pada jenis ini adalah diantara aluminium dan timbal da-
lam Gb.1.39b. Perhatikan daerah liquid dua fasa sampai masuk memotong diagram.
Kondisi ini berkaitan dengan batas reaksi monotectic dan reaksi eutectic. Diatas hori-
zontal menunjukan reaksi monotectic dalam titik monotectic yang sangat tertutup terha-
dap komposisi dan tttik lebur aluminium murni. Garis horizontal bawah menunjukan
reaksi eutectic yang titik eutectic secara praktis bersamaan dengan komposisi dan titik
lebur timbal murni.
Gambar 1.39. a). Diagram kesetimbangan hypotactic dua logam tak larut dalam kondisi liquid
dan solid, b). Paduan Al-Pb
1.18. Keterkaitan jenis-jenis Dasar
Sudah didiskusikan variasi jenis diagram kesetimbangan yang dikombinasi den-
gan beberapa cara untuk membuat diagram aktual. Ini sangat penting mengetahui keter-
kaitan antara jenis dasar untuk mempelajari diagram komplek. Tiga jenis yang berbeda
dengan kelarutan solid. Dimulai dengan system ketidaklarutan total jenis II (Gb.1.40a.),
a) b)
-
47
jika titik kedua berakhir pada garis eutektik ( F dan G) yang masing-masing bergerak
mengarah menuju kelarutan lebih besar dalam kondisi solid, ini menghasilkan diagram
jenis III, larut sebagian dalam kondisi solid (Gb.1.40b). Jika bergerak bersama sampai
komposisi eutektiknya sama di E, menghasilkan sistem kelarutan total (Gb.1.40c). Jenis
IV dan V ditentukan dengan fasa intermediate. Jika pemanasan mengurai fasa ini (lebur
tidak sebagian) diagram menunjukan reaksi peritectic. Titik peleburan fasa intermediate
aktual (lebur sebagian) diagram menunjukan reaksi eutektik.
Gambar 1.40. Keterkaitan diagram fasa sebagai kelarutan dalam variasi keadaan padat
Transformasi keadaan solid
Transformasi adalah berbagai perubahan kesetimbangan dan reaksi yang terjadi
secara total dalam keadaan solid.
-
48
1.19. Allotropy
Beberapa logam mungkin mempunyai lebih dari satu jenis struktur kristal yang tergan-
tung pada temperaturnya. Besi, tin, manganese, dan cobalt adalah contoh-contoh perila-
ku allotropy. Pada diagram kesetimbangan, perubahan allotropy diindikasikan dengan
titik atau titik-titik garis vertical yang menunjukan logam murni. Gb. 1.41a. mengilu-
strasikan allotropy, dalam diagram ini, bidang larutan padatgamma merupakan
looped. Logam murni A dan paduan kaya A mengalami transformasi. Beberapa dia-
gram fasa iron seperti Fe Si, Fe Mo, dan Fe - Cr memperlihatkan loopped daerah
larutan padat. Jenis besi berada dalam rentang temperatur besi gamma, daerah yang dis-
ebut loop gamma.
Gambar 1.41. Perubahan allotropic, a). Diagram fasa hypothectic, b). Diagram fasa Fe-Ni
Beberapa system paduan iron, loop gamma tidak tertutup. Ini digambarkan oleh diagram
fasa dalam Gb.1.41b. Diagram ini memperlihatkan titik pembekuan iron murni 1539oC
membentuk larutan padat , yang mempunyai kubus pusat ruang (KPR). Larutan padat
mempunyai kubus pusat muka (KPM) yang terbentuk oleh reaksi peritectic pada
1512oC. Perhatikan besi murni mengalami perubahan allotropy dari struktur kristal
(KPR) ke struktur kristal (KPM) pada temperatur 1400oC tetapi untuk paduan peruba-
han ini dimulai pada temperatur tinggi. Perubahan allotropy terakhir pada 910oC mem-
bentuk struktur kristal (KPR).
a) b)
-
49
1.20. Transformasi Orde-Disorder
Pembentukan jenis substitusi atom larutan padat yang terlarut tidak menempati
posisi spesifik tetapi terdistribusi secara random dalam struktur kisi terlarut. Paduan ini
dikatakan kondisi disordered. Beberapa larutan padat acak, jika didinginkan secara
lambat, mengalami penataan atom-atom. Dimana atom terlarut bergerak masuk keposisi
terkecil kisi. Struktur ini sekarang disebut larutan padat ordered atau superkisi (super-
lattice) seperti Gb.1.42. Ordering umumnya dalam logam yang dapat larut total dalam
kondisi solid, jumlah maksimum ordering dalam perbandingan atomic sederhana dua
elemen. Contoh, rumusan kimia fasa ordered diberikan, seperti AuCu dan AuCu3 dalam
system paduan gold- copper. Diagram fasa larutan ordered kebanyakan dirancang seba-
gai , dan seterusnya. Atau , dan seterusnya dan daerah ini kebanyakan terikat
oleh garis putus-putus. Diagram fasa aktual sistem AuCu seperti dalam Gb.1.43.
Gambar 1.42. Tatanan atom dalam larutan padat disordered dan ordered
Bila fasa ordered mempunyai struktur yang sama sebagai fasa disordered, pen-
garuh ordering pada sifat-sifat mekanik dapat diabaikan. Gabungan pengerasan dengan
proses ordering kebanyakan dalam sistem bentuk unit sel yang berubah oleh odering.
Perhatikan struktur yang terbentuk sebagai hasil ordering menghasilkan perubahan sifat
penting, biasanya tidak ada pengerasan hanya tahanan electric (Gb.1.44a.). Amati ben-
tuk pengurangan tahanan elektrik pada komposisi yang berkaitan fasa ordered AuCu3
dan AuCu. Dalam diagram fasa AuCu tidak ada daerah duafasa antara larutan disor-
dered dan ordered. Dalam baberapa kejadian daerah duafasa antara larutan padat or-
dered dan disordered. Kebanyakan gabungan ini membentuk struktur kristal yang ber-
beda dari fasa disordered yang terbentuk. Ini diilustrasikan oleh sistem paduan CuPd
-
50
seperti dalam Gb.1.44b. Diagram ini menunjukan tiga-fasa ordered : , , dan . Cop-
per dan palladium keduanya KPM dan larutan ordered dan adalah KPM tetapi
adalah KPR dan menunjukan daerah dua-fasa pada tiap sisi.
Gambar 1.43. Diagram fasa Au-Cu
Gambar 1.44. a). Tahanan elektrik vs komposisi untuk paduan Au-Cu, b). Paduan Cu-Pd
1.21. Reaksi Eutectoid
Reaksi ini terjadi dalam kondisi solid, sama seperti reaksi eutectic tetapi tidak
melibatkan liquid. Dalam kejadian ini, transformasi fasa solid karena pendinginan
menghasilkan dua-fasa padat baru. Persamaan umumnya adalah :
a) b)
-
51
Gabungan campuran eutectoid sangat kecil, menyerupai campuran eutectic. Dibawah
mikroskop kedua campuran tampak sama, dan secara mikroskopik tidak menentukan
campuran yang dihasilkan oleh reaksi eutectic atau reaksi eutectoid. Ilustrasi diagram
fasa reaksi eutectoid dapat dilihat dalam Gb.1.45.
Gambar 1.45. Diagram fasa reaksi eutectoid
TAETB dan TAFGTB masing-masing merupakan garis liquidus dan garis solidus.
Campuran eutectic merupakan susunan fasa yang terjadi pada kedua garis akhir tempe-
ratur eutectic, yang dinamai larutan padat (titik F) dan larutan padat (titik G). Titik
M menunjukan perubahan allotropy logam murni A. Pentingnya garis volvus MN, seba-
gai komposisi paduan dengan B meningkat, temperatur dimana terjadi perubahan allo-
tropy turun, mencapai minimum pada titik N. Garis solvus FN menunjukan b kelarutan
B turun dalam yang mana temperatur turun. Titik N diketahui sebagai titik eutectic.
Disini komposisi sebagai komposisi eutectoid, dan garis OP merupakan garis tempera-
-
52
tur eutectoid. Seperti diagram eutectic. Praktisnya semua paduan disebelah kiri dan ka-
nan titik N disebut hypoeutectoid dan hypereutectoid.
Paduan hypoeutectoid 1 didinginakan lambat, larutan padat terbentuk ketika
garis liquidus memotong di X. Kebanyakan terbentuk sampai garis liquidus memotong
pada X2. Sisanya larutan padat uniform sampai garis solidus memotong di X3. Logam
murni A sekarang mengalami perubahan allotropy, membentuk larutan padat . Perhati-
kan larutan padat yang terlarut turun pada B dari pada larutan padat . Beberapa atom
atom B terlarut dalam daerah akan mengalami perubahan allotropy sekarang berdifusi
keluar daerah. Bila difusinya atom B cukup, atom-atom A yang tersisa sementara kem-
bali masuk ke struktur kristal baru, membentuk larutan padat . Akibat atom B yang la-
rut didalam sisa larutan , yang kaya B temperaturnya turun. Komposisi sisa secara
bertahap bergerak turun dan mengarah kekanan sepanjang garis solvus MN. Bila paduan
mencapai temperatur eutectoid X4, yang tersisa sekarang mencapai titik N. Kebutuhan
garis eutectoid pada temperatur ini merupakan akhir perubahan struktur kristal dimulai
pada X3, dan yang tersisa sekarang bertransformasi dengan reaksi eutectoid, membentuk
lapisan pengatur pada dan dalam campuran yang sangat lembut. Reaksinya ditulis :
Mikrostruktur pada temperatur ruang terdiri utama atau proeutectoid yang terbentuk
antara X3 dan X4, dikelilingi oleh campuran campuran eutectoid + . Ini dapat dilihat
pada Gb.1.46a. Gambar kurva pendinginan untuk paduan dari diagram fasa, itu sangat
penting untuk garis yang memotong diagram fasa. Bila garis horizontal memotong dia-
gram fasa, mengindikasikan reaksi dan menunjukan kurva pendinginan sebagai garis
horizontal. Kurva pendinginan paduan seperti terlihat pada Gb.1.46b. Sebagai latihan,
uraikan pendinginan lambat pada paduan hypereutectoid 2 dan 3 di sebelah kiri.
-
53
Gambar 1.46. Pendinginan lambat, a). Mikrostruktur paduan hypoeutectoid, paduan 1 pada
Gb.1.45. b). Kurva pendinginan paduan 1 pada Gb.1.45.
1.22. Diagram Komplek
Secara umum reaksi peritectioid ditulis :
Umumnya easa solid baru adalah paduan intermediate, tetapi mungkin juga berupa laru-
tan padat. Reaksi peritectoid sama seperti reaksi peritectic sebagaimana eutectoid den-
gan eutectic. Intinya, penempatan liquid oleh solid. Diagram fasa dua hypothectic diilu-
strasikan reaksi peritectoid seperti dalam Gb.1.47a. dan 1.47b.
Gb.1.47a. reaksi dua-fasa solid dan pada garis temperatur peritectoid EF
membentuk fasa intermediate . Persamaannya ditulis :
a) b)
-
54
Gb.1.47b. fasa dua solid, logam murni A dan larutan padat P, reasi pada garis tempera-
tur peritectoid CD membentuk fasa solid baru, pertemuan larutan padat . Persamaan-
nya ditulis :
Gambar 1.47. Diagram fasa. a). Pembentukan fasa intermediate oleh reaksi peritectoid, b). Pembentukan terminal larutan padat oleh reaksi peritectoid.
Dapat disimpulkan bahwa mikrostruktur reaksi peritectic pada paduan sesungguhnya
menunjukan transformasi total (Gb.1.36b.). Ini karena difusi yang terjadi pada fasa baru
diperlukan untuk mencapai kesetimbangan. Semula reaksi peritectoid terjadi secara total
dalam kondisi padat dan pada umumnya pada temperatur rendah dari reaksi peritectic,
laju difusi menjadi lambat dan ini kehilangan struktur kesetimbangan. Gb.1.48, menun-
jukan bagian diagram Ag-Al dengan reaksi peritektoidnya. Jika paduan Aluminium 7%
dengan cepat digunakan dari daerah dua-fasa hanya diatas temperatur peritectoid, dua-
fasa akan tersisa, dan mikrostrukturnya terlihat matrik dengan beberapa partikel
(Gb.1.49a). Jika paduan yang sama didinginkan secara lambat dibawah temperatur peri-
tectoid dan dipertahankan selama 20 menit sebelum didinginkan cepat, beberapa trans-
formasi akan terjadi pada tempat ini. Mikrostruktur, Gb.1.49b. menunjukan beberapa
bertransformasi ke fasa baru , banyak original yang tertinggal. Diagram fasa hanya
mengindikasikan fasatunggal , selanjutnya kesetimbangan sesungguhnya tidak terca-
a) b)
-
55
pai. Kejadian setelah holding 2 jam di bawah temperatur peritectoid struktur fasa
tunggal tetap tidak dihasilkan (Gb.1.49c).
Gambar 1.48. Porsi pada diagram fasa Ag-Al
Gambar 1.49. A). Paduan peritectoid Ag-7Al, stabilisasi heat treatment panjang diatas suhu
peritectoid dan quenching. Kepulauan merupakan fasa melekat dalam matrik . B). Sama seperti a), didinginkan sampai suhu dibawah peritectoid selama 20 menit sebelum di quenching.
Banyak warna-terang yang bertransformasi ke warna gelap tanpa banyyak mempengaruhi kepulauan . C). Sama seperti a), didinginkan sampai suhu dibawah peritectoid dan di tahan 2 jam sebelum quenching. Matrik gelap adalah , luasan terang sisa a yang tidak terlarut oleh . Semua mikrostruktur dengan pembesaran 150x.
Kesamaannya tampak pada kedua persamaan umum dan diagram kesetimbangan, untuk
reaksi-reaksi: monotectic, eutectic, dan eutectoid dan reaksi peritectic dan peritectoid
seperti dalam Tabel 1.2. Reaksi-reaksi ini tidak berarti satu-satunya yang terjadi pada
diagram kesetimbangan. Namun, reaksi ini yang paling umum, dan mahasiswa harus
akrab dengan reaksi-reaksi tersebut.
-
56
Tabel 1.2. Reaksi diagram fasa
Nama Reaksi Persamaan Umum Tampil pada Dia-
gram
Diagram komplek.
Beberapa sistem paduan mempunyai lebih dari satu jenis reaksi dan umumnya
lebih komplek dari jenis sederhana. Tetapi, umumnya diagram komplek menunjukan
reaksi utama dan diagram fasa komplek dalam table dapat dipahami ; mengerti peranan ;
semua titik, garis, dan luasan ; menentukan variasi reaksi yang terjadi pada garis-garis
horizontal, dan menjelaskan pendinginan lambat dan mikrostrutur beberapa paduan pa-
da diagram fasa binary. Dalam aplikasi beberapa prinsip dalam bab ini sekarang menja-
di ilustrasi untuk diagram fasa komplek seperti sitem paduan Cobalt-Tungsten pada
Gb.1.50.
Titik pembekuan Cobalt terlihat di sumbu kiri 1495oC. Titik lebur Tungsten
3410oC digambar dengan 2 garis putus-putus disebelah kanan bertemu dan diatas ren-
tang temperatur. Semua daerah dua-fasa terlihat oleh fasa-tunggal pada salah satu garis
horizontal, itu penting sebagai label pertama pada daerah fasa-tunggal. Garis diatas dia-
gram fasa merupakan garis liquidus, selanjutnya diatas garis liquidus larutan liquid ho-
mogen tunggal yang diindikasikan dengan L. Pada sebelah kiri, dari titik beku Cobalt,
ini sangat kecil bentuk luasannya seperti cerutu, yang menyerupai garis I. Oleh karena
itu larutan padat pasti terbentuk dibawah luasan ini. Larutan padat yang diberi label .
Suatu daerah sudah dilabelkan, perbandingan antara garis sangat kecil yang dilabelkan
-
57
sebagai + L. Daerah berikutnya adalah perbandingan diagram yang tampak seperti
jenis I dan menunjukan maksimum pada 1500oC. Luasan diantara titik-titik 35, 45, dan
1500oC juga menjadi +L. Sepanjang sumbu kanan, garis putus-putus menunjukan luas
larutan padat kecil yang dilebelkan dengan Epsilon, . Garis horizontal pertama pada
1690oC dilabelkan sebagai L+. Garis horizontal pertama pada 1690oC. Diatas garis ini
adalah L+. Dibawah tampak larutan padat baru S. Ini harus diyakini bahwa sebagai
reaksi peritectic. Setelah daerah S dilabelkan, luas di sebelah kanan dilabelkan S+.
Luas sebelah kiri daerah S diatas 1465oC sekarang dilabelkan dengan L+S. Luasan anta-
ra 1100oC dan 1465
oC juga dilabelkan dengan +S. Ini di akui sebagai titik eutectic pa-
da 45% W dan 1465oC. Diatas larutan cair dan dibawah dua solid dan S. Pada 1100oC
garis horizontal yang lain dan oleh karena reaksi lain. Diatas garis dua solid S dan .
Gambar 1.50. Sistem paduan Cobalt-Tungsten
Dibawah garis tampak fasa baru, fasa intermediate yang dilabelkan . Ini merupakan
reaksi peritectoid. Daerah yang sudah dilabelkan menjadi + S dan luas sebelah kiri
+. Jika titik A pada garis vertikal menunjukan Cobalt pasti berupa allotropic. Diba-
wah titik A dengan larutan tungsten sangat kecil dalam cobalt. Luasan larutan padat
-
58
yang terlalu kecil ditunjukan pada diagram, tetapi diindikasikan sebagai . Segitiga AB3
sekarang dilabelkan sebagai +, meskipun itu tidak dilabelkan dalam diagram. Garis
horizontal putus-putus pada 350oC menunjukan reaksi lain. Ini merupakan reaksi eutec-
toid pada 3% W dan 350oC. Diatas garis adalah dua larutan padat +. Sekarang semua
diagram sudah dilabelkan. Intermediate paduan dua-fasa terlihat pada diagram, dan .
Rentang komposisi tidak begitu besar, dan inetrmediate umumnya menyerupai susunan
intermetalic. Fasa tampak berhubungan terhadap rumusan Co7W2 dan fasa terhadap
rumusan CoW. Fakta lain yang signifikan dari diagram adalah perbedaan kelarutan
tungsten yang besar dalam di kobalt tergantung pada jenis struktur kristalnya. Dalam
larutan padat , cobalt berbentuk fcc, kelarutan maksimum tungsten dalam cobalt 35%
pada 14650C. Tetapi, perubahan Allotropy sudah terjadi dan cobalt menjadi close
packed hexogonal dibawah titik A, kelarutan tungsten dalam cobalt umumnya diabai-
kan. Reaksi dan persamaan spesifik yang terjadi dalam tiap garis horizontal pada dia-
gram ini dapat dilihat dalam Tabel 1.3.
Tabel 1.3. Reaksi dan pers. Pesifik pada tiap garis horizontal
Suhu Reaksi Persamaan