hand out material

Modul Material Teknik - S1 Teknik Mesin UNTAD

II-1

II. DIAGRAM FASA

Standar Kompetensi :

Mampu menerapkan teori material teknik dalam memecahkan permasalahan yang berkaitan dengan material teknik Kompetensi Dasar :

1. Mahasiswa dapat menjelaskan definisi dan konsep dasar diagram fase 2. Mahasiswa dapat menggunakan dan menerapkan diagram fase 3. Mahasiswa dapat menganalisis diagram fase sistem Besi - Karbon 4. Mahasiswa dapat menjelaskan pengaruh perlakuan panas terhadap struktur

logam


II-2

II. DIGRAM FASE 2.1. Definisi dan Konsep Dasar Diagram Fase Struktur dan sifat logam murni sangat berubah apabila dipadu dengan unsur

lain. Kelakuan bahan seperti itu dapat dilihat juga pada bahan cair dan gas, tetapi

yang sangat menyolok terdapat pada bahan padat. Dalam “material” fasa

dinyatakan berdasarkan struktur mikro (struktur dan komposisi) yang

homogen dari suatu area yang terdapat didalam material tersebut

Kalau bahan (komponen A) menjadi sistem dua komponen dengan

menambahkan komponen B, fase baru tidak terbentuk apabila B larut dalam dalam

keadaan padat dalam A. Tetapi apabila B dipadukan melebihi kelarutan

maksimumnya maka terjadi campuran larutan padat jenuh dan berlebihan fasa B.

Kadang-kadang Adan B bereaksi satu sama lain membentuk fasa lain. Sifat bahan

berubah yang disebabkan oleh perbandingan campuran dan kondisi campuran fasa

yang ada. Hubungan antara jumlah setiap komponen dan fasa yang terjadi dapat

dilihat dari diagram fasa yang dapat memberikan informasi mengenai sifat bahan.

. Diagram fasa merupakan diagram yang digunakan sebagai peta yang

menunjukkan fasa yang ada pada suhu tertentu atau komposisi paduan pada keadaan

keseimbangan

Diagram fasa digunakan untuk membantu dalam memprediksi transformasi

fasa dan menghasilkan struktur yang seimbang atau tidak, dan merepresentasikan

hubungan antara komposisi dan temperatur dan kuantitas fasa pada kesetimbangan

Beberapa informasi penting yang dapat diperoleh dari diagram fasa

tersebut adalah :

1. Fasa-fasa yang terdapat dalam material pada perbedaan komposisi dan

temperatur dibawah kondisi pendinginan lambat.

2. Indikasi kesetimbangan kelarutan padat dari suatu elemen atau senyawa


II-3

dalam elemen atau senyawa lain.

3. Indikasi temperatur, dimana paduan didinginkan dibawah kondisi

setimbang mulai dari awal (start) hingga padat (solidifikasi) dan

rentang temperatur dimana proses solidifikasi terjadi.

4. Indikasi temperatur dimana terjadi perubahan fasa padat pada saat meleleh

Komposisi dari suatu paduan atau suatu fasa dalam suatu paduan biasanya

diukur dalam berat (Weigth) %, symbol W.

Kadang-kadang digunakan untuk mendefinisikan atom (mol, %) :

Daerah fasa dalam diagram keseimbangan dengan sendirinya tergantung dari sistem

paduannya.

Constitution paduan ditunjukkan oleh

(a) keseluruhan komposisi (the overall composition);

(b) jumlah fase (the number of phases);

(c) komposisi setiap fase (the composition of each phase);

(d) proporsi berat setiap fase (the proportion by weight of each phase).

2.2. Diagram Fase Kesetimbangan

Bila system komponen banyak berada dalam keseimbangan fasa maka

diperlukan adanya aturan fasa. Misalnya, kalau jumlah komponen dalam suatu sistem

adalah C dan fasa yang ada ialah P, dengan derajat kebebasan F yang merupakan

jumlah variabel yang dapat berubah bebas tanpa memberikan pengaruh, membuat

fasa ada dalam keadaan sama, maka

F = C + 2 – P


II-4

Hubungan ini merupakan aturan fasa (kaidah fasa Gibbs).

Dalam sistem dua komponen variabel dari keadaan adalah temperatur,

tekanan dan komponen, jadi diperlukan tiga sumbu untuk menyatakan keadaan pada

satu titik dalam ruang. Akan tetapi bahan dipakai dalam industri umumnya berfasa

padat dan tekanan uapnya sangat rendah jadi keadaan gasnya dapat diabaikan

Contoh diagram fasa kesetimbangan dengan sistem dua komponen (binary)

pada logam Pb (timbal) dan Sn (timah) seperti pada Gambar 2. 1di bawah


II-5

Gambar 2.1. Diagram fasa untuk sistem paduan Timbal-Timah

Pada diagram terlihat komposisi paduan pada skala horisontal ( dalam weight%)

dan temperatur pada skala vertikal. Bagaimana menggunakan digram fasa tersebut?

Pertama-tama, dapatkan paduan dari komposisi keseluruhan 50 wt% timbal pada

170oC. Titik konstitusi ( Gambar 2.1a) terletak dalam bidang dua fasa. Jadi, pada

keseimbangan paduan harus menjadi campuran 2 fasa , yang harus terdiri dari

padatan Sn dan Pb. Lebih dari ini, diagram yang ditunjukkan pada Gambar 2.1b

bahwa fasa (Sn) dalam campuran berisikan 2% timbal yang dissolve kedalam timah

98%. Dan fasa (Pb) adalah 85% timbal , 15% timah yang dissolve kedalamnya. Dan

Gambar 2.1c menunjykkan campuran terdiri 85% berat fasa (Pb).

Dengan bantuan diagram fasa, dapat diketahui keseimbngan konstitusi paduan :

(a) komposisi keseluruhan (50 wt% lead + 50 wt% tin),

(b) Jumlah fasa (dua),

(c) Komposisi setiap fasa (2 wt% lead, 85 wt% lead),

(d) proporsi setiap fasa (58 wt% (Pb), 42 wt% (Sn)).

Namun dalam diagram ini ukuran dan bentuk gumpalan (butiran) (Sn) dan (Pb) tidak

dapat diketahui. Untuk mengetahuinya dapat dilihat dengan menggunankan

mikroskop.


II-6

Dengan menggunakan Gambar 2.1b dan Gambar 2.1c dapat diketahui keseimbangan fasa :

(a) 25 wt% lead + 75 wt% tin, (b) dua fasa, (c) 2 wt% lead, 85 wt% lead, (d) 30 wt% (Pb), 70 wt% (Sn). (a) 75 wt% lead + 25 wt% tin, (b) dua fasa, (c) 2 wt% lead, 85 wt% lead, (d) 87 wt% (Pb), 13 wt% (Sn). (a) 85 wt% lead + 15 wt% tin, (b) hanya satu fasa, (c) 85 wt% lead, (d) 100 wt% (Pb). (a) 95 wt% lead + 5 wt% tin, (b) satu fasa, (c) 95 wt% lead, (d) 100 wt% (Pb).

(a) 2 wt% lead + 98 wt% tin, (b) hanya satu fasa, (c) 2 wt% lead, (d) 100 wt% (Sn).

2.3. Diagram fas Fe – Fe3C

Ada 5 jenis fasa yang terdapat pada diagram fasa Fe – Fe3C, yaitu fasa cair (L),

besi alfa α, besi gamma γ, besi delta δ dan senyawa Fe-Fe3C. Besi alfa, besi delta dan

besi gamma dalam bentuk larutan padat.

Besi (Fe) merupakan unsur logam yang mempunyai lebih dari satu bentuk sel

satuan (politropik), sedangkan karbon (C) merupakan unsur non logam. Paduan dari

kedua jenis unsur ini akan menghasilkan dua jenis material teknik, yaitu baja (C-

Steel) dan besi cor (Cast Iron). Setiap transformasi fasa yang terjadi selalu diiringi

dengan perubahan volume.


II-7

Gambar 2.2. Diagram fase Fe-Fe3C , Materials Science and Metallurgy,

4th ed., Pollack, Prentice-Hall, 1988

Gambar 2.2 menunjukkan diagram keseimbangan untuk kombinasi karbon

dalam solid solution besi (Fe). Diagram ini memperlihatkan bahwa besi dan karbon

digabung untuk membentuk Fe-FeC pada 6,67%C akhir diagram. Bila %C > 6,67 %

maka sudah tidak dapat digunakan untuk material teknik sebab sifat materialnya

sudah sangat getas. Bagian kiri dari diagram adalah besi murni yang digabung dengan

karbon yang menghasilkan paduan baja. Ada tiga daerah yang sangat penting dapat

dibuat relative terhadap porsi baja diagram, yaitu :

1. Eutektoid (E)

2. Hipoeutektoid A

3. Hipereutektoid B

http://www.sv.vt.edu/classes/MSE2094_NoteBook/96ClassProj/examples/no_clim.html�


II-8

Bagian sebelah kanan dari garis besi murni adalah karbon dalam kombinasi

dengan berbagai bentuk bentuk besi yaitu besi α (ferit), besi γ (austenit), besi δ.

Perubahan allotrapik terjadi ketika ada perubahan dalam struktur lattice kristal.

Dari temperature 2802º-2552ºF besi δ mempunyai struktur kisi body

centered cubic (BCC) dengan daya larut atom yang rendah (0,1%), tetapi lebih besar

dari ferrit karena terjadi pada temperature 2552- 2802ºF (1350 – 1535 oC).

Pada temperature 2552ºF kisi berubah dari BCC menjadi tipe kisi face

centered cubic (FCC), Austenit (besi γ), memiliki jarak antar atomnya lebih besar

dari Ferrit. Austenit stabil pada temperatur antara 912 – 1350 0C dengan daya larut

atom karbon sebesar 2,11%. Pada temperatur stabilnya Austenit bersifat lunak dan

ulet sehingga mudah dibentuk serta tidak bersifat ferromagnetik

Pada temperature 1400ºF, kurva menunjukkan dataran tetapi ini tidak

siginifikan perubahan alotropik. Kondisi ini dinamakan Curie temperature, dimana

logam berubah sifat magnetiknya. Pada temperatur ini berada Ferrit (besi α),

memilki bentuk sel satuan BCC dan dapat melarutkan karbon sampai dengan 0,025%.

Hal ini dikarenakan struktur BCC dimana ruang antar atom kecil dan padat , sehingga

daya larut karbon rendah. Sifat ferit adalah lunak, ulet, mampu las tinggi, sifat korosi

rendah

Ada dua perubahan fase yang terjadi pada 0,83%C dan pada 4,3% C, yaitu

Pada 0,83%C, transformasinya ádalah eutektid yang dinamakan perlit

γ (austenit) → α + Fe3C (cementit)

Pada 4,3%C, transformasinya adalah eutektik yang dinamakan ledeburite.

L (liquid) → γ (austenit) + Fe3C (cementit)

Sementit (Fe3C) merupakan suatu senyawa antara atom Fe dengan atom C. Sifatnya

sangat keras, kurang ulet dan kurang kuat (getas)

.


II-9

2.4. Perlakuan Panas

Perlakuan panas adalah mekanisme dimana sifat-sifat bahan dapat

ditentukan tanpa perubahan bentuk produk. Perlakuan panas merupakan pemanasan

dan pendinginan bahan yang terkontrol untuk tujuan penentuan sifat-sifatnya

Logam seperti baja biasanya dilakukan perlakuan panas untuk tujuan:

1. Pelunakan (Softening)

Pelunakan (softening) dilakukan untuk mengurangi kekuatan atau kekerasan,

menghilangkan tegangan sisa (residual stresses), memperbaiki ketangguhan

(toughness), menaikkan keuletan (ductility), memperhalus ukuran butir atau

merubah sifat elektromagnetik dari baja.

Proses pelunakan dapat berupa:

Proses anil (annealing process) : tujuan dari proses pelunakan adalah untuk

memperbaiki sifat mekanik dan sifat mampu mesin dari suatu material. Proses

ini dapat menghasilkan sifat material yang dibutuhkan (sifat keuletan dan besar

butir yang homogen). Sifat kekerasan material yang dihasilkan dari proses ini

dapat ditingkatkan dengan membatasi kecepatan pendinginan

Anil sempurna (Full annealing) : proses peningkatan temperatur secara pelan

sampai sekitar 500oC di atas temperatur austenit A3 atau Acm pada baja

hypoeutectic (<0.77% C) dan 500oC dalam daerah Austenit – Cementit pada

baja hypoeutectic (<0.77% C) (Gambar 2.3). Tujuan proses ini adalah

pelunakan sebelum pemesinan.


II-10

Gambar 2.3. Mikrostruktur dan proses perlakuan panas

Stress relief anneal: digunakan untuk menghilangkan tegangan sisa pada proses

pembentukan (pengecoran), bagian yang dilas, dan bagian yang dibentuk

pendinginan. Bagian tersebut cenderung mempunyai tegangan oleh karena

siklus pemanasan atau cold working.

Caranya : bagian tersebut dipanaskan pada temperatur sekitar 600 – 6500C

selama beberapa menit dan kemudian didinginkan dengan perlahan di udara

Speroidisasi : proses anil yang digunakan untuk baja karbon tinggi (C >0.6%)

yang akan diproses pemesinan atau cold formed.

Tujuan proses ini adalah meningkatkan ketangguhan baja rapuh.

Cara : Bila struktur mula : Perlit – bahan dipanaskan 16-24 jam pada suhu

sekitar eutektoid (~ 7000C). Bila struktur mula : martensit – bahan dipanaskan

1-2 jam pada suhu yang sama.


II-11

Proses Normalizing : dilakukan dengan pemanasan lambat dan merata di atas

temperatur transformasi (>600C di atas A3/Acm) dan didinginkan secara

perlahan-lahan di udara untuk menghilangkan struktur-struktur yang tidak

merata dari hasil proses sebelumnya, seperti pada proses pengecoran, tempa dan

sebagainya. Proses normalizing ini dilakukan pada baja untuk menghindari

terjadinya retak.

Waktu

Suhu

Austenit

Suhu austenit 100%

Normalisasi (pendinginan udara)

Anil (pendinginan dapur)

Gambar 2.4. Proses autenisasi


II-12

Proses temper : suatu proses perlakuan panas yang mereduksi kegetasan dari

bahan. Proses ini dilakukan pada temperatur di bawah kira-kira 723oC untuk

mengurangi kekerasan bahan dan menambah keuletan bahan.

Dengan temper mikrostruktur baja akan homogen dan tegangan sisa akibat

pemanasan yang tinggi selama di-quenching tereliminasi atau dapat

diminimalisasi. Baja yang dikeraskan seharusnya ditemper sebelum digunakan.

Sigit Gunawan (2005) menyatakan korelasi antara pengaruh suhu temper

terhadap ketangguhan impak dan kekuatan tarik baja AISI 420 dimana

ketangguhan impak cenderung naik seiring dengan naiknya temperature temper,

sebaliknya kekuatan tarik cenderung menurun dengan kenaikan temperatur

temper. Hal ini sejalan dengan penelitian yang dilakukan oleh Hasta Kuntara

(2005) dengan baja X165CrMoV12 untuk bahan cetakan.

Waktu

Suhu

Α + Karbida Suhu eutektoid

Menghilangkan tegangan

Proses Anil

Gambar 2.5. Proses eutektoid

speroidisasi


II-13

Pengaruh waktu tempering terhadap sifat mekanis bahan berupa kekerasan dan

kekuatan dimana kekerasan turun dengan kenaikan waktu temper, tetapi

kekuatan tarik tidak terlalu berpengaruh terhadap waktu temper (V.N.Potluri,

2002). Kekuatan tarik dan ketangguhan baja komersial tidak terlalu berpengaruh

secara signifikan terhadap variasi waktu (1 jam, 2 jam, 3 jam dan 4 jam)

perlakuan panas temper ( 600oC) (Bakri & Chandrabakty, 2006).

Gambar 2.6. Efek perlakuan panas temper terhadap sifat mekanis material

(Jurnal SMARTek, 2006)

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

0 1 2 3 4

Waktu Temper ( Jam)

Ket

angg

uhan

(J/m

m2)

Standar (Tanpa Perlakuan Panas)

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4

Waktu Temper ( Jam)

Keku

atan

Tar

ik (N

/mm

2) Austenit + Quenching


II-14

Quenching (pencelupan dari suhu tinggi): dilakukan pada bahan agar larutan

padat yang terbentuk pada solution treatment tetap ada pada temperatur rendah.

Untuk menghindari terjadinya presipitasi yang cukup besar selama proses

pendinginan maka perlu dipenuhi persyaratan seabagai berikut :

Waktu yang diperlukan untuk memindahkan komponen dari tungku

(furnace) ke media pendingin harus cukup singkat.

Volume, kapasitas penyerapan panas dan laju aliran media pendingin

dipilih sedemikian hingga tidak terjadi presipitasi selama pendinginan

2. Pengerasan (Hardening)

Hardness : fungsi dari kandungan karbon dari baja. Hardening baja mengalami

perubahan dalam struktur BCC pada temperatur ruang ke FCC dalam Austenitic

region.

Baja dipanaskan Autenitic region kemudian di-Quenching tiba-tiba sehingga

Martensite terbentuk dengan struktur sangat kuat dan brittle. Quenching lambat

menimbulkan Austenite and Pearlite terbentuk yang sebagian keras dan

sebagian lunak. Cooling rate lambat membentuk Pearlite yang lunak (soft).

Gambar 2.7. Mikrostruktur

Kemampu Kerasan (Hardenability) adalah kemampuan bahan untuk dikeraskan.

Baja bertransformasi cepat dari austenit membentuk ferit dan karbida dengan

kemampu kerasan rendah, martensit tidak terbentuk (krn transformasi suhu


II-15

tinggi). Baja bertransformasi lambat dari austenit membentuk ferit dan karbida

yang kemampu kerasan besar

3. Modifikasi Material (Material Modification)

Perlakuan panas digunakan untuk memodifikasi sifat material menurut

hardening dan softening. Proses ini memodifikasi sifat baja dalam sifat yang

mengungtungkan untuk memaksimalkan penggunaan material seperti stress

relieving, atau sifat kekuatan.

http://www.efunda.com/processes/heat_treat/matl_modify/stress_relieving.cfm



hand out material

Documents