MAKALAH

TEKNOLOGI BAHAN

DIAGRAM FASA

Disusun oleh :

Asep Kamalia Rizqi (04)

Febri Dwi Siswanto (08)

Hendra Utama (10)

M. Fajar Hidayat (12)

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

POLITEKNIK NEGERI SEMARANG

2012

1

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah hirabbilalamin, puji syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT. yang

telah melimpahkan nikmat dan hidayahnya kepada kami, sehingga kami dapat menyelesaikan

penulisan makalah ini. Makalah ini sedikit membahas mengenai diagram fasa.

Dengan adanya makalah ini diharapkan dapat membantu mahasiswa dalam memahami

diagram fasa, mulai dari teori, cara pembacaannya, serta penerapannya pada saat kegiatan

belajar mengajar maupun praktek di lapangan.

Kami menyadari dalam penyusunan makalah ini masih banyak kekurangan, oleh karena itu kami

harapkan kritikan dan saran yang bersifat membangun guna perbaikan dari makalah Ini. Mudah-

mudahan makalah ini bermanfaat bagi kita semua.

Atas perhatiannya kami ucapkan terima kasih.

Semarang, Mei 2012

Penyusun

2

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR .................................................................................................................2

DAFTAR ISI ................................................................................................................................3

DAFTAR GAMBAR ...................................................................................................................4

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang ..................................................................................................................5

1.2 Tujuan ...............................................................................................................................5

1.3 Manfaat .............................................................................................................................5

BAB II LANDASAN TEORI

2.1 Dasar Teori ..........................................................................................................................

2.2 Diagram Fasa ( Diagram Keseimbangan ) ..........................................................................

2.3 Tipe Diagram Fasa ..............................................................................................................

A. Diagram fasa 2D ............................................................................................................

B. Diagram fasa 3D ............................................................................................................

2.4 Batas Daya Larut Padat Pada Logam ...................................................................

2.5 Komposisi Fasa ...................................................................................................................

2.6 Kuantitas Fasa .....................................................................................................................

BAB III KESIMPULAN DAN SARAN

3

DAFTAR GAMBAR

Gb. Diagram Pb – Sn

Gb. Diagram Fasa Cu-Ni

Gb. Tipe Diagram Fasa

Gb. Diagram Tekanan - Temperatur

Gb. Diagram paduan Pb-Sn

Gb. Komposisi Fasa

Gb. Kuantitas Fasa ( paduan Pb – Sn )

Gb. Diagram keseimbangan besi – karbon

Gb. Kurva pendingin besi murni

Gb. Reaksi eutektik

Gb. Pergeseran titik eutectoid

4

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pengenalan bahan teknik mempelajari tentang material – material, cara

pembuatan, penerapan di lapangan, dan juga teori-teori mengenai bahan teknik. Salah

satunya adalah diagram fasa, dimana kita dapat mengetahui bahan-bahan pada fase liquid

(cair), padat, atau gas.

1.2 Tujuan

Diharapkan mahasiswa memahami diagram fasa, tahu cara membacanya dan

lebih mengenal fase-fase zat yang ada di sekitar kita.

1.3 Manfaat

Mahasiswa mudah menggetahui fase zat karena telah disusun dalam sebuah diagram.

5

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Dasar Teori

Pada umumnya logam tidak berdiri sendiri atau keadaan murni, tetapi lebih banyak

dalam keadaan dipadu atau logam paduan dengan kandungan unsur-unsur tertentu sehingga

struktur yang terdapat dalam keadaan setimbang pada temperatur dan tekanan tertentu akan

berlainan. Kombinasi dua unsur atau lebih yang membentuk paduan logam akan menghasilkan

sifat yang berbeda dari logam asalnya.Tujuan pemaduan adalah untuk memperbaiki sifat logam

Sifat yang diperbaiki adalah kekuatan, keuletan, kekerasan, ketahanan korosi, ketahanan aus,

ketahanan lelah, dll. Komponen-komponen umum diagram fase adalah garis kesetimbangan,

yang merujuk pada garisyang menandakan terjadinya transisi fase. Fasa pada suatu material

didasarkan atas daerah yang berbeda dalam struktur atau komposisi dari daerah lainnya.Fasa

adalah bagian homogen dari suatu sistem yang memiliki sifat fisik dan kimia yang

seragam.Untuk mempelajari paduan dibuatlah kurva yang menghubungkan antara fasa,

komposisi dan temperatur.Diagram fasa adalah suatu grafik yang merupakan representasi

tentang fasa-fasa yang ada dalam suatu material pada variasi temperatur, tekanan dan

komposisi.Pada umumnya diagram fasa dibangun pada keadaan kesetimbangan (kondisinya

adalah pendinginan yang sangat lambat). Diagram ini dipakai untuk mengetahui dan

memprediksi banyak aspek terhadap sifat material.

Informasi penting yang dapat diperoleh dari diagram fasa adalah:

1. Memperlihatkan fasa-fasa yang terjadi pada perbedaan

komposisi dan temperatur dibawah kondisi pendinginan yang

sangat lambat.

2. Mengindikasikan kesetimbangan kelarutan padat satu unsur atau

senyawa pada unsur lain.

3. Mengindikasikan pengaruh temperatur dimana suatu paduan

dibawah kondisi kesetimbangan mulai membeku dan pada

rentang temperatur tertentu pembekuan terjadi.

4. Mengindikasikan temperatur dimana perbedaan fasa-fasa mulai

mencair.

6

2.2 Diagram Fasa ( Diagram Keseimbangan )

Seperti pada diagram Pb – Sn adalah diagram fasa yang digunakan sebagai peta yang

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

keseimbangan, yaitu semua reaksi yang mungkin terjadi telah selesai.

Gb. Diagram Pb – Sn

Pada diagram tersebut pada komposisi 50% Sn dan suhu 100 C, menunjukkan bahwa terdapat

dua fasa padat yaitu fasa α dan fasa β.

Pada komposisi yang sama pada suhu 200 C terdapat fasa α dan cairan. |Dan pada suhu 250 C

seluruh larutan berupa cairan. Sebaliknya pada komposisi 80% Sn dan suhu 200 C terdapat

fasa β dan cairan. Dan pada komposisi 10% Sn dan suhu 200 C hanya terdapat fasa α saja.

7

Daerah fasa dalam diagram keseimbangan tergantung pada system paduannya. Untuk diagram

keseimbangan tembaga dan nikel bentuk diagramnya sederhana karena hanya ada satu macam

fasa dari kedua logam tersebut.

Gb. Diagram Fasa Cu-Ni

Pada bagian bawah dari diagram, semua paduan membentuk satu larutan padat yang

terdiri dari satu struktur kristal yaitu kps. Karena tembaga dan nikel mempunyai struktur

kristal kps dan ukuran kedua atom hampir sama sehingga tembaga dapat saling menggantikan

dalam kristal dengan segala perbandingan pada suhu 1000 C.

Jenis pemaduan:

1. Unsur logam + unsur logam

Contoh: Cu + Zn; Cu + Al; Cu + Sn.

2. Unsur logam + unsur non logam

Contoh: Fe + C.

8

2.3 Tipe Diagram Fasa

Gb. Tipe Diagram Fasa

A. Diagram Fasa Tipe 2D

Diagram fase yang paling sederhana adalah diagram tekanan- temperatur dari zat tunggal,seperti air.Sumbu-sumbu diagram berkoresponden dengan tekanan dan temperatur.Diagram fase pada ruang tekanan-temperatur menunjukkan garis kesetimbangan atau sempadan fase antara tiga fase padat,cair,dan gas.

Gb. Diagram Tekanan - Temperatur

9

Diagram fase yang umum.Garis titik-titik merupakan sifat anomali air.Garis berwarna hijau menandakan titik beku dan garis biru menandakan titik didih yang berubah-ubah sesuai dengan tekanan.

Penandaan diagram fase menunjukkan titik-titik dimana energi bebas bersifat non-analitis.Fase-fase dipisahkan dengan sebuah garis non-analisitas, dimana transisi fase terjadi, dan disebut sebagai sempadan fase.

Pada diagaram di atas, sempadan fase antara cair dan gas tidak berlanjut sampai takterhingga. Ia akan berhenti pada sebuah titik pada diagaram fase yang disebut sebagai titik kritis. Ini menunjukkan bahwa pada temperatur dan tekanan yang sangat tinggi, fase Cair dan gas menjadi tidak dapat dibedakan yang dikenal sebagai fluida super kritis.

Pada air, titik kritis ada pada sekitar 647K dan 22,064MPa(3.200,1psi). Keberadaan titik kritis cair-gas menunjukkan ambiguitas pada definisi diatas.Ketika dari cair menjadi gas,biasanya akan melewati sebuah sempadan fase,namun adalah mungkin untuk memilih lajur yang tidak melewati sempadan dengan berjalan menuju fase superkritis.Oleh karena itu,fase cair dan gas dapat dicampurt erusmenerus.

Sempadan padat-cair pada diagram fase kebanyakan zat memiliki gradien yang positif.Hal ini dikarenakan fase padat memiliki densitas yang lebih tinggi dari pada fase cair,sehingga peningkatan tekanan akan meningkatkan titik leleh.Pada beberapa bagian diagram fase air,sempadan fase padat-cair air memiliki gradien yang negatif,menunjukkan bahwa es mempunyai densitas yang lebih kecil daripada air.

B. Diagram fasa tipe 3D

Adalah mungkin untuk membuat grafik tiga dimensi (3D) yang menunjukkan tiga kuantitas

termodinamika. Sebagai contoh, untuk sebuah komponen tunggal, koordinat 3D Cartesius dapat

menunjukkan temperatur (T), tekanan (P), dan volume jenis (v). Grafik 3D tersebut kadang-

kadang disebut diagram P-v-T. Kondisi kesetimbangan akan ditungjukkan sebagai permukaan

tiga dimensi dengan luas permukaan untuk fase padat, cair, dan gas.

Garis pada permukaan tersebut disebut garis tripel, di mana zat padat, cair, dan gas dapat

berada dalam kesetimbangan. Titik kritis masih berupa sebuah titik pada permukaan bahkan

pada diagram fase 3D.

Proyeksi ortografi grafik P-v-T 3D yang menunjukkan tekanan dan temperatur sebagai sumbu

vertikal dan horizontal akan menurunkan plot 3D tersebut menjadi diagram tekanan-temperatur

2D. Ketika hal ini terjadi, permukaan padat-uap, padat-cair, dan cair-uap akan menjadi tiga

kurva garis yang akan bertemu pada titik tripel, yang merupakan proyeksi ortografik garis tripel.

10

2.4 Batas Daya Larut Padat Pada Logam

Gb. Diagram paduan Pb-Sn

Pada diagram bahan padat yang kaya Pb terdapat atom Sn yang larut dalam struktur kps.

( Berbeda pada NaCl tidak larut dalam struktur kristal Es dalam jumlah yang berarti )

Pada suhu 183 C batas daya larut Sn sekitar 29% atom ( 19% berat) dalam bahan padat yang

kaya Pb.

Semakin tinggi suhu larutan padat batas daya larutnya semakin rendah Contoh : Pada 300 C

ada 10% atom ( 6% berat ) Sn yang larut pada Pb

Demikian halnya pada 183 C bahan padat yang kaya Sn dapat mengandung 2.5% berat Pb

yang larut pada struktur tpr ( Sn)

Sesuai perjanjian kedua fasa disebut α ( dengan struktur kristal kps) dan β ( dengan struktur

kristal tpr) dari system Pb – Sn

11

Batas daya larut padat mempunyai harga maksimum pada suhu eutektik. Baik diatas

maupun dibawah 183 C jumlah Sn yang dapat larut dalam α kps yang kaya Pb menurun. Hal

yang serupa terjadi pada Pb pada 183 C, maksimum 2,5% berat Pb larut dalam β tpr yang kaya

Sn.

2.5 Komposisi Fasa

Diagram keseimbangan selain berguna sebagai peta , juga memberikan komposisi kimia fasa

yang terdapat pada keadaan seimbang setelah semua reaksi berakhir.

Gb. Komposisi Fasa

Daerah Fasa Tunggal

Pada fasa tunggal ( keseluruhan logam dalam keadaan padat atau cair ) komposisi kimianya

sesuai dengan paduannya.

Misalnya dalam paduan 60Sn dan 40 Pb pada 225 C cairan mempunyai komposisi 60 – 40,

hal serupa berlaku untuk diagram fasa dengan larutan padat fasa tunggal.

Daerah dua fasa

Komposisi kedua fasa terdapat pada kedua ujung garis isotermis yang melintasi daerah dua

fasa.

12

Sebagai contoh paduan timah patri 80Pb – 20Sn pada 150 C. Pada diagram dapat dilihat

bahwa α mempunyai komposisi 10% Sn dan komposisi β hampir 100% Sn.

Namun pada paduan yang sama dan suhu yang berbeda komposisi α dan β akan berbeda. Hal

ini berdasarkan kenyataan bahwa batas larut Sn dalam α pada 150 C besarnya 10%. Karena

paduan adalah 20%Sn maka α jenuh dengan Sn dan kelebihan Sn terdapat pada β.

Demikian batas daya larut Pb dalam β < 1%, maka hampir seluruh Pb berada dalam fasa α.

Reaksi Eutektik

Cairan yang mempunyai komposisi eutektik (38.1% Pb – 61.9% Sn pada system Pb – Sn )

terurai menjadi fasa padat (α dan β) pada suhu eutektik 183 C . Pda suhu ini saja tiga fasa

berada dalam keseimbangan. Reaksi uetektik dapat ditulis :

didinginkanL → S + S

←Dipanaskan

Catatan : 1,2,3 menunjukkan kadar yang meningkat dari salah satu diantara komponen

2.6 Kuantitas Fasa

Dengan melihat diagram fasa maka dapat mengidentifikasi:

1. Jenis fasa yang telah stabil/seimbang

2. Komposisi kimia

3. Kuantitas setiap fasa yang ada dalam keseimbangan

Daerah dua fasa

13

Kuantitas dari dua fasa ditentukan dengan cara interpolasi komposisi paduan diantara

komposisi kedua fasa itu.

Gb. Kuantitas Fasa ( paduan Pb – Sn )

Sebagai contoh timah patri 80 Pb – 20 Sn pada 150 C, dari diagram terlihat bahwa komposisi

80 Pb- 20 Sn terletak pada titik sejauh 0.11 x jarak komposisi kimia α ( 90 Pb -10 Sn ) dan

komposisi kimia β (< 1 Pb dan ~ 100Sn ).

Sehingga jumlah seluruh patri , fraksi kuantitas β= 0.11 dan α = 0.89 Jumlah ini dapat ditulis

89% untuk massa α dan 11% untuk massa β.

Dalam komposisi yang sama ( 80 Pb – 20 Sn ) pada 250 C dari diagram dapat dilihat bahwa α

( 88 Pb -12 Sn ) dan L ( 64 Pb - 36 Sn ). Komposisi kimi paduan ini secara keseluruhan ( 80 Pb

– 20 Sn ) sama dengan 1/3 jarak antara α dan komposisi cairan. Sehingga jumlah patri

keseluruhan pada 250 C kuantitas fraksi cairan 1/3 bagian dan fraksi padat ( α ) 2/3 bagian.

14

Kuantitas dinyatakan dalam fasa α dan β atau α dan L, sesuatu yang beda dengan komposisi

kimia yang dinyatakan dalam jumlah komponen Pb dan Sn.

Pada Sistem Besi Karbon

Baja merupakan paduan dari besi dan karbon. Besi murni berubah strukturnya pada

912 C dari kpr menjadi kps. Pada 1394 C berubah lagi dari kps menjadi kpr lagi dan kpr ini

stabil sampai besi mencair pada 1538 C.

Gb. Diagram keseimbangan besi - karbon

15

Gb. Kurva pendingin besi murni

16

17

Ferit atau besi α

Struktur besi murni pada suhu ruangan disebut ferit atau besi α . Ferit mempunyai struktur kpr,

ruangan antar atom kecil dan rapat sehingga sulit menampung atom karbon sekalipun kecil.

Oleh sebab itu daya larut karbon dalam ferit rendah ( < 1 karbon per 1000 atom besi ).

Austenit atau besi - .

Besi dengan struktur kps disebut Austenit atau besi - . Besi ini stabil pada suhu antara 912

C dan 1394 C. Austenit mempunyai sifat yang lunak dan ulet sehingga mudah dibentuk. Besi

austenit berstruktur kps yang mempunyai jarak atom yang lebih besar dibanding ferit.

18

Meskipun demikian lubang pada strtuktur kps hampir tidak dapat menampung atom karbon

dan penyisipan ini menyebabkan regangan dalam struktur. Akibatnya tidak semua lobang

dapat diisi atom karbon (~ 6% pada 912 C). Daya larut maksimum 2.11% ( 9%atom) karbon.

Besi- .

Di atas 1394 C austenit bukan bentuk besi yang paling stabil karena struktur kristal

berubah dari kps menjadi kpr atau besi- . Besi- sama dengan besi α kecuali daerah suhunya.

Oleh karena itu biasa disebut ferit . Daya larut karbon dalam ferit kecil, akan tetapi lebih

besar dari pada ferit α , karena suhunya lebih tinggi.

Karbida besi

Pada paduan besi karbon, karbon melebihi daya larut membentuk fasa ke dua yang disebut

karbida besi (sementit) yang mempunyai kompsisi kimia Fe C. Hal ini tidak berarti sementit

membentuk molekul –molekul Fe C, akan tetapi membentuk kisi kristal mengandung atom

besi dan karbon dalam perbandingan tiga – satu.

Fe C mempunyai sel satuan ortorombik ( semua sudut = 90 C dan a ≠ b ≠ c ) dengan 12

atom besi dan 4 atom karbon per sel. Kandungan karbonnya 6.7%(berat) dan berat jenisnya

7,6 Mg/m

Diagram fasa Fe-Fe C

Pada gambar bawah terlihat diagram fasa besi (Fe) dan karbida besi(Fe C). Diagram ini

merupakan landasan untuk memberikan perlakuan panas (kebanyakan jenis baja).

Komposisi eutektik terdapat pada 4.3% (berat) karbon atau 17% atom karbon dan suhu

eutektik adalah 1148 C.

Besi - yang kaya Fe dapat menampung sampai 2.11% (berat) atau 9%(atom) karbon. Atom-

atom karbon ini larut secara intersisi dalam besi kps.

Reaksi eutektik

19

Pada gambar bawah merupakan perbandingan antara penambahan karbon pada austenit

dengan penambahan garam pada air. Pada setiap keadaan penambahan bahan yang dilarutkan

menurunkan jangkauan suhu stabil larutan.

Gb. Reaksi eutektik

Pada system es-garam, larutan cairan ada diatas suhu eutektik, sedangkan pada system besi-

karbon terdapat larutan padat sehingga reaksi eutektik sungguhan tidak terjadi sewaktu

pendinginan. Akan tetapi karena analogi reaksi ini dengan reaksi eutektik, reaksi ini disebut

eutectoid ( secara harfiah berarti seperti eutektik ).

didinginkan Eutektik : L → S + S

←Dipanaskan

Didinginkan

Euitektoid S → S + S ←

Dipanaskan

20

Suhu eutectoid untuk paduan besi – karbon adalah 727 C Komposisi eutectoid terdiri

sekitar 0.8% karbon.

Reaksi eutectoid untuk paduan Fe – C adalah :

723 C (0.77%C ) α ( 0.02% C ) + Fe C ( 6.7% C)

Pergeseran Eutektoid

Pada baja paduan atom karbon dan atom besi saling berkoordinasi dengan atom lain. Oleh

karena itu kadar karbon Euitektoid dan suhu Euitektoid berubah bila ada elemen paduan

lainnya.

Perubahan kadar karbon Euitektoid dan suhu Euitektoid dapat dilihat pada diagram bawah

Gb. Pergeseran titik eutectoid

Dekomposisi Austenit

Selama pendinginan terjadi reaksi eutiktoid Fe – C yang menyangkut pembentukkan ferit

dan karbida C sebagai hasil dekomposisi austenit berkomposisi eutektoid :

( ~ 0.8% C ) → α + C

Dalam campuran yang dihasilkan terdapat ~ 12% karbida dan lebih dari 88% ferit. Karena

karbida dan ferit terbentuk bersama-sama, keduanya bercampur dengan baik.21

Dengan kata lain ferit adalah campuran khusus terdiri dari dua fasa dan terbentuk sewaktu

austenit dengan komposisi eutectoid bertransformasi menjadi ferit dan karbida.

Perlit adalah campuran khusus dari dua fasa dan terbentuk sewaktu austenit dengan komposisi

eutectoid bertransformasi menjadi ferit dan karbid

22