19/03/2015

1

Sistem Besi-Karbon

Nurun Nayiroh, M.Si

MK: TRANSFORMASI FASA

Pertemuan Ke-6

Sistem Besi-Karbon

• Besi dengan campuran karbon adalah bahan yang paling banyak digunakan diantaranya adalah baja.

• Kegunaan baja sangat bergantung dari pada sifat – sifat baja yang sangat bervariasi yang diperoleh dari pemaduan dan penerapan proses perlakuan panas.

• Sifat mekanik dari baja sangat bergantung pada struktur mikronya. Sedangkan struktur mikro sangat mudah dirubah melalui proses perlakuan panas.

• Baja adalah paduan besi dengan kandungan karbon sampai maksimum sekitar 1,7% . Paduan besi dengan karbon di atas 1,7% disebut dengan besi cor (cast iron)

Sistem Besi-Karbon

• Beberapa jenis baja memiliki sifat – sifat yang tertentu sebagaimana akibat penambahan unsur paduan. Salah satu unsur paduan yang sangat penting yang dapat mengontrol sifat baja adalah karbon (C).

• Jika besi dipadu dengan karbon, transformasi yang terjadi pada rentang temperatur tertentu erat kaitannya dengan kandungan karbon.

• Diagram yang menggambarkan hubungan antara temperatur dimana terjadinya perubahan fasa selama proses pendinginan dan pemanasan yang lambat dengan kadar karbon disebut dengan diagram fasa besi-karbon

• Diagram ini merupakan dasar pemahaman untuk semua operasi – operasi Perlakuan Panas

DIAGRAM FASA BESI – BESI CARBIDA (Fe – Fe3C)

Diagram fasa

besi – besi

karbida

dibatasi

sampai

komposisi

karbon 6,7

%wt. Diatas

6,7 wt%

bahan

digolongkan

ke dalam

bahan grafit

19/03/2015

2

1

2

Besi murni

• Pada temperatur ruang disebut ferit atau besi

α yang mempunyai struktur kristal BCC.

• Ferit akan berubah menjadi austenit atau besi

γ pada temperatur 912 0C (1674 0F) dengan

struktur kristal FCC.

• Pada temperatur 1538 0C (2800 0F) austenite

akan berubah menjadi besi ferit δ dan struktur

kristal BCC.

Penjelasan gambar Diagram Fasa Besi-Besi Karbida

Baja dan Besi Tuang

• adalah besi yang mempunyai kadar karbon

lebih kecil dari 6,7 wt%.

• Pada 6,7wt% terdapat kandungan Fe3C

sebesar 100 %wt, sehingga kandungan karbon

6,7 wt% disebut juga mempunyai kandungan

100 wt% Fe3C (cementite).

Struktur Mikro dan Sifat Mekanik

• Struktur mikro dan sifat yang diinginkan dalam pembuatan baja dapat diperoleh melalui proses pemanasan dan pendinginan pada temperatur tertentu.

• Jika struktur mikronya diamati dengan menggunakan mikroskop, maka akan tampak bahwa baja tersebut memiliki struktur yang berbeda-beda.

• Jenis struktur yang ada sangat dipengaruhi oleh kamposisi kimia dari baja dan jenis perlakuan panas yang diterapkan pada baja tersebut.

• Struktur yang akan ada pada suatu baja adalah ferit, Perlit, bainit, martensit, sementit dan karbida lainnya

19/03/2015

3

Besi αααα (ferit) • Komposisi maksimum C adalah 0,022 wt% pada 727 0C

(1341 0F). Struktur kristalnya BCC.

• Sifat bahan :– Lunak, ulet dan memiliki kekerasan sekitar 70-100 BHN

– Memiliki konduktivitas tinggi

– Bisa dibuat magnet pada temperatur dibawah 768 0C

– Kerapatan : 9,88 gr/cm3

Besi γ γ γ γ ((((Austenite)

• Maksimum karbon 2,11wt% pada 11480C. Struktur kristal FCC.

• Austenite bersifat non magnet.

1

Besi δδδδ (ferit δδδδ)

• Mempunyai bentuk yang sama dengan ferit α hanyatemperatur yang berbeda yaitu antara 1394 0C sampai 1538 0C.

Cementite (Fe3C) :

• Terbentuk ketika batas kelarutan karbon pada besi αterlewati pada temperatur di bawah 727 0C.

• Fe3C juga terbentuk dengan fasa γ pada temperatur 727 s/d 11480C.

• Sifat mekanik cementite adalah keras dan rapuh.

• Kekuatan beberapa baja bisa ditingkatkan dengan kandungan cementite.

2

• Reaksi eutectic terjadi pada 4,3 wt% C dan

temperatur 1148 0C

• Reaksi eutectoid terjadi pada 0,77 wt% C dan

temperatur 727 0C :

Perlit

• adalah campuran sementit dan ferit yang memiliki kekerasan sekitar 10-30 HRC.

• Jika baja eutektoid (0,8%C) diaustenisasi dan didinginkan dengan cepat ke suatu temperatur, misalnya ke temperatur 7000C dan dibiarkan pada temperatur tersebut sehingga terjadi transformasi isotermal, maka austenit akan mengurai dan membentuk perlit melalui proses pengintian (nukleasi) dan pertumbuhan.

• Perlit yang terbentuk berupa campuran ferit dengan sementit yang tampak seperti pelat-pelat yang tersusun bergantian.

19/03/2015

4

Skema representasi mikrostruktur untuk paduan besi-karbon pada komposisi

autectoid (0,76 %wt C) di bawah dan di atas temperatur eutectoid

Transformasi fasa

terjadi dari daerah γ ke

daerah α + Fe3C. Pada

titik eutectoid

austenite dengan

komposisi 0,77 wt% C

akan berubah menjadi

ferit (0,022 wt% C) dan

Fe3C (6,7 wt% C).

BAINIT

• Bainit adalah suatu fasa yang diberi nama sesuai dengan nama penemunya yaitu E.C. Bain.

• Bainit merupakan fasa yang kurang stabil (metastabil) vang diperoleh dari austenit pada temperatur yang lebih rendah dari temperatur transformasi ke perlit dan lebih tinggi dari temperatur transformasi ke Martensit.

• Sebagai contoh jika baja eutektoid yang diaustenisasi didinginkan dengan cepat ke temperatur sekitar 250 -5000C dan dibiarkan pada temperatur tersebut, hasil transformasinya adalah berupa struktur vang terdiri dari ferit dan sementit (struktur bainit) tetapi bukan perlit

• Kekerasannya bervariasi antara 45-55 HRC tergantung pada temperatur transformasinya.

• Ditinjau dari temperatur transformasinya, jika terbentuk pada temperatur yang relatif tinggi disebut Upper Bainite sedangkan jika terbentuk pada temperatur yang lebih rendah disebut sebagal Lower Bainite.

• Struktur upper bainite seperti perlit yang sangat halus sedangkan lower bainite menyerupai martensit temper.

19/03/2015

5

MARTENSIT

• Martensit adalah fasa yang ditemukan oleh

seorang metalografer yang bernama A. Martens.

• Fasa tersebut merupakan larutan padat dari karbon

yang lewat jenuh pada besi alfa sehingga kisi-kisi

sel satuannya terdistorsi.

• Sifatnya sangat keras dan diperoleh jika baja dari

temperatur austenitnya didinginkan dengan laju

pendinginan yang lebih besar dari laju pendinginan

kritiknya.

• Dalam paduan besi karbon dan baja, austenit merupakan fasa induk dan bertransformasi menjadi martensit pada saat pendinginan.

• Transformasi ke martensit berlangsung tanpa difusi sehingga komposisi yang dimiliki oleh martensit sama dengan komposisi austenit, sesuai dengan komposisi paduannya sel satuan martensit adalah Tetragonal pusat badan (Body center tetragonal/BCT).

• Atom karbon dianggap menggeser kisi kubus menjadi tetragonal.

• Kelarutan karbon dalam BCC menjadi lebih besar jika terbentuk martensit, dan hal inilah yang menyebabkan timbulnya tetragonalitas (BCT).

• Pembentukan martensit secara umum tidak tergantung pada waktu.

Foto mikrografi (a) α-ferit (90 x) dan (b) austenit (325 x) BESI PADUAN (FERROUS ALLOY)

• Besi paduan Adalah paduan dimana besi sebagai komponen utama dan karbon beserta komponen –komponen lainnya sebagai bahan paduan.

• Berdasarkan kandungan paduan, besi paduan di bagi atas:– Besi (iron)

– Baja (steel)

– Besi tuang (cast iron).

• Besi murni : kandungan karbon kurang dari 0,008 wt%, dan strukturnya ferit pada temperatur ruang.

• Baja : kandungan karbon antara 0,008 – 0,11 wt% C struktur kristal : α + Fe3C.

• Besi tuang : kandungan karbon antara 1,11 – 6,7 wt% C. Besi tuang komersial biasanya kandungan karbon < 4,5wt% C.

19/03/2015

6

PADUAN HYPOEUTECTOID

• Pembentukan fasa α + Fe3C dengan komposisi

di bawah titik eutectoid disebut paduan

hypoeutectoid. Proses pembentukannya bisa

dilihat pada gambar 9.27.

• Struktur kristal yang terbentuk mempunyai

fasa pearlite dan proeutectoid α.

• Proeutectoid ferit (α) adalah ferit yang

terbentuk sebelum terbentuknya pearlite.

Pada pembentukan hypoeutectoid:

(lihat Gambar 9.29)

19/03/2015

7

Paduan Hypereutectoid

Pembentukan fasa α + Fe3C dengan komposisi di atas

titik eutectoid disebut paduan hypereutectoid. (gb.

9.30).

Proeutectoid sementit adalah : sementit yang terbentuk

sebelum terbentuknya pearlite

19/03/2015

8

Contoh Soal

Untuk paduan 99,65 wt% Fe – 0,35 wt% C

pada temperatur sedikit di bawah titik

eutectoid, carilah:

a. fraksi total fase ferit dan sementit.

b. fraksi ferit proeutectoid dan pearlite

proeutectoid.

c. fraksi ferit eutectoid.

Jawab

a. fraksi total fase ferit dan sementit

C0' = 0,35 wt% C

dan

b. fraksi ferit proeutectoid dan pearlite proeutectoid:

dan

c. fraksi ferit eutectoid

Semua ferit, baik sebagai proeutektoid ataupun sebagai

eutektoid (dalam pearlit). Maka jumlah kedua fraksi ferit ini

sama dengan jumlah total ferit, sehingga:

Wα ’ + Wal = Wαdimana Wal adalah fraksi total paduan yang berupa ferit

eutektoid. Maka:

Wal=Wα −Wα '=0,95−0,56=0,39

PENGARUH ELEMEN PADUAN LAINNYA

• Elemen paduan lain seperti Cr, Ni, Ti, dll, memberikan pengaruh yang besar pada diagram fasa Fe – C.

• Unsur - unsur paduan seperti Karbon, mangan, chrom, wolfram, Molibden dan Vanadium banyak digunakan pada baja - baja perkakas (seperti pada baja Cold-worked, baja hot-worked dan HSS) untuk meningkatkan ketahanan baja tersebut terhadap keausan dan memelihara stabilitas baja tersebut pada temperatur tinggi.

• Keberadaan unsur paduan tersebut padabaja akan menimbulkan terbentuknya karbida seperti: M3C, M23C6, M6C, M7C3 dimana M menyatakan atom-atom logam sedangkan C menyatakan kadar karbon.

19/03/2015

9

• Banyaknya karbida yang ada pada suatu baja perkakas tergantung pada prosentase karbon dan unsur paduan serta tergantung pada jenis karbida yang akan terbentuk.

• Pada baja hypereutektoid yang sudah dikeraskan, keberadaan karbida adalah sekitar 5-12%. Sedangkan pada struktur yang dianil, jumlah tersebut akan bertambah banyak. Pada saat diaustenisasi, karbida-karbida ini akan memperkaya austenit dengan karbon dan unsur-unsur paduan.

• Unsur paduan yang memperkaya austenit

seperti: Cr, W, Mo atau V akan menciptakan

kondisi yang dapat mempermudah

terbentuknya presipitasi karbida - karbida

pada saat dikeraskan maupun pada saat

ditemper. Kondisi seperti itu dapat

meningkatkan stabilitas termal dari baja ybs

dan juga meningkatkan kekerasan sekitar 3-5

HRC.