SUSUNAN PADUAN

Definisi

Suatu paduan(alloy) campuran bahan yang memiliki sifat sifat logam, terdiri dari dua atau lebih komponen(unsur), dan sedikitnya satu nkomponen utamanya adalah logam.suatu sistem paduan adalah suatu sistem yang terdiri dari semua paduan yang dapat terbentuk dari beberapa unsur dengan semua macam komposisi yang mungkin dapat dibuat.

Paduan dapat diklasifikasikan menurut strukturnya, dan sistem paduan diklasifikasikan menurut diagram kesetimbangannya (diagram fasenya)

Suatu paduan dapat berupa susunan yang homogen atau campuran (mixture).jika berupa susunan yang homogen paduan akan terdiri dari satu fase tunggal dan bila berupa campuran paduan akan terdiri dari beberapa fase.

Fase (phase) adalah bagian dari material, yang homogen komposisi kimia dan strukturnya, dapat dibedakan secara fisik, dapat dipisahkan secara mekanik dari bagian lain material itu. Suatu fase dapat dibedakan dari fase lain dengan melihat keadaan fisiknya, ada fase gas, cair dan padat. Bagian material dengan komposisi kimia yang berbeda dikatakan sebagai fase yang berbeda . struktur latice juga membedakan satu fase dengan fase lain.

Pada paduan dalam keadaan padat ada tiga kemungkinan macam fase, yaitu sebagai:

1.Logam Murni Pada kondisi seimbang (equilibrium), suatu logam murni akan mengalami perubahan fase pada suatu temperatur tertentu, perubahan fase dari padat ke cair akan terjadi pada temperatur tertentu, dinamakan titik cair, dan perubahan ini berlangsung pada temeperatur tetap hingga seluruh perubahan selesai.

2. Senyawa (Compound) Senyawa adalah gabungan dari beberapa unsur dengan perbandingan tertentu dan tetap. Senyawa mempunyai sifat dan struktur yang sama sekali berbeda dari unsur unsur pembentuknya. Senyawa juga mempunyai titik lebur dan titik beku yang tetap, seperti pada logam murni.Ada tiga macam senyawa yang sering dijumpai, yaitu:

1. Senyawa Intermetalik, biasanya terbentuk dari logam logam yang sifat kimianya sangat berbeda dan kombinasinya mengikuti aturan valensi kimia. Ikatan atom-atomnya sangat kuat (ionik atau kovalen),sehingga sifatnya seperti non-metal, keuletan rendah, konduktifitas listrik juga rendah dan struktur kristalnya kompleks. Contohnya: CaSe, Mg2Pb, Mg2Sn, Cu2Se.

2. Senyawa Interstisi, terbentuk dari logam logam transisi seperti Scandium (Sc), Titanium (Ti), Tantalum (Ta), Wolfram (W), dan besi (Fe) dengan H, O, C, Bo dan N. Kelima unsur ini diameter atomnya sangat kecil sehingga dapat masuk ke dalam kisi kristal logam di atas secara interstisi. Senyawa interstisi bersifat metalik, komposisi kimia mungkin dapat bervariasi dalam daerah yang sempit, titik leburnya tinggi dan sangat keras. Contohnya: Fe3C, TiC, TaC, W2C, Fe4N, CrN, TiH.

3. Senyawa elektron, terbentuk diantara logam logam Cu, Au, Ag, Fe, dan Ni dengan Cd, Mg, Sn, Zn, dan Al. Senyawa ini terjadi dengan komposisi kimia sedemikian rupa sehingga mendekati perbandingan jumlah elektron valensi dengan jumlah atom yang tertentu. Senyawa ini sifatnya sudah mendekati larutan padat, seperti komposisi yang bervariasi, keuletan tinggi, kekerasan rendah.

ELECTRON-ATOM

RATIO 3:2

(BCC STRUCTURE)

ELECTRON-ATOM

RATIO 21:13

(COMPLEX CUBIC)

ELECTRON-ATOM

RATIO 7:4

(CPH STRUCTURE)

AgCd

AgZn

Cu2Al

AuMg

FeAl

Cu2Sn

Ag2Cd3

Cu2Al3

Cu3Sn4

AuZn

FeZn

Cu2Zn

AgCd3

Ag2Al3

AuZn3

Cu3Si

FeZn2

Ag3Sn

3. Larutan padat (Solid Solution) Suatu larutan terdiri dari dua bagian, yaitu solute (terlarut) dan solvent (pelarut). Solute merupakan bagian yang lebih sedikit, sedangkan solvent adalah bagian yang lebih banyak. Ada tiga kemungkinan kondisi larutan, yaitu:

1. Unsaturated (tidak jenuh), bila jumlah solute yang terlarut masih dibawah jumlah yang mampu dilarutkan oleh solvent pada tekanan dan temperatur tertentu.

2. Saturated (jenuh), bila jumlah solute yang terlarut tepat mencapai batas kelarutannya dalam solvent.

3. Supersaturated (super jenuh), bila jumlah solute yang larut telah melewati batas kelarutannya pada temperatur dan tekanan tertentu.

Dalam keadaan lewat jenuh larutan berada dalam kondisi tidak equilibrum, ia tidak stabil. Dalam jangka waktu lama atau dengan penambahan sedikit energi saja cenderung akan menjadi stabil,dengan terjadinya pemisahan(pengndapan) solute.sehingga larutan menjadi larutan jenuh.

Suatu larutan padat adalah larutan dalam keadaan padat, terdiri dari dua atau lebih jenis atom yang berkombinasi dalam satu space latice. Larutan padat mempunyai titik beku yang berbeda dari titik beku zat pelarutnya yang murni. Pembekuan solid solutin tidak terjadi pada temperatur tertentu ataupun konstan. Pembekuan berlangsung bersamaan dengan penurunan temperatur.

Dari kurva diatas tampak bahwa pembekuan suatu larutan 50% Sb, 50% Bi terjadi pada temperature yang lebih rendah daripada beku antimon(1770 oF ) dan lebih tinggi dari titik beku bismuth (520 oF ). Larutan mulai membeku pada 940 oF dan selesai pada 660 oF.

Ada dua jenis larutan padat yaitu:

Larutan padat substitusional (substitutional solid solution) Larutan padat Interstitial (interstitial solid solution)

Larutan padat substitusional

Pada larutan padat jenis ini atom solute menggantikan tempat (substitusi) atom solvent dalam struktur lattice solvent. Keseluruhan sistem akan merupakan seri yang kontinyu dari larutan padat, semua komposisi akan selalu merupakan larutan padat.

Pada alloy system ada beberapa faktor yang mempengaruhi kelarutan, yaitu :

1. Crystal structure factor. Complete solid solubility, kemampuan membentuk larutan padat dengan segala komposisi (kelarut-padatan lengkap), tidak akan terjadi bila kedua unsurnya, solute dan solvent, struktur kristalnya tidak sama. Jadi pada substitutional solid soulution kedua unsurnya harus memiliki struktur kristal sama.

2. Relative size factor. Terbentuknya suatu larutan padat akan mudah terjadi bila perbedaan diameter atom tidak terlalu besar, tidak lebih dari 15%. Bila perbedaan ini lebih dari 15% maka kelart-padatannya (solid solubility) akan sangat terbatas. Misalnya timah hitam dengan perak yang memiliki perbedaan diameter atom 20%, maka kelarut-padatan timah hitam pada perak hanya sekitar 1,5%, sedang kelarut-padatan perak dalam timah hitam malah hanya 0,1%.

Antimon dan bismuth dapat saling melarutkan pada segala komposisi, kelarut-padatannya tidak terbatas, karena perbedaan diameter atom hanya 7% dan struktur krsitalnya sama, (rhombohedral). Sedang kelarutan antimon dalam aluminium (fcc), dengan perbedaan diameter atom 2%, hanya 0,1%, karena struktur kristalnya tidak sama.

3. Chemical affinity factor. Makin besar chemical affinity antara dua logam makin kecil kemungkinannya membentuk suatu larutan padat lebih cenderung akan terjadi senyawa. Biasanya makin jauh jarak antara dua unsur dalam Tabel Periodik makin besar pula chemical affinity antara keduanya.

4. Relative-valence factor. Bila solute metal memiliki valensi berbeda dari solvent maka jumlah elektron valensi per atom, disebut juga electron ratio akan berubah. Dan struktur kristal lebih peka terhadap penurunan electron ratio daripada terhadap kenaikan electron ratio. Jadi dengan kata lain logam bervalensi lebih rendah dapat melarutkan lebih banyak logam bervalensi lebih tinggi daripada sebaliknya. Misalnya dalam sistem paduan aluminium-nickel, keduanya fcc, relative size factor 14%. Aluminium bervalensi lebih tinggi, kelarutannya dalam nickel dapat mencapai 5%, tetapi aluminium hanya mampu melarutkan hanya 0,04% nickel.

Dengan memperhatikan keempat faktor di atas akan dapat ditentukan estimasi kelarutan suatu logam dalam logam lain. Perlu diperhatikan bahwa dengan relative size factor yang kurang menguntungkan saja dapat dipastikan bahwa kelarutan akan sangat terbatas. Bila relative size factor menguntungkan barulah ketiga faktor lain akan ikut menentukan derajat kelarutan suatu logam dalam logam lain.

Interstitial solid solution

Larutan ini terbentuk bila atom denagn diameter yang sanagt kecil dapat masuk (menyisip) di rongga antaratom dalam struktur lattice dari solvent dengan diameter atom yang besar. Karena celah (rongga) antar atom dalam suatu struktur lattice sangat kecil maka hanya atom yang sangat kecil, dengan radius kurang dari satu Angstrom, yang dapat menyisip dan membentuk larutan padat interstisial. Atom tersebut adalah hidrogen (0,46 A), boron (0,97), carbon (0,71) dan oksigen (0,60).

Larutan padat interstisial biasanya mempunyai kelart-padatan sangat terbatas, dan biasnya juga tidak penting, kecuali larutan padat karbon dalam besi, yang sangat banyak mempengaruhi struktur dan sifat baja.

Larutan padat, interstisial maupun substitusional mempunyai struktur lattice yang terdistorsi, terutama di sekitar tempat solute atom.

Gambar 4.3. Schematic representation of both types of solid solutions (a) Substituonal (b) Interstitial

Distorsi ini akan mengganggu gerakan dislokasi pada bidang slip dan karenanya adanya solute atom akan menaikkan kekuatan suatu paduan. Hal ini merupakan salah satu dasar penguatan logam dengan pemaduan.

Berbeda dengan intermetallic dan interstitial compound, larutan padat mudah dipisahkan.diuraikan, mencair pada daerah temperatur tertentu, sifatnya dipengaruhi oleh

sifat solvent dan solute, komposisinya dapat bervariasi sangat luas, sehingga tidak dapat dinyatakan dengan suatu rumus kimia.

Pada skema di bawah dapat dilihat bagaimana kemungkinan struktur suatu paduan. Dan perlu diingat bahwa dalam suatu paduan seringkali strukturnya merupakan kombinasi dari beberapa fase.

Gambar 4.4 Possible alloy structures