TUGAS BAHAN KONSTRUKSI TEKNIK KIMIA

(Besi dan Paduannya)

Disusun Oleh:

-- Kelompok 2 --

Kelas A

Rumiyati (03101003009)

Zubeir Saleh Daulay (03111003001)

Chega Putri Pratiwi (03111003007)

Firmansyah Putra (03111003013)

Rika Damayanti (03111003021)

Dede Hadi Widianto (03111003031)

Anggi Setiawan (03111003039)

M. Riandi Adiwijaya (03111003053)

Liliana Comeriorensi (03111003061)

Riska Pertiwi (03111003069)

Anissa Nurul Badriyah (03111003075)

Nova Amanda (03111003081)

Aufa Fauzan (03111003091)

Vera Sugi Lestari (03111003101)

Kelas B

Dini Fuadillah Sofyan (03101003038)

Trisna Novitasari (03101003082)

Agus Candra (03101003086)

Mardanila Apriani (03111003006)

Mona Ayu Destia (03111003012)

Dede Anugrah Permana (03111003018)

Ahmad Rumaiza (03111003024)

Putri Rahmi (03111003030)

Karina Mandasari (03111003036)

Jesica Novita (03111003044)

Italiana Hakim (03111003050)

Yuni Simanjuntak (03111003058)

Eni Handayani (03111003074)

Irvan Rizky (03111003084)

Cahyo Nugroho (03111003094)

BESI DAN PADUANNYA

A. Besi (Fe)

Ferrum (Fe) berasal dari bahasa Latin yang berarti besi. Besi adalah logam yang berasal

dari bijih besi (tambang) yang banyak digunakan untuk kehidupan manusia sehari-hari.

Dalam Sistem Periodik Unsur (SPU), besi mempunyai simbol Fe dengan nomor atom 26.Besi

merupakan logam yang melimpah nomor dua setelah logam aluminium dan merupakan unsur

melimpah nomor 4 penyusun kulit bumi, membentuk 5% dari padakerak bumi.

B. Komposisi

Logam dan paduannya adalah salah satu matrial teknik yang porsinya paling banyak

diperlukan dalam kegunaan teknik. Jika diperhatikan komponen mesin, maka sebagian besar

sekitar 80% dan bahkan lebih terbuat dari logam. Selebihnya digunakan material non logam

seperti keramik, glass, polimer dan bahkan material maju seperti komposit.

Gambar 1. Komposisi Logam dan Paduannya

Material logam dikelompokan menjadi dua, yaitu logam besi (ferrous) dan logam non

besi (non ferrous). Logam adalah unsur kimia yang mempunyai sifat-sifat kuat, keras,

penghantar listrik dan panas, serta mempunyai titik cair tinggi. Sedangkan logam non besi

merupakan semua unsur logam yang komposisi utamanya bukan besi. Contohnya adalah

logam dan paduan seperti aluminium, tembaga, timah, emas, magnesium, dan sebagainya.

Untuk logam-logam besi, pembagiannya dapat dilihat dalam tabel berikut:

Tabel 1. Pembagian Paduan Logam Besi Menurut Komposisinya.

No. Paduan Logam Besi Komposisi Kimia (%)

1. Besi Tuang (Cast Iron)

Besi Tuang Lunak

Besi Tuang Kelabu

Besi Tuang Putih

Besi Tuang Noduler

1.7% - 4% C ; 1% - 3% Si ; 0,80% Mn (maks) ;

0,10% P (maks) ; 0,05% S (maks) dengan unsur-

unsur pemadu seperti Cr, Ni, Mo, Al dan logam

lainnya.

2. Baja Paduan Rendah

Baja Karbon Rendah 0.08% - 0.35% C ; 0.25% - 1.50% Mn

Baja Karbon Sedang 0.35% - 0.50% C ; 0.25% - 0.30% Si

Baja Karbon Tinggi 0.55% - 1.70 % C ; 0.04% P ; 0.05% Si

3. Baja Paduan Tinggi

Baja Stainless a. Feritik (12% Cr dan kadar karbon rendah).

b. Martensitik (12% - 17% Cr dan 0.1% - 1% C)

c. Austenitik (17%-25% Cr dan 8% - 20% Ni)

d. Duplek (23% - 30% Cr dan 2.5% - 7% Ni

serta unsur Ti dan Mo.

e. Presipitasi (seperti austenitik dengan unsur

pemadu Cu, Ti, Al, Mo, Nb atau N).

Baja Perkakas a. General Purpose Steels

b. Die Steels

c. High Speed Steels(0.85% - 1.25% C ; 1.50% -

2.0% W ; 4 - 9.5% Mo ; 3% - 4%Cr ; 1% -

4% V ; 5% - 12% Co).

1. Besi Tuang (Cast Iron)

Besi tuang atau besi cor adalah kelompok paduan besi memiliki kadar karbon diatas

1.7% (berat). Dikarenakan elemen utamanya selain C dan Si, juga ada elemen-elemen

pemadu lainnya seperti Mn, S, P, Mg, dan lain-lain dalam jumlah yang sedikit. Sifatnya

sangat getas namun mampu cornya baik dibanding baja. Titik cairnya lebih rendah,

ketahanan korosinya lebih baik, hal ini dikarenakan adanya grafit yang tersebar di dalam

besi tuang.

Berdasarkan jenis matriksnya, besi tuang terdiri dari besi tuang lunak, besi tuang

kelabu, besi tuang putih, dan besi tuang noduler.

2. Baja (Steels)

Baja paduan adalah baja paduan dengan berbagai elemen dalam jumlah total antara

1,0% dan 50% berat untuk meningkatkan sifat mekanik. Baja paduan dipecah menjadi:

a. Baja paduan rendah (low alloy steel)

Baja paduan rendah biasanya digunakan untuk mencapai hardenability lebih baik,

yang pada gilirannya akan meningkatkan sifat mekanis lainnya. Mereka juga digunakan

untuk meningkatkan ketahanan korosi dalam kondisi lingkungan tertentu. Dengan

menengah ke tingkat karbon tinggi, baja paduan rendah sulit untuk las. Menurunkan

kandungan karbon pada kisaran 0,1% menjadi 0,3% bersama dengan beberapa

pengurangan elemen paduan, meningkatkan weldability dan sifat mampu bentuk baja

dengan tetap menjaga kekuatannya. Seperti logam digolongkan sebagai baja paduan

rendah kekuatan tinggi.

Baja paduan rendah dikelompokan menjadi 3, yaitu:

1) Baja Karbon Rendah (low carbon steel)

Baja ini dengan komposisi karbon kurang dari 0.35%.Fasa dan struktur

mikronya adalah ferrit dan perlit. Baja ini tidak bisa dikeraskan dengan cara

perlakuan panas (martensit) hanya bisa dengan pengerjaan dingin. Sifat mekaniknya

lunak, lemah, dan memiliki keuletan dan ketangguhan yang baik. Serta mampu

mesin (machinability) dan mampu las nya (weldability) baik.

2) Baja Karbon Sedang (medium carbon steel)

Baja ini memiliki komposisi karbon antara 0.35%-0.50% C (berat). Dapat

dikeraskan dengan perlakuan panas dengan cara memanaskan hingga fasa austenit

dan setelah ditahan beberapa saat didinginkan dengan cepat ke dalam air atau sering

disebut quenching untuk memperoleh fasa ang keras yaitu martensit. Baja ini terdiri

dari baja karbon sedang biasa (plain) dan baja mampu keras. Kandungan karbon

yang relatif tinggi itu dapat meningkatkan kekerasannya. Namun tidak cocok untuk

di las, dengan kata lain mampu las nya rendah. Dengan penambahan unsur lain

seperti Cr, Ni, dan Mo lebih meningkatkan mampu kerasnya. Baja ini lebih kuat dari

baja karbon rendah dan cocok untuk komponen mesin, roda kereta api, roda gigi

(gear), poros engkol (crankshaft) serta komponen struktur yang memerlukan

kekuatan tinggi, ketahanan aus, dan tangguh.

3) Baja Karbon Tinggi (high carbon steel)

Baja karbon tinggi memiliki komposisi antara 0.55 – 1.7% C (berat).

Kekerasan dan kekuatannya sangat tinggi, namun keuletannya kurang.baja ini cocok

untuk baja perkakas, dies (cetakan), pegas, kawat kekuatan tinggi dan alat potong

yang dapat dikeraskan dan ditemper dengan baik. Baja ini terdiri dari baja karbon

tinggi biasa dan baja perkakas. Khusus untuk baja perkakas biasanya mengandung

Cr, V, W, dan Mo. Dalam pemaduannya unsur-unsur tersebut bersenyawa dengan

karbon menjadi senyawa yang sangat keras sehingga ketahanan aus sangat baik.

b. Baja Paduan Tinggi (high alloy steel)

Baja ini memiliki ketahanan korosi yang baik, terutama pada kondisi atmosfer.

Unsur utama yang meningkatkan korosi adalah Cr dengan komposisi paling sedikit

11% (berat). Ketahanan korosi dapat juga ditingkatkan dengan penambahan unsur Ni

dan Mo. Baja tahan karat dibagi menjadi tiga kelas utama yaitu jenis martensitik,

feritik, dan austenitik. Jenis feritik dan martensitik bersifat magnetis, sedangkan jenis

austenitik tidak magnetis.

C. Diagram Fasa Sistem Besi-Karbon

Diagram fasa adalah diagram yang menampilkan hubungan antara temperaturdi mana

terjadi perubahan fasa selama proses pendinginan dan pemanasanyang lambat dengan kadar

karbon. Diagram ini merupakan dasar pemahaman untuk semua operasi perlakuan panas.

Fungsi diagram fasa adalah memudahkan memilih temperatur pemanasan yang sesuai untuk

setiap proses perlakuan panas baik proses anil, normalizing, maupun proses pengerasan.

Diagram fasa besi – karbon dibatasi sampai komposisi karbon 6,7% berat. Di atas 6,7% berat

bahan digolongkan ke dalam bahan grafit.

Diagram fasa Fe-C, atau biasa disebut diagram kesetimbangan besi-karbon, merupakan

diagram yang menjadi parameter untuk mengetahui segala jenis fasa yang terjadi di dalam

baja, serta untuk mengetahui faktor-faktor apasaja yang terjadi pada paduan baja dengan

segala perlakuannya. Diagram kesetimbangan fasa Fe-Fe3C adalah alat penting untuk

memahami struktur mikro dan sifat-sifat baja karbon. Diagram Fe-Fe3C dapat dianggap

sebagai suatu diagram fase yang metastabil. Kebanyakan baja hanya mengandung besi karbid

dan bukan grafit, sehingga dalam pemakaian diagram Fe-Fe3C sangat penting.

Gambar 2.Diagram Fasa Fe-Fe3C

Karbon larut di dalam besi dalam bentuk larutan padat (solution) hingga 0,05% berat

pada temperatur ruang. Baja dengan atom karbon terlarut hingga jumlah tersebut disebut

dengan alpha (α)-ferit pada temperatur ruang. Pada kadar karbon lebih dari 0,05% akan

terbentuk endapan karbon dalam bentuk hard intermetallic stoichiometric compound (Fe3C)

yang dikenal sebagai Sementit atau karbid. Selain larutan padat alpha-ferit yang dalam

kesetimbangan dapat ditemukan pada temperatur ruang terdapat fase-fase penting lainnya,

yaitu delta (δ)-ferit dan gamma (γ)-austentit. Logam Fe bersifat polymorphism, yaitu

memiliki struktur kristal berbeda pada temperatur berbeda. Pada Fe murni, misalnya, alpha-

feritakan berubah menjadi gamma-austentit saat dipanaskan melewati temperatur 910°C.Pada

temperatur yang lebih tinggi, mendekati 1400°C gamma-austentit akan kembali berubah

menjadi delta-ferit. Alpha (α) dan delta (δ) ferit dalam hal ini memiliki struktur Kristal Body

Centered Cubic (BCC) sedangkan gamma (γ) austentit memiliki struktur Kristal Face

Centred Cubic (FCC).

Gambar3. Ilustrasi struktur kristal BCC Gambar 4. Ilustrasi struktur kristal FCC

1. Ferit

Ferit adalah fase larutan padat yang memiliki struktur BCC (Body Centered Cubic).

Ferit dalam keadaan setimbang dapat ditemukan pada temperature ruang, yaitu alpha-ferit

atau pada temperature tinggi, yaitu delta-ferit. Secara umum fase ini bersifat lunak (soft),

ulet (ductile), dan magnetik (magnetic) hingga temperatur tertentu. Kelarutan karbon di

dalam fase ini relative lebih kecil dibandingkan dengan kelarutan karbon di dalam fase

larutan padat lain di dalam baja, yaitu fase Austentit. Pada temperatur ruang, kelarutan

karbon di dalam alpha-ferit hanyalah sekitar 0,05%.Ruang antara atom-atomnya adalah

kecil dan padat sehingga atom karbon yang dapat tertampung hanya sedikit sekali.

Berbagai jenis baja dan besi tuang dibuat dengan mengeksploitasi sifat-sifat ferit.

Baja lembaran berkadar karbon rendah dengan fase tunggal ferit misalnya, banyak

diproduksi untuk proses pembentukan logam lembaran. Dewasa ini bahkan telah

dikembangkan baja berkadar karbon ultra rendah untuk karakteristik mampu bentuk yang

lebih baik. Kenaikan kadar karbon secara umum akan meningkatkan sifat- sifat mekanik

ferit. Untuk paduan baja dengan fase tunggal ferit, faktor lain yang berpengaruh

signifikan terhadap sifat-sifat mekanik adalah ukuran butir.

2. Sementit

Sementit atau karbid dalam sistem paduan berbasis besi adalah stoichiometric inter-

metallic compound Fe3C yang keras (hard) dan getas (brittle). Nama sementit berasal dari

kata caementum yang berarti stone chip atau lempengan batu. Sementit sebenarnya dapat

terurai menjadi bentuk yang lebih stabil yaitu Fe dan C sehingga sering disebut sebagai

fase metastabil. Namun, untuk keperluan praktis, fase ini dapat dianggap sebagai fase

stabil. Sementit sangat penting perannya di dalam membentuk sifat-sifat mekanik akhir

baja. Sementit dapat berada di dalam sistem besi baja dalam berbagai bentuk seperti

bentuk bola (sphere), bentuk lembaran (berselang seling dengan alpha-ferit), atau

partikel-partikel karbid kecil. Bentuk,ukuran,dan distribusi karbon dapat direkayasa

melalui siklus pemanasan dan pendinginan. Jarak rata-rata antar karbida, dikenal sebagai

lintasan Ferit rata-rata (Ferit Mean Path), adalah parameter penting yang dapat

menjelaskan variasi sifat-sifat besi baja. Variasi sifat luluh baja diketahui berbanding

lurus dengan logaritmik lintasan ferit rata-rata.

3. Perlit

Perlit adalah suatu campuran dari ferit dan sementit. Konstituen ini terbentuk dari

dekomposisi austentit melalui reaksi eutectoid pada keadaan setimbang, di mana lapisan

ferit dan Sementit terbentuk secara bergantian untuk menjaga keadaan kesetimbangan

komposisi eutektoid. Perlit memiliki struktur yang lebih keras daripada ferit, yang

terutama disebabkan oleh adanya fase sementit atau karbid dalam bentuk lamel-lamel.

4. Austentit

Fase austentit memiliki struktur atom FCC (Face Centered Cubic). Dalam keadaan

setimbang, fase austentit ditemukan pada temperatur tinggi. Fase ini bersifat non

magnetik dan ulet (ductile) pada temperatur tinggi. Kelarutan atom karbon di dalam

larutan padat austentit lebih besar jika dibandingkan dengan kelarutan atom karbon pada

fase ferit. Secara geometri, dapat dihitung perbandingan besarnya ruang intertisi di dalam

fase austentit (atau kristal FCC) dan fase ferit (atau kristal BCC).

Perbedaan ini dapat digunakan untuk menjelaskan fenomena transformasi fase pada

saat pendinginan austentit yang berlangsung secara cepat. Selain pada temperatur tinggi,

austentit pada sistem ferrous dapat pula direkayasa agar stabil pada temperatur ruang.

Elemen-elemen seperti mangan dan nikel misalnya dapat menurunkan laju transformasi

dari gamma-austentit menjadi alpha-ferit. Dalam jumlah tertentu elemen-elemen tersebut

akan menyebabkan austentit stabil pada temperatur ruang.

5. Martensit

Martensit adalah mikro konstituen yang terbentuk tanpa melalui proses difusi.

Konstituen ini terbentuk saat austentit didinginkan secara sangat cepat, misalnya melalui

proses quenching pada medium air. Transformasi berlangsung pada kecepatan sangat

cepat, mendekati orde kecepatan suara, sehingga tidak memungkinkan terjadi proses

difusi karbon. Transformasi martensit diklasifikasikan sebagai proses transformasi tanpa

difusi yang tidak tergantung waktu (diffusionless time-independent transformation).

Martensit yang terbentuk berbentuk seperti jarum yang bersifat sangat keras (hard) dan

getas (brittle). Fase martensit adalah fase metastabil yang akan membentuk fase yang

lebih stabil apabila diberikan perlakuan panas. Martensit yang keras dan getas diduga

terjadi karena proses transformasi secara mekanik (geser) akibat adanya atom karbon

yang terperangkap pada struktur kristal pada saat terjadi transformasi polimorf dari FCC

ke BCC. Hal ini dapat dipahami dengan membandingkan batas kelarutan atom karbon di

dalam FCC dan BCC serta ruang intertisi maksimum pada kedua struktur kristal tersebut.

Beberapa jenis baja memiliki sifat-sifat yang tertentu sebagai 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 kaitanya dengan kandungan karbon. Berdasarkan pemaduan antara

besi dan karbon, karbon di dalam besi dapat berbentuk larutan atau berkombinasi dengan besi

membentuk karbida besi (Fe3C).

Jika kadar karbon meningkat maka transformasi austenit menjadi feritakan menurun

dan akan mencapai minimum pada titik prosentase karbon 0,8% pada temperatur 723oC. Titik

ini biasa disebut titik eutektoid. Komposisi eutektoid dari baja merupakan titik rujukan untuk

mengklasifikasikan baja. Baja dengan kadar karbon 0,8% disebut baja eutektoid. Sedang kan

baja dengan kadar karbon kurang dari 0,8% disebut baja hipotektoid.

Jika baja eutektoid didinginkan dari temperatur austenisasinya, maka pada saat

mencapai titik – titik sepanjang garis tersebut akan bertransformasi menjadi suatu campuran

eutektoid yang disebut perlit. Jika baja hypo tektoid didinginkan dari temperatur

austenisasinya, ferit akan terbentuk sepanjang batas butir austenit. Pada titik ini, pengintian

ferit akan terjadi dibatas butir austenit dan mulai saat itu, paduan Fe-C memasuki daerah dua

fasa. Jika pendinginan yang lambat tersebut diteruskan, ferit akan tumbuh. Pada 732oC,

struktur baja terdiri dari austenit dan ferit. Karena kelarutan karbon di ferit sangat rendah,

maka pada saat pertumbuhan ferit akan disertai pembuangan karbon ke austenit yang masih

tersisa sehingga fasa austenit menjadi kaya akan karbon. Pendinginan lanjut dari dari baja

tersebut, pada saat melalui temperatur eutektoidnya, austenit yang tersisa akan

bertransformasi menjadi suatu campuran ferit dan sementit yang berbentuk lamellar (serpih).

Dengan demikian baja dengan kadar karbon 0,4% akan terdiri dari ferit dan perlit.

Perbandingan ferit terhadap perlit sama dengan perbandingan ferit terhadap austenit.

Pendinginan lebih lanjut sampai ke temperatur kamar tidak mempengaruhi struktur mikro

yang sudah ada. Pada saat dipanaskan akan terjadi transformasi yang berlangsung

kebalikanya dari apa yang telah dijelaskan di atas.

Jumlah perlit yang ada pada setiap jenis baja sangat tergantung pada kadar karbonya.

Sebagai contoh, baja dengan 0,2% C akan memiliki sekitar 25% perlit, sedangkan baja

dengan 0,4% C akan memiliki sekitar 50% C. Jika baja hypotektoid didinginkan dari

temperatur austenisasinya, maka akan terjadi pemisahan sementit pada batas butir austenit.

Sebagai contoh jika baja dengan 1,25% C diaustenisasi dan didinginkan perlahan-lahan maka

akan terjadi pemisahan sementit. Dengan adanya pembentukan sementit, kadar karbon

diaustenit akan berkurang dan penurunan kadar karbon tersebut terus berlanjut sampai

mendekati temperatur 723oC. Struktur baja akan terdiri dari campuran austenit dan sementit

di mana sementitnya terbentuk disepanjang batas butir austenit.

Pendinginan lebih lanjut dari baja tersebut melalui temperatur eutektoidnya akan

mengubah seluruh austenit yang tersisa menjadi perlit. Pendinginan lanjut sampai ke

temperatur kamar tidak akan mengubah struktur mikro yang sudah ada. Berdasarkan

penjelasan di atas, struktur baja karbon tergantung dari kadar karbonnya. Hasil pendinginan

yang lambat pada temperatur kamar akan terdiri dari:

1. Ferit, dengan kandungan karbon 0,007% - 0,25% C

2. Ferit dan perlit, dengan kadungan karbon 0,025% - 0,8% C

3. Perlit dan sementit, dengan karbon, 0,8% - 1,7% C

4. Perlit dan grafit, dengan karbon 1,7% - 4,2% C (dengan perlakuan khusus)

Pada Gambar 2. Diagram Fasa Fe-Fe3C, terlihat diagram fasa besi (Fe) dan karbida besi

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

suhu eutektik adalah 1147oC.

Besi gamma (γ) austentit yang kaya Fe dapat menampung sampai 2.11% (berat) atau

9% atom karbon. Atom-atom karbon ini larut secara intersisi dalam besi FCC.

1. Reaksi eutektik

Pada Gambar 5. Reaksi eutektik dan eutektoid, merupakan perbandingan antara

penambahan karbon pada austenit dengan penambahan garam pada air. Pada setiap keadaan

penambahan bahan yang dilarutkan menurunkan jangkauan suhu stabil larutan.

Gambar 5. Reaksi eutektik dan eutektoid

Pada sistem es-garam, larutan cairan berada diatas suhu eutektik, sedangkan pada

sistem 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 eutektoid (secara harfiah berarti seperti eutektik).

Didinginkan

Eutektik : L2 S1 + S3

Dipanaskan

Didinginkan

Euitektoid : S2 S1 + S3

Dipanaskan

Suhu eutektoid untuk paduan besi-karbon adalah 727oC. Komposisi eutektoid terdiri

sekitar 0.8% karbon.

Reaksi eutektoid untuk paduan Fe-C yang terjadi pada 0,77% C (berat) dan temperatur

727oC adalah :

727oC

γ (0.77% C) α (0.022% C) + Fe3C (6.7% C)

2. 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

berikut:

Gambar 6.Perubahan kadar karbon euitektoid dan suhu euitektoid

D. Perhitungan Distribusi Fasa dengan Hukum Lever

Prosedur lever rule (hukum tuas) biasanya digunakan untuk mencari persen atau fraksi

fase. Selain menggunakan hukum lever, digunakan juga garis horizontal (tie

line).Prosedur dari hukum tuas antara lain adalah sebagai berikut:

1. Tarik garis horisontal pada temperatur yang diketahui.

2. Diperoleh komposisi alloy keseluruhan, Co.

3. Fraksi sebuah fase dihitung dengan mengambil panjang dari komposisi

alloy keseluruhan, Co, kebatas fase yang lainnya dan dibagi dengan

panjang total tie line (panjang CL - Cα).

4. Fraksi fase yang lain dilakukan dengan cara yang sama.

Gambar 7. Diagram fase tembaga-nikel

5. Jika diinginkan dalam persen, fraksi dikali 100. Jika komposisi dalam % berat, maka

fraksi adalah fraksi massa (berat).

W l=S

R+S

W l=Cα−Co

Cα−CL

dimana:

WL= fraksi berat fase L

Cα = komposisi fase α

CL= komposisi fase L

Co= komposisi keseluruhan

Sebagai contoh, lihat gambar 7!

W l=42,5−35

42,5−31,5

=0,68

Dengan cara yang sama untuk fase α :

W α=R

R+S

¿Co−CL

Cα−C L

¿ 35−31,542,5−31,5

=0,32

E. Sifat-Sifat Logam

Secara garis besar material, termasuk logam, mempunyai sifat-sifat yang

mencirikannya. Sifat-sifat itu akan mendasari dalam pemilihan logam, sifat tersebut adalah

sifat fisik dan sifat mekanik.

1. Sifat Fisik

Sifat fisik adalah kelakuan atau sifat-sifat logam yang bukan disebabkan oleh

pembebanan seperti pengaruh pemanasan, pendinginan dan pengaruh arus listrik yang

lebih mengarah pada struktur logam. Sifat fisik logam antara lain temperatur cair,

konduktivitas panas dan konduktivitas listrik.

Konduktivitas logam penghantar sangat dipengaruhi oleh unsur-unsur pemadu,

impurity, atau ketidaksempurnaan dalam kristal logam, yang ketiganya banyak berperan

dalam proses pembuatan pembuatan penghantar itu sendiri. Unsur-unsur pemandu selain

mempengaruhi konduktivitas listrik, akan mempengaruhi sifat-sifat mekanika dan fisika

lainnya. Logam murni memiliki konduktivitas listrik yang lebih baik dari pada yang lebih

rendah kemurniannya.Akan tetapi kekuatan mekanis logam murni adalah rendah.

Penghantar tenaga listrik, selain mensyaratkan konduktivitas yang tinggi juga

membutuhkan sifat mekanis dan fisika tertentu yang disesuaikan dengan penggunaan

penghantar itu sendiri.

Untuk konduktivitas termal, pada umumnya zat padat merupakan konduktor termal

yang baik, sedangkan zat cair dan zat gas merupakan konduktor termal yang buruk.

Konduktor termal sama dengan penghantar panas. Zat cair dan zat gas bisa disebut juga

sebagai isolator termal terbaik. Di mana isolator termal sama dengan penghambat panas.

Berikut nilai konduktivitas termal dari beberapa logam:

Jenis logam Konduktivitas Termal (k)

J/m.s.oC Kkal/m.s.oC

Perak 420 1000 x 10-4

Tembaga 380 920 x 10-4

Aluminium 200 500 x 10-4

Baja 40 110 x 10-4

 Struktur logam sangat erat hubungannya dengan sifat mekanik. Sifat mekanik dapat

diatur dengan serangkaian proses perlakukan fisik. Dengan adanya perlakuan fisik akan

membawa penyempurnaan dan pengembangan logam bahkan penemuan logam baru.

2. Sifat Mekanik

Sifat mekanik dapat diartikan sebagai respon atau perilaku logam terhadap pembebanan

yang diberikan, dapat berupa gaya, torsi atau gabungan keduanya. Dalam prakteknya

pembebanan pada logam terbagi dua yaitu beban statik dan beban dinamik.Perbedaan antara

keduanya hanya pada fungsi waktu dimana beban statik tidak dipengaruhi oleh fungsi waktu

sedangkan beban dinamik dipengaruhi oleh fungsi waktu.

Untuk mendapatkan sifat mekanik logam, biasanya dilakukan pengujian mekanik.

Pengujian mekanik pada dasarnya bersifat merusak (destructive test), dari pengujian tersebut

akan dihasilkan kurva atau data yang mencirikan keadaan dari logam tersebut.

Setiap logam yang diuji dibuat dalam bentuk sampel kecil atau spesimen. Spesimen

pengujian dapat mewakili seluruh logam apabila berasal dari jenis, komposisi dan perlakuan

yang sama. Pengujian yang tepat hanya didapatkan pada logam uji yang memenuhi aspek

ketepatan pengukuran, kemampuan mesin, kualitas atau jumlah cacat pada logam dan

ketelitian dalam membuat spesimen. Sifat mekanik tersebut meliputi antara lain kekuatan

tarik, ketangguhan, kelenturan, keuletan, kekerasan, ketahanan aus, kekuatan impak,

kekuatan mulur, kekeuatan leleh dan sebagainya.

Sifar-sifat mekanik logam yang perlu diperhatikan:

a. Tegangan yaitu gaya diserap oleh logam selama berdeformasi persatuan luas.

b. Regangan yaitu besar deformasi persatuan luas.

c. Modulus elastisitas yang menunjukkan ukuran kekuatan logam.

d. Kekuatan yaitu besarnya tegangan untuk mendeformasi logam atau kemampuan logam

untuk menahan deformasi.

e. Kekuatan luluh yaitu besarnya tegangan yang dibutuhkan untuk mendeformasi plastis.

f. Kekuatan tarik adalah kekuatan maksimum yang berdasarkan pada ukuran mula.

g. Keuletan yaitu besar deformasi plastis sampai terjadi patah.

h. Ketangguhan yaitu besar energi yang diperlukan sampai terjadi perpatahan.

i. Kekerasan yaitu kemampuan logam menahan deformasi plastis lokal akibat penetrasi

pada permukaan.

Baja Stainless austenititk merupakan paduan logam besi-krom-nikel yang mengandung

16-20% kromium, 7-22%wt nikel, dan nitrogen. Logam paduan ini merupakan paduan

berbasis ferrous dan struktur kristal face centered cubic (FCC). Struktur kristal akan tetap

berfasa austenit bila unsur nikel dalampaduan diganti mangan (Mn) karena kedua unsur

merupakan penstabil fasa austenit. Fasa austenitik tidak akan berubah saat perlakuan panas

anil kemudian didinginkan pada temperatur ruang. Baja stainless austenitik tidak dapat

dikeraskan melalui perlakuan celup cepat (quenching). Umumnya jenis baja ini dapat tetap

menjaga sifat asutenitik pada temperature ruang, lebih bersifat ulet dan memiliki ketahanan

korosi lebih baik dibandingkan baja stainless ferritik dan martensit. Setiap jenis baja stainless

austenitic memiliki karakteristik khusus tergantung dari penambahan unsur pemadunya

terlihat. Baja stainless steel austenitik hanya bisa dikeraskan melalui pengerjaan dingin.

Material ini mempunyai kekuatan tinggi di lingkungan suhu tinggi dan bersifat cryogenic.

Tipe 2xx mengandung nitrogen, mangan 4-15,5%wt, dan kandungan 7%wt nikel. Tipe 3xx

mengandung unsur nikel tinggi dan maksimal kandungan mangan 2%wt. Unsur

molybdenum, tembaga, silicon, aluminium,titanium dan niobium ditambah dengan karakter

material tertentu seperti ketahanan korosi sumuran atau oksidasi. Sulfur ditambah pada tipe

tertentu untuk memperbaiki sifat mampu mesin.

Salah satu jenis baja stainless austenitik adalah AISI 304. Baja austenitik ini

mempunyai struktur kubus satuan bidang (face center cubic) dan merupakan baja dengan

ketahanan korosi tinggi. Komposisi unsur – unsur pemadu yang terkandung dalam AISI 304

akan menentukan sifat mekanik dan ketahanan korosi. Baja AISI 304 mempunyai kadar

karbon sangat rendah 0,08%wt. Kadar kromium berkisar 18-20%wt dan nikel 8-10,5%wt

yang terlihat pada Tabel 2. Kadar kromium cukup tinggi membentuk lapisan Cr2O3 yang

protektif untuk meningkatkan ketahanan korosi. Komposisi karbon rendah untuk

meminimalisai sensitasi akibat proses pengelasan.

Tabel 2. Komposisi kimia baja AISI

Unsur C Mn P S Si Cr Ni Mo Ni Cu Fe

% Wt 0.08 2 0.45 0.03 0.75 18-20 8-10.5 0 0.10 0 Balance

Komposisi kandungan unsur dalam baja AISI 304 tersebut diperoleh sifat mekanik

material yang ditunjukan pada Tabel 3.

Tabel 3. Sifat mekanik AISI 304

Poison 0.27–

0.30

Tensile 515

Yield 205

Elong 40

Hard 88

Mod 193

Density 8

Keterangan :

Poison : Rasio Poison

Tensile : Tensile strength (MPa)

Yield : Yield Strength (MPa)

Elong : Elongation (%)

Hard : Kekerasan (HVN)

Mod : Modulus elastisitas (GPa)

Density : berat jenis (Kg/m3)

Tabel 4. Sifat fisik dan listrik AISI 304 pada kondisi annealed

Thermal ekspansi (10–6/ºC) 17.2

Thermal konduktivitas (W/mK) 16.2

Spesific heat (J/kgK) 500

Resistivitas (10–9Wm) 720

F. Heat Treatment (Perlakuan Panas)

Salah satu faktor yang dapat menentukan sifat mekanis suatu material adalah dengan

cara perlakuan panas (heat treatment).

1. Pengertian Heat Treatment

Perlakuan panas adalah suatu metode yang digunakan untuk mengubah sifat fisik, dan

kadang-kadang sifat kimia dari suatu material melalui proses mengubah suhu pada material.

Tujuannya adalah untuk mendapatkan sifat-sifat yang lebih baik dan yang diinginkan sesuai

dengan batas-batas kemampuannya.

Secara umum perlakukan panas (heat treatment) diklasifikasikan dalam 2 jenis, yakni:

a. Near Equilibrium (Mendekati Kesetimbangan)

Tujuan dari perlakuan panas Near Equilibrium adalah untuk :

1) Melunakkan struktur kristal

2) Menghaluskan butir

3) Menghilangkan tegangan dalam

4) Memperbaiki machineability

Jenis dari perlakukan panas Near Equibrium, antara lain adalah:

1) Full Annealing (annealing)

2) Normallizing

3) Spheroidizing

4) Homogenizing

5) Stress relief Annealing

b. Non Equilirium (Tidak setimbang)

Tujuan panas Non Equilibrium adalah untuk mendapatkan kekerasan dan kekuatan

yang lebih tinggi. Jenis dari perlakukan panas Non Equibrium, antara lain adalah :

1) Hardening

2) Martempering

3) Austempering

4) Surface Hardening (Carburizing, Nitriding, Cyaniding, Flame hardening, Induction

hardening)

2. Heat Treatment pada Besi dan Paduannya

a. Baja/besi cor paduan Mn.

Paduan Mn dalam jumlah kecil memiliki efek promosi pembentukan perlit,

sedangkan dalam jumlah besar akan memperluas daerah g diagram fasa biner Fe-C,

sehingga pada temperatur kamar dapat dihasilkan struktur g (austenit) yang cukup stabil.

Baja paduan Mn rendah pasca pengecoran, mengingat kandungan C yang hanya

sekitar 0,3%,  perlu sedikitnya diberlakukan proses normalisasi agar perlit yang terbentuk

tidak menjadi kasar (widmanstatten). Proses pemanasan dilakukan hingga diatas Ac3 dan

didinginkan diudara bebas setelah mengalami penahanan homogenisasi temperatur.

Proses perlakuan panas lainnya yang bertujuan untuk meningkatkan keuletan bahan

adalah anil, di mana setelah proses ini akan dihasilkan struktur perlit dengan karbida besi

(sementit) tumpul hingga bulat. Pemanasan dilakukan hingga temperatur dibawah Ac3

yang diikuti dengan pendinginan dalam tungku. Lama penahanan panas menentukan

tingkat kebulatan karbida besi. Sedangkan untuk menghasilkan struktur martensit yang

keras, paduan ini dapat dikeraskan melalui pemanasan sedikit diatas Ac3 dan dikuens

kedalam air serta diikuti dengan proses temper.

Untuk baja paduan Mn tinggi, dimana diharapkan memiliki struktur austenit,

dilakukan proses austenisasi melalui pemanasan hingga temperatur 1.100oC yang

dilanjutkan dengan pendinginan kuens kedalam air. Lama penahanan panas ditentukan

berdasarkan ketebalan produk dengan tujuan homogenisasi temperatur.

Gambar 8. Diagram T vs t Besi Cor Paduan Mn

b. Baja/besi cor paduan Cr dan Stainless steel.

Paduan Cr pada baja pada umumnya digunakan untuk menghasilkan struktur as cast

ferit, sehingga produk dapat diaplikasikan pada temperatur kerja tinggi. Bersama dengan

Ni akan menghasilkan struktur austenit yang non mahnetis. Oksida Cr (CrO2) yang sangat

tahan terhadap korosi akan selalu melapisi bagian kulit dari produk cor sehingga baja-baja

paduan Cr maupun Cr-Ni masuk kedalam katagori stainless steel (baik feritis, maupun

austenitis).

Struktur martensit baru akan terbentuk pada besi cor paduan Cr, dimana unsur C

tersedia cukup banyak. Proses hardening perlu dilakukan untuk menjamin terbentuknya

struktur martensit yang halus. Namun demikian pemanasan maupun pendinginan tidak

boleh dilakukan dengan terlalu cepat untuk menghindari keretakan akibat dari banyaknya

karbida Cr yang keras dan rapuh. Pemanasan dilakukan dengan lambat hingga mencapai

temperatur 1.020oC dan ditahan agar terjadi homogenisasi temperatur. Pendinginan cepat

dilakukan dengan menggunakan media udara tiup. Kemudian dilanjutkan dengan proses

temper pada temperatur 350oC dan pendinginan udara.

Gambar 9. Diagram T vs t Besi Cor Paduan Cr dan Stainless steel

c. Besi cor putih paduan Ni (Ni Hard )

Ni Hard merupakan besi cor putih paduan Ni dan Cr yang terdiri dari Ni Hard 1 & 2

serta Ni Hard 4. Memiliki ketahanan gesek yang sangat baik namun kurang mampu

menerima beban impak. Ni Hard 1 dan 2 memiliki struktur martensit-ledeburit yang keras

namun rapuh. Keuletan bahan ini dapat ditingkatkan melalui proses temper pada

temperatur 275 oC serta pendinginan diudara bebas setelah mengalami penahanan panas

(setelah temperatur homogen) selama 4 – 8 jam.

Berbeda dengan Ni Hard 2 dan 2, Ni Hard 4 memiliki struktur martensit dan karbida

Cr yang memiliki ketahanan impak jauh lebih baik. Peningkatan kekerasan dapat

dilakukan dengan memperbanyak karbida Cr dan diakhiri dengan peningkatan keuletan

melalui proses temper untuk membulatkan martensitnya.

Gambar 9. Diagram T vs t Besi Cor Paduan Ni (Ni Hard)

3. Heat Treatment pada Baja Komersial

Proses ini dilakukan dalam berbagai cara yaitu:

a. Proses Anil

Pada proses ini, bahan diapanskan sampai suhu tinggi disusul dengan pendinginan

perlahan-lahan.

1) gelas dianil untuk menghindarkan terjadinya retak-retak anil tidak merubah

kekerasan gelas yang digunakan

2) kuningan yang alami pendinginan anil bertujuan untuk melunakannya. Selama

proses anil kuningan mengalami rekristalisasi.

3) Pada besi cor mengakibatkan meningkatkan keuletan

b. Proses Celup

Proses ini bertujuan untuk menghasilkan martensit yang keras dan agar rapuh.

Austensit lebih padat daripada martensit. Hal ini merupakan masalah pada celup langsung

dari autensit ke martensit karena bagian tengah yang lebih lamban pendinginannya

berubah menjadi martensit rapuh. Jadi retak dapat terjadi pada tembaga dengan ukuran

lembaran atau kawat, khususnya bila kadar karbon > 0,5%.

Apabila waktu transformasi ke martensit cukup, baja panduan dapat didinginkan

lebih lambat, sehingga permukaan dengan bagian tengah bertransformasi serentak.Jadi

dapat dihindari perbedaan perubahan volume yang terjadinya tegangan-tegangan yang

dapat menimbulkan retakan.

c. Proses Celup Terputus

Dalam proses ini, baja dicelup dengan cepat dan pendinginannya dilakukan terputus-

putus. Pendinginan dilanjutkan namun lebih lambat, dalam daerah martensit sampai suhu

ruang, sehingga bagian permukaan dan bagian tengah baja dapat bertransformasi secara

serentak, sehingga retak celup dapat dihindarkan.

Pendinginan yang lebih lambat memang mungkin pada suhu rendah ini.Karena

transformasi tertunda sedang martensit langsung terjadi dengan turunnya suhu. Dari segi

produksi proses ini sulit, karena laju pendinginan harus diubah dari cepat ke tepat

dilanjutkan kependinginan lambat. Hasil akhir berupa martensit, harus di temper agar

memiliki ketangguhan.

d. Proses Temper

Proses ini dilakukan dengan cara pemanasan ulang yang bertuuan untuk peningkatan

ketangguhan. Martensit biasanya keras sekali selain itu sangat rapuh karena tidak ulet bila

mengandung karbon. Daripada itu kekerasan dan keuletan saling tolak belakang. Dengan

mentemper martensit dapat meningkatkan ketangguhan meskipun kekerasan dan keuletan

turun.