Pert

emua

n ke

Tujuan Ajar/Keluaran/Indikator

Topik (pokok, sub pokok bahasan, alokasi waktu)

Media Ajar

Metode Evaluasi dan Penilaian

Metode Ajar

(STAR)

Aktivitas Mahasiswa

Aktivitas Dosen/Nama

Pengajar Sumber Ajar

Teks

Pres

enta

si

Gam

bar

Aud

io/V

ideo

Soal

-Tug

as

Web

III Mahasiswa dapat menjelaskan sifat dan karakterisasi paduan Besi Karbon pada berbagai persentase karbon dan variasi temperatur.

Diagram Fasa Fe-Fe3C. Pengertian diagram

fasa Penjelasan fasa fasa

pada diagram fasa Menghitung

persentase fasa Waktu: 1x pertemuan @100 menit

√ √ √ √ √ √ a. Writing exam.skor: 0-100(PAN)

b. Tugas: Jelaskan pengaruh perambatan panas terhadap perubahan struktur mikro yang terjadi pada proses pengelasan baja skor: 0-100

TCL, SCL (Microteaching)

1. Menggambar Diagram Fasa Fe-Fe3C

2. Menjelaskan perubahan fasa paduan besi karbon

Menyampaikan materi sesuai bahan ajar. Pengajar: Radhian Krisnaputra

Surdia. T., Saito. S., 1997, Pengetahuan Bahan Teknik

Djapri, S., 1987, Metalurgi Mekanik

Video proses perubahan struktur mikro youtube.com

BAB III. DIAGRAM Fe-Fe3C

PENDAHULUAN

Deskripsi Singkat

Diagram Fasa adalah diagram yang menunjukkan hubungan antara komposisi paduan,

temperatur serta fasa-fasa yang terjadi ketika memadukan dua atau lebih logam dengan

cara mencairkan kemudian membekuan paduan tersebut secara perlahan-lahan.

Kesetimbangan fasa Fe-Fe3C adalah alat penting untuk memahami struktur mikro dan

sifat-sifat baja karbon, suatu jenis logam paduan besi (Fe) dan karbon (C). Perubahan fasa

yang terjadi akibat perubahan temperatur dan pengaruh persentase karbon, akan

mengakibatkan perubahan struktur mikro paduan Fe-C. Dari struktur mikro yang

terbentuk, didapatkan sifat dan karakterisasi bahan teknik.

Pada bab ini, metode pembelajaran yang akan disampaikan adalah Teacher Center

Learning (TCL) pada bagian awal pemahaman, selanjutnya mahasiswa akan diberi tugas

untuk menentukan fasa yang terjadi pada persentase karbon dan temperatur tertentu.

Manfaat

Mahasiswa dapat menjelaskan fasa apa yang terjadi pada keadaan persentase karbon

dan temperatur tertentu, sehingga dapat menentukan sifat dan karakterisasi paduan Fe-C

pada keadaan tersebut.

Relevansi

Dengan pemahaman tentang perubahan fasa yang terjadi pada paduan Fe-C melalui

diagram fasa Fe-Fe3C, mahasiswa dapat menjelaskan struktur mikro yang terbentuk saat

perubahan fasa akibat perubahan temperatur dan persentase karbon, sehingga perubahan

sifat yang akan dipengaruhi oleh perubahan struktur mikro bahan dapat diketahui. Hal ini

sangat berguna pada analisa kegagalan suatu produk ditinjau dari struktur mikro bahan.

Learning Outcomes

1. Mahasiswa dapat menjelaskan sifat dan karakterisasi paduan besi karbon pada

berbagai persentase karbon dan variasi temperatur.

2. Mahasiswa dapat menjelaskan penggolongan besi karbon dan perubahan sifat saat

dilakukan perlakuan panas.

3. Mahasiswa dapat menentukan bahan yang sesuai untuk penggunaan tertentu.

PENYAJIAN

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

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

memiliki fasa alpha ferrite pada temperatur ruang. Pada kadar karbon lebih dari 0,05%

akan terbentuk endapan karbon dalam bentuk hard intermetallic stoichiometric compound

(Fe3C) yang dikenal sebagai cementite atau ferro-carbide. Selain larutan padat ferrite

yang dalam kesetimbangan dapat ditemukan pada temperatur ruang terdapat fase-fase

penting lainnya, yaitu ferrite dan austenite.

Logam Fe bersifat polymorphism yaitu memiliki struktur kristal berbeda pada

temperatur berbeda. Pada Fe murni, misalnya, ferrite akan berubah menjadi austenite saat

dipanaskan melewati temperatur 910oC. Pada temperatur yang lebih tinggi, mendekati

1400oC austenite akan kembali berubah menjadi ferrite. Ferrite dalam hal ini memiliki

struktur kristal BCC sedangkan austenite memiliki struktur kristal FCC.

Gambar 7. Diagram Kesetimbangan Fasa Fe-Fe3C

Ferrite

Ferrite adalah fase larutan padat yang memiliki struktur BCC (body centered cubic).

Ferrite dalam keadaan setimbang dapat ditemukan pada temperatur ruang, yaitu ferrite

atau pada temperatur tinggi, yaitu ferrite. Secara umum fase ini bersifat lunak (soft), ulet

(ductile), dan magnetic (magnetic) hingga temperatur tertentu, yaitu Tcurie. Kelarutan

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

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

kelarutan karbon di dalam ferrite hanyalah sekitar 0,05%.

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

Baja lembaran berkadar karbon rendah dengan fase tunggal ferrite 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

ferrite sebagaimana telah dibahas sebelumnya. Untuk paduan baja dengan fase tunggal

ferrite, factor lain yang berpengaruh signifikan terhadap sifat-sifat mekanik adalah ukuran

butir.

Austenite

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

setimbang fase austenite ditemukan pada temperatur tinggi. Fase ini bersifat non

magnetik dan ulet pada temperatur tinggi. Kelarutan atom karbon di dalam larutan padat

austenite lebih besar jika dibandingkan dengan kelarutan atom karbon pada fase ferrite.

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

austenite (atau kristal FCC) dan fase ferrite (atau kristal BCC). Perbedaan ini dapat

digunakan untuk menjelaskan fenomena transformasi fase pada saat pendinginan

austenite yang berlangsung secara cepat. Selain pada temperatur tinggi, austenite pada

sistem Ferrous dapat pula direkayasa agar stabil pada temperatur ruang. Elemen-elemen

seperti Mangan dan Nickel misalnya dapat menurunkan laju transformasi dari gamma-

austenite menjadi alpha-ferrite. Dalam jumlah tertentu elemen-elemen tersebut akan

menyebabkan austenite stabil pada temperatur ruang. Contoh baja paduan dengan fase

Austenite pada temperatur ruang misalnya adalah Baja Hadfield (12%Mangan) dan Baja

Stainless 18-8 (8%Ni).

Cementite

Cementite atau ferro-carbide dalam sistem paduan berbasis besi adalah stoichiometric

inter-metallic compund Fe3C yang keras (hard) dan getas (brittle). Nama cementite

berasal dari kata caementum yang berarti stone chip atau lempengan batu. Cementite

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. cementite sangat penting perannya di dalam membentuk sifat-sifat

mekanik akhir baja. cementite dapat berada di dalam sistem besi baja dalam berbagai

bentuk seperti: bentuk bola (sphere), bentuk lembaran (berselang seling dengan alpha-

ferrite), atau partikel-partikel carbide kecil. Bentuk, ukuran, dan distribusi karbon dapat

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

dikenal sebagai lintasan ferrite rata-rata (Ferrite Mean Path), adalah parameter penting

yang dapat menjelaskan variasi sifat-sifat besi baja. Variasi sifat luluh baja diketahui

berbanding lurus dengan logaritmik lintasan ferrite rata-rata.

3.1 Reaksi-reaksi Invarian dan Konstituen Mikro Penting

Secara keseluruhan ada tiga reaksi penting di dalam diagram Kesetimbangan Fase Fe-

Fe3C, yaitu: Reaksi Peritectic, Reaksi Eutectic, dan Reaksi Eutectoid sebagaimana

terlihat di dalam diagram kesetimbangan. Untuk sistem Besi Baja, reaksi Eutectoid adalah

reaksi yang sangat penting karena dengan mengontrol Reaksi Eutectoid kita dapat

memperoleh berbagai konstituen mikro atau micro constituent yang diinginkan untuk

mendapatkan sifat-sifat tertentu. Berdasarkan kadar karbonnya, baja dapat pula

diklasifikasikan menjadi (1) baja eutectoid, (2) baja hypoeutectoid, dan (3) baja

hypereutectoid.

Gambar 8. Reaksi-reaksi penting dalam Diagram Fasa

Microstructure: pearlite

- Lamellar eutectoid product

alternates plates of α + Fe3C

- Two phases grow simultaneously

Gambar 9 Contoh perhitungan jumlah fasa dalam Sistem Fe-Fe3C

Sistem penamaan yang telah dikenal luas adalah sistem AISI-SAE yang menggunakan

4-5 Angka. Dua angka pertama menunjukkan elemen-elemen paduan utama (Major

Alloying Elements) dan Dua atau Tiga angka sisanya menunjukkan prosentase karbon

dalam per seratus persen.

Contoh

Baja dengan nama AISI-SAE 1080 misalnya, adalah jenis baja karbon (plain carbon

steel) dengan kadar karbon 0.8%. Contoh dari baja jenis ini adalah baja kawat piano.

Kawat piano memiliki struktur pearlite seluruhnya dan kekuatannya yang tinggi terutama

diperoleh dari proses pengerjaan dingin pada proses produksinya.

Aktivitas

Diskusi kelompok mengenai aplikasi bagian mesin yang mengalami perubahan fasa

yang terjadi pada berbagai variasi persentase karbon dan perubahan temperatur yang

dialami.

Ilustrasi

Mahasiswa dituntut untuk melihat proses pengerjaan bahan yang mengalami

peningkatan temperatur sangat tinggi, sehingga dimungkinkan terjadi perubahan struktur

seperti, proses pengelasan baja. Proses ini dapat diakses di youtube.com.

Rangkuman

Diagram kesetimbangan fasa Fe-Fe3C menjelaskan perubahan fasa yang dialami

paduan besi karbon yang akan menyebabkan perubahan struktur mikro dan diikuti

perubahan sifat bahan. Secara keseluruhan ada tiga reaksi penting di dalam diagram

Kesetimbangan Fase Fe-Fe3C, yaitu: Reaksi Peritectic, Reaksi Eutectic, dan Reaksi

Eutectoid sebagaimana terlihat di dalam diagram kesetimbangan. Untuk sistem Besi Baja,

reaksi Eutectoid adalah reaksi yang sangat penting karena dengan mengontrol Reaksi

Eutectoid kita dapat memperoleh berbagai konstituen mikro atau micro constituent yang

diinginkan untuk mendapatkan sifat-sifat tertentu. Berdasarkan kadar karbonnya, baja

dapat pula diklasifikasikan menjadi (1) baja eutectoid, (2) baja hypoeutectoid, dan (3)

baja hypereutectoid.

Petunjuk Penilaian dan Umpan Balik

Nilai maksimal penyelesaian tes formatif adalah 100, sehingga tiap soal memiliki

bobot 100/n (n adalah jumlah soal). Dari nilai pengerjaan tes formatif, tingkat serapan

materi ajar oleh mahasiswa dapat diukur. Hasil ukuran tersebut akan digunakan sebagai

evaluasi pembelajaran materi berikutnya.

Tindak Lanjut

Kompetensi mahasiswa diharapkan dapat diukur dari nilai pengerjaan tugas, latihan

dan tes formatif. Bagi mahasiswa yang memiliki nilai dibawah 40, dianggap belum

memenuhi kompetensi, dan diharuskan melakukan ujian ulang.