11

Diagram Fasa/diagram kesetimbangan fasaDiagram Fasa/diagram kesetimbangan fasa(Equilibrium phase diagram)(Equilibrium phase diagram)

Pada umumnya logam tidak berdiri sendiri atau keadaan murni, Pada umumnya logam tidak berdiri sendiri atau keadaan murni, tetapi lebih banyak dalam keadaan dipadu atau logam paduan tetapi lebih banyak dalam keadaan dipadu atau logam paduan dengan kandungan unsur-unsur tertentu sehingga struktur yang dengan kandungan unsur-unsur tertentu sehingga struktur yang terdapat dalam keadaan setimbang pada temperatur dan tekanan terdapat dalam keadaan setimbang pada temperatur dan tekanan tertentu akan berlainan.tertentu akan berlainan.

Kombinasi dua unsur atau lebih yang membentuk paduan logam Kombinasi dua unsur atau lebih yang membentuk paduan logam akan menghasilkan sifat yang berbeda dari logam asalnya.akan menghasilkan sifat yang berbeda dari logam asalnya.

Tujuan pemaduan = untuk memperbaiki sifat logamTujuan pemaduan = untuk memperbaiki sifat logam

Sifat yang diperbaiki adalah kekuatan, keuletan, kekerasan, Sifat yang diperbaiki adalah kekuatan, keuletan, kekerasan, ketahanan korosi, ketahanan aus, ketahanan lelah, dll.ketahanan korosi, ketahanan aus, ketahanan lelah, dll.

22

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

Fasa = bagian homogen dari suatu sistem yang memiliki sifat fisik Fasa = bagian homogen dari suatu sistem yang memiliki sifat fisik dan kimia yang seragam.dan kimia yang seragam.

Untuk mempelajari paduan dibuatlah kurva yang menghubungkan Untuk mempelajari paduan dibuatlah kurva yang menghubungkan antara fasa, komposisi dan temperatur.antara fasa, komposisi dan temperatur.

Diagram fasa adalah suatu grafik yang merupakan representasi Diagram fasa adalah suatu grafik yang merupakan representasi tentang fasa-fasa yang ada dalam suatu material pada variasi tentang fasa-fasa yang ada dalam suatu material pada variasi temperatur, tekanan dan komposisi.temperatur, tekanan dan komposisi.

Pada umumnya diagram fasa dibangun pada keadaan Pada umumnya diagram fasa dibangun pada keadaan kesetimbangan (kondisinya adalah pendinginan yang sangat kesetimbangan (kondisinya adalah pendinginan yang sangat lambat). Diagram ini dipakai untuk mengetahui dan memprediksi lambat). Diagram ini dipakai untuk mengetahui dan memprediksi banyak aspek terhadap sifat material.banyak aspek terhadap sifat material.

33

Informasi penting yang dapat diperoleh dari diagram fasa adalah:Informasi penting yang dapat diperoleh dari diagram fasa adalah:1. Memperlihatkan fasa-fasa yang terjadi pada 1. Memperlihatkan fasa-fasa yang terjadi pada

perbedaanperbedaan komposisi dan temperatur dibawah kondisi pendinginan yangkomposisi dan temperatur dibawah kondisi pendinginan yang sangat lambat.sangat lambat.2. Mengindikasikan kesetimbangan kelarutan padat satu unsur atau2. Mengindikasikan kesetimbangan kelarutan padat satu unsur atau senyawa pada unsur lain.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.

Jenis pemaduan:Jenis pemaduan:1. Unsur logam + unsur logam1. Unsur logam + unsur logam Contoh: Cu + Zn; Cu + Al; Cu + Sn.Contoh: Cu + Zn; Cu + Al; Cu + Sn.2. Unsur logam + unsur non logam2. Unsur logam + unsur non logam Contoh: Fe + C.Contoh: Fe + C.

44

Water

Sugar

Saturated Syrup

Excess Sugar

Water Alcohol

Solution

Oil

Water

Contoh-contoh pemaduan:

Next

55

Pemaduan terjadi akibat adanya susunan atom sejenis ataupun ada distribusi atom yang lain pada susunan atom lainnya.

Jika ditinjau dari posisi atom-atom yang larut, diperoleh dua jenis larutan padat:

1. Larutan padat substitusi

Adanya atom-atom terlarut yang menempati kedudukan atom-atom pelarut.

2. Larutan padat interstisi

Adanya atom-atom terlarut yang menempati rongga-rongga diantara kedudukan atom/sela antara.

Cu

Ni

FeC

66

Untuk mengetahui kelarutan padat suatu unsur dalam unsur lainnya,

Hume-Rothery mensyaratkan sebagai berikut:

1. Yang mempengaruhi terbentuknya jenis kelarutan ditentukan

oleh faktor geometri (diameter atom dan bentuk sel satuan).

Jenis kelarutan:

•A + B C (sel satuan sama)

(kelarutan yang tersusun disebut kelarutan sempurna)

Dimana sifat C sifat A atau B

•Jika A dan B memiliki sel satuan yang berbeda

a. A + B A’ (dimana A yang dominan)

B’ (dimana B dominan)

kelarutan yang tersusun disebut larut sebagian

b. A + B A + B (tidak larut)

77

2. Larut padat substitusi/interstisi ditentukan oleh faktor diameter atom.

Jika perbedaan diameter atom yang larut dibandingkan atom pelarut lebih kecil dari 15%, maka kelarutan yang terjadi adalah larutan padat substitusi.

Jika perbedaan diameter atom yang larut dibandingkan atom pelarut lebih besar dari 15%, maka kelarutan yang terjadi adalah larutan padat interstisi.

3. Suatu hasil percampuran harus stabil

Stabilitas dari paduan dijamin oleh keelektronegatifan dan keelektropositifan, makin besar perbedaan keelektronegatifan dan keelektropositifan makin stabil, tetapi kalau terlalu besar perbedaannya yang terjadi bukan larutan melainkan senyawa (compound)

88

Pembentukan diagram fasa

Hubungan antara temperatur, komposisi diplot untuk mengetahui perubahan fasa yang terjadi.

Dengan memvariasikan komposisi dari kedua unsur (0100%) dan kemudian dipanaskan hingga mencair setelah itu didinginkan dengan lambat (diukur oleh dilatometer/kalorimeter), maka akan diperoleh kurva pendinginan (gambar a.). Perubahan komposisi akan merubah pola dari kurva pendinginan, titik-titik A, L1, L2, L3 dan C merupakan awal terjadinya pembekuan dan B, S1, S2, S3 dan D merupakan akhir pembekuan. Gambar b. diagram kesetimbangan fasa Cu-Ni.

Konstruksi pembentukan diagram fasa

99

Garis liquidus = menunjukkan temperatur terendah dimana logam dalam keadaan cair atau temperatur dimana awal terjadinya pembekuan dari kondisi cair akibat proses pendinginan.

Garis solidus = menunjukkan temperatur tertinggi suatu logam dalam keadaan padat atau temperatur terendah dimana masih terdapat fasa cair.

1010

Selain garis-garis tersebut titik-titik kritis dari keadaan cair dan padat, juga menyatakan batas kelarutan maksimum unsur terlarut didalam pelarutnya (maximum solubility limit).

The solubility of sugar (C12H22O11) in a sugar-water syrup.

1111

• Example:Phase Diagram of Water-Sugar System

Question: What is the solubility limit at 20°C?

• Solubility limit increases with T: e.g., if T = 100°C, solubility limit = 80wt% sugar

Pure

Sugar

Tem

pera

ture

(°C

)0 20 40 60 80 100

Co=Composition (wt% sugar)

L (liquid solution

i.e., syrup)

Solubility Limit L

(liquid)

+ S

(solid sugar)

65

20

40

60

80

100

Pure

W

ate

r

The Solubility Limit

Answer: 65wt% sugar If Co < 65wt% sugar:

If Co > 65wt% sugar:

syrupsyrup + sugar

1212

• Changing T can change number of phases: path A to B • Changing Co can change number of phases: path B to D

• water- sugar system

70 80 1006040200

Tem

pe

ratu

re (

°C)

Co=Composition (wt% sugar)

L (liquid solution

i.e., syrup)

A(70,20) 2 phases

B(100,70) 1 phase

20

100

D(100,90) 2 phases

40

60

80

0

L (liquid)

+ S

(solid sugar)

Effect of Temperature and Composition

1313

(a)

FIG. 3-50 (1) Heat pure metal to point FIG. 3-50 (1) Heat pure metal to point TTaa; (2) cooling of liquid metal ; (2) cooling of liquid metal a – ba – b; (3) at ; (3) at

point point bb, pure metal starts to , pure metal starts to precipitateprecipitate out of solution; (4) point out of solution; (4) point cc, pure metal , pure metal completely solid; curve from completely solid; curve from bb to to c c straight horizontal line showing constant straight horizontal line showing constant temperature temperature TTb-c b-c because thermal energy absorbed in change from liquid to solid; (5) because thermal energy absorbed in change from liquid to solid; (5)

more cooling of solid pure metal from more cooling of solid pure metal from c c to to d d and temperature begins to fall again. and temperature begins to fall again.

Cooling Curve for Pure Metal

1414

FIG. 3-50 (b) Cooling curve for pure iron. FIG. 3-50 (b) Cooling curve for pure iron.

(b)

Cooling Curve for Pure Iron

1515FIG. 3-54 Allotropic forms of iron (three phases: bcc, fcc, bcc)FIG. 3-54 Allotropic forms of iron (three phases: bcc, fcc, bcc)

Allotropic Forms of Iron

1616

Cooling Curve for a Metal Alloy

(c)

FIG. 3-50 (c) Cooling curve for a metal alloy: (1) The alloy A-B heated to point FIG. 3-50 (c) Cooling curve for a metal alloy: (1) The alloy A-B heated to point aa (liquid phase, with both metals soluble in each other); (2) cooling of alloy(liquid phase, with both metals soluble in each other); (2) cooling of alloy in liquid in liquid phase; (3) point phase; (3) point bb, solidification begins; (4) point , solidification begins; (4) point cc, solidification complete; sloped , solidification complete; sloped b – c b – c due to changing from liquid to solid over the temperature range due to changing from liquid to solid over the temperature range TTbb toto T Tc c

because components because components A A and and BB have different melting/cooling temperatures; (5) have different melting/cooling temperatures; (5) further cooling from further cooling from c c to to d d of solid-state metal alloy.of solid-state metal alloy.

1717

Klasifikasi Diagram Kesetimbangan Fasa

1. Larut sempurna dalam keadaan cair dan padat.

2. Larut sempurna dalam keadaan cair, tidak larut dalam keadaan padat (reaksi eutektik).

3. Larut sempurna dalam keadaan cair, larut sebagian dalam keadaan padat (reaksi eutektik).

4. Larut sempurna dalam keadaan cair, larut sebagian dalam keadaan padat (reaksi peritektik).

5. Larut sempurna dalam keadaan cair, tidak larut dalam keadaan padat dan membentuk senyawa.

6. Larut sebagian dalam keadaan cair (reaksi monotektik).

7. Tidak larut dalam keadaan cair maupun padat.

1818

1. Larut sempurna dalam keadaan cair dan padat

Biasa disebut binary isomorphous alloy systems, kedua unsur

yang dipadukan larut sempurna dalam keadaan cair maupun padat.

Pada sistem ini hanya ada satu struktur kristal yang berlaku untuk

semua komposisi, syarat yang berlaku adalah:

a. Struktur kristal kedua unsur harus sama.

b. Perbedaan ukuran atom kedua unsur tidak boleh lebih dari 15%.

c. Unsur-unsur tidak boleh membentuk senyawa.

d. Unsur-unsur harus mempunyai valensi yang sama.

Contoh klasik untuk jenis diagram fasa ini adalah diagram fasa

Cu-Ni.

1919

• 2 phases: L (liquid) (FCC solid solution)

• 3 phase fields: L L +

wt% Ni20 40 60 80 10001000

1100

1200

1300

1400

1500

1600T(°C)

L (liquid)

(FCC solid solution)

• 2 phases:– L (liquid)– (FCC solid solution)

• 2 lines (phase boundaries):– The liquidus line (L/L+)– The solidus line (/L+)

• 3 phase fields:– L– L + –

2020

• aturan 1: jika diketahui T dan Co (komposisi), maka

– akan diketahui jumlah dan jenis fasa

• contoh:

A (1100°C, 60wt% Ni):

1 phase:

B (1250°C, 35wt% Ni):

2 phases: L +

wt% Ni20 40 60 80 10001000

1100

1200

1300

1400

1500

1600T(°C)

L (liquid)

(FCC solid solution)

L +

liquidus

solid

us

A(1100,60)B

(1250,3

5)

Rules of Determining Number & Types of Phases(The lever arm rule/Aturan kaidah lengan)

Lihat gambar disamping

2121

Aturan kaidah lengan/the lever arm rule

Untuk menghitung persentase fasa-fasa yang ada pada komposisi tertentu, digunakan metoda kaidah lengan.

x adalah komposisi paduan yang akan dihitung persentase fasa-fasanya pada temperatur T, maka tarik garis yang memotong batas kelarutannya (garis L-S).

Jika x = wo; L = wl dan S = ws

maka % fasa cair dan padat :

%100xww

wwL

ls

os

%100xww

wwS

ls

lo

2222

• aturan 2: jika diketahui T dan Co, maka

– akan diketahui komposisi dari fasa

wt% Ni20

1200

1300

T(°C)

L (liquid)

(solid)L +

liquidus

solidus

30 40 50

TAA

DTD

TBB

tie line

L +

433532CoCL C

• contoh: C0 = 35 wt%Ni

At TA:Only Liquid (L)CL = C0 = 35 wt%Ni

At TD:Only Solid ()C = C0 = 35 wt%Ni

At TB:Both and LCL = CLiquidus = 32 wt%Ni

C = CSolidus = 43 wt%Ni

wt% Ni20 40 60 80 10001000

1100

1200

1300

1400

1500

1600T(°C)

L (liquid)

(FCC solid solution)

L +

liquidus

solid

us

A(1100,60)

B(1

250,3

5)

2323

%7,72

%1003243

3543

L

xL

%3,27

%1003243

3235

S

xS

Contoh lain: pada wo= 53% Ni

wl (32%) wo(35%) ws(43%)

2424

% fasa cair dan padat:

%38

%1004558

5358

L

xL

%62

%1004558

4553

S

xS

wl (45%) wo(53%) ws(58%)

2525

For the alloys listed below:

60 wt% Ni-40 wt% Cu at 1100°C

35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250°C

(1) Phase(s) that are present

(2) The composition of each phase

Example: Determine the phase(s) that are present Example: Determine the phase(s) that are present and the composition of the phase(s)and the composition of the phase(s)

2626

60 wt% Ni-40 wt% Cu at 1100°C

(L)(1) Determine the phase(s) that are present

Point A:

phase

2727

60 wt% Ni-40 wt% Cu at 1100°C (Point A):

(2) Determine the composition of each phase

C = C0 = 60 wt% Ni

2828

35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250°C

(L)(1) Determine the phase(s) that are present

Point B

+ L phases

2929

35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250°C (Point B):

+ L

(2) Determine the composition of each phase

3030

• 35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250°C (Point B): in two phase ( + L) region

(2) Determine the composition of each phase

42.53531.5

Tie Line

Composition (wt% Ni)CL C0 C

Draw a tie line

Composition of L: intersection /+L — CL = 31.5 wt% Ni

Composition of a: intersection L/+L — C = 42.5wt% Ni

3131

• ConsiderCo = 35wt%Ni

• Upon cooling– L

35wt% 32wt% 24wt%

– 46wt% 43wt% 36wt%

– Equilibrium cooling

Sufficiently slow cooling rate gives enough time for composition readjustments

wt% Ni20

1200

1300

30 40 501100

L (liquid)

(solid)

L +

L +

T(°C)

A

D

B

35Co

L: 35wt%Ni

: 46wt%Ni

C

E

L: 35wt%Ni

464332

24

35

36: 43wt%Ni

L: 32wt%Ni

L: 24wt%Ni

: 36wt%Ni

Equilibrium Cooling in a Cu-Ni Binary System