17/09/2013

1

MK:TRANSFORMASI FASA

Nurun Nayiroh, M.Si

� Paduan adalah campuran bahan yang memiliki sifat-sifat logam terdiri dari dua atau lebih komponen dan sedikitnya satu komponen utamanya adalah logam.

� Paduan dalam keadaan padat ada tiga kemungkinan macam fasanya, yaitu:

1. Logam murni

2. Senyawa (compound)

3. Larutan padat (solid solution)

Review

� Pada kondisi equilibrium suatu logam murni akan mengalami perubahan fasa pada suatu temperatur tertentu, perubahan fasa dari padat ke cair akan terjadi pada temperatur tertentu, dinamakan titik cair, dan perubahan ini berlangsung pada temperatur yang tetap hingga seluruh perubahan selesai.

� Lihat kurva pendinginan pada gambar 3.1. Demikan juga halnya dengan perubahan fase yang lain (bila ada), berlangsung pada suatu temperatur konstan tertentu.

Gambar 3.1 Kurva Pendinginan Logam Murni

17/09/2013

2

� Yaitu gabungan dari beberapa unsur dengan perbandingan tertentu yang tetap.

� Compound memiliki sifat dan struktur yang sama sekali berbeda dari unsur-unsur pembentuknya.

� Compound juga memiliki titik beku yang tetap seperti halnya pada logam murni.

� Ada tiga macam compound yang sering di jumpai yaitu intermatallic compound, interstitial compound, & electron compound

Intermetallic compound

� Biasanya terbentuk dari logam-logam

yang sifat kimianya sangat berbeda dan kombinasinya mengikuti aturan valensi

kimia.

� Ikatan atomnya sangat kuat (ionic atau covalent), sehingga sifatnya seperti non

metal, keuletan rendah, konduktivitas listrik rendah, dan struktur kristalnya

kompleks

� Contoh : CaSe, Mg2Pb, Mg2Sn, Cu2Se

Interstitial compound� Biasanya terbentuk dari logam logam transisi seperti Scandium atau Sc, Titanium, Ti, Tantalum(Ta), Wolfram (W), Besi(Fe), dengan Hydrogen (H), Oksigen(O), Carbon( C ), Boron (B), Nitrogrn(N).

� Kelima unsur ini (H, O, C, B, N) diameter atomnya sangat kecil sehingga dapat masuk ke dalam lattice (kisi) kristal logam di atas secara interstitials.

� Senyawa interstitials bersifat metallic, komposisi kimia mungkin dapat bervariasi dalam daerah yang sempit, titik leburnya tinggi, dan sangat keras.

� Contoh : Fe3C, TiC, TaC, W2C, Fe4N, CrN, TiH

Electron compound

� Senyawa ini dapat terbentuk diantaranya logam-logam Tembaga(Cu), Emas(Au), Perak(Ag), Besi(Fe) dan Nikel(Ni) dengan logam-logam Cadmium (Ca), Magnesium(Mg), Timah Putih(Sn), Seng (Zn), dan Alumunium(Al).

� Senyawa ini terjadi sedemikian rupa sehingga mendekati perbandingan jumlah-elektron-valensi dengan jumlah -atom yang tertentu.

� Contohnya :

17/09/2013

3

� Suatu larutan terdiri dari solute (terlarut) dan solvent (pelarut). Solute merupakan bagian yan sedikit sedangkan solvent merupakan bagian yang banyak.

� Ada tiga kondisi larutan yaitu :

1. Larutan tidak jenuh (unsaturated)

Bila jumlah solute yang terlarut masih lebih sedikit bila dibandingkan solventnya pada temperature dan tekanan tertentu.

2. Larutan jenuh (saturated)

Bila solute yang terlarut tepat mencapai batas kelarutannya dalam solvent

3. Larutan lewat jenuh (Supersaturated)

Bila solute yang terlarut melewati batas kelarutannya dalam solvent pada temperature dan tekanan tertentu. Pada kondisi ini larutan berada dalam keadaan tidak seimbang, dalam waktu lama atau dengan penambahan sedikit saja energy cenderung akan menjadi stabil dengan terjadinya pengendapan, sehingga larutan menjadi larutan jenuh.

� Solid solution adalah larutan dalam keadaan padat terdiri dari dua atau lebih jenis atom yang berkombinasi dalam satu jenis ruang kisi .

� Solid solution ada dua macam yaitu,

1. Substitution solid solution

Pada larutan ini atom solute padat mengisi tempat atom solvent pada struktur lattice solvent.

2. Interstitial solid solution

Pada larutan ini atom yang sangat kecil meyisip di rongga antar atom pada struktur lattice dari solvent.

� Diagram fasa idealnya menggambarkan hubungan antara komposisi fasa dan temperatur pada kondisi kesetimbangan yaitu suatu kondisi yang tidak terjadi perubahan yang tergantung pada waktu.

� Kondisi keseimbangan biasanya didekati dengan kondisi pemanasan atau pendinginan yang sangat lambat, sehingga bila ada perubahan fasa yang harus terjadi akan ada waktu yang cukup untuk mencapai kondisi keseimbangan.

� Diagram kesetimbangan fase menggambarkan hubungan antara temperatur dan komposisi dan kuantitas fase-fase pada kesetimbangan.

� Diagram fase ada beberapa macam,

yaitu:

1. Diagram fase yang terdiri dari paduan dua

komponen dinamakan diagram fase binary

2. Diagram fase yang terdiri dari paduan tiga

komponen dinamakan diagram fase tinery.

� Diagram fase dapat merupakan diagram fase yang sederhana antara dua komponen atau merupakan paduan dari

beberapa diagram fase yang sederhana.

17/09/2013

4

� Perubahan fasa dapat terjadi dari fasa cair menjadi padat atau dari padat ke bentuk padat yang lain.

� Ada beberapa reaksi yang dapat terjadi pada setiap transfomasi.

� Transformasi dengan reaksi yang sama akan mempunyai bentuk diagram fasa yang sama.

� Pada transformasi cair ke padat ada beberapa kemungkinan yang dapat terjadi pada paduan :

1. Kedua komponenya tetap larut tak terbatas pada keadaan padat.

2. Kedua komponennya saling tidak melarutkan pada keadaan padat(tidak membentuk larutan padat) terjadi reaksi eutectic.

3. Kedua komponen dapat saling melarutkan secara terbatas(partially solube) pada keadaan padat.

4. Kedua komponennya mengalami reaksi peritektik.

� Pada keadaan padat kemungkinan

sudah tidak terjadi lagi perubahan fase, tetapi pada beberapa system paduan

dapat terjadi transformasi padat-padat, antara lain :

1. Transformasi allotropic

2. Reaksi eutectoid

3. Reaksi peritektoid

Klasifikasi Diagram Kesetimbangan Fasa

1. Larut sempurna dalam keadaan cair dan padat.

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

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

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

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

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

7. Tidak larut dalam keadaan cair maupun padat.

1. Larut sempurna dalam keadaan cair dan padat

Biasa disebut binary isomorphous alloy systems, keduaunsur yang dipadukan larut sempurna dalam keadaancair maupun padat. Pada sistem ini hanya ada satustruktur kristal yang berlaku untuk semua komposisi,syarat yang berlaku adalah:

a. Struktur kristal kedua unsur harus sama.

b. Perbedaan ukuran atom kedua unsur tidak bolehlebih dari 15%.

c. Unsur-unsur tidak boleh membentuk senyawa.

d. Unsur-unsur harus mempunyai valensi yang sama.

Contoh klasik untuk jenis diagram fasa ini adalahdiagram fasa Cu-Ni.

17/09/2013

5

17

• 2 phases:

L (liquid)

α (FCC solid solution)

• 3 phase fields:

L

L + α

α

wt% Ni20 40 60 80 10001000

1100

1200

1300

1400

1500

1600T(°C)

L (liquid)

α

(FCC solid solution)

L +

αliquidus

solidus

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

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

• 3 phase fields:– L– L + αααα– αααα

� Fase α adalah solid solution Ni – Cu →

substitusi

� Solid solution Ni – Cu :

- Ni dan Cu sama – sama mempunyai struktur FCC.

- jari –jari atom yang hampir sama.

- elektro-negatif yang hampir sama.

- valensi yang sama.

� Pada sistem biner, jika diketahui komposisi

dan temperatur kesetimbangan, maka akan ada 3 informasi yang diperoleh :

1. Fase paduan

2. Komposisi fase

3. Persen atau fraksi fase.

20

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

– akan diketahui jumlah dan jenis fasa

• contoh:

A (1100°C, 60wt% Ni):

1 phase: αααα

B (1250°C, 35wt% Ni):

2 phases: L + αααα

wt% Ni20 40 60 80 10001000

1100

1200

1300

1400

1500

1600T(°C)

L (liquid)

α

(FCC solid solution)

L +

α

liquidus

solidus

A(1100,60)

B(1250,35)

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

Lihat gambardisamping

17/09/2013

6

21

Aturan kaidah lengan/the lever arm rule

Untuk menghitung persentasefasa-fasa yang ada padakomposisi tertentu, digunakanmetoda kaidah lengan.

x adalah komposisi paduanyang akan dihitung persentasefasa-fasanya pada temperaturT, maka tarik garis yang memotong bataskelarutannya (garis L-S).

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

maka % fasa cair dan padat :

%100xww

wwL

ls

os

−

−= %100x

ww

wwS

ls

lo

−

−=

22

• aturan 2: jika diketahui T dan Co, maka

– akan diketahui komposisi dari fasa

wt% Ni

20

1200

1300

T(°C)

L (liquid)

α

(solid)L + α

liquidu

s

solidu

s

30 40 50

TAA

DTD

TBB

tie line

L + α

433532CoCL Cα

• contoh: C0 = 35 wt%Ni

At TA:

Only Liquid (L)

CL = C0 = 35 wt%Ni

At TD:

Only Solid (αααα)

Cαααα

= C0 = 35 wt%Ni

At TB:

Both αααα and L

CL = CLiquidus = 32 wt%Ni

Cαααα

= CSolidus = 43 wt%Ni

wt% Ni20 40 60 80 10001000

1100

1200

1300

1400

1500

1600T(°C)

L (liquid)

α

(FCC solid

solution)

L +

α

liquidus

solidus

A(1100,60)

B(1250,35)

23

%7,72

%1003243

3543

=

−

−=

L

xL

%3,27

%1003243

3235

=

−

−=

S

xS

Contoh lain: pada wo= 53% Ni

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

24

% fasa cair dan padat:

%38

%1004558

5358

=

−

−=

L

xL

%62

%1004558

4553

=

−

−=

S

xS

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

17/09/2013

7

25

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

26

αααα

60 wt% Ni-40 wt% Cu at 1100°C

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

Point A:

αααα phase

27

αααα

60 wt% Ni-40 wt% Cu at

1100°C (Point A): αααα

(2) Determine the composition of each phase

Cαααα

= C0 = 60 wt% Ni

28

αααα

35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250°C

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

Point B

αααα + L phases

17/09/2013

8

29

αααα

35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250°C

(Point B):

αααα + L

(2) Determine the composition of each phase