PHASE DIAGRAM (DIAGRAM FASA)

1. Pengertian Diagram Fasa

PengertianDiagram Fasaadalah diagram yang menampilkan hubungan antara temperatur dimana terjadi perubahan fasa selama proses pendinginan dan pemanasan yang lambat dengan kadar karbon. Tidak seperti struktur logam murni yang hanya dipengaruhi oleh suhu, sedangkan struktur paduan dipengaruhi oleh suhu dan komposisi. Pada kesetimbangan, struktur paduan ini dapat digambarkan dalam suatu diagram yang disebut diagram fasa (diagram kesetimbangan) dengan parameter suhu (T) versus komposisi (mol atau fraksi mol). (Fase dapat didefinisikan sebagai bagian dari bahan yang memiliki struktur atau komposisi yang berbeda dari bagian lainnya). Diagram fasa khususnya untuk ilmu logam merupakan suatu pemetaan dari kondisi logam atau paduan dengan dua variabel utama umumnya ( Konsentrasi dan temperatur). Diagram fasa secara umum dipakai ada 3 jenis :1.Diagram fasa tunggal/Uner ( 1 komponen/Komposisi sama dengan Paduan )2.Diagram fasa Biner ( 2 komponen unsur dan temperatur)3.Diagram fasa Terner ( 3 komponen unsur dan temperatur)Diagram fasa tunggal memiliki komposisi yang sama dengan paduan, misalnya timbale dan timah. Diagram fasa biner misalnya paduan kuningan ( Cu-Zn), (Cu-Ni) dll. Diagram fasa terner misalnya paduan stainless steel (Fe-Cr-Ni) dll. Diagram pendinginan merupakan diagram yang memetakan kondisi struktur mikro apa yang anda akan dapatkan melalui dua variabel utama yaitu ( Temperatur dan waktu) disebut juga diagram TTT atau juga dua variabel utama yaitu (temperatur dan cooling rater) disebut juga diagram CCT. Diagram ini berguna untuk mendapatkan sifat mekanik tertentu dan mikrostruktur tertentu, Fasa bainit misalnya pada baja hanya terdapat pada diagram TTT bukan diagram isothermal Fe-Fe3C. Kegunaan Diagram Fasa adalah dapat memberikan informasi tentang struktur dan komposisi fase-fase dalam kesetimbangan. Diagram fasa digunakan oleh ahli geologi, ahli kimia, ceramists, metallurgists dan ilmuwan lain untuk mengatur dan meringkas eksperimental dan data pengamatan serta dapat digunakan untuk membuat prediksi tentang proses-proses yang melibatkan reaksi kimia antara fase.

Komponen Diagram FasaKomponen umum diagram fasaadalahgaris kesetimbanganataubatas fase,yangmerujuk pada baris yang menandai kondisi di mana beberapa fase dapat hidup berdampinganpada kesetimbangan. Fase transisi terjadi di sepanjang garis dari ekuilibrium.Titik tripel2adalah titik pada diagram fase di mana garis dari ekuilibrium berpotongan. Tanda titik tripelkondisi di mana tiga fase yang berbeda dapat ditampilkan bersama. Sebagai contoh, diagramfase air memiliki titik tripel tunggal yang sesuai dengan suhu dan tekanan di mana padat, cair,dan gas air dapat hidup berdampingan dalam keadaan kesetimbangan yang stabil.Titik solidus adalah Garis yang memisahkan bidang semua cairan dari yang ditambahcairan kristal. Titik likuidus adalah Garis yang memisahkan bidang semua cairan dari yangditambah cairan kristal. Temperatur di atas mana zat tersebut stabil dalam keadaan cair.Terdapat sebuah kesenjangan antara solidus dan likuidus yang terdiri dari campuran kristaldan cairan.

Diagram Fasa 2DDiagram fasayang paling sederhana adalah diagram tekanan-temperatur dari zat tunggalyang sederhana, seperti air. Sumbu sesuai dengan tekanan dan suhu. Diagrammenunjukkan fasa,dalam ruang tekanan-suhu, garis-garis batas keseimbangan atau fase antara tiga fase padat, gas,dan cair. Sebuah diagram fase khas. Garis putus-putus memberikan perilaku anomali air. Garishijau menandai titik beku dan garis biru titik didih, menunjukkan bagaimana mereka bervariasidengan tekanan.Kurva pada diagram fasamenunjukkan titik-titik di mana energi bebas (dan sifat turunanlainnya) menjadi non-analitis: turunannya berkenaan dengan (suhu dan tekanan dalam contohini) koordinat perubahan terputus-putus (tiba-tiba). Misalnya, kapasitas panas dari wadah denganes akan berubah tiba-tiba sebagai wadah dipanaskan melewati titik lebur. Ruang terbuka, dimana energi bebas adalah analitik, sesuai dengan daerah fase tunggal.Daerah satu fasadipisahkan oleh garis non-analitis, di mana transisi fase terjadi, yang disebutbatas fase.Dalam diagram di sebelah kiri, batas fasa antara cair dan gas tidak berlanjut tanpabatas.Sebaliknya, berakhir pada sebuah titik pada diagram fase yang disebut titik kritis. Inimencerminkan fakta bahwa, pada suhu dan tekanan sangat tinggi, fase cair dan gas menjadi tidakdapat dibedakan,dalam apa yang dikenal sebagai fluida superkritis. Pada air, titik kritis terjadi pada sekitar Tc = 647,096 K (1,164.773 R), pc = 22,064 MPa (3,200.1 psi) dan c = 356kg / m.Keberadaan titik cair-gas kritis mengungkapkan ambiguitas sedikit pelabelan daerah fasetunggal. Ketika terjadi dari cairan ke fase gas, satu biasanya menyeberangi batasfase, namunadalah mungkin untuk memilih jalan yang tidak pernah melintasi batas dengan pergi ke kanantitik kritis. Dengan demikian, fase cair dan gas dapat berbaur terus menerus ke satu sama lain.Batas fase padat-cair hanya dapat diakhiri dengan titik kritis jika fase padat dan cair memilikigrup simetri yang sama.Batas fase padat-cair dalam diagram fase zat yang paling memiliki kemiringan positif,semakin besar tekanan pada zat tertentu, semakin dekat bersama-sama molekul-molekul zatdibawa ke satu sama lain, yang meningkatkan efek darikekuatan antarmolekul substansi itu.Dengan demikian, substansi memerlukan suhu yanglebih tinggi untuk molekul untuk memilikienergi yang cukup untuk keluar pola tetap darifase padat dan memasuki fase cair. Konsep serupajuga berlaku untuk perubahan fase cair-gasair, karena sifat tertentu, adalah salah satu daribeberapa pengecualian aturan.

2. Kesetimbangan Fasa

PengertianBagian sesuatu yang menjadi pusat perhatian dan dipelajari disebut sebagaisistem. Suatusistem heterogen terdiri dari berbagai bagian yang homogen yang salingbersentuhan dengan batas yang jelas. Bagian homogen ini disebut sebagai fasa dapatdipisahkan secara mekanik.Tekanan dan temperatur menentukan keadaan suatu materi kesetimbangan fasadari materi yang sama. Kesetimbangan fasa dari suatu sistem harus memenuhi syaratberikut :1.Sistem mempunyai lebih dari satu fasa meskipun materinya sama2.Terjadi perpindahan reversibel spesi kimia dari satu fasa ke fasa lain3.Seluruh bagian sistem mempunyai tekanan dan temperatur samaKesetimbangan fasa dikelompokan menurut jumlah komponen penyusunnyayaitu sistem satu komponen, dua komponen dan tiga komponen Pemahaman mengenaiperilaku fasa berkembang dengan adanya aturan fasa Gibbs. Sedangkan persamaanClausius dan persamaan Clausius Clayperon menghubungkan perubahan tekanankesetimbangan dan perubahan suhu pada sistem satu komponen. Adanya penyimpangandari sistem dua komponen cair- cair ideal konsep sifat koligatif larutan dapatdijelaskan.

Kriteria KesetimbanganKesetimbangan antara beberapa fasa dapat dinyatakan dengan besaran- besaranintensif T (suhu), P (tekanan) dan (potensial kimia). Kriteria suatu kesetimbangandiperlihatkan oleh perubahan energi bebas Gibbs (G).

Istilah Dalam Kesetimbangan

FasaSering istilah fasa diidentikkan dengan wujud atau keadaan suatu materi,misalnya esberwujud padat, air berwujud cair atau uap air yang berwujud gas. Konsepini tidak benarkarena sistem padatan dan sistem cairan dapat terdiri dari beberapa fasa.Sedangkan gascenderung bercampur sempurna sehingga dalam sistem gas hanyaterdapat satu fasa. Fasa dapat didefinisikan sebagai setiap bagian sistem yang :a.homogen dan dipisahkan oleh batas yang jelasb.sifat fisik dan sifat kimia berbeda dari bagian sistem lainc.dapat dipisahkan secara mekanik dari bagian lain sistem ituContoh :sistem satu fasa : Dua cairan yang bercampur homogensistem 2 fasa : cairan polar (misal air) dan non polar (misal :minyak)sistem belerang padat (monoklin dan rombik)sistem 3 fasa : es, uap air dan air

Komponen (C)Jumlah komponen suatu sistem dinyatakan sebagai jumlah minimum spesikimia yang membentuk sistem tersebut yang dapat menentukan susunan setiap sistemfasa sistem.Contoh.Jumlah komponen C = 1jumlah komponen C = 3 untuk perbandingan moldanjumlah komponen C = 2 bila perbandingan mol

Derajat KebebasanDerajatkebebasan (F) dari suatu sistem setimbang merupakan variabel intensifindependen yang diperlukan untuk menyatakan keadaan sistem tersebut. Untukmenentukan derajatkebebasan dibutuhkan aturan fasa.

Aturan FasaAturan fasa mengatur hubungan antara jumlah komponen, jumlah fasa danderajatkebebasansuatu sistem.

3. Aturan Fasa Gibbs

Aturan fasa, pertama kali dicetuskan oleh J. Willard Gibbs pada tahun 1876, terkait kondisi fisik campuran dengan jumlah konstituen dalam sistem dan kondisinya. Gibbs pula yang pertama kali menggunakan istilah Phase untuk setiap wilayah homogen dalam suatu sistem. Ketika tekanan dan temperatur adalah variabel tetap, aturan tersebut dapat ditulis sebagai:

dimana f adalah jumlah variabel bebas (disebut derajat kebebasan), c adalah jumlah komponen, dan p adalah jumlah fase stabil dalam sistem. Aturan fase Gibbs berlaku untuk semua materi (padat, cair, dan gas), tetapi ketika efek dari tekanan konstan, aturan tersebut tereduksi menjadi:

Jumlah komponen dapat lebih kecil daripada macam zat nyang berada dalam sistem, karena mungkin saja terdapat hubungan antara konsentrasi kesetimbangan berbagai zat dalam sistem hingga untuk melukiskan sistem secara lengkap tidak perlu dinyatakan sebanyak n kali. Terdapat dua macam hubungan antara konsentrasi komponen-komponen yaitu kesetimbangan kimia dan keadaan awal. Bagi tiap kesetimbangan kimia jumlah konsentrasi yang bebas berkurang sebuah. Sebagai contoh, bila kalsium oksida padat, kalsium karbonat padat, dan gas karbon dioksida berada dalam kesetimbangan, jumlah komponen berkurang dengan satu oleh adanya kesetimbangan kimia. Jumlah derajat kebebasan atau varian v suatu sistem ialah bilangan terkecil yang menunjukkan jumlah variable bebas (tekanan, suhu, konsentrasi berbagai fasa) yang harus diberi harga untuk melukiskan keadaan sistem.

4. Sistem Unary, Binary, dan Ternary

a. Sistem Satu Komponen (Unary)Untuk sistem 1 komponen aturan fasa berubah menjadi

Karena fasatidak mungkin = 0, maka derajatkebebasan maksimum adalah 2 artinyasistem 1 komponenpaling banyak memiliki 2 variabel intensif untuk menyatakankeadaan sistem yaitu P(tekanan) dan T (suhu). Diagram fasa adalah diagram yangmenggambarkan keadaan sistem(komponen dan fasa) yang dinyatakan dalam 2dimensi. Dalam diagram ini tergambar sifat- sifat zat seperti titik didih, titik leleh, titiktripel. Sebagai contoh adalah diagram fasa 1 komponen adalah diagram fasa air.Diagram ini menggambarkan hubungan antara tekanan dan suhu pada sistem 1 komponen air. Titik tripel memperlihatkan suhu dimana air mempunyai 3 fasa yaitu padat, cair dan gas.b. Sistem dua Komponen (Binary)

Diagram fase dengan lebih dari dua dimensi dapat dibuat yang menunjukkan efeklebih dari dua variabel pada fase suatu zat. Diagram fasa dapat menggunakan variabel lain disamping atau sebagai pengganti dari suhu, tekanan dan komposisi, misalnya kekuatan listrikyang diterapkan atau medan magnet dan mereka juga dapat melibatkan bahan-bahan yangmengambil lebih dari sekadar tiga negara dari materi. Satu jenis plot diagram fase temperaturterhadap konsentrasi relatif dari dua zat dalam biner campuran yang disebutdiagram fasebiner,seperti yang ditunjukkan di bawah ini :

Eutektik biner diagram fase menjelaskan perilaku kimia dua tidak bercampur (unmixable)kristal dari yang benar-benar bercampur (mixable) meleleh, seperti olivin dan pyroxene, ataupyroxene dan Ca plagioclase. Tipe lain dari diagram fasa biner adalahdiagram titik didihcampuran dari dua komponen, yaitu senyawa kimia. Selama dua khusus volatile komponenpada tekanan tertentu seperti tekanan atmosfer, diagram titik didih menunjukkan apa uap(gas) komposisi berada dalam kesetimbangan dengan komposisi cairan yang diberikantergantung pada suhu. Dalam biner khas titik didih diagram suhu diplot pada sumbu vertikaldan campuran komposisi pada sumbu horizontal.

Reaksi Eutektik dapat disebut juga dengan Reaksi Invarian. Reaksi ini memiliki jumlah fasa maksimum adalah tiga, dimana terdapat secara bersamaan dalam kondisi kesetimbangan pada sistem biner yang melibatkan larutan cairan. Reaksi Invarian Kedua disebut dengan Peritektik. Bentuk Generik dari Reaksi Peritektik adalah :

Arah panah pada persamaan di atas menyatakan bahwa terdapat 2 proses yang dapat digunakan, yaitu pendinginan dan pemanasan. Reaksi Invarian Ketiga adalah Reaksi Eutektoid. Reaksi ini melibatkan larutan padat. Bentuk generik dari Reaksi Eutektoid adalah sebagai berikut :

Seperti halnya penjelasan pada Reaksi Peritektik, persamaan diatas menyatakan bahwa terdapat 2 proses yang dapat digunakan, yaitu pemanasan dan pendinginan. Reaksi Invarian lainnya dapat dikelompokkan menjadi beberapa macam, yaitu :MonotektikPeritektoidSintektikKetika satu fase padat berubah menjadi dua fasa padat selama pemanasan, disebuteutektoid. Lain halnya dengan eutektoid, Peritectoid merupakan suatu titik di mana dua fasapadat bergabung menjadi satu fase padat selama pemanasan.

Gambar4.3Diagram Peritectic, Eutectic, dan EutectoidDua fasa yang terdiri dari padat dan cair secara kolektif terkondensasi dikenal sebagaifase terkondensasi. Analisis kesetimbangan antara fase terkondensasi biasanya mengabaikanfasegas. Kombinasi fase terkondensasi termasuk cair-padat dan padat-padat. Banyakkristalografibentuk padatan masing-masing dianggap sebagai tahap yang berbeda, jadikesetimbangan ini menunjukkan cukup beragam. Subjek ini dikenal sebagai representasidiagram fase biner.Pada masing-masing contoh di atas, tujuannya adalah untuk menentukankonsentrasi.komponen A dan B dalam dua fase bersamaan. Dalam fase kentalkesetimbangan, identifikasistabil fase I dan II juga merupakan objektif.Komposisi kimia dua fasa terletak di dua ujungisoterm, atau garis hubung yangmelalui daerah dua fasa. Sebagai gambaran, ambillah solder 80 Pb-20 Sn pada 150 derajat.Dengan bantuan isoterm lainnya, kita dapat menentukan komposisi kimia dua fasa darisebarang paduan Pb-Sn pada sebarang suhu terkait.

c. Sistem Tiga Komponen (Ternary)

Sistem tiga komponen mempunyai derajatkebebasan, karena tidakmungkin membuat diagram dengan 4 variabel, maka sistem tersebut dibuat padatekanan dan suhutetap. Sehingga diagram hanya merupakan fungsi komposisi. Hargaderajatkebebasan maksimal adalah 2, karena harga P hanya mempunyai 2 pilihan 1fasa yaitu ketiga komponen bercampur homogen atau 2 fasa yang meliputi 2 pasangmisibel. Umumnya sistem 3komponen merupakan sistem cair-cair- cair. Jumlah fraksimol ketiga komponen berharga 1.Sistem koordinat diagram ini digambarkan sebagaisegitiga sama sisi dapat berupa % mol atau fraksi mol ataupun % berat seperti gambar4.4berikut :

Gambar4.4Sistem Kordinat Segitiga Dalam Sistem Tiga KomponenGambar4.5adalah contoh diagram fasa 3 komponen cair- cair sistem aseton- air eter pada30 0C, 1 atm dengan koordinat persen mol . Daerah di bawah kurva adalahdaerah 2 fasa yaituair- aseton dan eter- aseton. Dalam gambar terlihat pada komposisiekstrem air dapatbercampur sempurna dengan eter. Sedangkan aseton dapat bercampurhomogen baik dengan air maupun eter.

d. Aturan Pengungkit (Lever Rule)