1. diagram fasa dalam sistem logam - fasa ( phase dalam...

Mata Kuliah : Material Teknik Pengampu: Yudy Surya Irawan

��YudySuryaIrawan 5- 1

1. Diagram Fasa dalam Sistem Logam

- Fasa (phase) dalam terminology/istilah dalam mikrostrukturnya

adalah ssuuaattuu ddaaeerraahh ((rreeggiioonn)) yyaanngg bbeerrbbeeddaa ssttrruukkttuurr aattaauu kkoommppoossiissiinnyyaa ddaarrii ddaaeerraahh llaaiinn.

- Diagram fasa (phase diagram) adalah:

suatu diagram yang menunjukkan fasa dalam suatu sistem material diberbagai

suhu, tekanan dan komposisi.

�� Diagram ini banyak digunakan oleh para insinyur dan peneliti untuk memahami dan

memperkirakan banyak aspek perilaku dari material.

� Informasi yang didapatkan dari diagram fasa:

1. Menunjukkan fasa yang ada pada komposisi dan temperatur yang berbeda dalam

kondisi pendinginan lambat.

2. Menunjukkan kesetimbangan pemadatan dari suatu elemen (atau

campuran/compound) dalam unsur lain.

3. Menunjukkan temperatur dari suatu paduan yang didinginkan dalam kondisi

kesetimbangan mulai membeku dan menginformasikan interval suhu saat

pembekuan terjadi.

4. Menunjukkan suhu dari suatu fasa yang berbeda mulai mencair.

�� DDiiaaggrraamm ffaassaa kkeesseettiimmbbaannggaann ddiiddaappaattkkaann ddeennggaann kkoonnddiissii ppeennddiinnggiinnaann yyaanngg llaammbbaatt..

1.1 Diagram Fasa dari Unsur Murni

� Air bila didinginkan dalam suatu kesetimbangan, fasa padat (ice) dan cair berada

bersama-sama dengan batas fasa adalah permukaan dari es.

� Saat dipanaskan, cairan menguap, saat mendidih uap air dan cairan bersama

dalam kondisi kesetimbangan dengan batas fasa adalah permukaan air.

� Kondisi diagram fasa unsur murni seperti air dapat dinyatakan dengan diagram

kesetimbangan fasa tekanan – temperatur seperti (pressure – temperature

equilibrium phase diagram)

Es (ice)

Air

Uap (steam)

Air

Batas Fasa

Panas



Gambar 1.1 Perkiraan diagram fasa kesetimbangan tekanan dan suhu untuk air murni.

� Contoh lain pada diagram kesetimbangan fasa tekanan – temperatur untuk besi

murni (pure iron, Fe)

Gambar 1.2 Perkiraan diagram fasa kesetimbangan tekanan dan suhu untuk besi murni

� Triple point 1 terdiri atas : liquid, vapor, δFe

� Triple point 2 terdiri atas : vapor, δFe dan γFe

� Triple point 3 terdiri atas : vapor, γFe dan αFe

760 torr=760 mmHg =

1 atm = 1 bar=105 Pa=

1 kg/cm2

1 torr= 1mm Hg



1.2 Hukum Fasa Gibbs (Gibbs Phase Rule)

J.W. Gibbs (1839-1903) menurunkan suatu persamaan yang mampu menghitung

jumlah fasa yang ada dalam kesetimbangan pada suatu sistem yang ditentukan/dipilih.

P + F = C + 2

dengan : P : jumlah fasa yang ada pada sistem terpilih

F : derajat kebebasan (jumlah variable (tekanan, suhu, komposisi) yyaanngg ddaappaatt

ddiiuubbaahh bbeebbaass ttaannppaa mmeenngguubbaahh jjuummllaahh ffaassaa ddaallaamm kkeesseettiimmbbaannggaann.

C : jumlah komponen dalam sistem (suatu elemen, campuran atau larutan/cairan)

Contoh:

a. Untuk air pada Gambar 1.1, pada titik triple jumlah fasa = 3 = P (phase)

Jumlah komponen = air saja = 1 = C (Component)

P + F = C + 2

3 + F = 1 + 2

F = 0 (dengan derajat kebebasan nol)

Karena tidak ada variable (suhu maupun tekanan) yang dapat diubah dan 3 fasa tetap ada

di titik itu, maka titik triple ini disebut invariant point (titik tetap/tak berubah=invariant)

b. Pada garis batas cair dan padat P=2, C=1 maka F= C+2 – P = 1 + 2 – 2 = 1, terdapat

satu variable dapat diubah bebas dan mampu mempertahankan dua fasa yang ada dalam

sistem. Yang mana bila tekanan tertentu ditentukan hanya akan ada satu temperatur

yang mana fasa padat dan cair ada bersamaan.

c. Bila ada titik dimana saja yang ada dalam satu fasa, maka:

P = 1, C = 1 � P + F = C + 2

F = 1 + 2 – 2 = 2 (dua derajat kebebasan)

Artinya dua variable suhu dan tekanan dapat bervariasi/diubah-ubah secara bebas dan

sistem tetap berada dalam satu fasa.

! Kebanyakan diagram fasa binary( dua unsur) yang digunakan dalam ilmu material

adalah diagram temperatur – komposisi dalam kondisi tekanan konstan biasanya 1 atm

= 105 Pa = 760 torr = 760 mm Hg. Untuk kondisi ini berlaku P + F = C + 1

1.3 Diagram Fasa Ganda pada Sistem Paduan Isomorphous

Campuran dua logam disebut paduan binary/binary alloys yang mana membentuk

dua komponen sistem.

Contoh: tembaga murni � sistem satu komponen

Tembaga dan nikel � sistem dua komponen

Pada beberapa sistem logam dua komponen, dua elemen mencair sempurna satu

sama lain baik pada kondisi cair maupun padat.

Pada sistem isomorphous, hanya terdapat sebuah/satu jenis struktur kristal yang

berada pada semua komposisi dari komponennya.



Untuk terjadi sistem isomorphous, biasanya sistem tersebut memenuhi satu atau

lebih kondisi sebagai berikut : (berdasarkan Kaidah Daya larut padat Hume – Rohtery

(1899-1968) :

1. Struktur kristal dari setiap elemen dari campuran pada harus sama.

2. Perbedaan atom dari setiap dua elemen tidak boleh berbeda lebih dari 15%

3. Elemen seharusnya tidak membentuk persenyawaan/campuran satu sama lain. Dalam

arti lain, tidak boleh ada perbedaan besar dalam elektromagnetivitas dari dua elemen.

4. Elemen seharusnya memiliki elektron valensi yang sama.

Contoh :

Diagram fasa dua komponen 19 Cu – 28 Ni, ditentukan untuk pendinginan lambat atau

kondisi kesetimbangan pada tekanan atmosfir.

Gambar 1.3 Diagram fasa nikel-tembaga. Tembaga dan nikel memiliki kemampuan larut

cair total dan kemampuan larut padatan total. Tembaga nikel larutan padat mencair pada

suhu interval di atas suhu yang ditentukan pada logam murni

Gambar 1.4 Konstruksi dari diagram kesetimbangan Cu-Ni dari kurva pendinginan cair ke

padat. (a) Kurva pendinginan ; (b) Diagram fasa kesetimbangan



1.4 Kaidah Tuas (The Lever Rule)

Digunakan untuk mengetahui prosentasi berat dari fasa yang ada dalam daerah dua

fasa pada diagram fasa kesetimbangan dua komponen.

Misalnya ditanyakan berapa berat fraksi dari fasa pada suhu T dan fraksi berat B, wo

berdasarkan kaidah tuas/timbangan/pengungkit pada diagram fasa di bawah ini.

� Fraksi berat fasa cair (X l) + fraksi berat fasa padat (X s) = 1

X l + X s = 1

X l = 1 －－－－ X s

X s = 1 －－－－ X l

� mmaassssaa BB ddaallaamm dduuaa ffaassaa == mmaassssaa BB ddaallaamm ffaassaa ccaaiirr ++ mmaassssaa BB ddaallaamm ffaassaa ppaaddaatt

(1g)(1) (%wo/100) = (1g) (Xl) (%wl /100) + (1g)(Xs)(%ws/100)

Jadi wo = Xl ��w l + Xs ��ws

Xl = 1 – Xs

wo = (1 – Xs )�� w l + Xs �� ws

= w l – Xs �� w l + Xs �� ws

Xs �� ws – Xs �� w l = wo – w l

Fraksi berat dari fasa padat = Xs = (wo – w l) / (ws – w l) ; Xl = 1 – Xs

Fraksi berat dari fasa cair = Xl = [(ws – w l) / (ws – w l) ] – [(wo – w l) / (ws – w l)]

= (ws – wo) / (ws – w l)

Fraksi berat dari campuran

fasa

Rata-rata fraksi

berat B dalam

campuran fasa

Fraksi berat

dari fasa liquid

( l: liquid)

Fraksi berat dari B dalam

fasa cair (l :liquid)

Fraksi berat dari

fasa padat

(s: solid)

Fraksi berat dari B

dalam fasa padat

(s: solid)



Contoh: Pada diagram fasa Cu-No di suhu 1300°C.

Berapakah % berat Cu dalam fasa cair & padat pada temperatur 1300°C untuk

47% wt Cu dan 53% wt% Ni.

Dengan menggambar garis pada diagram maka didapatkan

wo = 53% Ni ; w l = 45% Ni dan ws = 58% Ni

Xl = (ws – wo) / (ws – w l) = ( 58 – 53 )/ (58 – 45 ) = 5/13 = 0.38

% berat dari fasa cair = 38%

% berat dari fasa cair = 1 - Xl = 1- 38%= 62%

1.5 Diagram fasa tiga komponen (Ternary Phase Diagram)

adalah diagram fasa yang terdiri atas 3 unsur logam murni A, B, C yang mana pada

umumnya dilukiskan dalam diagram sebagai berikut untuk tiap suhu isothermal.



Cara mencari komposisi dalam diagram fasa ternary

Berdasarkan gambar di atas maka untuk posisi x komposisinya adalah

40% berat unsur A, 40% berat unsur B, 20% berat unsur C.

Sedangkan untuk posisi y memiliki komposisi sebagai berikut:

20% berat unsur A, 30% berat unsur B, 50% berat unsur C.

Bagaimana dengan komposisi untuk posisi z ?

Bagaimana dengan komposisi untuk posisi U dan T ?

z

U

T

1. diagram fasa dalam sistem logam - fasa ( phase dalam...

Documents