12/03/2015

1

By: Nurun Nayiroh, M.Si

Pertemuan Ke-2

DIAGRAM FASA

MK TRANSFORMASI FASA

Background

• Pemaduan logam membuat struktur dalam keadaan setimbang pada temperatur dan tekanan tertentu

• Logam lebih banyak dalam keadaan dipadu (logam paduan/alloy)

• Pemaduan logam akan memperbaiki sifat logam, a.l.: kekuatan, keuletan, kekerasan, ketahanan korosi, ketahanan aus, ketahanan lelah, dll

• Umumnya logam tidak berdiri sendiri (tidak dalam keadaan murni)

Kemurnian Sifat

StrukturPaduan

Paduan (Alloy)� Paduan adalah campuran bahan yang memiliki sifat-sifat

logam terdiri dari dua atau lebih komponen dan sedikitnya satu komponen utamanya adalah logam.

� Suatu sistem paduan adalah suatu sistem yang terdiri dari semua paduan yang terbentuk dari beberapa unsur dengan semua macam komposisi yang mungkin dapat dibuat.

� Paduan dapat diklasifikasikan menurut strukturnya dan sistem paduan dapat diklasifikasikan menurut diagram kesetimbangannya (diagram phasenya).

� Paduan bisa merupakan paduan homogen dan bisa merupakan campuran, bila homogen merupakan fasa tunggal bila campuran terdiri dari beberapa fasa .

Ayat al-Qur’an tentang alloy (Al-kahfi:95&96)

� Zulkarnain berkata: “Apa yang telah dikuasakan oleh Tuhanku terhadapnya adalah lebih baik, maka tolonglah aku dengan kekuatan (manusia dan alat-alat), agar aku membuatkan dinding antara kamu dan mereka, berilah aku potongan besi” . Hingga apabila besi itu telah sama rata dengan kedua (puncak) gunung itu, berkatalah Zulkarnain “Tiuplah api itu” . Hingga apabila besi itu sudah menjadi (merah seperti api), dia pun berkata: “Berilah aku tembaga (yang mendidih) agar kutuangkan ke atas besi panas itu”.

� Dari ayat di atas tersirat bahwa ketika Zulkarnain membuat sebuah dinding pemisah, beliau tidak cukup dengan menggunakan material logam berupa besi saja, tetapi dengan menggabungkan besi tersebut dengan bahan lain berupa tembaga agar dinding tersebut lebih tangguh dan kuat.

� Lewat penuturan Zulkarnain tersebut di atas, kita ketahui bahwa material terkuat sampai akhir zaman berasal dari minimal dua zat/bahan yang berbeda yang diolah sedemikian rupa sehingga saling memperkuat sifat bahan yang satu dengan lainnya.

12/03/2015

2

DefinisiDefinisiDefinisiDefinisi� Fasa pada suatu material didasarkan atas daerah yang berbeda dalam struktur atau

komposisi dari daerah lainnya.� Fasa ⟹ bagian homogen dari suatu sistem yang memiliki sifat fisik dan kimia yang

seragam.Contoh:Satu fase : contohnya logam murni, padatan, cairan.Lebih 1 fase : contohnya larutan air-gula dengan gula (larutan air-gula yang melampaui batas kelarutan).Sistem fase tunggal → homogenSistem 2 atau lebih fase → campuran atau sistem heterogen.

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

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

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

Contoh mikrostruktur suatu fasa

Contoh Diagram Fasa Besi-Besi Karbida Informasi Diagram FasaInformasi penting yang dapat diperoleh dari diagram fasaadalah:

1. Memperlihatkan fasa-fasa yang terjadi padaperbedaan komposisi dan temperatur di bawah kondisipendinginan yang sangat lambat.

2. Mengindikasikan kesetimbangan kelarutan padat satu unsuratau senyawa pada unsur lain.

3. Mengindikasikan pengaruh temperatur dimana suatupaduan di bawah kondisi kesetimbangan mulaimembeku dan pada rentang temperatur tertentupembekuan terjadi.

4. Mengindikasikan temperatur dimana perbedaan fasa-fasamulai mencair.

12/03/2015

3

• Contoh:• Cu+Zn;

Cu+Al; Cu+Sn.

Unsur Logam +Unsur Logam

• Contoh:• Fe+CUnsur Logam

+Unsur Non Logam

Jenis Pemaduan (Alloy)Jenis Pemaduan (Alloy)Jenis Pemaduan (Alloy)Jenis Pemaduan (Alloy)

Contoh-contoh pemaduan:

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

� Solid solution (larutan padat) : terdiri dari beberapa atom, minimal dua atom yang berbeda, atom terlarut menempati posisi substitusi interstisi pada kisi pelarut dan struktur kristal mengikuti struktur kristal pelarut.

� Batas kelarutan (solubility limit).

Suatu logam paduan akan mempunyai maksimum konsentrasi dari atom terlarut yang akan larut pada pelarut.Jika atom terlarut konsentrasinya melampaui batas kelarutan maka sebagian atom tersebut tidak akan terlarut lagi. Untuk menggambarkan keadaan ini bisa dilihat contoh larutan air gula. Jika gula yang dicampur terlalu banyak maka gula tersebut tidak akan larut lagi.

12/03/2015

4

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

1. Larutan padat substitusi

Adanya atom-atom terlarut yangmenempati kedudukan atom-atompelarut.

2. Larutan padat interstisi

Adanya atom-atom terlarut yangmenempati rongga-rongga diantarakedudukan atom/sel antara.

Cu

Ni

Fe

C

Jenis Larutan PadatUntuk mengetahui kelarutan padat suatu unsur dalam unsur lainnya, Hume-Rotherymensyaratkan sebagai berikut:

1.Yang mempengaruhi terbentuknya jenis kelarutan ditentukan oleh faktor geometri(diameter atom dan bentuk sel satuan).

Contoh 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)

A + B B’ (dimana B dominan)

(kelarutan yang tersusun disebut larut sebagian)

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

Faktor Kelarutan Padat

2. Larut padat substitusi/interstisi ditentukan oleh faktor diameteratom.

Jika perbedaan diameter atom yang larut dibandingkan atom pelarut lebihkecil dari 15%, maka kelarutan yang terjadi adalah larutan padatsubstitusi.

Jika perbedaan diameter atom yang larut dibandingkan atom pelarut lebihbesar dari 15%, maka kelarutan yang terjadi adalah larutan padatinterstisi.

3. Suatu hasil percampuran harus stabil

Stabilitas dari paduan dijamin oleh keelektronegatifan dankeelektropositifan, makin besar perbedaan keelektronegatifan dankeelektropositifan maka pencampurannya semakin stabil, tetapi kalau terlalubesar perbedaannya yang terjadi bukan larutan melainkan senyawa(compound)

Memvariasikan komposisi dari keduaunsur (0-100%)

Dipanaskan hingga mencair

didinginkan dengan lambat (diukuroleh dilatometer/kalorimeter)

Pembentukan Diagram FasaHubungan antara temperatur dankomposisi diplot untuk mengetahuiperubahan fasa yang terjadi.

Perubahan komposisi akan merubah pola dari kurvapendinginan:•Titik-titik A, L1, L2, L3 dan C merupakan awalterjadinya pembekuan•Titik-titik B, S1, S2, S3 dan D merupakan akhirpembekuan.

Konstruksi pembentukan diagram fasa

12/03/2015

5

Garis Pada Diagram Fasa Solubility Limit (Batas Kelarutan)

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

Solubility Limit Menunjukkan konsentrasi maksimum pada sebuah fasa larutan, yang menyatakan batas kelarutan maksimum unsur terlarut di dalam pelarutnya atau dapat juga disebutmaximum solubility limit.

Dari diagram fasa sistem air (sirup) dan gula di samping.

pertanyaan: Berapakah solubility limitpada temperatur20°C?

Solubility limit increases with T:

e.g., if T = 100°C, solubility limit = 80wt% sugar

The Example of Solubility Limit

Answer: 65wt% sugar

If Co < 65wt% sugar: syrup

If Co > 65wt% sugar: syrup + sugar

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

• water- sugarsystem

70 80 1006040200

Temperature (°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

12/03/2015

6

Cooling Curve for Pure Metal

(1)Pemanasan logam hingga titik Ta;(2)Pendinginan logam dari titik a –b;(3)Di titik b, logam mulai mengendap menjadi larutan;(4)Di titik c, logam menjadi padat; garis horisontal lurus kurva dari b kec menunjukkan suhu konstan (Tb-c ), karena energi panas yang diserap dalam perubahan dari cair ke padat;(5)Logam padat didinginkan kembali dari c ke d dan temperatur mulai turun kembali.

Gambar (b) Cooling curve for pure iron.

(b)

Cooling Curve for Pure Iron

Gambar Allotropic forms of iron (three phases: bcc, fcc, bcc)

Allotropic Forms of Iron 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 a (liquid phase, with both metals soluble in each other); (2) cooling of alloy in liquid phase; (3) point b, solidification begins; (4) point c, solidification complete; sloped b – c due to changing from liquid to solid over the temperature range Tb toTc because components A and B have different melting/cooling temperatures; (5) further cooling from c to d of solid-state metal alloy.