-
1
I. DIAGRAM FASA
1.1. Pendahuluan
Pada sistem paduan logam terdapat beberapa struktur di dalamnya.
Umumnya
sifat-sifat material tergantung pada jenis, nomor, jumlah, dan
bentuk fasa yang ada dida-
lamnya. Disamping itu sifat material dapat berubah oleh
pengaturan kuantitas fasanya,
oleh karena itu sangat penting untuk mengetahui ; 1) kondisi
fasa yang ada, dan 2) kon-
disi perubahan fasa yang terjadi. Banyak informasi mengenai
perubahan fasa dalam
berbagai sistem paduan, dan metode pengolahan data dalam diagram
fasa. Nama lain
dari diagram fasa adalah diagram kesetimbangan. Secara spesifik
sistem keadaan utuh
dalam kesetimbangan dinyatakan dalam tiga variabel independen.
Ketiga variabel itu
untuk mengontrolan fasa dari luar, ketiga variable tersebut
adalah temperatur, tekanan
dan komposisi. Yang mana tekanan diasumsikan konstan pada
kondisi atmosfer,
sehingga diagram kesetimbangan hanya menunjukan perubahan
struktur karena variasi
temperatur dan komposisi. Diagram ini sangat penting untuk
menggambarkan sistem
paduan dalam pengecoran logam.
Idealnya, diagram kesetimbangan menggambarkan hubungan fasa
dibawah kon-
disi setimbang yang tidak berubah karena waktu. Kondisi
setimbang ini didekati dengan
pemanasan dan pendinginan lambat sehingga perubahan fasa yang
terjadi cukup waktu.
Pada kenyataannya, fasa cenderung berubah secara langsung pada
temperatur tinggi dan
temperatur rendah. Diagram kesetimbangan dapat diklasifikasikan
atas :
1. Unsur larut total dalam kondisi cair.
a). Larut total dalam kondisi padat (Jenis I)
b). Tak larut dalam kondisi padat : reaksi eutektik (Jenis
II)
c). Larut sebagian dalam kondisi padat : reaksi eutektik (Jenis
III)
d). Pembentukan sebagian-cair fasa intermediate (Jenis IV)
e). Reaksi peritectic (Jenis V)
Tujuan Pembelajaran
Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa diharapkan mampu:
1. Memahami perilaku logam lebur dan beku.
2. Menggambar dan menginterpretasikan diagram fasa.
3. Memprediksi jenis dan jumlah fasa pada titik kedudukan dalam
diagram
fasa.
-
2
2. Unsur larut sebagian dalam kondsi cair : reaksi monotectic
(Jenis VI)
3. Unsur tak larut dalam kondisi liquid dan tak larut dalam
kondisi solid (Jenis VII)
4. Perubahan dalam kondisi solid
a). Perubahan allotropic
b). Orde-disorder
c). Reaksi eutectoid
d). Reaksi peritectoid
1.2. Koordinat Diagram Fasa
Diagram fasa diplot dalam bentuk salib sumbu temperatur
(ordinat) dan kompo-
sisi paduan dalam %berat (absis), seperti dalam Gb.1.1a.
Kadangkala komposisi paduan
dinyatakan dalam %atomik, seperti dalam Gb.1.1b. Konversi %berat
ke % atomik diru-
muskan sebagai berikut:
(1-1)
.. (1-2)
Yang mana : M : berat atom logam A, N : berat atom logam B, X :
% berat logam A,Y
% berat logam B.
Contoh : 1
Paduan Al-Cu (duralumin) dengan 95%berat Al dan 5%berat Cu biasa
ditulis 95Al-5Cu
bila duralumin tersebut dinyatakan dengan persen atomik adalah
97,811%Atom Al dan
2,189%Atom Cu (lihat Gb.1.1c). Hasil tersebut diperoleh dari
pengoperasian pers. 1-1
dan 1-2, yang mana berat atom Al = 27 dan berat atom Cu =
63,5.
Paduan Al-Si (silumin) dengan 80%berat Al dan 20%berat Si
ditulis 80Al-20Si bila si-
lumin tersebut dinyatakan dengan persen atomic adalah 80,57%atom
Al dan
19,43%atom Si. Yang mana berat atom Si = 28.
Paduan Fe-C dengan 99,6%berat Fe dan 0,4%berat C (baja carbon
sedang) biasa ditulis
S40C. Yang mana berat atom Fe = 55,85 dan berat atom C = 12 maka
baja carbon se-
dang yang dimaksud adalah 98,165%atom Fe dan 1,835%atom C.
-
3
Gambar 1.1. Diagram fasa dua unsur
a). Persen berat, b). Persen atomik dan berat paduan Cu-Au, c).
Paduan Al-Cu
1.3. Metode Percobaan
Diagram kesetimbangan dibuat berdasarkan data percobaan dengan
berbagai
metode, umumnya metode yang digunakan sebagai berikut:
Metode Analisa panas : Metode ini banyak digunakan dalam
percobaan dengan men-
geplot temperatur dan waktu pada komposisi konstan sehingga
menghasilkan kurva
pendinginan dengan menunjukan perubahan kemiringan apabila
terjadi perubahan fasa
karena evolusi panas. Metode ini sangat baik untuk menentukan
temperatur awal dan
akhir solidifikasi masing-masing pada garis liquidus dan garis
solidus. Perubahan fasa
a) b)
c)
-
4
ini terjadi dalam keadaan padat dengan perubahan panas yang
kecil, dan metode ini
memberikan hasil yang akurat.
Metode Metallographic : Metode ini terdiri dari pemanasan sample
paduan dengan
temperatur yang berbeda, ditunggu sampai kondisi dinyatakan
stabil, dan cepat didin-
ginkan sampai struktur tetap bertemperatur tinggi, selanjutnya
sample di uji secara mi-
kroskopik. Pengamatan mikroskop ini dapat dilakukan dengan
mikroskop optic dengan
pembesaran 50 sampai 1000 kali, scanning electron microscope
(SEM) dengan pembe-
saran 20.000 sampai 60.000 kali, dan transmision electron
microscope (TEM) pembesa-
ran diatas 60.000 kali. Mikroskop electron ini dapat mengamati
benda kerja berukuran
50 sampai 500 nm.
Metode metallographic sulit diterapkan pada logam temperatur
tinggi karena
pendinginan cepat tidak selalu menghasilkan struktur yang tetap
pada temperatur tinggi,
dan metode ini tergantung pada keahlian pengamatan mikroskopik.
Biasanya metode
metallographic banyak digunakan untuk verifikasi diagram.
Difraksi Sinar-X: metode pengukuran dimensi kisi struktur
kristal ini menunjukan in-
dikasi tampilan fasa baru atau penunjukan struktur kristal baru
karena terjadi perubahan
dimensi kisi. Metode ini sederhana, tepat, dan banyak digunakan
untuk menentukan pe-
rubahan dalam larutan padat oleh temperatur. Difraksi merupakan
ekivalen dengan pe-
mantulan simetrik dari berbagai bidang kristal, dimana
syarat-syarat yang ada telah ter-
penuhi. Syarat pemantulan dan saling menguatkan dinyatakan oleh
: Hukum Bragg,
... (1-3)
Yang mana; n : jumlah berkas sinar datang, : panjang gelombang,
: sudut berkas si-
nar, dan d : tebal bidang (hkl).
1.4. Jenis 1 Dua Logam Larut Total dalam Kondisi Liquid dan
Solid
Awalnya dua logam larut total dalam kondisi padat, hanya jenis
fasa padat yang
terbentuk akan terlarut substitusional padat. Dua logam umumnya
mempunyai jenis
struktur yang sama dan beda diameter atomnya kurang dari 8%.
Hasil percobaan seri pendinginan berbagai macam kombinasi atau
paduan logam
A dan B, variasi komposisi dari 100%A 0%B sampai 0%A 100%B,
seperti Gb.1.2.
Gb.1.2. menunjukan hubungan antara kurva pendinginan yang diplot
pada sumbu tung-
-
5
gal. Perhatikan, tiap kurva pendinginan merupakan percobaan yang
terpisah dimulai da-
ri waktu nol. Kurva pendinginan untuk nilai logam murni A dan B
ditunjukan oleh garis
horizontal karena tempat ini merupakan awal dan akhir
solidifikasi pada temperatur
konstan. Tetapi, bentuk komposisi intermediete larutan padat,
laju pendinginan ini me-
nunjukan dua patahan atau perubahan kemiringan. Komposisi paduan
80A dan 20B,
patahan pertama pada temperatur T1, sebagai indikasi awal
solidifikasi. Semua kompo-
sisi intermediete akan menunjukan jenis kurva pendinginan yang
sama. Tanda diagram
fasa, atau pembentukan fasa, terdiri dari gambar garis-garis
yang menghubungkan se-
mua titik awal solidifikasi dibagian atas dan garis yang lain
sebagai akhir solidifikasi
seperti Gb.1.2.
Gambar 1.2. Susunan kurva pendinginan untuk dua paduan dalam
system kelarutan. Garis pu-
tus-putus menunjukan bentuk diagram fasa.
Sekarang diagram fasa aktual dapat ditentukan dengan mengeplot
temperatur vs
komposisi. Titik-titik yang tersedia dari urutan kurva
pendinginan dan diplot pada dia-
gram baru. Contoh dalam Gb.1.3, dimulai dari sumbu kiri sebagai
logam murni A, TA
diplot sepanjang garis ini. Dengan cara yang sama, TB juga
diplot pada sumbu kanan.
Semula semua komposisi intermediate merupakan prosentase A dan
B, intinya tanda
persen dihilangkan. Dalam gambar, garis vertikal menunjukan
paduan 80A-20B, dan T1
-
6
dan T2 dari Gb.1.3. diplot sepanjang garis ini. Prosedur yang
sama juga digunakan un-
tuk komposisi yang lain. Diagram fasa ini terdiri dua titik, dua
garis, dan tiga daerah.
Dua titik TA dan TB menunjukan pembekuan dua logam murni.
Gambar 1.3. Diagram fasa dua logam larut menyeluruh dalam
keadaan cair dan padat.
Garis atas, terdiri dari hubungan titik-titik yang menunjukan
awal solidifikasi
disebut garis liquidus, dan garis bawah, ditentukan oleh
titik-titik akhir solidifikasi, dis-
ebut garis solidus. Diatas garis liquidus merupakan daerah fasa
tunggal yang terdiri laru-
tan homogen. Seperti daerah dibawah garis solidus adalah daerah
fasa tunggal. Ini san-
gat praktis untuk penandaan pada diagram kesetimbangan dengan
menampilkan kembali
larutan padat dan paduan-paduan intermediate dengan huruf Greek.
Dalam hal ini, beri-
kan tanda larutan padat alpha (). Huruf A dan B digunakan untuk
menunjukan logam-
logam murni. Diantara garis liquidus dan solidus adalah sumbu
daerah dua-fasa. Paduan
dalam daerah ini terdiri dari campuran larutan liquid dan
solid.
Spesifikasi temperatur dari komposisi paduan dalam daerah
dua-fasa menunju-
kan paduan dari campuran dua-fasa. Diagram fasa juga menjelaskan
komposisi aktual
-
7
dan jumlah relatif dua-fasa yang ada. Penentuan informasi ini
sangat penting dan diten-
tukan dengan dua aturan, yaitu ;
Aturan I. Unsur Kimia Fasa
Untuk menentukan komposisi kimia aktual fasa-fasa paduan,
kesetimbangan be-
berapa temperatur spesifik dalam daerah dua-fasa, tarik garis
sejajar temperatur keseke-
liling biasa disebut garis tie. Tarik garis ke bawah dari
titik-titik ini sampai berhenti di
garis dasar sehingga komposisinya langsung terbaca.
Gb.1.4a, terkait dengan campuran paduan 80A-20B pada temperatur
T. Paduan
ini merupakan daerah dua-fasa. Pengoperasian aturan I, tarik
garis tie MO kesamping.
Titik M, adalah garis tie yang memotong garis solidus, apabila
ditarik kebawah memo-
tong sumbu dasar, sehingga menghasilkan komposisi 90A-10B.
Dengan cara yang sama
titik O, akan memotong sumbu dasar, sehingga memberikan
komposisi kimia pada fasa
campuran, dalam kasus ini larutan liquid pada komposisi
74A-26B.
Gambar 1.4. Garis dalam diagram fasa, a). Garis Tie mo dalam
daerah dua-fasa,
b). Garis Tie mo pada aturan tuas.
Aturan II. Jumlah Relatif Tiap Fasa.
Untuk menentukan jumlah relatif dua-fasa dalam kesetimbangan
pada suatu
temperatur spesifik dalam daerah dua-fasa, tarik garis vertikal
yang menunjukan paduan
dan garis horizontal sebagai temperatur pada daerah tersebut,
garis vertikal akan dibagi
a) b)
-
8
oleh garis horizontal dalam dua bagian panjang yaitu berbanding
terbalik terhadap jum-
lah fasa yang ada. Ini biasanya disebut aturan pengungkit
(lever). Titik dimana garis
vertikal memotong garis horizontal sebagai fulctrum pada sistem
pengungkit. Panjang
relatif perkalian lengan tuas merupakan jumlah fasa dalam
kesetimbangan
Gb.1.4a, garis vertikal, menunjukan paduan 20B, dibagi garis
horizontal tie da-
lam dua bagian MN dan NO. Jika panjang garis tie MO menunjukan
100%, atau berat
total adanya dua-fasa pada temperatur T, aturan pengungkit
secara matematis dinyata-
kan :
Jika garis tie dipindahkan dari diagram fasa dan nilai numerik
dimasukan, terlihat seper-
ti Gb. 1.4b, dengan menggunakan persamaan diatas maka;
Kesimpulan kedua aturan tersebut, paduan dengan komposisi
80A-20B pada
temperatur T terdiri campuran dua-fasa. Satu larutan cair dengan
komposisi 74A-26B
menjadi 62,5% pada semua material yang ada dan larutan padat
lain pada komposisi
90A-10B menjadi 37,5% pada semua material yang ada.
1.5. Kesetimbangan Pendinginan Pada Paduan Larutan Padat
Pendinginan sangat lambat dibawah kondisi setimbang, bagian
paduan 70A-30B
akan diamati perubahan fasa yang terjadi (lihat Gb.1.5). Paduan
pada temperatur TO me-
rupakan larutan cair fasa tunggal homogen (Gb.1.5a) dan tetap
sampai temperatur T1
tercapai. T1 diawal garis liquidus, merupakan awal pembekuan
(solidifikasi). Butir (nuc-
lei) awal larutan padat membentuk 1 akan bertambah banyak dalam
logam A dengan
titik-lebur-tinggi dan akan tercampur pada 95A-5B (Aturan I).
Semenjak larutan padat
terbentuk dalam material ini A akan sangat banyak dari liquid,
sehingga liquid menjadi
-
9
lebih kaya dengan B. Hanya setelah awal solidifikasi, komposisi
liquid mendekati 69A-
31B (Gb.1.5b).
Gambar 1.5. Pendinginan lambat paduan dan mikrostruktur di
berbagai titik selama pembekuan
Apabila temperatur turun T2 tercapai, komposisi liquid L2. Hanya
larutan solid
dalam kesetimbangan dengan L2 dan karena hanya larutan padat
yang terbentuk pada T2
sebagai 2. Penggunaan Aturan I, 2 merupakan campuran 10B. Disini
temperatur turun,
tidak hanya komposisi liquid menjadi kaya dengan B tetapi juga
larutan solid. Pada T2,
kristal 2 terbentuk disekeliling inti-inti komposisi 1 dan juga
memisahkan dendrit-
dendrit 2 (Gb.1.6a). T2 menyatakan kesetimbangan, fasa solid
dengan komposisi 2.
Difusi atom B memperkaya inti A tidak hanya dari solid yang
terbentuk tetapi juga dari
liquid. Kemungkinan ini terjadi jika pendinginan sangat lambat
sehingga difusi berlang-
sung dengan pertumbuhan kristal (Gb.1.5c).
Pada T2, jumlah relatif liquid dan larutan padat ditentukan oleh
penggunaan Atu-
ran II: Temperatur turun, larutan padat secara kontinyu tumbuh
dan berkembang pada
liquid. Komposisi larutan padat mengikuti garis solidus dan
komposisi liquid mengikuti
-
10
garis liquidus, dan kedua fasa menjadi kaya dengan B. Pada T3
(Gb.1.5d), larutan padat
akan mencapai dari seluruh material yang ada. Aturan tuas harus
digunakan pada T3
dan penentuan jumlah relatif 3 dan L3. Akhirnya, garis liquid
dicapai pada T4 dan liq-
uid terakhir L4, kaya dengan B, solidifikasi pertama pada batas
butir (Gb.1.5e). Tetapi,
difusi akan berlangsung dari semua larutan padat menjadi seragam
(70A-30B), yang
mana komposisi akhir paduan (Gb.5f). Gb.1.6b. menggambarkan
pendinginan lambat
paduan larutan padat. Larutan padat hanya pada butiran dan
batas-batas butir. Larutan
padat tidak membuktikan perbedaan unsur kimia didalam butir,
indikasi hanya terjadi
pada butir yang homogen.
Gambar 1.6. Mekanisme pendinginan a). Dendrit dalam liquid,
b). Bentuk butir pada pendinginan lambat
1.6. Difusi
Difusi merupakan gerakan awal atom-atom, dalam kondisi padat dan
merupa-
kan bagian yang sangat penting. Menyambung mekanisme difusi
dibawah aliran lambat
struktur dendrit hilang, dan butiran menjadi homogen. Bagian ini
menjelaskan bagaima-
na difusi dalam kondisi solid terjadi. Difusi sangat utama dalam
bentuk statistik, hasil
a) b)
-
11
dari beberapa gerakan acak pada atom-atom secara individu.
Lintasan atom individu
mungkin zig-zag dan tidak dapat diprediksi, ketika sejumlah
besar atom membuat se-
macam gerakan dengan aliran sistematik.
Dalam larutan padat difusi yang terjadi dibedakan atas tiga
metode yaitu : Me-
kanisme kekosongan (vacancy), mekanisme sisipan (interstitial),
dan mekanisme pertu-
karan atom (interchange). Semua mekanisme tersebut dapat dilihat
dalam Gb.1.7.
Gambar 1.7. Skema mekanisme difusi
Pada kondisi normal kristalisasi sering menunjukan kekosongan
dan sisipan. Ke-
tidak sempurnaan banyak memfasilitasi difusi atau atom-atom yang
meloncat dan ber-
gabung. Gb.1.7a, menunjukan atom larut dan bergerak satu spasi
atom kekiri menempati
kekosongan yang ada. Ini sebanding, dengan atom tetangga yang
kosong karena lonca-
tan. Kekosongan bergerak kekanan menduduki posisi atom terdahulu
dan sekarang siap
untuk berpindah. Mekanisme sisipan diilustrasikan dalam Gb.1.7b,
dimana atom posisi
normal bergerak masuk ke jarak sisipan, dan kekosongan
disebabkan penyusupan atom.
Terkait dengan gambar yang sama, difusi terjadi oleh sisipan
atom kristal yang berpin-
dah, tetapi metode ini lebih menyerupai larutan sisipan
padat.
Kemungkinan gerakan ini disebabkan oleh perpindahan langsung
antara dua
atom, seperti dalam Gb.1.7c, atau oleh cincin perpindahan 4 atom
dalam Gb.1.7d. Teta-
pi, kemungkinan ini terjadi dibawah kondisi khusus, semula
problem fisik berurutan
diantara kantong tertutup atom-atom tetangga bertambah untuk
difusi. Percobaan yang
dilakukan menunjukan penggunaan kekosongan sebagai metode awal
difusi pada lo-
gam. Pada paduan yang sama laju difusi lebih besar dengan
pendinginan cepat diband-
ing pendinginan lambat. Perbedaan ini disebabkan besarnya jumlah
kekosongan yang
-
12
terjadi dalam paduan oleh pendingian cepat. Migrasi kekosongan
juga mempunyai ener-
gi aktivasi yang rendah bila dibandingkan dengan metode-metode
yang lain.
Laju difusi suatu logam dipengaruhi oleh koefisien difusi, yang
diberikan dalam
satuan centimeter persegi per detik. Koefisien difusi merupakan
fungsi berbagai variable
dan yang paling penting adalah temperatur. Umumnya aturan,
koefisien difusi menjadi
dua kali untuk setiap kenaikan temperatur 20 derajat. Ini tidak
ditekankan, semua vibra-
si atom mempunyai vibrasi konstan sekitar posisi setimbang dalam
kisi, dan awal ampli-
tudo vibrasi bertambah dengan naiknya temperatur. Energi
bergabung dengan vibrasi
panas, sebagai acuannya energi termal, posisi kisi dalam kondisi
tidak stabil menyebab-
kan atom-atom berloncatan. Selanjutnya temperatur sebagai faktor
terpenting untuk me-
nentukan terjadinya loncatan atau difusi. Paduan mempunyai
energi bebas rendah dalam
kondisi homogen, dan ini sebagai gaya penggerak (driving force)
untuk difusi.
1.7. PendinginanAwal Tak Setimbangan pada Coring
Kenyataanya dalam eksperimen sulit untuk mendapatkan pendinginan
kondisi
setimbang. Difusi dalam kondisi solid terjadi pada laju yang
sangat lambat, diharapkan
dengan laju pendinginan awal menjadi berbeda dengan kondisi
pendinginan dalam dia-
gram kesetimbangan. Mengacu pada paduan 30B (lihat Gb.1.8)
merupakan awal solidi-
fikasi pada T1, membentuk larutan padat komposisi 1. Pada T2
liquid L2 dan larutan
padat yang berbentuk 2 (lihat Gb.1.6a). Difusi sangat lambat
untuk mencapai pertum-
buhan kristal, waktu tidak cukup menghasilkan solid yang merata,
dan komposisi rata-
rata diantara 1 dan 2 katakan 2. Selanjutnya temperatur turun,
komposisi rata-rata
larutan padat bertolak dari kondisi setimbang. Terlihat
komposisi larutan padat mengi-
kuti ketidak setimbangan garis solidus 1 ke 5 yang ditunjukan
oleh garis putus-putus
dalam Gb.1.8. Liquid dalam sisi lain, sangat penting dalam
komposisi yang diberikan
oleh garis liquidus, awalnya difusi relatif cepat dalam liquid.
Pada T3 larutan padat rata-
rata mejadi komposisi 3 dari 3 . Dibawah pendinginan setimbang,
solidifikasi menye-
luruh pada T4; ketika, komposisi rata-rata larutan padat 4
komposisi paduannya tidak
tercapai, beberapa liquid harus tetap ada. Dari aturan tuas pada
T4 menghasilkan:
-
13
Gambar 1.8. Pendinginan nonequilibrium
Solidifikasi berlanjut sampai tercapai T5. Pada temperatur ini
komposisi larutan
padat 5 bersamaan dengan komposisi paduan, dan membeku secara
total. Liquid te-
rakhir membeku, L5, kaya dengan B dari pada liquid terakhir
untuk membeku dibawah
kondisi setimbang. Ini terlihat dari amatan Gb.1.8, paduan lebih
cepat membeku menja-
di rentang komposisi dalam paduan. Laju variasi serangan kimia
dengan komposisi, se-
telah di etza secara mikroskopik terlihat struktur dendritnya
(Gb.1.9). Bila hasil akhir
solidifikasi dikupas, akhir pembekuan struktur terdiri inti
dengan bagian pusat lebur
tinggi yang dikelilingi oleh titik lebur rendah. Kondisi diatas
mengacu terhadap coring
atau segragasi (pemisahan) dendrit.
-
14
Gambar 1.9. Sebaran dendrit halus pada paduan Al-Pb
Rinkasnya, hasil pendinginan ketidak setimbangan menambah
rentang tempera-
tur dimana liquid dan solid berada; akhir solidifikasi terjadi
pada temperatur yang lebih
rendah dari yang diprediksi oleh diagram fasa ; liquid terakhir
membeku akan diperkaya
oleh logam dengan titik-lebur-rendah ; dan difusi tidak
ditunjukan dengan pertumbuhan
kristal, solidifikasi ini menyebabkan perbedaan komposisi kimia
dari pusat kebagian
luar butir. Pengaruh tersebut disebabkan oleh laju pendinginan
yang cepat.
1.8. Homoginisasi
Struktur inti logam tuang ditunjukan oleh pendinginan terakhir
yang terbentuk
sepanjang batas-batas butir dan ruang-ruang interdendritik yang
kaya dengan logam ti-
tik-lebur-rendah, batas butir merupakan bidang-bidang yang
lemah. Itu disebabkan oleh
ketidak seragaman sifat-sifat mekanik dan fisik, dalam beberapa
kasus menambah se-
rangan korosi intergranular karena serangan yang berbeda sebagai
media yang korosif.
Oleh karena itu dalam beberapa aplikasi, stuktur inti dapat
dijadikan objek pengamatan.
Masalah coring dapat diselesaikan dengan dua metode yaitu.
Pertama pencega-
han dengan proses pendinginan lambat liquid, tetapi ini
menghasilkan ukuran butir yang
besar dan memerlukan waktu yang lama. Kedua dengan pengaturan
komposisi. Dalam
industri metode yang dipilih adalah kesamaan komposisi atau
homogenenisasi struktur
inti dengan difusi dalam keadaan solid. Pada temperatur ruang,
umumnya laju difusi
-
15
logam sangat lambat, tetapi jika paduan dipanasi ulang sampai
temperatur dibawah garis
solidus, difusi lebih cepat dan homogenisasi yang terjadi
relatif singkat.
Gambar 1.10. Diagram kesetimbangan Copper-Nickel
Gb.1.10 merupakan diagram kesetimbangan aktual sistem Cu-Ni, dan
paduan
85Cu-15Ni, ditunjukan dengan garis putus-putus. Pengaruh
homogenisasi pada struktur
paduan 85Cu-15NI digambarkan secara seri dalam photografi
Gb.1.11. Gambar pertama
pada urutan ini menunjukan mikrostuktur paduan dengan pengecoran
cepat (chill-cast).
Prediksi diagram kesetimbangan, padatan pertama terbentuk dalam
sumbu sentral den-
drit yang kaya nickel. Karena pendinginan cepat, menghasilkan
perbedaan yang besar
pada kandungan nickel antara sumbu pusat dendrit dan ruang
interdendritik. Perbedaan
ini, dinyatakan oleh kemampuan etching. Gambar berikutnya
menunjukan beberapa
sample setelah dipanasi pada 13820F selama 3 jam. Kebalikan
difusi atom-atom Ni dan
Cu diantara inti-inti kaya-Ni dan dipenuhi kaya-Cu menurunkan
perbedaan komposisi
diantaranya. Mikrostruktur sample yang sama dipanasi sampai
17420F selama 9 jam se-
perti terlihat pada gambar ketiga. Komposisi total sama, dan
dendritnya terpisah, dengan
batas butir yang lebih jelas. Partikel-partikel hitam merupakan
inklusi-inklusi oksida
copper atau oksida nickel. Gambar keempat mengilustrasikan
paduan yang sama dengan
pendinginan lambat pada pengecoran dengan cetakan panas.
Struktur dendritnya lebih
kasar dari paduan coran dengan pendinginan cepat. Gambar
terakhir menunjukan sam-
ple yang sama dengan pemanasan 17420F selama 15 jam. Sekarang
total strukturnya
homogen. Meskipun perbedaan komposisi awal kecil dan potongan
dendritnya kasar
dibandingkan dengan dendrit kecil, itu butuh waktu lebih lama
untuk meratakan karena
jarak yang lebih besar dimana atom tembaga dan nikel harus
tersebar di struktur yang
-
16
kasar. Keadaan ekstrim ini harus di uji dalam perlakuan yang
tidak memotong garis li-
quidus; sebaliknya peleburan pada batas-batas butir akan
terjadi, ini akan merusak ben-
tuk dan sifat fisik coran (Gb.1.12).
Gambar 1.10. Mikrostruktur paduan 85Cu-15Ni pembesaran 50x. a).
chill-cast, b). chill-cast,
reheated 3 jam pada suhu 1382oF; c). chill-cast, reheated 9 jam
pada suhu 1742
oF; d). cor ceta-
kan dipanasi; e). cor cetakan dipanasi, reheated 15 jam pada
suhu 1742oF
Gambar 1.12. Mikrostruktur paduan aluminium pada batas butir
selama pemanasan. Setelah
pendinginan, ini bagian batas butir tampak garis gelap,
pembesaran 1000x
-
17
1.9. Sifat Paduan Larut-Padat
Jika paduan membeku, fasa padat yang terbentuk umumnya mempunyai
kompo-
sisi yang berbeda dengan fasa cairnya. Distribusi larutan
didalam fasa padat secara
umum berbeda dalam liquid utama sampai membeku. Redistribusi
larutan yang dihasil-
kan oleh solidifikasi kebanyakan merupakan bentuk segragasi,
seperti yang terjadi pada
paduan binary.
Secara umum didalam pembentukan sistem paduan larutan padat seri
berlanjut,
kebanyakan sifatnya berubah karena distorsi struktur kristal
logam larut oleh penamba-
han logam terlarut. Pengaruh komposisi pada beberapa sifat fisik
dan mekanik pada pa-
duan annealing dalam sistem paduan CuNi seperti dalam Tabel 1-1.
Paduan CuNi
merupakan paduan komersil yang dikenal dengan sebutan monel.
Paduan ini mempu-
nyai kekuatan dan ductility yang tinggi, tahan korosi dan
kekerasanya maksimum.
Tabel 1.1. Sifat paduan Cu-Ni annealing
Komposisi
Ni [%]
Kekuatan
Tarik [psi]
Perpan-
jangan
[%]
Kekerahan
[BHN]
Ukuran Ki-
si [10-8
cm]
Tahanan
Electrik
[ohm/cm3]
0 30.000 53 36 3,6073 1,7
10 35.000 47 51 3,5975 14
20 39.000 43 58 3,5871 27
30 44.000 40 67 3,5770 38
40 48.000 39 70 3,5679 46
50 50.000 41 73 3,5593 51
60 53.000 41 74 3,5510 50
70 53.000 42 73 3,5432 40
80 50.000 43 68 3,5350 30
90 48.000 45 61 3,5265 19
100 43.000 48 54 3,5170 6,8
1.10. Variasi Jenis I
Setiap paduan jenis I mempunyai titik cair diantara titik lebur
A dan B. Titik cair
tersebut kemungkinan berada pada kondisi minimum atau maksimum
di garis liquidus
dan solidus (Gb.13a, b). Komposisi paduan x dalam Gb.13a hanya
terjadi pada logam
murni dan ini tidak berbeda dalam komposisi liquid dan solid.
Awal dan akhir solidifi-
kasinya pada temperatur konstan dengan komposisi yang tidak
berubah, dan dalam
kurva pendinginan akan terlihat garis horizontal. Paduan-paduan
diketahui sebagai pa-
-
18
duan lebur sejenis. Karena paduan x mempunyai titik lebur rendah
dalam larutan dan
diagram kesetimbangan tersusun jenis eutektik, titik eutektik
ini sebagai paduan pseu-
doeutectic. Contoh, paduan Cu-Au dan Ni-Pd mempunyai eutektik
yang rendah. Dan
titik eutektik maksimum jarang ditemui karena tidak terjadi pada
sistem metalik.
Gambar 1.13. Sistem solidifikasi paduan. a). Larutan nimimum,
b). Larutan maksimum
1.11. Jenis II
Dua logam larut total dalam kondisi cair dan tidak larut total
dalam kondisi sol-
id. Secara teknis, dua logam tidak dapat larut secara menyeluruh
satu sama lain. Tetapi
dari beberapa kejadian kelarutan sangat praktis digunakan yang
berkaitan dengan keti-
dak larutan.
Hukum Raoults menyatakan penambahan zat kedua yang terlarut
dalam logam
murni menyebabkan titik cairnya lebih rendah dari titik cair
logam murni dan zat kedua
tidak dapat larut ketika membeku. Jumlah penurunan titik cair
sebanding dengan berat
molekuler larutan.
Diagram fasa dapat dikembangkan dari kurva pendinginan seri
dengan analogi
diagram larutan padat, seperti dijelaskan dimuka, tetapi dalam
kejadian ini, kurva-kurva
percobaan menunjukan jenis perilaku yang berbeda. Kurva
pendinginan seri logam
murni dan variasi paduan, dan mikrostruktur temperatur ruang,
seperti terlihat dalam
Gb.1.14. Kurva pendinginan logam murni A dan B menunjukan garis
horizontal tunggal
pada titik pembekuan. Diharapkan. A ditambah B menurunkan
temperatur awal solidifi-
-
19
kasi paduan. Selanjutnya, setiap logam dengan titik pembekuan
rendah dari yang lain,
garis penghubung titik menunjukan awal solidifikasi, garis
liquidus menunjukan mini-
mum. Ilustrasi tersebut dinyatakan dengan garis putus-putus
dalam Gb.1.14, menunju-
kan titik E minimum, yang diketahui sebagai titik E, untuk
komposisi 40A-60B. Perha-
tikan, rentang komposisi diatas, bagian kurva pendinginan
menunjukan akhir solidifika-
si pada temperatur campuran. Garis horizontal bawah TE
ditunjukan dengan garis putus-
putus dalam Gb.1.14, sebagai temperatur eutektik. Dalam paduan,
komposisi eutektik
40A-60B, solidifikasi total terjadi pada temperatur tunggal
yaitu temperatur eutektik.
Meskipun pembekuan komposisi eutektik seperti logam murni tetapi
itu bukan paduan
lebur sejenis yang terlihat sepintas menghasilkan padatan
sebagai campuran dua-fasa.
Gambar 1.14. Mikrostruktur kurva pendinginan dan temperature
ruang untuk paduan seri dua
logam yang tidak larut dalam kondisi solid. Garis putus-putus
atas dan bawah
menunjukan garis solidus dan liquidus.
Diagram fasa aktual sekarang dibuat dengan mentransfer patahan
kurva pendin-
ginan yang diplot pada temperatur vs komposisi, seperti terlihat
dalam Gb.1.15, titik
lebur logam murni pada titik M dan N yang diplot pada garis
vertical. Untuk paduan
80A-20B dengan awal solidifikasi pada T1 dan akhir solidifikasi
pada TE. Prosedur yang
sama diikuti untuk paduan yang lain. Garis atas pada diagram
fasa merupakan hubungan
-
20
dua titik lebur, MEN merupakan garis liquidus, dan menunjukan
awal solidifikasi. Titik
dimana garis liquidus memotong titik minimum E, dikenal titik
eutektik. TE disebut
temperatur eutektik dan 40A-60B sebagai komposisi eutektik.
Garis solidus berupa ga-
ris kontinyu yang menghubungkan titik-titik lebur logam murni,
yang merupakan garis
solidus total yaitu MFGN.
Gambar 1.15. Diagram fasa jenis-eutektik
Diagram fasa ini berisi 4 daerah. Daerah diatas garis liquidus
merupakan fasa
tunggal larutan cair homogen, dua logam terlarut dalam kondisi
cair. Tiga daerah yang
tersisa adalah daerah dua-fasa. Setiap daerah dua-fasa pada
diagram fasa dibatasi oleh
garis horizontal dengan fasa tunggal. Jika daerah fasa tunggal
sebagai label pertama,
selanjutnya daerah fasa dua dengan mudah ditentukan. Contoh,
dalam Gb.1.15, untuk
menentukan fasa yang terdapat dalam daerah dua-fasa MFE, tarik
garis horizontal tie
OL. Garis ini memotong liquidus pada L berarti cair yang
merupakan satu fase terdapat
dalam daerah dua-fasa dan memotong garis sumbu kiri dari titik
O. Sumbu kiri menun-
jukan fasa tunggal logam murni A, yang dibawahnya titik cair
adalah padat. Selanjutnya
dua-fasa dalam daerah MFE yaitu liquid dalam solid A. Cara yang
sama digunakan un-
tuk menentukan dua-fasa yang berbeda dalam daerah NEG. Daerah
ini terdiri liquid dan
solid B. Idea diatas dapat digunakan untuk diagram fasa yang
lain dan diagram yang
lebih komplek.
-
21
Dua logam diasumsikan tidak larut total dalam kedaan solid,
dapat ditunjukan
apabila awal pembekuan hanya dapat terbentuk solid yang
merupakan logam murni. Ju-
ga, setiap paduan bila membeku total dua logam murni harus
tercampur. Secara praktis
paduan disebelah kiri campuran eutektik adalah paduan
hypoeutectic dan sebelah kanan
paduan hypereutectic. Penetapan ini akan digunakan sebagai acuan
untuk pendinginan
lambat berbagai paduan.
Gambar 1.16. Jenis fasa dalam diagram fasa jenis eutektik
Paduan 1 dalam Gb.1.16. merupakan eutektik 40A-60B. Paduan
tersebut didin-
ginkan dari temperatur TO, sisa larutan cair seragam sampai
titik E, garis temperatur-
eutektik. Perpotongan garis liquidus dan solidus, liquidus
sekarang mulai membeku, dan
temperaturnya tidak turun sampai paduan padat total. Liquid akan
membeku masuk ke-
dalam campuran dua-fasa. Fasa ini selalu menunjukan akhir garis
horizontal temperatur-
eutektik. Dalam kondisi ini titik F merupakan logam murni A, dan
titik G, logam murni
B. Diasumsikan sejumlah kecil logam murni A membeku. Liquid yang
tersisa kaya
dengan B.
-
22
Komposisi liquid langsung mengearah ke kanan. Mempersiapkan
komposisi liq-
uid ke kesetimbangan, B akan membeku. Jika secara langsung B
banyak yang membe-
ku, komposisi liquid berada disebelah kanan, dibutuhkan A untuk
membeku ke arah ke-
setimbangan. Selanjutnya temperatur konstan, liquid A murni dan
B murni membeku,
menghasilkan campuran yang sangat halus dapat dilihat dibawah
mikroskop. Campuran
ini yang disebut campuran eutektik (Gb.1.17.). Perubahan liquid
pada komposisi E ma-
suk dua padat pada temperatur konstan yang disebut reaksi
eutektik dan ditulis sebagai
berikut :
Gambar 1.17. Campuran eutektik Timbal-Bismut, pembesaran
100x
Solidifikasi paduan eutektik terjadi pada temperatur konstan,
kurva pendinginan
ini seperti logam murni atau suatu paduan lebur-bersama.
Pembekuan eutektik, tetapi,
tidak sebangun yang berbeda komposisi antara fasa liquid dan
solid individu.
Paduan 2, campuran paduan hypoeutectic 80A-20B, sisa larutan
liquid seragam
sampai garis liquidus, temperatur T1. Pada titik liquid L1
merupakan saturated (jenuh) di
A dan temperatur langsung turun, akibatnya A membeku. Liquid,
menyimpan kristal A
murni yang kaya B. Penggunaan Aturan I pada temperatur T2
menunjukan fasa solid A
-
23
murni dan komposisi liquid L2 adalah 70A-30B. Jumlah pembekuan
pada temperatur ini
dihitung dengan menggunakan Aturan II :
Mikrostrutur yang tampak seperti dalam Gb.18a. Pendinginan
lanjut, jumlah A padat
murni bertambah secara bertahap oleh presipitasi kontinyu dari
liquid. Komposisi liq-
uid, menjadi kaya dengan B yang secara lambat bergerak ke bawah
dan ke kanan sepan-
jang kurva liquidus, ketika jumlah liquidus berkurang secara
gradual. Bila paduan men-
capai garis eutektik XE, liquid pada titik E. Kondisi yang ada
merupakan tingkat fraksi
diatas TE adalah :
Fasa Liquid Solid
Komposisi 40A-60B 100A
Jumlah relative
Gambar 1.18. Tahap pendinginan lambat paduan 80A-20B
Mikrostruktur dalam Gb.1.18b. Cairan tersisa (30%), mencapai
titik eutektik, sekarang
pembekuan secara lambat masuk ke campuran mendekati A dan B
seperti diuraikan di-
bawah paduan 1. Bila pembekuan, paduan terdiri 67% butiran utama
A atau proeutektik
A (yang terbentuk diantara T1 dan TE sebelum reaksi eutektik)
dan 32% campuran eu-
tektik (A + B) Gb.1.18c. Setiap paduan mengarah kekiri titik
eutektik E, ketika membe-
ku, akan terdiri butiran proeutektik A dan campuran eutectic.
Sebagai komposisi paduan
-
24
akhir adalah komposisi eutektik. Campuran eutektik banyak
ditunjukan dalam pembe-
kuan paduan ( lihat mikrostuktur dalam Gb.1.14).
Paduan 3, paduan hypereutectic terdiri 10A-90b, mengalami proses
pendinginan
yang sama seperti paduan 2 kecuali ketika garis likuidus
tercapai endapan kristal cair
dari B murni bukan dari A. Ketika suhu turun, B akan bertambah
besar, meninggalkan
cairan kaya A. Jumlah cairan secara bertahap berkurang, dan
komposisi secara bertahap
bergerak ke bawah dan ke kiri sepanjang garis likuidus sampai
titik E dicapai pada suhu
eutektik. Cairan yang tersisa sekarang membeku ke campuran
eutektik (A + B). Setelah
pembekuan, paduan terdiri 75% butiran B primer atau B proetectic
dan 25% campuran
eutektik (A + B). Gambar dan sketsa mikro pada suhu kamar harus
diverivikasi. Setiap
paduan ke kanan dari titik eutektik, ketika dibekukan, terdiri
dari butir B proeutectic dan
campuran eutektik. Perbedaan hanya dalam jumlah relatif (lihat
mikrostruktur dalam
Gb.1.14). Hubungan komposisi paduan dan mikro dapat ditampilkan
dengan
menggunakan komposisi eutektik sebagai garis batas imajiner.
Area di bawah garis
solidus dan ke kiri dari komposisi eutektik diberi label padat A
+ campuran eutektik,
dan ke kanan, padat B + campuran eutektik (Gambar 1.16).
Gb.1.19, menunjukkan
hubungan antara komposisi paduan dan jumlah relatif.
Gambar 1.19. Diagram hubungan linier antara mikrostruktur dan
kompisisi paduan untuk sis
tem eutektik
Dari pembahasan sebelumnya terlihat bahwa, reaksi yang sama
terjadi apabila
setiap garis suhu-eutektik tercapai, yaitu ;
-
25
Reaksi diatas khusus berlaku untuk diagram ini, namun, reaksi
eutektik dapat
ditulis secara umum sebagai ;
Satu persyaratan bahwa campuran eutektik terdiri dari dua fase
padat yang berbeda.
Campuran ini terdiri dua logam murni, dua larutan padat, atau
kombinasi di atas.
Gambar 1.20. Diagram paduan Al-Si, nomor dibagian bawah
berhubungan dengan
mikrostruktur
Penyederhanaan diagram fase Aluminium-Sillicon ditunjukkan pada
Gb.1.20,
dengan mengabaikan kelarutan silikon dalam aluminium.
Mikrostruktur Gb. 1.21.
mengacu pada angka di bagian bawah diagram Al-Si ini. Dimulai
dengan paduan 1 di
-
26
sebelah kiri Gb.1.20, mikrostruktur aluminium murni ditunjukkan
pada Gb.1.21a.
Paduan 2 (Gb.1.21b), mengandung 8% silikon, terdiri dari dendrit
aluminium primer
atau proeutectic yang dikelilingi campuran eutektik dari
aluminium dan silikon.
Perhatikan pengaturan cahaya terang yang lembut dan struktur
gelap. Karena eutektik
terbentuk dari cairan terakhir yang membeku, dan mengisi ruang
antara lengan dendrit.
Paduan 3 (Gb.1.21c) adalah komposisi eutektik dari 12% silikon
dan seluruhnya terdiri
dari campuran eutektik. Ketika bergerak ke kanan, mikrostruktur
terdiri dari silikon
primer (hitam) dan campuran eutektik, jumlah silikon primer
meningkat dengan ber-
tambahnya kandungan silikon seperti dalam Gb.1.21b dan e.
Akhirnya, mikrostruktur
silikon murni ditunjukan dalam Gb.1.21f. Dan hasil prediksi
diagram kesetimbangan,
dengan akurasi memadai, dengan proporsi dari setiap fase dalam
paduan setelah
pendinginan lambat sampai suhu kamar seperti dalam Gb.1.21.
Gambar 1.21. Mikrostruktur paduan Al-Si sesuai nomor dalam
Gb.1.20 .
-
27
1.12. Jenis III-Dua Logam Larut Total dalam Keadaan Cair tetapi
La-
rut Sebagian dalam Keadaan Padat
Kebanyakan logam menunjukkan kelarutan yang sama untuk satu sama
lain dalam
keadaan padat, jenis ini yang paling umum dan, oleh karena itu,
sistem paduan menjadi
penting.
Gambar 1.22. Diagram fasa ilustrasi bagian sifat larutan
padat
Diagram fase tipe ini ditunjukkan di Gb.1.22. Titik leleh dari
dua logam murni masing-
masing ditunjukkan oleh titik TA dan TB. Garis likuidus TAETB,
dan garis solidus
TAFEGTB. Dan daerah fasa-tunggal harus diberi label terlebih
dahulu. Di atas garis
likuidus, hanya ada larutan cair fase tunggal. Pada titik leleh,
dimana likuidus dan garis
solidus bertemu, diagramnya menyerupai bentuk cerutu tipe I
(kelarutan padat total),
dan karena logam ini sebagian larut pada keadaan padat, suatu
larutan padat harus
dibentuk. Paduan dalam sistem ini pernah memperkuat kristal dari
A murni atau B
murni tetapi selalu larutan padat atau campuran larutan padat.
Daerah fase tunggal dan
larutan-padat sekarang diberi label. Karena ini larutan-padat di
samping sumbu,
mereka dikenal sebagai larutan padat terminal. Sisa tiga daerah
dua fase sekarang
-
28
berlabel sebagai cairan+, +cair, dan +, di TE, larutan padat
sebagai kelarutan
maksimum dari 20%B seperti yang ditunjukkan oleh titik F dan
larutan padat
maksimum 10% seperti ditunjukkan oleh titik G. Suhu turun,
jumlah maksimum larutan
yang terlarut menurun, karena diindikasikan dengan garis FH dan
GJ. Garis ini disebut
garis solvus dan menunjukkan kelarutan maksimum (larutan jenuh)
B dalam A ( larut)
atau A di B (larutan ) sebagai fungsi dari suhu. Titik E, di
mana garis likuidus bertemu
di minimum, seperti pada tipe II, yang dikenal sebagai titik
eutektik. Pendinginan
lambat beberapa paduan sekarang akan dipelajari.
Gambar 1.23. Diagram fasa ilustrasi bagian sifat larutan
padat
Paduan 1 (Gb.1.23), terdiri 95A-5B, ketika didinginkan lambat
akan mengikuti
proses yang sama seperti paduan tipe I. Ketika garis likuidus
memotong di T1, ia mulai
membeku dengan membentuk kristal larutan padat yang sangat kaya
A. Proses ini
berkesinambungan, dengan cairan makin kaya B dan secara bertahap
bergerak ke bawah
sepanjang garis likuidus. Larutan padat , juga semakin kaya B,
bergerak di sepanjang
garis solidus. Ketika garis solidus akhirnya memotong di T4 dan
kecepatan difusi sesuai
dengan pertumbuhan kristal, seluruh padat menjadi larutan padat
homogen dan akan
-
29
tetap seperti itu sampai ke suhu kamar. Proses solidifikasi dan
kurva pendinginan untuk
paduan ini ditunjukkan pada Gb.1.24.
Gambar 1.24. Kurva pendinginan dan mikrostruktur pada variasi
temperature selama
solidifikasi paduan 95A-5B
Paduan 2, 30A-70B, adalah komposisi eutektik yang tetap cair
sampai suhu
eutektik mencapai titik E. Karena ini juga garis solidus, cairan
sekarang mengalami
reaksi eutektik, pada suhu konstan, membentuk campuran yang
sangat halus dari dua
padatan. Kedua padatan membentuk campuran eutektik yang
diberikan secara ekstrim
oleh garis eutektik-suhu, pada komposisi F dan pada komposisi G.
Reaksi eutectic
ditulis sebagai berikut :
-
30
Reaksi ini sama dengan salah satu yang terjadi dalam diagram
Tipe II, kecuali untuk
pengganti larutan padat logam murni. Jumlah relatif dan dalam
campuran eutektik
dapat ditentukan dengan menerapkan Aturan II (aturan tuas) :
Karena perubahan kelarutan B dalam A, garis FH, dan A di B,
garis GJ, akan ada sedikit
perubahan dalam jumlah relatif dan pada suhu kamar :
Campuran eutektik ditunjukkan pada Gb.1.28c. Perhatikan kesamaan
antara gambar itu
dan campuran eutektik pada Tipe II (Gb.1.17). Hal ini tidak
mungkin untuk mengatakan
secara mikroskopis apakah campuran eutektik itu terdiri dari dua
larutan padat atau dua
logam murni.
Paduan 3, 60A-40b, tetap cair sampai garis likuidus tercapai di
T3. Cairan mulai
mengkristal pada larutan primer atau proeutectic yang kaya A.
Ketika suhu turun
cairan menjadi lebih kaya dan lebih kaya B, secara bertahap
bergerak ke bawah dan ke
kanan sepanjang garis likuidus sampai mencapai titik E. Meneliti
kondisi yang ada
tepat di atas suhu eutektik TE, ada dua fase hadir :
Fasa liquid utama
Komposisi Kimia 30A-70B 80A-20B
Jumlah Relatif 40% 60%
Mahasiswa harus memverifikasi angka di atas dengan menerapkan
aturan I dan II pada
suhu eutektik. Karena cairan yang tersisa (40%) berada di titik
E, suhu dan komposisi
-
31
yang tepat membentuk campuran eutektik, sekarang membeku dengan
membentuk
kristal dan yang muncul pada komposisi bergantian di akhir garis
suhu eutektik (ti-
tik F dan G). Suhu tidak turun sampai solidifikasi selesai, dan
ketika selesai, mikro-
struktur yang muncul seperti ditunjukkan pada Gb. 1.25.
Gambar 1.25. Skema mikrostruktur, setelah solidifikasi paduan 3
dalam Gb.1.23
Perhatikan kesamaan mikrostruktur antara paduan dan Gb.1.18c.
Sebagai paduan
mendingin ke suhu kamar karena perubahan dalam kelarutan
ditunjukkan oleh garis
solvus FH, beberapa pengaruh yang diendapkan dari larutan.
Proses solidifikasi dan
kurva pendinginan untuk paduan ini ditunjukkan pada Gb.1.26.
Gambar 1.26. Kurva pendinginan dan mikrostruktur pada
variasi
-
32
Paduan 4, 85A-15B, mengikuti proses yang sama seperti dijelaskan
untuk
paduan 1. Mikro pada berbagai suhu dan kurva pendinginan untuk
paduan ini
ditunjukkan dalam Gb.1.27. Solidifikasi dimulai pada T2 dan
selesai di T5, zat padat
yang dihasilkan menjadi fase tunggal homogen, larutan padat .
Pada larutan titik M
adalah jenuh. Garis solvus FH, seperti yang dijelaskan
sebelumnya, menunjukkan
penurunan kelarutan B pada A dengan penurunan suhu. Sebagai
paduan dingin, garis
solvus dicapai pada titik N. Larutan sekarang jenuh dalam B. Di
bawah suhu ini, di
bawah kondisi pendinginan lambat, pengaruh B harus keluar dari
solusi. Karena A
adalah larut dalam B, endapan tidak keluar sebagai logam murni
B, melainkan larutan
padat . Pada suhu kamar, paduan akan terdiri sebagian besar
dengan sejumlah kecil
pengaruh , terutama di sepanjang batas butir (Gb.1.27).
Mahasiswa harus menentukan
jumlah kelebihan dengan menerapkan aturan tuas ta yang HJ baris
(Gb.1.23).
Gambar 1.27. Kurva pendinginan dan mikrostruktur pada variasi
temperatur paduan 85A-15B
Jika fase relatif rapuh, paduan tidak akan kuat atau ulet.
Kekuatan paduan
untuk sebagian besar ditentukan oleh fase yang berkelanjutan
melalui paduan. Dalam
hal ini, meskipun larutan hanya sekitar 5% dari paduan, tetapi
ada sebagai jaringan
terus menerus di sepanjang batas butir. Oleh karena itu, paduan
akan cenderung pecah
di sepanjang batas-batas. Paduan ini, bagaimanapun, dapat dibuat
untuk mengalami
perubahan yang signifikan dalam kekuatan dan kekerasan setelah
perlakuan panas
dengan benar.
-
33
Diagram kesetimbangan timbal-antimon dan photomikro berbagai
sistem paduan
ini ditunjukkan pada Gb.1.28. Paduan 1 (Gb.1.28b), yang
mengandung antimon 6, %,
menggambarkan struktur hypoeutectic khas dendrit primer (hitam)
dan campuran
eutektik mengisi ruang antara dendrit. Paduan 2 (Gambar1.28c),
yang mengandung
11,5% antimon, seluruhnya terdiri dari campuran eutektik larutan
padat dan . Di
sebelah kanan komposisi eutektik, paduan terdiri dari primer
(putih) dikelilingi oleh
campuran eutektik (Gb.1.28d) dan berbeda dalam jumlah relatif
atau fase ini. Jumlah
campuran eutektik menurun sebagai komposisi paduan bergerak
menjauh dari
komposisi eutektik.
Gambar 1.28. a). Diagram fasa Pb-Sb; b). paduan 6,5%Sb, 75x;
c). paduan eutektik, 11,5%Sb, 250x; d). paduan 12,25%Sb,
250x
Diagram kesetimbangan timbal-timah dan photomikro berbagai
sistem paduan
ini ditunjukkan pada Gb.1.29. Paduan 1 (Gb.1.29b), yang
mengandung 70% timah,
-
34
adalah komposisi eutektik. Mikrostruktur terdiri dari dendrit
primer (putih) dikelilingi
oleh campuran eutektik. Paduan 2 (Gb.1.29c) adalah komposisi
eutektik dan seluruhnya
terdiri dari campuran larutan padat dan . Paduan 3 dan 4
(Gb.1.29d dan e), yang
mengandung 60 dan 50% timah, masing-masing, terdiri dari dendrit
l primer kaya tim-
bal larutan padat (hitam) dikelilingi oleh campuran eutektik,
jumlah meningkat
sebagai komposisi paduan bergerak ke kiri. Perhatikan kesamaan
photomicrographs
yang ditunjukkan Gb.1.21, 1.28, dan 1.29.
Gambar 1.29. a). Diagram fasa Pb-Sn; b). Paduan 70%Sn; c).
Paduan eutektik; d). Paduan
60%Sn; e). Paduan 50%Sn. Semua mikrostruktur pada pembesaran
200x.
-
35
1.13. Sifat Sistem Paduan Eutectic
Gb.1.19 menunjukan hubungan linear antara konstituen muncul di
mikro dan
komposisi paduan untuk sistem eutektik. Hal ini sepertinya
menunjukkan bahwa sifat
fisik dan mekanik dari sistem eutektik juga harus variasi
linier. Dalam praktek
sebenarnya, perilaku ideal ini adalah jarang ditemukan. Sifat
setiap paduan multifase
tergantung pada karakteristik individu dari fase ini dan
bagaimana didistribusikan dalam
mikro. Hal ini terutama berlaku untuk sistem paduan eutektik.
Kekuatan, kekerasan,
dan keuletan terkait dengan ukuran, jumlah, distribusi, dan
sifat-sifat kristal pada kedua
fasa. Dalam komersialisasi sistem paduan eutektik menjadi
penting, satu fasa relatif lu-
nak dan plastik sedang fasa yang lain relatif keras dan rapuh.
Komposisi eutectic ditun-
jukan dari sisi fasa-plastik, ini akan menambah kekuatan pada
paduan tersebut. Mereka
akan menurunkan kekuatan dibatasi komposisi eutektik disebabkan
berkurangnya jum-
lah partikel-partikel kecil eutektik dan bertambahnya ukuran dan
jumlah fasa proeutec-
tic rapuh. Oleh karena itu, sistem semacam ini umumnya komposisi
eutektik
menunjukkan kekuatan maksimum. Hal ini diilustrasikan pada
Gb.1.30, yang
menunjukkan variasi kekuatan tarik dan perpanjangan untuk paduan
aluminium-silikon
tuang mengandung silikon sampai 14 %Si. Kekuatan tarik maksimum
sangat dekat
komposisi eutektik. Diagram fase aluminium-silikon diberikan
pada Gb.1.20.
Gambar 1.30. Variasi jenis sifat-sifat paduan Al-Si sampai
14%Si
Hal penting lainnya adalah sifat yang dihasilkan dari campuran
yang paling
mirip yang berlanjut yaitu, fase yang membentuk matriks di mana
partikel dari fase
lainnya tertanam. Campuran eutektik secara mikro selalu
konstituen dan berkelanjutan,
karena cairan terakhir untuk solidifikasi dan mengelilingi
butiran primer. Umumnya
-
36
fase membentuk proporsi yang lebih besar dalam campuran eutektik
menjadi fase kon-
tinyu. Jika fasa ini plastik, seluruh rangkaian paduan akan
menunjukkan plastisitas. Jika
fase ini rapuh, seluruh rangkaian paduan menjadi relatif
rapuh.
Selain faktor di atas, peningkatan laju pendinginan selama
pembekuan mengha-
silkan campuran eutektik, sebagian besar campuran eutektik, dan
butiran utama yang
lebih halus, yang pada akhirnya mempengaruhi sifat mekanik.
1.14. Jenis IV-Fasa Intermediate Lebur-Serempak
Bila suatu fasa berubah masuk ke fasa lain secara isothermal
(temperatur kons-
tan) dan tanpa suatu perubahan dalam komposisi kimia, ini
dikatakan perubahan fasa
bersama atau transformasi bersama (congruent) semua logam murni
membeku secara
bersamaan. Didepan telah dicontohkan paduan lebur bersama
seperti variasi diagram
fasa jenis I. Paduan x dalam Gb.13a berangkat dari fasa liquid
ke fasa solid tunggal pada
temperatur konstan tanpa perubahan komposisi dan itu karena
paduan lebur bersama.
Fasa-fasa itu dinamai intermediate karena merupakan fasa tunggal
yang terjadi diantara
fasa-fasa terakhir pada diagram fasa. Jenis IV berhubungan
dengan pembentukan fasa
intermediate oleh lebur bersama, seraya jenis V akan ditutup
fasa intermediate lebur tak
bersama. Ada fasa intermediate yang diperlakukan sebagai
komponen lain pada diagram
fasa. Jika fasa intermediate mempunyai rentang komposisi yang
sempit sebagai susunan
intermetalic dan susunan sisipan, ini ditunjukan pada diagram
sebagai garis vertikal dan
dilabelkan dengan rumusan kimia campuran. Jika fasa intermediate
berada diatas ren-
tang komposisi, itu umumnya susunan kimia dan dilabelkan dengan
huruf Greek.
Gambar 1.31. Komposisi dan titik lebur A murni, B murni, dan
senyawa AnBm
-
37
Gb. 1.31, fasa paduan intermediate yang digambarkan sebagai
garis vertikal. Su-
sunan ini diindikasikan sebagai AmBn, yang mana m dan n indikasi
jumlah susunan
atom-atom kombinasi. Contoh, magnesium dan tin membentuk fasa
intermediate yang
mempunyai rumusan kimia Mg2Sn. Dalam kasus ini, Mg ekuivalen A,
2 ekuivalen m,
tin ekuivalen B dan n ekuivalen 1. Disini ditunjukan sistem A-B
pada Gb.1.31, merupa-
kan dua bagian independent yang terpisah, satu menunjukan semua
paduan antara A
dan susunan AmBn dan yang lain menunjukan AmBn dan B.
Porsi diagram antara A dan AmBn mungkin ada jjenis yang
dipelajari dalam bab
ini, sama untuk porsi antara AmBn dan B. Jika susunan menunjukan
beberapa kelarutan
satu sama lain, diagram kesetimbangan seperti Gb.1.32. Diagram
ini menunjukan dua
perbedaan campuran eutektik. Persamaan eutektik dapat ditulis
sebagai berikut :
Pada T1 liquid
Pada T2 liquid
Pelajaran pada beberapa sistem aktual menunjukan pembentukan
beberapa fasa inter-
mediate lebur bersama disederhanakan dengan pendekatan
diatas.
Gambar 1.32. Ilustrasi diagram fasa paduan intermediate dengan
senyawa intermetalic
-
38
1.15. Jenis V-Reaksi Peritectic
Dalam reaksi peritektik liquid dan solid bereaksi secara
isothermal membentuk solid
baru pada pendinginan. Secara umum reaksi ini digambarkan
sebagai :
Pembentukan padat baru umumnya fasa intermediate (Gb.1.33)
tetapi dalam beberapa
kejadian mungkin akhir larutan padat (Gb.1.34).
Gambar 1.33. Pembentukan fasa intermediate pada lebur tak
bersama dengan reaksi peritektik
Gambar 1.34. Pembentukan terminal larutan padat oleh reaksi
peritektik pada Sistem paduan
Ag-Pt
-
39
Kaitan Gb.1.33. menunjukan susunan AmBn, 70A-30B ketika dipanasi
sampai tempera-
tur peritectic, titik G, terursi masuk pada phase, liquid dan
solid A. Oleh karena itu, ini
merupakan contoh paduan intermediate lebur tak sama.
Kenyataannya reaksi peritectic
hanya kebalikan reaksi eutectic, dimana fasa tunggal membentuk
dua fasa baru dalam
pendinginan. Garis liquidus TADETB dan garis solidus TATPGJTETB.
Garis reksi peritec-
tic adalah TPD. Prehatikan hanya garis ini. Panjang TPG,
bersamaan dengan garis soli-
dus. Pendinginan lambat pada beberapa paduan akan kita
pelajari.
Paduan 1, 90A-10B, liquid sisa sampai garis liquidus dicapai
pada T1. Pembekuan seka-
rang terjadi oleh pembentukan Kristal pada logam
murni.Temperatur turun, liquid ber-
kurang jumlahnya, dan komposisinya bergerak turun sepanjang
garis liquidus. Kondisi
diatas temperatur peritectic TP.
Fasa Liquid Solid A
Komposisi 60A-40B 100A
Jumlah relative
Kondisi dibawah temperatur peritectic adalah :
Fasa AmBn Solid A
Komposisi 70A-30B 100A
Jumlah relative
Pertama sekilas pada dua daerah terliahat indikasi liquid
meninggalkan garis horizontal
dan disini tersusun AmBn. Hubungan komposisi kimia menunjukan
ketidakmungkinan.
Liquid mengandung 60A, yang AmBn mengandunng 70A. Liquid tidak
cukup kaya A
untuk membentuk susunan dirinya. Liquid harus bereaksi dengan
jumlah kanan solid A,
dalam hal ini 8%, untuk membawa komposisi susunan AmBn.
Reaksi yang terjadi pada temperature peritectic :
Fasa 60A 100A 70 A
Persamaan
Jumlah relative 25% 33%
Reaksi pada tempat ini sekeliling tiap butir pada solid A domana
terisi liquid. Bila diko-
reksi komposisi yang diperoleh, lapisan solidifikasi masuk
sekeliling material AmBn
-
40
setaip butir A. Selanjutnya reaksi yang lambat harus ditunggu
untuk difusi atom-atom
masuk kedinding AmBn secara kontinyu (lihat Gb.1.35a). Bila
difusi menyeluruh, se-
mua paduan akan dimasuki, disini mencapai 67%A di kiri.
Mikrostruktur akhir akan
terlihat butiran utama A yang dikelilingi oleh susunan AmBn.
Gb.1.35b. menunjukan
mikrostruktur pada variasi temperature dalam pendinginan lambat
pada paduan ini. Ki-
sah yang sama untuk paduan lain sampai kiri titik B. Hanya
perbedaan dalam jumlah
akibat A tersisa setelah reaksi peritectic menyeluruh. Komposisi
paduan merupakan su-
sunan komposisi, mengurangi A utama yang tersisa.
Gambar 1.35. a). Skema reaksi peritektik, AnBm bertambah oleh
difusi A dari dalam dan atom
B dari luar. b). Mikrostruktur pada pendinginan lambat paduan
90A-10B
Paduan 2, 65A-35B, pembekuan logam murni bila garis liquidus
memotong pembekuan
kontinyu T2, cairan menjadi kaya dengan B. Bila titik H dicapai,
komposisi liquid ada-
lah 60A-40B. Aturan tuas untuk paduan ini adalah 35/40 x 100
atau 87,5% liquid dan
12,5% solid A. Garis GD bukan bagian garis solidus, beberapa
liquid tersisa setelah
reaksi ini. Itu karena solid A hilang dalam reaksi dengan
beberapa liquid membentuk
susunan AmBn. Reaksi yang sama ditempat ini diperoleh :
Komposisi 60A 100A 70A
Reaksi
a) b)
-
41
Jumlah liquid masuk kedalam reaksi diatas ditentukan oleh
penggunaan aturan tuas di-
bawah temperatur reaksi:
Semula adalan 87,5% liquid sebelum reaksi dan 50% liquid sesudah
reaksi, ini
tampak 37,5% liquid bereaksi dengan 12,5% solid A memberikan 50%
susunan AmBn
pada temperaatur peritectic. Dengan pendinginan kontinyu, liquid
sekarang terpisah
Kristal-kristal pada AmBn. Liquid menjadi kaya dengan B, dan
komposisi itu secara
tertutup bergerak turun dan mengarah sepanjang garis liquidus
sampai mencapai titik E
temperatur eutectic. Pada temperatur ini, ini hanya 5/50 x 100
atau 10% kiri liquid. Se-
mula cairan mencapai titik eutectic, sekarang solidifikasi masuk
campuran eutectic (An
Bn + B). Gb.1.36. menunjukan kurva pendinginan dan perubahan
pada mikrostruktur
pada variasi titik dalam pendinginan lambat pada paduan salah
satu sisi titik peritectic P
dalam diagram kesetimbangan mengilustrasikan pembentukan akhir
kelarutan padat
oleh reaksi peritectic (Gb.1.34).
Gambar 1.36. a). Kurva pendinginan dan mikrostruktur pada
variasi temperature selama pen-
dinginan lambat. B). Mikrostruktur paduan 60Ag-40Pt cor. primer
(terang), dan (gelap) pada pembesaran 100x
Reaksi peritektik digambarkan dalam kondisi ekuilibrium. Dalam
prakteknya, kondisi
ini jarang tercapai. Karena bentuk-bentuk fase baru di sekitar
lingkaran fase primer,
yang bertindak sebagai penghalang difusi yang sangat penting
untuk melanjutkan reaksi
(lihat Gb.1.35a). Sebagai lapisan fase baru menjadi lebih tebal,
meningkatkan jarak
a)
b)
-
42
difusi, sehingga reaksi sering tidak lengkap. Contoh, diagram
fase sistem paduan Ag-Pt,
Gb.1.34, paduan Ag 60 persen harus menjadi fase tunggal pada
suhu kamar.
Mikrostruktur cor, Gb.1.36b, adalah bukan fase tunggal. Daerah
terang butir primer
dikelilingi oleh dua- daerah gelap dari , menunjukkan bahwa
reaksi peritektik tidak
lengkap.
Paduan peritektik biasanya campuran dua-fase, sifat mekaniknya
dinyatakan mengikuti
prinsip keadaan paduan eutektik dengan dua perbedaan: (1) fasa
individu berbeda dari
yang diperkirakan untuk kondisi ekuilibrium, dan (2) ukuran
butir cor biasanya kasar.
1.16. Jenis VI- Dua Liquid Larut Sebagian dalam kondisi Liquid
:
Reaksi Monotectic
Reaksi Monotektik. Semua jenis reaksi yang didiskusiksn didepan
diasumsikan
larut total dalam kondisi liquid. Itu sangat mungkin, tetapi,
diatas rentang komposisi dua
larutan liquid yang terbentuk tidak terlarut satu sama lain.
Bentuk lain kelarutan yang
dapat tercampur. Zat yang tak dapat larut satu sama lain,
seperti minyak dan air, mereka
dikatakan tidak dapat tercampur. Zat yang terlarut sebagian satu
sama lain dikatakan
mempunyai gap tidak larut seperti jenis VI.
Diagram kesetimbangan jenis ini dapat dilihat dalam Gb.1.37.
Garis liquidus
TACFETB, dan garis solidus TATEJTB.. Paduan ini mempunyai
komposisi antara titik C
dan titik F pada temperatur diatas TM berisi dua larutan liquid,
L1 dan L2. Garis CD dan
FG menunjukan komposisi dua-fasa liquid dalam kesetimbangan satu
sama lain pada
temperatur tinggi. Umumnya, ditunjukan dengan garis putus-putus
karena eksperimen
pada temperature tinggi sulit. Garis ini cenderung saling
berdekatan pada temperatur
tinggi sehingga terjadi luasan tertutup dan larutan liquid
homogeny. Daerah ini diperla-
kukan seperti beberapa daerah dua-fasa yang lain, dan aturan
yang sama digunakan un-
tuk menentukan komposisi kimia L1 dan L2 dan jumlah relatif yang
lain pada beberapa
temperatur. L1 merupakan larutan liquid B yang terlarut dalam A,
yang mana L2 meru-
pakan larutan liquid A yang terlarut dalam B.
Selanjutnya ttudi pendinginan lambat dalam berbagai paduan.
Paduan x men-
gandung 10% B merupakan larutan liquid fasa tuggal L1, dan
sisanya sampai memotong
garis liquidus pada X1. Solidifikasi pembentukan kristal logam
murni A. Liquid menjadi
kaya B, secara bertahap gerakan turun dan menuju kekanan
sepanjang garis liquidus.
-
43
Bila paduan mencapai garis temperatur monolitik TM pada titik
X2, Komposisi yang di-
berikan oleh titik C, adalah 80A-20B. Garis horizontal pada
beberapa diagram fasa me-
nunjukan reaksi yang terjadi ditempat ini. Apa reaksi yang
terjadi ? Dibawa garis, dua
fasa yang hadir adalah solid A dan L2. Sisi lain, terlihat L1
dipisahkan dan ditempat ini
mempunyai L2. Komposisi L2 diberikan oleh titik F, adalah
40A-60B, yang mana L1
mempumyai komposisi 80A dan 20B. Selanjutnya L1 dipindahkan
tidak membentuk L2.
Ingat L1 adalah larutan liquid kaya A dimana L2 merupakan
larutan liquid kaya B. Ma-
salahnya adalah L1 terlalu kaya A. Selanjutnya apakah yang
terjadi pada garis horizontal
yang cukup presipitasi solid A dari L1 membawa komposisi kekanan
membentuk L2.
Gambar 1.37. Diagram kesetimbangan hypoeutectic dua logam yang
terlarut sebagian dalam
kondisi cair : Reaksi monotektik.
Untuk pembuktian ini, kita dapat menerapkan Aturan II di atas
dan di bawah
garis horizontal TM. Di atas garis diperoleh 50% solid A (10/20
x 100) dan L1 50%. Di
bawah garis, diperoleh 17% L2 (10/60 x 100) dan 83 diperoleh L2
17% dan 33% padat
-
44
A. 33%, ditambah 50%, memberikan total 83% solid A ditentukan
oleh perhitungan.
Reaksi ini diringkas sebagai berikut:
Komposisi 80A 40A 100A
Persamaan
Jumlah reltive 50% 17% 33%
Bila liquid membentuk liquid yang lain, ditambah solid pada
suatu pendinginan, itu se-
bagai reaksi monotektik ; persamaan umum reaksi monotektik
ditulis sebagai berikut :
Titik C sebagai titik monotectic yang menunjukan reaksi
monotectic seperti reaksi eu-
tectic, hanya berbeda satu produknya fasa liquid. Kembali ke
titik-titik monotectic bi-
nary sistem logam yang letaknya dekat komposisi fasa solid,
selanjutnya fasa solid pre-
dominan dalam reaksi. Dalam kasus ini, 33% solid A yang
terbentuk dibanding dengan
17% L2. Masalah paduan eutectic kekiri titik C, seperti paduan x
sebagai paduan hypo-
monotectic titik F adalah paduan hypermonotectic.
Sekarang diskusi dilanjutkan dengan pendinginan lambat pada
paduan x. Setelah
reaksi montektik total dan temperatur turun mencapai TE, paduan
mencapai x3 dan L3
mencapai titik E. Suhu dan komposisi yang tepat akan membentuk
campuran eutektik
Reaksi eutectic s ditempat ini, L2 membentuk campuran sangat
halus pada padat A, di-
tambah padat B. Struktur akhir terdiri dari 87,5% butiran A
utama yang dikelilingi oleh
12,5% campuran eutectic (A+B).
Dua liquid paduan hypermonotectic, merupakan paduan pada
komposisi diantara
C dan F, diatas temperatur monotectic, yang dikenal berkaitan
dengan struktur. Waktu
yang cukup dua liquid akan berpindah dalam dua lapisan
menghasilkan kerapatan, den-
gan lapisan ringan diatas. Hal ini sangat mungkin, namun, untuk
memiliki dua cairan
yang ada sebagai suatu emulsi dimana tetesan kecil dari satu
cairan tetap tersuspensi
dalam cairan lainnya. Sayangnya, pengetahuan tentang perilaku
sehubungan dengan
logam sangat terbatas pada saat ini.
Kaitan pendinginan lambat paduan hypermonotectic Y 70A 30B. Pada
temper-
ature tinggi, paduan ini akan tersusun fasa liquid homogen L1
tunggal. Pada pendingi-
nan, batas ketidak larutan liquid adalah perpotongan Y dan kedua
L2 kemungkinan di-
tunjukan pada permukaan pembatas bejana dan pada titik-titik
celupan liquid. Komposi-
si L2 kemungkinan diperoleh dengan menarik garis tie didaerah
dua fasa dan menggu-
-
45
nakan aturan I. selanjutnya temperatur turun, jumlah L2
bertambah, selanjutnya diatas
temperatur monotectic, pada temperatur Y2, jumlah L2 menjadi
sama sampai 10/40 x
100 atau 25%. Kondisi yang menguntungkan ini, liquid ini akan
memisahkan lapisan
dalam crucible atau cetakan. Bagian campuran yang tersusun pada
L1 sekarang bereaksi
menghasilkan persamaan monotectic membentuk L2 + solid A lebih
banyak. Dengan
pendinginan kontinyu, lebih banyak solid A yang terbentuk dari
L2, komposisi ini men-
jadi kaya B, sampai tempertur eutectic mencapai titik Y2. Pada
suhu itu, L2 yang tersisa
(37,5%) mengalami reaksi eutektik dan membeku menjadi campuran
A+B yang sangat
halus.
Gambar 1.38. Diagram kesetimbangan Cu-Pb
Contoh paduan reaksi monotectic adalah antara tembaga dan timbal
seperti da-
lam Gb.1.38. Perhatikan kejadian ini L1 + L2 merupakan daerah
tertutup. Juga, meski-
pun terminal solid menunjukan dan , kelarutan actual menjadi
kecil dan secara prak-
tis logam murni, tembaga dan timbal.
-
46
1.17. Jenis VII- Dua Logam Tak-Larut dalam Kondisi Cair dan
Padat
Ini merupakan studi menyeluruh diagram fasa dasar yang meliputi
keadaan liq-
uid dan solid. Jika titik C dan F dalam Gb.1.37. digerakan dalam
arah yang berlawanan,
mereka akan secepatnya menggerakan sumbu diagram seperti dalam
Gb.1.39a. Dipero-
leh beberapa kombinasi logam yang secara praktis tidak larut
satu sama lainnya. Bila
didinginkan, dua logam nampak terlarut pada titik pembekuan
masing-masing tampak
jelas dua lapis dengan garis-garis terang pada kontak dan
umumnya bukan difusi.
Sistem paduan tertutup pada jenis ini adalah diantara aluminium
dan timbal da-
lam Gb.1.39b. Perhatikan daerah liquid dua fasa sampai masuk
memotong diagram.
Kondisi ini berkaitan dengan batas reaksi monotectic dan reaksi
eutectic. Diatas hori-
zontal menunjukan reaksi monotectic dalam titik monotectic yang
sangat tertutup terha-
dap komposisi dan tttik lebur aluminium murni. Garis horizontal
bawah menunjukan
reaksi eutectic yang titik eutectic secara praktis bersamaan
dengan komposisi dan titik
lebur timbal murni.
Gambar 1.39. a). Diagram kesetimbangan hypotactic dua logam tak
larut dalam kondisi liquid
dan solid, b). Paduan Al-Pb
1.18. Keterkaitan jenis-jenis Dasar
Sudah didiskusikan variasi jenis diagram kesetimbangan yang
dikombinasi den-
gan beberapa cara untuk membuat diagram aktual. Ini sangat
penting mengetahui keter-
kaitan antara jenis dasar untuk mempelajari diagram komplek.
Tiga jenis yang berbeda
dengan kelarutan solid. Dimulai dengan system ketidaklarutan
total jenis II (Gb.1.40a.),
a) b)
-
47
jika titik kedua berakhir pada garis eutektik ( F dan G) yang
masing-masing bergerak
mengarah menuju kelarutan lebih besar dalam kondisi solid, ini
menghasilkan diagram
jenis III, larut sebagian dalam kondisi solid (Gb.1.40b). Jika
bergerak bersama sampai
komposisi eutektiknya sama di E, menghasilkan sistem kelarutan
total (Gb.1.40c). Jenis
IV dan V ditentukan dengan fasa intermediate. Jika pemanasan
mengurai fasa ini (lebur
tidak sebagian) diagram menunjukan reaksi peritectic. Titik
peleburan fasa intermediate
aktual (lebur sebagian) diagram menunjukan reaksi eutektik.
Gambar 1.40. Keterkaitan diagram fasa sebagai kelarutan dalam
variasi keadaan padat
Transformasi keadaan solid
Transformasi adalah berbagai perubahan kesetimbangan dan reaksi
yang terjadi
secara total dalam keadaan solid.
-
48
1.19. Allotropy
Beberapa logam mungkin mempunyai lebih dari satu jenis struktur
kristal yang tergan-
tung pada temperaturnya. Besi, tin, manganese, dan cobalt adalah
contoh-contoh perila-
ku allotropy. Pada diagram kesetimbangan, perubahan allotropy
diindikasikan dengan
titik atau titik-titik garis vertical yang menunjukan logam
murni. Gb. 1.41a. mengilu-
strasikan allotropy, dalam diagram ini, bidang larutan
padatgamma merupakan
looped. Logam murni A dan paduan kaya A mengalami transformasi.
Beberapa dia-
gram fasa iron seperti Fe Si, Fe Mo, dan Fe - Cr memperlihatkan
loopped daerah
larutan padat. Jenis besi berada dalam rentang temperatur besi
gamma, daerah yang dis-
ebut loop gamma.
Gambar 1.41. Perubahan allotropic, a). Diagram fasa hypothectic,
b). Diagram fasa Fe-Ni
Beberapa system paduan iron, loop gamma tidak tertutup. Ini
digambarkan oleh diagram
fasa dalam Gb.1.41b. Diagram ini memperlihatkan titik pembekuan
iron murni 1539oC
membentuk larutan padat , yang mempunyai kubus pusat ruang
(KPR). Larutan padat
mempunyai kubus pusat muka (KPM) yang terbentuk oleh reaksi
peritectic pada
1512oC. Perhatikan besi murni mengalami perubahan allotropy dari
struktur kristal
(KPR) ke struktur kristal (KPM) pada temperatur 1400oC tetapi
untuk paduan peruba-
han ini dimulai pada temperatur tinggi. Perubahan allotropy
terakhir pada 910oC mem-
bentuk struktur kristal (KPR).
a) b)
-
49
1.20. Transformasi Orde-Disorder
Pembentukan jenis substitusi atom larutan padat yang terlarut
tidak menempati
posisi spesifik tetapi terdistribusi secara random dalam
struktur kisi terlarut. Paduan ini
dikatakan kondisi disordered. Beberapa larutan padat acak, jika
didinginkan secara
lambat, mengalami penataan atom-atom. Dimana atom terlarut
bergerak masuk keposisi
terkecil kisi. Struktur ini sekarang disebut larutan padat
ordered atau superkisi (super-
lattice) seperti Gb.1.42. Ordering umumnya dalam logam yang
dapat larut total dalam
kondisi solid, jumlah maksimum ordering dalam perbandingan
atomic sederhana dua
elemen. Contoh, rumusan kimia fasa ordered diberikan, seperti
AuCu dan AuCu3 dalam
system paduan gold- copper. Diagram fasa larutan ordered
kebanyakan dirancang seba-
gai , dan seterusnya. Atau , dan seterusnya dan daerah ini
kebanyakan terikat
oleh garis putus-putus. Diagram fasa aktual sistem AuCu seperti
dalam Gb.1.43.
Gambar 1.42. Tatanan atom dalam larutan padat disordered dan
ordered
Bila fasa ordered mempunyai struktur yang sama sebagai fasa
disordered, pen-
garuh ordering pada sifat-sifat mekanik dapat diabaikan.
Gabungan pengerasan dengan
proses ordering kebanyakan dalam sistem bentuk unit sel yang
berubah oleh odering.
Perhatikan struktur yang terbentuk sebagai hasil ordering
menghasilkan perubahan sifat
penting, biasanya tidak ada pengerasan hanya tahanan electric
(Gb.1.44a.). Amati ben-
tuk pengurangan tahanan elektrik pada komposisi yang berkaitan
fasa ordered AuCu3
dan AuCu. Dalam diagram fasa AuCu tidak ada daerah duafasa
antara larutan disor-
dered dan ordered. Dalam baberapa kejadian daerah duafasa antara
larutan padat or-
dered dan disordered. Kebanyakan gabungan ini membentuk struktur
kristal yang ber-
beda dari fasa disordered yang terbentuk. Ini diilustrasikan
oleh sistem paduan CuPd
-
50
seperti dalam Gb.1.44b. Diagram ini menunjukan tiga-fasa ordered
: , , dan . Cop-
per dan palladium keduanya KPM dan larutan ordered dan adalah
KPM tetapi
adalah KPR dan menunjukan daerah dua-fasa pada tiap sisi.
Gambar 1.43. Diagram fasa Au-Cu
Gambar 1.44. a). Tahanan elektrik vs komposisi untuk paduan
Au-Cu, b). Paduan Cu-Pd
1.21. Reaksi Eutectoid
Reaksi ini terjadi dalam kondisi solid, sama seperti reaksi
eutectic tetapi tidak
melibatkan liquid. Dalam kejadian ini, transformasi fasa solid
karena pendinginan
menghasilkan dua-fasa padat baru. Persamaan umumnya adalah :
a) b)
-
51
Gabungan campuran eutectoid sangat kecil, menyerupai campuran
eutectic. Dibawah
mikroskop kedua campuran tampak sama, dan secara mikroskopik
tidak menentukan
campuran yang dihasilkan oleh reaksi eutectic atau reaksi
eutectoid. Ilustrasi diagram
fasa reaksi eutectoid dapat dilihat dalam Gb.1.45.
Gambar 1.45. Diagram fasa reaksi eutectoid
TAETB dan TAFGTB masing-masing merupakan garis liquidus dan
garis solidus.
Campuran eutectic merupakan susunan fasa yang terjadi pada kedua
garis akhir tempe-
ratur eutectic, yang dinamai larutan padat (titik F) dan larutan
padat (titik G). Titik
M menunjukan perubahan allotropy logam murni A. Pentingnya garis
volvus MN, seba-
gai komposisi paduan dengan B meningkat, temperatur dimana
terjadi perubahan allo-
tropy turun, mencapai minimum pada titik N. Garis solvus FN
menunjukan b kelarutan
B turun dalam yang mana temperatur turun. Titik N diketahui
sebagai titik eutectic.
Disini komposisi sebagai komposisi eutectoid, dan garis OP
merupakan garis tempera-
-
52
tur eutectoid. Seperti diagram eutectic. Praktisnya semua paduan
disebelah kiri dan ka-
nan titik N disebut hypoeutectoid dan hypereutectoid.
Paduan hypoeutectoid 1 didinginakan lambat, larutan padat
terbentuk ketika
garis liquidus memotong di X. Kebanyakan terbentuk sampai garis
liquidus memotong
pada X2. Sisanya larutan padat uniform sampai garis solidus
memotong di X3. Logam
murni A sekarang mengalami perubahan allotropy, membentuk
larutan padat . Perhati-
kan larutan padat yang terlarut turun pada B dari pada larutan
padat . Beberapa atom
atom B terlarut dalam daerah akan mengalami perubahan allotropy
sekarang berdifusi
keluar daerah. Bila difusinya atom B cukup, atom-atom A yang
tersisa sementara kem-
bali masuk ke struktur kristal baru, membentuk larutan padat .
Akibat atom B yang la-
rut didalam sisa larutan , yang kaya B temperaturnya turun.
Komposisi sisa secara
bertahap bergerak turun dan mengarah kekanan sepanjang garis
solvus MN. Bila paduan
mencapai temperatur eutectoid X4, yang tersisa sekarang mencapai
titik N. Kebutuhan
garis eutectoid pada temperatur ini merupakan akhir perubahan
struktur kristal dimulai
pada X3, dan yang tersisa sekarang bertransformasi dengan reaksi
eutectoid, membentuk
lapisan pengatur pada dan dalam campuran yang sangat lembut.
Reaksinya ditulis :
Mikrostruktur pada temperatur ruang terdiri utama atau
proeutectoid yang terbentuk
antara X3 dan X4, dikelilingi oleh campuran campuran eutectoid +
. Ini dapat dilihat
pada Gb.1.46a. Gambar kurva pendinginan untuk paduan dari
diagram fasa, itu sangat
penting untuk garis yang memotong diagram fasa. Bila garis
horizontal memotong dia-
gram fasa, mengindikasikan reaksi dan menunjukan kurva
pendinginan sebagai garis
horizontal. Kurva pendinginan paduan seperti terlihat pada
Gb.1.46b. Sebagai latihan,
uraikan pendinginan lambat pada paduan hypereutectoid 2 dan 3 di
sebelah kiri.
-
53
Gambar 1.46. Pendinginan lambat, a). Mikrostruktur paduan
hypoeutectoid, paduan 1 pada
Gb.1.45. b). Kurva pendinginan paduan 1 pada Gb.1.45.
1.22. Diagram Komplek
Secara umum reaksi peritectioid ditulis :
Umumnya easa solid baru adalah paduan intermediate, tetapi
mungkin juga berupa laru-
tan padat. Reaksi peritectoid sama seperti reaksi peritectic
sebagaimana eutectoid den-
gan eutectic. Intinya, penempatan liquid oleh solid. Diagram
fasa dua hypothectic diilu-
strasikan reaksi peritectoid seperti dalam Gb.1.47a. dan
1.47b.
Gb.1.47a. reaksi dua-fasa solid dan pada garis temperatur
peritectoid EF
membentuk fasa intermediate . Persamaannya ditulis :
a) b)
-
54
Gb.1.47b. fasa dua solid, logam murni A dan larutan padat P,
reasi pada garis tempera-
tur peritectoid CD membentuk fasa solid baru, pertemuan larutan
padat . Persamaan-
nya ditulis :
Gambar 1.47. Diagram fasa. a). Pembentukan fasa intermediate
oleh reaksi peritectoid, b). Pembentukan terminal larutan padat
oleh reaksi peritectoid.
Dapat disimpulkan bahwa mikrostruktur reaksi peritectic pada
paduan sesungguhnya
menunjukan transformasi total (Gb.1.36b.). Ini karena difusi
yang terjadi pada fasa baru
diperlukan untuk mencapai kesetimbangan. Semula reaksi
peritectoid terjadi secara total
dalam kondisi padat dan pada umumnya pada temperatur rendah dari
reaksi peritectic,
laju difusi menjadi lambat dan ini kehilangan struktur
kesetimbangan. Gb.1.48, menun-
jukan bagian diagram Ag-Al dengan reaksi peritektoidnya. Jika
paduan Aluminium 7%
dengan cepat digunakan dari daerah dua-fasa hanya diatas
temperatur peritectoid, dua-
fasa akan tersisa, dan mikrostrukturnya terlihat matrik dengan
beberapa partikel
(Gb.1.49a). Jika paduan yang sama didinginkan secara lambat
dibawah temperatur peri-
tectoid dan dipertahankan selama 20 menit sebelum didinginkan
cepat, beberapa trans-
formasi akan terjadi pada tempat ini. Mikrostruktur, Gb.1.49b.
menunjukan beberapa
bertransformasi ke fasa baru , banyak original yang tertinggal.
Diagram fasa hanya
mengindikasikan fasatunggal , selanjutnya kesetimbangan
sesungguhnya tidak terca-
a) b)
-
55
pai. Kejadian setelah holding 2 jam di bawah temperatur
peritectoid struktur fasa
tunggal tetap tidak dihasilkan (Gb.1.49c).
Gambar 1.48. Porsi pada diagram fasa Ag-Al
Gambar 1.49. A). Paduan peritectoid Ag-7Al, stabilisasi heat
treatment panjang diatas suhu
peritectoid dan quenching. Kepulauan merupakan fasa melekat
dalam matrik . B). Sama seperti a), didinginkan sampai suhu dibawah
peritectoid selama 20 menit sebelum di quenching.
Banyak warna-terang yang bertransformasi ke warna gelap tanpa
banyyak mempengaruhi kepulauan . C). Sama seperti a), didinginkan
sampai suhu dibawah peritectoid dan di tahan 2 jam sebelum
quenching. Matrik gelap adalah , luasan terang sisa a yang tidak
terlarut oleh . Semua mikrostruktur dengan pembesaran 150x.
Kesamaannya tampak pada kedua persamaan umum dan diagram
kesetimbangan, untuk
reaksi-reaksi: monotectic, eutectic, dan eutectoid dan reaksi
peritectic dan peritectoid
seperti dalam Tabel 1.2. Reaksi-reaksi ini tidak berarti
satu-satunya yang terjadi pada
diagram kesetimbangan. Namun, reaksi ini yang paling umum, dan
mahasiswa harus
akrab dengan reaksi-reaksi tersebut.
-
56
Tabel 1.2. Reaksi diagram fasa
Nama Reaksi Persamaan Umum Tampil pada Dia-
gram
Diagram komplek.
Beberapa sistem paduan mempunyai lebih dari satu jenis reaksi
dan umumnya
lebih komplek dari jenis sederhana. Tetapi, umumnya diagram
komplek menunjukan
reaksi utama dan diagram fasa komplek dalam table dapat dipahami
; mengerti peranan ;
semua titik, garis, dan luasan ; menentukan variasi reaksi yang
terjadi pada garis-garis
horizontal, dan menjelaskan pendinginan lambat dan mikrostrutur
beberapa paduan pa-
da diagram fasa binary. Dalam aplikasi beberapa prinsip dalam
bab ini sekarang menja-
di ilustrasi untuk diagram fasa komplek seperti sitem paduan
Cobalt-Tungsten pada
Gb.1.50.
Titik pembekuan Cobalt terlihat di sumbu kiri 1495oC. Titik
lebur Tungsten
3410oC digambar dengan 2 garis putus-putus disebelah kanan
bertemu dan diatas ren-
tang temperatur. Semua daerah dua-fasa terlihat oleh
fasa-tunggal pada salah satu garis
horizontal, itu penting sebagai label pertama pada daerah
fasa-tunggal. Garis diatas dia-
gram fasa merupakan garis liquidus, selanjutnya diatas garis
liquidus larutan liquid ho-
mogen tunggal yang diindikasikan dengan L. Pada sebelah kiri,
dari titik beku Cobalt,
ini sangat kecil bentuk luasannya seperti cerutu, yang
menyerupai garis I. Oleh karena
itu larutan padat pasti terbentuk dibawah luasan ini. Larutan
padat yang diberi label .
Suatu daerah sudah dilabelkan, perbandingan antara garis sangat
kecil yang dilabelkan
-
57
sebagai + L. Daerah berikutnya adalah perbandingan diagram yang
tampak seperti
jenis I dan menunjukan maksimum pada 1500oC. Luasan diantara
titik-titik 35, 45, dan
1500oC juga menjadi +L. Sepanjang sumbu kanan, garis putus-putus
menunjukan luas
larutan padat kecil yang dilebelkan dengan Epsilon, . Garis
horizontal pertama pada
1690oC dilabelkan sebagai L+. Garis horizontal pertama pada
1690oC. Diatas garis ini
adalah L+. Dibawah tampak larutan padat baru S. Ini harus
diyakini bahwa sebagai
reaksi peritectic. Setelah daerah S dilabelkan, luas di sebelah
kanan dilabelkan S+.
Luas sebelah kiri daerah S diatas 1465oC sekarang dilabelkan
dengan L+S. Luasan anta-
ra 1100oC dan 1465
oC juga dilabelkan dengan +S. Ini di akui sebagai titik eutectic
pa-
da 45% W dan 1465oC. Diatas larutan cair dan dibawah dua solid
dan S. Pada 1100oC
garis horizontal yang lain dan oleh karena reaksi lain. Diatas
garis dua solid S dan .
Gambar 1.50. Sistem paduan Cobalt-Tungsten
Dibawah garis tampak fasa baru, fasa intermediate yang
dilabelkan . Ini merupakan
reaksi peritectoid. Daerah yang sudah dilabelkan menjadi + S dan
luas sebelah kiri
+. Jika titik A pada garis vertikal menunjukan Cobalt pasti
berupa allotropic. Diba-
wah titik A dengan larutan tungsten sangat kecil dalam cobalt.
Luasan larutan padat
-
58
yang terlalu kecil ditunjukan pada diagram, tetapi diindikasikan
sebagai . Segitiga AB3
sekarang dilabelkan sebagai +, meskipun itu tidak dilabelkan
dalam diagram. Garis
horizontal putus-putus pada 350oC menunjukan reaksi lain. Ini
merupakan reaksi eutec-
toid pada 3% W dan 350oC. Diatas garis adalah dua larutan padat
+. Sekarang semua
diagram sudah dilabelkan. Intermediate paduan dua-fasa terlihat
pada diagram, dan .
Rentang komposisi tidak begitu besar, dan inetrmediate umumnya
menyerupai susunan
intermetalic. Fasa tampak berhubungan terhadap rumusan Co7W2 dan
fasa terhadap
rumusan CoW. Fakta lain yang signifikan dari diagram adalah
perbedaan kelarutan
tungsten yang besar dalam di kobalt tergantung pada jenis
struktur kristalnya. Dalam
larutan padat , cobalt berbentuk fcc, kelarutan maksimum
tungsten dalam cobalt 35%
pada 14650C. Tetapi, perubahan Allotropy sudah terjadi dan
cobalt menjadi close
packed hexogonal dibawah titik A, kelarutan tungsten dalam
cobalt umumnya diabai-
kan. Reaksi dan persamaan spesifik yang terjadi dalam tiap garis
horizontal pada dia-
gram ini dapat dilihat dalam Tabel 1.3.
Tabel 1.3. Reaksi dan pers. Pesifik pada tiap garis
horizontal
Suhu Reaksi Persamaan