Upload
alfan-cita-nyala
View
35
Download
2
Embed Size (px)
DESCRIPTION
n
Citation preview
Modul Material Teknik - S1 Teknik Mesin UNTAD
II-1
II. DIAGRAM FASA
Standar Kompetensi :
Mampu menerapkan teori material teknik dalam memecahkan permasalahan yang berkaitan dengan material teknik Kompetensi Dasar :
1. Mahasiswa dapat menjelaskan definisi dan konsep dasar diagram fase 2. Mahasiswa dapat menggunakan dan menerapkan diagram fase 3. Mahasiswa dapat menganalisis diagram fase sistem Besi - Karbon 4. Mahasiswa dapat menjelaskan pengaruh perlakuan panas terhadap struktur
logam
Modul Material Teknik - S1 Teknik Mesin UNTAD
II-2
II. DIGRAM FASE 2.1. Definisi dan Konsep Dasar Diagram Fase Struktur dan sifat logam murni sangat berubah apabila dipadu dengan unsur
lain. Kelakuan bahan seperti itu dapat dilihat juga pada bahan cair dan gas, tetapi
yang sangat menyolok terdapat pada bahan padat. Dalam material fasa
dinyatakan berdasarkan struktur mikro (struktur dan komposisi) yang
homogen dari suatu area yang terdapat didalam material tersebut
Kalau bahan (komponen A) menjadi sistem dua komponen dengan
menambahkan komponen B, fase baru tidak terbentuk apabila B larut dalam dalam
keadaan padat dalam A. Tetapi apabila B dipadukan melebihi kelarutan
maksimumnya maka terjadi campuran larutan padat jenuh dan berlebihan fasa B.
Kadang-kadang Adan B bereaksi satu sama lain membentuk fasa lain. Sifat bahan
berubah yang disebabkan oleh perbandingan campuran dan kondisi campuran fasa
yang ada. Hubungan antara jumlah setiap komponen dan fasa yang terjadi dapat
dilihat dari diagram fasa yang dapat memberikan informasi mengenai sifat bahan.
. Diagram fasa merupakan diagram yang digunakan sebagai peta yang
menunjukkan fasa yang ada pada suhu tertentu atau komposisi paduan pada keadaan
keseimbangan
Diagram fasa digunakan untuk membantu dalam memprediksi transformasi
fasa dan menghasilkan struktur yang seimbang atau tidak, dan merepresentasikan
hubungan antara komposisi dan temperatur dan kuantitas fasa pada kesetimbangan
Beberapa informasi penting yang dapat diperoleh dari diagram fasa
tersebut adalah :
1. Fasa-fasa yang terdapat dalam material pada perbedaan komposisi dan
temperatur dibawah kondisi pendinginan lambat.
2. Indikasi kesetimbangan kelarutan padat dari suatu elemen atau senyawa
Modul Material Teknik - S1 Teknik Mesin UNTAD
II-3
dalam elemen atau senyawa lain.
3. Indikasi temperatur, dimana paduan didinginkan dibawah kondisi
setimbang mulai dari awal (start) hingga padat (solidifikasi) dan
rentang temperatur dimana proses solidifikasi terjadi.
4. Indikasi temperatur dimana terjadi perubahan fasa padat pada saat meleleh
Komposisi dari suatu paduan atau suatu fasa dalam suatu paduan biasanya
diukur dalam berat (Weigth) %, symbol W.
Kadang-kadang digunakan untuk mendefinisikan atom (mol, %) :
Daerah fasa dalam diagram keseimbangan dengan sendirinya tergantung dari sistem
paduannya.
Constitution paduan ditunjukkan oleh
(a) keseluruhan komposisi (the overall composition);
(b) jumlah fase (the number of phases);
(c) komposisi setiap fase (the composition of each phase);
(d) proporsi berat setiap fase (the proportion by weight of each phase).
2.2. Diagram Fase Kesetimbangan
Bila system komponen banyak berada dalam keseimbangan fasa maka
diperlukan adanya aturan fasa. Misalnya, kalau jumlah komponen dalam suatu sistem
adalah C dan fasa yang ada ialah P, dengan derajat kebebasan F yang merupakan
jumlah variabel yang dapat berubah bebas tanpa memberikan pengaruh, membuat
fasa ada dalam keadaan sama, maka
F = C + 2 P
Modul Material Teknik - S1 Teknik Mesin UNTAD
II-4
Hubungan ini merupakan aturan fasa (kaidah fasa Gibbs).
Dalam sistem dua komponen variabel dari keadaan adalah temperatur,
tekanan dan komponen, jadi diperlukan tiga sumbu untuk menyatakan keadaan pada
satu titik dalam ruang. Akan tetapi bahan dipakai dalam industri umumnya berfasa
padat dan tekanan uapnya sangat rendah jadi keadaan gasnya dapat diabaikan
Contoh diagram fasa kesetimbangan dengan sistem dua komponen (binary)
pada logam Pb (timbal) dan Sn (timah) seperti pada Gambar 2. 1di bawah
Modul Material Teknik - S1 Teknik Mesin UNTAD
II-5
Gambar 2.1. Diagram fasa untuk sistem paduan Timbal-Timah
Pada diagram terlihat komposisi paduan pada skala horisontal ( dalam weight%)
dan temperatur pada skala vertikal. Bagaimana menggunakan digram fasa tersebut?
Pertama-tama, dapatkan paduan dari komposisi keseluruhan 50 wt% timbal pada
170oC. Titik konstitusi ( Gambar 2.1a) terletak dalam bidang dua fasa. Jadi, pada
keseimbangan paduan harus menjadi campuran 2 fasa , yang harus terdiri dari
padatan Sn dan Pb. Lebih dari ini, diagram yang ditunjukkan pada Gambar 2.1b
bahwa fasa (Sn) dalam campuran berisikan 2% timbal yang dissolve kedalam timah
98%. Dan fasa (Pb) adalah 85% timbal , 15% timah yang dissolve kedalamnya. Dan
Gambar 2.1c menunjykkan campuran terdiri 85% berat fasa (Pb).
Dengan bantuan diagram fasa, dapat diketahui keseimbngan konstitusi paduan :
(a) komposisi keseluruhan (50 wt% lead + 50 wt% tin),
(b) Jumlah fasa (dua),
(c) Komposisi setiap fasa (2 wt% lead, 85 wt% lead),
(d) proporsi setiap fasa (58 wt% (Pb), 42 wt% (Sn)).
Namun dalam diagram ini ukuran dan bentuk gumpalan (butiran) (Sn) dan (Pb) tidak
dapat diketahui. Untuk mengetahuinya dapat dilihat dengan menggunankan
mikroskop.
Modul Material Teknik - S1 Teknik Mesin UNTAD
II-6
Dengan menggunakan Gambar 2.1b dan Gambar 2.1c dapat diketahui keseimbangan fasa :
(a) 25 wt% lead + 75 wt% tin, (b) dua fasa, (c) 2 wt% lead, 85 wt% lead, (d) 30 wt% (Pb), 70 wt% (Sn). (a) 75 wt% lead + 25 wt% tin, (b) dua fasa, (c) 2 wt% lead, 85 wt% lead, (d) 87 wt% (Pb), 13 wt% (Sn). (a) 85 wt% lead + 15 wt% tin, (b) hanya satu fasa, (c) 85 wt% lead, (d) 100 wt% (Pb). (a) 95 wt% lead + 5 wt% tin, (b) satu fasa, (c) 95 wt% lead, (d) 100 wt% (Pb).
(a) 2 wt% lead + 98 wt% tin, (b) hanya satu fasa, (c) 2 wt% lead, (d) 100 wt% (Sn).
2.3. Diagram fas Fe Fe3C
Ada 5 jenis fasa yang terdapat pada diagram fasa Fe Fe3C, yaitu fasa cair (L),
besi alfa , besi gamma , besi delta dan senyawa Fe-Fe3C. Besi alfa, besi delta dan
besi gamma dalam bentuk larutan padat.
Besi (Fe) merupakan unsur logam yang mempunyai lebih dari satu bentuk sel
satuan (politropik), sedangkan karbon (C) merupakan unsur non logam. Paduan dari
kedua jenis unsur ini akan menghasilkan dua jenis material teknik, yaitu baja (C-
Steel) dan besi cor (Cast Iron). Setiap transformasi fasa yang terjadi selalu diiringi
dengan perubahan volume.
Modul Material Teknik - S1 Teknik Mesin UNTAD
II-7
Gambar 2.2. Diagram fase Fe-Fe3C , Materials Science and Metallurgy,
4th ed., Pollack, Prentice-Hall, 1988
Gambar 2.2 menunjukkan diagram keseimbangan untuk kombinasi karbon
dalam solid solution besi (Fe). Diagram ini memperlihatkan bahwa besi dan karbon
digabung untuk membentuk Fe-FeC pada 6,67%C akhir diagram. Bila %C > 6,67 %
maka sudah tidak dapat digunakan untuk material teknik sebab sifat materialnya
sudah sangat getas. Bagian kiri dari diagram adalah besi murni yang digabung dengan
karbon yang menghasilkan paduan baja. Ada tiga daerah yang sangat penting dapat
dibuat relative terhadap porsi baja diagram, yaitu :
1. Eutektoid (E)
2. Hipoeutektoid A
3. Hipereutektoid B
Modul Material Teknik - S1 Teknik Mesin UNTAD
II-8
Bagian sebelah kanan dari garis besi murni adalah karbon dalam kombinasi
dengan berbagai bentuk bentuk besi yaitu besi (ferit), besi (austenit), besi .
Perubahan allotrapik terjadi ketika ada perubahan dalam struktur lattice kristal.
Dari temperature 2802-2552F besi mempunyai struktur kisi body
centered cubic (BCC) dengan daya larut atom yang rendah (0,1%), tetapi lebih besar
dari ferrit karena terjadi pada temperature 2552- 2802F (1350 1535 oC).
Pada temperature 2552F kisi berubah dari BCC menjadi tipe kisi face
centered cubic (FCC), Austenit (besi ), memiliki jarak antar atomnya lebih besar
dari Ferrit. Austenit stabil pada temperatur antara 912 1350 0C dengan daya larut
atom karbon sebesar 2,11%. Pada temperatur stabilnya Austenit bersifat lunak dan
ulet sehingga mudah dibentuk serta tidak bersifat ferromagnetik
Pada temperature 1400F, kurva menunjukkan dataran tetapi ini tidak
siginifikan perubahan alotropik. Kondisi ini dinamakan Curie temperature, dimana
logam berubah sifat magnetiknya. Pada temperatur ini berada Ferrit (besi ),
memilki bentuk sel satuan BCC dan dapat melarutkan karbon sampai dengan 0,025%.
Hal ini dikarenakan struktur BCC dimana ruang antar atom kecil dan padat , sehingga
daya larut karbon rendah. Sifat ferit adalah lunak, ulet, mampu las tinggi, sifat korosi
rendah
Ada dua perubahan fase yang terjadi pada 0,83%C dan pada 4,3% C, yaitu
Pada 0,83%C, transformasinya dalah eutektid yang dinamakan perlit
(austenit) + Fe3C (cementit)
Pada 4,3%C, transformasinya adalah eutektik yang dinamakan ledeburite.
L (liquid) (austenit) + Fe3C (cementit)
Sementit (Fe3C) merupakan suatu senyawa antara atom Fe dengan atom C. Sifatnya
sangat keras, kurang ulet dan kurang kuat (getas)
.
Modul Material Teknik - S1 Teknik Mesin UNTAD
II-9
2.4. Perlakuan Panas
Perlakuan panas adalah mekanisme dimana sifat-sifat bahan dapat
ditentukan tanpa perubahan bentuk produk. Perlakuan panas merupakan pemanasan
dan pendinginan bahan yang terkontrol untuk tujuan penentuan sifat-sifatnya
Logam seperti baja biasanya dilakukan perlakuan panas untuk tujuan:
1. Pelunakan (Softening)
Pelunakan (softening) dilakukan untuk mengurangi kekuatan atau kekerasan,
menghilangkan tegangan sisa (residual stresses), memperbaiki ketangguhan
(toughness), menaikkan keuletan (ductility), memperhalus ukuran butir atau
merubah sifat elektromagnetik dari baja.
Proses pelunakan dapat berupa:
Proses anil (annealing process) : tujuan dari proses pelunakan adalah untuk
memperbaiki sifat mekanik dan sifat mampu mesin dari suatu material. Proses
ini dapat menghasilkan sifat material yang dibutuhkan (sifat keuletan dan besar
butir yang homogen). Sifat kekerasan material yang dihasilkan dari proses ini
dapat ditingkatkan dengan membatasi kecepatan pendinginan
Anil sempurna (Full annealing) : proses peningkatan temperatur secara pelan
sampai sekitar 500oC di atas temperatur austenit A3 atau Acm pada baja
hypoeutectic (
Modul Material Teknik - S1 Teknik Mesin UNTAD
II-10
Gambar 2.3. Mikrostruktur dan proses perlakuan panas
Stress relief anneal: digunakan untuk menghilangkan tegangan sisa pada proses
pembentukan (pengecoran), bagian yang dilas, dan bagian yang dibentuk
pendinginan. Bagian tersebut cenderung mempunyai tegangan oleh karena
siklus pemanasan atau cold working.
Caranya : bagian tersebut dipanaskan pada temperatur sekitar 600 6500C
selama beberapa menit dan kemudian didinginkan dengan perlahan di udara
Speroidisasi : proses anil yang digunakan untuk baja karbon tinggi (C >0.6%)
yang akan diproses pemesinan atau cold formed.
Tujuan proses ini adalah meningkatkan ketangguhan baja rapuh.
Cara : Bila struktur mula : Perlit bahan dipanaskan 16-24 jam pada suhu
sekitar eutektoid (~ 7000C). Bila struktur mula : martensit bahan dipanaskan
1-2 jam pada suhu yang sama.
Modul Material Teknik - S1 Teknik Mesin UNTAD
II-11
Proses Normalizing : dilakukan dengan pemanasan lambat dan merata di atas
temperatur transformasi (>600C di atas A3/Acm) dan didinginkan secara
perlahan-lahan di udara untuk menghilangkan struktur-struktur yang tidak
merata dari hasil proses sebelumnya, seperti pada proses pengecoran, tempa dan
sebagainya. Proses normalizing ini dilakukan pada baja untuk menghindari
terjadinya retak.
Waktu
Suhu
Austenit
Suhu austenit 100%
Normalisasi (pendinginan udara)
Anil (pendinginan dapur)
Gambar 2.4. Proses autenisasi
Modul Material Teknik - S1 Teknik Mesin UNTAD
II-12
Proses temper : suatu proses perlakuan panas yang mereduksi kegetasan dari
bahan. Proses ini dilakukan pada temperatur di bawah kira-kira 723oC untuk
mengurangi kekerasan bahan dan menambah keuletan bahan.
Dengan temper mikrostruktur baja akan homogen dan tegangan sisa akibat
pemanasan yang tinggi selama di-quenching tereliminasi atau dapat
diminimalisasi. Baja yang dikeraskan seharusnya ditemper sebelum digunakan.
Sigit Gunawan (2005) menyatakan korelasi antara pengaruh suhu temper
terhadap ketangguhan impak dan kekuatan tarik baja AISI 420 dimana
ketangguhan impak cenderung naik seiring dengan naiknya temperature temper,
sebaliknya kekuatan tarik cenderung menurun dengan kenaikan temperatur
temper. Hal ini sejalan dengan penelitian yang dilakukan oleh Hasta Kuntara
(2005) dengan baja X165CrMoV12 untuk bahan cetakan.
Waktu
Suhu
+ Karbida Suhu eutektoid
Menghilangkan tegangan
Proses Anil
Gambar 2.5. Proses eutektoid
speroidisasi
Modul Material Teknik - S1 Teknik Mesin UNTAD
II-13
Pengaruh waktu tempering terhadap sifat mekanis bahan berupa kekerasan dan
kekuatan dimana kekerasan turun dengan kenaikan waktu temper, tetapi
kekuatan tarik tidak terlalu berpengaruh terhadap waktu temper (V.N.Potluri,
2002). Kekuatan tarik dan ketangguhan baja komersial tidak terlalu berpengaruh
secara signifikan terhadap variasi waktu (1 jam, 2 jam, 3 jam dan 4 jam)
perlakuan panas temper ( 600oC) (Bakri & Chandrabakty, 2006).
Gambar 2.6. Efek perlakuan panas temper terhadap sifat mekanis material
(Jurnal SMARTek, 2006)
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
0 1 2 3 4
Waktu Temper ( Jam)
Ket
angg
uhan
(J/m
m2)
Standar (Tanpa Perlakuan Panas)
0
100
200
300
400
500
600
0 1 2 3 4
Waktu Temper ( Jam)
Keku
atan
Tar
ik (N
/mm
2) Austenit + Quenching
Modul Material Teknik - S1 Teknik Mesin UNTAD
II-14
Quenching (pencelupan dari suhu tinggi): dilakukan pada bahan agar larutan
padat yang terbentuk pada solution treatment tetap ada pada temperatur rendah.
Untuk menghindari terjadinya presipitasi yang cukup besar selama proses
pendinginan maka perlu dipenuhi persyaratan seabagai berikut :
Waktu yang diperlukan untuk memindahkan komponen dari tungku (furnace) ke media pendingin harus cukup singkat.
Volume, kapasitas penyerapan panas dan laju aliran media pendingin dipilih sedemikian hingga tidak terjadi presipitasi selama pendinginan
2. Pengerasan (Hardening)
Hardness : fungsi dari kandungan karbon dari baja. Hardening baja mengalami
perubahan dalam struktur BCC pada temperatur ruang ke FCC dalam Austenitic
region.
Baja dipanaskan Autenitic region kemudian di-Quenching tiba-tiba sehingga
Martensite terbentuk dengan struktur sangat kuat dan brittle. Quenching lambat
menimbulkan Austenite and Pearlite terbentuk yang sebagian keras dan
sebagian lunak. Cooling rate lambat membentuk Pearlite yang lunak (soft).
Gambar 2.7. Mikrostruktur
Kemampu Kerasan (Hardenability) adalah kemampuan bahan untuk dikeraskan.
Baja bertransformasi cepat dari austenit membentuk ferit dan karbida dengan
kemampu kerasan rendah, martensit tidak terbentuk (krn transformasi suhu
Modul Material Teknik - S1 Teknik Mesin UNTAD
II-15
tinggi). Baja bertransformasi lambat dari austenit membentuk ferit dan karbida
yang kemampu kerasan besar
3. Modifikasi Material (Material Modification)
Perlakuan panas digunakan untuk memodifikasi sifat material menurut
hardening dan softening. Proses ini memodifikasi sifat baja dalam sifat yang
mengungtungkan untuk memaksimalkan penggunaan material seperti stress
relieving, atau sifat kekuatan.