ILMU LOGAMProses reduksi bijih besiProses pembuatan bajaStruktur, sistim dan cacat kristalPengamatan metalografiDiagram fasaPerlakuan panasEfek strain hardeningSifat-sifat mekanis dan pengujiannya

KLASIFIKASI LOGAM FERROUS :Fe 50 % diklasifikasikan menjadi :- Baja : 1. Menurut kadar C (plain carbon steel) : Baja karbon rendah Baja karbon sedang Baja karbon tinggi 2. Menurut penggunaannya 3. Menurut perlakuan panas- Besi tuang : 1. Besi tuang kelabu 2. Besi tuang putih 3. Besi tuang berbintik 4. Besi tuang mampu tempa 5. Besi tuang bergrafit bulat

Non Ferrous : Fe < 50 %, diklasifikasikan menjadi :-. Aluminium (Al)- Magnesium (Mg)- Tembaga (Cu)- Kuningan / brass (Cu Zn)- Perunggu / bronze (Cu Sn)- Timah putih (Sn)- Timah hitam (Pb)- Seng (Zn)- Nikel (Ni)- dsb

PERBEDAAN BAJA DAN BESIDapat ditinjau dari :1. Komposisi kimia2. Sifat-sifat mekanis3. Proses pembuatannya

BESIBAJA 2 % < C < 6,67 % 0,002 % < C < 2 % Mn < 1 %Mn < 1 % Si = 1 3 % Si < 1 % P < 0,05 %P < 0,05 % S < 0,05 %S < 0,05 %-------------------------------------------------------------------------------------------- Keras dan getas - Dapat dibentuk secara plastis- Meredam getaran - Meneruskan getaran-------------------------------------------------------------------------------------------- Proses pembuatannya - Proses pembuatannya secara secara reduksi oksidasi

PROSES PEMBUATAN BESI BAJABijih Besi Pemurnian & aglomerisasiPelet (oksida besi) / Fe2O3, Fe3O4 Reduksi Fe (besi murni) casting oksidasi Besi tuangBaja castingBaja tuang

REDUKSI BIJIH BESIBesi diperoleh dari mineral bijih besi yang terdiri dari :Hidroksida (Fe 20 50 %) dapat berupa :- Goetmit (Fe2O3.H2O)- Limonit (2Fe2O3.3H2O)- Laterit (Fe2O3.xH2O)Oksida (Fe 40 70 %)- Magnetit (Fe2O3)- Hematit (Fe3O4)Karbonat (Fe 30 40 %)- FeCO3- CaCO3Unsur-unsur lain : SiO2, P, S dll

Bijih besi mengalami proses pemurnian (dipisahkan dari unsur-unsur pngotor), setelah itu dilakukan proses aglomerisasi (penggumpalan) membentuk oksida-oksida besi dari magnetit atau hematit.Oksida-oksida besi tsb diproses / dipanaskan dan ditekan membentuk pelet (bulat berdiameter 2 mm) dan dapat juga berupa sinter (bentuknya tidak beraturan)Pelet (Fe2O3. Fe3O4) kemudian dilakukan proses reduksi, yang secara garis besar perubahannya adalah sbb :Fe3O4 FeFe2O3

Fe

KLASIFIKASI REDUKSI BIJIH BESIReduksi Tidak Langsung : dilakukan dalam dapur yang disebut dapur tinggi (blast furnace). I I. StackII. Saucher Bosch IIIII. Bosch

IIIIV. Hearth

IV besi cair (pig iron) ditiupkan udara panas Pada stack, feed (umpan) dimasukkan berselang seling mulai dari pelet, batu kapur, kokas demikian seterusnya

REAKSI REDUKSI TIDAK LANGSUNGPada bagian bosch terjadi reaksi pembuatan gas reduktor :FeO + CO Fe + CO2CO2 + C 2 CO FeO + C Fe + CO (gas reduktor)

Pada bagian stack terjadi reaksi reduksi :3 Fe2O3 + CO 2 Fe3O4 + CO2Fe3O4 + CO 3 FeO + CO2FeO + CO Fe + CO23 Fe2O3 + 9 CO 6 Fe + 9 CO2Fe (besi murni) yang diperoleh ini adalah dalam fasa cair (pig iron)

Reduksi Langsung.Disebut dengan proses HYL.(Hoyalanta). Gas reduktor yang digunakan berasal dari LNG (gas alam cair) :CH4 yang direaksikan dengan uap air panas (H2O) sebagai berikut :CH4 + H2O CO + 3 H2 (gas reduktor)

Gas reduktor tersebut digunakan untuk mereduksi pelet :Fe2O3 + 3 H2 2 Fe + 3 H2O atauFe2O3 + 3 CO 2 Fe + 3 CO2Besi yang dihasilkan berbentuk padatan (sponge iron)

PERBEDAAN REDUKSI LANGSUNG & TIDAK LANGSUNGReaksinya berbeda, pada reduksi tidak langsung Fe diperoleh dari beberapa tahap reaksi, pada reduksi langsung dengan 1 tahap reaksi dapat diperoleh Fe murniHasil akhirnya berbeda, output dari reduksi tidak langsung adalah besi dalam keadaan cair (pig iron), output dari reduksi langsung adalah besi dalam keadaan padat (sponge iron)Sumber gas reduktornya berbeda, reduksi tidak langsung menggunakan kokas untuk menghasilkan gas reduktor CO, reduksi langsung menggunakan CH4 untuk menghasilkan gas reduktor CO dan H2

Kualitasnya berbeda, reduksi langsung menghasilkan besi dengan kualitas yang lebih baik daripada reduksi tidak langsung. Karena reduksi tidak langsung menggunakan kokas untuk menghasilkan gas reduktor. Kokas berasal dari batubara yang mengandung Sulfur (S), dimana S tsb dapat ikut masuk ke dalam besi hasil reduksi yang mengakibatkan besi mengalami hot shortness (retak panas)

PROSES PEMBUATAN BAJAMelalui proses oksidasi yang tujuannya :Mengurangi % C dalam besi : C + O2 CO2 Menambahkan unsur-unsur paduanMengurangi gas-gas yang larutuntuk mencegah kegetasan dalam baja

KRISTAL LOGAMKristal adalah susunan atom-atom yang teratur dimana keteraturannya selalu berulang dalam pola 3 dimensi. Yg tidak teratur : amorfKristal logam diklasifikasikan menjadi :Sistim kristalStruktur kristalSISTIM KRISTAL c a b

SISTIM KRISTAL : Bentuk bangun / pola 3 dimensi yang terbentuk akibat adanya keteraturan atom-atom di dalam kristal logam.STRUKTUR KRISTAL : Susunan / posisi atom-atom di dalam pola 3 dimensi (di dalam sistim kristal)

Berdasarkan parameter-parameter yang ada maka sistim kristal diklasifikasikan menjadi 7 macam :Triklin: a # b # c ; # # # 90oMonoklin: a # b # c ; = = 90o # Ortorombik: a b # c, = = = 90oRhombohedral (trigonal) : a = b = c, = = 90oHexagonal : a = b # c, = = 90o, = 120oTetragonal : a = b # c, = = = 90oCubic : a = b = c, = = = 90o a, b, c = rusuk-rusuk bangun 3 dimensi disebut dg konstanta kisi,, = sudut-sudut antara konstanta kisiUmumnya logam-logam penting mempunyai sistim kristal kubus (cubic) dan hexagonal.

STRUKTUR KRISTALUntuk sistim kristal cubic terdapat 2 macam struktur kristal yaitu FCC dan BCC sedangkan untuk sistim kristal hexagonal dikenal struktur kristal CPH

FCC (Face Centered Cubic) / Kubus Pemusatan SisiMempunyai kerapatan atom = 0,74Lunak dan uletMudah dibentuk karena mempunyai bidang geser yang cukup banyakContoh logam yang mempunyai struktur kristal FCC adalah Al, Ni, Cu, Au, Ag, Pt, Pb, Fe()

BCC (Body Centered Cubic) / Kubus Pemusatan RuangMempunyai kerapatan atom = 0,68Kuat dan kerasSulit dibentuk karena mempunyai sedikit bidang geserContoh logam yang mempunyai struktur kristal BCC adalah Cr, Fe(), Fe(), Mo, V dan NaCPH (Closed Packed Hexagonal) / Heksagonal Tumpukan PadatMempunyai kerapatan atom = 0,74Lunak dan uletMudah dibentukContoh logam yang mempunyai struktur kristal CPH adalah Mg, Be, Zn, Cd, Hf dan Ti

CACAT KRISTALDalam penyusunannya ternyata atom-atom dalam kristal tidak seluruhnya membentuk keteraturan yang sempurna. Ketidaksempurnaan itu disebut cacat kristal yang dapat berupa :Cacat titikCacat garisCacat bidang atau volumeCacat-cacat kristal tersebut dapat mengganggu keteraturan susunan atom-atom setempat.

CACAT TITIKa. Atom kosong (vacancy) : c. Atom pengganti (substitusi) :0 0 0 00 0 0 00 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0 Fe dapat digantikan oleh Cr,Nib. Atom sisipan (interstisi) :0 0 0 00 0 * 0 00 0 0 0 Fe dapat disisipkan dengan C, N,H

CACAT GARIS (DISLOKASI)Edge Dislocation (dislokasi sisi)

Screw Dislocation (dislokasi ulir) :

CACAT BIDANG / VOLUME : BATAS BUTIR

Batas butir merupakan daerah yang mobile / mudah bergerakyang mengakibatkan semua proses perubahan atom/metalurgiselalu berawal dari batas butir misalnya perubahan fasa, pergerakan dislokasi, pertumbuhan butir.CATATAN :Butir yang besar mengakibatkan sifat logam menjadi lunakButir yang kecil / halus mengakibatkan sifat logam menjadi keras / kuat

Butir yang halus / kecil artinya mempunyai batas butir yang banyak, dimana batas butir ini menjadi penghalang bagi pergerakan dislokasi. Makin banyak penghalang / hambatan terhadap pergerakan dislokasi maka logam menjadi kuat.

KUAT HAMBATAN TERHADAP PERGERAKAN DISLOKASI CUKUP BANYAKOleh karena itu untuk meningkatkan kekuatan logam dapat ditempuh dengan cara antara lain: menambah unsur paduan, menghaluskan butir yang semuanya dapat menjadi hambatan terhadap pergerakan dislokasi

Gambaran butir / batas butir dapat diperoleh melalui pengamatan metalografi dengan tahapan pengujiannya sebagai berikut :1. Pemotongan sampel2. Grinding3. Polishing4. Pencucian5. Etsa6. Pembersihan7. Pengeringan8. Pengamatan dengan mikroskop optik / elektron

DIAGRAM FASA LOGAMDisebut juga dengan diagram kesetimbangan atau diagram konstitusional.Tujuan mempelajari diagram fasa :Mengetahui komposisi kimia suatu paduanMengetahui jumlah relatif fasa suatu paduan pada temperatur tertentuMengetahui perubahan-perubahan struktur mikro yang terjadi pada suatu paduan akibat proses perlakuan panasMengetahui temperatur cair suatu paduan (khususnya pada proses peleburan logam untuk proses pengecoran)Mengetahui temperatur perlakuan panas suatu paduanMengetahui temperatur pembentukan fasa suatu paduan

KLASIFIKASI DIAGRAM FASADiagram fasa 1 komponen / 1 unsur : misalnya untuk air

padatcairgasTempTek Diagram fasa biner (paduan 2 unsur) Diagram fasa tersier (paduan 3 unsur)

DIAGRAM FASA BINERDigambarkan dengan grafik sebagai berikut : (pada tekananan konstan 1 atmosfir)

% berat BABTemp102030(100% B)(100%)Berat total A dan B = 100 %30 %B70 %A

KLASIFIKASI DIAGRAM FASA BINERTipe I : dua logam larut sempurna dalam keadaan cair dan padatTipe II : dua logam larut sempurna dalam keadaan cair dan tidak larut sempurna dalam keadaan padatTipe III : dua logam larut sempurna dalam keadaan cair dan larut sebagian dalam keadaan padatTipe IV : dua logam membentuk fasa intermediate dengan titik lebur kongruenTipe V : dua logam membentuk reaksi peritektikTipe VI : dua logam membentuk reaksi monotektikTipe VII : dua logam tidak terlarut sempurna dalam keadaan cair dan padatDiagram fasa Fe Fe3C

DIAGRAM FASA BINER TIPE IDua logam larut sempurna dalam keadaan cair dan padat. Contoh Cu - NiL +L ABTATBGaris liquidusGaris solidusL = fasa liquid=fasa padat (solid solution)TA = temperatur awal logam A mulai mencairTB = temperatur awal logam B mulai mencairFasa lumpur

DIAGRAM FASA BINER TIPE IIDua logam larut sempurna dalam keadaan cair dan tidak larut sempurna dalam keadaan padat. Contoh Al Si

LL+AL+BA + EB + ETATBTEABXEReaksi Eutektik : L + BTE = Temperatur terjadinya reaksi eutektikXE = Komposisi kimia fasa eutektikTA = Temp cair Logam ATB = Temp cair logam BE = fasa eutektik (fasa campuran A dan BKomposisi hypoeutektik : A - XEKomposisi hypereutektik : XE - BA + B

DIAGRAM FASA BINER TIPE IIIDua logam larut sempurna dalam keadaan cair dan larut sebagian dalam keadaan padat. Contoh : Pb Sb, Al Cu

TBTAAB% BTEXEL + L+L +E +E = solid solution (larutan padat yang kaya akan unsur A= = solid solution (larutan padat yang kaya akan unsur Babcda = kelarutan B dalam pada temperatur kamarb = kelarutan A dalam pada temperatur kamarc = kelarutan max B dalam pada temperatur TEd = kelarutan max A dalam pada temperatur TEefa e = garis solvus (kelarutan B dalam )b f = garis solvus (kelarutan A dalam ) Reaksi eutektik : L + +

DIAGRAM FASA BINER TIPE IVDua logam membentuk fasa intermediate dengan titik lebur kongruen. Contoh Mg Sn membentuk fasa intermediate Mg2SnABAxByTATBTAxByLLA+LAxBy+LAxBy+LB+LA+E1AxBy+E1AxBy+E2B+E2Titik lebur kongruen : TAxByFasa intermediate : AxByReaksi eutektik 1 : L A + AxByReaksi eutektik 2 : L B + AxBy

DIAGRAM FASA BINER TIPE VDua logam membentuk reaksi peritektik. Contoh Pt - AgAB%BTATBL +L +L + Reaksi peritektik : + L

DIAGRAM FASA BINER TIPE VIDua logam membentuk reaksi monotektik. Contoh Cu - PbL1L2L1+L2A+L2 +L2A + mEReaksi monotektik : L1 A + L2Reaksi eutektik : L2 A +

DIAGRAM FASA BINER TIPE VIIDua logam tidak larut sempurna dalam keadaan cair dan tidak larut sempurna dalam keadaan padat. Contoh Al - PbL1L2L1+L2 + L2 + AB%B

JENIS-JENIS REAKSI FASA YANG TERDAPAT PADADIAGRAM FASA LOGAMREAKSI MONOTEKTIK : L1 L2 + Solid

REAKSI EUTEKTIK : L Solid 1 + Solid 2L1L2 + SolidLSolid 1 + solid 2

REAKSI EUTEKTOID : Solid 1 Solid 2 + Solid 3

REAKSI PERITEKTIK : L + Solid 1 Solid 2

REAKSI PERITEKTOID : Solid 1 + Solid 2 Solid 3Solid 1Solid 2 + Solid 3L + Solid 1Solid 2Solid 1 + Solid 2Solid 3

DIAGRAM FASA Fe Fe3CMerupakan diagram fasa antara unsur Fe dengan C L+ + Fe3C + LL+Fe3C + Fe3C + L + % CFeFe3CT (oC)0,002%0,020,824,36,670,100.180.5723910113013901490 1535

Merupakan diagram fasa yang penting untuk besi baja karena :Dapat menggambarkan fasa-fasa yang terjadi pada besi baja pada temperatur dan komposisi tertentuMerupakan dasar referensi untuk menentukan temperatur perlakuan panas besi baja (di daerah austenit / )Menggambarkan dengan jelas perbedaan antara besi dan baja ditinjau dari komposisi C dan fasa-fasa / struktur mikro yang terjadi

REAKSI-REAKSI FASA YANG TERJADI PADA DIAGRAM FASA Fe Fe3CREAKSI EUTEKTOID (723oC , 0,8 %C)

REAKSI EUTEKTIK (1130oC , 4,3 %C)

REAKSI PERITEKTIK (1490oC , 0,18 %C)

+ Fe3CL + Fe3C + L

Baja mengandung 0,002 %C s/d 2 % C dan diklasifikasikan menjadiBaja hypoeutektoid (0,002 s/d 0,8 %C)Baja hypereutektoid (0,8 s/d 2 % C)

Besi mengandung 2 s/d 6,67 % C dan diklasifikasikan menjadi :Besi hypoeutektik (2 s/d 4,3 %C)Besi hypereutektik (4,3 s/d 6,67 %C)

SIFAT ALLOTROPI BAJABila didinginkan perlahan-lahan pada daerah baja dengan kadar C yang sangat rendah (di daerah )maka Fe (baja) akan mempunyai sifat allotropi yaitu mengandung lebih dari satu tipe struktur kristal tergantung dari temperaturnyaTk 723oC : fasa , mempunyai struktur kristal BCC (magnetik)723oC 910oC : fasa , struktur kristal BCC (non magnetik)910oC 1390oC : fasa , struktur kristal FCC (non magnetik)1390oC 1535oC : fasa , struktur kristal BCC (magnetik)Logam-logam lain yang bersifat allotropi Sn, Mg, Co, C (intan/grafit)Perubahan struktur kristal ini disebabkan karena konstanta kisi setiap struktur pada setiap fasa berbeda-beda ( = 2,93 A, =3,65 A, = 2,87 A )

JENIS-JENIS FASA PADA DIAGRAM Fe Fe3C = ferit ; merupakan larutan padat yang hanya dapat melarutkan sejumlah kecil karbon. Di bawah mikroskop nampak berwarna terang. Kelarutan maksimum C dalam fasa ini 0,02 %C pada temperatur 723oC. Merupakan fasa yang paling lunak dalam baja. = austenit : merupakan larutan padat yang dapat melarutkan maksimum 2 % C pada temperatur 1130oC. Merupakan struktur yang tidak stabil yang mudah berubah menjadi fasa-fasa lain sesuai dengan sifat mekanis yang diharapkan , oleh karena itu daerah perlakuan panas adalah pada daerah austenit.(dimulai pada suhu austenisasi).Fe3C = sementit = karbida besi: merupakan senyawa yang keras dan rapuh dengan kekuatan tarik yang rendah dan kekuatan tekan yang tinggi. Struktur kristalnya adalah ortorombik.

+ Fe3C = perlit : merupakan campuran eutektoid yang mengandung 0,8 % C dan terbentuk pada temperatur 723oC pada pendinginan yang sangat lambat. Di bawah mikroskop, campuran ini nampak berbentuk lamel-lamel atau plat-plat yang merupakan campuran dari dan Fe3C + Fe3C = ledeburit : merupakan campuran eutektik yang terjadi pada 4,3 % C dan temperatur 1130oC

STRUKTUR MIKROMerupakan gabungan dari satu atau lebih struktur kristal yang membentuk fasa- fasa tertentu. Secara garis besar dapat dikelompokkan menjadi :

Kristal tunggal (monokristal)- Fasa tunggalKristal majemuk (polykristal)- Fasa tunggalKristal majemuk (polykristal)- 2 fasa ( & )

PENGAMATAN METALOGRAFIBenda Uji

MountingGrinding

Polishing

Cleaning

Etching

Cleaning

Pengamatan di bawah Mikroskop