12/03/2015
Background Pertemuan Ke-2
DIAGRAM FASA
• Umumnya logam tidak berdiri sendiri (tidak dalam keadaan murni)
• Pemaduan logam akan memperbaiki sifat logam, a.l.: kekuatan, keuletan, kekerasan, ketahanan korosi, ketahanan aus, ketahanan lelah, dll
Kemurnian
Sifat
Paduan
Struktur
By: Nurun Nayiroh, M.Si
• Logam lebih banyak dalam keadaan dipadu (logam paduan/alloy)
• Pemaduan logam membuat struktur dalam keadaan setimbang pada temperatur dan tekanan tertentu
MK TRANSFORMASI FASA
Paduan (Alloy) Paduan adalah campuran bahan yang memiliki sifat-sifat
logam terdiri dari dua atau lebih komponen dan sedikitnya satu komponen utamanya adalah logam. Suatu sistem paduan adalah suatu sistem yang terdiri dari semua paduan yang terbentuk dari beberapa unsur dengan semua macam komposisi yang mungkin dapat dibuat. Paduan dapat diklasifikasikan menurut strukturnya dan sistem paduan dapat diklasifikasikan menurut diagram kesetimbangannya (diagram phasenya). Paduan bisa merupakan paduan homogen dan bisa merupakan campuran, bila homogen merupakan fasa tunggal bila campuran terdiri dari beberapa fasa .
Ayat al-Qur’an tentang alloy (Al-kahfi:95&96) Zulkarnain berkata: “Apa yang telah dikuasakan oleh Tuhanku terhadapnya
adalah lebih baik, maka tolonglah aku dengan kekuatan (manusia dan alatalat), agar aku membuatkan dinding antara kamu dan mereka, berilah aku potongan besi” . Hingga apabila besi itu telah sama rata dengan kedua (puncak) gunung itu, berkatalah Zulkarnain “Tiuplah api itu” . Hingga apabila besi itu sudah menjadi (merah seperti api), dia pun berkata: “Berilah aku tembaga (yang mendidih) agar kutuangkan ke atas besi panas itu”. Dari ayat di atas tersirat bahwa ketika Zulkarnain membuat sebuah dinding pemisah, beliau tidak cukup dengan menggunakan material logam berupa besi saja, tetapi dengan menggabungkan besi tersebut dengan bahan lain berupa tembaga agar dinding tersebut lebih tangguh dan kuat. Lewat penuturan Zulkarnain tersebut di atas, kita ketahui bahwa material terkuat sampai akhir zaman berasal dari minimal dua zat/bahan yang berbeda yang diolah sedemikian rupa sehingga saling memperkuat sifat bahan yang satu dengan lainnya.
1
12/03/2015
Definisi Fasa pada suatu material didasarkan atas daerah yang berbeda dalam struktur atau
Contoh mikrostruktur suatu fasa
komposisi dari daerah lainnya. Fasa ⟹ bagian homogen dari suatu sistem yang memiliki sifat fisik dan kimia yang seragam. Contoh: Satu fase : contohnya logam murni, padatan, cairan. Lebih 1 fase : contohnya larutan air-gula dengan gula (larutan air-gula yang melampaui batas kelarutan). Sistem fase tunggal → homogen Sistem 2 atau lebih fase → campuran atau sistem heterogen. Untuk mempelajari paduan dibuatlah kurva yang menghubungkan antara fasa, komposisi dan temperatur. Diagram fasa adalah suatu grafik yang merupakan representasi tentang fasa-fasa yang ada dalam suatu material pada variasi temperatur, tekanan dan komposisi. Pada umumnya diagram fasa dibangun pada keadaan kesetimbangan (kondisinya adalah pendinginan yang sangat lambat). Diagram ini dipakai untuk mengetahui dan memprediksi banyak aspek terhadap sifat material.
Contoh Diagram Fasa Besi-Besi Karbida
Informasi Diagram Fasa Informasi penting yang dapat diperoleh dari diagram fasa adalah: 1. Memperlihatkan fasa-fasa yang terjadi pada perbedaan komposisi dan temperatur di bawah kondisi pendinginan yang sangat lambat. 2. Mengindikasikan kesetimbangan kelarutan padat satu unsur atau senyawa pada unsur lain. 3. Mengindikasikan pengaruh temperatur dimana suatu paduan di bawah kondisi kesetimbangan mulai membeku dan pada rentang temperatur tertentu pembekuan terjadi. 4. Mengindikasikan temperatur dimana perbedaan fasa-fasa mulai mencair.
2
12/03/2015
Contoh-contoh pemaduan:
Jenis Pemaduan (Alloy)
Unsur Logam +Unsur Logam
• Contoh: • Cu+Zn; Cu+Al; Cu+Sn.
Unsur Logam +Unsur Non Logam
• Contoh: • Fe+C
Pemaduan terjadi akibat adanya susunan atom sejenis ataupun ada distribusi atom yang lain pada susunan atom lainnya.
Solid solution (larutan padat) : terdiri dari beberapa atom,
minimal dua atom yang berbeda, atom terlarut menempati posisi substitusi interstisi pada kisi pelarut dan struktur kristal mengikuti struktur kristal pelarut. Batas kelarutan (solubility limit). Suatu logam paduan akan mempunyai maksimum konsentrasi dari atom terlarut yang akan larut pada pelarut. Jika atom terlarut konsentrasinya melampaui batas kelarutan maka sebagian atom tersebut tidak akan terlarut lagi. Untuk menggambarkan keadaan ini bisa dilihat contoh larutan air gula. Jika gula yang dicampur terlalu banyak maka gula tersebut tidak akan larut lagi.
3
12/03/2015
Faktor Kelarutan Padat
Jenis Larutan Padat
Untuk mengetahui kelarutan padat suatu unsur dalam unsur lainnya, Hume-Rothery mensyaratkan sebagai berikut:
Jika ditinjau dari posisi atom-atom yang larut, diperoleh dua jenis larutan padat: 1. Larutan padat substitusi
1.Yang mempengaruhi terbentuknya jenis kelarutan ditentukan oleh faktor geometri (diameter atom dan bentuk sel satuan).
Cu
Contoh jenis kelarutan:
Adanya atom-atom terlarut yang menempati kedudukan atom-atom pelarut. 2. Larutan padat interstisi Adanya atom-atom terlarut yang menempati rongga-rongga diantara kedudukan atom/sel antara.
Ni
•A + B
C (sel satuan sama)
(kelarutan yang tersusun disebut kelarutan sempurna, dimana sifat C ≠ sifat A atau B •Jika A dan B memiliki sel satuan yang berbeda a. A + B
Fe C
2. Larut padat substitusi/interstisi ditentukan oleh faktor diameter atom. Jika perbedaan diameter atom yang larut dibandingkan atom pelarut lebih kecil dari 15%, maka kelarutan yang terjadi adalah larutan padat substitusi. Jika perbedaan diameter atom yang larut dibandingkan atom pelarut lebih besar dari 15%, maka kelarutan yang terjadi adalah larutan padat interstisi. 3. Suatu hasil percampuran harus stabil Stabilitas dari paduan dijamin oleh keelektronegatifan dan keelektropositifan, makin besar perbedaan keelektronegatifan dan keelektropositifan maka pencampurannya semakin stabil, tetapi kalau terlalu besar perbedaannya yang terjadi bukan larutan melainkan senyawa (compound)
A+B
A’ (dimana A yang dominan) B’ (dimana B dominan)
(kelarutan yang tersusun disebut larut sebagian) b. A + B
A + B (tidak larut)
Pembentukan Diagram Fasa Hubungan antara temperatur dan komposisi diplot untuk mengetahui perubahan fasa yang terjadi.
Konstruksi pembentukan diagram fasa
Memvariasikan komposisi dari kedua unsur (0-100%)
Dipanaskan hingga mencair
didinginkan dengan lambat (diukur oleh dilatometer/kalorimeter)
Perubahan komposisi akan merubah pola dari kurva pendinginan: •Titik-titik A, L1, L2, L3 dan C merupakan awal terjadinya pembekuan •Titik-titik B, S1, S2, S3 dan D merupakan akhir pembekuan.
4
12/03/2015
Garis Pada Diagram Fasa
Solubility Limit (Batas Kelarutan) Solubility Limit Menunjukkan konsentrasi maksimum pada sebuah fasa larutan, yang menyatakan batas kelarutan maksimum unsur terlarut di dalam pelarutnya atau dapat juga disebut maximum solubility limit.
The solubility of sugar (C12H22O11) in a sugar-water syrup.
The Example of Solubility Limit Dari diagram fasa sistem air (sirup) dan gula di samping.
Effect of Temperature and Composition • Changing T can change number of phases: path A to B • Changing Co can change number of phases: path B to D B(100,70) D(100,90)
pertanyaan: Berapakah solubility limit
Answer: 65wt% sugar If Co < 65wt% sugar: syrup If Co > 65wt% sugar: syrup + sugar
Solubility limit increases with T: e.g., if T = 100°C, solubility limit = 80wt% sugar
• water- sugar system
1 phase
100 Temperature (°C)
pada temperatur20°C?
L
80 60 40 20
2 phases
(liquid)
L (liquid solution i.e., syrup)
+ S (solid sugar)
A(70,20) 2 phases
0
0
20 40 60 70 80 100 Co=Composition (wt% sugar)
5
12/03/2015
Cooling Curve for Pure Metal (1)Pemanasan logam hingga titik Ta; (2)Pendinginan logam dari titik a –b; (3)Di titik b, logam mulai mengendap menjadi larutan; (4)Di titik c, logam menjadi padat; garis horisontal lurus kurva dari b ke c menunjukkan suhu konstan (Tb-c ), karena energi panas yang diserap dalam perubahan dari cair ke padat; (5)Logam padat didinginkan kembali dari c ke d dan temperatur mulai turun kembali.
Cooling Curve for Pure Iron (b)
Gambar (b) Cooling curve for pure iron.
Cooling Curve for a Metal Alloy
Allotropic Forms of Iron (c)
Gambar Allotropic forms of iron (three phases: bcc, fcc, bcc)
FIG. 3-50 (c) Cooling curve for a metal alloy: (1) The alloy A-B heated to point a (liquid phase, with both metals soluble in each other); (2) cooling of alloy in liquid phase; (3) point b, solidification begins; (4) point c, solidification complete; sloped b – c due to changing from liquid to solid over the temperature range Tb to Tc because components A and B have different melting/cooling temperatures; (5) further cooling from c to d of solid-state metal alloy.
6
