Waktu: 1x pertemuan @100 menit
Soal-Tugas
√
√
√
√
√
Web
Audio/Video
Mahasiswa dapat Diagram Fasa Femenjelaskan sifat dan Fe3C. karakterisasi paduan Besi Pengertian diagram Karbon pada berbagai fasa persentase karbon dan Penjelasan fasa fasa variasi temperatur. pada diagram fasa Menghitung persentase fasa
Gambar
Topik (pokok, sub pokok bahasan, alokasi waktu)
Presentasi
III
Tujuan Ajar/Keluaran/Indikator
Teks
Pertemuan ke
Media Ajar Metode Evaluasi dan Penilaian
√ a. Writing exam.skor: 0100(PAN) b. Tugas: Jelaskan pengaruh perambatan panas terhadap perubahan struktur mikro yang terjadi pada proses pengelasan baja skor: 0-100
Metode Ajar (STAR)
TCL, SCL (Microteaching)
Aktivitas Mahasiswa
1. Menggambar Diagram Fasa Fe-Fe3C 2. Menjelaskan perubahan fasa paduan besi karbon
Aktivitas Dosen/Nama Pengajar
Menyampaikan materi sesuai bahan ajar.
Sumber Ajar
Surdia. T., Saito. S., 1997, Pengetahuan Bahan Teknik Djapri, S., 1987, Pengajar: Radhian Metalurgi Mekanik Krisnaputra Video proses perubahan struktur mikro youtube.com
BAB III. DIAGRAM Fe-Fe3C
PENDAHULUAN Deskripsi Singkat Diagram Fasa adalah diagram yang menunjukkan hubungan antara komposisi paduan, temperatur serta fasa-fasa yang terjadi ketika memadukan dua atau lebih logam dengan cara mencairkan kemudian membekuan paduan tersebut secara perlahan-lahan. Kesetimbangan fasa Fe-Fe3C adalah alat penting untuk memahami struktur mikro dan sifat-sifat baja karbon, suatu jenis logam paduan besi (Fe) dan karbon (C). Perubahan fasa yang terjadi akibat perubahan temperatur dan pengaruh persentase karbon, akan mengakibatkan perubahan struktur mikro paduan Fe-C. Dari struktur mikro yang terbentuk, didapatkan sifat dan karakterisasi bahan teknik. Pada bab ini, metode pembelajaran yang akan disampaikan adalah Teacher Center Learning (TCL) pada bagian awal pemahaman, selanjutnya mahasiswa akan diberi tugas untuk menentukan fasa yang terjadi pada persentase karbon dan temperatur tertentu.
Manfaat Mahasiswa dapat menjelaskan fasa apa yang terjadi pada keadaan persentase karbon dan temperatur tertentu, sehingga dapat menentukan sifat dan karakterisasi paduan Fe-C pada keadaan tersebut.
Relevansi Dengan pemahaman tentang perubahan fasa yang terjadi pada paduan Fe-C melalui diagram fasa Fe-Fe3C, mahasiswa dapat menjelaskan struktur mikro yang terbentuk saat perubahan fasa akibat perubahan temperatur dan persentase karbon, sehingga perubahan sifat yang akan dipengaruhi oleh perubahan struktur mikro bahan dapat diketahui. Hal ini sangat berguna pada analisa kegagalan suatu produk ditinjau dari struktur mikro bahan.
Learning Outcomes 1. Mahasiswa dapat menjelaskan sifat dan karakterisasi paduan besi karbon pada berbagai persentase karbon dan variasi temperatur. 2. Mahasiswa dapat menjelaskan penggolongan besi karbon dan perubahan sifat saat dilakukan perlakuan panas.
3. Mahasiswa dapat menentukan bahan yang sesuai untuk penggunaan tertentu.
PENYAJIAN Karbon larut di dalam besi dalam bentuk larutan padat (solid solution) hingga 0,05% berat pada temperatur ruang. Baja dengan atom karbon terlarut hingga jumlah tersebut memiliki fasa alpha ferrite pada temperatur ruang. Pada kadar karbon lebih dari 0,05% akan terbentuk endapan karbon dalam bentuk hard intermetallic stoichiometric compound (Fe3C) yang dikenal sebagai cementite atau ferro-carbide. Selain larutan padat ferrite yang dalam kesetimbangan dapat ditemukan pada temperatur ruang terdapat fase-fase penting lainnya, yaitu ferrite dan a ustenite. Logam Fe bersifat polymorphism yaitu memiliki struktur kristal berbeda pada temperatur berbeda. Pada Fe murni, misalnya, ferrite akan berubah menjadi austenite saat dipanaskan melewati temperatur 910 oC. Pada temperatur yang lebih tinggi, mendekati 1400oC austenite akan kembali berubah menjadi ferrite. Ferrite dalam hal ini memiliki struktur kristal BCC sedangkan austenite memiliki struktur kristal FCC.
Gambar 7. Diagram Kesetimbangan Fasa Fe-Fe3C
Ferrite Ferrite adalah fase larutan padat yang memiliki struktur BCC (body centered cubic). Ferrite dalam keadaan setimbang dapat ditemukan pada temperatur ruang, yaitu ferrite atau pada temperatur tinggi, yaitu ferrite. Secara umum fase ini bersifat lunak (soft), ulet (ductile), dan magnetic (magnetic) hingga temperatur tertentu, yaitu Tcurie. Kelarutan karbon di dalam fase ini relatif lebih kecil dibandingkan dengan kelarutan karbon di dalam fase larutan padat lain di dalam baja, yaitu fase austenite. Pada temperatur ruang, kelarutan karbon di dalam ferrite hanyalah sekitar 0,05%. Berbagai jenis baja dan besi tuang dibuat dengan mengeksploitasi sifat-sifat ferrite. Baja lembaran berkadar karbon rendah dengan fase tunggal ferrite misalnya, banyak diproduksi untuk proses pembentukan logam lembaran. Dewasa ini bahkan telah dikembangkan baja berkadar karbon ultra rendah untuk karakteristik mampu bentuk yang lebih baik. Kenaikan kadar karbon secara umum akan meningkatkan sifat-sifat mekanik ferrite sebagaimana telah dibahas sebelumnya. Untuk paduan baja dengan fase tunggal ferrite, factor lain yang berpengaruh signifikan terhadap sifat-sifat mekanik adalah ukuran butir. Austenite Fase austenite memiliki struktur atom FCC (Face Centered Cubic). Dalam keadaan setimbang fase austenite ditemukan pada temperatur tinggi. Fase ini bersifat non magnetik dan ulet pada temperatur tinggi. Kelarutan atom karbon di dalam larutan padat austenite lebih besar jika dibandingkan dengan kelarutan atom karbon pada fase ferrite. Secara geometri, dapat dihitung perbandingan besarnya ruang intertisi di dalam fase austenite (atau kristal FCC) dan fase ferrite (atau kristal BCC). Perbedaan ini dapat digunakan untuk menjelaskan fenomena transformasi fase pada saat pendinginan austenite yang berlangsung secara cepat. Selain pada temperatur tinggi, austenite pada sistem Ferrous dapat pula direkayasa agar stabil pada temperatur ruang. Elemen-elemen seperti Mangan dan Nickel misalnya dapat menurunkan laju transformasi dari gammaaustenite menjadi alpha-ferrite. Dalam jumlah tertentu elemen-elemen tersebut akan menyebabkan austenite stabil pada temperatur ruang. Contoh baja paduan dengan fase Austenite pada temperatur ruang misalnya adalah Baja Hadfield (12%Mangan) dan Baja Stainless 18-8 (8%Ni). Cementite Cementite atau ferro-carbide dalam sistem paduan berbasis besi adalah stoichiometric inter-metallic compund Fe3C yang keras (hard) dan getas (brittle). Nama cementite
berasal dari kata caementum yang berarti stone chip atau lempengan batu. Cementite sebenarnya dapat terurai menjadi bentuk yang lebih stabil yaitu Fe dan C sehingga sering disebut sebagai fase metastabil. Namun, untuk keperluan praktis, fase ini dapat dianggap sebagai fase stabil. cementite sangat penting perannya di dalam membentuk sifat-sifat mekanik akhir baja. cementite dapat berada di dalam sistem besi baja dalam berbagai bentuk seperti: bentuk bola (sphere), bentuk lembaran (berselang seling dengan alphaferrite), atau partikel-partikel carbide kecil. Bentuk, ukuran, dan distribusi karbon dapat direkayasa melalui siklus pemanasan dan pendinginan. Jarak rata-rata antar karbida, dikenal sebagai lintasan ferrite rata-rata (Ferrite Mean Path), adalah parameter penting yang dapat menjelaskan variasi sifat-sifat besi baja. Variasi sifat luluh baja diketahui berbanding lurus dengan logaritmik lintasan ferrite rata-rata.
3.1 Reaksi-reaksi Invarian dan Konstituen Mikro Penting Secara keseluruhan ada tiga reaksi penting di dalam diagram Kesetimbangan Fase FeFe3C, yaitu: Reaksi Peritectic, Reaksi Eutectic, dan Reaksi Eutectoid sebagaimana terlihat di dalam diagram kesetimbangan. Untuk sistem Besi Baja, reaksi Eutectoid adalah reaksi yang sangat penting karena dengan mengontrol Reaksi Eutectoid kita dapat memperoleh berbagai konstituen mikro atau micro constituent yang diinginkan untuk mendapatkan sifat-sifat tertentu. Berdasarkan kadar karbonnya, baja dapat pula diklasifikasikan menjadi (1) baja eutectoid, (2) baja hypoeutectoid, dan (3) baja hypereutectoid.
Gambar 8. Reaksi-reaksi penting dalam Diagram Fasa
Microstructure: pearlite - Lamellar eutectoid product alternates plates of α + Fe3C - Two phases grow simultaneously
Gambar 9 Contoh perhitungan jumlah fasa dalam Sistem Fe-Fe3C Sistem penamaan yang telah dikenal luas adalah sistem AISI-SAE yang menggunakan 4-5 Angka. Dua angka pertama menunjukkan elemen-elemen paduan utama (Major Alloying Elements) dan Dua atau Tiga angka sisanya menunjukkan prosentase karbon dalam per seratus persen.
Contoh Baja dengan nama AISI-SAE 1080 misalnya, adalah jenis baja karbon (plain carbon steel) dengan kadar karbon 0.8%. Contoh dari baja jenis ini adalah baja kawat piano. Kawat piano memiliki struktur pearlite seluruhnya dan kekuatannya yang tinggi terutama diperoleh dari proses pengerjaan dingin pada proses produksinya.
Aktivitas Diskusi kelompok mengenai aplikasi bagian mesin yang mengalami perubahan fasa yang terjadi pada berbagai variasi persentase karbon dan perubahan temperatur yang dialami.
Ilustrasi Mahasiswa dituntut untuk melihat proses pengerjaan bahan yang mengalami peningkatan temperatur sangat tinggi, sehingga dimungkinkan terjadi perubahan struktur seperti, proses pengelasan baja. Proses ini dapat diakses di youtube.com.
Rangkuman Diagram kesetimbangan fasa Fe-Fe3C menjelaskan perubahan fasa yang dialami paduan besi karbon yang akan menyebabkan perubahan struktur mikro dan diikuti perubahan sifat bahan. Secara keseluruhan ada tiga reaksi penting di dalam diagram Kesetimbangan Fase Fe-Fe3C, yaitu: Reaksi Peritectic, Reaksi Eutectic, dan Reaksi Eutectoid sebagaimana terlihat di dalam diagram kesetimbangan. Untuk sistem Besi Baja, reaksi Eutectoid adalah reaksi yang sangat penting karena dengan mengontrol Reaksi Eutectoid kita dapat memperoleh berbagai konstituen mikro atau micro constituent yang diinginkan untuk mendapatkan sifat-sifat tertentu. Berdasarkan kadar karbonnya, baja dapat pula diklasifikasikan menjadi (1) baja eutectoid, (2) baja hypoeutectoid, dan (3) baja hypereutectoid.
Petunjuk Penilaian dan Umpan Balik Nilai maksimal penyelesaian tes formatif adalah 100, sehingga tiap soal memiliki bobot 100/n (n adalah jumlah soal). Dari nilai pengerjaan tes formatif, tingkat serapan materi ajar oleh mahasiswa dapat diukur. Hasil ukuran tersebut akan digunakan sebagai evaluasi pembelajaran materi berikutnya.
Tindak Lanjut Kompetensi mahasiswa diharapkan dapat diukur dari nilai pengerjaan tugas, latihan dan tes formatif. Bagi mahasiswa yang memiliki nilai dibawah 40, dianggap belum memenuhi kompetensi, dan diharuskan melakukan ujian ulang.
