54
perbedaan struktur atom dari tiap unsur paduannya yang berubah dengan berubahnya komposisi dan temperatur. Pemaduan unsur dapat dilakukan
pada dua atau lebih unsur. Pembahasan berikut hanya menjelaskan mengenai diagram fasa sederhana biner isomorf dan eutektik.
1. Diagram Tekanan – Suhu
Diagram fasa yang paling sederhana adalah diagram tekanan-suhu dari satu substansi sederhana seperti air. Sumbu-sumbu pada diagram menunjukkan
tekanan terhadap suhu. Diagram fasa tersebut menunjukkan, dalam kapasitas tekanan-suhu, garis-garis batas keseimbangan fasa antara tiga
fasa yaitu padat gas dan cair. Gambar dibawah ini menunjukkan contoh dari diagram tekanan-suhu yang
merangkum pengaruh suhu dan tekanan pada zat yang berada dalam wadah tertutup. Setiap titik dalam diagram ini merupakan kemungkinan kombinasi
dari suhu dan tekanan yang bisa terjadi pada sistem. Diagram dibagi menjadi tiga wilayah, yang mewakili keadaan substansi saat padat, cair dan gas.
Gambar 5.1. Diagram Tekanan – Suhu untuk air. Suhu rendah dan tekanan tinggi mendukung pembentukan padatan. Gas, di
sisi lain, paling mungkin ditemukan pada saat suhu tinggi dan tekanan rendah. Cairan terletak diantara kondisi ekstrem padatan dan gas. Ketika
padatan dipanaskan pada tekanan konstan, ia akan meleleh untuk membentuk suatu cairan, yang akhirnya jika diterapkan terus kondisi tersebut
akan membentuk gas. Titik-titik sepanjang garis yang menghubungkan titik A
55
dan B pada diagram fasa dalam gambar di atas merupakan kombinasi keseluruhan dari suhu dan tekanan di mana padat dan gas berada dalam
keadaan setimbang. Pada suhu dan tekanan ini, tingkat laju menyublim padatan untuk membentuk gas adalah sama dengan tingkat di mana gas
berkondensasi membentuk padat.
2. Diagram Fasa Biner Isomorf
Diagram fasa biner isomorf adalah diagram dari dua unsur paduan yang larut secara sempurna di larutan padatnya baik dalam keadaan fasa cair maupun
padat. Tipe diagram ini dapat di identifikasi dengan melihat adanya tiga fasa yaitu cair L, padat + cair
α + L dan padat α. Terdapat garis yang memisahkan antar fasa yaitu garis liquidus yang memisahkan cairan dari
cairan + padat dan garis solidus memisahkan padat dari cair + padat. Contoh dari sistem isomorf adalah Cu-Ni karena Cu dan Ni memiliki struktur kristal
yang sama, FCC, keelektronegatifan yang sama dan radius atom yang sama.
Gambar 5.2. Perubahan fasa pada paduan Cu-Ni Pencairan pada sistem satu komponen terdefinisi dengan baik pada suhu
tertentu. Dalam multi-komponen sistem pencairan terjadi sepanjang rentang suhu antara garis-garis solidus dan liquidus. Fasa padat dan fasa cair berada
pada kesetimbangan satu sama lain dalam rentang suhu ini.
56
• Interpretasi dari Diagram Fasa Biner Isomorf
Untuk suhu dan komposisi tertentu kita dapat menggunakan diagram fasa untuk menentukan:
- Fase yang
ada - Komposisi
fasa - Fraksi relatif dari fasa
Cara menentukan komposisi didaerah dengan dua fasa: - Cari komposisi dan suhu di diagram.
- Tarik garis isotherm atau keseimbangan tie-line di wilayah dua fasa. - Catatan perpotongan dengan garis batas fasa. Komposisi dibaca pada
garis perpotongan. Komposisinya mencakup fasa cair dan padat.
Menemukan jumlah fasa di wilayah dua fasa: - Cari komposisi dan suhu di diagram.
- Tarik garis isotherm atau keseimbangan tie-line di wilayah dua fasa. - Fraksi fasa ditentukan dengan menghitung panjang dari garis
keseimbangan dari fasa lainnya dan kemudian membaginya dengan panjang total dari garis keseimbangan.
57
Aturan pengukit menggunakan analogi mekanik untuk perhitungan neraca massa. Garis keseimbangan di wilayah dua fasa analog dengan keseimbang
pengukit pada suatu titik tumpu. Penurunan aturan tuas:
- Semua bahan harus berada dalam satu fasa dengan fasa yang lain: W
α
+ W
L
= 1 - Massa dari komponen yang ada dalam kedua fasa harus sama dengan
massa komponen dalam satu fasa + massa komponen dalam fasa kedua: W
α
C
α
+ W
L
C
L
= C - Solusi dari persamaan ini memberi kita aturan pengukit:
W
L
= C
α
– C C
α
- C
L
W
α
= C - C
L
C
α
- C
L
Berikut contoh perhitungan komposisi dan jumlah fasa:
58
C = 35 wt. , C
L
= 31.5 wt. , C
α
= 42.5 wt. Fraksi Massa:
W
L
= S R+S = C
α
– C C
α
- C
L
= 0.68 W
α
= R R+S = C - C
L
C
α
- C
L
= 0.32
59
Perkembangan struktur mikro pada paduan isomorf pada keadaan setimbang dengan laju pendinginan sangat lambat dapat diamatai seperti pada gambar
4.3.
Gambar 5.3. Perubahan komposisi dan fasa pada paduan Cu-Ni dengan laju pendinginan sangat lambat keadaan setimbang.
Proses pembekuan dalam fasa padat + cair terjadi secara bertahap sepanjang garis liquidus. Komposisi dari fasa padat dan cair berubah
bertahap selama terjadinya pendinginan seperti ditentukan dengan metode garis keseimbangan. Inti dari fasa padat terbentuk dan tumbuh dengan
mengkonsumsi semua cairan di garis solidus. Berbeda dengan perkembangan struktur mikro pada paduan isomorf yang
mengalami pendinginan cepat keadaan tidak setimbang. Perubahan komposisi dalam suatu paduan memerlukan proses difusi baik dalam fasa
cair dan fasa padat. Difusi dalam keadaan padat solid state berlangsung
60
sangat lambat. Lapisan baru yang mengeraskan di atas butir yang ada memiliki komposisi yang setimbangan pada suhu itu, tetapi saat mereka mulai
menjadi padat maka komposisinya akan tidak berubah. Sehingga akan terjadi perbedaan komposisi ditiap lapisannya. Akibatnya metoda garis
keseimbangan dalam menentukan komposisi dari fasa padat tidak dapat dipakai dalam kondisi seperti ini karena adanya perbedaan formasi dari
lapisan inti dengan lapisan selanjutnya. Metode garis keseimbangan masih dapat digunakan untuk fasa cair, dimana
difusi terjadi dengan cepat dan kandungan rata-rata Ni pada butiran padat lebih tinggi. Penerapan aturan pengukit memberi kita proporsi yang lebih
besar pada fasa cair dibandingkan dengan saat pendinginan saat kesetimbangan pada suhu yang sama. Garis solidus akan bergeser ke kanan
kearah Ni yang lebih tinggi, pembekuan akan selesai pada T yang rendah dengan menghasilkan bagian luar butir lebih kaya dengan komponen bertitik
leleh rendah Cu. Hal ini dapat menjadikan paduan Cu-Ni akan mengalami kegagalan mekanis awal karena pada saat dipanaskan, batas butir akan
melebur pertama, sehingga pada saat diberi beban mekanik otomatis hanya mengandalkan kekuatan butiran saja.
61
Gambar 5.4. Perubahan komposisi dan fasa pada paduan Cu-Ni dengan laju pendinginan cepat keadaan tidak setimbang
3. Diagram Fasa Biner Eutektik
