51
tetangga. Hal ini terjadi terus menerus pada saat tegangan diberikan karena sejumlah besar atom atau molekul bergerak relatif terhadap satu sama lain,
dan pada saat tegangan dilepaskan mereka tidak kembali ke posisi semula. Transisi elastis – plastis dapat terjadi secara tiba-tiba dan hal ini biasa disebut
sebagai fenomena batas luluh. Pada batas luluh atas, deformasi plastik dimulai dengan penurunan aktual dari tegangan.
5. Fenomena batas lulus terjadi pada awal deformasi plastik atau permanen; kekuatan luluh ditentukan dengan metode strain offset dari perilaku regangan-
tegangan yang menunjukkan tegangan di mana deformasi plastik mulai terjadi. Kekuatan tarik berhubungan dengan tegangan tarik maksimum yang
dimiliki oleh spesimen, sedangkan persen perpanjangan dan pengurangan luas daerah
adalah ukuran dari keuletan yaitu jumlah deformasi plastik yang telah terjadi pada saat patah. Ketahanan adalah kemampuan bahan untuk menyerap
energi selama deformasi elastis; modulus ketahanan adalah luas area di bawah kurva teknis tegangan-regangan hingga ke titik luluh.
6.
Kekerasan adalah ukuran dari ketahanan dari suatu material terhadap deformasi plastis lokal. Dalam beberapa teknik pengujian kekerasan yang
banyak digunakan Rockwell, Brinell, Knoop, dan Vickers sebuah indentor kecil ditekan dan diberi gaya pada permukaan material, dan angka indeksnya
ditentukan berdasarkan ukuran atau kedalaman hasil indentasi. Bagi kebanyakan logam,
kekerasan dan kekuatan tarik proporsional satu sama lainnya.
N. Latihan
Jawablah kerjakan soal latihan berikut: 1. Sepotong tembaga panjang awalnya 305 mm ditarik dengan tegangan tarik
276 Mpa. Jika deformasi yang terjadi sepenuhnya elastis, berapa perpanjangan yang dihasilkan?
2. Sebuah spesimen silinder baja memiliki diameter asli 12,8 mm diuji tarik hingga patah dan hasilnya ditemukan spesimen tersebut memiliki kekuatan
teknis hingga patah sebesar 460 MPa. Jika diameter penampang di patahan
52
10,7 mm. Berapakah keuletan yang berhubungan dengan persen pengurangan daerahnya?
53
BAB V DIAGRAM FASA
A. Komponen dan Fasa
Fasa dalam ilmu material yang berkaitan dengan struktur mikro adalah daerah dari suatu struktur dan atau komposisi dari daerah lainnya. Diagram
fasa adalah visualisasi secara grafik dari fasa suatu material dalam sistem material pada berbagai temperatur, tekanan dan komposisi. Kebanyakan
diagram fasa disusun berdasarkan kondisi kesetimbangan dan digunakan oleh praktisi teknis dan ilmuwan untuk mengerti dan memprediksi berbagai
aspek dan karakteristik dari suatu material. Beberapa informasi penting yang diperoleh dari diagram fasa adalah:
1. Untuk menunjukkan suatu fasa pada komposisi dan temperature tertentu dalam kondisi pendinginan lambat setimbang
2. Untuk mengindikasi kesetimbangan larutan padat dari suatu unsur atau paduan terhadap unsur atau paduan lainnya
3. Untuk mengindikasi temperatur saat suatu paduan mengalami
pendinginan dalam kondisi setimbang akan mulai membeku dan jarak temperatur dari proses pembekuan
4. Untuk mengindikasi temperatur berbagai fasa saat mulai melebur
B. Jenis-jenis Diagram Fasa
Ada berbagai jenis diagram fasa bergantung pada unsur paduan yang digunakan. Unsur-unsur yang digunakan dalam pemaduan akan
menghasilkan bentuk khas dari diagram fasa paduannya karena adanya
Indikator keberhasilan:
Setelah mengikuti pembelajaran ini peserta diklat diharapkan mampu : 1. Mengetahui jenis-jenis umum dari diagram fasa.
2. Mengetahui bentuk-bentuk fasa yang terbentuk. 3. Mengetahui cara menghitung komposisi fasa.
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
Diagram fasa biner eutektik adalah bagian penting dari ilmu metalurgi karena diagram tersebut menunjukkan keadaan kesetimbangan dari campuran,
sehingga perhitungan dan perkiraan temperatur terhadap komposisi fasa dapat diprediksi dan ditentukan jumlah dari fasa yang terbentuk.
Dasar teori di balik diagram fasa didasarkan pada panas laten yang terlibat saat suatu campuran didinginkan, dan fase berubah. Ini berarti bahwa dengan
memetakan grafik suhu terhadap waktu untuk berbagai komposisi yang berbeda, harus memungkinkan untuk melihat fasa apa yang terbentuk pada
suhu tertentu.
62
Gambar 4.5. Diagram fasa biner eutektik. Dimana L adalah singkatan untuk cairan, komponennya adalah A dan B, serta
α dan adalah dua fasa padatan yang kaya akan komponen A dan B. Garis antara fasa cairan dan fasa transisi padat-cair
α dan L disebut garis liquidus dan garis antara fasa padatan dengan fasa padat-cair
α dan L disebut garis solidus. Garis antara fasa
α dan fasa α + disebut garis solvus, merupakan fasa transisi padat ke padat.
• Interpretasi dari Diagram Fasa Biner Eutektik
Gambar di bawah menunjukkan diagram fasa dua komponen yang paling sederhana. Komponen A dan B, fasa murni kristal A, kristal murni B dan
cairan dengan komposisi berkisar antara murni A dan murni B. Komposisinya diplot di bagian bawah diagram. Komposisi diagram dapat dinyatakan sebagai
persentase dari A atau B dengan jumlah totalnya dalam persentase 100 100. Komposisi dapat juga dinyatakan dengan fraksi mol A atau B, di
mana jumlah maksimumnya adalah 1. Suhu atau tekanan diplot pada sumbu vertikal. Untuk diagram diatas,
dianggap terjadi pada tekanan konstan, dan karena itu suhu diplot pada sumbu vertikal. Kurva yang memisahkan bidang A + Cair dari Cair dan B +
Cair dari Cair disebut kurva liquidus. Garis horizontal yang memisahkan bidang A + Cair dan B + Cair dari A + B padatan, disebut sebagai garis
solidus. Titik, E, dimana terjadi perpotongan antara kurva likuidus dan garis solidus, disebut titik eutektik. Pada titik eutektik dari sistem dua komponen,
ketiga fasa, yaitu cair, A dan B, semua berada dalam kesetimbangan. Jika
63
sistem diatas hanya berisi A, maka sistem diatas merupakan dan fasa A hanya akan meleleh pada satu keadaan suhu yaitu suhu leleh A murni, Tm
A
. Jika sistem hanya berisi B, maka sistem itu adalah sistem satu komponen dan
B hanya meleleh pada suhu leleh B murni, Tm
B
.
Gambar 5.5. Interpretasi dari diagram fasa biner eutektik Untuk semua komposisi antara A dan B, suhu saat mencair akan menurun
secara drastis, dan proses mencair akan terjadi pada suhu eutektik, T
E
. Perhatikan bahwa untuk semua komposisi antara A dan B pencairan juga
terjadi pada rentang suhu antara solidus dan likuidus. Hal ini berlaku untuk semua komposisi kecuali satu, yaitu pada kondisi eutektik. Komposisi eutektik
meleleh hanya pada satu suhu, T
E
. Sekarang kita akan mempertimbangkan proses kristalisasi cairan dengan
komposisi X pada Gambar diatas. Komposisi X akan semua cair di atas suhu T
1
, karena terletak seluruhnya pada bidang cair. Jika suhu diturunkan hingga T
1
, kristal A mulai terbentuk. Penurunkan suhu lebih lanjut menyebabkan lebih banyak kristal A yang terbentuk. Akibatnya, komposisi B akan lebih
banyak dicairan karena banyak kristal A yang terbentuk. Jadi, dengan menurunkan suhu, komposisi cair akan berubah dari titik 1 ke titik 2 ke titik 3
ke titik E saat suhu diturunkan dari T
1
ke T
2
ke T
3
hingga T
E
. Pada semua kondisi suhu antara T
1
dan T
E
, dua fasa akan ada di sistem; cair dan kristal
64
A. Pada suhu eutektik, T
E
, kristal B akan mulai terbentuk, sehingga terdapat tiga fasa, kristal A, kristal B dan cair. Suhu harus tetap dijaga di T
E
sampai salah satu fasa habis. Jadi ketika cairan mengkristal sepenuhnya, hanya akan
ada padatan A dan B murni yang tetap didalam campuran dan akan berada dalam proporsi campuran aslinya, yaitu 80 A dan 20 B. Secara garis
besar kristalisasi dari komposisi X dapat ditulis: T T1
→ cair seluruhnya T1 - TE
→ cair + A pada TE
→ cair + A + B T TE
→ A + B padatan seluruhnya Jika kita ingin menghentikan proses kristalisasi setiap saat selama kristalisasi
dan mengamati seberapa banyak fasa yang terbentuk dari setiap tahap ini kita dapat menggunakan contoh berikut untuk menentukan apa yang kita
inginkan. Sebagai contoh ,pada suhu T
2
jumlah kristal A dan cairan dua fasa yang ada pada suhu ini dapat ditentukan dengan mengukur jarak a dan b pada gambar
diatas. Persentase kemudian akan ditentukan oleh aturan pengukit lever rule:
kristal A = ba + b x 100 cairan = aa + b x 100
Perhatikan bahwa karena jumlah kristal harus meningkat dengan menurunnya suhu, jarak proporsional jarak antara garis vertikal yang menandai komposisi
awal dan likuidus akan meningkat saat suhu turun. Jadi jarak yang digunakan untuk menghitung jumlah padatan akan selalu diukur terhadap sisi cair dari
komposisi awal. Pada suhu T
3
, perhatikan bahwa harus lebih banyak kristal yang terbentuk karena jarak proporsional d c + d lebih besar dari jarak
proporsional b a + b. Jadi di T
3
aturan tuas menghasilkan: kristal dari A = dd + c x 100
cairan = cc + d x 100 Pada T
3
, perhatikan bahwa komposisi dari cairan ditunjukkan pada titik 3, yaitu 53 A, komposisi padatan adalah murni A, dan komposisi sistem ini
65
masih 80 A dan 20 B. Proses peleburan adalah kebalikan dari proses kristalisasi. Itu jika kita mulai dengan komposisi X pada suhu di bawah T
E
akan terbentuk cairan pertama. Suhu akan tetap konstan di T
E
sampai seluruh kristal B meleleh. Komposisi cairan akan berubah sepanjang kurva
liquidus dari E ke titik 1 saat suhu hingga suhu T
1
tercapai. Di atas T
1
yang sistem akan hanya berisi cairan dengan komposisi 80 A 20 B. Proses
peleburan secara singkat tercantum di bawah ini: T T
E
→ seluruhnya padatan A + B Pada T
E
→ cairan + A + B T
E
- T
1
→ cairan + A T T
1
→ seluruhnya cair
C. Penggunaan Diagram Fasa
Diagram Fase tidak hanya suatu konstruksi abstrak, diagram fasa dapat diaplikasikan di dunia nyata, dalam hal menentukan komposisi suatu paduan
yang digunakan. Penggunaan eutektik atau daerah sekitar eutektik yang umum adalah pada aplikasi penyolderan dan pengelasan. Dalam perpipaan,
solder digunakan untuk menggabungkan pipa tembaga, menghasilkan penutup yang kedap air. Selama bertahun-tahun paduan timbal-timah telah
digunakan, karena paduan ini memiliki titik lebur yang rendah, terutama pada daerah eutektik.
Penggunaan lainnya adalah untuk menentukan komposisi paduan dari Fe-C. Diagram ini paling banyak digunakan karena penggunaan umum dari besi
dan paduannya.
66
Gambar 5.6. Diagram fasa Fe-C.
D. Rangkuman