PENDAHULUAN 1.1. Perlakuan panas dan pro
1. PENDAHULUAN
1.1. Perlakuan panas dan proses produksi
Perlakuan panas atau heat treatment dapat didefinisikan sebagai kombinasi operasi
pemanasan dan pendinginan terhadap logam/paduan dalam keadaan padat dengan waktu
tertentu, dimaksudkan untuk memperoleh sifat tertentu.
Langkah pertama dalam setiap proses perlakuan panas adalah memanaskan logam/
paduan itu sampai ke suatu temperatur tertentu, lalu menahan beberapa saat pada temperatur
tsb, kemudian mendinginkannya dengan laju pendinginan tertentu. Selama pemanasan dan
pendinginan ini akan terjadi beberapa perubahan struktur mikro, dapat berupa perubahan fase
dan/atau bentuk/ukuran butir kristalnya, dan perubahan strukturmikro ini akan menyebabkan
terjadinya perubahan sifat dari logam/paduan tersebut.
t
Temperatur
T
Tg
Waktu
Gambar 1.1. Siklus Thermal proses perlakuan panas
Strukturmikro yang terjadi pada akhir suatu proses perlakuan panas, selain ditentukan
oleh komposisi kimia dari logam/paduan dan proses perlakuan panas yang dialami, juga oleh
struktur/kondisi awal benda kerja. Paduan dengan komposisi kimia yang sama, mengalami
proses perlakuan panas yang sama, mungkin menghasilkan strukturmikro dan sifat yang
berbeda bila struktur/kondisi awalnya berbeda. Struktur/kondisi awal ini banyak ditentukan
oleh pengerjaan dan/atau perlakuan panas yang dialami sebelumnya.
Untuk memudahkan pengerjaan benda kerja pada suatu proses pengerjaan biasanya
diperlukan suatu sifat tertentu dari bahan benda kerja itu. Untuk memperoleh sifat ini mungkin
akan diperlukan suatu proses perlakuan panas. Suatu proses perlakuan panas lain mungkin
diperlukan untuk memberikan sifat tertentu pada produk akhir yang siap dipakai.
Dari sini terlihat bahwa suatu proses perlakuan panas merupakan salah satu bagian dari
suatu rangkaian proses produksi. Perlakuan panas hendaknya tidak dipandang sebagai suatu
proses tersendiri yang terpisah dari rangkaian proses produksi. Proses perlakuan panas dan
bagian dari rangkaian proses produksi yang lain saling mempengaruhi, sehingga dalam
merancang suatu proses perlakuan panas harus juga diperhatikan proses apa yang telah dialami
sebelumnya dan apa yang akan dialami berikutnya, sifat akhir apa yang harus dimiliki.
1
Jur. Tek. Material dan Metalurgi FTI – ITS
Perlakuan Panas
Untuk dapat mempelajari proses perlakuan panas maka perlu dihayati beberapa hal
mengenai strukturmikro dan sifat-sifatnya, terutama yang berkaitan dengan tansformasi yang
dialami selama pemanasan dan pendinginan, disamping juga beberapa hal yang berkaitan
dengan diffusi, perpindahan panas, reaksi kimia dan lain-lain. Untuk itu pada bab berikut akan
diuraikan kembali sedikit mengenai diagram fase, diagram transformasi, dan pengaruh unsur
paduan, baru kemudian akan dibahas mengenai berbagai hal yang mungkin terjadi karena
pemanasan dan pendinginan serta berbagai macam proses perlakuan panas. Di antaranya juga
beberapa proses perlakuan panas yang khusus untuk beberapa paduan tertentu.
1.2. Susunan atom dalam logam/paduan
Gambar 1.2. Tiga bentuk utama sel satuan dari sistem kristal logam.
Pada logam atom-atomnya tersusun secara teratur menurut suatu pola tertentu,
dinamakan kristal. Pada umumnya kristal logam mempunyai susunan atom tertentu, salah satu
dari beberapa sistem kristal yang mungkin terjadi. Ada yang kristalnya tersusun dari
multiplikasi bentuk sel satuan Body Centered Cubic (BCC), Face Centered Cubic (FCC) atau
Hexagonal Closed Pack (HCP) (lihat Gambar 1.2.) atau bentuk yang lain. Suatu logam dan
bahan padat lain dapat diidentifikasi dari kristalnya ini.
Tetapi ada beberapa logam yang sistem kristalnya dapat berubah, pada suatu kondisi
mempunyai susunan dengan bentuk sel satuan tertentu, pada kondisi yang lain berubah menjadi
bentuk sel satuan lain. Dikatakan logam semacam ini mempunyai sifat allotropy.
Besi termasuk salah satu logam yang mempunyai sifat allotropy. Pada temperatur kamar
atom besi tersusun menurut pola BCC, dinamakan besi , bila dipanaskan, pada temperatur
911oC berubah menjadi FCC, dinamakan besi , dan pada temperatur 1392 oC berubah lagi
menjadi BCC, besi dan selanjutnya akan mencair pada 1536 oC (Gambar 1.3). Pada
-2-
Jur. Tek. Material dan Metalurgi FTI – ITS
Perlakuan Panas
pendinginan kembali akan terjadi proses yang sebaliknya, dari besi cair membeku menjadi besi
pada 1536 oC, lalu pada 1392 oC berubah menjadi besi dan akhirnya menjadi besi pada
911 oC. Pada besi murni, demikian juga halnya pada logam murni lainnya, perubahan fase akan
terjadi pada temperatur konstan (dengan pemanasan dan pendinginan yang ekuilibrium).
Gambar 1.3. Kurva pemanasan dan pendinginan besi murni.
Gambar 1.4. Struktur kristal besi (ferit) dan besi (austenit).
Pada pemanasan yang lebih cepat dari ekuilibrium maka perubahan ini akan terjadi pada
temperatur yang lebih tinggi, sedang pada pendinginan yang lebih cepat maka perubahan akan
terjadi pada temperatur yang lebih rendah.
-3-
Jur. Tek. Material dan Metalurgi FTI – ITS
Perlakuan Panas
Bila suatu logam dipadukan dengan logam/unsur lain maka ada beberapa kemungkinan
yang dapat terjadi, mungkin akan terjadi senyawa (misalnya karbida besi) atau larutan padat
atau suatu campuran, misalnya eutektik/eutektoid.
Senyawa (compound) adalah materi yang berupa ikatan atom-atom dari dua atau lebih
unsur dengan perbandingan tertentu. Ikatan ini akan membentuk kristalnya sendiri, berbeda dari
kristal unsur-unsur pembentuknya. Karenanya senyawa mempunyai mempunyai sifat yang
sama sekali berbeda dari unsur-unsur pembentuknya. Biasanya senyawa yang dijumpai dalam
logam, misalnya karbida, nitrida dan lain-lain, keras dan getas.
Suatu campuran (mixture) adalah materi berupa gabungan dari dua atau lebih unsur
yang masing-masing tetap dengan kristalnya sendiri. Suatu campuran pada logam yang
istimewa adalah eutektik dan eutektoid, karena komposisinya tertentu, temperatur
pembentukannya tertentu, bertransformasi pada temperatur konstan (seperti halnya logam
murni). Strukturnya khas, berselang-seling.
Suatu larutan padat (solid solution) adalah materi berupa paduan dari dua atau lebih
unsur dimana atom-atom dari yang larut masuk ke dalam kristal logam pelarut. Sehingga bila
dilakukan identifikasi, maka yang dijumpai hanya kristal dari unsur pelarut saja.
Ada dua macam larutan padat yaitu larutan padat substitusional, larutan padat dimana
atom yang larut menggantikan tempat atom pelarut dalam sistem kristalnya, dan larutan padat
interstisial yaitu larutan padat dimana atom yang larut masuk menempati ruang kosong antara
atom-atom pelarutnya (lihat Gambar 1.5)
(a)
Atom A
Atom B
(b)
Gambar 1.5. Susunan atom larutan padat substitusional (a) dan interstisial (b)
Pada larutan padat atom pelarut masih membawa sifat asalnya, dengan dipengaruhi oleh
sifat dari atom yang terlarut. Pada umumnya larutan padat mempunyai keuletan tinggi.
Adanya unsur paduan dalam logam akan merubah temperatur perubahan fase logam itu.
Pola perubahan ini dapat dilihat dari diagram fase dari sistem paduan yang bersangkutan.
Sistem paduan yang paling banyak digunakan adalah paduan besi-karbon. Sistem
paduan ini dapat membentuk larutan padat, senyawa maupun campuran. Sistem paduan ini akan
dibahas pada Bab di belakang.
Pada pembekuan logam tidak akan terbentuk menjadi satu butir kristal saja, tetapi akan
terbentuk sejumlah besar butiran kristal. Bahkan pada suatu paduan seringkali dijumpai lebih
dari satu macam kristal.
-4-
Jur. Tek. Material dan Metalurgi FTI – ITS
Perlakuan Panas
Pada batas antara butiran yang satu dengan lainnya akan terjadi mismatch antara
susunan atom dari butiran yang satu dengan yang lain. Dan ini merupakan cacat dari kristal.
Cacat semacam ini juga dapat terjadi karena kristal menerima gaya-gaya dari luar pada waktu
mengalami proses pengerjaan. Adanya dan banyaknya cacat ini akan mempengaruhi sifat dari
logam/paduan itu.
Perubahan-perubahan fase yang ditunjukkan pada suatu diagram fase adalah perubahanperubahan yang terjadi bila paduan dipanaskan/didinginkan secara ekuilibrium, dengan
pemanasan/pendinginan
yang
sangat
lambat.
Pada
kenyataannya
seringkali
pemanasan/pendinginan ini tidak cukup lambat untuk dapat dianggap mencapai kondisi
ekuilibrium sehingga perubahan-perubahan yang terjadi sudah tidak lagi sesuai dengan diagram
fase. Karenanya diagram fase tidak dapat digunakan untuk meramalkan perubahan yang terjadi
bila pemanasan/pendinginan itu tidak ekuilibrium. Perubahan-perubahan untuk kondisi yang
tidak ekuilibrium dapat dipelajari dari diagram transformasi, seperti misalnya transformasi
pendinginan isothermal (IT diagram) dan diagram transfor-masi pendinginan kontinyu (CT atau
CCT diagram), yang juga akan dibahas tersendiri di Bab di belakang.
Diagram fase yang sering/banyak dipergunakan adalah diagram fase biner, diagram fase
untuk paduan dengan dua komponen. Dalam kenyataannya paduan yang banyak dipergunakan
biasanya terdiri dari lebih dari dua komponen. Seharusnya digunakan diagram fase untuk
paduan lebih dari dua komponen, tetapi cukup sulit membuat dan memperolehnya. Sehingga
biasanya tetap digunakan diagram fase untuk dua komponen dengan mempelajari juga
pengaruh unsur-unsur lain terhadap diagram fase paduan utama. Seperti misalnya baja, baja
pada dasarnya paduan besi dengan karbon, karenanya dapat dipelajari dari diagram fase besikarbida besi dan diagram transformasi baja dari berbagai komposisi. Pada baja biasanya juga
terdapat unsur lain selain karbon, maka perlu juga dipelajari bagaimana pengaruh unsur lain itu
terhadap perubahan fase dan sifat baja. Hal ini juga akan dibahas di belakang.
1.3. Proses perlakuan panas
Dalam praktek terdapat banyak macam proses perlakuan panas yang dilakukan terhadap
berbagai jenis paduan. Secara garis besar berbagai macam proses perlakuan panas ini dapat
dibedakan menurut tingginya temperatur pemanasan, lamanya berada pada temperatur tersebut
(holding time) dan laju pendinginannya. Proses perlakuan panas dapat dikelompokkan menjadi
dua yaitu proses perlakuan panas yang menghasilkan struktur yang ekuilibrium, seperti
misalnya annealing, normalising, spheroidising dan lain-lain, dan proses perlakuan panas yang
menghasilkan struktur yang non-ekuilibrium, yaitu pengerasan.
Proses perlakuan panas paling sering/banyak dilakukan terhadap benda kerja dari baja.
Karena itu dalam pembahasan berikut pada dasarnya diuraikan prinsip-prinsip perlakuan panas
terhadap baja. Perlakuan panas terhadap logam/paduan lain dapat mengacu pada perlakuan
panas baja, tentu saja dengan sedikit modifikasi, disesuaikan dengan diagram fase sistem
paduannya, diagram transformasinya dan lain-lain. Bila prinsip perlakuan panas untuk baja
sudah dikuasai maka tidaklah banyak kesulitan untuk menerapkan prinsip tersebut pada paduan
lain.
Prinsip-prinsip perlakuan panas untuk proses yang menghasilkan struktur yang
ekuilibrium dapat dipelajari dari diagram ekuilibrium, yang sudah banyak dipelajari
sebelumnya, sedang untuk yang tidak ekuilbrium ada sejumlah aspek lain yang perlu diketahui.
-5-
Jur. Tek. Material dan Metalurgi FTI – ITS
Perlakuan Panas
Karena itu dalam pembahasan di belakang banyak diuraikan hal-hal yang berkaitan dengan
pengerasan.
1.4. Ekuilibrium dan diffusi
Dalam mempelajari perlakuan panas mau tidak mau harus dipelajari perubahan
struktur/fase pada logam.
Suatu struktur/fase di dalam logam dikatakan telah mencapai ekuilibrium atau
keseimbangan bila dalam bahan sudah tidak lagi terjadi perubahan struktur/fase dengan
berubahnya waktu. Suatu struktur/fase yang sudah mencapai keseimbangan pada suatu kondisi
tertentu akan tetap sama/tidak berubah selama kondisinya tidak berubah. Kondisi ini ditentukan
oleh temperatur.
Jadi misalnya pada suatu temperatur hari ini sebatang besi berstruktur kristal BCC,
besok pada temperatur yang sama ia juga tetap BCC, kapanpun asalkan temperaturnya sama ia
selalu mempunyai struktur kristal yang sama, maka dikatakan sebatang besi itu telah mencapai
keseimbangannya untuk temperatur tersebut dengan membentuk kristal berstruktur BCC.
Suatu struktur/fase yang telah mencapai keseimbangan untuk suatu temperatur akan
tetap stabil untuk temperatur tersebut. Sesuatu akan menjadi stabil bila ia mempunyai free
energy (energy bebas, kerja yang dapat diperoleh dari suatu sistem) pada tingkat yang paling
rendah. Ia tidak akan mengalami perubahan secara spontan, karena untuk berubah secara
spontan ia harus melepaskan energi.
Sesuatu mungkin juga dapat tidak mengalami perubahan pada suatu kondisi tertentu
walaupun ia sebenarnya belum berada pada tingkat energi yang paling rendah. Ia dikatakan
berada dalam keadaan metastabil.
Suatu bola (Gambar 1.6) berada pada keadaan stabil bila pada kedudukan seperti titik
3, energi potensialnya paling rendah. Dengan kedudukan seperti titik 1 ia berada pada keadaan
metastabil, bila dibiarkan tidak akan mengalami perubahan, walaupun sebenarnya energi
potensialnya cukup tinggi.
tidakstabil
1
2
4
tidak stabil
metastabil
3
stabil
Gambar 1.6. Keadaan metastabil, tidak stabil dan stabil dari sebuah bola
Untuk dapat berubah menjadi stabil ia harus diberi energi dulu untuk naik titik 2 (tidak
stabil), setelah itu ia dapat secara spontan menuju titik 3 (stabil).. Untuk berubah dari
metastabil menjadi stabil perlu diberi energi dalam jumlah tertentu, untuk mengatasi energy
-6-
Jur. Tek. Material dan Metalurgi FTI – ITS
Perlakuan Panas
barrier, sehingga ia menjadi tidak stabil baru kemudian diberi kesempatan berubah secara
spontan menuju keadaan stabil.
Atom-atom dalam suatu logam pada suatu keadaan akan menyusun dirinya sedemikian
rupa untuk menjadikan dirinya berada dalam keadaan keseimbangan, stabil. Karena itu juga ia
akan mempunyai susunan kristal tertentu. Dengan berubahnya temperatur mungkin susunan
dalam atom akan berubah, sehingga juga akan merubah susunan kristalnya, ia akan berubah
fase.
Untuk berubah menjadi susunan kristal yang baru maka atom-atom ini perlu
bergerak/pindah. Gerakan/perpindahan atom ini dapat secara diffusi atau dengan cara lain.
Untuk berdiffusi ini atom-atom itu harus mempunyai cukup energi. Makin tinggi energi
yang dimiliki makin besar kemungkinan terjadi diffusi. Energi disini adalah energi thermal,
makin tinggi temperatur makin besar kemungkinan terjadi diffusi, makin besar kemungkinan
terjadi perubahan. Dalam fase gas dan cair diffusi lebih mudah berlangsung, sedang pada fase
padat diffusi lebih sulit, apalagi bila temperaturnya rendah. Karena itu pada perubahan yang
dikontrol oleh diffusi akan berlangsung lama. Perubahan yang dikontrol oleh diffusi dikatakan
sebagai perubahan yang time dependant and thermally activated. Untuk mencapai kondisi
keseimbangan diperlukan waktu yang lama. Keadaan keseimbangan akan dapat terjadi hanya
pada pemanasan dan pendinginan yang sangat lambat.
Suatu transformasi yang dikontrol oleh diffusi dimulai dengan pengintian (nucleation),
terbentuknya inti dari kristal baru, kemudian dilanjutkan dengan pertumbuhan (growth),
bertumbuhnya inti menjadi kristal yang lebih besar. Kristal ini perlu tumbuh lebih besar karena
kristal yang lebih besar memiliki energi yang lebih rendah. Karena itu suatu kristal bila
dipanaskan pada temperatur yang lebih tinggi cenderung untuk tumbuh menjadi lebih besar.
Untuk pengintian diperlukan driving force, diperlukan sejumlah energi untuk mengatasi
energy barrier. Besarnya thermodynamic driving force ini sebanding dengan besarnya
penyimpangan terhadap thermodynamic equilibriumnya. Bila penyimpangan ini besar driving
force juga besar.
Pertumbuhan inti ini sepenuhnya adalah proses diffusi, sangat tergantung pada
temperatur. Pada temperatur lebih tinggi pertumbuhan akan lebih banyak, cenderung
menghasilkan kristal yang lebih besar.
Proses diffusi juga terjadi pada peristiwa terserap dan tersebarnya suatu atom ke dalam
suatu benda atau keluarnya suatu atom dari suatu benda. Hal ini terjadi pada proses karburising
(terserapnya karbon ke dalam baja), nitriding, dan lain-lain serta peristiwa dekarburisasi,
keluarnya karbon dari permukaan baja.
Diffusi akan dapat terjadi apabila terdapat perbedaan konsentrasi, misalnya pada
karburising, di luar permukaan baja terdapat konsentrasi atom karbon yang tinggi sedang dalam
baja konsentrasi atom karbon rendah, sehingga atom dari luar akan berdiffusi masuk ke dalam
baja. Sebaliknya pada peristiwa dekarburisasi konsentrasi atom karbon di luar baja lebih rendah
daripada yang didalam baja maka, atom karbon dari dalam baja akan berdiffusi keluar.
1.5. Pertanyaan
1. Jelaskan bagaimana kedudukan perlakuan panas dalam suatu rangkaian proses
produksi. Beri contoh.
-7-
Jur. Tek. Material dan Metalurgi FTI – ITS
2.
3.
4.
5.
Perlakuan Panas
Perubahan fase pada logam murni biasanya ditandai dengan adanya pemberhentian
kenaikan/penurunan temperatur pada saat pemanasan/pendinginan lambat. Jelaskan
bagaimana terjadinya hal tsb.
Jelaskan perbedaan antara senyawa, campuran dan larutan padat, ditinjau dari
komposisi kimia, sifat dan struktur kristalnya.
Jelaskan apa yang dimaksud dengan kondisi stabil, tidak stabil dan metastabil. Beri
contoh dengan peristiwa sehari-hari dan dengan peristiwa dalam bidang metalurgi.
Banyak perubahan fase pada logam terjadi dengan diffusi, faktor apa saja yang
berpengaruh terhadap laju diffusi. Apa saja yang perlu ada untuk dapat berlangsungnya
diffusi?
-8-
1.1. Perlakuan panas dan proses produksi
Perlakuan panas atau heat treatment dapat didefinisikan sebagai kombinasi operasi
pemanasan dan pendinginan terhadap logam/paduan dalam keadaan padat dengan waktu
tertentu, dimaksudkan untuk memperoleh sifat tertentu.
Langkah pertama dalam setiap proses perlakuan panas adalah memanaskan logam/
paduan itu sampai ke suatu temperatur tertentu, lalu menahan beberapa saat pada temperatur
tsb, kemudian mendinginkannya dengan laju pendinginan tertentu. Selama pemanasan dan
pendinginan ini akan terjadi beberapa perubahan struktur mikro, dapat berupa perubahan fase
dan/atau bentuk/ukuran butir kristalnya, dan perubahan strukturmikro ini akan menyebabkan
terjadinya perubahan sifat dari logam/paduan tersebut.
t
Temperatur
T
Tg
Waktu
Gambar 1.1. Siklus Thermal proses perlakuan panas
Strukturmikro yang terjadi pada akhir suatu proses perlakuan panas, selain ditentukan
oleh komposisi kimia dari logam/paduan dan proses perlakuan panas yang dialami, juga oleh
struktur/kondisi awal benda kerja. Paduan dengan komposisi kimia yang sama, mengalami
proses perlakuan panas yang sama, mungkin menghasilkan strukturmikro dan sifat yang
berbeda bila struktur/kondisi awalnya berbeda. Struktur/kondisi awal ini banyak ditentukan
oleh pengerjaan dan/atau perlakuan panas yang dialami sebelumnya.
Untuk memudahkan pengerjaan benda kerja pada suatu proses pengerjaan biasanya
diperlukan suatu sifat tertentu dari bahan benda kerja itu. Untuk memperoleh sifat ini mungkin
akan diperlukan suatu proses perlakuan panas. Suatu proses perlakuan panas lain mungkin
diperlukan untuk memberikan sifat tertentu pada produk akhir yang siap dipakai.
Dari sini terlihat bahwa suatu proses perlakuan panas merupakan salah satu bagian dari
suatu rangkaian proses produksi. Perlakuan panas hendaknya tidak dipandang sebagai suatu
proses tersendiri yang terpisah dari rangkaian proses produksi. Proses perlakuan panas dan
bagian dari rangkaian proses produksi yang lain saling mempengaruhi, sehingga dalam
merancang suatu proses perlakuan panas harus juga diperhatikan proses apa yang telah dialami
sebelumnya dan apa yang akan dialami berikutnya, sifat akhir apa yang harus dimiliki.
1
Jur. Tek. Material dan Metalurgi FTI – ITS
Perlakuan Panas
Untuk dapat mempelajari proses perlakuan panas maka perlu dihayati beberapa hal
mengenai strukturmikro dan sifat-sifatnya, terutama yang berkaitan dengan tansformasi yang
dialami selama pemanasan dan pendinginan, disamping juga beberapa hal yang berkaitan
dengan diffusi, perpindahan panas, reaksi kimia dan lain-lain. Untuk itu pada bab berikut akan
diuraikan kembali sedikit mengenai diagram fase, diagram transformasi, dan pengaruh unsur
paduan, baru kemudian akan dibahas mengenai berbagai hal yang mungkin terjadi karena
pemanasan dan pendinginan serta berbagai macam proses perlakuan panas. Di antaranya juga
beberapa proses perlakuan panas yang khusus untuk beberapa paduan tertentu.
1.2. Susunan atom dalam logam/paduan
Gambar 1.2. Tiga bentuk utama sel satuan dari sistem kristal logam.
Pada logam atom-atomnya tersusun secara teratur menurut suatu pola tertentu,
dinamakan kristal. Pada umumnya kristal logam mempunyai susunan atom tertentu, salah satu
dari beberapa sistem kristal yang mungkin terjadi. Ada yang kristalnya tersusun dari
multiplikasi bentuk sel satuan Body Centered Cubic (BCC), Face Centered Cubic (FCC) atau
Hexagonal Closed Pack (HCP) (lihat Gambar 1.2.) atau bentuk yang lain. Suatu logam dan
bahan padat lain dapat diidentifikasi dari kristalnya ini.
Tetapi ada beberapa logam yang sistem kristalnya dapat berubah, pada suatu kondisi
mempunyai susunan dengan bentuk sel satuan tertentu, pada kondisi yang lain berubah menjadi
bentuk sel satuan lain. Dikatakan logam semacam ini mempunyai sifat allotropy.
Besi termasuk salah satu logam yang mempunyai sifat allotropy. Pada temperatur kamar
atom besi tersusun menurut pola BCC, dinamakan besi , bila dipanaskan, pada temperatur
911oC berubah menjadi FCC, dinamakan besi , dan pada temperatur 1392 oC berubah lagi
menjadi BCC, besi dan selanjutnya akan mencair pada 1536 oC (Gambar 1.3). Pada
-2-
Jur. Tek. Material dan Metalurgi FTI – ITS
Perlakuan Panas
pendinginan kembali akan terjadi proses yang sebaliknya, dari besi cair membeku menjadi besi
pada 1536 oC, lalu pada 1392 oC berubah menjadi besi dan akhirnya menjadi besi pada
911 oC. Pada besi murni, demikian juga halnya pada logam murni lainnya, perubahan fase akan
terjadi pada temperatur konstan (dengan pemanasan dan pendinginan yang ekuilibrium).
Gambar 1.3. Kurva pemanasan dan pendinginan besi murni.
Gambar 1.4. Struktur kristal besi (ferit) dan besi (austenit).
Pada pemanasan yang lebih cepat dari ekuilibrium maka perubahan ini akan terjadi pada
temperatur yang lebih tinggi, sedang pada pendinginan yang lebih cepat maka perubahan akan
terjadi pada temperatur yang lebih rendah.
-3-
Jur. Tek. Material dan Metalurgi FTI – ITS
Perlakuan Panas
Bila suatu logam dipadukan dengan logam/unsur lain maka ada beberapa kemungkinan
yang dapat terjadi, mungkin akan terjadi senyawa (misalnya karbida besi) atau larutan padat
atau suatu campuran, misalnya eutektik/eutektoid.
Senyawa (compound) adalah materi yang berupa ikatan atom-atom dari dua atau lebih
unsur dengan perbandingan tertentu. Ikatan ini akan membentuk kristalnya sendiri, berbeda dari
kristal unsur-unsur pembentuknya. Karenanya senyawa mempunyai mempunyai sifat yang
sama sekali berbeda dari unsur-unsur pembentuknya. Biasanya senyawa yang dijumpai dalam
logam, misalnya karbida, nitrida dan lain-lain, keras dan getas.
Suatu campuran (mixture) adalah materi berupa gabungan dari dua atau lebih unsur
yang masing-masing tetap dengan kristalnya sendiri. Suatu campuran pada logam yang
istimewa adalah eutektik dan eutektoid, karena komposisinya tertentu, temperatur
pembentukannya tertentu, bertransformasi pada temperatur konstan (seperti halnya logam
murni). Strukturnya khas, berselang-seling.
Suatu larutan padat (solid solution) adalah materi berupa paduan dari dua atau lebih
unsur dimana atom-atom dari yang larut masuk ke dalam kristal logam pelarut. Sehingga bila
dilakukan identifikasi, maka yang dijumpai hanya kristal dari unsur pelarut saja.
Ada dua macam larutan padat yaitu larutan padat substitusional, larutan padat dimana
atom yang larut menggantikan tempat atom pelarut dalam sistem kristalnya, dan larutan padat
interstisial yaitu larutan padat dimana atom yang larut masuk menempati ruang kosong antara
atom-atom pelarutnya (lihat Gambar 1.5)
(a)
Atom A
Atom B
(b)
Gambar 1.5. Susunan atom larutan padat substitusional (a) dan interstisial (b)
Pada larutan padat atom pelarut masih membawa sifat asalnya, dengan dipengaruhi oleh
sifat dari atom yang terlarut. Pada umumnya larutan padat mempunyai keuletan tinggi.
Adanya unsur paduan dalam logam akan merubah temperatur perubahan fase logam itu.
Pola perubahan ini dapat dilihat dari diagram fase dari sistem paduan yang bersangkutan.
Sistem paduan yang paling banyak digunakan adalah paduan besi-karbon. Sistem
paduan ini dapat membentuk larutan padat, senyawa maupun campuran. Sistem paduan ini akan
dibahas pada Bab di belakang.
Pada pembekuan logam tidak akan terbentuk menjadi satu butir kristal saja, tetapi akan
terbentuk sejumlah besar butiran kristal. Bahkan pada suatu paduan seringkali dijumpai lebih
dari satu macam kristal.
-4-
Jur. Tek. Material dan Metalurgi FTI – ITS
Perlakuan Panas
Pada batas antara butiran yang satu dengan lainnya akan terjadi mismatch antara
susunan atom dari butiran yang satu dengan yang lain. Dan ini merupakan cacat dari kristal.
Cacat semacam ini juga dapat terjadi karena kristal menerima gaya-gaya dari luar pada waktu
mengalami proses pengerjaan. Adanya dan banyaknya cacat ini akan mempengaruhi sifat dari
logam/paduan itu.
Perubahan-perubahan fase yang ditunjukkan pada suatu diagram fase adalah perubahanperubahan yang terjadi bila paduan dipanaskan/didinginkan secara ekuilibrium, dengan
pemanasan/pendinginan
yang
sangat
lambat.
Pada
kenyataannya
seringkali
pemanasan/pendinginan ini tidak cukup lambat untuk dapat dianggap mencapai kondisi
ekuilibrium sehingga perubahan-perubahan yang terjadi sudah tidak lagi sesuai dengan diagram
fase. Karenanya diagram fase tidak dapat digunakan untuk meramalkan perubahan yang terjadi
bila pemanasan/pendinginan itu tidak ekuilibrium. Perubahan-perubahan untuk kondisi yang
tidak ekuilibrium dapat dipelajari dari diagram transformasi, seperti misalnya transformasi
pendinginan isothermal (IT diagram) dan diagram transfor-masi pendinginan kontinyu (CT atau
CCT diagram), yang juga akan dibahas tersendiri di Bab di belakang.
Diagram fase yang sering/banyak dipergunakan adalah diagram fase biner, diagram fase
untuk paduan dengan dua komponen. Dalam kenyataannya paduan yang banyak dipergunakan
biasanya terdiri dari lebih dari dua komponen. Seharusnya digunakan diagram fase untuk
paduan lebih dari dua komponen, tetapi cukup sulit membuat dan memperolehnya. Sehingga
biasanya tetap digunakan diagram fase untuk dua komponen dengan mempelajari juga
pengaruh unsur-unsur lain terhadap diagram fase paduan utama. Seperti misalnya baja, baja
pada dasarnya paduan besi dengan karbon, karenanya dapat dipelajari dari diagram fase besikarbida besi dan diagram transformasi baja dari berbagai komposisi. Pada baja biasanya juga
terdapat unsur lain selain karbon, maka perlu juga dipelajari bagaimana pengaruh unsur lain itu
terhadap perubahan fase dan sifat baja. Hal ini juga akan dibahas di belakang.
1.3. Proses perlakuan panas
Dalam praktek terdapat banyak macam proses perlakuan panas yang dilakukan terhadap
berbagai jenis paduan. Secara garis besar berbagai macam proses perlakuan panas ini dapat
dibedakan menurut tingginya temperatur pemanasan, lamanya berada pada temperatur tersebut
(holding time) dan laju pendinginannya. Proses perlakuan panas dapat dikelompokkan menjadi
dua yaitu proses perlakuan panas yang menghasilkan struktur yang ekuilibrium, seperti
misalnya annealing, normalising, spheroidising dan lain-lain, dan proses perlakuan panas yang
menghasilkan struktur yang non-ekuilibrium, yaitu pengerasan.
Proses perlakuan panas paling sering/banyak dilakukan terhadap benda kerja dari baja.
Karena itu dalam pembahasan berikut pada dasarnya diuraikan prinsip-prinsip perlakuan panas
terhadap baja. Perlakuan panas terhadap logam/paduan lain dapat mengacu pada perlakuan
panas baja, tentu saja dengan sedikit modifikasi, disesuaikan dengan diagram fase sistem
paduannya, diagram transformasinya dan lain-lain. Bila prinsip perlakuan panas untuk baja
sudah dikuasai maka tidaklah banyak kesulitan untuk menerapkan prinsip tersebut pada paduan
lain.
Prinsip-prinsip perlakuan panas untuk proses yang menghasilkan struktur yang
ekuilibrium dapat dipelajari dari diagram ekuilibrium, yang sudah banyak dipelajari
sebelumnya, sedang untuk yang tidak ekuilbrium ada sejumlah aspek lain yang perlu diketahui.
-5-
Jur. Tek. Material dan Metalurgi FTI – ITS
Perlakuan Panas
Karena itu dalam pembahasan di belakang banyak diuraikan hal-hal yang berkaitan dengan
pengerasan.
1.4. Ekuilibrium dan diffusi
Dalam mempelajari perlakuan panas mau tidak mau harus dipelajari perubahan
struktur/fase pada logam.
Suatu struktur/fase di dalam logam dikatakan telah mencapai ekuilibrium atau
keseimbangan bila dalam bahan sudah tidak lagi terjadi perubahan struktur/fase dengan
berubahnya waktu. Suatu struktur/fase yang sudah mencapai keseimbangan pada suatu kondisi
tertentu akan tetap sama/tidak berubah selama kondisinya tidak berubah. Kondisi ini ditentukan
oleh temperatur.
Jadi misalnya pada suatu temperatur hari ini sebatang besi berstruktur kristal BCC,
besok pada temperatur yang sama ia juga tetap BCC, kapanpun asalkan temperaturnya sama ia
selalu mempunyai struktur kristal yang sama, maka dikatakan sebatang besi itu telah mencapai
keseimbangannya untuk temperatur tersebut dengan membentuk kristal berstruktur BCC.
Suatu struktur/fase yang telah mencapai keseimbangan untuk suatu temperatur akan
tetap stabil untuk temperatur tersebut. Sesuatu akan menjadi stabil bila ia mempunyai free
energy (energy bebas, kerja yang dapat diperoleh dari suatu sistem) pada tingkat yang paling
rendah. Ia tidak akan mengalami perubahan secara spontan, karena untuk berubah secara
spontan ia harus melepaskan energi.
Sesuatu mungkin juga dapat tidak mengalami perubahan pada suatu kondisi tertentu
walaupun ia sebenarnya belum berada pada tingkat energi yang paling rendah. Ia dikatakan
berada dalam keadaan metastabil.
Suatu bola (Gambar 1.6) berada pada keadaan stabil bila pada kedudukan seperti titik
3, energi potensialnya paling rendah. Dengan kedudukan seperti titik 1 ia berada pada keadaan
metastabil, bila dibiarkan tidak akan mengalami perubahan, walaupun sebenarnya energi
potensialnya cukup tinggi.
tidakstabil
1
2
4
tidak stabil
metastabil
3
stabil
Gambar 1.6. Keadaan metastabil, tidak stabil dan stabil dari sebuah bola
Untuk dapat berubah menjadi stabil ia harus diberi energi dulu untuk naik titik 2 (tidak
stabil), setelah itu ia dapat secara spontan menuju titik 3 (stabil).. Untuk berubah dari
metastabil menjadi stabil perlu diberi energi dalam jumlah tertentu, untuk mengatasi energy
-6-
Jur. Tek. Material dan Metalurgi FTI – ITS
Perlakuan Panas
barrier, sehingga ia menjadi tidak stabil baru kemudian diberi kesempatan berubah secara
spontan menuju keadaan stabil.
Atom-atom dalam suatu logam pada suatu keadaan akan menyusun dirinya sedemikian
rupa untuk menjadikan dirinya berada dalam keadaan keseimbangan, stabil. Karena itu juga ia
akan mempunyai susunan kristal tertentu. Dengan berubahnya temperatur mungkin susunan
dalam atom akan berubah, sehingga juga akan merubah susunan kristalnya, ia akan berubah
fase.
Untuk berubah menjadi susunan kristal yang baru maka atom-atom ini perlu
bergerak/pindah. Gerakan/perpindahan atom ini dapat secara diffusi atau dengan cara lain.
Untuk berdiffusi ini atom-atom itu harus mempunyai cukup energi. Makin tinggi energi
yang dimiliki makin besar kemungkinan terjadi diffusi. Energi disini adalah energi thermal,
makin tinggi temperatur makin besar kemungkinan terjadi diffusi, makin besar kemungkinan
terjadi perubahan. Dalam fase gas dan cair diffusi lebih mudah berlangsung, sedang pada fase
padat diffusi lebih sulit, apalagi bila temperaturnya rendah. Karena itu pada perubahan yang
dikontrol oleh diffusi akan berlangsung lama. Perubahan yang dikontrol oleh diffusi dikatakan
sebagai perubahan yang time dependant and thermally activated. Untuk mencapai kondisi
keseimbangan diperlukan waktu yang lama. Keadaan keseimbangan akan dapat terjadi hanya
pada pemanasan dan pendinginan yang sangat lambat.
Suatu transformasi yang dikontrol oleh diffusi dimulai dengan pengintian (nucleation),
terbentuknya inti dari kristal baru, kemudian dilanjutkan dengan pertumbuhan (growth),
bertumbuhnya inti menjadi kristal yang lebih besar. Kristal ini perlu tumbuh lebih besar karena
kristal yang lebih besar memiliki energi yang lebih rendah. Karena itu suatu kristal bila
dipanaskan pada temperatur yang lebih tinggi cenderung untuk tumbuh menjadi lebih besar.
Untuk pengintian diperlukan driving force, diperlukan sejumlah energi untuk mengatasi
energy barrier. Besarnya thermodynamic driving force ini sebanding dengan besarnya
penyimpangan terhadap thermodynamic equilibriumnya. Bila penyimpangan ini besar driving
force juga besar.
Pertumbuhan inti ini sepenuhnya adalah proses diffusi, sangat tergantung pada
temperatur. Pada temperatur lebih tinggi pertumbuhan akan lebih banyak, cenderung
menghasilkan kristal yang lebih besar.
Proses diffusi juga terjadi pada peristiwa terserap dan tersebarnya suatu atom ke dalam
suatu benda atau keluarnya suatu atom dari suatu benda. Hal ini terjadi pada proses karburising
(terserapnya karbon ke dalam baja), nitriding, dan lain-lain serta peristiwa dekarburisasi,
keluarnya karbon dari permukaan baja.
Diffusi akan dapat terjadi apabila terdapat perbedaan konsentrasi, misalnya pada
karburising, di luar permukaan baja terdapat konsentrasi atom karbon yang tinggi sedang dalam
baja konsentrasi atom karbon rendah, sehingga atom dari luar akan berdiffusi masuk ke dalam
baja. Sebaliknya pada peristiwa dekarburisasi konsentrasi atom karbon di luar baja lebih rendah
daripada yang didalam baja maka, atom karbon dari dalam baja akan berdiffusi keluar.
1.5. Pertanyaan
1. Jelaskan bagaimana kedudukan perlakuan panas dalam suatu rangkaian proses
produksi. Beri contoh.
-7-
Jur. Tek. Material dan Metalurgi FTI – ITS
2.
3.
4.
5.
Perlakuan Panas
Perubahan fase pada logam murni biasanya ditandai dengan adanya pemberhentian
kenaikan/penurunan temperatur pada saat pemanasan/pendinginan lambat. Jelaskan
bagaimana terjadinya hal tsb.
Jelaskan perbedaan antara senyawa, campuran dan larutan padat, ditinjau dari
komposisi kimia, sifat dan struktur kristalnya.
Jelaskan apa yang dimaksud dengan kondisi stabil, tidak stabil dan metastabil. Beri
contoh dengan peristiwa sehari-hari dan dengan peristiwa dalam bidang metalurgi.
Banyak perubahan fase pada logam terjadi dengan diffusi, faktor apa saja yang
berpengaruh terhadap laju diffusi. Apa saja yang perlu ada untuk dapat berlangsungnya
diffusi?
-8-