PENGECORAN LOGAM KARAKTERISTIK CAIRAN LO
KARAKTERISTIK
CAIRAN LOGAM DAN
SOLIDIFIKASI LOGAM
1
Diagram Fasa/diagram kesetimbangan fasa
(Equilibrium phase diagram)
Pada umumnya logam tidak berdiri sendiri atau keadaan murni,
tetapi lebih banyak dalam keadaan dipadu atau logam paduan
dengan kandungan unsur-unsur tertentu sehingga struktur yang
terdapat dalam keadaan setimbang pada temperatur dan tekanan
tertentu akan berlainan.
Kombinasi dua unsur atau lebih yang membentuk paduan logam
akan menghasilkan sifat yang berbeda dari logam asalnya.
Tujuan pemaduan = untuk memperbaiki sifat logam
Sifat yang diperbaiki adalah kekuatan, keuletan, kekerasan,
ketahanan korosi, ketahanan aus, ketahanan lelah, dll.
2
Fasa pada suatu material didasarkan atas daerah yang berbeda
dalam struktur atau komposisi dari daerah lainnya.
Fasa = bagian homogen dari suatu sistem yang memiliki sifat fisik
dan kimia yang seragam.
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.
3
Informasi penting yang dapat diperoleh dari diagram fasa adalah:
1. Memperlihatkan fasa-fasa yang terjadi pada
perbedaan
komposisi dan temperatur dibawah kondisi pendinginan yang
sangat lambat.
2. Mengindikasikan kesetimbangan kelarutan padat satu unsur atau
senyawa pada unsur lain.
3. Mengindikasikan pengaruh temperatur dimana suatu paduan
dibawah kondisi kesetimbangan mulai membeku dan pada
rentang temperatur tertentu pembekuan terjadi.
4. Mengindikasikan temperatur dimana perbedaan fasa-fasa mulai
mencair.
Jenis pemaduan:
1. Unsur logam + unsur logam
Contoh: Cu + Zn; Cu + Al; Cu + Sn.
2. Unsur logam + unsur non logam
Contoh: Fe + C.
4
Contoh-contoh pemaduan:
Water
Alcohol
Oil
Water
Solution
Sugar
Saturated Syrup
Water
Excess Sugar
Next
5
Pemaduan terjadi akibat adanya
susunan atom sejenis ataupun ada
distribusi atom yang lain pada
susunan atom lainnya.
Jika ditinjau dari posisi atom-atom
yang larut, diperoleh dua jenis
larutan padat:
Cu
Ni
1. Larutan padat substitusi
Adanya atom-atom terlarut yang
menempati kedudukan atom-atom
pelarut.
Fe
C
2. Larutan padat interstisi
Adanya atom-atom terlarut yang
menempati rongga-rongga diantara
kedudukan atom/sela antara.
6
Untuk mengetahui kelarutan padat suatu unsur dalam unsur lainnya,
Hume-Rothery mensyaratkan sebagai berikut:
1. Yang mempengaruhi terbentuknya jenis kelarutan ditentukan
oleh faktor geometri (diameter atom dan bentuk sel satuan).
Jenis kelarutan:
•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
A’ (dimana A yang dominan)
B’ (dimana B dominan)
kelarutan yang tersusun disebut larut sebagian
b. A + B
A + B (tidak larut)
7
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
makin stabil, tetapi kalau terlalu besar
perbedaannya yang terjadi bukan larutan melainkan senyawa
(compound)
8
Pembentukan diagram fasa
Hubungan
antara
temperatur,
komposisi diplot untuk mengetahui
perubahan fasa yang terjadi.
Konstruksi
fasa
pembentukan
diagram
Dengan memvariasikan komposisi dari
kedua unsur (0100%) dan kemudian
dipanaskan hingga mencair setelah itu
didinginkan dengan lambat (diukur
oleh dilatometer/kalorimeter), maka
akan diperoleh kurva pendinginan
(gambar a.). Perubahan komposisi
akan merubah pola dari kurva
pendinginan, titik-titik A, L1, L2, L3
dan C merupakan awal terjadinya
pembekuan dan B, S1, S2, S3 dan D
merupakan akhir pembekuan. Gambar
b. diagram kesetimbangan fasa Cu-Ni.
9
Garis liquidus = menunjukkan temperatur terendah dimana logam
dalam keadaan cair atau temperatur dimana awal terjadinya
pembekuan dari kondisi cair akibat proses pendinginan.
Garis solidus = menunjukkan temperatur tertinggi suatu logam
dalam keadaan padat atau temperatur terendah dimana masih terdapat
fasa cair.
10
Selain garis-garis tersebut titik-titik kritis dari keadaan cair dan
padat, juga menyatakan batas kelarutan maksimum unsur terlarut
didalam pelarutnya (maximum solubility limit).
The solubility of sugar (C12H22O11) in a sugar-water syrup.
11
The Solubility Limit
• Example:
Phase Diagram of WaterSugar System
Question: What is the
solubility limit at 20°C?
Answer: 65wt% sugar
If Co < 65wt% sugar:
If Co > 65wt% sugar:
syrup
syrup + sugar
• Solubility limit increases with T:
e.g., if T = 100°C, solubility limit = 80wt% sugar
12
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
• watersugar
system
13
Cooling Curve for Pure Metal
(a)
FIG. 3-50 (1) Heat pure metal to point Ta; (2) cooling of liquid metal a – b; (3) at
point b, pure metal starts to precipitate out of solution; (4) point c, pure metal
completely solid; curve from b to c straight horizontal line showing constant
temperature Tb-c because thermal energy absorbed in change from liquid to solid; (5)
more cooling of solid pure metal from c to d and temperature begins to fall again. 14
Cooling Curve for Pure Iron
(b)
FIG. 3-50 (b) Cooling curve for pure iron.
15
Allotropic Forms of Iron
FIG. 3-54 Allotropic forms of iron (three phases: bcc, fcc, bcc)
16
Cooling Curve for a Metal Alloy
(c)
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.
17
CAIRAN LOGAM DAN
SOLIDIFIKASI LOGAM
1
Diagram Fasa/diagram kesetimbangan fasa
(Equilibrium phase diagram)
Pada umumnya logam tidak berdiri sendiri atau keadaan murni,
tetapi lebih banyak dalam keadaan dipadu atau logam paduan
dengan kandungan unsur-unsur tertentu sehingga struktur yang
terdapat dalam keadaan setimbang pada temperatur dan tekanan
tertentu akan berlainan.
Kombinasi dua unsur atau lebih yang membentuk paduan logam
akan menghasilkan sifat yang berbeda dari logam asalnya.
Tujuan pemaduan = untuk memperbaiki sifat logam
Sifat yang diperbaiki adalah kekuatan, keuletan, kekerasan,
ketahanan korosi, ketahanan aus, ketahanan lelah, dll.
2
Fasa pada suatu material didasarkan atas daerah yang berbeda
dalam struktur atau komposisi dari daerah lainnya.
Fasa = bagian homogen dari suatu sistem yang memiliki sifat fisik
dan kimia yang seragam.
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.
3
Informasi penting yang dapat diperoleh dari diagram fasa adalah:
1. Memperlihatkan fasa-fasa yang terjadi pada
perbedaan
komposisi dan temperatur dibawah kondisi pendinginan yang
sangat lambat.
2. Mengindikasikan kesetimbangan kelarutan padat satu unsur atau
senyawa pada unsur lain.
3. Mengindikasikan pengaruh temperatur dimana suatu paduan
dibawah kondisi kesetimbangan mulai membeku dan pada
rentang temperatur tertentu pembekuan terjadi.
4. Mengindikasikan temperatur dimana perbedaan fasa-fasa mulai
mencair.
Jenis pemaduan:
1. Unsur logam + unsur logam
Contoh: Cu + Zn; Cu + Al; Cu + Sn.
2. Unsur logam + unsur non logam
Contoh: Fe + C.
4
Contoh-contoh pemaduan:
Water
Alcohol
Oil
Water
Solution
Sugar
Saturated Syrup
Water
Excess Sugar
Next
5
Pemaduan terjadi akibat adanya
susunan atom sejenis ataupun ada
distribusi atom yang lain pada
susunan atom lainnya.
Jika ditinjau dari posisi atom-atom
yang larut, diperoleh dua jenis
larutan padat:
Cu
Ni
1. Larutan padat substitusi
Adanya atom-atom terlarut yang
menempati kedudukan atom-atom
pelarut.
Fe
C
2. Larutan padat interstisi
Adanya atom-atom terlarut yang
menempati rongga-rongga diantara
kedudukan atom/sela antara.
6
Untuk mengetahui kelarutan padat suatu unsur dalam unsur lainnya,
Hume-Rothery mensyaratkan sebagai berikut:
1. Yang mempengaruhi terbentuknya jenis kelarutan ditentukan
oleh faktor geometri (diameter atom dan bentuk sel satuan).
Jenis kelarutan:
•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
A’ (dimana A yang dominan)
B’ (dimana B dominan)
kelarutan yang tersusun disebut larut sebagian
b. A + B
A + B (tidak larut)
7
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
makin stabil, tetapi kalau terlalu besar
perbedaannya yang terjadi bukan larutan melainkan senyawa
(compound)
8
Pembentukan diagram fasa
Hubungan
antara
temperatur,
komposisi diplot untuk mengetahui
perubahan fasa yang terjadi.
Konstruksi
fasa
pembentukan
diagram
Dengan memvariasikan komposisi dari
kedua unsur (0100%) dan kemudian
dipanaskan hingga mencair setelah itu
didinginkan dengan lambat (diukur
oleh dilatometer/kalorimeter), maka
akan diperoleh kurva pendinginan
(gambar a.). Perubahan komposisi
akan merubah pola dari kurva
pendinginan, titik-titik A, L1, L2, L3
dan C merupakan awal terjadinya
pembekuan dan B, S1, S2, S3 dan D
merupakan akhir pembekuan. Gambar
b. diagram kesetimbangan fasa Cu-Ni.
9
Garis liquidus = menunjukkan temperatur terendah dimana logam
dalam keadaan cair atau temperatur dimana awal terjadinya
pembekuan dari kondisi cair akibat proses pendinginan.
Garis solidus = menunjukkan temperatur tertinggi suatu logam
dalam keadaan padat atau temperatur terendah dimana masih terdapat
fasa cair.
10
Selain garis-garis tersebut titik-titik kritis dari keadaan cair dan
padat, juga menyatakan batas kelarutan maksimum unsur terlarut
didalam pelarutnya (maximum solubility limit).
The solubility of sugar (C12H22O11) in a sugar-water syrup.
11
The Solubility Limit
• Example:
Phase Diagram of WaterSugar System
Question: What is the
solubility limit at 20°C?
Answer: 65wt% sugar
If Co < 65wt% sugar:
If Co > 65wt% sugar:
syrup
syrup + sugar
• Solubility limit increases with T:
e.g., if T = 100°C, solubility limit = 80wt% sugar
12
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
• watersugar
system
13
Cooling Curve for Pure Metal
(a)
FIG. 3-50 (1) Heat pure metal to point Ta; (2) cooling of liquid metal a – b; (3) at
point b, pure metal starts to precipitate out of solution; (4) point c, pure metal
completely solid; curve from b to c straight horizontal line showing constant
temperature Tb-c because thermal energy absorbed in change from liquid to solid; (5)
more cooling of solid pure metal from c to d and temperature begins to fall again. 14
Cooling Curve for Pure Iron
(b)
FIG. 3-50 (b) Cooling curve for pure iron.
15
Allotropic Forms of Iron
FIG. 3-54 Allotropic forms of iron (three phases: bcc, fcc, bcc)
16
Cooling Curve for a Metal Alloy
(c)
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.
17