Baja dan Besi Tuang
MK: TRANSFORMASI FASA
Sistem Besi-Karbon
Nurun Nayiroh, M.Si
Pertemuan Ke-6 Sistem Besi-Karbon
Besi dengan campuran karbon adalah bahan yang paling banyak digunakan diantaranya adalah baja. Kegunaan baja sangat bergantung dari pada sifat – sifat baja yang sangat bervariasi yang diperoleh dari pemaduan dan penerapan proses perlakuan panas. Sifat mekanik dari baja sangat bergantung pada struktur mikronya. Sedangkan struktur mikro sangat mudah dirubah melalui proses perlakuan panas. Baja adalah paduan besi dengan kandungan karbon sampai maksimum sekitar 1,7% . Paduan besi dengan karbon di atas 1,7% disebut dengan besi cor (cast iron)
Sistem Besi-Karbon Beberapa jenis baja memiliki sifat – sifat yang tertentu sebagaimana akibat penambahan unsur paduan. Salah satu unsur paduan yang sangat penting yang dapat mengontrol sifat baja adalah karbon (C). Jika besi dipadu dengan karbon, transformasi yang terjadi pada rentang temperatur tertentu erat kaitannya dengan kandungan karbon. Diagram yang menggambarkan hubungan antara temperatur dimana terjadinya perubahan fasa selama proses pendinginan dan pemanasan yang lambat dengan kadar karbon disebut dengan diagram fasa besi-karbon Diagram ini merupakan dasar pemahaman untuk semua operasi – operasi Perlakuan Panas
DIAGRAM FASA BESI – BESI CARBIDA (Fe – Fe
3 C) Diagram fasa besi – besi karbida dibatasi sampai komposisi karbon 6,7 %wt. Diatas 6,7 wt% bahan digolongkan ke dalam bahan grafit Penjelasan gambar Diagram Fasa Besi-Besi Karbida
Besi murni
Pada temperatur ruang disebut ferit atau besi α yang mempunyai struktur kristal BCC. Ferit akan berubah menjadi austenit atau besi γ pada temperatur 912 C (1674
F) dengan struktur kristal FCC. Pada temperatur 1538 C (2800
F) austenite akan berubah menjadi besi ferit δ dan struktur
2 kristal BCC.
1 Struktur Mikro dan Sifat Mekanik
Baja dan Besi Tuang
Struktur mikro dan sifat yang diinginkan dalam adalah besi yang mempunyai kadar karbon pembuatan baja dapat diperoleh melalui proses lebih kecil dari 6,7 wt%. pemanasan dan pendinginan pada temperatur tertentu.
Pada 6,7wt% terdapat kandungan Fe C
3 Jika struktur mikronya diamati dengan menggunakan
sebesar 100 %wt, sehingga kandungan karbon mikroskop, maka akan tampak bahwa baja tersebut 6,7 wt% disebut juga mempunyai kandungan memiliki struktur yang berbeda-beda.
Jenis struktur yang ada sangat dipengaruhi oleh 100 wt% Fe C (cementite).
3
kamposisi kimia dari baja dan jenis perlakuan panas yang diterapkan pada baja tersebut. Struktur yang akan ada pada suatu baja adalah ferit, Perlit, bainit, martensit, sementit dan karbida lainnya
Besi
C. Fe
adalah campuran sementit dan ferit yang memiliki kekerasan sekitar 10-30 HRC. Jika baja eutektoid (0,8%C) diaustenisasi dan didinginkan dengan cepat ke suatu temperatur, misalnya ke temperatur 700 C dan dibiarkan pada temperatur tersebut sehingga terjadi transformasi isotermal, maka austenit akan mengurai dan membentuk perlit melalui proses pengintian (nukleasi) dan pertumbuhan. Perlit yang terbentuk berupa campuran ferit dengan sementit yang tampak seperti pelat-pelat yang tersusun bergantian.
Perlit
temperatur 1148 C Reaksi eutectoid terjadi pada 0,77 wt% C dan temperatur 727 C :
2 Reaksi eutectic terjadi pada 4,3 wt% C dan
γ pada temperatur 727 s/d 1148 C. Sifat mekanik cementite adalah keras dan rapuh. Kekuatan beberapa baja bisa ditingkatkan dengan kandungan cementite.
3 C juga terbentuk dengan fasa
Terbentuk ketika batas kelarutan karbon pada besi α terlewati pada temperatur di bawah 727
α α α α (ferit) Komposisi maksimum C adalah 0,022 wt% pada 727 C (1341 F). Struktur kristalnya BCC. Sifat bahan :
3 C) :
Cementite (Fe
α hanya temperatur yang berbeda yaitu antara 1394 C sampai 1538 C.
δ δδ δ (ferit δ δδ δ) Mempunyai bentuk yang sama dengan ferit
C. Struktur kristal FCC. Austenite bersifat non magnet.
γ γ γ γ ((((Austenite) Maksimum karbon 2,11wt% pada 1148
Lunak, ulet dan memiliki kekerasan sekitar 70-100 BHN Memiliki konduktivitas tinggi Bisa dibuat magnet pada temperatur dibawah 768 C Kerapatan : 9,88 gr/cm 3 Besi
1 Besi
Skema representasi mikrostruktur untuk paduan besi-karbon pada komposisi autectoid (0,76 %wt C) di bawah dan di atas temperatur eutectoid
Transformasi fasa terjadi dari daerah γ ke daerah
C. Pada
α + Fe
3
titik eutectoid austenite dengan komposisi 0,77 wt% C akan berubah menjadi ferit (0,022 wt% C) dan Fe C (6,7 wt% C).
3 BAINIT
Bainit adalah suatu fasa yang diberi nama sesuai Kekerasannya bervariasi antara 45-55 HRC dengan nama penemunya yaitu E.C. Bain. tergantung pada temperatur transformasinya.
Bainit merupakan fasa yang kurang stabil (metastabil) Ditinjau dari temperatur transformasinya, jika vang diperoleh dari austenit pada temperatur yang terbentuk pada temperatur yang relatif tinggi lebih rendah dari temperatur transformasi ke perlit dan lebih tinggi dari temperatur transformasi ke disebut Upper Bainite sedangkan jika terbentuk Martensit. pada temperatur yang lebih rendah disebut
Sebagai contoh jika baja eutektoid yang diaustenisasi sebagal Lower Bainite. didinginkan dengan cepat ke temperatur sekitar 250 -
Struktur upper bainite seperti perlit yang sangat 500 C dan dibiarkan pada temperatur tersebut, hasil transformasinya adalah berupa struktur vang terdiri halus sedangkan lower bainite menyerupai dari ferit dan sementit (struktur bainit) tetapi bukan martensit temper. perlit MARTENSIT Dalam paduan besi karbon dan baja, austenit merupakan fasa induk dan bertransformasi menjadi
Martensit adalah fasa yang ditemukan oleh martensit pada saat pendinginan. seorang metalografer yang bernama A. Martens.
Transformasi ke martensit berlangsung tanpa difusi sehingga komposisi yang dimiliki oleh martensit sama Fasa tersebut merupakan larutan padat dari karbon dengan komposisi austenit, sesuai dengan komposisi yang lewat jenuh pada besi alfa sehingga kisi-kisi paduannya sel satuan martensit adalah Tetragonal pusat badan (Body center tetragonal/BCT). sel satuannya terdistorsi.
Atom karbon dianggap menggeser kisi kubus menjadi Sifatnya sangat keras dan diperoleh jika baja dari tetragonal. temperatur austenitnya didinginkan dengan laju
Kelarutan karbon dalam BCC menjadi lebih besar jika terbentuk martensit, dan hal inilah yang menyebabkan pendinginan yang lebih besar dari laju pendinginan timbulnya tetragonalitas (BCT). kritiknya.
Pembentukan martensit secara umum tidak tergantung pada waktu.
Foto mikrografi (a) α-ferit (90 x) dan (b) austenit (325 x) BESI PADUAN (FERROUS ALLOY) Besi paduan Adalah paduan dimana besi sebagai komponen utama dan karbon beserta komponen –komponen lainnya sebagai bahan paduan. Berdasarkan kandungan paduan, besi paduan di bagi atas:
Besi (iron) Baja (steel) Besi tuang (cast iron).
Besi murni : kandungan karbon kurang dari 0,008 wt%, dan strukturnya ferit pada temperatur ruang. Baja : kandungan karbon antara 0,008 – 0,11 wt% C struktur kristal :
C. α + Fe
3 Besi tuang : kandungan karbon antara 1,11 – 6,7 wt% C. Besi tuang komersial biasanya kandungan karbon < 4,5wt% C.
PADUAN HYPOEUTECTOID
Pembentukan fasa C dengan komposisi α + Fe
3
di bawah titik eutectoid disebut paduan hypoeutectoid. Proses pembentukannya bisa dilihat pada gambar 9.27. Struktur kristal yang terbentuk mempunyai fasa pearlite dan proeutectoid
α. Proeutectoid ferit (
α) adalah ferit yang terbentuk sebelum terbentuknya pearlite.
Pada pembentukan hypoeutectoid: (lihat Gambar 9.29)
Paduan Hypereutectoid
Pembentukan fasa C dengan komposisi di atas α + Fe
3 titik eutectoid disebut paduan hypereutectoid. (gb.
9.30).
Proeutectoid sementit adalah : sementit yang terbentuk sebelum terbentuknya pearlite
Contoh Soal Jawab
Untuk paduan 99,65 wt% Fe – 0,35 wt% C
a. fraksi total fase ferit dan sementit pada temperatur sedikit di bawah titik eutectoid, carilah: C ' = 0,35 wt% C a. fraksi total fase ferit dan sementit.
b. fraksi ferit proeutectoid dan pearlite proeutectoid.
dan c. fraksi ferit eutectoid.
b. fraksi ferit proeutectoid dan pearlite proeutectoid:
PENGARUH ELEMEN PADUAN LAINNYA
Elemen paduan lain seperti Cr, Ni, Ti, dll, memberikan dan pengaruh yang besar pada diagram fasa Fe – C.
Unsur - unsur paduan seperti Karbon, mangan, chrom, wolfram, Molibden dan Vanadium banyak digunakan pada baja - baja perkakas (seperti pada baja Cold-worked, baja hot-worked dan HSS) untuk meningkatkan ketahanan baja
c. fraksi ferit eutectoid
tersebut terhadap keausan dan memelihara stabilitas baja
Semua ferit, baik sebagai proeutektoid ataupun sebagai tersebut pada temperatur tinggi. eutektoid (dalam pearlit). Maka jumlah kedua fraksi ferit ini
Keberadaan unsur paduan tersebut padabaja akan
sama dengan jumlah total ferit, sehingga: menimbulkan terbentuknya karbida seperti: M
C, M C ,
3
23
6 M
C, M C dimana M menyatakan atom-atom logam
6
7
3 W α ’ + W al = W α sedangkan C menyatakan kadar karbon.
dimana W adalah fraksi total paduan yang berupa ferit al eutektoid. Maka:
W al =W α −Wα '=0,95−0,56=0,39 Banyaknya karbida yang ada pada suatu baja perkakas tergantung pada prosentase karbon dan unsur paduan serta tergantung pada jenis karbida yang akan terbentuk.
Pada baja hypereutektoid yang sudah dikeraskan, keberadaan karbida adalah sekitar 5-12%. Sedangkan pada struktur yang dianil, jumlah tersebut akan bertambah banyak. Pada saat diaustenisasi, karbida-karbida ini akan memperkaya austenit dengan karbon dan unsur-unsur paduan.
Unsur paduan yang memperkaya austenit seperti: Cr, W, Mo atau V akan menciptakan kondisi yang dapat mempermudah terbentuknya presipitasi karbida - karbida pada saat dikeraskan maupun pada saat ditemper. Kondisi seperti itu dapat meningkatkan stabilitas termal dari baja ybs dan juga meningkatkan kekerasan sekitar 3-5 HRC.