Diagram Fasa/diagram kesetimbangan fasa (Equilibrium phase diagram)

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: Alcohol Water Solution Sugar Saturated Syrup Water Oil Excess Sugar Water Next

5. Cu Ni Fe C 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: 1. Larutan padat substitusi Adanya atom-atom terlarut yang menempati kedudukan atom-atom pelarut. 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: • 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. Dengan memvariasikan komposisi dari kedua unsur (0100%) 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. Konstruksi pembentukan diagram fasa

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 Water-Sugar 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 • water- sugar 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 alloyin 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 Tbto Tc because components A and B have different melting/cooling temperatures; (5) further cooling from c to d of solid-state metal alloy.

17. Klasifikasi Diagram Kesetimbangan Fasa • Larut sempurna dalam keadaan cair dan padat. • Larut sempurna dalam keadaan cair, tidak larut dalam keadaan padat (reaksi eutektik). • Larut sempurna dalam keadaan cair, larut sebagian dalam keadaan padat (reaksi eutektik). • Larut sempurna dalam keadaan cair, larut sebagian dalam keadaan padat (reaksi peritektik). • Larut sempurna dalam keadaan cair, tidak larut dalam keadaan padat dan membentuk senyawa. • Larut sebagian dalam keadaan cair (reaksi monotektik). • Tidak larut dalam keadaan cair maupun padat.

18. 1. Larut sempurna dalam keadaan cair dan padat Biasa disebut binary isomorphous alloy systems, kedua unsur yang dipadukan larut sempurna dalam keadaan cair maupun padat. Pada sistem ini hanya ada satu struktur kristal yang berlaku untuk semua komposisi, syarat yang berlaku adalah: a. Struktur kristal kedua unsur harus sama. b. Perbedaan ukuran atom kedua unsur tidak boleh lebih dari 15%. c. Unsur-unsur tidak boleh membentuk senyawa. d. Unsur-unsur harus mempunyai valensi yang sama. Contoh klasik untuk jenis diagram fasa ini adalah diagram fasa Cu-Ni.

19. 2 phases: • L (liquid) • a (FCC solid solution) • 2 lines (phase boundaries): • The liquidus line (L/L+a) • The solidus line (a/L+a) • 3 phase fields: • L • L + a • a

20. Rules of Determining Number & Types of Phases (The lever arm rule/Aturan kaidah lengan) • aturan 1: jika diketahui T dan Co (komposisi), maka – akan diketahui jumlah dan jenis fasa Lihat gambar disamping • contoh: A (1100°C, 60wt% Ni): 1 phase: a B (1250°C, 35wt% Ni): 2 phases: L + a

21. Aturan kaidah lengan/the lever arm rule Untuk menghitung persentase fasa-fasa yang ada pada komposisi tertentu, digunakan metoda kaidah lengan. x adalah komposisi paduan yang akan dihitung persentase fasa-fasanya pada temperatur T, maka tarik garis yang memotong batas kelarutannya (garis L-S). Jika x = wo; L = wl dan S = ws maka % fasa cair dan padat :

22. • aturan 2: jika diketahui T dan Co, maka – akan diketahui komposisi dari fasa • • contoh: C0 = 35 wt%Ni • At TA: • Only Liquid (L) • CL = C0 = 35 wt%Ni • At TD: • Only Solid (a) • Ca = C0 = 35 wt%Ni • At TB: • Both a and L • CL = CLiquidus = 32 wt%Ni • Ca = CSolidus = 43 wt%Ni

23. wl (32%) wo(35%) ws(43%) Contoh lain: pada wo= 53% Ni

24. % fasa cair dan padat: wl (45%) wo(53%) ws(58%)

25. Example: Determine the phase(s) that are present and the composition of the phase(s) For the alloys listed below: 60 wt% Ni-40 wt% Cu at 1100°C 35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250°C • Phase(s) that are present • The composition of each phase

26. (L) (1) Determine the phase(s) that are present 60 wt% Ni-40 wt% Cu at 1100°C a Point A: a phase

27. (2) Determine the composition of each phase 60 wt% Ni-40 wt% Cu at 1100°C (Point A): a a Ca = C0 = 60 wt% Ni

28. (L) (1) Determine the phase(s) that are present 35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250°C a Point B a + L phases

29. (2) Determine the composition of each phase 35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250°C (Point B): a + L a

30. Tie Line 42.5 31.5 35 CL C0 Ca Composition (wt% Ni) (2) Determine the composition of each phase • 35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250°C (Point B): in two phase (a + L) region • Draw a tie line • Composition of a: intersection L/a+L — Ca = 42.5wt% Ni • Composition of L: intersection a/a+L— CL = 31.5 wt% Ni

31. Equilibrium Cooling in a Cu-Ni Binary System • Consider • Co = 35wt%Ni • Upon cooling • L • 35wt%  32wt%  24wt% • a • 46wt%  43wt%  36wt% • –Equilibrium cooling • Sufficiently slow cooling rate gives enough time for composition readjustments