Diagram Phase

Transformasi FasaSemester GenapDosen Pengampu:Putri Nawangsari, S.T., M.Eng.REV. 001Thermodinamika Larutan Sistem : bagian khusus material yang menjadi objek penelitian , misalnya larutan baja cair ke dalam ladel

Komponen : logam murni atau senyawa yang menyusun sistem, misal : unsur Fe dan C pada baja

Fasa (Phase) : bagian dari sistem yang homogen dengan sifat-sifat fisika dan kimia yang sama, misalnya : pada baja dikenal fasa-fasa : fasa ferit (besi BCC), austenit (besi FCC), dan cementit (Fe3C)Batas kelarutan : konsentrasi maksimum atom terlarut (solute atom) yang larut dalam pelarutPada umumnya energi bebas suatu larutan (padat, cair, dan gas) tergantung pada sifat thermodinamika yaitu Tekanan (P), Temperatur (T), Volume (V), Enthalpy (H), dan Entropy (s)DiffusionalPHASE TRANSFORMATIONSMartensitic1nd ordernucleation & growthPHASE TRANSFORMATIONS2nd orderEntire volume transformsBased onMasstransportBased onorderLarutan mempunyai derajat kebebasan tambahan dibanding dengan zat murni sehingga untuk spesifikasi larutan diperlukan variabel komposisi disamping P dan T. Komposisi larutan, misal dengan 3 komponen : A, B, dan C biasanya dinyatakan dengan fraksi mol:

NA +NB+ NC =1NA, NB,NC : fraksi mol komponen A, B, dan CnA, nB, nC : jumlah mol komponen A,B,dan CKebanyakan proses metalurgi berlangsung pada P dan T konstan sehingga sifat larutan tergantung komposisi. Energi bebas suatu sistem dengan 3 komponen di atas menjadi

G = G(nA, nB, nC) (P dan T : konstan)Diagram PhaseSemester GenapDosen Pengampu:Putri Nawangsari, S.T., M.Eng.REV. 001IstilahBagian dari sistem yang memiliki kerseragaman sifat fisik dan kimia. Definisi lain: zona/kawasan yang memiliki struktur atau komposisi berbeda dengan zona lainnya. Satu fasa bisa terdiri dari satu atau lebih komponen.1. Phase:

Aluminum-CopperAlloyIstilah4. Sistem dengan fasa tunggal disebut Homogen, sistem dengan fasa lebih dari satu disebut Campuran atau Sistem Heterogen.

5. Pelarut (solvent) komponen terbanyak (mayor) dalam suatu larutan, komponen minor disebut terlarut (solute)Penampilan grafis atau gambar dari phase-phase yang ada dalam sistem material pada berbagai suhu, tekanan, dan komposisi.2. Diagram Phase:Unsur kimia yang diketahui (Fe dan C pada baja karbon, H2O dan NaCl pada air garam3. Komponen:Batas KelarutanDefinisi:Jumlah maksimum suatu komponen yang dapat dilarutkan pada pelarutContoh Ilustrasi Phase dan Kelarutan (solubility):

Tiga bentuk fasa air:Solid, liquid, dan gasAlkohol dan air tidak memiliki batas kelarutanAir dan garam memiliki kelarutan yang terbatasAir dan minyak tidak memiliki kelarutan Efek Temperatur dan Komposisi

Perubahan Temperatur dapat mengubah fasa dari A ke BPerubahan Komposisi dapat mengubah fasa dari B ke DContoh batas kelarutan:

Apa yang terjadi jika satu poci dengan 700 gr air yang dijaga suhunya pada 60C dengan sebuah kompor, kemudian ditambahkan 300 gr gula? kemudian ditambahkan lagi 2.5 kg gula?Kesetimbangan

Tinjauan Energi Bebas (J. W. Gibbs, 1876)Aturan Phase Gibbs

p = jumlah phase yang terdapat dalam sistemc = jumlah komponen dalam sistemf = derajat kebebasan, jumlah variabel (tekanan, suhu, dan komposisi) yang masing-masing dapat diubah tanpa mengubah jumlah phase yang ada pada kondisi setimbangTitik UnivariantP = 2 phaseC = 1 komponen

2+F = 1+3F = 1 (satu derajat kebebasan)Aturan Phase Gibbs

Titik invariant (triple point)P = 3 phaseC = 1 komponen

3+F = 1+2F = 0 (nol derajat kebebasan)Artinya:tidak satupun variabel (tekanan, temperatur, dan kompisisi) yang dapat diubah sehingga tetap terdapat tiga phase pada titik tersebut.Artinya: satu variabel (suhu atau tekanan) yang dapat diubah tetapi jumlah phasenya tetap dua.Aturan Phase Gibbs

Titik BivariantP = 1 phaseC = 1 komponen

1+F = 1+2F = 2 (dua derajat kebebasan)Artinya: dua variabel (suhu dan tekanan) yang dapat diubah tetapi jumlah phasenya tetap satu.Sistem Diagram PhaseSistem UnaryDiagram Phase yang terdiri dari satu komponen, contoh pada air dan logam murni.

Sistem Diagram PhaseSistem BinaryDiagram Phase yang terdiri dari dua komponen, contoh pada campuran dan logam paduanUmumnya diagram phase binary yang digunakan dalam ilmu material adalah kurva temperatur vs komposisi dengan tekanan dipertahankan (1 atm), sehingga aturan phase Gibbs menjadi:P + F = C + 1

Sistem binary terdiri dari:Binary IsomorphousBinary eutektikSistem Diagram PhaseSistem Ternary

Diagram Phase yang terdiri dari tiga komponen, contoh pada logam paduan (baja stainless steel Fe-Cr-Ni)dengan tiga unsur.Sistem Diagram Phase

1.60% A | 20% B | 20% C = 100%2.25% A | 40% B | 35% C = 100%3.10% A | 70% B | 20% C = 100%4.0.0% A | 25% B | 75% C = 100%

5.? % A | ? % B | ? % C = 100%6.? % A | ? % B | ? % C = 100%7.? % A | ? % B | ? % C = 100%8.? % A | ? % B | ? % C = 100%

5.70 % A | 20 % B | 10 % C = 100%6.60 % A | 40 % B | 0 % C = 100%7.30 % A | 50 % B | 20 % C = 100%8.10 % A | 15 % B | 75 % C = 100%

Isomorphous:

jika dalam sistem dua komponen diagram phase hanya terdapat satu sistem struktur kristal (kedua komponen terlarut dengan sempurna baik dalam keadaan padat ataupun cair).

Sistem Binary IsomorphousSistem Binary Isomorphous

Hukum Hume-Rothery berlaku untuk sistem ini:

Struktur kristal dari larutan padat tiap elemen harus samaAtom tiap elemen mempunyai perbedaan ukuran 15%Elemen-elemen tersebut tidak membentuk komponen antara satu dengan lainnya sehingga tidak terdapat perbedaan elektronegatif yang cukup berarti.Kedua elemen memiliki elektron valensi yang samaCara Pembuatan Binary Isomorphous

24 aturan 1: jika diketahui T dan Co (komposisi), maka akan diketahui jumlah dan jenis fasa contoh:A (1100C, 60wt% Ni):1 phase: aB (1250C, 35wt% Ni):2 phases: L + a

Rules of Determining Number & Types of Phases(The lever arm rule/Aturan kaidah lengan)Lihat gambar disampingAturan Pengungkit Sistem Isomorphous

Buatlah garis horisontal pada daerah 2 phase pada temperatur dan komposisi yang ditentukan hingga memotong garis liquidus dan solidus.

2. Buat garis tegak lurus pada perpotongan tersebut hingga memotong sumbu horisontal untuk penentuan komposisi: CL untuk komposisi liquid C untuk komposisi Co untuk komposisi paduanAturan Pengungkit Sistem IsomorphousFL + FS = 1 FL = 1 - FsWo = FL wL + FS wSWo = (1 Fs ) wL + FS wS

Fraksi Solid:

FS = (Wo- wL)/(WS- wL)Fraksi Liquid:

FL = (WS- wo)/(WS- wL)

Komposisi: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 = wsmaka % fasa cair dan padat :

28 aturan 2: jika diketahui T dan Co, maka akan diketahui komposisi dari fasa

contoh: C0 = 35 wt%NiAt TA:Only Liquid (L)CL = C0 = 35 wt%NiAt TD:Only Solid (a)Ca = C0 = 35 wt%NiAt TB:Both a and LCL = CLiquidus = 32 wt%NiCa = CSolidus = 43 wt%Ni

29

Contoh lain: pada wo= 53% Niwl (32%)wo(35%)ws(43%)30% fasa cair dan padat:

wl (45%)wo(53%)ws(58%)31For the alloys listed below:60 wt% Ni-40 wt% Cu at 1100C35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250CPhase(s) that are presentThe composition of each phaseExample: Determine the phase(s) that are present and the composition of the phase(s)32

a60 wt% Ni-40 wt% Cu at 1100C(L)(1) Determine the phase(s) that are presentPoint A:a phase33

a60 wt% Ni-40 wt% Cu at 1100C (Point A):a(2) Determine the composition of each phaseCa = C0 = 60 wt% Ni34

a35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250C(L)(1) Determine the phase(s) that are presentPoint Ba + L phases

a35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250C (Point B):a + L(2) Determine the composition of each phase35 wt% Ni-65 wt% Cu at 1250C (Point B): in two phase (a + L) region(2) Determine the composition of each phase

42.53531.5Tie LineComposition (wt% Ni)CLC0CaDraw a tie lineComposition of L: intersection a/a+L CL = 31.5 wt% NiComposition of a: intersection L/a+L Ca = 42.5wt% NiConsiderCo = 35wt%NiUpon cooling L35wt% 32wt% 24wt% a46wt% 43wt% 36wt% Equilibrium cooling Sufficiently slow cooling rate gives enough time for composition readjustments

Equilibrium Cooling in a Cu-Ni Binary System

Perkembangan Struktur mikroSifat Mekanis Paduan Isomorphous

Reaksi Invariant

Sistem Binary Eutektik

Invarian Point

Daerah satu phase:Daerah dua phase:

Perkembangan Strukturmikro

Perkembangan StrukturmikroPerkembangan Strukturmikro

Perkembangan Strukturmikro

Diagram Phase Fe - C

Struktur Kristal Fe

Fasa pada Diagram Fe -CL - liquid (Ferrite)Larutan padat karbon -iron

Bcc structureParamagnetic (Austenite)Larutan padat karbon -iron

Fcc structureDuctileNon-magnetic (Ferrite)Larutan padat karbon -iron

Bcc structureFairly ductileFerromagneticFe3C (Cementite)Iron carbide

OrthorhombicHard, Brittleprimary: precipitated from Lsecondary: precipitated form tertiary: precipitated from Struktur Mikro Baja KarbonFerrite

AustenitePearlite

Struktur Mikro Baja Karbon

Ferrite and pearlite grainsat 0.1 % C Ferrite and pearlite grainsat 0.4 % C Pearlite and cemetite grainsat 1.3 % C 22Adapted fromFig. 9.27,Callister6e. (Fig. 9.27 courtesy Republic Steel Corporation.)HYPOEUTECTOID STEEL

Adapted from Figs. 9.21 and 9.26,Callister 6e. (Fig. 9.21 adapted from Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 1, T.B. Massalski (Ed.-in-Chief), ASM International, Materials Park, OH, 1990.)

23Adapted from Figs. 9.21 and 9.29,Callister 6e. (Fig. 9.21 adapted from Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 1, T.B. Massalski (Ed.-in-Chief), ASM International, Materials Park, OH, 1990.)Adapted fromFig. 9.30,Callister6e. (Fig. 9.30copyright 1971 by United States Steel Corporation.)HYPEREUTECTOID STEELEutectoid Steel

At 0.77%C by cooling from austenite (FCC) changes to BCC-ferrite (max 0.02%C) and excess C forms intermetalic cementite.

Chemical crystalline solid separation gives fine mixture of ferrite and cementite. Perlite (right), 1000XHypoeutectoid Steel

With less than 0.77%C from austenite by cooling transformation leads to growth of low-C ferrite growth. At 727deg.C austenite transforms in to pearlite.Mixture of proeutectoid ferrite (white) and regions of pearlite forms. Magnification 500X.

Hypereutectoid Steel

With more than 0.77%C, from austenite transformation leads to proeutectoid primary cementite and secondary ferrite. At 727 deg.C austenite changes to pearlite.Structure of primary cementite and pearlite forms.Magnification 500XCast IronsIron-Carbon alloys of 2.11%C or more are cast irons.Typical composition: 2.0-4.0%C,0.5-3.0% Si, less than 1.0% Mn and less than 0.2% S.Si-substitutes partially for C and promotes formation of graphite as the carbon rich component instead Fe3C.

4.6 Gray Cast IronComposes of: 2.5-4.0%C, 1.0-3.0%Si and 0.4-1.0% Mn.Microstructure: 3-D graphite flakes formed during eutectic reaction. They have pointed edges to act as voids and crack initiation sites.Sold by class (class 20 has min. tensile strength of 20,000 psi is a high C-equivalent metal in ferrite matrix ). Class 40 would have pearlite matrix.

4.6 Gray Cast IronProperties: excellent compressive strength, excellent machinability, good resistance to adhesive wear (self lubrication due to graphite flakes), outstanding damping capacity ( graphite flakes absorb transmitted energy), good corrosion resistance and it has good fluidity needed for casting operations.It is widely used, especially for large equipment parts subjected to compressive loads and vibrations. 4.6 White Cast IronComposes of: 1.8-3.6%C, 0.5-1.9%Si and 0.25-0.8%Mn.All of its carbon is in the form of iron-carbide (Fe3C). It is called white because of distinctive white fracture surface.It is very hard and brittle (a lot of Fe3C).It is used where a high wear resistance is dominant requirement (coupled hard martensite matrix and iron-carbide). Thin coatings over steel (mill rolls).4.6 Malleable Cast IronFormed by extensive heat treatment around 900 degC, Fe3C will dissociate and form irregular shaped graphite nodules. Rapid cooling restricts production amount to up to 5 kg. Less voids and notches.Ferritic MCI: 10% EL,35 ksi yield strength, 50 ksi tensile strength. Excellent impact strength, good corrosion resistance and good machinability.

4.6 Pearlitic Malleable Cast IronPearlitic MCI: by rapid cooling through eutectic transformation of austenite to pearlite or martensite matrix.Composition: 1-4% EL, 45-85 ksi yield strength, 65-105 ksi tensile strength. Not as machinable as ferritic malleable cast iron.Ductile Cast IronWithout a heat treatment by addition of ferrosilicon (MgFeSi) formation of smooth spheres (nodules) of graphite is promoted.Properties: 2-18% EL, 40-90 ksi yield strength, 60-120 ksi tensile strength. Attractive engineering material due to: good ductility, high strength, toughness, wear resistance, machinability and low melting point castability.4.6 Malleable Cast IronDuctile iron with ferrite matrix (top) and pearlite matrix (bottom) at 500X.Spheroidal shape of the graphite nodule is achieved in each case.

MicrostructureGlobular cast iron