MODUL 7 Transformasi Fasa Difusional-III
Transcript of MODUL 7 Transformasi Fasa Difusional-III
MODUL 7Transformasi Fasa dalam Baja
Segmen 1: Fasa-fasa dalam Baja
Program Studi Teknik Metalurgi, Fakultas Teknik Pertambangan dan Perminyakan, Institut Teknologi Bandung
Prof. Ir. Eddy Agus Basuki, M.Sc. Ph.D.Tria Laksana Achmad, ST. MT. Ph.D.
MG-3113 Transformasi Fasa dan Perlakuan Panas
dalam keadaan
murni merupakan
material yang relatif lunak
Dengan keberadaan unsur karbon (C) maka dapat diperoleh
penguatan material yang menjadikannya sebagai atau
, tergantung pada yang ada di dalamnya
C
(a) (b)
a) dan b) Posisi interstisi oktahedral
dan tetrahedral di dalam kristal BCC
(c) (d)
c) dan d) oktahedral dan tetrahedral
dalam kristal FCC
Dalam keadaan padat (kristalin), atom-atom C
dengan jari-jari lebih kecil dibanding jari-jari atom
Fe (0,8oAngstrom untuk C dibandingkan
1,28oAngstrom untuk Fe) akan menempati posisi
rongga antara atom-atom Fe, atau disebut dengan
.
Paduan antara Fe dan C seperti ini dikenal sebagai
.
Struktur kristal Jari-jari lubangJari-jari lubang di
dalam kristal besi (oA)
BCCTetrahedral 0,29r 0,37
Oktahedral 0.15r 0,19
FCCTetrahedral 0,23r 0,28
Oktahedral 0,41r 0,51
Karena jari-jari rongga antar atom
Fe (yang kira-kira hanya 0,51oA
dalam kristal FCC)
Unsur Jari-jari atom, r (oA) r/rFe
Besi alfa (α-Fe) 1,28 1,00
B 0,94 0,73
C 0,77 0,60
N 0,72 0,57
O 0,60 0,47
H 0,46 0,36
Ukuran lubang terbesar yang mungkin ditempati atom interstisi di
dalam struktur kristal BCC dan FCC besi. Keterangan; r menyatakan
jari-jari atom pembentuk kristal yaitu Fe
Ukuran atom unsur non metalik dan
perbandingannya terhadap ukuran atom besi
keberadaan atom
interstisi C ini akan
memberikan
kristal
memberikan pengaruh hambatan
terhadap pergerakan dislokasi
yang memberikan efek
Fasa Temperatur (oC)Kelarutan
% berat % atom
C di besi gama (γ-Fe)1150 2,04 8,8
723 0,80 3,6
C di besi alfa (α-Fe)723 0,02 0,095
20 <0,00005 <0,00012
N di besi gama (γ-Fe)650 2,8 10,3
590 2,35 8,75
N di besi alfa (α-Fe)590 0,10 0,40
20 <0,0001 <0,0004
Proses perlakuan panas guna memperkeras
dan memperkuat baja melalui perlakuan
di dalam
kristal besi dari
pada di dalam karena
yang tersedia
walaupun dalam kristal FCC atom-atomnya
lebih tertumpuk padat
Kelebihan kelarutan karbon dalam
Fe akan berikatan sebagai
yang akan menambah
kekuatan dan kekerasan baja.
Kelarutan C dan N di
dalam besi alfa pada
temperatur kamar
sangat rendah
Fe3C atau sementit,
atau karbida-
karbida lain seperti
W, Ta, V dan Nb
Kelarutan C dan N di dalam besi gama dan besi alfa
0.1
1400
1200
1000
800
600
400
Fe C % berat C
1 2 3 4
T (oC)
1600
5 6 6,67 Fe3C
α + Fe3C α + Grafit atau
+ Fe3C atau + Grafit
α
+α
+cairan
Cairan
+cairan
+ Fe3C +cairan
Grafit +cairan
2.08 4,26
4,30 1154oC
1148oC
738oC
723oC
Selang komposisi
baja Selang komposisi
besi cor
1493oC
2.11
0.77
0.68
0.0218
Pentingnya pemahaman diagram fasa sistem kesetimbangan Fe-C dan sistem metastabil Fe-Fe3C.
Diagram fasa metastabil yaitu sistem Fe-
Fe3C yang biasanya berlaku untuk baja.
Metastabil karena Fe3C dapat
terdisosiasi menjadi Fe dan grafit (C
bebas) sehingga sistemnya menjadi
sistem stabil Fe-C (biasanya untuk besi
cor kelabu dan nodular).
Pergeseran garis A1, A3 dan Acm karena pemanasan dan pendinginan
Garis Ae1 (atau A1), Ae3 (atau A3) dan Aecm
(atau Acm): untuk
. Huruf e
singkatan dari equilibrium.
Untuk , akan ada pergeseran
ketiga garis tersebut , tergantung dari
kecepatan pemanasannya. Notasinya
menjadi Ar1, Ar3 dan Arcm, dimana r singkatan
dari refroidisant.
Untuk akan ada pergeseran
ketiga garis tersebut , tergantung
dari kecepatan pendinginannya. Notasinya
menjadi Ac1, Ac3 dan Accm, dimana c
singkatan dari chauffant (bhs Perancis).
MODUL 7Transformasi Fasa dalam Baja
Segmen 2: Pengaruh kecepatan pendinginan terhadap struktur mikro baja
Program Studi Teknik Metalurgi, Fakultas Teknik Pertambangan dan Perminyakan, Institut Teknologi Bandung
Prof. Ir. Eddy Agus Basuki, M.Sc. Ph.D.Tria Laksana Achmad, ST. MT. Ph.D.
MG-3113 Transformasi Fasa dan Perlakuan Panas
Dengan
maka struktur mikro seperti
yang diprediksi dari diagram
fasa metastabil Fe-Fe3C akan
diperoleh.
Namun dengan pendinginan
, maka transformasi
austenit menjadi ferit dan
sementit dapat terhambat,
menghasilkan fasa metastabil
.
0,008 0,012 0,02 0,2 0,5 1,2
Fe 0,8 2,0 %C
910
+ Fe3C
Baja 1 Baja 2 Baja 3
B
C
A
D
E
T (oC)
810 780 720
A3
A1
Acm
0,008 0,012 0,02 0,2 0,5 1,2
Fe 0,8 2,0 %C
910
+ Fe3C
Baja 1 Baja 2 Baja 3
B
C
A
D
E
T (oC)
810 780 720
A3
A1
Acm
Baja dapat diperkuat / diperkeras melalui .
Martensit adalah fasa metastabil hasil transformasi tanpa difusi dari fasa austenit γ (berstruktur krital FCC : face
centered cubic) menjadi .
Penguatan diperoleh dari akibat pergeseran ketika terjadi transformasi martensitik, sehingga
menyebabkan dislokasi sulit bergerak.
Struktur atau fasa mastensitik biasanya .
Untuk menurunkan kekerasan dan mengontrol ketangguhan baja, maka biasanya dilakukan .
Perlakuan panas yang sering diterapkan:
Temperatur mulai terbentuknya martensit ( )
dan selesainya transformasi martensit ( ).
Ms dan Mf dengan
di dalam baja.
Untuk baja karbon rendah (<0,2%C) dan baja karbon medium
(0,2-0,6%C), pada temperatur kamar diperoleh martensit 100%
sehingga tidak akan ada austenit sisa ( ).
Selain karbon, unsur-unsur pemadu lainnya juga berpengaruh
terhadap Mf dan Ms .
MODUL 7Transformasi Fasa dalam Baja
Segmen 3: Diagram transformasi isotermal (TTT Diagram)
Program Studi Teknik Metalurgi, Fakultas Teknik Pertambangan dan Perminyakan, Institut Teknologi Bandung
Prof. Ir. Eddy Agus Basuki, M.Sc. Ph.D.Tria Laksana Achmad, ST. MT. Ph.D.
MG-3113 Transformasi Fasa dan Perlakuan Panas
Untuk memahami kinetika transformasi austenit maka penting untuk memperhatikan dan
mengikuti proses transformasi yang berlangsung pada temperatur tetap ( ).
Diagram transformasi isothermal seperti ini sering pula disebut dengan (
).
Waktu (menit)
T(oC)
800
700
600
500
400
300
200
100
1 10 102 10
3 10
4 105
Awal transformasi
Akhir transformasi
Martensit
Perlit
Austenit
Ms
Mf
Diagram waktu (time),
temperatur dan
transformasi (TTT diagram)
untuk baja eutektoid
Reed-Hill
yang digunakan untuk mendapatkan
bagian dari kurva pada diagram TTT baja eutektoid
pada temperatur isotermal 1200oF atau kira-
kira=650oC.
Enam sampel dipanaskan pada temperatur
austenit, kemudian didinginkan ke 1200oF (650oC),
dan masing-masing
sampel didinginkan setelah dipanaskan pada
(2, 5, 10, 20, 30 dan 40
detik)
dalam
masing-masing sample-sample dihitung/diukur
secara metalografi.
Plot antara
menjadi perlit terhadap .
Bila kemudian percobaan yang sebelumnya
dilakukan untuk mendapatkan transformasi
pada temperatur 1200oF (650oC), juga dilakukan
dengan cara yang sama tetapi pada
atau yang
berbeda, misalnya T1, T2,T3,T4 dst, maka akan
diperoleh bentuk yang
menghubungkan antara
yang terbentuk atau austenit
yang tertransformasi.
Plot pada dua dimensi akan menghasilkan
, yang dibatasi oleh dua kurva, yaitu
kurva awal transformasi (1% terbentuk) dan
akhir transformasi (99% terbentuk).
1% perlit
50% perlit
99% perlit
Fraksi perlit yang terbentuk
dalam diagram TTT
Kurva transformasi
isotermal pada temperatur
700oF (370oC)
Reed-Hill
TTT diagram baja karbon
eutectoid dengan tambahan
ilustrasi persen fasa tertransform
(austenit menjadi perlit) pada
temperatur isothermal T1 dan T2
MODUL 7Transformasi Fasa dalam Baja
Segmen 4: Diagram transformasi menerus (CCT) baja dan pengaruh unsur pemadu
Program Studi Teknik Metalurgi, Fakultas Teknik Pertambangan dan Perminyakan, Institut Teknologi Bandung
Prof. Ir. Eddy Agus Basuki, M.Sc. Ph.D.Tria Laksana Achmad, ST. MT. Ph.D.
MG-3113 Transformasi Fasa dan Perlakuan Panas
Ketika pendinginan tidak
secara isotermal melainkan
menerus, maka akan ada
terjadinya transformasi,
sehingga akan ada sedikit
.
“Nose” perlit
Keberadaan unsur-unsur
pemadu di dalam baja dapat
mempengaruhi diagram TTT
dan CCT.
Penambahan
akan menggeser
pembentukan ,
sehingga memungkinkan
.
Pengaruh penambahan unsur
dalam baja
yang menggeser kurva
dan
dengan jelas pembentukan
.
Waktu (detik)
1 10 102 103 104 105
T(oC)
300
400
500
600
700
800
Austenit (γ)
Ms
Mf
Baja karbon Baja paduan rendah
dengan
penambahan Cr, W,
V dan Mo
Perlit
Bainit
800
700
600
500
400
300
200
10 102 103 104
Perlit
Bainit
Awal pembentukan perlit
Akhir pembentukan perlit
Awal pembentukan bainit
Akhir pembentukan bainit
T(oC)
Waktu (detik)
CCT diagram untuk baja yang
mengandung W dan Mo yang
memberikan transformasi austenit
menjadi bainit serta variasi
kecepatan pendinginan yang
memberikan variasi struktur mikro.
800
700
600
500
400
300
200
10 102 103 104
T(oC)
Waktu (detik) 25
105 106
Temperatur austenisasi Ac3
Ac1
Austenit → Bainit
Austenit → Martensit
Austenit → Ferit
Austenit → Perlit
M M+B M+B+F
M+B+P+F
P+F
M = Martensit
B = Bainit
F = Ferit
P = Perlit
Buat sketsa jalur pendinginan isothermal untuk
menghasilkan struktur mikro:
a) 100% perlit kasar
b) 50% perlit halus dan 50% bainit
c) 100% martensit
d) 50% martensit dan 50% austenit
(a) Baja karbon (carbon steel) dengan komposisi kimia:
C= 0,39%, Si = 0,23%, S = 0,018, P =
0,010
(b) Baja karbon (carbon steel) dengan komposisi kimia: C=
0,39%, , Si = 0,21%, S = 0,024, P = 0,010
MODUL 7Transformasi Fasa dalam Baja
Segmen 5: Transformasi perlitik dan perbedaan struktur mikro baja
Program Studi Teknik Metalurgi, Fakultas Teknik Pertambangan dan Perminyakan, Institut Teknologi Bandung
Prof. Ir. Eddy Agus Basuki, M.Sc. Ph.D.Tria Laksana Achmad, ST. MT. Ph.D.
MG-3113 Transformasi Fasa dan Perlakuan Panas
Inti Fe3C terbentuk Pertumbuhan koloni
perlit berlangsung
Ketika plat Fe3C
terbentuk dari yang
memiliki komposisi
0,8%C diperlukan
dari fasa induknya yaitu
semakin menebalnya plat Fe3C
maka pasokan karbon melalui
mekanisme difusi ini
menyebabkan daerah
disekeliling plat Fe3C yang
tumbuh akan
terjadi
di
austenit di
sekitar plat
sementit
Pada saat pembentukan dan
pertumbuhan plat sementit
Pada saat pembentukan
dan pertumbuhan plat ferit
Selama pertumbuhan plat ferit
ini akan terjadi
ke
dalam fasa induknya yaitu
austenit di permukaan plat
ferit yang tumbuh
menyebabkan
karbon di fasa induk
austenitnya di sekitar
permukaan ferit yang tumbuh
Akumulasi atom karbon ini
suatu saat akan mencapai
konsentrasi kesetimbangan
pembentukan sementit
sehingga terbentuk
Struktur mikro baja
hiper-eutektoid
Struktur mikro baja
eutektoid
Struktur mikro baja
hipo-eutektoid
PerlitPerlit Ferit primer Perlit
Jaringan sementit
di sepanjang batas
butiran perlit
Metals Handbook
Struktur mikro lath
martensit
Struktur mikro bainitStruktur mikro perlit
Plat sementit Plat ferit
Bainit
Martensit
Metals Handbook
MODUL 7Transformasi Fasa dalam Baja
Segmen 6: Struktur Martensit
Program Studi Teknik Metalurgi, Fakultas Teknik Pertambangan dan Perminyakan, Institut Teknologi Bandung
Prof. Ir. Eddy Agus Basuki, M.Sc. Ph.D.Tria Laksana Achmad, ST. MT. Ph.D.
MG-3113 Transformasi Fasa dan Perlakuan Panas
Pada awalnya nama atau istilah
martensit diberikan pada produk
yang sangat keras dan memiliki
atau
hasil pendinginaan cepat
baja dari temperatur di atas A3
Transformasi dari austenit yang FCC menjadi martensit
yang tetragonal di dalam baja karbon menengah dan baja
karbon tinggi berlangsung pada temperatur kira-kira di
bawah 200oC dalam yaitu
hanya dalam orde kira-kira kurang dari 10-4 detik saja.
Fakta ini menunjukkan bahwa transformasi martensit ini tidak mungkin berlangsung melalui difusi sebagaimana
yang berlangsung misalnya pada transformasi fasa austenit menjadi ferit atau austenite menjadi perlit yang
terjadi melalui proses pengintian dan pertumbuhan.
Pengamatan mendalam menggunakan mikroskop elektron transmisi menunjukkan bahwa transformasi
martensitiK berlangsung melalui dalam kristal austenit.
Fakta ini menunjukkan bahwa transformasi martensit ini tidak mungkin berlangsung melalui difusi sebagaimana
yang berlangsung misalnya pada transformasi fasa austenit menjadi ferit atau austenite menjadi perlit yang
terjadi melalui proses pengintian dan pertumbuhan.
Pengamatan mendalam menggunakan mikroskop elektron transmisi menunjukkan bahwa transformasi
martensitiK berlangsung melalui dalam kristal austenit.
Pembentukan struktur martensit yang menyebabkan relief
pada permukaan baja
Distorsi kisi atau kristal dalam
martensit terjadi karena
(BCT) bagian austenit seperti
ditunjukkan pada (A) atau (B)
(BCC) seperti
ditunjukkan pada (C).
Bagian dari
yang menyebabkan
perubahan dalam
struktur kristal adalah
deformasi murni dan
biasanya disebut
Pada tahun 1924 menyarankan bahwa transformasi austenit (fasa induk ) menjadi martensit
dalam baja dapat diterangkan oleh pembentukan kisi body-centred tetragonal (BCT) dari kisi fasa
induk austenit yang face-centered cubic (FCC)
ao√2→a
y
Ekspansi 12%
Kontraksi 20%
Ekspansi 12% x
z, z’
y’ x’
ao√2→a
a o→
c
Variasi parameter kisi a dan c sebagai
fungsi kandungan karbonnya.
Posisi interstisi (atom C) yang
mungkin dalam kisi kristal BCC
Distorsi yang relatif besar
yang diperlukan agar
atom C dapat menempati
posisi interstisi di BCC
(diameter C=1,54 A
sedangkan diameter
ruangan interstisi hanya
0,346 A).
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Kisi asal fasa
induk
Kisi kristal setelah
pergeseran homogen
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Deformasi kisi ditambah
dengan slip
Deformasi kisi ditambah dengan
kembaran yang tidak seragam
menghasilkan perubahan bentuk tertentu
Pembentukan kembaran oleh
adanya tegangan geser
Plat kembaran martensit yang
terbentuk di dalam butiran austenitDeformasi geser (shear
deformation)
Penampang yang menunjukkan relief
Martensit dalam Fe-C secara garis besar dikelompokkan menjadi dua tipe:
1. (tipe 1) memiliki kerapatan dislokasi yang tinggi dengan atau tanpa kembaran.
2. martensit (tipe 2) yang mengandung substruktur internal dari
kembaran dengan atau tanpa dislokasi.
Struktur dalam
baja denganStruktur dalam
baja dengan
Baja dengan :
MODUL 7Transformasi Fasa dalam Baja
Segmen 7: Transformasi martensitik non-ferrous
Program Studi Teknik Metalurgi, Fakultas Teknik Pertambangan dan Perminyakan, Institut Teknologi Bandung
Prof. Ir. Eddy Agus Basuki, M.Sc. Ph.D.Tria Laksana Achmad, ST. MT. Ph.D.
MG-3113 Transformasi Fasa dan Perlakuan Panas
adalah transformasi
yang tidak melibatkan difusi atom
( ).
Selama transformasi masing-masing atom
dan tidak ada pertukaran diantara atom-
atomnya.
Transformasinya
yang merupakan karakteristik
transformasi yang dikontrol difusi atau yang
dikontrol antarmuka.
Tak adanya difusi berarti bahwa produk
martensitnya memiliki
.
Displacive, artinya
terjadi pergeseran
bidang kisi
Tanpa difusi
Kinetika dan morfologinya
ditentukan oleh energi
regangan yang muncul dari
pergeseran bidang kisi
Pada prinsipnya ada tiga karakteristik yang mencirikan transformasi martensitik: Perlu dicatat disini bahwa
(brittle).
Martensit yang terbentuk dalam baja adalah getas
karena yang dihasilkan oleh atom-atom
karbon yang tinggal di dalam kisi BCT .
Dalam (misal Fe-30%Ni
dan Ni-35%Al), pengerasannya tidak terlalu besar
karena .
Martensit tidak saja terjadi dalam baja, namun dapat terjadi dalam paduan non-ferrous, seperti
misalnya yang terjadi dalam fasa β-NiAl dalam serta dapat pula terjadi dalam
yang memiliki (shape memory alloy) yang banyak
digunakan sebagai atau elektronika.
Fasa β-NiAl dalam paduan biner Ni-Al
Porter & Easterling
Stent - Nitinol
✓ Tidak memerlukan operasi yang besar
✓ Kebanyakan pasien tidak memerlukan bius
✓ Jarang menimbulkan komplikasi
merupakan silinder kecil yang dimasukkan ke dalam pembuluh darah
agar pembuluh darah tetap terbuka sehingga darah dapat mengalir dengan lancar
merupakan paduan ekuatomik dan yang ditemukan oleh W. J.
Buehler dari US pada tahun 1963
dan pseudo-
elastis
✓ Modulus elastisitas
rendah
✓ Kekuatan tekan yang kuat
✓ Ketahanan fatigue yang
baik
✓ Ketahanan korosi yang
baik
✓ Sifat damping yang baik
✓ BiokompabilitasHow NASA Reinvented The Wheel - Shape Memory Alloys
https://www.youtube.com/watch?v=2lv6Vs12jLc
MS
Mf
AS
Af
Deformasi
plastis
Pemanasan Pendinginan
Bentuk awal
dengan struktur
martensit
Bentuk terdeformasi
plastis
Berubah bentuk seperti
semula dengan struktur
austenit
Temperatur