Bab 6 Diagram Fe Fe3c

PRODI D3 TEKNIK MESIN FTI ITS TM 090301

TEORI DAN PRAKTIKUM PENGETAHUAN BAHAN TEKNIK

158

BAB 6 DIAGRAM KESETIMBANGAN Fe – Fe3C 6.1. Diagram fase besi-karbon

Dalam besi cair karbon dapat larut, tetapi dalam keadaan padat kelarutan

karbon dalam besi akan terbatas. Selain sebagai larutan padat, besi dan karbon

juga dapat membentuk senyawa interstisial (interstisial compound), eutektik dan

juga eutektoid, atau mungkin juga karbon akan terpisah (sebagai grafit). Diagram

keseimbangan pada sistem paduan besi – karbon cukup kompleks, tetapi hanya

sebagian saja yang penting bagi dunia teknik yaitu bagian antara besi murni

sampai senyawa interstisialnya. Karbida besi Fe3C yang mengandung 6,67 % C.

Diagram fase yang banyak digunakan adalah diagram fase besi – karbida besi,

seringkali disebut diagram fase Fe – Fe3C.

Sebenarnya diagram fase besi – karbida besi ini bukan suatu diagram

keseimbangan yang sesungguhnya, karena karbida besi bukanlah struktur yang

akan terjadi pada keadaan yang benar-benar ekuilibrium. Diagram besi – karbida

besi ini merupakan diagram ekuilibrium karena perubahan-perubahan yang terjadi

berlangsung pada pemanasan dan pendinginan lambat.

Pada keadaan yang benar – benar ekuilibrium karbon akan berupa grafit,

sehingga diperoleh diagram keseimbangan besi – grafit. Perubahan – perubahan

dalam keadaan ekuilibrium berlangsung terlalu lama. Seharusnya karbida besi

akan terurai menjadi besi dan grafit, tetapi perubahan ini boleh dikatakan tidak

akan terjadi pada temperatur kamar (pada temperatur sekitar 700 oC pun

perubahan ini akan makan waktu bertahun-tahun). Dalam hal ini karbida besi

dikatakan sebagai suatu struktur yang metastabil. Diagram fase besi-karbida besi

dapat dilihat pada slide no.1.

Dari slide no.1. tampak bahwa diagram fase ini memiliki garis mendatar

yang menandakan adanya reaksi yang berlangsung secara isothermal (suhu

sama). Di garis dengan temperatur 15390 C berlangsung reaksi peritektik (daerah

ini tidak begitu penting untuk dunia teknik karena tidak dibahas secara terinci).

Pada garis dengan temperatur 11300 C berlangsung reaksi eutektik dan pada


garis dengan temperatur 7230 C berlangsung reaksi eutektoid. Diagram itu juga

sudah diberi label dengan istilah yang umum dipakai pada suatu diagram fase,

label dengan huruf yunani menandakan larutan padat. Dan karena pemakaian

yang begitu luas, maka setiap struktur yang ada pada diagram besi-karbida besi

memiliki nama khusus yang banyak dikenal. Slide no..2. adalah diagram fase Fe-

Fe3C dengan label nama yang umum digunakan pada sistem paduan besi-karbon.

Slide no.1. Diagram keseimbangan besi – karbida besi

Secara garis besar sistem paduan besi-karbon dapat dibedakan menjadi

dua yaitu baja dan besi tuang (cast iron). Dari diagram tampak bahwa baja tidak

mengandung struktur eutektik, karenanya itu mengapa sifatnya berbeda sekali

dengan besi tuang (yang strukturnya eutektik). Nama/istilah yang terdapat pada

diagram fase besi-karbida besi dapat dijelaskan sebagai berikut:


159


1. Cementit adalah karbida besi Fe3C, merupakan senyawa interstisial

mengandung 6,67% C. Sangat keras (± 650 BHN), getas dan kekuatan

rendah (± 350 kg/cm2). Struktur Kristal orthorhombik.

2. Austenite adalah larutan padat karbon dalam besi γ. Kekuatan tarik ± 1050

kg/cm2, kekerasan 40 Rc, ketangguhan tinggi. Biasanya tidak stabil pada

temperature kamar.

3. Ledeburite adalah suatu eutectic mixture dari austenite dan cementite,

mengandung 4,3%C, berbentuk 1130oC.

4. Ferrite adalah larutan padat karbon dalam besi α. Kelarutan karbon

maksimum 0,025% (pada 723%C), dan hanya 0,008% di temperature

kamar. Kekuatan rendah tetapi keuletan tinggi, kekerasan kurang dari 90

RB.

5. Pearlite adalah suatu eutectoid mixture dari sementite dan ferrit.

Mengandung 0,8% C, berbentuk pada 723oC.

6. Lower Critical Temperature ( temperature kritis bawah) A1, temperature

eutectoid. Pada diagram Fe – Fe3C tampak berupa garis mendatar di

temperature 723o C. Pada temperature ini terjadi reaksi eutectoid.

Austenit Ferrit + sementite (pearlite)

7. Upper Critical temperature ( temperatur kritis atas) A3, temperature awal

terjadinya perubahan allotropic dari γ ke α (pada pendinginan) atau akhir

perubahan allotropic dari α ke γ (pada pemanasan.

8. Garis solvus Acm merupakan batas kelarutan karbon dalam austennit.

Dengan menggunakan diagram keseimbangan memang mungkin dapat

diramalkan struktur yang akan terjadi pada suatu paduan (asalkan pada

kondisi ekuilibrium atau yang dapat dianggap ekuilibrium), dengan demikian

juga akan dapat diramalkan sifatnya.


160


Slide no.2. garis komposisi pendinginan pada diagram fase Fe3C

Ferrit adalah larutan padat interstisi karbon dalam besi α atau besi δ,

keduanya mempunyai struktur kristal BCC (Body Centerred Cubic), di bawah

tempertur Currie (770oC – A2), α ferrit bersifat ferromagnetik, lunak dan ulet

(kondisi anil)

Austenit adalah larutan padat interstisi karbon dalam besi γ, mempunyai

struktur kristal FCC (Face Cetered Cubic), bersifat tidak ferromagnetik, lunak dan

ulet (kondisi besi murni).

Sementit adalah karbida besi Fe3C, merupakan senyawa instistisi

mempunyai struktur kristal ortorombik bersifat keras dan getas.

Ledeburit adalah suatu stuktur duplek dari austenit γ dan sementit Fe3C,

hasil dari reaksi eutektik, mengandung 4,3% C, terbentuk pada temperatur 1130o

C.

pendinginan Cairan 4,3% C <== 1130o C ==> Austenite γ 2% C + Sementite Fe3C 6,7% C pemanasan


161


Pearlit adalah suatu struktur duplek dari ferrit α dan sementit Fe3C, dari

reaksi eutektoid, mengandung 0,8% C, dan terbentuk pada temperatur 723o C.

pendinginan Austenit γ 0,77% C <== 723o C (A1- A31) ==> Ferrit α 0,02% C + Sementite Fe3C

6,7% C pemanasan

6.2. Allotropi pada besi

Besi dikenal sebagai salah satu logam yang memiliki sifat allotropi. Allotropi

adalah perubahan fase besi karena pengaruh temperatur. Allotropi memiliki

bentuk lattice yang berbeda pada temperatur berbeda. Besi memiliki tiga macam

modifikasi allotropik. Besi murni cair yang didinginkan, akan mulai membeku pada

1535oC menjadi besi delta dengan struktur BCC. Pada 1400oC akan mengalami

transformasi allotropik menjadi besi gamma ( γ ) dengan struktur FCC. Besi

gamma ini tetap stabil sampai temperatur 9100C, dimana terjadi lagi transformasi

allotropik menjadi besi alpha (α) non magnetik dengan struktur BCC. Pada

pendinginan selanjutnya tidak lagi terjadi perubahan fase. Pada 768oC terjadi

perubahan dari α magnetik, tetapi tidak terjadi perubahan struktur kristal, tidak

terjadi perubahan fase. Pada setiap kali terjadi perubahan ditandai dengan adanya

pemberhentian penurunan temperatur (tampak sebagai garis mendatar pada

kurva pendinginan, slide no.2.). Ini berarti bahwa perubahan fase berlangsung

secara isothermal.

Semua proses transformasi tersebut berlangsung dengan adanya diffusi,

karena itu proses transformasi ini memerlukan waktu dan selama itu akan

dikeluarkan sejumlah panas laten, sehingga temperatur tertahan, dan tidak

menurun.

Masing – masing bentuk allotropik besi ini mempunyai kemampuan

melarutkan karbon yang berbeda – beda :


162


- Besi delta mampu melarutkan karbon sampai maksimum + 0,10% pada

+ 1500oC

- Besi gamma mampu melarutkan karbon sampai maksimum + 2,0% pada +

1130oC

- Besi alpha mampu melarutkan karbon sampai maksimum + 0,025%

pada + 723oC

Kemampuan melarutkan karbon akan berubah dengan berubahnya temperatur.

Keadaan ini merupakan hal penting pada besi/baja, terutama dalam hal proses

laku panasnya.

Karbon dapat larut dalam besi cair, tetapi kelarutannya akan terbatas dalam

besi padat. Selain sebagai larutan padat (ferrit α- δ dan austenit γ ), karbon dan

besi juga dapat membentuk senyawa interstisi (sementit Fe3C), ledeburit (γ +

Fe3C) dan pearlit (α+Fe3C). slide no.4.

Slide no. 4. Diagram kesetimbangan besi – karbida besi Fe - Fe3C


163


6.3. Transformasi pada baja eutektoid (0,80 % C)

Transformasi yang dibahas kali ini adalah transformasi yang terjadi pada

kondisi ekuilibrium. Untuk pembahasan ini digunakan diagram fase seperti terlihat

pada slide no.2.

Baja eutektoid, paduan besi – karbon dengan kadar C = 0,80 % adalah

paduan dengan komposisi eutektoid. Pada temperatur di atas garis liquidus

berupa larutan cair (liquid). Bila temperatur diturunkan secara perlahan, pada saat

mencapai garis liquidus (di garis 1) akan mulai terbentuk inti austenit yang

selanjutnya akan tumbuh menjadi dendrit austenit. Pembekuan selesai di garis 2

(pada garis solidus). Seluruhnya sudah menjadi austenit. Pada pendinginan

selanjutnya tidak terjadi perubahan hingga temperatur mencapai garis 3, di garis

A1, temperatur kritis bawah. Di sini austenit yang mempunyai komposisi eutektoid

ini akan mengalami reaksi eutektoid :

Austenit ferrit + sementit

Terbentuknya perlit ini dimulai dengan terbentuknya inti sementit (biasanya

pada batas butir austenit). Inti ini akan bertumbuh dengan mengambil sejumlah

karbon dari austenit disekitarnya (sementit, Fe3C, mengandung 6,67 % C sedang

austenit mengandung 0,8 % C). Sehingga austenit di sekitar inti sementit itu akan

kehabisan karbon dan austenit dengan kadar karbon yang sangat rendah pada

temperature ini akan menjadi ferrit ( transformasi allotropic ). Ferrit ini juga akan

semakin banyak, yaitu dengan mengambil besi dari austenit di sekitarnya,

sehingga austenit di sekitar ferrit itu akan kelebihan karbon dan mulai membentuk

sementit di sebelah ferrit yang ada. Demikian selanjutnya sampai seluruh austenit

habis, dan yang terjadi adalah suatu struktur yang berlapis – lapis ( lamellar) yang

terdiri dari lamel – lamel sementit – ferrit struktur ini dinamakan perlit. Skema

pembentukan perlit dan gambar struktur mikro dari perlit dapat dilihat pada

slide.no.5.


164


Slide. No.5. Struktur mikro perlit

6.4. Transformasi pada baja hypoeutektoid ( % C < 0,8 )

Sebagai contoh untuk pembahasan pada baja hypoeutektoid ini diambil

baja dengan 0,25 %C (slide no.6.). Paduan ini akan mulai membeku pada garis 1

dengan membentuk inti ferrit delta, yang nanti akan tumbuh menjadi dendrit ferrit

delta. Hingga temperatur ini mencapai garis 2 ( temperatur peritektik ) paduan

terdiri dari ferrit delta dan liquid. Pada garis 2 akan terjadi reaksi peritektik :

Ferrit delta + liquid austenit

pada paduan ini tidak semua liquid habis dalam reaksi itu sehingga pada

temperature dibawah garis 2 struktur terdiri dari liquid dan austenit. Semakin

rendah temperature semakin banyak liquid yang menjadi austenit, sehingga pada

garis 3 seluruhnya sudah menjadi austenit.

Perubahan berikutnya baru akan terjadi pada garis 4 atau (pada A3), akan

mulai terjadi transformasi allotropic γ menjadi α. Transformasi ini dimulai dengan

terbentuknya inti-inti ferrit pada butir austenit. Austenit pada paduan ini

mengandung 0,25%C sedang ferrit di temperature ini hanya mampu melarutkan

sedikit sekali karbon, karena itu austenit yang akan menjadi ferrit harus melepas

karbonnya sehingga sisa austenit akan menjadi lebih banyak mengandung karbon.


165


Makin rendah temperaturnya semakin banyak ferrit yang terbentuk dan semakin

tinggi kadar karbon pada sisa austenit (komposisi austenit akan mengikuti garis

A3). Pada saat mencapai garis 5 masih ada 0,25/0,80 % austenit, kadar karbonnya

0,8% (komposisi eutectoid). Sisa asutenit ini selanjutnya akan mengalami reaksi

eutectoid menjadi perlit. Pada temperature di bawah A1 paduan akan terdiri dari

ferrit (proeutectoid) dan perlit. Gambar struktur mikro dari setiap tingkatan

transformasi ini digambarkan pada slide no.6.

Setelah reaksi eutectoid berakhir, akan terdiri dari ferrit proeutectoid dan

perlit. Ferrit proeutektoid adalah ferrit yang terbentuk sebelum terjadinya reaksi

eutectoid, istilah ini digunakan untuk membedakannya dengan ferrit yang

terbentuk pada saat reaksi eutectoid (ferrit yang terdapat pada perlit). Pada

pendinginan selanjutnya sudah tidak lagi terdapat perubahan fase dan strukturnya

tetap terdiri dari butir-butir kristal ferrit dan butir kristal perlit. Pada mikroskop ferrit

tampak berwarna putih sedang perlit berwarna agak kehitaman (lihat slide no.7.)

Slide no.6. struktur mikro dari setiap tingkatan transformasi


166


Slide no.7. Mikro struktur dari besi hypoeutektoid, terlihat dahulu ferrit ( putih ) dan pearlite ( pembesaran 600x).

6.5 Transformasi pada baja hypereutektoid (0,8 < % C < 2,0)

Perhatikan suatu paduan dengan 2,06 % C (slide no.11.). Paduan mulai

membeku pada garis 1 dengan membentuk austenit dan pembekuan selesai di

garis 2, seluruhnya sudah berupa austenit. Selanjutnya tidak terjadi perubahan

sampai temperatur mencapai garis solvus Acm. Garis ini merupakan batas

kelarutan karbon dalam austenit, dan batas kelarutan ini makin rendah dengan

makin rendahnya temperatur. Pada garis 3 paduan telah mencapai batas

kemampuannya melarutkan karbon untuk temperatur itu. Pada temperatur

dibawah garis 3 kemampuan melarutkan karbon juga turun, berarti harus ada

karbon yang keluar dari larutan (austenit) Dan memang dengan pendinginan lebih

lanjut akan terjadi pengeluaran karbon, hanya saja karbon yang keluar ini akan

berupa sementit dan sementit ini mengendap pada batas butir austenit. Makin

rendah temperatur paduan makin banyak sementit yang mengendap pada batas

butir austenit dan austenit sendiri makin banyak Fe, dan pada temperatur garis 4 ,

komposisi austenit tepat mencapai komposisi eutektoid. Pada temperatur

eutektoid ini austenit akan mengalami reaksi eutektoid menjadi perlit.

Sementit yang mengendap pada batas butir austenit tidak membentuk

butiran seperti halnya ferrit ( yang terbentuk setelah melewati garis a1) , tetapi


167


hanya mengumpul pada batas butir austenit, menyelubungi butir austenit itu. Pada

mikroskop sementit ini tampak seperti jaringan yang membatasi austenit, karena

itu sementit seperti ini dinamakan cementite network. Secara tiga dimensi jaringan

sementit ini sebenarnya merupakan lempengan yang kontinyu dan membungkus

austenit.

Di temperatur eutektoid butir austenit bertransformasi menjadi perlit sedang

sementit sudah tidak lagi mengalami transformasi, sehingga strukturnya setelah

selesainya reaksi eutektoid akan berupa perlit yang terbungkus oleh jaringan

sementit. Struktur ini tidak lagi berubah pada pendinginan sampai ke temperatur

kamar. Slide no.7. memperlihatkan gambar struktur mikro baja hypereutektoid

pada temperatur kamar. Tampak butir-butir kristal perlit dikelilingi lapisan sementit

(cementite network berwarna putih). Slide no.8. memperlihatkan strukturmikro

yang terjadi pada setiap tahapan perubahan selama pendinginan baja

hypereutektoid.

Slide no.8. Struktur mikro baja hypereutektoid


168


Slide no.9. Memperlihatkan strukturmikro yang terjadi pada setiap tahapan perubahan selama pendinginan baja hypereutektoid

6.6. Transformasi pada besi tuang hypoeutektoid (2,0 < %C < 4,3)

Paduan ini mulai membeku pada garis 1 (slide no.11) dengan terbentuknya

inti austenit yang selanjutnya bertumbuh jadi dendrit austenit. Austenit yang mula-

mula terjadi mengandung sedikit sekali karbon, makin rendah temperaturnya

makin tinggi kadar karbonnya ( mengikuti garis solidus), sedang liquid juga

mengandung banyak karbon dengan makin turunnya temperatur ( mengikuti garis

liquidus) , sehingga waktu temperatur paduan mencapai garis 2 (temperatur

eutektik) austenit sudah mengandung 2,0% C, sedang liquid mengandung 4,3 %

C (komposisi eutektik). Pada saat mencapai temperatur ini paduan dengan 2,5 %

C terdiri dari austenit sebanyak (4,3%-2,5%)/(4,3%-2,0%) bagian dan sisa liquid

sebanyak (2,5%-2,0%)/(4,3%-2,0%) bagian. Sisa liquid sebanyak itu kemudian

mengalami reaksi eutektik :

Liquid austenit + sementit (eutectic mixture, ledeburite)


169


Setelah selesainya reaksi eutektik (ingat bahwa reaksi eutektik dan reaksi

eutektoid berlangsung secara isothermal) paduan akan terdiri dari austenit

proeutektik (disebut juga austenit primer, yang terbentuk langsung dari liquid) dan

ledeburit. Pada pendinginan selanjutnya kemampuan austenit melarutkan karbon

akan menurun, sehingga akan ada sementit yang keluar dari austenit. Sementit

yang keluar dari austenit ini dinamakan juga sementit sekunder. Keluarnya

sementit dari austenit terus berlangsung sampai temperatur mencapai garis 3 (

pada garis temperatur kritis bawah A1, temperatur eutectoid). Kandungan karbon

dalam austenit terus menurun karena keluarnya sementit itu, dan pada saat

mencapai garis 3 kadar karbon dalam austenit menjadi 0,8% ( komposisi

eutectoid), dan austenit selanjutnya akan mengalami reaksi eutektoid menjadi

perlit. Di bawah temperatur kritis bawah ini sudah tidak lagi terjadi perubahan fase.

Pada temperatur kamar paduan ini akan terdiri dari perlit, sementit dan

ledeburit (dengan austenitnya yang sudah bertransformasi menjadi perlit). Gambar

struktur mikronya terlihat pada slide no.9. Yang berwarna kehitaman adalah perlit (

tampak masih memperlihatkan bentuk dendritik), yang berwarna putih adalah

sementit dan yang putih dengan bintik-bintik hitam adalah ledeburit.

Slide no.10. Besi tuang putih hypoeutektik terdiri dendrit perlit dan cementite network disela dendrit.


170


Seringkali terjadi bahwa ledeburit tidak tampak seperti suatu eutectic

mixture seperti gambar di atas, tetapi sementit dan perlitnya terpisah. Ini terjadi

karena reaksi eutektik berlangsung pada temperatur yang cukup tinggi dan

austenit yang terjadi pada reaksi itu akan bergabung dengan austenit primer yang

sudah ada sebelumnya, dan meninggalkan sejumlah sementit yang terpisah.

Slide no.11. Besi tuang putih hypoeutektik.

Dari gambar-gambar di atas terlihat bahwa besi tuang ini mengandung

sejumlah besar sementit, suatu struktur yang sangat keras dan getas. Ini

menyebabkan besi tuang ini sangat keras dan getas sehingga tidak dapat

dibentuk dengan forming atau machining. Karena itu penggunaan besi tuang jenis

ini sangat terbatas. Besi tuang ini bila dipatahkan maka permukaan patahan akan

tampak berwarna putih mengkilat, karena itu besi tuang ini dinamakan besi tuang

putih (white cast iron).

Sementit sebenarnya bukan struktur yang stabil, ia adalah struktur yang

metastabil, yang masih dapat berubah menjadi struktur yang lebih stabil bila

mendapat cukup energi untuk itu. Misalnya sementit yang sudah terbentuk bila

dipanaskan kembali sampai temperatur yang cukup tinggi (tetapi masih di bawah

garis solidus) dan biarkan cukup lama maka sementit akan terurai menjadi besi

dan grafit, struktur yang lebih stabil bagi karbon. Grafit juga dapat terjadi pada


171


paduan besi-karbon bila pada pembekuannya didinginankan dengan laju

pendinginan yang sangat lambat atau dengan menambahkan unsur paduan

tertentu pada besi tuang untuk mendorong terbentuknya grafit (mencegah

terbentuknya sementit). Besi tuang yang karbonnya berupa grafit dinamakan besi

tuang kelabu (gray cast iron) karena patahannya akan berwarna kelabu. Besi

tuang kelabu lebih lunak, dapat di machining dan memiliki beberapa sifat yang

menguntungkan sehingga banyak digunakan.

6.7. Transformasi pada besi tuang kelabu ( Diagram fase Fe-Grafit)

Pada besi tuang kelabu tidak seluruh karbon berupa sementit (senyawa

interstisial Fe3C), sebagian besar dari karbonnya akan berupa karbon bebas,

grafit. Untuk membahas transformasi pada sistem paduan Fe-Grafit ini dipakai

diagram fase yang berbeda yaitu diagram fase Fe – Grafit, (slide no.11.).

Ada beberapa perbedaan antara diagram Fe-Fe3C dengan diagram Fe-

Grafit, antara lain :

- Reaksi eutektik dan eutektoid terjadi pada temperatur yang lebih tinggi.

- Reaksi eutektik tidak menghasilkan sementit tetapi grafit.

- Pada pendinginan austenit yang keluar bukan sementit tetapi grafit.

- Komposisi eutektik dan eutektoid sedikit bergeser ke kiri (eutektik dan

eutektoid pada sistem Fe-Grafit mengandung karbon lebih sedikit)

Transformasi yang terjadi selama pendinginan besi tuang kelabu hampir

sama dengan yang terjadi pada besi tuang putih, dengan sedikit perbedaan

mengingat perbedaan pada diagram fasenya.

Grafit pada besi tuang kelabu biasa berupa flake (serpih) yang bersambung

satu sama lain menjadi satu kesatuan yang kontinyu, walaupun pada gambar

mikronya tampa terpisah satu sama lain (slide no.12.). Karena grafit sangat lunak,

getas, kekuatannya sangat rendah, dan dalam besi tuang ini terbentuk serpih

(flake) yang ujung flake ini merupakan takikan yang tajam, maka besi tuang

kelabu mempunyai kekuatan, keuletan dan ketangguhan rendah. Tidak dapat

dibentuk dengan rolling, drawing, forging dsb.


172


Slide no.12. Transformasi pada besi tuang

Slide no.13. Besi tuang kelabu hypereutektik.


173


Pada gambar struktur mikronya (slide no.14.), grafit tampak seperti garis-

garis tebal yang terputus/terpisah yang berada dalam suatu matriks. Matriks ini

dapat berupa ferrit (slide no.14a.), perlit (slide no.14b.) atau campuran ferrit +

perlit. Matriks Ferrit dapat diperoleh bila semua karbon berupa grafit, sedang

matriks perlit terjadi bila hanya ada sebagian karbon dapat menjadi sementit (

terdapat pada lamel-lamel dalam perlit).

(a) (b)

Slide no.14. (a). Mikrostruktur ferrit dan (b). Mikrostruktur pearlite.


174

Bab 6 Diagram Fe Fe3c

Documents

Transcript of Bab 6 Diagram Fe Fe3c