Membuat Diagram Fasa

Diagram Fasa/ Diagram Kesetimbangan Fasa

• 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.
• Tujuan pemaduannya adalah untuk memperbaiki sifat logam
• Sifat yang diperbaiki adalah kekuatan, keuletan, kekerasan, ketahanan korosi, ketahanan aus, ketahanan lelah, dll.
• Fasa pada suatu material didasarkan atas daerah yang berbeda dalam struktur atau komposisi dari daerah lainnya.
• Fasa sama artinya dengan 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.

Diagram Fasa

• Istilah – Istilah

ú  Komponen

ú  Solid solution (larutan Padat)

ú  Batas kelarutan

ú  Fase

ú  Struktur Mikro

ú  Kesetimbangan Fase

Komponen

Komponen  adalah logam murni atau senyawa yang menyusun suatu logam paduan. Contoh : Cu - Zn (perunggu), komponennya adalah  Cu dan Zn

Solid Solution ( Larutan Padat )

Solid solution (larutan padat) : terdiri dari beberapa atom, minimal dua atom yang berbeda, atom terlarut menempati posisi substitusi atau interstisi pada kisi pelarut dan struktur kristal mengikuti struktur kristal pelarut.

Batas kelarutan (solubility limit)

Suatu logam paduan akan mempunyai maksimum konsentrasi dari atom terlarut yang akan larut pada pelarut. Jika atom terlarut konsentrasinya melampaui batas kelarutan maka sebagian atom tersebut tidak akan terlarut lagi. Untuk menggambarkan keadaan ini bisa dilihat contoh larutan air gula. Jika gula yang dicampur terlalu banyak maka gula tersebut tidak akan larut lagi

Fase

• Fase didefinisikan sebagai sistem yang homogen yang mempunyai sifat kimia dan sifat fisika yang seragam/uniform. Satu fase : contohnya logam murni, padatan, cairan.
• Lebih 1 fase : contohnya larutan air-gula dengan gula (larutan air-gula yang melampaui batas kelarutan).
•  Sistem fase tunggal → homogen
• Sistem 2 atau lebih fase → campuran atau sistem heterogen.

Struktur Mikro

• Sifat-sifat fisik suatu bahan seperti sifat mekanik tergantung dari struktur mikro. Struktur mikro diketahui dengan observasi mikroskopik menggunakan mikroskop optik atau mikroskop elektron. Pada logam paduan, penggolongan struktur mikro berdasarkan berapa jumlah fase, proporsinya dan bagaimana susunannya didalam bahan. Struktur mikro bergantung kepada jumlah elemen paduan, konsentrasinya dan perlakuan panasnya (temperatur, lamanya pemanasan, laju pendinginan).

Kesetimbangan Fase

• Kesetimbangan : jika sebuah sistem mempunyai energi bebas minimum pada temperatur, tekanan dan komposisi tertentu → tidak terjadi perubahan kondisi Makin tinggi energi bebas → gerak atom pada bahan makin acak dan tidak teratur. Secara makro : sifat-sifat sistem tidak berubah terhadap waktu → stabil Kesetimbangan fase : adalah kesetimbangan pada sistem yang terdiri lebih dari 1 fase. Masing-masing fase tidak mengalami perubahan.

§  Aluminium (Al)

Aluminium ialah logam yang berwarna putih terang dan sangat mengkilap dengan titik cair 6600C sangat tahan terhadap pengaruh Atmosphere juga bersifat electrical dan Thermal Conductor dengan koefisien yang sangat tinggi. Chromium bersifat non magnetic. Secara komersial Aluminium memiliki tingkat kemurnianhingga 99,9 % , dan Aluminium non paduan kekuatan tariknya ialah 60 N/mm2 dan dikembangkan melelui proses pengerjaan dingin dapat ditingkatkan sesuai dengan kebutuhannya hingga 140 N/mm2. 

Sifat-Sifat Teknis Bahan

Sifat Fisik Aluminium

Table 5, menunjukan sifat fisik aluminium

Nama, Simbol, dan Nomor	Aluminium, Al, 13
Sifat  Fisik
Wujud	Padat
Massa jenis	2,70 gram/cm3
Massa jenis pada wujud cair	2,375 gram/cm3
Titik lebur	933,47 K, 660,32 oC, 1220,58 oF
Titik didih	2792 K, 2519 oC, 4566 oF
Kalor jenis (25 oC)	24,2 J/mol K
Resistansi listrik (20 oC)	28.2 nΩ m
Konduktivitas termal (300 K)	237 W/m K
Pemuaian termal (25 oC)	23.1 µm/m K
Modulus Young	70 Gpa
Modulus geser	26 Gpa
Poisson ratio	0,35
Kekerasan skala Mohs	2,75
Kekerasan skala Vickers	167 Mpa
Kekerasan skala Brinnel	245 Mpa

Sifat Mekanik Aluminium

Sifat teknik bahan aluminium murni dan aluminium paduan dipengaruhi oleh konsentrasi bahan dan perlakuan yang diberikan terhadap bahan tersebut.

Aluminium terkenal sebagai bahan yang tahan terhadap korosi. Hal ini disebabkan oleh fenomena pasivasi, yaitu proses pembentukan lapisan aluminium oksida di permukaan logam aluminium segera setelah logam terpapar oleh udara bebas. Lapisan aluminium oksida ini mencegah terjadinya oksidasi lebih jauh. Namun, pasivasi dapat terjadi lebih lambat jika dipadukan dengan logam yang bersifat lebih katodik, karena dapat mencegah oksidasi aluminium.

Pembentukan diagram fasa Al-Ag

• 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 

• 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.

* Diagram Fasa Al – Si

Gambar di atas, memperlihatkan diagram fasa dari sistem Al-Si. Tampak fasa yang ada untuk semua paduan Al-Si pada rentang suhu 300˚C-1500˚C, gambar sebelah kiri, dan pada rentang 400˚C-1400˚C gambar sebelah kanan untuk berbagai macam variasi komposisi.

Pada diagram fase di atas, α (struktur kristal fcc) dan β (struktur kristal bcc) digunakan untuk menunjukkan dua fasa yang berbeda masing-masing digunakan untuk menunjukkan fasa Al dan Si. Dari diagram fasa di atas kita dapat menganalisa, bahwa suatu paduan senyawa yang terdiri dari kira-kira 98% Al dan 2%Si dipanaskan secara perlahan dari suhu ruang hingga 1500˚C.  Maka fasa yang terjadi selama proses pemanasan berlangsung adalah:

            Suhu ruang hingga 550˚C                      α + β

            550˚C hingga 600˚C                             α

            600˚C hingga 660˚C                             α + liquid

            660˚C hingga 1500˚C                           cairan

• Kristal tunggal terbentuk hanya pada fase liquid. Jadi dari analisa di atas, dapat disimpulkan bahwa kristal tunggal terbentuk dengan mengkombinasikan Al dan Si masing-masing sebesar 98% dan 2%, kemudian dipanaskan pada rentang suhu kira-kira antara suhu kamar sampai 700˚C, hingga terbentuk fasa liquid. Setelah itu, untuk memisahkan komponen kristal tunggal (kemungkinan terbesar, didapatkan kristal tunggal Al dengan perbandingan 98:2) dapat dilakukuan proses sintesis.
• Polikristal merupakan material yang memiliki banyak kristal dengan batas butir (grain boundary) yang menyertainya serta memiliki orientasi yang acak. Dari analisa diagram fase di atas, dapat diketahui bahwa untuk membentuk polikristal dari campuran Al dan Si, dapat diperoleh melalui paduan komposisi Al dan Si masing-masing 98% dan 2% dengan suhu sintering pada rentang kira-kira pemanasan dari suhu ruang sampai suhu 550˚C. Sehingga pada kondisi ini akan didapatkan akan dua fase secara bersamaan yaitu fase α dan β.
• Polikristal terorientasi adalah polikristal yang memiliki spin (domain) searah. Hal ini dapat diperoleh, dengan memberikan magnetic field pada material polikristal. Hingga pada akhirnya akan didapatkan polikristal yanng memiliki spin (domain searah). Arah spin pada material polikristal dapat dilihat melalui AFM (Atomic Force Microscope). Polikristal terorientasi, dapat kita temukan pada fasa (α+L) atau (β+L), jadi jika kita mengkombinasikan komponen Al:Si 98%:2% maka dapat kita sintering dari rentang suhu antara suhu kamar sampai kira-kira pada suhu 660˚C. 

* Magnesium

   Diagram Fasa Al-Mg

Aluminium lebih banyak dipakai sebagai paduan daripada logam paduan sebab tidak kehilangan sifat ringan dan sifat-sifat mekanisnya serta mampu cornya diperbaiki dengan menambah unsur-unsur lain. Unsur-unsur paduan yang tidak ditambahkan pada Aluminium murni selain dapat menambah kekuatan mekaniknya juga dapat memberikan sifat-sifat baik lainnya seperti ketahanan korosi dan ketahanan aus.

Keberadaan Magnesium hingga 15,35% dapat menurunkan titik lebur logam paduan yang cukup drastis, dari 660oC hingga 450oC. Namun, hal ini tidak menjadikan Aluminium paduan dapat ditempa menggunakan panas dengan mudah karena korosi akan terjadi pada suhu di atas 60oC. Keberadaan Magnesium juga menjadikan logam paduan dapat bekerja dengan baik pada temperatur yang sangat rendah, di mana kebanyakan logam akan mengalami failure pada temperatur tersebut. Gambar diagram fasa Aluminium-Magnesium dapat dilihat pada gambar di bawah ini : 

* Titanium

    Diagram Fasa Titanium

   Diagram Fasa Ti – Al

Demikian penjelasan tentang Diagram Fasa, semoga bermanfaat...