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).

BAJA

BAJA HIPOEUTEKTOID BAJA HIPEREUTEKTOID

BESI

COR

~5%CMetals Handbook

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).


Segmen 2: Pengaruh kecepatan pendinginan terhadap struktur mikro baja




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 .


Segmen 3: Diagram transformasi isotermal (TTT Diagram)




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


Segmen 4: Diagram transformasi menerus (CCT) baja dan pengaruh unsur pemadu




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


Segmen 5: Transformasi perlitik dan perbedaan struktur mikro baja




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


Segmen 6: Struktur Martensit




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 :


Segmen 7: Transformasi martensitik non-ferrous




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

https://www.youtube.com/watch?v=2lv6Vs12jLc

https://www.youtube.com/watch?v=wI-qAxKJoSU

https://www.youtube.com/watch?v=wI-qAxKJoSU

https://www.youtube.com/watch?v=s62PL5vmfNw

https://www.youtube.com/watch?v=s62PL5vmfNw

MS

Mf

AS

Af

Deformasi

plastis

Pemanasan Pendinginan

Bentuk awal

dengan struktur

martensit

Bentuk terdeformasi

plastis

Berubah bentuk seperti

semula dengan struktur

austenit

Temperatur

SHAPE MEMORY ALLOY (SMA)

MODUL 7 Transformasi Fasa Difusional-III

Documents