Transformasi Fasa Revisi.pptx

Transformasi Fasa

NUKLEASI HOMOGEN Diskusi teori nukleasi melibatkan parameter termodinamika yang disebut sebagai energi bebas. Energi bebas adalah fungsi dari parameter termodinamika, yang salah satunya adalah energi internal dari sistem (entalpi, H) dan pengukuran keacakan atau gangguan dari atom atau molekul (entropi, S). Parameter termodinamika yang penting adalah perubahan energi bebas ΔG, transformasi akan terjadi secara spontan hanya ketika ΔG memiliki nilai negatif. Diasumsikan bahwa nukleus dari fasa padat terbentuk di bagian dalam cairan ketika atom bergerombol bersama sehingga membentuk susunan pengepakan yang mirip dengan yang ditemukan dalam fasa padat. Selanjutnya, akan diasumsikan bahwa setiap inti adalah bulat dalam geometri dan memiliki radius r.

Gambar 10.1 diagram skematik yang menunjukkan nukleasi partikel padat bulat dalam cairan.

Ada dua kontribusi terhadap total perubahan energi bebas yang menyertai transformasi solidifikasi, yaitu : 1. Perbedaan energi bebas antara fase padat dan cair, atau volume energi bebas ΔGv. Nilainya akan negatif apabila suhu di bawah suhu solidifikasi kesetimbangan, dan magnitude dari kontribusi produk ΔGv dan volume inti bulat . 2. Kontibusi hasil pembentukan fase padat-cair batas selama transformasi pemadatan. Terkait dengan batas ini permukaan energi bebas ϒ positif. Besarnya kontibusi ini adalah produk dari ϒ dan luas permukaan ini . Total perubahan energi bebas sama dengan jumlah dari dua kontribuasi tersebut, yaitu :

Karena r* dan ΔG* maksimum pada kurva energi bebas versus kurva radius pada gambar 10.2b, derivatif dari kedua parameter ini adalah maslah sederhana. Untuk r*, kami membedakan persamaan ΔG dengan menghubungkan r, sehingga dihasilkan ekspresi permasaan sama dengan nol dan memecah r (=r*), yaitu

Subsitusi r* pada persamaan 10.1

Dapat ditunjukan bahwa G adalah fungsi suhu

Substitusi ΔGv ke persamaan 10.3 dan 10.4

dan

Dari dua persamaan tersebut jari-jari kritis dan energi bebas aktivasi berkurang ketika T menurun.

jumlah inti stabil (memiliki r lebih besar dari) adalah fungsi temperatur sebagai

Efek difusi ini terkait dengan frekuensi di mana atom dari cairan menempel pada inti padat,. Atau, ketergantungan pada suhu sama dengan koefisien difusi — yaitu

Ekspresi Tingkat nukleasi untuk nukleasi homogen

K3 adalah nomor atom pada permukaan inti . Gambar 10.4c secara skematis menggambarkan laju nukleasi sebagai fungsi temperatur . Gambar 10.4a dan 10.4b menunjukan dari mana kurva N diturunkan. Catatan (gambar 10.4c) dengan penurunan suhu dari bawah, tingkat nukleasi pertama meningkat, mencapai maksimum, dan kemudian berkurang.

• Dari Gambar 10.4c bahwa selama pendinginan cairan, tingkat nukleasi yang cukup besar (yaitu, pemadatan) akan dimulai hanya setelah suhu telah diturunkan ke bawah menuju titik(Tm). Fenomena ini disebut supercooling (atau undercooling), dan tingkat supercooling untuk nukleasi homogen mungkin signifikan (pada urutan beberapa ratus derajat Kelvin) untuk beberapa sistem. Pada Tabel 10.1 ditabulasikan, untuk beberapa bahan, derajat supercooling khas untuk nukleasi homogen.

Nukleasi Heterogen • Nukleasi Heterogen : bentuk pada struktur yang tidak homogen (terjadi pada permukaan, impuritas, batas butir, dislokasi), pada fasa liquid lebih mudah terjadi karena kestabilan permukaan nukleasi sudah terjadi; membutuhkan sedikit pendinginan-supercooling (0.1-10ºC).

• Gambar 1. Nukleasi heterogen antara zat padat dari suatu cairan. Permukaan-padat (ySI), padat-cair (ySL), dan permukaan-cair(yIL) energi antarmuka terwakili oleh vektor.

• Gambar 2. Skema plot energi bebas versus embrio / nukleus di mana menyajikan kurva untuk nukleasi homogen dannukleasi heterogen.

• Untuk nukleasi heterogen, jari-jari dari inti partikel padat yang stabil:

• Untuk nukleasi heterogen,energi aktivasi yang diperlukan untuk pembentukan nukleus stabil

Growth • Nukleasi ini akanya tumbuh membesar membentuk fasa baru. Pertumbuhan fase ini akan selesai jika pertumbuhan tersebut berjalan sampai tercapai fraksi baru

Gambar 3. Laju nukleasi versus suhu untuk nukleasi homogen dan heterogen.

• Gambar 4. Skema plot yang menunjukkan kurva untuk laju nukleasi (N), laju pertumbuhan (G), dan tingkat transformasi keseluruhan versus suhu. • Partikel growth terjadi oleh difusi atom jarak jauh, yang biasanya melibatkan beberapa langkah — misalnya, difusi melalui fase induk, melintasi fase batas, dan kemudian ke dalam nukleus. Akibatnya, tingkat pertumbuhan ditentukan oleh tingkat difusi, dan ketergantungan temperaturnya sama dengan koefisien difusi • Partikel growth bergantung pada energi aktivasi untuk suhu dan difusi. Dengan rumus energi aktivasi:

Pertimbangan Kinetika Pada Transformasi Benda Padat • Laju transformasi yang merupakan fungsi waktu (sering disebut kinetika transformasi) adalah penting dalam perlakuan panas bahan. • Pada penelitian kinetik akan didapat kurva S yang di plot sebagai fungsi yang bertransformasi vs waktu (logaritmik) . Fraksi transformasi, y di rumuskan: Y =1 – exp( - ktn); dimana: • t= waktu • k,n=konstanta yang tidak tergantung waktu Persaamaan ini disebut juga persamaan AVRAMI

Gambar 1. Skema ilustrasi dari (a) tingkat transformasi terhadap suhu, dan (b) waktu logaritma [hingga derajat tertentu (misalnya 0,5 fraksi) transformasi] versus suhu. Kurva di kedua (a) dan (b) dihasilkan dari kumpulan data yang sama - yaitu, untuk sumbu horizontal, waktu [skala logaritmik dalam (b) plot] hanya kebalikan dari laju dari plot (a).

• Gambar 2. Plot fraksi reaksi terhadap logaritma waktu pada transformasi benda padat di mana suhu dipertahankan konstan. • Laju transformasi, r diambil pada waktu ½ dari proses:

• Gambar 3. Rekristalisasi persen sebagai fungsi waktu dan suhu konstan untuk tembaga murni

• Laju transformasi, r terhadap jangkauan temperatur dirumuskan: Dimana: • R=konstanta gas

• T =temperatur mutlak • A=konstanta,tidaktergantung Waktu. • Q=Energi aktivasiuntuk reaksi Tertentu

METASTABLE VERSUS EQUILIBRIUM STATES • Transformasi fasa bisa dilakukan dengan memvariasikan temperatur ,komposisi, dan tekanan. Perubahan panas yang terjadi bisa dilihat pada diagram fasa. Namun kecepatan perubahan temperatur berpengaruh terhadap perkembangan pembentukan struktur mikro. Hal ini tidak bisa diamati pada diagram fasa. • Posisi kesetimbangan yang dicapai pada proses pemanasan atau pendinginan sesuai dengan diagram fasa bisa dicapai dengan laju yang sangat pelan sekali , sehingga hal ini tidak praktis. Cara lain yang dipakai adalah supercooling yaitu transformasi pada proses pendinginan dilakukan pada temperatur yang lebih rendah, atau superheating yaitu transformasi pada proses pemanasan dilakukan pada temperatur yang lebih tinggi .

TRANSFORMASI ISOTERMAL

Perlit

• • • •

Gb 10.12 Kurva berbentuk s, %transformasi vs t pd 3 suhu berbeda Sb vert: T Sb hori: log t Waktu yg dibutuhkan pada setiap suhu untuk transformasi awal.

• Gb 10.13 disebut diagram isotermal (kondisi pada suhu konstan) atau diagram ttt • Gb 10.13a kurva transformasi austenit ke pearlit vs log t • kiri: transformasi awal, austenit tdk stabil • Kanan: transformasi akhir, perlit • Keduanya mendekati sejajar dan mendekati garis eutektoid secara asimtotik. • Waktu yang diperlukan untuk transformasi untuk memulai dan berakhir bergantung pada suhu.

• Gb 10.13b diagram transformasi isothermal • Dalam proses transformasi, austenit berubah fasa menjadi perlit. • Pada fasa ini, mikrokonstituen kedua fasa terbentuk.

• Gb 10.14 diagram transformasi isotermal dengan perlakuan panas • Ditunjukkan mikrostruktur sebelum, selama, dan sesudah proses transformasi fasa austenit menjadi perlit

• Gb 10.15 mikrostruktur perlit kasar dan perlit halus

• Perlit kasar: terbentuk pada suhu dibawah eutektoid dengan lapisan yang tebal dan laju difusi lama. • Dengan menurunnya suhu, laju difusi semakin cepat dan lapisan semakin tipis. • Terbentuk perlit halus pada suhu sekitar 540

Bainit • Mikrokonstituen hasil transformasi austektik: bainit. • Mikrostuktur bainit: fasa ferit dan sementit

• Gb 10.16 diagram transformasi isotermal dengan 1.13% karbon

• Gb 10.17 mikrostruktur bainit

• Butir bainit dari kiri bawah ke kanan atas terdiri dari fe3c yang memanjang dan berbentuk jarum dalam matrik ferit. • Fasa yang mengelilingi bainit: martensit • Pembentukan bainit bergantung pd suhu tranformasi • Tidak terbentuk fasa proeutektoid dengan bainit

• Gb 10.18 diagram transformasi isotermal, austenit-perlit (A-P) dan austenit-bainit (A-B)

• Gb 10.19 mikrostruktur sphroidit. • Partikel kecil: sementit • Fasa kontinu: ferit

Martensite • Terbentuk saat paduan besi-karbon didinginkan dengan cepat menuju suhu yang relatif rendah (disekitar ambient) • Struktur fase tunggal non-equilibrium yang dihasilkan tanpa melalui transformasi difusi austenit (produk transformasi yang setara dengan perlit dan bainit) • Transformasi terjadi ketika kecepatan pendinginan cukup cepat untuk mencegah difusi karbon

• Struktur BCT dari baja martensitik dimana untuk lingkaran menunjukkan besi, dan untuk tanda silang menunjukkan atom karbon. Dimana c>a

KETERANGAN

Karena sejumlah atom mengalami gerakan bersamasama, yang mengakibatkan perpindahan setiap atom relatif terhadap tetangganya yang berlangsung terus-menerus. Sehingga FCC austetit (mengalami transformasi polimorfik) => BCT. Karbon sebagai pengotor intersitial saat mencapai saturasi padat strukturnya cepat berubah ketika temperaturnya di naikkan.

Butir martensit terlihat seperti jarum. Fase putih dalam mikrograf adalah austenit (dipertahankan austenit).

Diagram transformasi isotermal lengkap untuk paduan besi-karbon eutektoid komposisi: A(austenit); B(bainite); M(martensit); P( perlit).

Awal dari transformasi ini adalah diwakili oleh garis horizontal yang ditunjuk M (start). Dua garis horizontal dan putus-putus lainnya, berlabel M (50%) dan M (90%), menunjukkan persentase transformasi austenit-ke-martensit. Karakter horisontal dan linier dari garis-garis ini menunjukkan bahwa transformasi martensit adalah tidak bergantung pada waktu namun hal tersebut fungsi dari suhu di mana paduan itu dipadamkan atau didinginkan dengan cepat. Transformasi jenis ini disebut transformasi athermal

diagram transformasi Isotermal untuk paduan baja (tipe 4340): A( Austenit); B(bainite); P(perlit); M(martensit); F (ferit proeutektoid)

CONTINUOUS COOLING TRANSFORMATION DIAGRAMS Suatu diagram transformasi isotermal hanya berlaku untuk kondisi pada suhu konstan. Diagram ini harus dimodifikasi untuk transformasi yang terjadi karena suhu terus berubah. Untuk pendinginan terus menerus, waktu yang diperlukan untuk memulai dan mengakhiri reaksi cukup lama. Dengan demikian kurva isotermal bergeser ke waktu yang lebih lama dan suhu yang lebih rendah, seperti ditunjukkan pada Gambar 10.25 untuk paduan besi-karbon dari komposisi eutektoid. Sebuah grafik yang mengandung kurva reaksi awal dan akhir termodifikasi disebut continuous cooling transformation (CCT) diagram.

Dua kurva pendinginan yang sesuai dengan laju yang cukup cepat dan lambat ditunjukkan pada Gambar disamping untuk baja eutektoid. Transformasi dimulai setelah periode waktu yang sesuai dengan perpotongan kurva pendinginan dengan kurva reaksi awal dan diakhiri pada persimpangan kurva transformasi akhir. Mikrostruktur untuk kurva laju pendinginan yang cukup cepat dan lambat pada Gambar disamping masing-masing adalah fine structure dan kuarsa peralite.

Diagram transformasi pendinginan berkelanjutan untuk eutectoid paduan bajabesi dan kurva pendinginannya yang menunjukkan ketergantungan strukturmikro akhir pada transformasi itu saat pendinginan

Diagram transformasi pendinginan berkelanjutan untuk paduan baja dan beberapa kurva pendinginan yang menunjukkan ketergantungan mikrostruktur akhir dari paduan ini pada transformasi yang terjadi selama pendinginan.

Singkatnya, diagram transformasi pendinginan isotermal dan kontinyu adalah diagram fase di mana parameter waktu digunakan. Diagram ini memungkinkan prediksi struktur mikro setelah beberapa periode waktu untuk suhu konstan dan perlakuan pendinginan kontinyu.

PERILAKU MEKANIK PADUAN BESI KARBON

Perlit Gambar 10.29 (A) Yield kekuatan, kekuatan tarik, dan kekerasan Brinell terhadap konsentrasi karbon untuk baja karbon biasa memiliki mikrostruktur yang terdiri dari perlit halus. (B) Daktilitas (% EL dan% RA) dan energi dampak Izod terhadap konsentrasi karbon untuk baja karbon biasa memiliki mikrostruktur yang terdiri dari perlit halus.

Gambar 10.30 (a) Brinell dan Rockwell kekerasan sebagai fungsi konsentrasi karbon untuk baja karbon biasa memiliki perlit halus dan kasar serta mikro speroidit. (B) Daktilitas (% RA) sebagai fungsi konsentrasi karbon untuk baja karbon biasa memiliki perlit halus dan kasar serta mikro speroidit.

Spheroidite Spheroitide mempunyai kekuatan dan kekerasan dibawah pearlit. Fenomena ini bisa diterangkan dengan metode penguatan oleh sementit dan hambatan gerakan dislokasi. Luas permukaan batas butir spherodit pesatuan volume lebih sedikit dari pearlit sehingga kekuatannya dan kekerasannya lebih rendah.

Bainite Baja bainite mempunyai struktur kristal yang lebih halus maka bainite lebih kuat dan keras dari pearlit. Gambar 10.31 Brinell kekerasan dan kekuatan tarik (pada suhu kamar) sebagai fungsi temperatur transformasi isotermal untuk paduan besi-karbon komposisi eutektoid, diambil selama rentang suhu di mana bainitik dan mikro perlitik bentuk. (Diadaptasi dari ES Davenport, “isotermal Transformasi di Baja,” Trans. ASM, 27, 1939, hlm. 847. Dicetak ulang dengan izin dari ASM International.)

Martensite Dari bagian bentuk struktur mikro panduan baja, martensit adalah yang paling kuat dan keras namun paling rapuh. Kekerasannya tergantung kandungan karbon. Pengaruh kandungan karbon terhadap kekerasan martensit bisa dilihat pada gbr 10.22. Kekuatan dan kekerasan martensite tidak dikaitkan dengan struktur mikro tetapi lebih dikaitkan dengan efektifitas atom karbon yang larut dalam bentuk interstisi yang akan menghalangi gerakan dislokasi dan juga karena sistem slip yang lebih sedikit untuk kristal BTC.

Gambar 10.32 Kekerasan (pada suhu kamar) sebagai fungsi konsentrasi karbon untuk plaincarbon martensit, martensit temper [ di 371⁰C atau 700 ⁰ F ], dan baja perlitik.

TEMPERED MARTENSIT

Martensit adalah keras sehingga tidak bisa dipakai sebagian besar aplikasi. Disamping itu tegangan internal karena proses quencning juga memberikan efek perlemahan. Ketangguhan dan keuletan martensit bisa ditingkatkan dan tegangan internal bisa dibuang dengan cara perlakuan panas yang disebut tempering. Tempering dilakukan dengan memanaskan baja martensit sampai temperatur dibawah eutectoid pada periode waktu tertentu. Biasanya tempering dilakukan pada temperatur antara 250-650 ⁰ C. Tegangan internal akan hilang pada suhu ± 200 ⁰ C. Proses tempering akan membentuk “tempered maetensite”

Gambar 10.33 mikrograf elektron dari martensit temper. Tempering dilakukan pada (594⁰C atau 1100 ⁰F ). Partikelpartikel kecil adalah fase sementit; fase matriks -ferrite. . (Copyright 1971 oleh United States Steel Corporation.)

Gambar 10.34 Tarik dan hasil kekuatan dan daktilitas (% RA) (pada suhu kamar) terhadap tempering suhu untuk baja paduan padam minyak (tipe 4340). (Diadaptasi dari angka dilengkapi courtesy Republik Steel Corporation.)

Gambar 10.35Kekerasan (pada suhu kamar) terhadap tempering waktu untuk karbon biasa air quenchedeutectoid (1080) baja. (Diadaptasi dari Edgar C. Bain, Fungsi Unsur Pemaduan di Steel, American Society untuk Logam, 1939, hlm. 233.)

TEMPERE EMBRITTLEMENT Pada proses tempering beberapa baja bisa mengalami penurunan ketangguhan, hal ini disebut perapuhan temper. Fenomena ini terjadi bila baja ditemper pada suhu diatas 575 ̊C dan diikuti pendinginan lambat sampai temperatur ruangan, atau jika tempering dilakukan pada suhu antara 375 – 575 ⁰C. Perapuhaan ini disebabkan oleh kandungan elemen lain dalam jumlah yang cukup signifikan seperti mangan, nikel, crom dan phospor, arsen, timah putih. Perapuhan temper bisa dicegah dengan : 1. Pengontrolan komposisi 2. Tempering diatas 575 ⁰C atau dibawah 375⁰C diikuti dengan quenching pada temperatur ruang. Ketangguhan baja yang telah mengalami perapuhan bisa diperbaiki dengan pemanasan samapai kira-kira 600⁰C, dan kemudian secara cepat didinginkan sampai temperatur dibawah 300⁰C.

Temper embrittlement dapat dihindari dengan (1) kontrol komposisi (2) Menggunakan temperatur diatas 575°C atau dibawah 375°C dengan dilakukan pendinginan suhu kamar. Jika menginginkan baja yang lebih kuat dapat dipanaskan kembali dengan pemanasan suhu 600°C dan dilakukan pendinginan dibawah suhu 300°C.

Mikrostruktur dari bahan besi karbon

Pembahasan diagram Pada diagram dapat diasumsikan bahwa perlit, bainit dan martensit dihasilkan dari perawatan pendinginan yang berlanjut.

Karakteristik mikrostruktur dan sifat mekanik dari paduan baja-karbon