Diagram Fasa Sistem Besi – Besi Karbida, Contoh Soal Perhitungan Fraksi Fasa

Diagram Fasa Sistem Besi – Besi Karbida. Diagram kesetimbangan besi-besi karbida dapat dijadikan sebagai dasar untuk mempelajari paduan besi baja. Diagram ini juga disebut sebagai diagram fasa atau diagram kesetimbangan antara dua fasa, yaitu larutan padat besi dan senyawa logam Fe3C yang disebut sementit. Contoh diagram fasa sistem besi-besi karbida dapat dilihat pada Gambar di bawah

Pada gambar ditunjukkan perubahan fasa yang terjadi selama pemanasan, pendinginan, jenis dan jumlah fasa yang ada pada setiap temperature. Paduan besi-besi karbida mempunyai beberapa fasa yaitu: ferit, austenite, besi delta, eutectoid atau perlit, dan eutektik atau ledeburit dan sementit.

Besi Alpha Fe-α  dan Ferit α

Besi Alfa biasa dinotasikan dengan Fe-α adalah bentuk alotrofik dari besi murni yang stabil di bawah temperatur 910 derajat Celcius. Besi alfa memiliki struktur kristal Body Centered Cubic BCC.

Ferit merupakan larutan padat interstisi dari atom-atom karbon pada besi alfa. Kelarutan maksimum karbon dalam fasa ferrite adalah 0,025 persen pada temperature 723 celcius. Ferit biasa dinotasikan dengan α, alfa.

Pada temperature kamar kelarutan karbon dalam ferit adalah sekitar 0,008 persen. Ferit mempunyai struktur sel body centered cubic BCC. Ruang antar atom relative kecil dan cukup rapat sehingga ferit hanya dapat menampung atom karbon dalam jumlah yang terbatas.

Sifat Karakteristik Ferit

Ferit mempunyai sifat lunak dan ulet, dengan kekuatan tariknya kurang 40.000 psi, Elongation sekitar  40 % dalam 2 inci, dengan kekerasan lebih dari 90 HRB. Berat jenis ferit adalah 7,88 g/cm3.

Ferrite Dan Pearlite
Gambar 1. Ferrite Dan Pearlite

Besi Gama Fe-γ  dan Austenit

Besi Gama biasa dinotasikan Fe-g adalah bentuk alotrofik dari besi murni yang stabil pada temperatur antara 910 sampai dengan 1400 derajat Celcius. Besi gama memiliki struktur kristal Face Centered Cubic FCC.

Austenit merupakan larutan padat interstisi atom karbon dalam besi gama yang mempunyai struktur sel face centered cubic FCC. Austenit stabil di atas temperature 723 celcius. Dalam gambar fasa austenit dinotasikan dengan γ. Dalam struktur FCC fasa austenite tidak bersifat non magnetic.

Besi berstruktur kristal FCC mempunyai jarak antar atom yang lebih besar dibandingkan ferit. Fasa austenit mampu melarutkan atom atom karbon dalam bentuk larutan padat intertisial sebanyak 2,06 % pada temperatur 1147oC dan kemudian turun menjadi 0,8 % pada temperatur 723oC.

Sifat Karakteristik Austenite

Austenite pada daerah temperaturenya memiliki ketangguhan yang tinggi, bersifat stabil, lunak, ulet, dan mudah dibentuk, namun tidak stabil pada temperatur ruang. Walaupun dalam keadaan tertentu dapat dibuat austenit yang stabil pada temperature kamar.

Austenit memiliki Tensile strength sekitar 150,000 psi, Elongation sekitar 10 percent dalam 2 inci, kekerasan sekitar 40 HRC.

Besi Delta δ

Besi delta merupakan fasa yang mempunyai struktur sel BCC, berada diantara temperature 1400 – 1535 celcius. Atom karbon dapat larut sampai 0,1 persen. Dalam gambar besi delta dinotasikan dengan δ.

Besi delta sama dengan besi alfa, namun temperature stabilnya yang berbeda, sehingga besi delta sering disebut ferit delta. Akibat terbentuk dan stabil pada temperature tinggi, besi delta memiliki kemampuan melarutkan atom atom karbon lebih banyak disbanding besi alfa.

Sementit Karbida Besi Fe3C,

Sementit merupakan senyawa logam atau intermetalik yang mempunyai kekerasan tinggi. Terkeras di antara fasa-fasa yang mungkin terjadi pada baja, tapi sangat rapuh. Sementit biasa disebut besi karbida mempunyai rumus Fe3C. Hal ini tidak berarti bahwa karbida besi membentuk molekul-molekul Fe3C.

Akan tetapi kisi Kristal sementit mengandung atom besi dan karbon dalam perbandingan tiga lawan satu. Tiga atom besi dan satu atom karbon. Sementit mempunyai sel satuan ortorombik dengan 12 atom besi dan empat atom karbon per satu selnya.

Sifat Karakteristik Sementit

Sementit memiliki kekuatan Tarik yang rendah yaitu sekitar 5,000 psi, namun memiliki memiliki compressive strength yang tinggi dengan kekerasan antara 5 – 68 HRC

Perlit

Perlit adalah campuran khusus terdiri dari dua fasa dan terbentuk sewaktu austenite dengan komposisi eutectoid bertransformasi menjadi ferit dan karbida besi secara bersamaan.  Struktur dasar perlit adalah struktur lamellar yang tersusun daari lapisan ferit dan sementit.

Perlit hanya terjadi di bawah temperature 723 celcius. Perlit mempunyai sifat diantara ferit dan sementit, yaitu kuat dan cukup keras. Kandungan karbon dalam perlit untuk paduan besi karbon adalah 0,8 persen.

Sifat Karakteristik Pearlite

Pearlit memiliki Tensile strength sekitar 120,000 psi dan Elongation sekitar 20 % dalam 2 inci dengan kekerasan sekitar 300 HRB

Struktut mikro perlit sementit hasil pengamatan metalografi mikroskop optik dapat dilihat pada gambar berikut

Struktur Mikro Pearlite (P) dan Sementite (C)
Struktur Mikro Pearlite (P) dan Sementite (C)

Pada gambar ditunjukkan struktur pearlite (P) yang tersusun dari lamel lamel (Perlit dan sementit)  yang berselang seling. Butir butir struktur perlit ini dibatasi oleh sementit (C). Sementit yang membatasi butiran perlit ini disebut proeutektoid sementit.

Contoh lain struktur mikro perlit sementit ditunjukkan pada gambar berikut. Gambar diambil dengan mikroskop elektron.

Cementite Dan Pearlite
Gambar 2. Cementite Dan Pearlite

Perubahan-Transformasi-Dekomposisi  Fasa Selama Pendinginan

Sebagai ilustrasi akan dijelaskan pendinginan besi baja eutectoid dengan kandunagn karbon 0,8 persen karbon. Proses pendinginan untuk baja eutectoid, seperti ditunjukkan pada Gambar 3 yang dinyatakan oleh garis a.

Pada temperature T1 terjadi pengintian austenite, selanjutnya antara temperature T1 – T2 butir-butir tumbuh dan pertumbuhan selasai pada T2. Antara T2 – T3 tidak terjadi perubahan fasa. Fasa yang ada adalah austenite. Setelah mencapai temperature T3, pada temperature ini austenite berangsur-angsur mulai bertransformasi menjadi perlit dan kemudian temperature terus  turun sampai temperature kamar.

Struktur dassar perlit adalah lamellar yang tersusun dari lapisan-lapisan ferit dan lapisan-lapisan smentit yang kedudukannya atau posisinya berselang-seling.

Diagram Fasa Sistem Besi - Besi Karbida
Gambar 3. Diagram Fasa Sistem Besi – Besi Karbida

Reaksi Eutectic Dan Eutectoid Diagram Fasa Fe–Fe3C

Reaksi Eutectoid

Reaksi eutectoid adalah reaksi dekomposisi larutan padat intertisi austenite yang mengandung karbon 0,8% pada temperature 723 Celcius menjadi ferit dan dan besi karbida. Reaksi eutectoid dapat dinyatakan dengan persamaan reaksi berikut

γ ↔ α + Fe3C

Reaksi Eutectic

Reaksi adalah reaksi dekomposisi larutan liquid besi yang mengandung karbon 4,3% pada temperature 1147 Celcius menjadi austenite dan besi karbida. Reaksi entektik dapat dinyatkan dengan persamaan reaksi berikut.

L γ + Fe3C

Menghitung Fraksi Fasa Ferit Perlit dan Sementit Pada Diagram Fasa Besi Karbon

Untuk mempermudah pemahamanan, dapat digunakan penggalan atau potongan diagram fasa Besi Fe – Besi Karbida Fe3C seperti ditunjukkan pada gambar. Perhitungan berdasarkan Kaidah Tuas sepanjang garis T-U-V-X.

Menghitung Fraksi Fasa Ferit Perlit dan Sementit Pada Diagram Fasa Besi Karbon
Menghitung Fraksi Fasa Ferit Perlit dan Sementit Pada Diagram Fasa Besi Karbon

Rumus Menghitung Fraksi Ferit Baja Hypoeutektoid

FF = U/(T+U)

FF = (0,8 – C0)/(0,8 – 0,022)

FF = fraksi ferit dalam persen

C0 = kandungan karbon baja

Rumus Menghitung Fraksi Perlit  Baja Hypoeutektoid

FP = T/(T+U)

FP = (C0 – 0,022)/(0,8 – 0,022)

FP = fraksi perlit dalam persen

Contoh Soal Perhitungan Fraksi Komposisi Fasa Ferit dan Perlit Baja Hypoeutectoid

Hitung jumlah fraksi fasa ferit dan perlit yang ada pada baja yang mempunyai kandungan karbon 0,2 persen.

Rumus Menghitung Fraksi Ferit Perlit Baja Hypoeutectoid

Fraksi Ferit dan perlit dapat dinyatakan dengan menggunakan rumus persamaan berikut

FF = U/(T+U)

FF = (0,8 – C0)/(0,8 – 0,02)

FF = fraksi ferit

FF = (0,8 – 0,2)/(0,8 – 0,02)

FF = 0,6/(0,778)

FF = 77,12%

Fraksi perlit dapat dinyatakan dengan menggunakan rumus persamaan berikut

FP = T/(T+U)

FP = (C0 – 0,02)/(0,8 – 0,02)

FP =Fraksi perlit

FP = (0,2 – 0,02)/(0,8 – 0,02)

FP =0,178/0,778

FP = 0,2288 atau

FP =22,88%

Rumus Menghitung Fraksi Perlit Cementite Baja Hypereutectoid

Fraksi pearlite dapat dinyatakan dengan menggunakan rumus persamaan berikut

FP= X / (V+X)

FP = (6.7 – C1) / (6.7 – 0.8)

FP = fraksi perlit persen

C1 = komposisi karbon persen

Rumus Menghitung Fraksi Sementit Baja Hypereutektoid

Fraksi sementie dapat dinyatakan dengan menggunakan rumus persamaan berikut

FC = V / (V+X)

FC = (C1 – 0.8) / (6.7 – 0.8)

FC = fraksi sementie persen

Contoh Soal Perhitungan Fraksi Perlit dan Sementite Baja Hypereutektoid

Hitung jumlah fraksi fasa perlit dan sementite yang ada pada baja yang mempunyai kandungan karbon 0,9 persen.

Menghitung Fraksi Perlit Cementite Baja Hypereutectoid

Fraksi pearlite dapat dinyatakan dengan menggunakan rumus persamaan berikut

FP= X / (V+X)

C1 = 0,9

FP = (6.7 – 0,9) / (6.7 – 0.8)

FP = 5,8/5,9

FP = 0,983051 = 98,31%

Menghitung Fraksi Sementite Baja Hypereutektoid

Fraksi sementite dapat dinyatakan dengan menggunakan rumus persamaan berikut

FC = V / (V+X)

FC = (C1 – 0.8) / (6.7 – 0.8)

C1 = 0,9

FC = (0,9 – 0,8) / (6,7 – 0,8)

FC = 0,1/5,9

FC = 0,016949 = 1,695%

Diagram Continuous Cooling Transformation, CCT Diagram

Pengertian Diagram Continuous  Cooling  Transformation , atau biasa disebut CCT Diagram, merupakan diagram yang menggambarkan hubungan antara laju pendinginan ko...

Diagram Fasa Sistem Besi - Besi Karbida, Contoh Soal Perhitungan Fraksi Fasa

Diagram Fasa Sistem Besi - Besi Karbida.  Diagram kesetimbangan besi-besi karbida dapat dijadikan sebagai dasar untuk mempelajari paduan besi baja. Diagram ...

Diagram CCT Tempartur Pembentukan Struktur Upper Lower Bainite Temperatur

Pengertian Struktur Bainit.  Bainit adalah struktur antara yang terbentuk pada temperatur di atas temperatur awal martensit namun di bawah temperatur...

Mekanisme Pembentukan Struktur Pearlite, Contoh Soal Perhitungan Reaksi Eutectoid

Reaksi Eutectoid Pada Diagram Fasa Besi – Besi Karbida Reaksi eutectoid adalah reaksi dekomposisi larutan padat intertisi austenite yang mengandung k...

Struktur Kristal Austenit, Ferit, Lath Plate Martensit, Pengaruh Karbon Kekerasan

Struktur Kristal Face Centered Cubic FCC Besi Baja Austenit, Austenit mempunyai struktur sel FCC, face centered cubic, atau kubik pusat sisi, kps. Pada...

Jenis Baja Tahan Karat, Stainless Steel, Tipe,Klasifikasi

Pengertian Baja Tahan Karat.  Baja tahan karat merupakan kelompok dari baja paduan yang mempunyai sifat atau karakterisasi khusus. Ciri umum dari baja ...

Tipe Jenis Baja Tahan Karat Duplex

Pengertian/ Definisi Baja Tahan Karat Duplex.  Baja tahan karat duplex merupakan baja tahan karat dengan dua fasa. Baja ini mempunyai struktur austenit ...

Karakteristik Sifat Material Bahan Logam

Pengertian Sifat Material Bahan logam. Secara umum sifat atau karakteristik bahan atau material dapat dikelompokkan menjadi empat, yaitu: Sifat Mekanik,...

Kurva Tegangan Regangan Rekayasa, Nominal Logam.

Pengertian Tegangan Rekayasa/Nominal/Tekink.  Sifat-sifat mekanik bahan atau logam yang dikuantifikasikan dengan kuat tarik, kuat luluh, perpanjangan...

Kurva Tegangan Regangan Sejati, Sebenarnya

Kurva regangan regangan sejati atau biasa juga disebut kurva tegangan regangan sebenarnya dapat dihitung dengan menggunakan data dari kurva tegangan regangan...

Daftar Pustaka:

  1. ASM Handbook, 1992, “ Metallography And Microstructures”, Volume 9, American Society For Metal,
  2. Thelning, K. E., 1984, “Steel And Its Heat treatment”, Second Edition, Butterworth.
  3. Ardra.biz, 2019, “Contoh Diagram Fasa Sistem Besi – Besi Karbida, diagram fasa atau diagram kesetimbangan dua fasa, Diagram kesetimbangan besi-besi karbida,
  4. Ardra.Biz, 2019, “gambar struktur mikro Ferite Austenite Besi delta sementite pearlite, jenis fasa baja karbon, jenis fasa dalam diagram besi – besi karbida baja karbon, Pengertian besi baja eutectoid,
  5. Ardra.Biz, 2019, “pengertian dan contoh fasa Ferite Austenite Besi delta sementite pearlite, Perubahan-Transformasi-Dekomposisi Fasa Selama Pendinginan, Struktur sel Ferite Austenite Besi delta sementite pearlite
  6. Ardra.Biz, 2019, “Contoh Gambar struktur mikro ferit, Contoh gambar struktur pearlite, Contoh Struktur mikro sementit, Contoh struktur mikro martensit, kandungan karbon pada fasa ferit, Metalografi struktur Ferit Perlit dan martensit,
  7.