Diagram Kesetimbangan Karbon Besi dengan Penjelasan [Diagram Fase]

Pada artikel ini kita akan membahas tentang Diagram Kesetimbangan Karbon Besi , penggunaan diagram kesetimbangan, jenis diagram kesetimbangan karbon besi dan berbagai fase dan istilah yang terkait dengan diagram fase besi karbon.

Apa itu Diagram Fase ?

Diagram fase adalah representasi grafis dari fase yang ada dalam paduan di bawah berbagai kondisi suhu, tekanan, dan komposisi kimia.

Pemadatan paduan logam dipahami dengan jelas melalui diagram kesetimbangan. Ini adalah representasi grafis dari perubahan keadaan karena variasi suhu dan konsentrasi. Karena diagram ini menunjukkan sifat dan susunan paduan, serta jumlah dan komposisi fase dalam sistem tertentu, diagram ini juga dikenal sebagai diagram konstitusi atau diagram fase.

Karakteristik dan Kegunaan Diagram Ekuilibrium

Keseimbangan menyiratkan bahwa perubahan yang terjadi dalam suatu sistem sebagai akibat dari proses yang berjalan dalam satu arah sepenuhnya dikompensasi oleh perubahan karena pembalikan proses dalam sistem. Sehingga dianggap sebagai kondisi dinamis keseimbangan antara gerakan atom dimana resultannya adalah nol.

Laju perubahan suhu atau komposisi sangat lambat selama pekerjaan eksperimental, sehingga paduan akan "berhenti" sebelum variabel seperti suhu, diubah lagi. Oleh karena itu, kondisinya adalah istirahat daripada perubahan.

Diagram kesetimbangan menunjukkan hal berikut:

1. Suhu di mana paduan padat akan mulai meleleh dan selesai meleleh.

2. Kemungkinan perubahan fase yang akan terjadi sebagai akibat dari perubahan komposisi atau suhu.

Diagram Kesetimbangan Apa yang Diwakili ?

Diagram menggambarkan kondisi yang sesuai untuk dua atau lebih fase yang ada dalam kesetimbangan. Sebagai contoh, diagram fase air menggambarkan suatu titik (triple point) di mana air dapat hidup berdampingan dalam tiga fase yang berbeda pada waktu yang sama. Ini terjadi tepat di atas suhu beku (0,01°C) dan 0,006 atm.

Penggunaan Diagram Kesetimbangan dalam Metalurgi

• Pengembangan paduan baru berdasarkan persyaratan aplikasi.
• Produksi paduan ini.
• Pengembangan dan penerapan prosedur perlakuan panas yang tepat untuk meningkatkan sifat kimia, fisik, dan mekanik dari paduan baru ini.
• Memecahkan masalah yang muncul selama penggunaan paduan baru ini, yang pada akhirnya meningkatkan prediktabilitas produk.

Diagram Kesetimbangan Karbon Besi

Diagram kesetimbangan karbon besi (juga disebut diagram fase karbon besi) adalah representasi grafis dari keadaan struktur mikro masing-masing besi paduan – karbon (Fe-C) tergantung pada suhu dan kandungan karbon.

Diagram fase karbon besi umumnya digunakan untuk memahami sepenuhnya berbagai fase baja dan besi cor. Baja dan besi cor adalah paduan besi dan karbon. Selain itu, kedua paduan mengandung elemen jejak dalam jumlah kecil.

Grafiknya cukup rumit, tetapi karena kami membatasi penyelidikan kami pada Fe3C, kami hanya akan melihat hingga 6,67 persen berat karbon.

Jenis Diagram Kesetimbangan Karbon Besi

Diagram keseimbangan karbon besi biner adalah dasar dari baja dan besi tuang. Ini menyangkut transformasi yang terjadi pada paduan yang memiliki komposisi dari besi murni menjadi sementit (6,67 persen karbon). Ada dua versi diagram kesetimbangan karbon besi:

1. Sistem besi-semen. 2. Sistem besi-grafit.

Kedua sistem ini bergantung pada laju pendinginan. Pendinginan cepat menghasilkan sementit dan sistem ini dikenal sebagai Sistem semen-besi . Dalam sistem ini, struktur yang terbentuk dalam fase padat tidak mencapai keseimbangan yang cukup lengkap. Jadi sistem Besi-semen adalah metastabil satu.

Sementara pendinginan lambat menghasilkan grafit dan sistemnya dikenal sebagai sistem Besi-grafit . Struktur yang terbentuk pada fase padat mencapai kesetimbangan yang cukup lengkap. Jadi ini adalah stabil satu.

Jenis Paduan Besi pada Diagram Kesetimbangan Karbon Besi

Skala persentase berat pada sumbu X dari diagram fase karbon besi berkisar dari 0% menjadi 6,67% Karbon. Logam ini hanya dikenal sebagai besi atau besi murni dengan kandungan karbon maksimum 0,008 persen berat karbon. Pada suhu kamar, ia ada di ferit negara.

Baja adalah paduan karbon besi dengan kandungan karbon mulai dari 0,008 hingga 2,14 persen. Nilai baja dalam kisaran ini dikenal sebagai baja karbon rendah (atau baja ringan), baja karbon sedang , dan baja karbon tinggi .

Ketika kandungan karbon melebihi 2,14 persen, kami mencapai besi cor panggung. Besi tuang sangat keras, tetapi kerapuhannya sangat membatasi aplikasi dan metode pembentukannya.

SISTEM BESI-SEMENTIT

Jika serangkaian kurva pemanasan waktu-suhu dibuat untuk baja dengan kandungan karbon yang berbeda dan titik kritis yang sesuai diplot diagram yang mirip dengan Gambar 2.14 akan diperoleh. Diagram ini, yang hanya berlaku pada kondisi pendinginan lambat, dikenal sebagai Diagram fase karbon besi partial sebagian . Dengan mengacu pada diagram ini, seseorang dapat dengan mudah mengamati suhu pendinginan yang tepat untuk setiap baja karbon, Titik kritis pada Gambar 2.14 pada jalur PSK dilambangkan dengan A1, titik kritis pada jalur GS dengan A3, dan titik kritis pada jalur SE dengan Acm

Diagram Kesetimbangan Karbon Besi dengan Penjelasan

Austenit

Austenit , larutan padat karbon dan konstituen lain dalam bentuk besi tertentu yang dikenal sebagai besi (gamma). Mari kita ambil contoh sepotong baja karbon 0,20 persen yang telah dipanaskan sampai suhu sekitar 850 °C. Di atas Ar3, titik (garis GS) baja ini adalah larutan padat (tipe interstisial) karbon dalam besi gamma dan disebut austenit . Ini memiliki kisi kubik berpusat pada wajah dan bersifat nonmagnetik.

Austenit polos dapat mengandung hingga sekitar 2 persen karbon pada suhu 1130 °C. Setelah mendinginkan baja ini, atom besi mulai membentuk kisi kubik berpusat badan di bawah titik Ar3 (garis GS). Struktur baru yang sedang terbentuk ini disebut ferrite atau besi alfa dan merupakan larutan padat karbon dalam besi alfa yang mengandung hingga 0,008 persen karbon pada suhu kamar.

Saat baja didinginkan hingga Ar1, (garis PSK), ferit tambahan terbentuk. Pada garis Arı austenit yang tersisa diubah menjadi struktur baru yang disebut perlit . Nama perlit adalah karena kilau mutiaranya. Ini terdiri dari pelat alternatif ferit dan sementit dan mengandung sekitar 87 persen ferit. Perlit dapat berupa struktur pipih atau granular halus hingga kasar. Ini adalah zat yang kuat dan dapat dipotong dengan cukup baik dengan alat pemotong, yaitu, konstituen perlit dalam baja dapat dikerjakan dengan mesin.

Baja Eutectoid

Ketika kandungan karbon baja meningkat di atas 0,20 persen, suhu di mana ferit pertama kali ditolak dari austenit turun sampai, sekitar 0,80 persen karbon (titik S), tidak ada ferit bebas yang ditolak dari austenit. Baja ini disebut baja eutektoid dan merupakan 100 persen perlit .

Eutectoid Poin

Apa itu Titik Eutectoid ?

Titik eutektoid dalam logam apa pun, seperti yang dikatakan sebelumnya, adalah suhu terendah di mana perubahan terjadi dalam larutan padat.

Jika kandungan karbon baja lebih besar dari eutektoid (0,8 persen karbon), garis baru diamati dalam diagram fase karbon besi yang dilambangkan dengan Acm (garis S). Garis menunjukkan suhu di mana besi karbida pertama kali ditolak dari austenit, bukan ferit.

Besi karbida (Fe3C) dikenal sebagai sementit . Ini sangat keras, rapuh dan muncul sebagai pelat paralel (lapisan pipih), sebagai partikel bulat (spheroids) atau sebagai amplop di sekitar butir perlit. Pada titik C, campuran eutektik yang mengandung 4,3 persen karbon dikenal sebagai ledeburite . Ini jarang terlihat pada paduan yang didinginkan secara perlahan karena rusak, karena sifatnya yang tidak stabil, ke fase lain selama pendinginan setelah pemadatan.

Hypoeutectoid dan Hypereutectoid

Baja yang mengandung kurang dari 0,80 persen karbon disebut hipoeutektoid dan yang mengandung lebih dari 0,8 persen karbon disebut hipereutektoid baja. Terminologi ini hanya berlaku untuk baja polos dan baja paduan rendah. Dengan baja paduan tinggi, komposisi eutektoid diubah dan strukturnya bahkan mungkin tidak ada.

Pertama-tama harus ditunjukkan bahwa diagram keseimbangan normal benar-benar mewakili keseimbangan metastabil antara besi dan besi karbida (sementit). Sementit bersifat metastabil, dan keseimbangan yang sebenarnya harus antara besi dan grafit.

Meskipun grafit terdapat secara luas pada besi tuang (2-4 wt% C), biasanya sulit untuk mendapatkan fase kesetimbangan ini dalam baja (0,03-1,5 wt% C). Oleh karena itu, keseimbangan metastabil antara besi dan besi karbida harus dipertimbangkan, karena hal ini relevan dengan perilaku sebagian besar baja dalam praktik.

Sistem Grafit Besi

SISTEM BESI-GRAFIT

Telah dikatakan bahwa karbida besi atau sementit adalah metastabil, meskipun dalam kondisi normal, ia cenderung bertahan tanpa batas. Ketika sementit terdekomposisi terjadi menurut reaksi :

Fe3C <——–> 3Fe + C

Dalam fase stabil, karbon atau grafit bebas terjadi alih-alih fase yang dikenal sebagai sementit . Pada tingkat pendinginan yang kecil, grafit terbentuk ketika besi tuang mengeras dari keadaan cair. Pendinginan lambat mendorong grafitisasi . Pendinginan cepat sebagian atau seluruhnya menekan grafitasi dan mengarah pada pembentukan sementit.

Sistem besi-grafit (sebagai garis putus-putus) ditunjukkan pada Gambar 2.14. Kasus paduan karbon yang mengandung 3,5 persen berat karbon diambil sebagai ilustrasi

Pada titik 1 paduan dalam keadaan cair. Pada titik 2 pada saluran pendingin reaksi yang terjadi dapat dinyatakan sebagai:

Gambar

> Antara titik 2 dan 3, kelebihan karbon dalam austenit diendapkan sebagai grafit bebas dan bukan sebagai sementit. Pada titik 3, terjadi reaksi eutektoid. Ini dinyatakan sebagai:

Gambar

Mekanisme transformasi eutektoid harus mengubah satu fase padat menjadi dua fase padat lainnya, keduanya dengan komposisi yang berbeda dari aslinya.

Mengambil contoh dekomposisi eutektoid besi, austenit yang mengandung 0,8% C berubah menjadi ferit (besi yang hampir tidak mengandung karbon) dan sementit (Fe3C, mengandung 25% karbon). Oleh karena itu atom karbon harus berdifusi bersama untuk membentuk Fe3C, meninggalkan ferit. Inti dari pelat kecil ferit dan sementit terbentuk pada batas butir austenit, dan difusi karbon terjadi pada skala yang sangat lokal tepat di depan antarmuka (skema di bawah).

Dengan demikian lempeng tumbuh, memakan austenit saat mereka pergi, untuk membentuk perlit. Proses grafitasi dikendalikan dengan memvariasikan laju pendinginan dan dengan paduan yang tepat dari matriks logam.

Istilah yang digunakan dalam Diagram Kesetimbangan Karbon Besi

Titik Eutektik

Titik eutektoid dalam logam apa pun adalah suhu terendah di mana perubahan terjadi dalam larutan padat.

Reaksi eutektik terjadi pada titik-titik ini, di mana fase cair membeku menjadi campuran dua fase padat. Ini terjadi ketika paduan cair dengan komposisi eutektik didinginkan sampai mencapai suhu eutektiknya.

Paduan eutektik adalah paduan yang terbentuk pada titik ini. Paduan di sisi kiri dan kanan titik ini dikenal sebagai paduan hipoeutektik dan paduan hipereutektik ('hipo' dalam bahasa Yunani berarti kurang dari, 'hiper' berarti lebih besar dari).

Austenit

Austenit, larutan padat karbon dan konstituen lain dalam bentuk besi tertentu yang dikenal sebagai besi (gamma).

Fasa ini merupakan larutan padat karbon dalam FCC Fe dengan kelarutan maksimum 2,14% C. Pada pemanasan lebih lanjut, berubah menjadi ferit BCC pada 1395 °C. -austenit tidak stabil pada suhu di bawah suhu eutektik (727°C) kecuali didinginkan dengan cepat.

Alpha Iron atau Ferrite

Ada pada suhu rendah dan kandungan karbon rendah, -ferit adalah larutan padat karbon dalam BCC Fe. Fase ini stabil pada suhu kamar. Dalam grafik, dapat dilihat sebagai sliver di tepi kiri dengan sumbu Y di sisi kiri dan A2 di kanan. Fase ini bersifat magnetis di bawah 768°C.

Ini memiliki kandungan karbon maksimum 0,022% dan akan berubah menjadi -austenit pada 912°C seperti yang ditunjukkan pada grafik.

Sementite

Sementit, fase metastabil dari paduan ini dengan komposisi tetap Fe3C, adalah fase metastabil dari paduan ini. Pada suhu kamar, ia terurai sangat lambat menjadi besi dan karbon (grafit).

Waktu penguraian ini lama, dan akan memakan waktu lebih lama daripada masa pakai aplikasi pada suhu kamar. Faktor lain, seperti suhu tinggi dan penambahan elemen paduan tertentu, dapat mempengaruhi dekomposisi ini dengan mendorong pembentukan grafit.

Sementit keras dan rapuh, sehingga ideal untuk tulangan baja. Sifat mekaniknya ditentukan oleh struktur mikronya, yang ditentukan oleh bagaimana ia dicampur dengan ferit.

Kami telah mencoba untuk mencakup semua istilah yang terkait dengan diagram fase karbon besi termasuk berbagai fase dan istilah yang digunakan di dalamnya untuk memahami dengan cara yang lebih baik. Semoga Anda menyukai artikel ini tentang diagram kesetimbangan karbon besi . Silakan berikan tanggapan Anda di komentar di bawah.