Diagram Fase Besi–Karbon Dijelaskan: Kesetimbangan, Penggunaan, dan Fase Utama

Dalam artikel ini kita akan membahas Diagram Kesetimbangan Besi Karbon, penggunaan diagram kesetimbangan, jenis diagram kesetimbangan besi karbon 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 logam alih di bawah berbagai kondisi suhu, tekanan, dan komposisi kimia.

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

Karakteristik dan Penggunaan Diagram Kesetimbangan

Kesetimbangan berarti bahwa perubahan yang terjadi dalam sistem sebagai akibat dari proses yang berlangsung satu arah sepenuhnya diimbangi oleh perubahan akibat pembalikan proses dalam sistem. Jadi ia dianggap sebagai kondisi seimbang dinamis antara gerakan atom di mana hasil akhirnya nol.

Laju perubahan suhu atau komposisi sangat lambat selama pekerjaan eksperimental, sehingga logam alih akan "istirahat" sebelum variabel seperti suhu, diubah lagi. Kondisi, oleh karena itu, adalah kondisi istirahat daripada perubahan.

Diagram kesetimbangan menunjukkan hal berikut:

1. Suhu di mana logam alih padat akan mulai meleleh dan selesai meleleh.

2. Perubahan fase yang mungkin akan terjadi sebagai akibat dari mengubah komposisi atau suhu.

Apa yang Dinayatakan oleh Diagram Kesetimbangan?

Diagram ini menjelaskan kondisi yang sesuai untuk dua atau lebih fase untuk ada dalam kesetimbangan. Misalnya, diagram fase air menjelaskan titik (titik titik) di mana air dapat coexist dalam tiga fase berbeda pada saat yang sama. Ini terjadi tepat di atas suhu beku (0,01°C) dan 0,006 atm.

Penggunaan Diagram Kesetimbangan dalam Metalurgi

• Pengembangan logam alih baru berdasarkan persyaratan aplikasi.
• Produksi logam alih ini.
• Pengembangan dan implementasi prosedur perawatan panas yang sesuai untuk meningkatkan sifat kimia, fisik, dan mekanis dari logam alih baru ini.
• Pemecahan masalah yang timbul selama penggunaan logam alih baru ini, yang pada akhirnya meningkatkan prediktabilitas produk.

Diagram Kesetimbangan Besi Karbon

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

Diagram fase besi karbon biasanya digunakan untuk memahami secara penuh berbagai fase baja dan besi cor. Baja dan besi cor keduanya adalah logam alih besi dan karbon. Selain itu, kedua logam alih mengandung elemen pelacak dalam jumlah kecil.

Grafik ini cukup kompleks, namun karena kami membatasi penelitian kami pada Fe3C, kami hanya akan melihat hingga 6,67 persen berat karbon.

Jenis Diagram Kesetimbangan Besi Karbon

Diagram kesetimbangan besi karbon biner adalah dasar dari baja dan besi cor. Ini mengenai transformasi yang terjadi dalam logam alih yang memiliki komposisi dari besi murni hingga semen (6,67 persen karbon). Ada dua versi diagram kesetimbangan besi karbon:

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

Kedua sistem ini tergantung pada laju pendinginan. Pendinginan cepat menghasilkan semen dan sistem dikenal sebagai Sistem besi-semen. Dalam sistem ini, struktur yang terbentuk dalam fase yang diekstrak tidak mencapai kesetimbangan yang cukup lengkap. Jadi Sistem besi-semen adalah metastabil.

Sedangkan pendinginan lambat menghasilkan grafit dan sistem dikenal sebagai Sistem besi-grafit. Struktur yang terbentuk dalam fase yang diekstrak mencapai kesetimbangan yang cukup lengkap. Jadi ini adalah stabil.

Jenis Logam Alih Feros pada Diagram Kesetimbangan Besi Karbon

Skala persentase berat pada sumbu X dari diagram fase besi karbon berkisar dari 0% hingga 6,67% Karbon. Logam disebut sebagai besi atau besi murni hingga kandungan karbon maksimum 0,008 persen berat karbon. Pada suhu ruangan, ia ada dalam keadaan ferrit.

Baja adalah logam alih besi karbon dengan kandungan karbon berkisar dari 0,008 hingga 2,14 persen. Jenis baja dalam rentang ini dikenal sebagai baja karbon rendah (atau baja lembut), baja karbon menengah, dan baja karbon tinggi.

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

SISTEM BESI-SEMEN

Jika serangkaian kurva pemanasan waktu-suhu dibuat untuk baja dengan berbagai kandungan karbon dan titik kritis yang sesuai dipetakan, diagram mirip dengan Gambar 2.14 akan diperoleh. Diagram ini, yang hanya berlaku di bawah kondisi pendinginan lambat, dikenal sebagai bagian Diagram fase besi karbon. Dengan merujuk pada diagram ini seseorang dapat dengan mudah mengamati suhu quenching yang tepat untuk baja karbon apa pun, Titik kritis dalam Gambar 2.14 pada garis PSK dinyatakan oleh A1, yang pada garis GS oleh A3, dan yang pada garis SE oleh Acm

Diagram Kesetimbangan Besi Karbon dengan Penjelasan

Austenit

Austenit, larutan padat karbon dan konstituen lain dalam bentuk besi tertentu yang dikenal sebagai γ (gamma) besi. Mari kita ambil contoh potongan baja 0,20 persen karbon yang telah dipanaskan pada suhu sekitar 850°C. Di atas Ar3, titik (garis GS) baja ini adalah larutan padat (jenis interstisial) karbon dalam besi gamma dan disebut austenit. Ia memiliki jaring kubus berpusat pada sisi dan non-magnetik.

Austenit polos mungkin mengandung hingga sekitar 2 persen karbon pada suhu 1130°C. Setelah pendinginan baja ini atom besi mulai membentuk jaring kubus berpusat pada titik di bawah Ar3 (garis GS). Struktur baru yang sedang terbentuk disebut ferrit atau besi alfa dan adalah larutan padat karbon dalam besi alfa yang mengandung hingga 0,008 persen karbon pada suhu ruangan.

Saat baja didinginkan ke Ar1, (garis PSK), ferrit tambahan terbentuk. Pada garis Arı austenit yang tersisa ditransformasikan menjadi struktur baru yang disebut perlit. Nama perlit disebabkan oleh kilau mutiara. Ia terdiri dari plat selang-seling ferrit dan semen dan mengandung sekitar 87 persen ferrit. Perlit dapat berupa struktur lamelar halus-ke-kasar atau granular. Ini adalah zat yang kuat dan dapat dipotong dengan cukup baik dengan alat potong, yaitu, konstituen perlit dalam baja dapat diproses.

Baja Eutektik

Saat kandungan karbon baja meningkat di atas 0,20 persen, suhu di mana ferrit pertama kali ditolak dari austenit menurun hingga, pada sekitar 0,80 persen karbon (titik S), tidak ada ferrit bebas yang ditolak dari austenit. Baja ini disebut baja eutektik dan adalah 100 persen perlit.

Titik Eutektik

Apa Itu Titik Eutektik?

Titik eutektik dalam logam apa pun, sebagaimana disebut sebelumnya, adalah suhu terendah di mana perubahan terjadi dalam larutan padat.

Jika kandungan karbon baja lebih besar dari eutektik (0,8 persen karbon), garis baru diamati dalam diagram fase besi karbon yang ditunjukkan oleh Acm (garis S). Garis ini menunjukkan suhu di mana karbida besi pertama kali ditolak dari austenit bukan ferrit.

Karbida besi (Fe3C) dikenal sebagai semen. Ini sangat keras, rapuh dan tampak sebagai plat paralel (lapisan lamelar), sebagai partikel bundar (sferoid) atau sebagai amplas di sekitar butir perlit. Pada titik C, campuran eutektik yang mengandung 4,3 persen karbon dikenal sebagai ledeburit. Ini jarang ditemukan dalam logam alih yang didinginkan lambat karena ia hancur, karena sifatnya yang tidak stabil, menjadi fase lain selama pendinginan setelah pengakuan.

Hipoeutektik dan Hipereutektik

Baja yang mengandung kurang dari 0,80 persen karbon disebut hipoeutektik dan yang mengandung lebih dari 0,8 persen karbon disebut hipereutektik baja. Terminologi ini hanya berlaku untuk baja polos dan baja legasi rendah. Dengan baja legasi tinggi komposisi eutektik berubah dan struktur mungkin bahkan tidak ada.

Pertama harus disebutkan bahwa diagram kesetimbangan normal sebenarnya mewakili kesetimbangan metastabil antara besi dan karbida besi (semen). Semen adalah metastabil, dan kesetimbangan yang sebenarnya harus antara besi dan grafit.

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

Sistem Besi Grafit

SISTEM BESI GRAFIT

Telah dikatakan bahwa karbida besi atau semen adalah metastabil, meskipun dalam kondisi normal, ia cenderung bertahan selamanya. Ketika semen memecah, ia melakukannya sesuai dengan reaksi:

Fe3C <——–> 3Fe + C

Dalam fase stabil, karbon bebas atau grafit terjadi alih-alih fase yang dikenal sebagai semen. Pada derajat superkeling yang kecil, grafit terbentuk ketika besi cor mengakali dari keadaan cair. Pendinginan lambat mempromosikan grafitisasi. Pendinginan cepat sebagian atau sepenuhnya menekan grafitisasi dan menyebabkan pembentukan semen.

Sistem besi-grafit (seperti garis titik) ditunjukkan dalam Gambar 2.14. Kasus logam alih karbon yang mengandung 3,5 persen karbon menurut berat diambil sebagai ilustrasi

Pada titik 1 logam alih berada dalam keadaan cair. Pada titik 2 pada garis pendinginan reaksi yang terjadi dapat dinyatakan sebagai:

Di antara titik 2 dan 3, karbon berlebih dalam austenit tersedot sebagai grafit bebas dan bukan sebagai semen. Pada titik 3, reaksi eutektik terjadi.

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

Mengambil dekomposisi eutektik besi sebagai contoh, austenit yang mengandung 0,8% C berubah menjadi ferrit (besi yang hampir tidak mengandung karbon) dan semen (Fe3C, yang mengandung 25 at% karbon). Oleh karena itu atom karbon harus menyebar bersama untuk membentuk Fe3C, meninggalkan ferrit. Inti kecil plat ferrit dan semen terbentuk di batas butir austenit, dan difusi karbon terjadi pada skala yang sangat lokal tepat di depan antarmuka.

Jadi plat-plat tumbuh, mengkonsumsi austenit saat bergerak, untuk membentuk perlit. Proses grafitisasi dikendalikan dengan mengubah laju pendinginan dan dengan pengalihan logam yang tepat dari matriks logam.

Istilah yang Digunakan dalam Diagram Kesetimbangan Besi Karbon

Titik Eutetik

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

Reaksi eutetik terjadi pada titik-titik ini, di mana fase cair membeku menjadi campuran dari dua fase padat. Ini terjadi ketika logam alih cair dengan komposisi eutetik didinginkan hingga suhu eutetiknya.

Logam alih eutetik adalah logam alih yang terbentuk pada titik ini. Logam alih di sebelah kiri dan kanan titik ini dikenal sebagai logam alih hipoeutetik dan hipereutetik ('hipo' dalam Yunani berarti kurang dari, 'hyper' berarti lebih dari).

Austenit

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

Fase ini adalah larutan padat karbon dalam FCC Fe dengan kelerangan maksimum 2,14% C. Pada pemanasan lebih lanjut, ia berubah menjadi ferrit BCC pada 1395°C. γ-austenit tidak stabil pada suhu di bawah suhu eutetik (727°C) kecuali didinginkan dengan cepat.

Besi Alfa atau Ferrit

Ada pada suhu rendah dan kandungan karbon rendah, α-ferrit adalah larutan padat karbon dalam BCC Fe. Fase ini stabil pada suhu ruangan. Dalam grafik, ia dapat terlihat sebagai irisan di tepi kiri dengan Y-axis di sisi kiri dan A2 di kanan. Fase ini magnetik di bawah 768°C.

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

Semen

Semen, fase metastabil dari logam alih ini dengan komposisi tetap Fe3C, adalah fase metastabil dari logam alih ini. Pada suhu ruangan, ia terurai sangat lambat menjadi besi dan karbon (grafit).

Waktu terurai ini lama, dan akan lebih lama dari masa pakai aplikasi pada suhu ruangan. Faktor lain, seperti suhu tinggi dan penambahan elemen pengalih tertentu, dapat mempengaruhi terurai ini dengan mempromosikan pembentukan grafit.

Semen keras dan rapuh, menjadikannya ideal untuk penguatan baja. Sifat mekaniknya ditentukan oleh mikrostruktur, yang ditentukan oleh bagaimana ia dicampur dengan ferrit.

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