Diagram Fase Besi-Karbon

Diagram Fasa Besi-Karbon

Diagram fase adalah alat yang sangat penting dalam studi paduan untuk solusi dari banyak masalah praktis dalam metalurgi. Diagram ini menentukan daerah stabilitas fase yang dapat eksis dalam sistem paduan di bawah kondisi tekanan atmosfer yang konstan. Untuk sistem biner, koordinat diagram ini adalah suhu dan komposisi. Hubungan timbal balik antara fase, suhu dan komposisi dalam sistem paduan biasanya disajikan oleh diagram fase hanya dalam kondisi kesetimbangan. Kondisi seperti itu terjadi selama laju pemanasan dan pendinginan paduan yang lambat, ketika kinetika transformasi tidak memainkan peran penting.

Dalam bentuknya yang paling sederhana, besi dan baja adalah paduan besi (Fe) dan karbon (C). Ada tiga jenis paduan besi . Paduan ini terdiri dari (i) besi yang memiliki kandungan C kurang dari 0,0008 % pada suhu kamar, (ii) baja dengan kandungan C berkisar antara 0,008 % sampai 2,14% (biasanya kurang dari 1%) dan memiliki struktur mikro yang terdiri dari ferit dan sementit. ), dan (iii) besi tuang dengan kandungan C berkisar antara 2,14  % hingga 6,7 % (biasanya kurang dari 4,5 %). Studi tentang konstitusi dan struktur besi dan baja dimulai dengan diagram fase besi-karbon (Fe-C) (Gambar 1). Diagram fasa Fe-C juga digunakan sebagai dasar untuk memahami proses perlakuan panas.

Banyak fitur dasar sistem Fe-C mempengaruhi perilaku bahkan besi dan baja paduan yang paling kompleks. Misalnya, fase yang ditemukan dalam sistem biner Fe-C sederhana bertahan dalam baja kompleks, tetapi perlu untuk memeriksa efek elemen paduan terhadap pembentukan dan sifat fase ini. Diagram Fe-C memberikan dasar yang berharga di mana pengetahuan tentang karbon biasa dan baja paduan dapat dibangun.

Gbr 1 Diagram fase karbon besi

C adalah pengotor interstisial dalam Fe. Ini membentuk larutan padat dengan fase alfa, gamma, dan delta dari besi. Kelarutan maksimum C dalam besi alfa adalah 0,025% pada 727 derajat C. Besi kubik pusat tubuh (BCC) memiliki posisi interstisial yang relatif kecil. Kelarutan maksimum C dalam besi gamma kubus pusat muka (FCC) adalah 2,14 % pada 1148 derajat C. Besi FCC memiliki posisi interstisial yang lebih besar. Sifat mekanik paduan besi-karbon (besi dan baja) bergantung pada struktur mikronya, yaitu, bagaimana fase yang berbeda dicampur.

Diagram fasa besi-karbon pada Gambar 2 sebenarnya menunjukkan dua diagram yaitu (i) diagram besi-grafit stabil (garis merah), (ii) dan diagram metastabil Fe-Fe3C. Sementit bersifat metastabil, dan keseimbangan yang sebenarnya adalah antara besi dan grafit (C). Meskipun grafit banyak terdapat pada besi tuang, biasanya sulit untuk mendapatkan fase kesetimbangan ini pada baja. Kondisi stabil biasanya membutuhkan waktu yang sangat lama untuk berkembang khususnya pada suhu rendah dan kisaran karbon rendah. Oleh karena itu, diagram kesetimbangan normal yang umumnya digunakan adalah diagram metastabil Fe-Fe3C karena relevan dengan perilaku sebagian besar baja dalam praktik.

Rincian diagram fase stabil dan metastabil dari sistem Fe-C, terutama di sisi kaya Fe, diketahui jauh lebih baik daripada sistem biner lainnya dengan kompleksitas serupa. Namun, masih ada area substansial di mana diagram fase belum terbentuk dengan baik seperti pada rentang suhu, komposisi, dan tekanan yang tidak terkait langsung dengan pembuatan besi dan baja.

Gambar 2 Diagram besi-karbon menunjukkan fase stabil dan metastabil

Ada beberapa fase metalurgi penting dan konstituen mikro dalam sistem karbon besi. Dalam sistem Fe–Fe3C, karbon merupakan pengotor interstisial dalam Fe. Ini membentuk larutan padat dengan fase alfa (alfa ferit), gamma (austenit), dan delta (delta ferit) dari besi. Ini adalah fase penting dalam diagram fase Fe – Fe3C. Di antara medan-medan satu fasa, ditemukan daerah-daerah dengan campuran dua fasa, seperti ferit dan sementit, austenit dan sementit, serta ferit dan austenit. Pada suhu tertinggi, medan fase cair dapat ditemukan dan di bawahnya adalah medan dua fase cair dan austenit, cair dan sementit, dan cair dan ferit. Dalam perlakuan panas baja, fase cair selalu dihindari. Pada titik eutektik (4,26 % C), paduan cair pada pendinginan langsung diubah menjadi austenit dan sementit tanpa medan dua fasa. Demikian pula pada titik Eutectoid (0,76 % C), fasa austenit pada pendinginan langsung diubah menjadi ferit dan sementit tanpa medan dua fasa. Beberapa batas penting pada medan fase tunggal telah diberi nama khusus yang memudahkan pemahaman diagram.

Fase utama besi dan baja dalam kesetimbangan adalah fase berikut.

• Fase ferit atau alfa-besi – Ini adalah bentuk besi yang stabil pada suhu kamar. Ini adalah fase suhu rendah yang relatif lunak dan merupakan fase kesetimbangan yang stabil. Ini berubah menjadi austenit FCC (fase gamma) pada 910 derajat C. Ferit adalah konstituen umum dalam baja dan memiliki struktur BCC, yang kurang padat dibandingkan struktur FCC. Hal ini lembut, dan cukup ulet. Ini bersifat magnetis di bawah 768 derajat C. Ini memiliki kekuatan rendah dan ketangguhan yang baik.
• Austenit atau fase besi gamma – Austenit adalah fase suhu tinggi. Ini adalah larutan padat C dalam besi FCC. Oleh karena itu, ia memiliki struktur FCC, yang merupakan struktur padat. Ini adalah fase non magnetik dan ulet. Ini berubah menjadi ferit delta BCC pada 1394 derajat C. Tidak stabil di bawah suhu eutektik (727 derajat C) kecuali didinginkan dengan cepat. Austenite memiliki kekuatan dan ketangguhan yang baik.
• Fase ferit delta – Ini adalah larutan padat C dalam besi BCC. Ia stabil hanya pada suhu yang lebih tinggi dari 1394 derajat C. Ia meleleh pada 1538 derajat C. Ia memiliki sifat paramagnetik.
• Sementit – Ini adalah Fe3C atau besi karbida. Ini adalah senyawa antar-logam Fe dan C. Ia memiliki struktur ortorombik yang kompleks dan merupakan fase metastabil. Ini adalah fase yang keras dan rapuh. Ini memiliki kekuatan tarik rendah, kekuatan kompresi yang baik dan ketangguhan rendah. Ini terurai (sangat lambat, dalam beberapa tahun) menjadi ferit alfa dan C (grafit) pada kisaran suhu 650 derajat C hingga 700 derajat C.

Pada perbandingan austenit dengan ferit, kelarutan karbon lebih banyak pada austenit dengan nilai maksimum 2,14% pada 1148 derajat C. Kelarutan karbon dalam austenit yang tinggi ini sangat penting dalam perlakuan panas, ketika perlakuan larutan dalam austenit diikuti dengan pendinginan cepat untuk suhu kamar memungkinkan pembentukan larutan padat jenuh karbon dalam besi. Fase ferit dibatasi dengan kelarutan karbon maksimum 0,025% pada 727 derajat C. Karena rentang karbon yang tersedia pada baja biasa adalah dari 0,05% hingga 1,5%, ferit biasanya diasosiasikan dengan sementit dalam satu atau bentuk lain. Demikian pula, fase delta sangat terbatas dan berada dalam kisaran suhu antara 1394 derajat C dan 1538 derajat C/ Ini menghilang sepenuhnya ketika kandungan karbon mencapai 0,5 %.

Paduan komposisi eutektoid (0,76% C) bila didinginkan perlahan membentuk perlit, yang merupakan struktur berlapis dua fase yaitu alfa-ferit dan sementit. Perlit adalah campuran fase ferit-sementit. Ini memiliki penampilan yang khas dan dapat diperlakukan sebagai entitas struktural mikro atau konstituen mikro. Ini adalah agregat dari lamella ferit dan sementit berselang-seling yang terdegenerasi (berbentuk bulat atau kasar) menjadi partikel sementit yang terdispersi dengan matriks ferit setelah ditahan lebih lama di bawah 727 derajat C. Ini adalah eutektoid dan memiliki struktur BCC. Ini adalah larutan Fe dan C yang larut sebagian. Secara mekanis, perlit memiliki sifat menengah hingga ferit lunak, ulet, dan sementit keras dan rapuh. Ini memiliki kekuatan tinggi dan ketangguhan rendah.

Paduan hipo-eutektoid mengandung ferit pro-eutektoid (terbentuk di atas suhu eutektoid) bersama dengan perlit eutektoid yang mengandung ferit eutektoid dan sementit. Paduan hiper-eutektoid mengandung sementit pro-eutektoid (terbentuk di atas suhu eutektoid bersama dengan perlit yang mengandung ferit eutektoid dan sementit.

Dalam kasus pemadatan sistem Fe-C yang tidak seimbang, beberapa jenis struktur mikro tambahan juga dapat terbentuk. Beberapa dari mikrostruktur ini diberikan di bawah ini.

• Bainite – Ini adalah fase antara perlit dan martensit. Ini adalah konstituen mikro metastabil keras dan terdiri dari campuran non lamellar ferit dan sementit pada skala yang sangat halus. Bainit atas terbentuk pada suhu yang lebih tinggi dan memiliki penampilan yang berbulu. Bainit yang lebih rendah terbentuk pada suhu yang lebih rendah dan memiliki penampilan acicular. Kekerasan bainit meningkat dengan menurunnya suhu pembentukannya. Ini memiliki kekuatan dan ketangguhan yang baik.
• Marttensit – Ini adalah bentuk struktur kristal baja yang sangat keras. Dinamai setelah ahli metalurgi Jerman Adolf Martens. Ini dibentuk oleh pendinginan yang cepat dan keras dan rapuh. Ini adalah bentuk besi tetragonal pusat tubuh (BCT) di mana beberapa karbon dilarutkan. Ini terbentuk selama pendinginan, ketika kisi kubik berpusat muka dari austenit terdistorsi ke dalam struktur tetragonal berpusat badan tanpa kehilangan atom karbon yang terkandung menjadi sementit dan ferit. Ini adalah larutan super jenuh atom C dalam ferit. Ini adalah fase metastabil yang sulit. Ini memiliki morfologi bilah ketika C kurang dari 0,6%, morfologi lempeng ketika C lebih dari 1%, dan campuran di antaranya. Ini memiliki kekuatan dan kekerasan tinggi dan ketangguhan rendah.
• Sorbite / troostite – Struktur tingkat perlit yang lebih rendah dengan serpihan yang sangat halus disebut sebagai sorbite dan troostite. Ini adalah struktur transformasi tahap perlit yang sesuai dengan peningkatan laju pendinginan. Namun, ini mengubah rasio struktur dan pembentukan perlit berkenaan dengan jarak serpihan. Strukturnya tidak dapat dilihat di bawah mikroskop optik.
• Widmanstatten ferrite – Diperoleh ketika baja karbon polos hipo-eutektoid didinginkan dengan cepat membentuk suhu di atas suhu A3. Karena pendinginan yang cepat, hanya ada sedikit waktu yang tersedia bagi kristal ferit untuk nukleasi tidak hanya pada batas butir tetapi juga dalam butir austenit yang besar. Mereka dengan cepat tumbuh menjadi beberapa arah kristal yang disukai di dalam biji-bijian dan dengan demikian menjadi gondrong. Strukturnya baik berupa jarum (lats) atau pelat yang cenderung sejajar dengan arah yang sama dalam satu butir.

Ada banyak suhu dan titik kritis dalam diagram Besi-C yang penting baik dari sudut pandang dasar maupun praktis. Ini adalah suhu ketika selama pendinginan, atau pemanasan, transformasi fase serta magnetik terjadi di dalamnya. Suhu di mana transformasi terjadi dalam keadaan padat disebut suhu kritis, atau titik kritis. Suhu utama dan titik kritis diberikan di bawah ini.

• Suhu A0 – Ini adalah suhu Curie ketika perubahan magnetik ke non-magnetik sementit terjadi pada pemanasan. Struktur dapat mengembangkan cacat seperti dislokasi, patahan dan kekosongan. Sementit adalah logam dan feromagnetik dengan suhu Curie sekitar 210 derajat C. Ketika paduan, zat terlarut logam menggantikan situs besi; atom yang lebih kecil seperti boron menggantikan karbon di situs interstisial.
• Suhu A1 – Ini adalah suhu (727 derajat C) ketika transformasi eutektoid terjadi. Pada suhu ini perlit berubah menjadi austenit saat dipanaskan dan sebaliknya
• Suhu A2 – Ini disebut suhu Curie ferit (768 derajat C), di mana ferit feromagnetik pada pemanasan berubah menjadi paramagnetik. Pada suhu ini tidak ada perubahan struktur mikro yang terlibat
• Suhu A3 – Ini adalah suhu di mana ferit baru mulai terbentuk dari austenit, pada pendinginan baja hipo-eutektoid atau jejak terakhir ferit bebas berubah menjadi austenit, pada pemanasan. Jadi, ini adalah suhu yang sesuai dengan batas fase gamma + alfa / gamma untuk baja hipo-eutektoid dan merupakan fungsi dari kandungan karbon baja, karena menurun dari 910 derajat C pada 0 % C menjadi 727 derajat C pada 0,76 % C Ini juga disebut suhu kritis atas baja hipo-eutektoid. Interval suhu antara suhu A1 dan A3 disebut kisaran kritis di mana austenit berada dalam kesetimbangan dengan ferit.
• Suhu Acm – Ini adalah suhu, dalam baja hiper-eutektoid, di mana sementit pro-eutektoid baru mulai terbentuk (pada pendinginan) dari austenit. Ini mewakili suhu batas fase gamma/gamma + Fe3C dan, merupakan fungsi dari karbon. Garis Acm menggambarkan bahwa kelarutan padat karbon dalam austenit menurun sangat cepat dari maksimum 2,14 % pada 1148 derajat C hingga maksimum 0,76 % pada 727 derajat C, karena stabilitas sementit yang lebih besar pada suhu yang lebih rendah. Karbon ekstra mengendap dari austenit sebagai sementit pro-eutektoid pada baja hipereutektoid (juga disebut sementit sekunder pada besi tuang). Pemisahan sementit dari austenit (pada pendinginan) juga disertai dengan evolusi panas.
• Suhu A4 – Ini adalah suhu di mana austenit berubah menjadi besi delta. Nilai terendah untuk suhu ini adalah 1394 derajat C yang terjadi pada besi murni. Suhu ini meningkat seiring dengan peningkatan persen karbon.
• Suhu Ms – Ini adalah suhu di mana transformasi austenit menjadi martensit dimulai selama pendinginan.
• Suhu Mf – Ini adalah suhu di mana pembentukan martensit selesai selama pendinginan. Semua perubahan, kecuali pembentukan martensit, terjadi pada suhu yang lebih rendah selama pendinginan daripada selama pemanasan dan bergantung pada laju perubahan suhu.

Transformasi Austenit- ferit – Dalam kondisi kesetimbangan, ferit pro-eutektoid terbentuk dalam paduan besi-karbon yang mengandung hingga 0,76% karbon. Reaksi terjadi pada 910 derajat C dalam besi murni, tetapi berlangsung antara 910 derajat C dan 727 derajat C dalam paduan besi-karbon. Namun, dengan pendinginan dari keadaan austenitik ke suhu di bawah suhu eutektoid, ferit dapat dibentuk hingga suhu serendah 600 derajat C. Ada perubahan morfologi yang nyata saat suhu transformasi diturunkan, yang biasanya berlaku secara umum untuk hipo-eutektoid. dan fase hiper-eutektoid, meskipun dalam setiap kasus ada variasi karena kristalografi yang tepat dari fase yang terlibat. Misalnya, prinsip yang sama berlaku untuk pembentukan sementit dari austenit, tetapi tidak sulit untuk membedakan ferit dari sementit secara morfologis.

Transformasi austenit-sementit – Ada morfologi yang berbeda dari sementit yang terbentuk pada suhu transformasi yang semakin rendah. Perkembangan awal alotriomorf batas butir sangat mirip dengan ferit dan pertumbuhan pelat samping atau sementit Widmanstatten mengikuti pola yang sama. Allotriomorph memiliki bentuk yang tidak mencerminkan simetri kristalin internalnya. Hal ini karena ia cenderung nukleasi pada permukaan butir austenit, sehingga membentuk lapisan yang mengikuti kontur batas butir. Pelat sementit lebih ketat dalam bentuk kristalografi, meskipun fakta bahwa hubungan orientasi dengan austenit lebih kompleks. Seperti dalam kasus ferit, sebagian besar pelat samping berasal dari alotriomorf batas butir, tetapi dalam reaksi sementit lebih banyak pelat samping yang berinti pada batas kembar dalam austenit.

Reaksi austenit-perlit – Perlit adalah struktur mikro yang paling dikenal dalam diagram fase karbon besi. Itu ditemukan oleh Sorby lebih dari seabad yang lalu, yang dengan tepat menganggapnya sebagai campuran pipih besi dan besi karbida. Ini adalah konstituen yang sangat umum dari berbagai macam baja, di mana ia memberikan kontribusi besar terhadap kekuatan. Struktur eutektoid pipih jenis ini tersebar luas dalam metalurgi baja. Struktur ini memiliki banyak kesamaan dengan reaksi presipitasi seluler. Kedua jenis reaksi terjadi dengan nukleasi dan pertumbuhan, dan karenanya, dikendalikan difusi. Inti perlit terjadi pada batas butir austenit, tetapi jelas bahwa mereka juga dapat dikaitkan dengan ferit pro-eutektoid dan sementit. Dalam baja komersial, nodul perlit dapat berinti pada inklusi.