Download - Phase Transformation
POLITEKNIK MANUFAKTUR ASTRA
PHASE PHASE TRANSFORMATIONTRANSFORMATION
Engineering MaterialEngineering MaterialAgung KaswadiAgung Kaswadi
Material Teknik – Prodi P4
Campuran > adalah material dengan lebih dari satu fasa.
Larutan > fasa dengan lebih dari satu komponen.
Ilustrasi dari fasa dan kelarutan:a.Uap air – cairan – padat
masing-masing adalah fasab.Larut tidak terbatasc.Larut terbatasd.Tidak larut
Material Teknik – Prodi P4
Material Teknik – Prodi P4
Parameter Paduan
Limit kelarutan adalah yang membatasi antara Fasa (antara 1-2 atau lebih).Macamnya: Limit Kelarutan Cairan
Limit Kelarutan Padat
Material Teknik – Prodi P4
Kurva Kelarutan
Material Teknik – Prodi P4
FasaAdalah bagian dari material yang memiliki struktur dan komposisi yang berbeda dari yang lainnya.
Contoh:Es batu = es batu terdiri dari 2 fasa yaitu fasa padat dan fasa cair,meskipun memiliki komposisi yang sama,es batu adalah padatan kristalin dengan kisi heksagonal, sedangkan air adalah cairan.
Material Teknik – Prodi P4
DIAGRAM FASA / DIAGRAM KESETIMBANGAN FASA
Pengertian
Yaitu diagram yang menghubungkan ketiga parameter paduan ( temperature, Komposisi, dan Fasa ).
Fungsi diagram Fasa : untuk menganalisis
Proses pembekuan / pencairan paduan pada berbagai komposisi.
Untuk melihat fasa apa yang akan terjadi pada temperatur dan komposisi tertentu.
Jenis-jenis diagram fasa tergantung pada jenis paduannya, yaitu:•Diagram Fasa Biner•Diagram Fasa Terner.•Diagram Fasa Quartener
Material Teknik – Prodi P4
Diagram Fasa BinerPengertian
Diagram fasa yang terbentuk oleh 2 unsur (paduan biner).
Diagram fasa biner terdiri dari 3 kelompok, yaitu: Diagram fasa yang menunjukan adanya kelarutan yang sempurna
dalam keadaan cair atau padat. Diagram fasa yang menunjukan adnya kelarutan yang terbatas
dalam keadaan padat yang mengandung: Reaksi fasa Eutektik. Reaksi fasa peritektik. Senyawa.
Diagram fasa yang menunjukan adanya ketidaklarutan satu sama lain dalam keadaan padat.
Material Teknik – Prodi P4
DIAGRAM FASA Ag-Cu
Material Teknik – Prodi P4
CRYSTAL STRUCTURE OF IRON
Material Teknik – Prodi P4
DIAGRAM Fe-Fe3C
Material Teknik – Prodi P4
DIAGRAM Fe-Fe3C
Material Teknik – Prodi P4
Fasa-fasa dalam diagram Fe-Fe3C
Cementite
Material Teknik – Prodi P4
Fasa-fasa dalam diagram Fe-Fe3C
Material Teknik – Prodi P4
Fasa-fasa dalam diagram Fe-Fe3C
Material Teknik – Prodi P4
Three Invariant Reactions
Material Teknik – Prodi P4
Eutectoid Steel (Pearlitic steel)
Material Teknik – Prodi P4
Fe
(Austenite)
Eutectoid transformation
C FCC
Fe3C (cementite)
(ferrite)
+(BCC)
Eutectoid Steel (Pearlitic steel)
675°C (T smaller)
1 10 102 103time (s)
0
50
100
y (
% p
earl
ite)
0
50
100
600°C (T larger)
650°C
% a
ust
enit
e
• Reaction rate increases with T.
• Transforming one phase into another takes time.
5
• Reaction rate is a result of nucleation and growth of crystals.
• Examples:
% Pearlite
0
50
100
Nucleation regime
Growth regime
log (time)t50
Nucleation rate increases w/ T
Growth rate increases w/ T
Nucleation rate high
T just below TE T moderately below TE T way below TENucleation rate low
Growth rate high
pearlite colony
Nucleation rate med Growth rate med. Growth rate low
Adapted fromFig. 10.1, Callister 6e.
NUCLEATION AND GROWTH
Material Teknik – Prodi P4
Formation of Pearlitic
Material Teknik – Prodi P4
Hypoeutectoid steel
Material Teknik – Prodi P4
Hypoeutectoid steel (0.38%C)
Material Teknik – Prodi P4
Hypereutectoid steel
Material Teknik – Prodi P4
Hypereutectoid steel (1.4%C)
Material Teknik – Prodi P4
PENGARUH DARI BEBERAPA ELEMEN PADUAN : Belerang (S) dan Phospor (P).
Bila kadar S tinggi baja akan rapuh pada suhu yang tinggi, sebaliknya jika kaar P yang tinggi baja akan rapuh pada suhu yang rendah.
Silisium (Si)Si terdapat pada semua baja, dinamakan elemen paduan jika kadarnya mencapai 0.5%, Adanya Si akan menaikkan batas mulur. Si juga menurunkan kecepatan pendinginan kritis.
Mangan (Mn)Jika kadarnya melebihi 0,6% maka dikatakan sebagai elemen paduan. Semakin tinggi kadar Mn maka akan semakin turun temperature ubah gamma- alpha. Kadar Mn yang sangat kecil; sudah sangat berpengaruh pada kecepatan pendinginan kritis, pada kadar 1 – 1,2% baja sudah dapat dikeraskan dengan oli (baja keras oli).
Crom (Cr)Sama seperti Mn, Cr juga akan menurunkan kecepatan pendinginan kritis. Cr juga dapat membentuk senyawa Crom Karbid yang keras, dan dengan adanya Cr maka material akan tahan aus. Baja dengan kadar Cr mulai 1,5% dapat dikeraskan dengan oli dan pada kadar Cr diatas 13% dengan kadar karbon kurang dari 0,6% maka baja bersifat anti karat.
Nickel (Ni)Ni menurunkan titik ubah gamma- alpha dan menurunkan kecepatan pendinginan kritis. Baja dengan kadar Ni tinggi berstruktur austenit, anti karat, tahan panas dan tidak dapat dikeraskan.
Wolfram (W)Dengan terbentuknya Wolfram Karbid maka akan menaikan kekerasan, kemampuan potong dan sifat tahan aus material baja tersebut. Kecepatan pendinginan kritis tidak terlalu banyak berubah sehingga baja wolfram murni atau elemen paduan yang lain dalam kadar yang rendah merupakan baja keras air.
Vandium (V)Vandium membuat baja menjadi tahan panas, menaikan kemampuan potong dan tahan aus.
Cobalt (Co)Cobalt tidak memiliki pengaruh yang besar terhadap struktur baja, sebagai elemen paduan hanya dapat digunakan jika bersenyawa dengan elemen yang lain.
Material Teknik – Prodi P4
PENGARUH DARI BEBERAPA ELEMEN PADUAN :
Adapted from Fig. 10.15, Callister 6e.
COOLING EX: Fe-C SYSTEM (1)• Co = Ceutectoid• Three histories...
time (s)10 103 10510-1
400
600
800
T(°C)Austenite (stable)
200
P
B
0%
100%50%
A
S
M + AM + AM + A
0%50%90%
100% Bainite
A
100%A 100%B
Case I
Rapid cool to:
350°C
250°C
650°C
Hold for:
104s
102s
20s
Rapid cool to:
Troom
Troom
400°C
Hold for:
104s
102s
103s
Rapid cool to:
Troom
Troom
Troom
• Co = Ceutectoid• Three histories...
time (s)10 103 10510-1
400
600
800
T(°C)Austenite (stable)
200
P
B
0% 100%50%
A
S
M + AM + AM + A
0%50%90%
M + trace of A
A
100%A
Case II
Rapid cool to:
350°C
250°C
650°C
Hold for:
104s
102s
20s
Rapid cool to:
Troom
Troom
400°C
Hold for:
104s
102s
103s
Rapid cool to:
Troom
Troom
Troom
Adapted from Fig. 10.15, Callister 6e.
COOLING EX: Fe-C SYSTEM (2)
Adapted from Fig. 10.15, Callister 6e.
COOLING EX: Fe-C SYSTEM (3)
Rapid cool to:
350°C
250°C
650°C
Hold for:
104s
102s
20s
Rapid cool to:
Troom
Troom
400°C
Hold for:
104s
102s
103s
Rapid cool to:
Troom
Troom
Troom
• Co = Ceutectoid• Three histories...
time (s)10 103 10510-1
400
600
800T(°C)
Austenite (stable)
200
P
B
0%
100%50%
A
S
M + AM + AM + A
0%50%90%
50%P, 50%B
A
50%P, 50%A
50%P, 50%A
100%A
50%P, 50%B
Case III
Adapted from Fig. 10.20, Callister 6e. (Fig. 10.20 based on data from Metals Handbook: Heat Treating, Vol. 4, 9th ed., V. Masseria (Managing Ed.), American Society for Metals, 1981, p. 9.)
Adapted from Fig. 9.27,Callister6e. (Fig. 9.27 courtesy Republic Steel Corporation.)
Adapted from Fig. 9.30,Callister 6e. (Fig. 9.30 copyright 1971 by United States Steel Corporation.)
MECHANICAL PROP: Fe-C SYSTEM (1)
• Effect of wt%C
• More wt%C: TS and YS increase, %EL decreases.wt%C
0 0.5 10
50
100%EL
Impact
energ
y (
Izod,
ft-lb)
0
40
80
300
500
700
900
1100YS(MPa)TS(MPa)
wt%C0 0.5 1
hardness
0.7
7
0.7
7
Co>0.77wt%C Hypereutectoid
Co<0.77wt%C Hypoeutectoid
Pearlite (med)ferrite (soft)
Pearlite (med)Cementite
Hypo HyperHypo Hyper
(hard)
Adapted from Fig. 10.21, Callister 6e. (Fig. 10.21 based on data from Metals Handbook: Heat Treating, Vol. 4, 9th ed., V. Masseria (Managing Ed.), American Society for Metals, 1981, pp. 9 and 17.)
MECHANICAL PROP: Fe-C SYSTEM (2)• Fine vs coarse pearlite vs spheroidite
• Hardness: fine > coarse > spheroidite • %AR: fine < coarse < spheroidite
80
160
240
320
wt%C0 0.5 1
Bri
nell
hard
ness
fine pearlite
coarse pearlitespheroidite
0
30
60
90
wt%C0 0.5 1
Duct
ility
(%
AR
)
fine pearlite
coarse pearlite
spheroidite
Hypo Hyper Hypo Hyper
• Fine Pearlite vs Martensite:
• Hardness: fine pearlite << martensite.
Adapted from Fig. 10.23, Callister 6e. (Fig. 10.23 adapted from Edgar C. Bain, Functions of the Alloying Elements in Steel, American Society for Metals, 1939, p. 36; and R.A. Grange, C.R. Hribal, and L.F. Porter, Metall. Trans. A, Vol. 8A, p. 1776.)
MECHANICAL PROP: Fe-C SYSTEM (3)
0
200
wt%C0 0.5 1
400
600
Bri
nell
hard
ness
martensite
fine pearlite
Hypo Hyper
• reduces brittleness of martensite,• reduces internal stress caused by quenching.
Adapted from Fig. 10.24, Callister 6e. (Fig. 10.24 copyright by United States Steel Corporation, 1971.)
Adapted from Fig. 10.25, Callister 6e. (Fig. 10.25 adapted from Fig. furnished courtesy of Republic Steel Corporation.)
TEMPERING MARTENSITE
• decreases TS, YS but increases %AR
YS(MPa)TS(MPa)
800
1000
1200
1400
1600
1800
304050
60
200 400 600Tempering T (°C)
%AR
TS
YS
%AR
9
m
• produces extremely small Fe3C particles surrounded by
Austenite ()
Bainite ( + Fe3C plates/needles)
Pearlite ( + Fe3C layers + a
proeutectoid phase)
Martensite (BCT phase diffusionless
transformation)
Tempered Martensite ( + very fine
Fe3C particles)
slow cool
moderate cool
rapid quench
reheat
Str
ength
Duct
ilit
y
Martensite T Martensite
bainite fine pearlite
coarse pearlite spheroidite
General Trends
Adapted from Fig. 10.27, Callister 6e.
SUMMARY: PROCESSING OPTIONS