Diagram Fasa Fe3C

1.Definisi Diagram Fasa

       Diagram fase yang paling sederhana adalah diagram tekanan-temperatur dari zat tunggal, seperti air. Sumbu-sumbu diagram berkoresponden dengan tekanan dan temperatur. Diagram fase pada ruang tekanan-temperatur menunjukkan garis kesetimbangan atau sempadan fase antara tiga fase padat, cair, dan gas

2. Tipe-tipe Diagram Fasa

       Penandaan diagram fase menunjukkan titik-titik di mana energi bebas bersifat non-analitis. Fase-fase dipisahkan dengan sebuah garis non-analisitas, di mana transisi fase terjadi, dan disebut sebagai sempadan fase.

Pada diagaram sebelah kiri, sempadan fase antara cair dan gas tidak berlanjut sampai tak terhingga. Ia akan berhenti pada sebuah titik pada diagaram fase yang disebut sebagai titik kritis. Ini menunjukkan bahwa pada temperatur dan tekanan yang sangat tinggi, fase cair dan gas menjadi tidak dapat dibedakan, yang dikenal sebagai fluida superkritis. Pada air, titik kritis ada pada sekitar 647 K dan 22,064 MPa (3.200,1 psi)

           Keberadaan titik kritis cair-gas menunjukkan ambiguitas pada definisi di atas. Ketika dari cair menjadi gas, biasanya akan melewati sebuah sempadan fase, namun adalah mungkin untuk memilih lajur yang tidak melewati sempadan dengan berjalan menuju fase superkritis. Oleh karena itu, fase cair dan gas dapat dicampur terus menerus.

          Sempadan padat-cair pada diagram fase kebanyakan zat memiliki gradien yang positif. Hal ini dikarenakan fase padat memiliki densitas yang lebih tinggi daripada fase cair, sehingga peningkatan tekanan akan meningkatkan titik leleh. Pada beberapa bagian diagram fase air, sempadan fase padat-cair air memiliki gradien yang negatif, menunjukkan bahwa es mempunyai densitas yang lebih kecil daripada air.

3. Tinjauan

              Komponen-komponen umum diagram fase adalah garis kesetimbangan atau sempadan fase, yang merujuk pada garis yang menandakan terjadinya transisi fase.

                Titik tripel adalah titik potong dari garis-garis kesetimbangan antara tiga fase benda, biasanya padat, cair, dan gas.

                Solidus adalah temperatur di mana zat tersebut stabil dalam keadaan padat. Likuidus adalah temperatur di mana zat tersebut stabil dalam keadaan cair. Adalah mungkin terdapat celah di antara solidus dan likuidus; di antara celah tersebut, zat tersebut terdiri dari campuran kristal dan cairan.

4. Sifat-Sifat Termodinamika Lainnya

     Selain temperatur dan tekanan, sifat-sifat termodinamika lainnya juga dapat digambarkan pada diagram fase. Contohnya meliputi volume jenis, entalpi jenis, atau entropi jenis. Sebagai contoh, grafik komponen tunggal Temperatur vs. Entropi jenis (T vs. s) untuk air/uap atau untuk refrigeran biasanya digunakan untuk mengilustrasikan siklus termodinamika seperti siklus Carnot dan siklus Rankine.

     Pada grafik dua dimensi, dua kuantitas termodinamika dapat ditunjukkan pada sumbu horizontal dan vertikal. Kuantitas termodinamika lainnya dapat diilustrasikan dengan bertumpuk sebagai sebuah deret garis atau kurva. Garis-garis ini mewakili kuantitas termodinamika pada nilai konstan tertentu.

5. Diagram Fasa 3D

       Adalah mungkin untuk membuat grafik tiga dimensi (3D) yang menunjukkan tiga kuantitas termodinamika. Sebagai contoh, untuk sebuah komponen tunggal, koordinat 3D Cartesius dapat menunjukkan temperatur (T), tekanan (P), dan volume jenis (v). Grafik 3D tersebut kadang-kadang disebut diagram P-v-T. Kondisi kesetimbangan akan ditungjukkan sebagai permukaan tiga dimensi dengan luas permukaan untuk fase padat, cair, dan gas. Garis pada permukaan tersebut disebut garis tripel, di mana zat padat, cair, dan gas dapat berada dalam kesetimbangan. Titik kritis masih berupa sebuah titik pada permukaan bahkan pada diagram fase 3D. Proyeksi ortografi grafik P-v-T 3D yang menunjukkan tekanan dan temperatur sebagai sumbu vertikal dan horizontal akan menurunkan plot 3D tersebut menjadi diagram tekanan-temperatur 2D. Ketika hal ini terjadi, permukaan padat-uap, padat-cair, dan cair-uap akan menjadi tiga kurva garis yang akan bertemu pada titik tripel, yang merupakan proyeksi ortografik garis tripel.

Diagram Fasa Fe-Fe3C

Diagram Fe-Fe3C yaitu diagram yang menampilkan hubungan antara temperatur dan kandungan karbon (%C) selama pemanasan lambat. Dari diagram fasa tersebut dapat diperoleh hasil yaitu berupa informasi penting yaitu antara lain :
1. Fasa yang terjadi pada komposisi dan temperatur yang berbeda dengan pendinginan

    lambat.
2. Temperatur pembekuan dan daerah-daerah pembekuan paduan Fe -C bila dilakukan

    pendinginan lambat.
3.Temperatur cair dari masing-masing paduan.

4.Batas-batas kelarutan atau batas kesetimbangan dari unsur karbon fasa tertentu.
5.Reaksi-reaksi metalurgis yang terjadi.

Besi merupakan salah satu logam yang memiliki sifat allotropi. Sifat allotropi yang dimiliki besi sendiri ada 3, yaitu :
• Delta iron (δ) mampu melarutkan karbon max 0,1% pada 1500° C
• Gamma iron (γ) mampu melarutkan karbon max 2 % pada 1130° C
• Alpha iron (α) mampu melarutkan karbon max 0,025% pada 723° C

Gambar 1. Kurva pendinginan besi murni

Transformasi allotropik yang pada besi, Fe(δ) Æ Fe(γ) Æ Fe(α) terjadi secara difusi
sehingga membutuhkan waktu tertentu pada temperatur konstan Æ karena reaksi
mengeluarkan panas laten.

Diagram Fase Besi – Karbon
Dalam kondisi cair karbon dapat larut dalam besi. Dalam kondisi padat besi dan
karbon dapat membentuk :
• Larutan padat (solid solution)
• Senyawa interstitial (interstitial compound)
• Eutectic mixture : campuran antara austenite (γ) dan cementite (Fe3C)
• Eutectoid mixture : campuran antara ferrite (α) dan cementite (Fe3C)
• Grafit : karbon bebas, tidak membentuk larutan padat ataupun tidak berikatan
membentuk senyawa dengan Fe.

Struktur-struktur yang ada pada diagram fase besi – karbida besi :

• Cementite :
– Interstitial compound
– Karbida besi (Fe3C)
– Keras dang etas
– Kekuatan tarik rendah
– Kekuatan tekan tinggi
– Struktur kristal orthorhombic
– Struktur paling keras pada diagram Fe-Fe3C

• Austenite (γ)
– Interstitial solid solution; larutan padat karbon dalam besi γ
– Struktur kristal FCC (face centered cubic, kubus pemusatan bidang)
– Kelarutan karbon max 2 % pada temperatur 1130 C
– Tensile strength 1050 kg/cm2
– Tangguh
– Biasanya tidak stabil pada temperatur kamar

• Ledeburite
– eutectic mixture (γ+Fe3C)
– Campuran terdiri dari austenite dan cementite
– Mengandung 4,3 % berat karbon
– Terbentuk pada temperatur 1130 C (2065 F)

• Ferrite (α)
– Interstitial solid solution
– Larutan padat karbon dalam besi α
– Pada temperatur 723 C, batas kelarutan karbon 0,025 %
– Pada temperatur kamar, batas kelarutan karbon 0,008 %
– Pada temperatur 1492 C, batas kelarutan karbon 0,1 %
– Tensile strength rendah
– Keuletan tinggi
– Kekerasan < 90 HRB
– Struktur paling lunak pada diagram Fe-Fe3C

• Pearlite
– Eeutectoid mixture dari ferrite dan cementite (α+Fe3C)
– Terjadi pada temperatur 723 C
– Mengandung 0,8 % karbon

Garis-garis penting dalam diagram Fe-Fe3C
1. Upper critical temperature (temperatur kritis atas), A3 : temperatur perubahan
allotropi
2. Lower critical temperature (temperatur kritis bawah), A1 : temperatur reaksi
eutectoid
3. Solvus line Acm : menunjukkan bats kelarutan karbon dalam austenite

Gambar 2. Diagram kesetimbangan Fe-Fe3C

Diagram fasa Fe – Fe3C

Reaksi-reaksi yang terjadi pada diagram Fe – Fe3C
• Reaksi Peritectic pada temperatur :
S + L ↔ S1
δ + L ↔ γ

• Reaksi Eutectic pada temperatur 1130 C :
L ↔ S1 + S2
L ↔ γ + Fe3C (ledeburite)

• Reaksi Eutectoid pada temperatur 723 C :
S ↔ S1 + S2
γ ↔ α + Fe3C (pearlite)