teknik kimia_diana

Diagram Fasa/diagram kesetimbangan fasa
(Equilibrium phase diagram)

Pada umumnya logam tidak berdiri sendiri atau keadaan murni, tetapi lebih banyak dalam keadaan dipadu atau logam paduan dengan kandungan unsur-unsur tertentu sehingga struktur yang terdapat dalam keadaan setimbang pada temperatur dan tekanan tertentu akan berlainan.

Kombinasi dua unsur atau lebih yang membentuk paduan logam akan menghasilkan sifat yang berbeda dari logam asalnya.

Tujuan pemaduan = untuk memperbaiki sifat logam

Sifat yang diperbaiki adalah kekuatan, keuletan, kekerasan, ketahanan korosi, ketahanan aus, ketahanan lelah, dll.

Fasa pada suatu material didasarkan atas daerah yang berbeda dalam struktur atau komposisi dari daerah lainnya.

Fasa =  bagian homogen dari suatu sistem yang memiliki sifat fisik dan kimia yang seragam.

Untuk mempelajari paduan dibuatlah kurva yang menghubungkan antara fasa, komposisi dan temperatur.

Diagram fasa adalah suatu grafik yang merupakan representasi tentang fasa-fasa yang ada dalam suatu material pada variasi temperatur, tekanan dan komposisi.

Pada umumnya diagram fasa dibangun pada keadaan kesetimbangan (kondisinya adalah pendinginan yang sangat lambat). Diagram ini dipakai untuk mengetahui dan memprediksi banyak aspek terhadap sifat material.

Pemaduan terjadi akibat adanya susunan atom sejenis ataupun ada distribusi atom yang lain pada susunan atom lainnya.

Jika ditinjau dari posisi atom-atom yang larut, diperoleh dua jenis larutan padat:

1. Larutan padat substitusi

Adanya atom-atom terlarut yang menempati kedudukan atom-atom pelarut.

2. Larutan padat interstisi

Adanya atom-atom terlarut yang menempati rongga-rongga diantara kedudukan atom/sela antara.

Untuk mengetahui kelarutan padat suatu unsur dalam unsur lainnya, Hume-Rothery mensyaratkan sebagai berikut:

1.  Yang  mempengaruhi  terbentuknya  jenis   kelarutan   ditentukan

     oleh faktor geometri (diameter atom dan bentuk sel satuan).

Jenis kelarutan:

•          A + B                      C (sel satuan sama)

 (kelarutan yang tersusun disebut kelarutan sempurna)

 Dimana sifat C ¹ sifat A atau B

•          Jika A dan B memiliki sel satuan  yang berbeda

       a. A + B                          A’ (dimana A yang dominan)

                                                B’ (dimana B dominan)

                kelarutan yang tersusun disebut larut sebagian

       b. A + B                          A + B (tidak larut)

2. Larut  padat  substitusi/interstisi  ditentukan  oleh   faktor   diameter

    atom.

Jika perbedaan diameter atom yang larut dibandingkan atom pelarut lebih kecil dari 15%, maka kelarutan yang terjadi adalah larutan   padat substitusi.

Jika perbedaan diameter atom yang larut dibandingkan atom pelarut lebih besar dari 15%, maka kelarutan yang terjadi adalah larutan padat interstisi.

3. Suatu hasil percampuran harus stabil

Stabilitas dari paduan dijamin oleh keelektronegatifan dan keelektropositifan, makin besar perbedaan keelektronegatifan dan keelektropositifan                  makin stabil, tetapi kalau terlalu besar perbedaannya yang terjadi bukan larutan melainkan senyawa (compound)

Pembentukan diagram fasa

Hubungan antara temperatur, komposisi diplot untuk mengetahui perubahan fasa yang terjadi.

Dengan memvariasikan komposisi dari kedua unsur (0¸100%) dan kemudian dipanaskan hingga mencair setelah itu didinginkan dengan lambat (diukur oleh dilatometer/kalorimeter), maka akan diperoleh kurva pendinginan (gambar a.). Perubahan komposisi akan merubah pola dari kurva pendinginan, titik-titik A, L₁, L₂, L₃ dan C merupakan awal terjadinya pembekuan dan B, S₁, S₂, S₃ dan D merupakan akhir pembekuan. Gambar b. diagram kesetimbangan fasa Cu-Ni.

8

Konstruksi pembentukan diagram fasa

Garis liquidus = menunjukkan temperatur terendah dimana logam dalam keadaan cair atau temperatur dimana awal terjadinya pembekuan dari kondisi cair akibat proses pendinginan.

Garis solidus = menunjukkan temperatur tertinggi suatu logam dalam keadaan padat atau temperatur terendah dimana masih terdapat fasa cair.

Selain garis-garis tersebut titik-titik kritis dari keadaan cair dan padat, juga menyatakan batas kelarutan maksimum unsur terlarut didalam pelarutnya (maximum solubility limit).

 

The solubility of sugar (C₁₂H₂₂O₁₁) in a sugar-water syrup.

 

•  Example: Phase Diagram of Water-Sugar System

Cooling Curve for Pure Metal

FIG. 3-50 (1) Heat pure metal to point T_a; (2) cooling of liquid metal a – b; (3) at point b, pure metal starts to precipitate out of solution; (4) point c, pure metal completely solid; curve from b to c straight horizontal line showing constant temperature T_b-c because thermal energy absorbed in change from liquid to solid; (5) more cooling of solid pure metal from c to d  and temperature begins to fall again.

Cooling Curve for Pure Iron

FIG. 3-50  (b) Cooling curve for pure iron.

Allotropic Forms of Iron

                    

FIG. 3-54    Allotropic forms of iron (three phases: bcc, fcc, bcc)

Cooling Curve for a Metal Alloy

FIG. 3-50 (c) Cooling curve for a metal alloy: (1) The alloy A-B heated to point a (liquid phase, with both metals soluble in each other); (2) cooling of alloy in liquid phase; (3) point b, solidification begins; (4) point c, solidification complete; sloped b – c  due to changing from liquid to solid over the temperature range T_b  to T_c  because components A and B have different melting/cooling temperatures; (5) further cooling from c to d of solid-state metal alloy.

Klasifikasi Diagram Kesetimbangan Fasa

1. Larut sempurna dalam keadaan cair dan padat.
2. Larut sempurna dalam keadaan cair, tidak larut dalam keadaan padat (reaksi eutektik).
3. Larut sempurna dalam keadaan cair, larut sebagian dalam keadaan padat (reaksi eutektik).
4. Larut sempurna dalam keadaan cair, larut sebagian dalam keadaan padat (reaksi peritektik).
5. Larut sempurna dalam keadaan cair, tidak larut dalam keadaan padat dan membentuk senyawa.
6. Larut sebagian dalam keadaan cair (reaksi monotektik).
7. Tidak larut dalam keadaan cair maupun padat.

1. Larut sempurna dalam keadaan cair dan padat

Biasa disebut  binary isomorphous alloy systems, kedua unsur yang dipadukan larut sempurna dalam keadaan cair maupun padat. Pada sistem ini hanya ada satu struktur kristal yang berlaku untuk semua komposisi, syarat yang berlaku adalah:

a. Struktur kristal kedua unsur harus sama.

b. Perbedaan ukuran atom kedua unsur tidak boleh lebih dari 15%.

c. Unsur-unsur tidak boleh membentuk senyawa.

d. Unsur-unsur harus mempunyai valensi yang sama.

Contoh klasik untuk jenis diagram fasa ini adalah diagram fasa Cu-Ni.

		•  water-    sugar    system
			Effect of Temperature and Composition