Diagram fase paduan: komponen, fase, dan aturan fase Gibbs, sistem isomorf, eutektik dan eutektoid, aturan tuas, paduan solder timah, dan membaca diagram besi-karbon secara kuantitatif

Sambungan pipa tembaga pada jalur air panas ke mesin pencuci piring di dapur sebuah rumah sakit merembes. Teknisi jaga menyoldernya ulang dengan gulungan solder tanpa label dari laci bengkel. Supaya pipa kembali lurus dengan klemnya, ia mendorong pipa sedikit ketika solder sudah tidak mengilap tetapi belum keras. Sambungan tampak kusam dan berbutir. Tiga minggu kemudian, setelah ratusan siklus panas dan dingin, sambungan itu merembes lagi. Kardus gulungan yang belakangan ditemukan menyebut solder timah-timbal dengan 40 persen timah (angka latihan), padahal jalur itu bagian dari sistem air minum gedung yang harus memakai solder bebas timbal.

Dua kesalahan bertumpuk: bahan yang salah untuk air minum, dan sambungan yang digerakkan saat solder berada di antara cair dan padat. Diagram fase menjelaskan kesalahan kedua: mengapa solder eutektik membeku pada satu suhu sedangkan paduan lain melewati keadaan setengah padat. Alat yang sama dipakai untuk membaca baja secara kuantitatif.

Batas pembahasan

Bab ini membahas komponen, fase, dan energi bebas, aturan fase Gibbs, sistem isomorf, aturan tuas, eutektik, eutektoid, peritektik, diagram besi-karbon secara kuantitatif, dan batas diagram kesetimbangan. Kalor laten dan plato kurva pendinginan ada di Bab 11 · Fisika tentang perubahan fase; pemilihan pipa dan solder bebas timbal untuk air minum di Bab 4 · Bangunan & Fasilitas; proses solder dan brazing serta batas 450 °C di Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika; cara menyolder papan dan sambungan dingin di Bab 88 · Kelistrikan & Kendali; nama fase baja secara kualitatif di Bab 2; resep perlakuan panas di Bab 6. Struktur kristal ada di Bab 9, laju transformasi dan martensit di Bab 11, pembekuan coran di Bab 12, dan zona lebur las di Bab 14. Bab ini tidak memuat prosedur menyolder.

Sumbernya narasi Ilmu Material, Kimia Teknik, Mekanikal, dan Fluida dan Termal, OpenStax Chemistry 2e, dan bahan kuliah serta lembar data yang dicatat di peta sumber. Angka titik pada diagram berbeda sedikit antarsumber; bab ini menyebut rentangnya bila ada perbedaan.

Komponen, fase, dan energi bebas

Komponen (component) adalah unsur atau senyawa murni yang membentuk sebuah sistem dan jumlahnya dapat diubah secara bebas. Pada solder timah-timbal, komponennya timah dan timbal; pada baja karbon, besi dan karbon. Fase (phase) adalah bagian bahan yang seragam struktur dan komposisinya serta dipisahkan dari bagian lain oleh batas yang jelas. Air dan es dalam satu gelas adalah dua fase dari satu komponen.

Diagram fase (phase diagram) adalah peta yang menunjukkan fase yang stabil pada setiap kombinasi suhu, tekanan, dan komposisi dalam keadaan setimbang. OpenStax menyajikan diagram fase zat murni dengan sumbu tekanan dan suhu; di titik tripel tiga fase air berada dalam kesetimbangan. Narasi Kimia Teknik memuat latihan membaca diagram fase dari buku kimia umum. Diagram paduan dua komponen memakai sumbu suhu dan komposisi pada tekanan tetap, biasanya 1 atm, dengan komposisi dalam persen massa (pengetahuan umum).

Dasar kimianya adalah energi bebas Gibbs. OpenStax mendefinisikan $G = H - TS$, dengan $H$ entalpi, $T$ suhu mutlak, dan $S$ entropi; pada suhu dan tekanan tetap, proses berlangsung spontan bila $\Delta G < 0$ dan sistem setimbang bila $\Delta G = 0$. Suhu perubahan fase adalah suhu ketika $\Delta G = 0$, sehingga $T = \Delta H/\Delta S$ (Contoh 1). Setiap garis pada diagram fase paduan menandai keadaan ketika dua susunan fase mempunyai energi bebas yang sama, dan setiap daerah menunjukkan susunan dengan energi bebas paling rendah (pengetahuan umum termodinamika material).

Teori memberi bentuk, tetapi angka diagram berasal dari pengukuran. OpenStax sendiri menyebut hasil yang dihitung dari data energi bebas standar hanya perkiraan bila proses berjalan pada suhu tinggi. Diagram paduan yang dipakai di industri disusun dari kurva pendinginan, pengamatan struktur mikro, dan perhitungan termodinamika yang dicocokkan dengan data (pengetahuan umum).

Aturan fase Gibbs

Aturan fase menghitung berapa variabel yang dapat diubah bebas tanpa mengubah jumlah fase. DoITPoMS menurunkannya dengan menghitung variabel setiap fase dikurangi kendala kesetimbangan, $f = p(c-1) + 2 - c(p-1)$, yang menyederhanakan menjadi:

$$F = C - P + 2$$

dengan $F$ derajat kebebasan, $C$ jumlah komponen, dan $P$ jumlah fase yang hadir bersamaan. Angka 2 mewakili suhu dan tekanan. Bahan kuliah IIT Madras mencatat bahwa metalurgi umumnya bekerja pada tekanan tetap 1 atm sehingga dipakai bentuk terkondensasi:

$$F = C - P + 1$$

Derajat kebebasan (degrees of freedom) adalah jumlah variabel keadaan, seperti suhu dan komposisi fase, yang dapat diubah secara bebas tanpa menambah atau menghilangkan fase. Bila $F = 0$, keadaan itu invarian: suhu dan komposisi semua fase sudah tertentu. Inilah sebabnya logam murni membeku pada satu suhu dan kurva pendinginannya mendatar selama kalor laten dilepas, seperti di Bab 11 · Fisika, sedangkan paduan biner di daerah dua fase membeku dalam rentang suhu.

Sistem isomorf, garis likuidus, dan solidus

Sistem isomorf (isomorphous system) adalah sistem dua komponen yang larut sempurna satu sama lain baik dalam keadaan cair maupun padat. Contoh baku buku teks adalah tembaga-nikel (pengetahuan umum). Syarat larut sempurna menurut aturan Hume-Rothery adalah jari-jari atom mirip, struktur kristal sama, serta keelektronegatifan dan valensi mirip (pengetahuan umum). OpenStax mencatat tembaga dan nikel sama-sama berstruktur kemasan rapat kubus, yang memenuhi syarat kedua; struktur ini dibahas di Bab 9.

Garis likuidus (liquidus) adalah batas pada diagram fase yang di atasnya paduan seluruhnya cair. Garis solidus (solidus) adalah batas pada diagram fase yang di bawahnya paduan seluruhnya padat. Di antara keduanya, cairan dan kristal padat hadir bersamaan dengan komposisi yang berbeda. Narasi Mekanikal mengutip buku pegangan rekayasa manufaktur bahwa besi murni mempunyai titik beku lebih tinggi daripada paduan besi-karbon; pada diagram, ini terlihat sebagai garis likuidus yang turun dari titik lebur besi murni ketika karbon ditambah.

Ketika paduan isomorf didinginkan dari cair, kristal pertama muncul di garis likuidus dengan komposisi yang lebih kaya komponen bertitik lebur tinggi. Cairan yang tersisa menjadi lebih kaya komponen bertitik lebur rendah. Bila pendinginan cukup lambat untuk difusi, padatan menyeragamkan diri dan pembekuan selesai di garis solidus. Pada pendinginan cepat, inti kristal dan tepinya berbeda komposisi (pengetahuan umum); gejala ini dibahas pada coran di Bab 12.

Aturan tuas dari kekekalan massa

Garis dasi (tie line) adalah garis mendatar pada suhu tetap di daerah dua fase yang ujung-ujungnya menunjukkan komposisi kedua fase. Paduan dengan komposisi keseluruhan $C_0$ terpecah menjadi fase cair berkomposisi $C_L$ dan fase padat berkomposisi $C_\alpha$. Massa total kekal, dan massa setiap komponen juga kekal:

$$f_L + f_\alpha = 1, \qquad f_L C_L + f_\alpha C_\alpha = C_0$$

Penyelesaian kedua persamaan memberi aturan tuas:

$$f_\alpha = \frac{C_0 - C_L}{C_\alpha - C_L}, \qquad f_L = \frac{C_\alpha - C_0}{C_\alpha - C_L}$$

dengan $f$ fraksi massa setiap fase dan $C$ komposisi dalam persen massa. Namanya dari tuas: komposisi paduan adalah titik tumpu, dan fraksi satu fase sebanding dengan panjang lengan di sisi seberangnya. DoITPoMS menjelaskan aturan ini dengan cara yang sama dan memberi contoh paduan 65 persen B yang terdiri atas sekitar 68 persen fase beta padat dan 32 persen fase alfa padat. Bila komposisi dalam persen massa, hasilnya fraksi massa; untuk fraksi volume diperlukan massa jenis kedua fase (pengetahuan umum).

Aturan tuas adalah neraca massa, hukum yang sama yang dipakai menghitung pencampuran larutan. Kekuatannya terletak pada kesederhanaan itu: tidak ada tetapan empiris di dalamnya. Yang empiris adalah angka komposisi di ujung garis dasi, yang dibaca dari diagram hasil pengukuran.

Eutektik dan paduan solder timah

Reaksi eutektik (eutectic reaction) adalah perubahan satu fase cair menjadi dua fase padat sekaligus pada satu suhu dan satu komposisi. Pada sistem timah-timbal, catatan kuliah Princeton yang bersumber buku teks material menempatkan titik eutektik pada 183 °C dan 61,9 persen massa timah. Kelarutan padat paling besar pada 183 °C adalah 19,2 persen timah untuk fase alfa yang kaya timbal (sumber lain 19 persen) dan 97,5 persen timah untuk fase beta yang kaya timah.

Di titik eutektik terdapat tiga fase, jadi $F = 0$: paduan berkomposisi eutektik membeku pada satu suhu seperti logam murni, dari cair langsung menjadi padat yang tersusun atas lapisan halus alfa dan beta. Paduan di sisi kiri, misalnya 40 persen timah, berperilaku lain. Ia mulai membeku di garis likuidusnya di atas 183 °C dengan membentuk kristal alfa primer. Suhu likuidus untuk komposisi ini belum dapat dipastikan dari sumber resmi per 18 Oktober 2026 dan tidak dicantumkan di bab ini. Selama pendinginan, cairan yang tersisa makin kaya timah sampai mencapai 61,9 persen pada 183 °C, lalu cairan itu membeku sebagai eutektik. Di antara likuidus dan 183 °C, sambungan berupa jaringan kristal alfa yang dikelilingi cairan.

Inilah penjelasan kasus pembuka (penalaran editorial dari diagram). Ketika pipa didorong saat solder setengah beku, jaringan kristal yang sudah terbentuk patah, dan cairan yang tersisa tidak cukup untuk mengisi celahnya. Sambungan membeku dengan rongga dan retak halus yang tampak kusam dan berbutir, lalu siklus panas dan dingin membuka retak itu. Bab 88 · Kelistrikan & Kendali menyebut gejala yang sama sebagai sambungan dingin, karena panas kurang atau kaki bergerak saat membeku.

Campuran yang meleleh lebih rendah daripada komponennya juga terlihat di luar logam. OpenStax mencatat natrium klorida meleleh pada 801 °C, dan penambahan kalsium klorida menurunkan titik lelehnya ke 600 °C sebagai efek koligatif di sel elektrolisis. Dalam bahasa energi bebas, pencampuran menambah entropi cairan sehingga cairan tetap stabil pada suhu lebih rendah (pengetahuan umum). Narasi Ilmu Material memuat soal buku latihan kimia yang menanyakan mengapa solder dipakai, bukan logam murni; diagram fase menjawabnya: solder cair pada suhu yang tidak merusak logam yang disambung.

Solder bebas timbal Sn-3,0Ag-0,5Cu tidak eutektik. Menurut lembar data pabrik yang dicatat di peta sumber, solidusnya 217 °C dan likuidusnya 220 °C; lembar data lain menyebut likuidus 219 °C atau rentang 217 sampai 218 °C. Rentangnya sempit, tetapi lebih tinggi daripada 183 °C sehingga memerlukan panas lebih banyak. Narasi Fluida dan Termal mengutip buku plambing praktis bahwa solder bebas timbal diterapkan dengan teknik yang sama dengan solder timah-timbal. Bab 4 · Bangunan & Fasilitas menyebut solder dan fluks untuk air minum harus bebas timbal.

Eutektoid dan peritektik

Reaksi eutektoid (eutectoid reaction) adalah perubahan satu fase padat menjadi dua fase padat lain sekaligus pada satu suhu dan satu komposisi. Geometrinya sama dengan eutektik, tetapi fase awalnya padat. Karena atom harus berpindah di dalam padatan, reaksi eutektoid jauh lebih lambat daripada eutektik dan mudah dilewati bila pendinginan cepat (pengetahuan umum); lajunya dibahas di Bab 11.

Reaksi peritektik (peritectic reaction) adalah reaksi pada satu suhu ketika fase cair bergabung dengan satu fase padat membentuk fase padat lain (pengetahuan umum). Reaksi ini ada di bagian atas diagram besi-karbon tetapi jarang penting bagi teknisi perawatan.

Membaca diagram besi-karbon

Diagram besi-karbon yang dipakai untuk baja berhenti di 6,70 persen karbon, komposisi sementit $\text{Fe}_3\text{C}$. Angka ini dapat diperiksa dengan stoikiometri: $12{,}011/(3 \times 55{,}845 + 12{,}011) = 0{,}0669$, atau 6,69 persen (penalaran editorial). Narasi Ilmu Material mengutip bahwa komposisi besi juga fungsi dari jumlah atau persentase karbon yang ditambahkan. Titik-titik penting menurut catatan kuliah yang angkanya sama dengan buku teks umum:

Perbedaan kelarutan karbon di ferit dan austenit adalah akibat ukuran celah pada BCC dan FCC yang dibahas di Bab 9. Batas sekitar 2,1 persen menjelaskan pembagian di Bab 2 bahwa besi tuang mengandung lebih dari sekitar 2 persen karbon.

Cara membacanya untuk baja karbon yang didinginkan pelan:

1. Baja eutektoid (0,76 persen C) berubah seluruhnya menjadi perlit pada 727 °C.
2. Baja hipoeutektoid (kurang dari 0,76 persen C) membentuk ferit proeutektoid lebih dulu ketika didinginkan dari daerah austenit, lalu sisa austenit, yang kini berkomposisi eutektoid, menjadi perlit pada 727 °C.
3. Baja hipereutektoid (lebih dari 0,76 persen C) membentuk sementit proeutektoid di batas butir austenit, lalu sisanya menjadi perlit.

Perlit (pearlite) adalah campuran berlapis ferit dan sementit hasil reaksi eutektoid, jadi perlit adalah susunan dua fase, bukan satu fase. Fraksi ferit, perlit, dan sementit dihitung dengan aturan tuas (Contoh 7 sampai 9). Hasilnya menjelaskan mengapa Bab 2 menyebut baja karbon sedang yang didinginkan di udara sebagian besar terdiri atas ferit dan perlit.

Batas diagram kesetimbangan

Diagram fase menjawab apa yang stabil bila waktu tidak terbatas; ia tidak menjawab seberapa cepat (penalaran editorial). Pada pendinginan cepat, austenit tidak sempat berubah menjadi ferit dan sementit. Narasi Ilmu Material mengutip buku pegangan rekayasa manufaktur bahwa karena terbentuk tanpa difusi, martensit mempunyai komposisi yang persis sama dengan austenit, dan bahwa bainit terbentuk pada pendinginan kontinu atau transformasi isotermal di antara kondisi pembentuk perlit dan martensit. Keduanya tidak tercantum di diagram kesetimbangan; untuk membacanya diperlukan diagram transformasi terhadap waktu di Bab 11.

Tiga batas lain perlu diingat. Pertama, diagram besi-karbon hanya berlaku untuk baja karbon biasa; unsur paduan menggeser suhu dan komposisi titiknya (pengetahuan umum), seperti nikel yang membuat austenit bertahan pada suhu ruang di baja tahan karat austenitik di Bab 3. Kedua, pembekuan coran dan zona lebur las jauh dari setimbang, sehingga komposisinya tidak seragam (Bab 12 dan Bab 14). Ketiga, suhu pengerasan dan temper untuk mutu tertentu diambil dari data pabrik dan Bab 6, tidak dibaca dari diagram dua komponen.

Contoh kerja

Contoh 1: suhu kesetimbangan dari energi bebas. OpenStax menghitung titik didih air dari data standar: $\Delta H = 44{,}01$ kJ dan $\Delta S = 118{,}8$ J/K per mol. Pada kesetimbangan $\Delta G = 0$, jadi $T = 44{,}01 \times 10^3 / 118{,}8 = 370{,}5$ K atau 97,3 °C. Nilai yang diterima 100 °C; selisih 2,7 °C muncul karena data diambil pada 298 K. Garis diagram fase dihitung dengan prinsip yang sama, dan selisih semacam ini adalah alasan diagram dicocokkan dengan pengukuran.

Contoh 2: aturan fase. Dengan $F = C - P + 1$: logam murni yang sedang membeku ($C = 1$, $P = 2$) memberi $F = 0$, jadi suhunya tetap selama membeku. Paduan biner di daerah dua fase ($C = 2$, $P = 2$) memberi $F = 1$: bila suhu dipilih, komposisi kedua fase sudah tertentu, dan paduan membeku dalam rentang suhu. Titik eutektik ($C = 2$, $P = 3$) memberi $F = 0$, garis dasinya mendatar.

Contoh 3: aturan tuas pada sistem isomorf (angka latihan). Paduan tembaga-nikel 35 persen Ni ditahan pada suhu di daerah dua fase; garis dasi memberi cairan 32 persen Ni dan padatan 43 persen Ni (angka latihan, bukan bacaan diagram nyata). $f_\alpha = (35 - 32)/(43 - 32) = 0{,}273$ dan $f_L = 0{,}727$. Dari 2,0 kg paduan, 0,55 kg sudah padat. Cek neraca nikel: $0{,}727 \times 32 + 0{,}273 \times 43 = 35{,}0$.

Contoh 4: solder 40 persen timah tepat di atas 183 °C. Garis dasi menghubungkan alfa 19,2 persen dan cairan eutektik 61,9 persen. $f_L = (40 - 19{,}2)/(61{,}9 - 19{,}2) = 20{,}8/42{,}7 = 0{,}487$, dan alfa primer $0{,}513$. Sedikit lebih dari separuh sambungan sudah padat sebagai kristal alfa, sedangkan sisanya masih cair; inilah keadaan setengah beku di kasus pembuka.

Contoh 5: solder yang sama tepat di bawah 183 °C. Garis dasi kini menghubungkan alfa 19,2 persen dan beta 97,5 persen. $f_\alpha = (97{,}5 - 40)/(97{,}5 - 19{,}2) = 57{,}5/78{,}3 = 0{,}734$ dan $f_\beta = 0{,}266$. Alfa total 0,734 terdiri atas alfa primer 0,513 dari Contoh 4 dan alfa di dalam eutektik $0{,}734 - 0{,}513 = 0{,}221$.

Contoh 6: struktur solder berkomposisi eutektik. Pada 61,9 persen timah tepat di bawah 183 °C: $f_\alpha = (97{,}5 - 61{,}9)/(97{,}5 - 19{,}2) = 35{,}6/78{,}3 = 0{,}455$ dan $f_\beta = 0{,}545$. Hasil ini memeriksa Contoh 5: cairan eutektik 0,487 berisi alfa $0{,}487 \times 0{,}455 = 0{,}221$, sama dengan selisih di Contoh 5.

Contoh 7: baja 0,45 persen karbon. Tepat di atas 727 °C, baja terdiri atas ferit proeutektoid 0,022 persen dan austenit eutektoid 0,76 persen. Fraksi austenit yang akan menjadi perlit $= (0{,}45 - 0{,}022)/(0{,}76 - 0{,}022) = 0{,}428/0{,}738 = 0{,}580$, dan ferit proeutektoid 0,420. Tepat di bawah 727 °C, fraksi sementit total $= (0{,}45 - 0{,}022)/(6{,}70 - 0{,}022) = 0{,}064$; sisanya, 0,936, ferit. Baja poros yang sering disebut keras ini ternyata hanya mengandung sekitar 6 persen massa sementit.

Contoh 8: perlit sendiri dan baja 1,0 persen karbon. Perlit (0,76 persen C) berisi sementit $(0{,}76 - 0{,}022)/(6{,}70 - 0{,}022) = 0{,}111$ dan ferit 0,889; lapis ferit kira-kira delapan kali lebih banyak daripada lapis sementit menurut massa. Baja 1,0 persen C tepat di bawah 727 °C berisi sementit proeutektoid $(1{,}0 - 0{,}76)/(6{,}70 - 0{,}76) = 0{,}040$ dan perlit 0,960. Sementit proeutektoid ini membentuk jaringan di batas butir, salah satu sebab baja karbon tinggi kurang ulet.

Contoh 9: memperkirakan kadar karbon dari struktur mikro. Laporan metalografi batang tanpa tanda yang didinginkan pelan menyebut sekitar 25 persen perlit dan 75 persen ferit. Aturan tuas dibalik: $C_0 = 0{,}022 + 0{,}25 \times (0{,}76 - 0{,}022) = 0{,}21$ persen karbon, jadi batang itu baja karbon rendah. Fraksi luas pada potongan mendekati fraksi massa karena massa jenis ferit dan perlit hampir sama (penalaran editorial). Perkiraan ini salah untuk batang yang dicelup, dinormalisasi cepat, atau berpaduan; sertifikat atau analisis kimia tetap menjadi dasar keputusan.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan keputusan kepada penyelia, pabrik, atau laboratorium bila:

1. Jalur air minum atau jalur ke peralatan pangan akan disolder dengan solder tanpa label atau yang mungkin mengandung timbal; sambungan seperti itu dibuka dan diganti dengan bahan bebas timbal sesuai Bab 4 · Bangunan & Fasilitas.
2. Pipa tembaga sistem pemadam kebakaran akan disolder; Bab 4 · Bangunan & Fasilitas mencatat pipa tembaga pada sistem pipa tegak pemadam harus dibrazing.
3. Sambungan solder akan bekerja dekat suhu solidusnya, misalnya di dekat elemen pemanas, saluran uap, atau permukaan panas; pemilihan solder atau brazing diserahkan kepada pabrik atau insinyur (Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika).
4. Diagram fase akan dipakai untuk menetapkan suhu perlakuan panas, pemanasan awal, atau perbaikan las komponen penting; pakai data pabrik dan prosedur tertulis.
5. Hasil metalografi, kekerasan, atau uji percikan tidak cocok dengan sertifikat bahan.
6. Angka titik diagram yang berbeda antarsumber akan menentukan keputusan; pakai standar bahan atau data pabrik.

Salah tafsir yang sering terjadi

1. "Paduan meleleh pada satu suhu seperti logam murni." Kebanyakan paduan membeku dalam rentang antara likuidus dan solidus; hanya komposisi eutektik yang membeku pada satu suhu.
2. "Solder eutektik dipilih karena paling kuat." Solder eutektik dipilih terutama karena membeku pada satu suhu terendah di sistemnya tanpa keadaan setengah padat.
3. "Aturan tuas memberi fraksi volume." Dengan komposisi dalam persen massa, aturan tuas memberi fraksi massa; fraksi volume memerlukan massa jenis setiap fase.
4. "Perlit adalah satu fase." Perlit adalah campuran berlapis dua fase, ferit dan sementit.
5. "Martensit dapat dibaca dari diagram besi-karbon." Martensit dan bainit adalah hasil pendinginan tak setimbang dan dibaca dari diagram transformasi di Bab 11.
6. "Solder bebas timbal sama saja dengan solder timah-timbal." Tekniknya sama, tetapi rentang lelehnya, 217 sampai 220 °C, lebih tinggi daripada 183 °C, sehingga memerlukan panas lebih banyak.

Hubungan dengan bab lain

Bab ini memberi angka pada fase baja yang di Bab 2 dibahas secara kualitatif, dan dasar diagram untuk solder di Bab 4 · Bangunan & Fasilitas, Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika, dan Bab 88 · Kelistrikan & Kendali. Bab 11 tentang difusi menjelaskan apa yang terjadi bila pendinginan terlalu cepat, Bab 12 tentang pengecoran memakai likuidus dan eutektik, Bab 14 tentang daerah las memakai diagram besi-karbon untuk zona terpengaruh panas, dan Bab 6 tentang perlakuan panas memakai daerah austenit.

Latihan dan pembahasan

1. Jelaskan dengan aturan fase mengapa kurva pendinginan logam murni mempunyai bagian mendatar, sedangkan paduan biner noneutektik tidak.
2. Berapa derajat kebebasan paduan biner yang seluruhnya cair pada tekanan tetap, dan apa artinya bagi teknisi?
3. Solder timah-timbal 30 persen timah berada tepat di atas 183 °C. Hitung fraksi cairan dan fraksi alfa primer.
4. Baja 0,20 persen karbon didinginkan pelan. Hitung fraksi perlit dan ferit proeutektoid tepat di bawah 727 °C.
5. Laporan metalografi batang yang didinginkan pelan menyebut sekitar 85 persen perlit dan sisanya ferit. Perkirakan kadar karbonnya dan sebutkan batas perkiraan itu.
6. Mengapa sambungan solder tidak boleh digerakkan selama mendingin, dan mengapa hal ini lebih penting untuk solder 40 persen timah daripada solder eutektik?

Kunci jawaban beralasan

1. Logam murni yang membeku mempunyai $C = 1$ dan $P = 2$, jadi $F = 0$ dan suhunya tetap sampai semua kalor laten dilepas. Paduan biner noneutektik di daerah dua fase mempunyai $F = 1$, sehingga suhu terus turun selama membeku dan kurvanya hanya berubah kemiringan, kecuali bila sisa cairannya mencapai titik eutektik.
2. Dengan $C = 2$ dan $P = 1$, $F = 2$, jadi suhu dan komposisi dapat diubah bebas tanpa memunculkan fase baru. Artinya keadaan lelehan baru tergambar lengkap bila suhu dan komposisinya disebut bersama; suhu saja tidak menentukan komposisi.
3. $f_L = (30 - 19{,}2)/(61{,}9 - 19{,}2) = 10{,}8/42{,}7 = 0{,}253$ dan alfa primer $0{,}747$. Dibanding solder 40 persen timah, bagian yang sudah padat sebelum 183 °C lebih besar dan likuidusnya lebih tinggi karena lebih dekat ke timbal murni (penalaran dari bentuk diagram), jadi rentang setengah padatnya lebih lebar.
4. Perlit $= (0{,}20 - 0{,}022)/(0{,}76 - 0{,}022) = 0{,}178/0{,}738 = 0{,}241$ dan ferit proeutektoid $0{,}759$. Struktur yang sebagian besar ferit ini cocok dengan baja karbon rendah yang ulet dan mudah dilas di Bab 2.
5. $C_0 = 0{,}022 + 0{,}85 \times 0{,}738 = 0{,}65$ persen karbon, baja karbon sedang sampai tinggi. Perkiraan ini hanya berlaku untuk baja karbon biasa yang didinginkan pelan, karena unsur paduan menggeser titik eutektoid dan pendinginan cepat membentuk fase yang tidak ada di diagram.
6. Selama mendingin, sambungan yang belum melewati solidus berupa jaringan kristal padat yang dikelilingi cairan, dan gerakan mematahkan jaringan itu tanpa cukup cairan untuk mengisinya kembali. Solder 40 persen timah melewati rentang setengah padat dari likuidusnya sampai 183 °C, sedangkan solder eutektik berubah dari cair ke padat pada satu suhu sehingga hampir tidak mempunyai rentang tersebut.

Referensi