FASA DIAGRAM BESI – BESI KARBON (Fe–Fe3C)

FASA DIAGRAM BESI – BESI KARBON (Fe–Fe3C)

berikut adalah resume dari callister edisi ke 8

Besi murni setelah pemanasan mengalami dua perubahan dalam struktur kristal sebelum meleleh. Pada suhu kamar bentuk stabil, yang disebut ferit atau α -iron, memiliki struktur kristal BCC. Ferit mengalami transformasi polimorfik ke FCC austenit atau γ -iron, pada 912° C (1674° F). Austenit ini berlanjut hingga 1394° C (2541° F), di mana suhu austenit FCC kembali ke fase BCC yang dikenal sebagai β-ferrit, yang akhirnya meleleh pada 1538° C (2800° F). Semua perubahan ini terlihat di sepanjang sumbu vertikal kiri diagram fasa.

Figure 9.24 Diagram Fasa besi – besi karbon. [Adapted from Binary Alloy Phase

Diagrams, 2nd edition, Vol. 1, T. B. Massalski (Editor-in-Chief), 1990. Reprinted by

permission of ASM International, Materials Park, OH.]

                                    

Sumbu komposisi pada Gambar 9.24 hanya meluas hingga 6,70% berat C. pada konsentrasi ini senyawa besi intermediet atau sementit (Fe3C) terbentuk, yang diwakili oleh garis vertikal pada diagram fase. Dengan demikian, sistem besi-karbon dapat dibagi menjadi dua bagian: bagian yang kaya zat besi, seperti pada Gambar 9.24, dan lainnya (tidak ditampilkan) untuk komposisi antara 6,70 dan 100% berat C (grafit murni). Dalam prakteknya, semua baja dan besi cor memiliki kandungan karbon kurang dari 6,70% berat C.

Karbon adalah impurity interstisial dalam besi dan membentuk solusi padat dengan masing-masing α dan β-ferrit, dan juga dengan austenit, seperti yang ditunjukkan oleh bidang α, β Dan γ single phase pada Gambar 9.24. Dalam BCC α-ferrite, hanya konsentrasi karbon kecil yang dapat larut; kelarutan maksimum adalah 0,022% berat pada 727° C (1341° F). Kelarutan terbatas dijelaskan oleh bentuk dan ukuran posisi interstitial BCC, yang membuatnya sulit untuk mengakomodasi atom karbon. Meskipun hadir dalam konsentrasi yang relatif rendah, karbon secara signifikan mempengaruhi sifat mekanik ferit. Fasa besi-karbon ini relatif lunak, dapat dibuat magnetik pada suhu di bawah 768° C (1414° F), dan memiliki kepadatan 7,88 g / cm3. Gambar 9.25a adalah fotomikrograf dari α-ferrit.

Austenit, atau fase γ besi, ketika dicampur dengan karbon saja, tidak bisa stabil di bawah 727° C (1341° F), seperti ditunjukkan pada Gambar  9.24. Kelarutan maksimum karbon dalam austenit, 2,14% berat, terjadi pada 1147° C (2097° F). Kelarutan ini kira-kira 100 kali lebih besar daripada maksimum untuk ferit BCC, karena posisi interstisial FCC lebih besar (lihat hasil Soal 4.5), dan oleh karena itu, regangan yang dikenakan pada atom besi di sekitarnya jauh lebih rendah. Seperti diskusi yang terjadi, transformasi fase yang melibatkan austenit sangat penting dalam memanaskan baja. Secara sepintas, harus disebutkan bahwa austenit adalah nonmagnetik. Gambar 9.25b menunjukkan fotomikrograf fase austenit ini.

Cementite (Fe3C) terbentuk ketika batas kelarutan karbon dalam α-ferrit melebihi di bawah 727° C (1341° F) (untuk komposisi dalam fasa daerah α + Fe3C). Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 9.24, Fe3C juga akan hidup berdampingan dengan γ fase antara 727° dan 1147° C (1341° dan 2097° F). Secara mekanis, sementit sangat keras dan rapuh; kekuatan beberapa baja sangat ditingkatkan oleh kehadirannya.

 Tegasnya, sementit merupakan metastabil; yaitu, ia akan tetap sebagai senyawa tanpa batas pada suhu kamar. Namun, jika dipanaskan hingga antara 650° dan 700° C (1200° dan 1300° F) selama beberapa tahun, secara bertahap akan berubah menjadi α-iron dan karbon, dan terbentuk grafit, yang akan tetap pada pendinginan berikutnya ke suhu kamar. Jadi, diagram fasa pada Gambar 9.24 bukan merupakan ekuilibrium sejati karena sementit bukanlah senyawa kesetimbangan. Namun, sejauh tingkat dekomposisi sementit sangat lamban, hampir semua karbon dalam baja akan menjadi seperti Fe3C bukan grafit, dan fasa diagram besi – besi karbida adalah untuk tujuan praktis. Seperti yang akan terlihat pada Bagian 11.2, penambahan silikon untuk cast iron sangat mempercepat reaksi dekomposisi cementite ini untuk membentuk grafit.

Daerah dua fase diberi label pada Gambar 9.24. Dapat dicatat bahwa satu eutektik ada untuk sistem besi-besi karbida, pada 4,30% berat C dan 1147° C (2097° F); untuk reaksi eutektik ini.

Persamaan 9.18

cairan membeku untuk membentuk fasa austenit dan sementit. Tentu saja, pendinginan berikutnya ke suhu kamar akan mendorong perubahan fase tambahan.

Persamaan 9.19

Dapat dicatat bahwa titik invarian eutektoid ada pada komposisi 0,76% berat C dan suhu 727° C (1341° F). setelah pendinginan, padatan fase γ diubah menjadi α-iron dan sementit. (Transformasi fase Eutektoid dibahas dalam Bagian 9.14.) Perubahan fase eutektoid yang dijelaskan oleh Persamaan 9.19, menjadi dasar untuk perlakuan panas baja.

Ferrous alloys adalah mempunyai komponen utama,karbon sebagai

elemen paduan lainnya yang dapat hadir. Dalam skema klasifikasi paduan besi berdasarkan kandungan karbon, ada tiga jenis: besi, baja, dan besi tuang. Besi murni komersial mengandung kurang dari 0,008% berat C dan, dari diagram fase tersusun hampir secara eksklusif dari fasa ferit pada suhu kamar. Paduan besi-karbon yang mengandung antara 0,008 - 2,14% berat C diklasifikasikan sebagai baja. Dalam kebanyakan baja struktur mikro terdiri dari keduanya yaitu α dan fase Fe3C. Setelah mendingin ke suhu kamar, paduan dalam rentang komposisi ini harus melewati setidaknya sebagian dari bidang fasa-γ. mikrostruktur yang khas kemudian diproduksi. Meskipun paduan baja dapat mengandung sebanyak 2,14% berat C, dalam prakteknya, konsentrasi karbon jarang melebihi 1,0% berat. Besi cor diklasifikasikan sebagai paduan besi yang mengandung antara 2,14 dan 6,70% berat C. Namun, besi cor komersial biasanya mengandung kurang dari 4,5% berat C.