Membaca Diagram Fasa

1.      Cari diagram fase minimum dari 2 unsur berbeda.(gambar, jelaskan cara terbentuk kristal tunggal, polikristal, poikristal terorientasi untuk masing-masing fase) berdasarkan diagram fase biner, tentukan komposisi awal dan komposisi akhir dari senyawa yang disentering! tentukan suhu sinteringnya!gambar diagram!

Diagram fasa Al-Si

Gambar di atas, memperlihatkan diagram fasa dari sistem Al-Si. Tampak fasa yang ada untuk semua paduan Al-Si pada rentang suhu 300˚C-1500˚C, gambar sebelah kiri, dan pada rentang 400˚C-1400˚C gambar sebelah kanan untuk berbagai macam variasi komposisi.

Pada diagram fase di atas, α (struktur kristal fcc) dan β (struktur kristal bcc) digunakan untuk menunjukkan dua fasa yang berbeda masing-masing digunakan untuk menunjukkan fasa Al dan Si. Dari diagram fasa di atas kita dapat menganalisa, bahwa suatu paduan senyawa yang terdiri dari kira-kira 98% Al dan 2%Si dipanaskan secara perlahan dari suhu ruang hingga 1500˚C.  Maka fasa yang terjadi selama proses pemanasan berlangsung adalah:

            Suhu ruang hingga 550˚C                      α + β

            550˚C hingga 600˚C                             α

            600˚C hingga 660˚C                             α + liquid

            660˚C hingga 1500˚C                           cairan

·       Kristal tunggal terbentuk hanya pada fase liquid. Jadi dari analisa di atas, dapat disimpulkan bahwa kristal tunggal terbentuk dengan mengkombinasikan Al dan Si masing-masing sebesar 98% dan 2%, kemudian dipanaskan pada rentang suhu kira-kira antara suhu kamar sampai 700˚C, hingga terbentuk fasa liquid. Setelah itu, untuk memisahkan komponen kristal tunggal (kemungkinan terbesar, didapatkan kristal tunggal Al dengan perbandingan 98:2) dapat dilakukuan proses sintesis.

·       Polikristal merupakan material yang memiliki banyak kristal dengan batas butir (grain boundary) yang menyertainya serta memiliki orientasi yang acak. Dari analisa diagram fase di atas, dapat diketahui bahwa untuk membentuk polikristal dari campuran Al dan Si, dapat diperoleh melalui paduan komposisi Al dan Si masing-masing 98% dan 2% dengan suhu sintering pada rentang kira-kira pemanasan dari suhu ruang sampai suhu 550˚C. Sehingga pada kondisi ini akan didapatkan akan dua fase secara bersamaan yaitu fase α dan β.

·       Polikristal terorientasi adalah polikristal yang memiliki spin (domain) searah. Hal ini dapat diperoleh, dengan memberikan magnetic field pada material polikristal. Hingga pada akhirnya akan didapatkan polikristal yanng memiliki spin (domain searah). Arah spin pada material polikristal dapat dilihat melalui AFM (Atomic Force Microscope). Polikristal terorientasi, dapat kita temukan pada fasa (α+L) atau (β+L), jadi jika kita mengkombinasikan komponen Al:Si 98%:2% maka dapat kita sintering dari rentang suhu antara suhu kamar sampai kira-kira pada suhu 660˚C. 

2.      Jelaskan reaksi kongruen, reaksi inkongruen, reaksi eutektik, reaksi peritektik! Jelaskan dilengkapi dengan gambar.

Kesetimbangan  dan Reaksi Tiga-Fasa

Gambar 3.16 Diagram fas sistem Pb-Sn. Paduan 1 : 63Sn-37Pb. Paduan 2 : 70Pb-30Sn. Paduan 3 : 70Sn-30Pb.

v  Reaksi eutektik

Pada berbagai sistem metalik dan keramik biner, dua fasa kristalin dan satu cairan dapat berkoeksistensi. Kaidah fasa yang dimodifikasi menunjukkan bahwa kondisi khas ini bersifat invarian; artinya, temperatur dan komposisi fasa memiliki nilai tetap. Pada gambar 3.16 terdapat diagram fasa sistem timbal-timah putih. Ternyata, kelarutan padat untuk kedua komponen logam terbatas, dengan  dan  mewakili larutan padat primer dengan stuktur kristal berbeda. Garis lurus, yaitu garis euttektik mendatar, mewakili tiga komposisi fasa ( ) pada temperatur . Garis ini terdiri dari segitiga tiga-fasa yang ditekan; pada semua titik di garis ini, terdapat tiga fasa dalam keadaan setimbang. Hal ini akan diperjelas pada pembahasan sistem terner. pada pendinginan atau pemanasan lambat, komposisi rata-rata paduan berada di antara limitnya,  reaksi eutetik berlangsung sesuai rumus . Minimum yang didefinisikan dengan pasti dalam likuidus, titik eutektik (mudah leleh), merupakan ciri khas reaksi ini.

Perhatikan pembekuan lelehan dengan komposisi rata-rata 37Pb-63Sn. Pada temperatur  sekitar 180 ⁰C, lelehan serentak membeku membentuk campuran mekanik terdiri dari dua fasa padat, yang berarti cairan . Berdasarkan kaidah pengungkit, rasio massa  sekitar 9:11. Apabila penurunan temperatur berlanjut melalui pendinginan lambat, komposisi kedua fasa mengikuti garis solvus masing-masing. Garis horisontal yang melewati medan ini menentukan rasio massa bagi setiP tempertur. Ketika komposisi lelehan mencapai nilai eutektik  , seluruh sisa cairan bertransformasi menjadi campuran dua fasa, seperti sebelumnya. Namun untuk paduan ini, struktur akhir terdiri dari butir  primer dalam matriks eutektik . Sama dengan sebelumnya, seseorang dapat mendeduksikan bahwa struktur paduan hiper-eutektik yang membeku dan mengandung 30 Pb - 70Sn terdiri dari beberapa butir  primer dalam matriks eutektik .

Paduan timbal-rendah atau timah-rendah, dengan komposisi melampaui kedua titik ujung garis eutektik horisontal (secara teoritis, horisontal eutektik tidak dapat memotong garis vertikal yang mewakili komponen murni; selalu ada sejumlah tertentu kelarutan padat, meski sangat kecil), membeku dan bertransformasi secara keseluruhan menjadi fasa primer pada rentang temperatur yang kecil. Ketika temperatur “memotong” solvus terkait, fasa primer ini menjadi tidak stabil dan terjadi presipitasi sejumlah kecil fasa kedua. Perbandingan akhir antara kedua fasa tersebutdapat diperoleh dengan superposisi garis horisontal pada medan dua-fasa sentral: tidak ada tanda-tanda campuran eutektik dalam mikrostruktur.

Paduan eutektik (37Pb-63Sn) dan paduan hipoeutektik (70Pb-30Sn) yang dipilih untuk uraian pembekuan mewakili dua dari berbagai jenis solder (solder lunak untuk pemakaian rekayasa mempunyai rentang komposisi timah dari 20% sampai 65%, spesifikasi standar pertama disusun oleh ASTM pada tahun 1918. USA kini merencanakan penghapusan produk yang mengandung timbal, dan solder bebas timbal sedang dikembangkan) untuk penyambungan logam. Solder eutektik dengan kadar Sn 60-65% digunakan secara luas di industri elektronika untuk sambu ngan yang presis, berintegritas tinggi dengan skala produksi massal tanpa resiko merusak komponen yang peka panas. Solder ini memiliki sifat “ pembasahan” yang baik sekali (sudut kontak <10⁰), likuiditas yang rendah dan rentang pembekuan yang dapat diabaikan. Rentang pembekuan paduan 70Pb-30Sn yang panjang (solder untuk keperluan plumbing) dimanfaatkan agar solder pada sambungan tetap dapat “dioleskan” meski sudah “mengental”.

Kekuatan geser paduan solder yang paling banyak digunakan relatif rendah, hanya sekitar 25-55 MN m^-2, sehingga seringkali digunakan sambungan ikatan mekanik. Fluks (seng klorida yang korosif, atau resin nonkorosif) mempermudah pembasahan logam yang akan disambung dengan melarutkan lapisan tipis oksida dan mencegah terjadinya oksida ulang. Untuk mengatasi masalah solder dan fluks berlebih, pada aplikasi elektronika digunakan solder prabentuk yang kecil.

Gambar 3.16 memperlihatkan urutan struktur yang diperoleh pada rentang sistem Pb-Sn. Kurva pendinginan untuk paduan hipoeutektik dan eutektik diperlihatkan pada gambar 3.17a. Pemisahan kristal primer menghasilkan perubahan kemiringan, sementara itu panas dilepaskan. Jumlah panas yang dilepaskan bertambah ketika reaksi eutektik berlangsung. Panjang (durasi) plateau sebanding dengan jumlah struktur eutektik terbentuk, seperti terlihat pada gambar 3.17b. meskipun kurva pendinginan ternyata dapat digunakan untuk menentukan bentuk sistem sederhana, biasanya diperlukan pemeriksaan mikroskopik (optik, elektron) dan analisis difraksi sinar-X untuk konfirmasi secara rinci.

v  Reaksi Peritektik

Sistem eutektik sering dijumpai bila titik cair dari kedua komponen hampir sama. Tipe kedua yang penting pada kondisi tiga-fasa invarian, yaitu reaksi paritektik, adalah sistem dengan komponen dengan komponen dengan titik cair yang sangat berbeda. Biasanya reaksi paritetik terdapat pada sistem yang lebih rumit; seperti sistem Cu-Zn dengan rentetan terdiri dari dari lima reaksi peritektik. Bentuk sederhana dari sistem peritektik diperlihatkan pada gambar 3.18; meskipun jarang digunakan dalam praktek (seperti Ag-Pt), tetapi dapat dimanfaatkan untuk menjelaskan prinsip dasar. Garis horisontal, sebagai kunci reaksi, menghubungkan tiga komposisi fasa kritis; yaitu . Reaksi peritektik terjadi apabila komposisi rata-rata paduan memotong garis ini baik sewaktu pendinginan maupun pemanasan perlahan-lahan. Reaksi ini dapat ditulis dengan rumus . Paduan biner dengan kadar komponen B lebih sedikit dibandingkan kadar di titik  akan berperilaku sama seperi larutan padat. Lelehan paduan 1, dengan komposisi peritektik, akan membeku pada rentang temperatur tertentu, dan terjadi endapan kristal fasa  primer. Komposisi lelehan bergerak ke bawah mengikuti likuiditus, dan semakin kayakaya akan komponen B. Pada temperatur peritektik , cairan dengan komposisi  bereaksi dengan kristal primer tadi dan terjadi transformasi fasa baru, , dengan struktur kristal yang berbeda sesuai persamaan . Pada sistem yang diperlihatkan,  tetap stabil selama pendinginan selanjutnya. Paduan 2 juga akan mengendapkan  primer, akan tetapi reaksi pada temperatur  tidak melibatkan semua kristal tadi dan padatan akhir terdiri dari , yang merupakan produk reaksi  peritektik dan  sisa. Mula-mula rasio massa  sekitar 2,5 hingga 1, akan tetapi kedua fasa menyesuaikan komposisi selama pendinginan berlanjut. Pada kasus paduan 3, jumlah kristal primer  yang terbentuk lebih sedikit: pada akhirnya akan lenyap seluruhnya akibat reaksi peritektik. Jumlah  dalam campuran  dan cairan yang dihasilkan bertambah hingga cairan hilang dan terbentuklah struktur  

Uraian tersebut di atas mengasumsikan bahwa keadaan setimbangan tercapai pada setiap tahap pendinginan. Meskipun dalam praktek tidak mungkin terjadi pendinginan sangat lambat, sifat reaksi peritektik menambah kerumitan. Produk reaksi  cenderung membentuk lapisan di sekeliling partikel  primer; kehadiran lapisan ini menghambat pertukaran atom lewat difusi yang menjadi persyaratan kesetimbangan (gambar 3.18).

v  Fasa Intermediat

Fasa intermediat memiliki struktur kristal yang berbeda dengan fasa primer dan terletak di antara fasa primer dalam diagram fasa. Pada diagram sistem Mg-Si pada gambar 3.19,  Mg₂Si merupakan fasa intermediat. Kadang-kadang atom pembentuk fasa intermediat mempunyai rasio stoikiometrik yang tetap dan berupa garis vertikal tunggal dalam diagram. Namun, seringkali memiliki rentang komposisi tertentu, sehingga dianjurkan untuk memakai istilah “senyawa”.

 Pada beberapa diagram, seperti pada Gambar 3.19, fasa intermediat terdapat mulai dari temperatur ruang hingga likuiditas, dan mencair atau membeku tanpa perubahan komposisi. Titik cair seperti itu disebut kongruen: titik cair paduan eutektik tidak kongruen. Fasa dengan pencairan kongruen dijadikan sarana untuk membagi diagram fasa yang kompleks (biner atau terner) menjadi bagian yang lebih mudah dimengerti. Sebagai contoh, suatu ordinat melalui verteks fasa intermediat pada gambar 3.19 mengahasilkan dua subsistem eutektik sederhana. Dengan cara serupa, ordinat dapat ditarik melalui minimum (atau maksimum) likuiditas larutan padat.

Umumnya, fasa intermediat keras serta getas, dan mempunyai struktur kristal kompleks (contoh, Fe₃C, CuAl₂( ). Dianjurkan untuk mempersingkat waktu dan membatasi temperatur pensolderan paduan tembaga, karena mungkin terbentuk lapisan getas Cu₃Sn dan Cu₆Sn₅ pada antarmuka.