Konsep Dasar Diagram Fasa pada Material Teknik

Salah satu alasan diagram fase penting bagi insinyur berkaitan dengan desain dan kontrol prosedur perlakuan panas; beberapa sifat bahan adalah fungsi struktur mikro dan bentuk perlakuan panasnya. Meskipun sebagian besar diagram fase mewakili keadaan stabil (atau ekuilibrium) dan struktur mikro, diagram fase tetap berguna dalam memahami pengembangan dan pelestarian struktur tak setimbang dan sifat-sifat pendukungnya. Sering terjadi bahwa sifat-sifat tak setimbang lebih diinginkan daripada yang seimbang.

Pemahaman diagram fasa untuk sistem paduan sangat penting karena ada korelasi kuat antara struktur mikro dan sifat mekanik, dan Perkembangan struktur mikro suatu paduan berkaitan dengan karakteristik diagram fasenya. Selain itu, diagram fase memberikan informasi berharga tentang peleburan, pengecoran, kristalisasi, dan fenomena lainnya.

Batas Kelarutan

Untuk banyak sistem paduan dan pada suhu tertentu, ada konsentrasi maksimum atom terlarut yang dapat larut dalam pelarut untuk membentuk larutan padat; hal ini disebut sebagai batas kelarutan. Penambahan zat terlarut melebihi batas kelarutan ini menghasilkan pembentukan larutan padat atau senyawa lain yang memiliki komposisi yang berbeda. Untuk mengilustrasikan konsep ini, pertimbangkan sistem gula-air (C12H22O11-H2O). Mulanya, saat gula ditambahkan ke air, larutan gula-air atau sirup terbentuk. Semakin banyak gula dimasukkan, larutan menjadi lebih pekat, sampai batas kelarutan dicapai atau larutan menjadi jenuh dengan gula. Saat ini, larutan tidak mampu melarutkan gula lagi, dan penambahan lebih lanjut hanya mengendap di bagian bawah dari wadah. Jadi, sistem sekarang terdiri dari dua zat yang terpisah yaitu gula-air sirup cair dan kristal padat dari gula yang tidak larut.

Batas kelarutan gula dalam air ini tergantung pada suhu air dan dapat direpresentasikan dalam bentuk grafik pada plot suhu di sepanjang ordinat dan komposisi (dalam persen berat gula) di sepanjang absis. Bersama sumbu komposisi, peningkatan konsentrasi gula dari kiri ke kanan, dan persentase air dibaca dari kanan ke kiri. Karena hanya dua komponen yang terlibat (gula dan air), jumlah konsentrasi pada setiap komposisi akan sama dengan 100% berat. Batas kelarutan direpresentasikan sebagai garis semi vertikal pada. Untuk komposisi dan suhu di sebelah kiri garis kelarutan, hanya larutan cair sirup yang ada; ke kanan garis, sirup dan gula padat berdampingan. Batas kelarutan pada suhu tertentu adalah komposisi yang sesuai dengan perpotongan suhu yang diberikan koordinat dan garis batas kelarutan. Misalnya, pada 20 ° C, kelarutan maksimum dari gula dalam air adalah 65% berat.

Fase

Penting untuk memahami konsep fase pada diagram fase. Sebuah fase mungkin didefinisikan sebagai bagian homogen dari suatu sistem yang memiliki sifat fisik dan kimia yang seragam. Setiap bahan murni dianggap sebagai fase; demikian juga setiap benda padat, cair, dan larutan gas. Misalnya, larutan sirup gula-air yang baru saja dibahas adalah satu fase, dan gula padat adalah yang lain. Masing-masing memiliki sifat fisik yang berbeda (satu cair, yang lain adalah padat); selanjutnya, masing-masing berbeda secara kimiawi (yaitu, memiliki bahan kimia yang berbeda komposisi); satu adalah gula murni, yang lain adalah larutan H2O dan C12H22O11. Jika lebih dari satu fase hadir dalam sistem yang diberikan, masing-masing akan memiliki sifat yang berbeda, dan batas yang memisahkan fase akan ada, di mana akan ada diskontinu dan perubahan mendadak dalam sifat fisik dan/atau kimia. Ketika dua fase hadir dalam suatu sistem, tidak perlu ada perbedaan baik sifat fisik maupun kimia; perbedaan dalam satu atau set sifat lainnya sudah cukup. Ketika air dan es hadir dalam wadah, ada dua fase terpisah; mereka secara fisik berbeda (satu adalah padat, yang lainnya cair) tetapi identik dalam susunan kimia. Juga, ketika suatu zat dapat ada dalam dua atau lebih bentuk polimorfik (misalnya, memiliki struktur FCC dan BCC), masing-masing struktur ini merupakan fase yang terpisah karena karakteristik fisiknya masing-masing berbeda.

Kadang-kadang, sistem satu fase disebut homogen. Sistem terdiri dari dua atau lebih fase disebut campuran atau sistem heterogen. Sebagian besar paduan logam dan, dalam hal ini, keramik, polimer, dan sistem komposit adalah heterogen. Khususnya, fase berinteraksi sedemikian rupa sehingga kombinasi sifat dari sistem multifase berbeda dari, dan lebih diinginkan daripada, salah satu fase individu.

Struktur Mikro

Sifat fisik dan, khususnya, perilaku mekanik suatu material sering kali tergantung pada struktur mikronya. Mikrostruktur tunduk pada pengamatan mikroskopis langsung menggunakan mikroskop optik atau elektron. Di dalam paduan logam, struktur mikro dicirikan oleh jumlah fase yang ada, proporsi, dan cara mereka didistribusikan atau diatur. Struktur mikro paduan tergantung pada variabel seperti elemen paduan yang ada, konsentrasinya, dan perlakuan panas dari paduan (yaitu, suhu, waktu pemanasan pada suhu, dan laju pendinginan ke suhu kamar).

Diagram Fase Satu Komponen (Unary)

Sebagian besar informasi tentang kontrol struktur fase sistem tertentu dapat ditampilkan secara ringkas dalam diagram fase, juga sering disebut diagram keseimbangan. Tiga parameter yang dapat dikontrol secara eksternal mempengaruhi struktur fasa yaitu suhu, tekanan, dan komposisi dan diagram fase dibuat ketika berbagai kombinasi parameter ini diplot satu sama lain.

Jenis diagram fasa yang paling sederhana dan paling mudah untuk dipahami adalah sistem satu komponen, di mana komposisi dipertahankan konstan (yaitu, diagram fase adalah untuk zat murni); ini berarti bahwa tekanan dan suhu adalah variabel. Diagram fase satu komponen ini (atau diagram fase unary, kadang-kadang juga disebut diagram tekanan-suhu [atau P–T]) direpresentasikan sebagai plot tekanan dua dimensi (ordinat, atau sumbu vertikal) versus suhu (absis, atau sumbu horizontal). Paling sering, sumbu tekanan diskalakan secara logaritmik.

Sebagai contoh diagram fase H2O pada gambar di atas. Wilayah untuk tiga berbeda fase-padat, cair, dan uap-digambarkan di plot. Masing-masing fase ada di kondisi keseimbangan selama rentang suhu-tekanan daerah yang sesuai. Tiga kurva yang ditunjukkan pada plot (berlabel aO, bO, dan cO) adalah batas fasa; apapun titik pada salah satu kurva ini, dua fase di kedua sisi kurva berada dalam kesetimbangan (atau hidup berdampingan) satu sama lain. Kesetimbangan antara fase padat dan uap sepanjang kurva aO; demikian juga untuk batas padat-cair, kurva bO, dan batas cair-uap, kurva cO. Setelah melintasi batas (saat suhu dan/atau tekanan diubah), satu fase berubah menjadi yang lain. Misalnya, pada tekanan 1 atm, selama pemanasan fase padat berubah menjadi fase cair (yaitu, terjadi pelelehan) pada titik berlabel 2 pada Gambar (yaitu, perpotongan garis horizontal putus-putus dengan batas fase padat-cair); ini titik sesuai dengan suhu 0 ° C. Transformasi terbalik (cair-ke-padat, atau pemadatan) terjadi pada titik yang sama setelah pendinginan. Demikian pula, di persimpangan garis putus-putus dengan batas fase cair-uap (titik 3 pada Gambar, pada 100 ° C) cairan berubah menjadi fase uap (atau menguap) saat dipanaskan; kondensasi terjadi untuk pendinginan. Akhirnya, es padat menyublim atau menguap saat melintasi kurva berlabel aO.