Sistem Diagram Fasa Eutektik Biner

Jenis lain dari diagram fase umum dan relatif sederhana yang ditemukan untuk paduan biner adalah diagram fase eutektik biner. Sejumlah fitur diagram fase ini penting dan perlu diperhatikan. Pertama, tiga daerah fase tunggal ditemukan pada diagram: 𝛼,𝛽, dan cairan. Fase 𝛼 adalah larutan padat yang kaya akan tembaga; ia memiliki perak sebagai komponen terlarut dan struktur kristal FCC. Larutan padat fase 𝛽 juga memiliki struktur FCC, tetapi tembaga adalah zat terlarutnya. Tembaga murni dan perak murni juga dianggap sebagai fase 𝛼 dan 𝛽.

Jadi, kelarutan dalam masing-masing fase padat ini terbatas, pada suhu berapa pun di bawah garis BEG hanya konsentrasi terbatas perak yang larut dalam tembaga (untuk fase 𝛼), dan juga untuk tembaga dalam perak (untuk fase 𝛽). Batas kelarutan untuk fase 𝛼 sesuai dengan garis batas, berlabel CBA, antara daerah fase 𝛼 /(𝛼 + 𝛽) dan 𝛼/(𝛼 + L) ; daerah tersebut meningkat dengan suhu maksimum [8.0 wt% Ag pada 779°C (1434°F)] di titik B, dan menurun kembali ke nol pada suhu leleh tembaga murni, titik A [1085°C (1985°F)]. Pada suhu di bawah 779°C (1434°F), suhu garis batas kelarutan padat yang memisahkan daerah fase 𝛼 dan 𝛼+𝛽 disebut garis solvus; batas AB antara bidang 𝛼 dan 𝛼 + L adalah garis solidus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. Untuk fase 𝛽, baik garis solvus dan solidus juga ada, HG dan GF, masing-masing, seperti yang ditunjukkan. Kelarutan maksimum tembaga dalam fase 𝛽, titik G (8,8 wt% Cu), juga terjadi pada 779°C (1434°F). Garis horizontal BEG ini, yang sejajar dengan sumbu komposisi dan memanjang antara posisi kelarutan maksimum ini, dapat juga dianggap sebagai garis solidus; garis ini mewakili suhu terendah di mana fase cair ada untuk paduan tembaga-perak yang berada pada kesetimbangan.

Ada juga tiga daerah dua fase yang ditemukan untuk sistem tembaga-perak (Gambar 2): 𝛼 + L, 𝛽 + L, dan 𝛼 + 𝛽 . Larutan padat fase 𝛼 dan 𝛽 hidup berdampingan untuk semua proses dan suhu dalam bidang fase 𝛼 + 𝛽 ; fase 𝛼 + L dan 𝛽 + L juga hidup berdampingan di daerah fase masing-masing. Berikutnya, proses dan jumlah relatif untuk fase dapat ditentukan menggunakan garis ikatan dan aturan tuas seperti yang diuraikan sebelumnya.

Saat perak ditambahkan ke tembaga, suhu di mana paduan menjadi benar-benar cair menurun di sepanjang garis likuidus, garis AE; jadi, suhu leleh tembaga diturunkan dengan penambahan perak. Hal yang sama dapat dilakukan untuk perak: Pengantar tembaga mengurangi suhu pelelehan lengkap di sepanjang garis liquidus lainnya, FE. Garis Likuidus ini bertemu di titik E pada diagram fase, titik mana yang ditunjuk oleh komposisi C_E dan suhu T_E; untuk sistem tembaga-perak, nilai C_E dan T_E adalah 71,9 berat% Ag dan 779°C (1434°F), masing-masing. Perlu juga dicatat ada isoterm horizontal pada 779°C dan diwakili oleh garis berlabel BEG yang juga melalui titik E.

Reaksi penting terjadi untuk paduan komposisi C_E karena perubahan suhu dalam melewati T_E; reaksi ini dapat ditulis sebagai berikut:

L(CE) ⇌ (cooling heating) 𝛼(C_𝛼E) + 𝛽(C_𝛽E)

Atau, setelah pendinginan, fase cair diubah menjadi dua fase padat 𝛼 dan 𝛽 pada suhu T_E; reaksi sebaliknya terjadi pada pemanasan. Ini disebut reaksi eutektik (eutektik berarti “mudah meleleh”), dan titik E pada diagram disebut eutektik titik; selanjutnya, C_E dan T_E mewakili komposisi eutektik dan suhu, masing-masing. C𝛼E dan C𝛽E adalah komposisi masing-masing dari yang dan fase di T_E. Reaksi eutektik ini disebut reaksi invarian karena terjadi dalam kesetimbangan kondisi pada suhu tertentu (T_E) dan komposisi tertentu (C_E, C_𝛼E dan C_𝛽E), yang konstan (yaitu, tidak berubah-ubah) untuk sistem biner tertentu. Selanjutnya, garis solidus horizontal BEG di T_E kadang-kadang disebut isoterm eutektik.

Dalam konstruksi diagram fase biner, penting untuk memahami bahwa satu atau dua fase dapat berada dalam kesetimbangan dalam medan fase. Untuk sistem eutektik, tiga fase (𝛼, 𝛽, dan L) mungkin dalam kesetimbangan, tetapi hanya pada titik-titik sepanjang isoterm eutektik. Aturan umum lainnya adalah bahwa daerah fase tunggal selalu dipisahkan satu sama lain oleh dua daerah fase yang terdiri dari dua fase tunggal yang memisahkannya.

Salah satu metode atau tool yang sangat membantu dalam proses desain yang kompleks dan umumnya iteratif ini adalah menggunakan virtual manufacturing, yaitu memanfaatkan metode komputasi untuk menyelesaikan model fisik dari proses manufaktur, baik dari beban, deformasi, tegangan, hingga ke perubahan fasa material serta costing. Selain dapat memperoleh hasil yang lebih cepat dan fleksibel untuk divariasikan, dengan virtual manufacturing, kita dapat mendapatkan insight-insight yang lebih mendalam dibandingkan dengan trial and error fisik.

Video di bawah ini menunjukkan penjelasan dari virtual manufacturing.

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL SEPUTAR MATERIAL TEKNIK LAINNYA!

Kontributor: Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Callister, William D. Jr, dan Rethwisch, David G. 2018. Materials Science and Engineering An Introduction (10^th ed). Amerika Serikat: John Wiley & Sons, Inc.