introduction mata kuliah Metalurgi Fisik oleh bapak Budi Santono ST MT
Universitas Islam 45 Bekasi

RUANG LINGKUP ILMU MATERIAL

Material dalam kehidupan : Logam Plastik dan keramik Dari ukuran Nano sampai Sangat besar, ini sangat berpengaruh terhadap krakteristiknya misalnya pengaruh besi cor dalam revolusi industri.

Rekayasa terutama berurusan dengan fungsi suatu komponen atau struktur, seringkali dgn kemampuan komponen atau struktur tsb untuk mengirim tegangan2 kerja tanpa resiko kegagalan.

DOWNLOAD MATERI DISINI

Berdasarkan ASM (American Society of Metals), logam didefinisikan sebagai unsur kimia yang mempunyai sifat konduktivitas panas, listrik yang baik, buram dan jika dipoles hingga mengkilap akan menjadi reflector / pemantul cahaya yang baik. Selain itu mempunyai sifat tidak tembus cahaya dan mempunyai kekuatan dan keuletan yang baik.Unsur-unsur logam terlihat dominan (sekitar 80%) dibandingkan unsur-unsur lainnya .Apa itu Metalurgi? Metalurgi didefinisikan sebagai suatu ilmu yang mempelajari karakteristik / sifat / perilaku logam, ditinjau dari sifat mekanik (kekuatan, keuletan, kekerasan, ketahanan lelah, dsb.), fisik (konduktivitas panas, listrik, massa jenis, magnetik, optik, dsb), kimia (ketahanan korosi, dsb) dan teknologi (kemampuan logam untuk dibentuk, dilas / disambung, dimesin, dicor dan dikeraskan).

Sifat-sifat yang dimiliki oleh suatu logam akan berkaitan satu dengan lainnya. Suatu komponen yang terbuat dari logam didalam aplikasinya sangat ditentukan dimana logam tersebut berada sehingga pengetahuan yang meliputi berbagai karakteristik logam haruslah dimiliki oleh orang yang berkecimpung didalamnya.Contoh tadi menunjukkan bahwa metalurgi mempunyai peranan yang sangat penting dalam proses pembuatan suatu komponen.
Dapat dilihat bahwa untuk membuat suatu rangka kendaraan/mobil harus memperhatikan berbagai aspek yaitu :ü      Komposisi kimia logam (logam apa yang akan dipilih, apakah baja atau aluminium paduan, unsur-unsur apa yang dibutuhkan).ü      Struktur mikro (bagaimana struktur mikro yang ada dikaitkan dengan kekuatan dan kemampuan logam tersebut akan dibuat, bagaimana mengontrol kekuatannya.ü      Proses pembuatan (pemilihan proses pembuatan yang dikaitkan dengan hasil yang akan diperoleh).ü      Penampilan/harga (bagaimana rasio kekuatan terhadap massa jenis, bagaimana sifat mampu bentuknya, berapa ongkos produksinya).a. UmumMetalurgi Dibagi menjadi 3 divisi :

  1. Metalurgi Ekstraktif

Disebut juga metalurgi kimia, adalah semua proses yang menyangkut perubahan kimia dari bijih sampai jadi bahan baku termasuk pemurniannya.

  1. Metalurgi Fisik

Adalah mempelajari struktur dan sifat fisik lainnya dari logam dan paduannya. Untuk mengetahui sifat fisik diperlukan peralatan seperti mikroskop optic, mikroskop electron untuk mempelajari struktur logam dan sinar X untuk mempelajari struktur kristal dasar.Juga dipelajari sifat magnetic, daya hantar listrik dan panas, susut muai logam dan tahanan listriknya. Semua penelitian dilakukan dalam keadaan padat.

  1. Metalurgi Mekanik

Proses pengerjaan secara mekanik untuk mencapai bentuk tertentu termasuk proses pembentukan dan proses lainnya yang tidak merubah komposisi kimia, termasuk sifat mekanik dan cara ujinya.b. Metalurgi sebagai Industri ManufakturIndustri Metalurgi dari segi kapasitas dan penghasilan uang termasuk industri besar seperti PT Krakatau Steel, Ispatindo, Bakri, dsb. Lebih dari 4/5-nya industri logam membuat besi dan baja dan 1/5-nya adalah non-fero seperti tembaga, aluminium, timah berikut paduannya dan logam-logam lain.
Tabel : Pengelompokan Logam Non Fero

Kelompok Logam Non Fero Unsur
a. Berat Cu, Ni, Pb, Zn, Sn
b. Ringan Al, Mg, be, Li, Ba, Ca, Sr, Na, K
c. Mulia Au, Ag, Pt, Os, In, Ru, Rh, Pd
d. Minor As, Sb, Bi, Cd, Hg, Co
e. Refractory/keras W, Mo, Ta, Nb, Ti, Zr, V
f. Scattered/terberai Be, In, Ga, Ti, Hf, Re
g. radio aktif Ra, Ac, Th, Pa, U
h. Rare earth/tanah jarang La, Sm, Eu, Sc
i. untuk paduan Cr, Mn

Metalurgi tidak termasuk konstruksi dan perakitan dari produk akhir. Hanya banyak sekali variasi dari sifat logam yang telah dibuat adalah untuk mencapai kebutuhan yang diminta para pemakai.Sering para metalurgis harus membuat dari logam yang sama tapi harus mempunyai sifat berlainan. Kebutuhan logam yang selalu meningkat adalah logam yang lebih kuat, ringan, aman, harga murah, keras, dsb. Ini adalah fungsi dari metalurgis yang sangat penting dalam teknik material. Juga cara memilih logam, cara mengoplahnya, cara uji adalah termasuk pekerjaan yang sangat besar.Yang dimaksud metalurgis ialah yang menguasai ilmu mengubah logam hingga sangat berguna, hingga jadi mempunyai sifat-sifatnya yang baik sesuai kebutuhan. Juga mempelajari secara mendalam struktur logam dan hubungannya dengan kekuatan dan sifat lain dari logam. Mampu meramalkan akibat baja kena panas, mengejut dan laku panas lainnya.

Dalam proses pengujian bahan ada dua macam jika ditinjau berdasarkan sifat dari pengujian tersebut yaitu:A.    Pengujian Destruktif       Sesuai dengan namanya pengujian ini bersifta merusak bahan yang diuji sehingga bahan yang diuji akan rusak atau cacat. Bahan yang diuji adalah bahan yang telah memenuhi bentuk dan jenis secara internasional .umumnya ada beberapa pengujian destruktif  yaitu:-          Pengujian Kekerasan       Pengujian ini dilakukan dengan dua pertimbanagn yaitu untuk mengetahui karakteristik suatu material baru dan melihat mutu untuk memastikan suatu material memiliki spesifikasi kualitas tertentu. Berdasarkan pemakaianya dibagi menjadi:1.      Pengujian kekerasan dengan penekanan(indentation test)        Pengujian ini dilakukan merupakan pengujian kekerasan terha-dap bahan logam dimana dalam menentukan kekerasaannya deilakukan dengan cara menganalisis indentasi atau bekas penekanan pada benda uji sebagai reaksi dari pembebanan tekan2.      Pengujian kekerasan dengan goresan(sratch test)       Merupakan pengujian kekerasan terhadap benda (logam) dimana dalam menentukan kekerasannya dilakukan dengan mencari perban-dingan dari bahan yang menjadi standart. Contohnya adalah pengujian metode MOH’S3.      Pengujian kekerasan dengan cara dinamik(dynamic test)Merupakan pengujian kekerasan dengan mengukur tinggi pantu-lan dari bola baja atau intan(hammer)yang dijatuhkan dari ketinggian tertentu-          Pengujian TarikPengujian ini merupakan proses pengujian yang biasa dilakukan karena pengujian tarik dapat menunjukkan perilaku bahan selama proses pembebanan. Pada uji tarik , benda uji diberi beban gaya tarik , yang bertambah secara kontinyu, bersamaan dengan itu dilakukan pengamatan terhadap perpanjangan yang dialami benda uji.-          Pengujian lengkungPengujian ini merupakan salah satu pengujian sifat mekanik bahan yang diletakkan terhadap specimen dan bahan, baik bahan yang akan digunakan pada kontraksi atau komponen yang akan menerima pembebanan terhadap suatu bahan pada satu titik tengah dari bahan yang ditahan diatas dua tumpuan-          Uji impactUji impact dilakukan untuk menentukan kekuatan material sebagai sebuah metode uji impct digunakan dalam dunia industry khususnya uji impact charpy dan uji impact izod. Dasar pengujian ini adalah penyerapan energy potensial  dari pendulum beban yang mengayun dari suatu ketinggian tertentu dan menumbuk material uji sehingga terjadi deformasi.-          Uji strukturUji struktur mempelajari struktur material logam untuk keperluan pengujian material logam dipotong-potong kemudian potongan diletakkan dibawah dan dikikisdengan material alat penggores yang sesuai. Untuk pemeriaksaan =nya dilakuakan dengan alat pembesar ataupun mikroskop elektronik.-          Pengujian dengan larutan ETSATujuan dari pengujian ini adalah untuk memeperjelas batas butir yang ada pada suatu material karena larutan etsa akan memeberi warna tambahan pada batas butir. Namun larutan ini dapat merusak batas butir tersebut.B.     Pengujian non-destruktifPengujian ini tidak merusak dan merupakan bagian dari pengujian bahan. Berainana dengan pengujian destruktif pengujian nendstruktif terdiri dari:-          Penetrant testingYaitu pengujian yang digunakan untuk melihat keretakan dan perositas dari suatu bahan. Pengujian dengan penetrant terdiri dari 4 tahap yaitu pembersihan awal, pemberian penetrant,  pembersihan penetrant, dan pemberian developer. Pengujian ini memiliki keuntungan yaitu murah dan cepat dilaksanakan.

–          Magnetic particle testingPengujian yang juga biasa disebut dengan pengujian menggu-nakan partikel magnetic ini digunakan untuk diskontinuitas yang ada dipermukaan dan dekat permukaan. Pengujian ini dapat kita lakukan  un-tuk melihat keretakan permukaan pada semua logam induk maupun ion, laminasi fusi yang tidak sempurna, undercut, dan subsurface crack. Jika dibandingkan dengan uji penetrant, pengujian ini dilakuakn untuk diskontinuitas yang lebih dalam.

–          Ultrasonic testingPengujian ini menggunakan metode gelombang suara dengan frekuensi tinggi. Keuntungan dari pengujian ini yaitu dapat dilakukan pada semua bahan dan lebih dalam jika dibandingkan dengan uji magnetic dan uji penetrasi karena menggunakan pantulan gelombang.
–          RadiographyYaitu pengujian dengan menggunakan x-ray untuk mendapatkan gambar dari material. Prinsipnya sama denagn penggunaan pada tubuh material hanya saja menggunakan gelombang yang lebih pendek.-eddy currentmemiliki prisnsip dasar yang hamper sama dengan teknik medan magnet tetapi disini medan listrik yang dipancarkan adalah arus bolak-balik. Prisnsipnya hamper sama denggan impedensi.

–          Eddy CurrentMemiliki prinsip dasar yang hampir sama dengan teknik medan magnet tetapi disini medan listrik yang dipancarkan dari arus bolak balik. Prinsipnya hampir sama dengan impedansi.

 Sifat Mekanik LogamSifat mekanik logam merupakan sifat yang menyatakan kamampuan suatu logam dalam menerima suatu beban atau gaya  tanpa mengalami kerusakan pada logam tersebut. Sifat-sifat mekanik logam antara lain:1.      Kekuatan (strength)Yaitu kemampuan material logam dalam menerima gaya berupa tegangan tanpa mengalami patah. Ada beberapa jenis kekuatan tergantung jenis bahan yang dipakai diantaranya: kekuatan tekan, tarik, kerja dan geser.2.      Kekerasan(hardness)Yaitu kemampuan material logam dalam menerima gaya berupa penetrasi.pengikisan dan pergeseran sifat ini berhubungan dengan sifat ketahanan aus.3.      Kekakuan(stiffness)Kemampuan material dalam mempertahankan bentuk setelah mendapat gaya dari arah tertentu.4.      Ketangguhan(toughtness)Merupakan sifat yang menyatakan kemampuan bahan dalam menyerap gayayang diberikan.5.      Kelenturan(elasticity)Menyatakan kemempuan material kembali kebentuk asal setelah gaya dihilangkan. Hal ini terjadi sebelum masuk wilayah plastis.6.      Plastisitas(plasticity)Kemampuan bahan dalam mengalami sjumlah deformasi permanen sebelum terjadi patah, hal ini setelah masuk wilayah plastis.7.      Mulur (creep)Meyatakan kecenderunngan logam mengalami deformasi plastis apabila diberi gaya dalam jangka waktu tertentu.
8.      Kelelahan(fatigue)Merupakan kemampuan material dalam menahan beban secara terus menerus                        Adapun faktor-faktor yang mempengaruhi sifat material1.      Ukuran Butir.Ukuran butir mempengaruhi faktor kekerasan , keuletan, kege-tasan material, semakin kecil material  semakin  keras dan getas material, semakin besar butiran  material  makin ulet material.2.      Tegangan DalamTegangan dalam merupakan tegangan yang ada pada material karena desakan antar butiran material untuk memperkeras material hendaknya memperbesar tegangan dalam material3.      Heat TreatmentPerlakuan panas berfungsi mendapatkan struktur Kristal dan fasa material yang diinginkan baik untuk mengeraskan maupun mengu-letkan material.4.      Unsur paduanPenambahan unsur paduan ialah untuk menutupi kekurangan suatu material dengan sifat yang dimiliki oleh unsur paduan, dian-taranya unsur paduan yang biasa dipakai adalah:a.       Karbon (C)Karbon berfungsi untuk mengeraskan materialb.      Silicon(Si)Berfungsi untuk menambah keuletan materialc.       Nikel(Ni)Meningkatkan kekerasan dan ketahanan aus
d.      Crommium(cr)Meningkatkan kekerasan dan ketahanan korosie.       Molybdenum(Mb)Meningkatkan kekuatan dalamf.       Vanadium (Vn)Fungsinya  menaikkan kekerasan dan kekuatan baja, bila dicampur Cr menjadi baja tahan aus.g.      Cobalt(Co)Fungsinya meningkatkan kekerasan dan ketahanan aus.h.      Boron(Br)Fungsinya menaikkan kekerasan bila kadar karbon  kurang 0,6% dapat menyebabkan rapuhi.        Titanium(Ti)Fungsinya sebagai deoksidasi elektrik dalam menambah partum-buhan butiran, serta meningkatkan kekerasan baja.5.      Cacat pada materialCacat pada material berpengaruh pada sifat – sifat mekanik dari material. Jenis-jenis dari cacat diantaranya: cacat titik, cacat garis, dislokasi, twinning dll.
Perlakuan PanasProses pemanasan dan pendinginana yang terkontrol dengan maksud mengubah sifat fisik dan mekanik dari spesimen (baja)   Macam-macam pelakuan panas:
1.    HardeningPerlakuan panas yang bertujuan untuk memperoleh kekerasan maksimum logam baja. Untuk baja eutectoid dipanaskan sampai (20oC-30oC) diatas AC3dan untuk hypoeutectoid dan hyper eutectoid sampai (20oC-30oC) diatas AC, kemudian didinginkan secara cepat didalam air atau  komponen kimia bentuk dan dimensinya, kecepatan pendinginan harus sesuai  agar terjadi transformasi yang sempurna dari austenite menjadi martensit. Kekerasan maksimum yang dicapai tergantung dari kadar karbon, semakin tinggi kadar karbon, semakin tinggi kekerasan yang didapat.

2.    AneallingPerlakuan panas yang digunakan untuk meningkatkan keuletan , menghilangkan tegangan dalam, menghaluskan permukaan butir, meningkatkan sifat mampu mesin. Prosesnya adalah dengan memanaskan material sampai suhu tertentu lalu didinginkan perlahan dalam dapur pemanas atau dalam ruang terisolasi.a.    Full aneallingAdalah satu proses anil yang mampu digunakan untuk meningkatkan keuletan. Jenis baja yang digunakan pada proses ini adalah baja hypereutectoid dan baja karbon rendah . proses panasnya pada temperature sekitar AC3+(20oC+30oC) dan AC2 + (20oC+30oC)Sedangkan untuk rata-ratapendinginan dibawah (500oC-600oc) adalah(50-100oC) perjam untuk baja karbon dan (20oC-60oC) untuk bajab.    Bright aneallingDalam beberapa kasus pencerahan permukaan komponen sangat penting pada proses seperti ini. Proses pemanasan dilakukan dihadapan media inert sehingga mencegah oksidasi permukaan logam. Secara umum bahan yang digunakan untuk menyediakan lingkungan lembam di seluruh bagian baik argon atsu nitrogen, selain mengurangi tindakan media sebagai perisai  pelindung disekitar objek . dalam proses ini mempertahankan warna permukaan.c.    Box annealingProses anil dapat disebut dengan berbagai nama seperti anil hitam, anil panas. Dalam proses menjaga baja yang akan dikeraskan dalam nedia tertutup membawa proses anil . Ling-kungan dari bahan baja yang ditutupi dengan chip, besi cor, pasir dan arang, proses anil akhir adalah sama dengan anil penuh, tetapi satu-satunya perbedaan adalah sarana yang digunakan untuk proses ini. Latar belakang dan proses ini adalah untuk mencegah oksidasi dari logam baja.d.      Isothermal AneallingProses ini disebut siklus anealling . dalam proses ini , material dipanaskan sampai diatas suhu A3 dan kemudian didinginkan secara lambat . keuntungan dari proses ini adalah:1.          Tingkat homogenitas tinggi2.          Sifat mampu mesinnya tinggiSecara umum proses isothermal anealling ini digunakan untuk karbon menengah dan rendah . proses ini bahkan digunakan untuk baja paduan agar sifat mampu mesinnya meningkat. Peningkatan dalam machinability adalah karena pembentukan struktur sphorozoid.
e.       Spheraidized AneallingJika baja berisi gelembung-gelembung cementit, dalam matrik ferit itu sudah disebut benda yang bulat atau padat, secara umum, mikro ini dibentuk oleh beberapa cara yaitu:1.          Hardening dengan suhu ringan2.          Dilakukan dengan suhu dibawah A1f.        Subkritis AneallingDalam proses ini baja dipanaskan hingga suhu dibawah suhu kritisnya. Secara umum prosesnya dilakukan untuk:1.    Mengurangi tegangan dalam2.    Memperbaiki struktur butir3.    Meningkatkan kekuatan materialAnealling jenis ini dilakukan melalui tiga tahap yaitu:1.    Strees reliefing anealling2.    Proses krstalisasi3.    Anealling luber mediato
g.      Strees Reliefing AneallingDalam proses ini, baja dipanaskan hingga mencapai suhu 525oC, yaitu tepat dibawah temperature rekristalisasi, jadi dengan proses pemanasan ini tidak terjadi perubahan dalam struktur mikro baja dimana suhunya ditahan 2-3 jam dan kemudian didinginkan melalui media pendinginana udara. Karena tidak terjadi perubahan struktur mikro. Proses ini tidak mempengaruhi kekerasan dan keuletan bahan. Proses ini mengurangi deformasi material.h.      Rekristalisasi aneallingBaja dipanaskan hingga temperatur A1, yaitu sekitar 625-659oC. Selama proses pemanasan cementit mengubah steroid hingga kemam-puan material untuk menjadi ductile diperoleh. Proses ini juga mengurangi tegangan dalam.3. NormalizingPerlakuan panas yang dilakukan untuk memperhalus struktur butiran yang mengalami pemanasan berlabihan (overheated). Menghilangkan tegangan dalam, meningkatkan kemampuan permesinana dan memeperbaiki sifat mekanik material, prosesnya dengan pemanasan sama (30oC-50oC) diatas AC3 dan didinginkan pada udara sampai temperatur ruang. Pendinginan disini lebih cepat disbanding full anealling sehingga pearlite yang terbentuk lebih halus dank eras disbanding yang diperoleh anealling. Normalizing juga menghasilkan struktur kimia yang lebih homogen sehingga akan memberikan respon yang lebih baik terhadap proses pengerasan (hardening) karena itu baja yang dikeraskan  perlu dinormalizing terlabih dahulu. Pada normalizing hendaknya tidak dilakukan pemanasan yang telalu tinggi karena butir Kristal austenite yang akan terjadi terlalu besar sehingga pendinginan lambat dan diperoleh butri-butir pearlite atau ferit kasar dan mengakibatkan berkurangnya keuletan dan ketangguhan.4.    TemperingDigunakan untuk mengurangi tegangan sisa, melunakan bahan setelah dihardening dan meningkatkan keuletan, hal ini karena baja yang dikeraskan dengan pembentukan  martensit biasanya sangat getas sehingga tidak cukup untuk berbagai pemakaian. Pembentukan martensite juga meninggalkan tegangan sisa yang sangat tinggi dan kurang menguntungkan. Karena itu biasanya setelah pengerasan diikuti tempering. Prosesnya adalah dengan memanasakan baja sampai diatas suhu kritis, ditahan kemudian didinginkan dengan kecepatan tinggi untuk menghasilkan martensit, kemudian untuk melunakkan martensit dengan mengubah strukturnya menjadi besi karbid dan ferit.

Macam-macam tempering yaitua.     MartemperingMerupakan perbaikan dari prosedur quenching dan digunakan untuk mengurangi distorsi dan cracking selama pendinginan. Jadi pendinginan akhir yang dihasilkan martensit temper.

b.      AustemperingTujuannya adalah meningkatkan ductility, ketahanan impact dan mengurangi distorsi struktutral yang dihasilkan adalah bainit, austempering adalah proses perlakuan panas yang dikembangkan langsung dari diagram trnsformasi isothermal untuk memperoleh struktur yang seluruhnya bainit. Pendinginan dilakukan dengan quenching sampai temperature diatas Ms dan dibiarkan demikian sampai transformasi menjadi bainit selesai.

Proses perlakuan panas ada 3 tahap uji:-          HeatingProses perlakuan panas pada suhu tertentu dan dalam waktu tertentu untuk mencapai struktur tertentu.-          HoldingProses perlakuan panas dengan suhu tetap yang telah diterapkan dan dalam waktu tertentu agar memperoleh struktur atom yang seragam-          CollingProses pendinginan yang dilakukan agar struktur atom yang diinginkan tetap
b.      Perlakuan panas kimiawi1.      CarburizingSuatu proses penjenuhan lapisan permukaan baja dengan karbon baja yang diikuti dengan hardening akan mendapatkan kekerasan permukaan yang sangat tinggi sedangkan bagian tengahnya tetap lunak.a.      Pack carburizingProsesnya material dimasukan dalam kotak yang berisi medium kimia aktif pada kotak tersebut dipanaskan sampai 900o-950oC waktu total ditentukan kedalaman kekerasan yang rendah dicapai.b.      Paste carburizingMedium kimia yang digunakan berbentuk pasata prosesnya yaitu bagian yang dikeraskan ditutup dengan pasta, dengan ketebalan 3-4mm kemudian dikeringkan dan dimasukkan dalam kotak, prosesnya dilakukan pada suhu 900o-950oC2.      NitridingProses ini merupakan proses penjenuhan permukaan baja dengan nitrogen yaitu dengan cara melakukan holding dalam waktu yang agak lama pada temperature 480o-650oC dalam lingkungan amoniak(NH3) macam-macamnya:
a.       Straight nitridingDigunakan  untuk meningkatkan kekerasan, ketahanan gesek dan fatigue.b.      Anti corrotion nitriding.Bahan yang digunakan biasanya besi tuang dan baja paduan. Derajat kelaruatn yang dapat dicapai adalah 30o-70oC3.      ColorizingProses ini merupakan proses pelapisan  baja dengan pemanasan alumunium bubuk dalam ruang tertutup. Untuk alumunium paduan pada permukaan baja dan untuk lapisan pelindung terhadap oksidasi dilakukan pada suhu 800o-1000oCKelebihan colorizing:a.       Penambahan alumunium pada baja karbon untuk  alumunium pada baja karbon untuk ketahanan korosi yang juga mem-perbaiki sifat mekanik baja agar kebih baik.b.      Carburizing tidak menghasilkan racun.

4.      CyanidingProses ini merupakan proses penjenuhan permukaan baja dengan unsur karbon dan nitrogen, bertujuan untuk meningkatkan kekerasan, ketahanan gesek dan kelelahan , bila proses ini dilakukan diudara disebut denagn karbon nitriding.Macamnya:a.      High temperature liquid cyanidingb.      High temperature gas cyanidingc.       Low temperature liquid cyanidingd.      Low temperature gas cyanidinge.       Low temperature solid cyaniding5.      Sulphatingperlakuan panas yang digunakan untuk meningkatkan ketahanan bagian-bagian mesin maupun alat-alat tertentu dari bahan HSS dengan jalan penjenuhan permukaan sulfur.
C.     Perlakuan Panas Permukaan1.      Flame hardeningprosesnya dengan pemanasan cepat permukaan baja diatas temperature kritisnya dengan menggunakan gas oksigen etilen, selanjutnya diikuti dengan pendinginan.2.      Induction surface hardening.Pemanasan yang digunakan dengan menggunakan arus listrik frekuensi tinggi. Logam yang berbentuk silindris diletakkan pada indicator ini jadi pemanasan permukaan dipengaruhi frekuensi dan waktu pemanasan. Pendinginan dengan penyemprotan air setelah proses pemanasan selesai.
Keterangan diagram Fe-Fe3C :0,008%C    : batas kelarutan minimum karbon pada ferit pada temperature kamar0,025%C    : batas kelarutan maksimum karbon pada ferit padatemperatur 723oC0,083%C    : titik eutectoid2%C           : batas kelarutan pada besi delta pada temperature 1130oC4,3%C        : titik eutectoid18%C         : batas kelarutan pada besi delta pada temperature 1439oCGaris A0     :garis temperature dimana terjadi transformasi magnetic dari sementitGaris A1     : garis temperature dimana terjadi austenite (gamma)  menjadi ferrit dalam pendinginanGaris A2     : garis termperatur dimana terjadi transformasi magnetic pada feritGaris A3     : garis temperature dimana terjadi perubahan ferit menjadi austenite(gamma) pada pemanasanGaris A       : garis yang menunjukan kandungan karbon dan transformasi baja hypoeutectoidGaris E       : garis yang menunjukan transformasi baja eutectoidGaris B       : garis yang menunjukkan kandungan karbon dari baja transformasi baja hypoeutectoidGaris liquidus: garis yang menunjukan awal dari proses pendinginan(pembekuan)Garis solidus: garis yang menunjukan batas antara austenite solid dan austenite liquid.A.    Transformasi  pada diagram fasa Fe-Fe3CDiagram kesetimbangan fasa Fe-Fe3C adalah alat penting untuk memahami struktur mikro dan sifat-sifat baja karbon. Suatu jenis logam paduan besi (Fe) dan karbon (C). diagram fasa Fe-Fe3C juga merupakan dasar pembuatan baja dan besi cor dalam pembuatan logam. Karbon larut didalam besi dalam bentuk larutan padat(solid solution) hingga 0,05% berat pada temperature ruangan. Pada kadar karbon lebih dari 0,055 akan terbentuk endapan karbon dalam bentuk hard  intermetallic stoichiomater compound(Fe3C)yang  lebih dikenal sebagai cementi atau karbid. Dari diagram fasa tersebut dapat diperoleh informasi-informasi penting lain antara lain:1.      Fasa yang terjadi pada komposisi dan temperature yang berbeda dengan pendinginan lambat.2.      Temperature pembekuan dan daerah daerah pembekuan paduan Fe-C bisa dilakukan pendinginan lambat3.      Temperature cair masing-masing paduan4.      Batas-batas kelarutan atau atau batas kesetimbangan dari unsur karbon fasa tertentu.5.      Reaksi – reaksi metalurgi yang terbentuk.Besi merupakan salah satu logam yang memiliki sifat allotropi, sifat allotropi dimiliki besi sendiri ada 3 yaitu:1.        Delta iron(δ)mampu melarutkan karbon max 0,1% pada 1500oC2.        Gamma iron(γ)mampu melarutkan karbon max 2% pada 1130oC3.        Alpha iron(α) mampu melarutkan karbon max 0,025% pada 723oCTransformasi allotropic pada besi, Fe(δ), Fe(γ) dan Fe(α) terjadi secara difusi sehingga membutuhkan waktu tertentu pada temperature konstan Karena reaksi mengeluarkan panas laten.Diagram fasa besi karbon.   Dalam kondisi cair karbon dapat larut dalam besi. Dalam kondisi padat besi dan karbon dapat membentuk:·           Larutan padat (solid solution)·           Senyawaw interstitial(interstitial compound)·           Eitectid mixture : campuran antara ferrite (α) dan cementit (Fe3C)·           Grafit : karbon bebas , tidak membentuk larutan ataupun berikatan membentuk senyawa FeBeberapa istilah dalam diagram kesetimbangan Fe-Fe3C dan fasa-fasa yang terdapat didalamnya akan dijelaskan dibawah ini. Berikut adalah batas-batas temperatue kritis pada diagram Fe-Fe3C·         A1 adalah temperature reaksi eutectoid yaitu  prubahan fasa  γ menjadi α+ Fe3C(pearlit) untuk baja hypo eutectoid·         A2 adalah titik currit ( pada temperature 769oC) dimana sifat magnetic besi berubah dari feromagnetik menjadi para magnetic.·         A3 adalah temperature transformasi dari fasa γ menjadi fasa α(ferit) yang ditandai pula naiknya batas kelarutan karbon  seeiring dengan turunnya temperature·         ACM adalah temperature transformasi dari fasa γ mendai Fe3C (cementit) yang ditandai pula dengan penurunan batas kelarutan karbon seiring dengan turunnya temperature .·         A13 adalah termeratur transformasi γ menjadi α + Fe3C(pearlite) untuk baja eutectoidDiagram fasa ini juga disebut dengan diagram kesetimbangan. Pada diagram ini juga ditunjukan perubahan. Perubahan fasa yang terjadi pada campuran besi karbon sebagai berikut1.      Fertit :Larutan padat karbon yang memiliki struktur Kristal BCC(Body Cen-tered Cubic )o    Stabil dibawah suhu 98oCo    Tidak dapat dikeraskan karena kandungan karbonnya sedikit, kandungan karbonya maksimum 0,0255 yaitu pada suhu kritis.o    Lunak liat dan tahan karato    BHN = 60-1002.        Austenite:Larutan padat karbon yang memiliki struktur Kristal FCC (Face Centered Cubic ) sifat- sifat austeniteoStabil disuhu sekitr 1350oCoDapat dikeraskan dengan 2% karbonoDapat deitempa dimana tegangan tariknya sekitar 50000 psioSpesifik volumenya rendah dibandingkan mikrostruktur lainoLunak non magnetis marliable tidak ductileoBHN=170 – 2003.        Cementit :Senyawa besi dan karbon 6,67% disebut juga karbida besi. Sifat-sifat cementitoStabil dibawah 150oCoBHN  = 820oRapuh magnetisoCampuran sementit dan austenite didebut ledeburitoCampuran sementit dan pearlite disebut perlit4.        Martensite :Larutan padat karbon dan besi terbentuk dari pendinginan yang sangat cepat(quenching ) dari austenite system Kristal BCT(Body centered tetragonal)Sifat sifat martensit:oStabil dibawah suhu 1500oCoKeras rapuh magnetisoKandungan karbin > 0,2%oKonduktor panas dan listrik yang lemahoBHN = 850 – 7005.        Ledeburit:Disebut juga besi eutectoid dengan kandungan karbon 0,3% terjadi dibawah suhu 723oCSifat-sifat ledeburit :oRapuhoKerasoGetasoBHN :7006.        Pearlite :Baja eutectoid yang tersusun atas dua fasa yaitu  ferit dan cementit dengan kandungan karbon 0,83%Sifat-sifat pearliteoKerasoTidak tahan karatoBHN 160-2007.        Besi Delta              Terjadi pada suhu 1400oC -1500oC, kandungan karbonnya0,1%,Sifat-sifatnya :oLunakoDapat ditempa8.        Trosslite:Campuran ferit dan karbida dibentuk pada pemanasan martensit padasuhu 250-400oC atau pendinginan lambat dari austenite stabil diatas suhu 400oc sifatnya:oMagneticoTidak kuatoUlet9.        Karbide:Campuran metana antara ferrite dan sementil dengan proses pembentukan martesit pada suhu 250oc-400oc dengan pendinginan yang lambat  sifatnya:ouletoSedikit lebih kuat dan lebih keras dari trooslite magnetic

ü  Trasformasi baja hypoeutectoidPada baja jenis ini apabila suhu dinaikan maka akan menjadi austenite lalu bila didinginkan lagi maka kosentrasi akan semakin jenuh . jadihasil akhir dari pendinginan transformasi baja hypoeutectoid adalah ferite dan pearlite

ü  Transformasi baja eutectoidPada baja jenis ini besi ferrite dapat berubah menjadi austerit pada suhu terendah yaitu 723 o C-1333oC. Fase ferrite setelah dinaikan suhunya dapat berubah fase menjadi ferit dan menjadi perlit bila didinginkan . jadi hasil akhir dari pendinginingan transformasi baja eutectoid adalah perlit.

ü  Transformasi baja hypereutectoidPada transformasi ini batas butir yang terbentuk apabila diinginkan adalah cemeutites semakin dingin maka kosentrasi dibatas butir semakin bertambah dan bila dibawah suhu austenite maka terbentuk pula perlite. Sehingga hasil akhir dari pendinginan transformasi baja hypoercelitectoid adalah pearlite.

Tabel 1.1 Perubahan  Fasa

Struktur Definisi Kondisi pembentukan Stabil pada suhu(oC) Ciri-ciri fisik Brinnel hardness number
Austenite Larutan padat antara karbon dan unsur lain pada besi dengan kadar karbo 2% Pemanasan diatas suhu kritis Diatas ACm,AC Lunak non magnetic dapat ditempa, ulet tahan listrik tegangan tinggi 170-200
Ferrite Larutan padat antara karbon dan unsur lain Pendinginan lambat larutan unsur dan padat Dibawah A3 Keras, rapuh non magnetis sampai suhu 210oC dan magnetis diatas suhu 210oC 60-100
Sementit Kombinasi kimai daei besi dan karbon dari karbida mengandung 6,67 karbon Pendinginan lambat larutan unsur dan padat Dibawah 723oC Keras, rapuh non magnetis sampai suhu 210oC dan magnetis diatas suhu 210oC 820
Pearlite Campuran antara cementit dan ferit Terbentuk pada kerusakan austenite Dibawah 150 Lebih kuat dan keras dari ferit tapi lebih ulet dan magnetis 160-200
Martensit Larutan padat antara karbon dan unsur lain pada distorsi berkisicampuran yang tersebar antara ferit dan karbida Terbentuk pada pendinginan garis yang sangat konstan pada austenite diatas suhu kritis +/- 400 Konduktivitas magnet, panas, dan listrik rapuh, kekerasan bergantung kandungan karbon 650-700
Trooslite Larutan padat antara karbon dan unsur lain pada distorsi berkisi campuran yang tersebar antara ferit dan karbida Terbentuk pada martensit pada 250-400oC atau pendinginan lambat Hingga 500 Keras agak ulet magnetik Lebih kerastrooslite
Sarbite Campuran merata antara ferit dan sementit Pada austenite terbentuk pada pengerasan mastensit pada suhu 350o-400oC atau pendinginan austenite sangat lambat Hingga Ac Ulet dan kenyal sedikit lebih keras dan kuat disbanding trooslite magnetik 270-300

Dirangkum dari mata kuliah  ilmu dan teknik materialFe3C dibagi menjadi1.      Terkandung karbon 0,008% disebut besi murni2.      Kandungan karbon 0,008%-0,83% disebut baja hypoeutectoid3.      Kandungan karbon 0,83% disebut baja eurtectoid4.      Kandungan karbon 0,83%-2% disebut baja hyper euctoid5.      Kandungan karbon > 2% disebuut besi cor
C.     Reaksi yang terjadi pada diagram Fe-Fe3C1.      Reaksi peritektit, terjadi pada temperature 1495oC dimana logam cair (liquid) dengan kandungan 0,53% bergabung dengan delta iron (δ) kandungan 0,09% bertranformasi jadi austenite(γ) dengan kandungan 0,17% delta iron(δ) adalah fasa padat pada temperature tinggi dan kurang berarti untuk proses perlakuan panas yang berlangsung pada temperature rendaho   liquid (=0,53%) + delta (δ) (C=0,09%) à austenit (γ)(C=0,17%)2.      Reaksi eutektik reaksi ini terjadi pada temperature 1148oC , dlam hal ini logam cair dengan kandungan 4,3%C membentuk austenite (γ)dengan 2%C dan senyawa sementit (Fe3C) yang mengandung 6,67%Co   liquid (C=4,3%) à austenite (γ) (C=2,11%) + Fe3C(C6,67%)3.      Reaksi eutectid. Reaksi ini berlangsung pada temperature 723oC, austenite V padat dengan kandungan 0,8%C menghasilkan ferit (α) dengan kandungan 0,025%Co   austenite (γ) (C=0,8%) à ferrit (α) (C=0,025%)=Fe3C (C=6,67%)o   reaksi ini merupakan fasa padat yang mempunyai peran cukup penting pada proses perlakun panas baja karbonD.    Solid SolutionSolid sollution adalah  larutan padat yang terdiri dari dua atau lebih jenis atom yang berkombinasi dalam satu jenis space lattice.Solid tidak terjadi pada sutau temperatur tertentu, biasanya pembekuaan terjadi pada suatu range temperatur tertentu .pembekuan biasanya terjadi bers-amaan dengan penurunan temperatur.            Ada 3 kondisi larutan :1.      Larutan  Tak Jenuh (unsaturated)Bila jumlah solute yang terlarut mesih lebih sedikit disbanding solvent pada temperature dan tekanan tertentu.

2.      Larutan jenuh (saturated)Bila solute yang terlarut tepat mencapai batas kelarutan dalam solvent3.      Larutan lewat jenuh (supersaturated)Bila solute yang terlarut melewati batas kelarutan dalam solvent. Pada temperature dan tekanan tertentu, larutan ini dalam konsidi tidak setimbang. Dalam waktu lama atau dengan penambahan sedikit saja energy cenderung akan menjadi stabil dengan terjadinya pengendapan sehingga menjadi larutan jenuh.Solid solution ada dua macam yaitu.1.      Subtitusion solid solutionPada larutan ini atom solute akan mengisi tempat atom solvent pada struktur lattice solvent.

2.      Interstitial solid solutionPada larutan ini atom solute yang kecil menyisip dirongga atom pada struktur lattice dari solvent.

1.2.5. Diagram Pendinginan Besi Murni

Kalau besi dalam keadaan lebar didinginkan mula-mula pada suhu konstan 1530oC akan terbentuk Kristal besi dengan tata ruang besi  , kalau besi telah membeku ini didinginkan terus pada suhu konstan yaitu 1400oC akan terbentuk Kristal besi δ berubah menjadi J dengan struktur ruang FCC biladilanjutkan terjadi perubahan pada temperature konstan yaitu 910oC. Besi J  sekarang berubah menjadi J dengan struktur FCCTabel 1.2 pendinginan besi murni

Suhu oC Bentuk Kristal Panjang besi Nama besi
1535-1590 BCC a=2,93 δ
1390-910 FCC a=3,65 γ
910-768 BCC a=2,9 β
768-suhu ruang BCC a=2,87 α

Dirangkum dari materi kuliah ilmu dan teknik material

c.  Contoh-contoh praktis mengenai Metalurgi pada industri MODERN  fungsi  seorang  metalurgis  dapat  dilihat  dari  contoh-contoh di bawah ini :1). Roda gigi pada suatu mesin harus berputar secara terus menerus dengan putaran tinggi dan mendapat beban yang berat, bila dibuat dari logam yang lunak (perunggu, kuningan) akan mudah lecet. Sebaliknya bila dibuat dari logam yang keras walaupun tahan aus sering terjadi pecah karena getas. Untuk mengatasi hal ini maka harus dibuat dengan logam yang dapat dikeras permukaan supaya bagian dalam tetap ulet hingga tidak mudah pecah sedang bagian luar keras hingga tidak lekas aus.
2). Selongsong peluru  yang berbentuk botol bila langsung disusun lengkap, maka suatu saat dapat terjadi retak pada leher selongsongnya. Hal ini akibat pembentukan yang meninggalkan tegangan sisa yang sangat besar. Retaknya dapat terjadi seketika atau setelah menunggu beberapa waktu (jam, hari). Untuk mengatasinya ialah dengan dilakukan annil (salah satu laku panas), maka tegangan sisa akan sangat kurang hingga tidak menimbulkan retak lagi.
3). Pemotong kertas dipabrik kertas yang bermutu tinggi harus mempunyai kekuatan dan kekerasan yang tinggi agar mampu memotong kertas yang berlapis-lapis dan sangat banyak.d. Terminologi

1).  UnsurUnsur dalam metalurgi akan selalu disebut-sebut unsur logam (elemen logam) artinya unsur terbentuk hanya dari satu material. Unsur tidak dapat diubah menjadi unsur lain (secara biasa). Walaupun unsur itu dicairkan, dibekuakan, dimesin, dipatahkan atau dengan prosedur mekanik lainnya, maka unsur tetap saja seperti asalnya.

2).  SenyawaAdalah hasil reaksi dari beberapa unsur yang terikat secara kimia seperti besi fosfida, krom karbida, dsb. Biasanya senyawa mempunyai minimum dua unsur. Bila telah menjadi senyawa logam dan berikatan dengan unsur lain, maka akan sukar untuk diuraikan kembali selanjutnya sifat dari senyawa akan sangat berlainan dengan unsur-unsur asalnya. Contohnya besi sulfide sangat berbeda dengan sifat besi dan belerang, demikian juga dengan krom karbida, Alumunium oksida, dan silicon karbida yang sangat berbeda dengan unsur-unsur awalnya.

3).  CampuranYang disebut campuran pada logam adalah logam itu mengandung lebih dari satu unsur yang bercampur tapi tidak terbentuk senyawa kimia. Beda antara campuran dengan senyawa logam ialah pada campuran relatif mudah dipisah. Contohnya pada vitamin yang mengandung besi, dapat digerus dan besi nya dapat ditarik dengan magnet. Juga pada kuningan yang berbentuk larutan padat yang dicampuri timbal yang akan tampak terpisah bila kita lihat di bawah mikroskop. Sifat asal dari logamnya akan sangat tampak pada campuran ini.

4).  Larutan PadatAdalah larutan dari logam yang terdiri dari pelarutnya logam dan yang terlarutnya juga logam. Contohnya pada uang logam Rp.100,- yang terdiri dari tembaga dan nikel. Terjadinya larutan padat adalah melalui peleburan/pencairan. Contohnya tembaga kita cairkan dan nikel juga dicairkan kemudian keduanya dicampurkan dengan perbandingan sekehendak, maka keduanya akan saling melarutkan. Larutan yang perbandingannya dapat sembarangan dan saling melarutkan dengan sempurna diberi nama “Larutan padat tanpa batas”. Ada juga yang larut padat terbatas seperti halnya karbon, tembaga pada besi akan larut hanya sebagian kecil. Lebih besar dari itu sudah bukan larutan padat lagi tapi akan membentuk fasa lain.

5).  PaduanBila dua unsur logam atau lebih dilarutkan secara bersama-sama akan membentuk :-         Larutan Padat-         Senyawa kimia-         CampuranSehingga terbentuk logam lain yang sifatnya lebih unggul dan menguntungkan, maka hasilnya disebut paduan. Pada paduan ada logam induk yang jadi dasarnya yang kadarnya paling besar sedang yang dibubuhkan adalah logam pemadu. Paduan yang berbentuk paduan padat selalu terdiri atas logam paduan dan logam pelarutnya yang disebut logam induk.

6).  Butiran logam dan kristalbila jumlah atom yang sangat banyak bergabung jadi satu, maka akan membentuk butiran logam yang dapat kita lihat dengan jelas di bawah mikroskop. Butiran ini disebut juga kristal. Atom-atom dalam kristal akan tersusun dengan siistem yang sangat teratur dan ada beberapa susunan tertentu.

Iklan