Diagram Fasa Besi-Karbon: Panduan Sederhana Anda

Pernahkah Anda bertanya-tanya bagaimana baja mendapatkan kekuatannya? Atau mengapa besi tuang bisa patah saat Anda menjatuhkannya? Jawabannya ada di dalam diagram fase besi-karbon. Bagan ini mungkin terlihat rumit pada awalnya, tetapi bagan ini seperti peta yang membantu para insinyur membuat logam dengan sifat yang tepat.

Daftar Isi

Apa yang dimaksud dengan Diagram Fasa Besi-Karbon?

Sebuah diagram fase besi-karbon adalah bagan yang menunjukkan bagaimana besi dan karbon bercampur pada suhu yang berbeda. Anggap saja ini sebagai buku resep yang memberi tahu Anda apa yang terjadi ketika Anda memanaskan atau mendinginkan baja dan besi tuang.

Diagram ini membantu memprediksi apa yang struktur mikro akan terbentuk dalam logam Anda. Struktur kecil ini menentukan apakah logam Anda akan menjadi keras, lunak, rapuh, atau tangguh.

Komponen Inti dari Diagram

Sumbu & Variabel

Diagram besi-karbon memiliki dua bagian utama:

Sumbu X: Menunjukkan kandungan karbon dari 0% hingga 6,67%
Sumbu Y: Menunjukkan suhu dari 0°C hingga 1600°C

Fase-fase Utama

Diagram menunjukkan beberapa hal penting fase atau bentuk yang dapat diambil oleh campuran besi-karbon:

Fase	Struktur	Properti	Kandungan Karbon
Austenit (γ-Fe)	Kubik yang berpusat pada wajah	Lembut, ulet	Hingga 2,1% pada suhu 1147°C
Ferit (α-Fe)	Kubik yang berpusat pada tubuh	Lembut, magnetis	Hingga 0,02% pada suhu kamar
Cementite (Fe₃C)	Ortorombik	Keras, rapuh	6.67% karbon

Titik/Garis Kritis

Diagram ini memiliki beberapa bagian poin-poin penting di mana perubahan besar terjadi:

Titik eutektoid: Pada suhu 727°C dan karbon 0,8%, di mana austenit padat berubah menjadi campuran ferit dan sementit (disebut perlit)
Titik eutektik: Pada suhu 1147°C dan karbon 4,3%
Titik perancang: Pada suhu 1495°C dan karbon 0,17%

Struktur mikro baja yang menunjukkan ferit, sementit, dan perlit

Cara Kerja Diagram

Transformasi Fase

Mari kita ikuti apa yang terjadi ketika baja mendingin dari suhu tinggi:

Logam cair mulai membentuk kristal padat pada suhu sekitar 1500°C
Austenit terbentuk sebagai padatan pertama
Saat pendinginan berlanjut hingga 727 ° C, austenit harus berubah

Apa yang terjadi selanjutnya tergantung pada seberapa banyak karbon yang ada di dalam campuran:

Baja hipoeutektoid (kurang dari 0,8% karbon): Beberapa ferit terbentuk terlebih dahulu, kemudian austenit yang tersisa berubah menjadi perlit pada suhu 727°C
Baja hipereutektoid (lebih dari 0,8% karbon): Beberapa sementit terbentuk terlebih dahulu, kemudian austenit yang tersisa berubah menjadi perlit

Jika Anda mendinginkan dengan sangat cepat melalui proses yang disebut pendinginan, Anda dapat membentuk martensit sebaliknya - struktur yang sangat keras.

Peran Karbon

Karbon ibarat tamu di rumah besi. Karbon hanya bisa masuk ke tempat-tempat tertentu dalam kristal besi:

Dalam austenit, karbon dengan mudah masuk di antara atom-atom besi
Dalam feritruang yang tersedia lebih sedikit, sehingga karbon tidak dapat masuk dengan baik
Ketika ada terlalu banyak karbon, maka akan terbentuk semenit (Fe₃C)

Ini terbatas kelarutan karbon dalam berbagai bentuk besi adalah alasan mengapa diagram fasa memiliki bentuk yang unik.

Aturan Tuas

The aturan tuas adalah alat bantu matematika yang membantu menghitung berapa banyak setiap fase yang ada pada titik mana pun pada diagram. Alat ini bekerja seperti neraca gergaji untuk menemukan persentase struktur yang berbeda.

Sebagai contoh, pada karbon 0,5% dan 700°C, Anda dapat menghitung bahwa logam tersebut akan memiliki sekitar 38% ferit dan 62% perlit.

Aplikasi Praktis

Desain Material

Para insinyur menggunakan diagram fasa untuk mendesain logam dengan sifat-sifat tertentu:

Baja karbon rendah (0,05-0,25% C): Sebagian besar ferit dengan sedikit perlit - bagus karena mudah dikerjakan
Baja karbon sedang (0,25-0,6% C): Lebih banyak perlit - lebih baik untuk mesin CNC baja bagian struktural
Baja karbon tinggi (0,6-1,0% C): Banyak perlit dengan sedikit sementit - bagus untuk alat potong
Besi tuang (2.1-4.3% C): Mengandung sementit atau grafit dalam jumlah besar - baik untuk blok mesin

Perlakuan Panas

Panduan diagram fase perlakuan panas proses untuk mengubah sifat logam:

Anil: Pendinginan lambat untuk membuat logam menjadi lembut dan mudah dibentuk
Normalisasi: Pendinginan udara untuk mendapatkan sifat yang seimbang
Pendinginan: Pendinginan cepat untuk membuat baja yang sangat keras
Tempering: Memanaskan kembali baja yang telah dipadamkan untuk mengurangi kerapuhan

Sebagai contoh, pembuat pisau mungkin memanaskan baja hingga 850°C untuk membentuk austenit, kemudian dengan cepat memadamkannya untuk membentuk martensit yang keras, dan akhirnya melunakkannya pada suhu 200°C untuk menambah ketangguhan sekaligus mempertahankan sebagian besar kekerasannya.

Contoh Industri

Diagram ini memandu banyak proses industri:

Blok mesin mobil yang terbuat dari besi cor dengan grafit yang dikontrol dengan cermat
Rel kereta api yang harus keras di permukaan tetapi tangguh di dalam
Pegas yang membutuhkan keseimbangan yang tepat antara kekuatan dan fleksibilitas
Alat bedah yang harus memiliki ujung yang tajam

Sebagian besar Besi CNC bagian bergantung pada sifat-sifat yang diprediksi oleh diagram fasa besi-karbon.

Keterbatasan & Kesalahan Penafsiran yang Umum

Meskipun sangat berguna, diagram besi-karbon memiliki beberapa batasan:

Ini mengasumsikan kondisi keseimbangan (pendinginan yang sangat lambat), tetapi sebagian besar proses nyata terjadi lebih cepat
Ini tidak menunjukkan apa yang terjadi selama pendinginan cepat (untuk itu, Anda memerlukan diagram TTT)
Ini hanya menunjukkan besi dan karbon - baja asli mengandung elemen lain seperti mangan dan kromium
Ini tidak memprediksi bagaimana grafit terbentuk dari besi cor kelabu, bukan sementit

Untuk suku cadang presisi yang dibuat melalui Baja penggilingan CNCpara insinyur perlu mempertimbangkan keterbatasan ini ketika merencanakan cara pengerjaan mesin dan perlakuan panas pada komponen.

Pertanyaan Umum

Apa pentingnya titik eutektoid?

The titik eutektoid (0.8% C, 727°C) adalah di mana austenit secara langsung bertransformasi menjadi perlit (campuran ferit dan sementit). Hal ini penting karena baja dengan kandungan karbon ini (baja eutektoid) membentuk perlit 100% ketika didinginkan secara perlahan, memberikan keseimbangan yang baik antara kekerasan dan kekuatan.

Bagaimana kandungan karbon mempengaruhi sifat baja?

Lebih banyak karbon secara umum berarti lebih banyak:
Kekerasan yang lebih tinggi
Kekuatan yang lebih tinggi
Keuletan yang lebih rendah
Kemampuan las yang lebih rendah
Inilah sebabnya mengapa baja karbon tinggi digunakan untuk alat pemotong, sedangkan baja karbon rendah digunakan untuk bodi mobil.

Mengapa sementit rapuh?

Cementite (Fe₃C) bersifat rapuh karena memiliki struktur kristal yang kompleks dengan ikatan yang kuat dan terarah. Ikatan ini tidak memungkinkan atom-atom meluncur melewati satu sama lain dengan mudah ketika gaya diterapkan, jadi alih-alih membengkokkan, sementit malah patah.

Kesimpulan

The diagram fase besi-karbon adalah alat yang ampuh untuk membantu para insinyur memprediksi dan mengontrol sifat baja dan besi tuang. Dengan memahami bagaimana karbon berinteraksi dengan besi pada suhu yang berbeda, kita dapat membuat logam dengan campuran kekuatan, kekerasan, dan ketangguhan yang tepat untuk pekerjaan tertentu.

Baik Anda membuat instrumen bedah yang membutuhkan ujung yang tajam atau suku cadang mobil yang perlu menyerap energi tumbukan, diagram besi-karbon memandu pemilihan dan pemrosesan material. Untuk perusahaan yang menyediakan pemesinan CNC presisi layanan, memahami diagram ini sangat penting untuk menghasilkan komponen logam berkualitas tinggi.

Meskipun diagram ini memiliki keterbatasan - diagram ini mengasumsikan pendinginan yang lambat dan hanya mempertimbangkan besi dan karbon - diagram ini memberikan dasar untuk memahami sistem paduan yang lebih kompleks dan proses perlakuan panas seperti diagram TTT (Time-Temperature-Transformation).

Lain kali Anda mengambil perkakas baja atau mengendarai mobil, ingatlah bahwa sifat-sifatnya direkayasa dengan hati-hati menggunakan pengetahuan yang terkandung dalam diagram fasa besi-karbon.