Sifat – Sifat Material
Secara
garis besar material mempunyai sifat-sifat yang mencirikannya, pada bidang
teknik mesin umumnya sifat tersebut dibagi menjadi tiga sifat. Sifat –sifat itu
akan mendasari dalam pemilihan material, sifat tersebut adalah:
·
Sifat mekanik
·
Sifat fisik
·
Sifat teknologi
Dibawah
ini akan dijelaskan secara terperinci tentang sifat-sifat material tersebut
1.
Sifat Mekanik
Sifat
mekanik material, merupakan salah satu faktor terpenting yang mendasari
pemilihan bahan dalam suatu perancangan. Sifat mekanik dapat diartikan sebagai
respon atau perilaku material terhadap pembebanan yang diberikan, dapat berupa gaya, torsi atau gabungan
keduanya. Dalam prakteknya pembebanan pada material terbagi dua yaitu beban
statik dan beban dinamik. Perbedaan antara keduanya hanya pada fungsi waktu
dimana beban statik tidak dipengaruhi oleh fungsi waktu sedangkan beban dinamik
dipengaruhi oleh fungsi waktu.
Untuk mendapatkan sifat mekanik material,
biasanya dilakukan pengujian mekanik. Pengujian mekanik pada dasarnya bersifat
merusak (destructive test), dari
pengujian tersebut akan dihasilkan kurva atau data yang mencirikan keadaan dari
material tersebut.
Setiap material yang diuji dibuat dalam
bentuk sampel kecil atau spesimen. Spesimen pengujian dapat mewakili seluruh
material apabila berasal dari jenis, komposisi dan perlakuan yang sama.
Pengujian yang tepat hanya didapatkan
pada material uji yang memenuhi aspek ketepatan pengukuran, kemampuan mesin,
kualitas atau jumlah cacat pada material
dan ketelitian dalam membuat spesimen. Sifat mekanik tersebut meliputi
antara lain: kekuatan tarik, ketangguhan, kelenturan, keuletan, kekerasan,
ketahanan aus, kekuatan impak, kekuatan mulur, kekeuatan leleh dan sebagainya.
Sifar-sifat mekanik material yang perlu
diperhatikan:
· Tegangan yaitu gaya diserap oleh material
selama berdeformasi persatuan luas.
· Regangan yaitu besar deformasi persatuan
luas.
· Modulus elastisitas yang menunjukkan
ukuran kekuatan material.
· Kekuatan yaitu besarnya tegangan untuk
mendeformasi material atau kemampuan material untuk menahan deformasi.
· Kekuatan luluh yaitu besarnya tegangan
yang dibutuhkan untuk mendeformasi plastis.
· Kekuatan tarik adalah kekuatan maksimum
yang berdasarkan pada ukuran mula.
· Keuletan yaitu besar deformasi plastis
sampai terjadi patah.
·
Ketangguhan yaitu besar energi yang diperlukan
sampai terjadi perpatahan.
· Kekerasan yaitu kemampuan material menahan
deformasi plastis lokal akibat penetrasi pada permukaan.
2. Sifat Fisik
Sifat penting yang kedua dalam pemilihan
material adalah sifat fisik. Sifat fisik adalah kelakuan atau sifat-sifat
material yang bukan disebabkan oleh pembebanan seperti pengaruh pemanasan,
pendinginan dan pengaruh arus listrik yang lebih mengarah pada struktur
material. Sifat fisik
material antara lain : temperatur cair, konduktivitas panas dan panas spesifik.
Struktur material sangat erat hubungannya
dengan sifat mekanik. Sifat mekanik dapat diatur dengan serangkaian proses
perlakukan fisik. Dengan adanya perlakuan fisik akan membawa penyempurnaan dan
pengembangan material bahkan penemuan material baru.
3. Sifat Teknologi
Selanjutnya sifat yang sangat berperan dalam pemilihan material adalah
sifat teknologi yaitu kemampuan material untuk dibentuk atau diproses. Produk
dengan kekuatan tinggi dapat dibuat dibuat dengan proses pembentukan, misalnya
dengan pengerolan atau penempaan. Produk
dengan bentuk yang rumit dapat dibuat dengan proses pengecoran. Sifat-sifat
teknologi diantaranya sifat mampu las, sifat mampu cor, sifat mampu mesin dan
sifat mampu bentuk. Sifat material terdiri dari sifat mekanik yang merupakan
sifat material terhadap pengaruh yang berasal dari luar serta sifat-sifat fisik
yang ditentukan oleh komposisi yang dikandung oleh material itu sendiri.
Struktur
Kristal
Memahami
struktur dari kristal sangat penting dalam mengkarakterisasi suatu material
yang memiliki sifat teratur (ordered material). Banyak material baru yang
dikembangkan memakai istilah dan definisi yang sering dipakai dalam
kristalografi ketika mendiskripsikan sifat – sifatnya. Salah satu alat yang
memakai konsep dasar kristalografi dalam mengkarakterisasi suatu bahan adalah
XRD (X-ray diffraction). Sehingga untuk menginterpretasi hasil analisa dari alat
tersebut memerlukan pengetahuan dasar mengenai kristalografi.
Definisi
dari kristal adalah bahan yang terdiri dari unit terstruktur yang identik,
tersusun dari satu atau lebih atom yang teratur dan berulang secara periodik
dalam tiga dimensi. Keteraturan ini berlanjut sampai ratusan molekul. Bangunan
terkecil dari kristal disebut basis kemudian susunan yang periodik dideskripsikan
dengan latis.
Untuk
mendeskripsikan sebuah kristal akan lebih mudah jika kita fokus pada latis
bukan pada basisnya. Latis adalah susunan tiga dimensi dari titik (titik latis)
yang identik dengan sekelilingnya. Sebuah unit sel adalah bagian terkecil dari
latis. Seluruh bangunan latis dapat disusun dengan mengulang sebuah unit sel
tanpa ada ruang kosong diantaranya. Sebuah unit sel dideskripsikan dengan tiga
independen unit vektor yaitu a, b dan c.
Cacat Kristal
Cacat
dapat terjadi karena adanya solidifikasi (pendinginan) ataupun akibat dari
luar. Cacat tersebut dapat berupa :
1. Cacat Titik (Point Defect)
cacat titik
dapat dibagi menjagi dua jenis yaitu
1. cacat frenkel
(frenkel defects)
2. cacat
schottky (schottky defects)
keduanya sering
terjadi pada kristal ion. Cacat frenkel(frenkel defects) terjadi karena letak
ion yang salah(misplacements of ions) dan kekosongan(vacancies). susunan ini
stabil di seluruh kristal meskipun terjadi interstitial atau kelebihan ion dan
kekosongan . di satu sisi ,ketika hanya kekosongan dari cation dan anion ada
tanpa terjadi interstitial atau ion yang salah tempat,cacat ini disebut
cacat schottky.
cacat
titik sering terjadi pada kristal dengan jumlah anion yang besar seperti AgBr,
AgI, RbAgI4. karena adanya caacat ini ,ion ion mempunyai kebebasan untuk
bergerak dalam crystal ,membuatnya bagus sebagai konduktor yang baik.ini
disebut konduktor ionik,tak seperti logam dimana elektronlah yang bertanggung
jawab atas konduktivitas listriknya
2. Cacat Garis (Line Defects)
Yakni
Cacat yang menimbulkan distorsi pada lattice yang berpusat pada suatu garis.
Sering pula disebut dengan dislokasi. Secara umum ada 2 jenis dislokasi, yakni
: edge dislocation dan screw dislocation.
cacat
garis sering terjadi karena susunan ion yang salah atau kekosongan sepanjang
sebuah garis.cacat jenis ini sering disebut dislokasi.ada beberapa macam
dislokasi yaitu dislokasi sisi(edge dislocation) dan dislokasi ulir(screw
dislocation). dislokasi sisi(edge dislocation) terjadi ketika segaris ion
hilang yang mempengaruhi susunan ion. dilokasi sisi berpengaruh kepada
ductility(mudah dibentuk) dan malleability (mudah ditempa).pada kenyataannya
pemukulan(hammering) dan penarikan material sering menjadi penyebab dislokasi
sisi .pergerakan dari dislokasi ini menaikkan sifat plastisnya .dislokasi garis
tidah berhenti didalam kristal tetapi membentuk loop atau berakhir pada
permukaan salah satu sisi kristal
sebuah
dislokasi dikarakteristikan oleh vektor burgers nya.secara sederhana,vektor
burgers diartikan sebagai selisih antara atom awal dan atom akhirnya pada
sebuah loop. pada mikroskop elektron dari permukaan kristal ,terliaht point
defect dan vektor burger berada disekeliling dislokasi sisi. garis dislokasi
berada di dalam kristal dan berakhir pada permukaannya dan vektor burger hampir
tegak lurus dengan garis dislokasi seperti terlihat pada gambar.
jika
salah susunnya menggeser aebuah blok ion kebawah atau keatas yang menyebabkan
formasi seperti ulir,inilah yang disebut dislokasi ulir. cacat garis melemahkan
struktur sepanjang ruangan satu dimensi dan tipe cacat dan efek rapatannya
mempengaruhi sifat mekanisnya dari suatu solid. oleh karena itu pelajaran
tentang dislokasi sangat penting untuk struktur material seperti logam.
3. Cacat Bidang (Surface Defect)
Ialah batasan antara 2 buah dimensi dan umumnya
memisahkan daerah dari material yang mempunyai struktur kristal berbeda dan
atau arah kristalnya berbeda, misalnya : Batas Butir (karena bagian batas butir
inilah yang membeku paling akhir dan mempunyai orientasi serta arah atom yang
tidak sama. Semakin banyak batas butir maka akan semakin besar peluang
menghentikan dislokasi. Kemudian contoh yang berikutnya adalah Twin
(Batas butir tapi special, maksudnya : antara butiran satu dengan butiran
lainnya merupakan cerminan).
cacat bidang
cacat bidang
cacat
bidang terjadi sepanjang permukaan 2 dimensi. permukaan dari kristal adalah
cacat yang nyata ,karena atom atom permukaan berbeda dari yang lain
disekitarnya . ketika sebuah solid digunakan sebagai katalis ,aktifitas katalis
sangat tergantung pada area permukaan per unit massa dari sampel.untuk material
bertepung ,metodenya telah dikembangkan untuk menentukan area per massa
cacat
permukaan yang lain adalah sepanjang batas butir (grain boundaries)sebuah butir
adalah sebuah kristal tunggal. jika banyak butir terbentuk ketika sebuah sample
mulai mengkristal ,masing butir tumbuh sampai mereka menemukan batanya . sifat
sepanjang batas ini berbeda dengan butirnya .
Perlakuan Panas
Proses
laku-panas adalah kombinasi dari operasi pemanasan dan pendinginan dengan
kecepatan tertentu yang dilakukan terhadap logam atau paduan dalam keadaan
padat, sebagai suatu upaya untuk memperoleh sifat-sifat tertentu. Proses
laku-panas pada dasarnya terdiri dari beberapa tahapan, dimulai dengan
pemanasan sampai ke temperatur tertentu, lalu diikuti dengan penahanan selama
beberapa saat, baru kemudian dilakukan pendinginan dengan kecepatan tertentu.
Secara
umum perlakukan panas (Heat treatment)
diklasifikasikan dalam 2 jenis :
1. Near Equilibrium (Mendekati
Kesetimbangan)
Tujuan dari
perlakuan panas Near Equilibrium
adalah untuk :
a. Melunakkan struktur kristal
b. Menghaluskan butir
c. Menghilangkan tegangan dalam
d. Memperbaiki machineability.
Jenis dari
perlakukan panas Near Equibrium,
misalnya :
a.
Full Annealing
(annealing)
b.
Stress relief
Annealing
c.
Process
annealing
d.
Spheroidizing
e.
Normalizing
f.
Homogenizing.
2. Non Equilirium (Tidak setimbang)
Tujuan panas Non Equilibrium adalah untuk
mendapatkan kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi.
Jenis dari
perlakukan panas Non Equibrium,
misalnya :
a.
Hardening
b.
Martempering
c.
Austempering
d.
Surface
Hardening (Carburizing, Nitriding, Cyaniding, Flame hardening, Induction
hardening)
Pada proses pembuatannya, komposisi kimia yang
dibutuhkan diperoleh ketika baja dalam bentuk fasa cair pada suhu yang tinggi. Pada saat proses
pendinginan dari suhu lelehnya, baja mulai berubah menjadi fasa padat pada suhu
13500, pada fasa ini lah berlangsung perubahan struktur mikro. Perubahan
struktur mikro dapat juga dilakukan dengan jalan heat treatment.
Bila
proses pendinginan dilakukan secara perlahan, maka akan dapat dicapai tiap
jenis struktur mikro yang seimbang sesuai dengan komposisi kimia dan suhu baja.
Dari
diagram diatas dapat kita lihat bahwa pada proses pendinginan perubahan
perubahan pada struktur kristal dan struktur mikro sangat bergantung pada
komposisi kimia.
Annealing
Annealing
ialah suatu proses laku panas (heat
treatment) yang sering dilakukan terhadap logam atau paduan dalam proses
pembuatan suatu produk. Tahapan dari proses Anneling ini dimulai dengan
memanaskan logam (paduan) sampai temperature tertentu, menahan pada temperature
tertentu tadi selama beberapa waktu tertentu agar tercapai perubahan yang
diinginkan lalu mendinginkan logam atau paduan tadi dengan laju pendinginan
yang cukup lambat. Jenis Anneling itu beraneka ragam, tergantung pada jenis
atau kondisi benda kerja, temperature pemanasan, lamanya waktu penahanan, laju
pendinginan (cooling rate), dll.
1.
Full Annealing (Annealing)
Merupakan proses
perlakuan panas untuk menghasilkan perlite yang kasar (coarse pearlite) tetapi
lunak dengan pemanasan sampai austenitisasi dan didinginkan dengan dapur, memperbaiki
ukuran butir serta dalam beberapa hal juga memperbaiki machinibility.
Pada proses full
annealing ini biasanya dilakukan dengan memanaskan logam sampai keatas
temperature kritis (untuk baja hypoeutectoid , 25 Derajat hingga 50 Derajat
Celcius diatas garis A3 sedang untuk baja hypereutectoid 25 Derajat hingga 50
Derajat Celcius diatas garis A1). Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan yang
cukup lambat (biasanya dengan dapur atau dalam bahan yang mempunyai sifat
penyekat panas yang baik).
Perlu diketahui bahwa
selama pemanasan dibawah temperature kritis garis A1 maka belum terjadi
perubahan struktur mikro. Perubahan baru mulai terjadi bila temperature
pemanasan mencapai garis atau temperature A1 (butir-butir Kristal pearlite
bertransformasi menjadi austenite yang halus). Pada baja hypoeutectoid bila
pemanasan dilanjutkan ke temperature yang lebih tinggi maka butir kristalnya
mulai bertransformasi menjadi sejumlah Kristal austenite yang halus, sedang
butir Kristal austenite yang sudah ada (yang berasal dari pearlite) hampir
tidak tumbuh. Perubahan ini selesai setelah menyentuh garis A3 (temperature
kritis A3). Pada temperature ini butir kristal austenite masih halus sekali dan
tidak homogen. Dengan menaikan temperature sedikit diatas temperature kritis A3
(garis A3) dan memberI waktu penahanan (holding
time) seperlunya maka akan diperoleh austenite yang lebih homogen dengan
butiran kristal yang juga masih halus sehingga bila nantinya didinginkan dengan
lambat akan menghasilkan butir-butir Kristal ferrite dan pearlite yang halus.
Baja yang dalam proses
pengerjaannya mengalami pemanasan sampai temperature yang terlalu tinggi
ataupun waktu tahan (holding time)
terlalu lama biasanya butiran kristal austenitenya akan terlalu kasar dan bila
didinginkan dengan lambat akan menghasilkan ferrit atau pearlite yang kasar
sehingga sifat mekaniknya juga kurang baik (akan lebih getas). Untuk baja hypereutectoid, annealing merupakan persiapan untuk
proses selanjutnya dan tidak merupakan proses akhir.
2.
Normalizing
Merupakan proses
perlakuan panas yang menghasilkan perlite halus, pendinginannya dengan
menggunakan media udara, lebih keras dan kuat dari hasil anneal.
Secara teknis prosesnya
hampir sama dengan annealing, yakni biasanya dilakukan dengan memanaskan logam
sampai keatas temperature kritis (untuk baja hypoeutectoid , 50 Derajat Celcius
diatas garis A3 sedang untuk baja hypereutectoid 50 Derajat Celcius diatas
garis Acm). Kemudian dilanjutkan dengan pendinginan pada udara. Pendinginan ini
lebih cepat daripada pendinginan pada annealing.
3.
Spheroidizing
Merupakan process
perlakuan panas untuk menghasilkan struktur carbida berbentuk bulat (spheroid)
pada matriks ferrite. Pada
proses Spheroidizing ini akan
memperbaiki machinibility pada
baja paduan kadar Carbon tinggi. Secara sederhana dapat dijelaskan sebagai
berikut : bahwa baja hypereutectoid
yang dianneal itu mempunyai struktur yang terdiri dari pearlite yang terbungkus
oleh jaringan cemented. Adanya jaringan cemented
(cemented network) ini meyebabkan baja (hypereutectoid)
ini mempunyai machinibility rendah. Untuk memperbaikinya maka cemented network tersebut harus
dihancurkan dengan proses spheroidizing.
Spheroidizing ini
dilaksanakan dengan melakukan pemanasan sampai disekitar temperature kritis A1
bawah atau sedikit dibawahnya dan dibiarkan pada temperature tersebut dalam
waktu yang lama (sekitar 24 jam) baru kemudian didinginkan. Karena berada pada
temperature yang tinggi dalam waktu yang lama maka cemented yang tadinya
berbentuk plat atau lempengan itu akan hancur menjadi bola-bola kecil (sphere) yang disebut dengan spheroidite yang tersebar dalam
matriks ferrite.
4.
Process Annealing
Merupakan proses
perlakuan panas yang ditujukan untuk melunakkan dan menaikkan kembali keuletan
benda kerja agar dapat dideformasi lebih lanjut. Pada dasarnya proses Annealing dan Stress relief Annealing itu mempunyai kesamaan yakni bahwa kedua
proses tersebut dilakukan masih dibawah garis A1 (temperature kritis A1)
sehingga pada dasarnya yang terjadi hanyalah rekristalisasi saja.
5.
Stress Relief Annealing
Merupakan process
perlakuan panas untuk menghilangkan tegangan sisa akibat proses sebelumnya.
Perlu diingat bahwa baja dengan kandungan karbon dibawah 0,3% C itu tidak bisa
dikeraskan dengan membuat struktur mikronya berupa martensite. Nah, bagaimana
caranya agar kekerasannya meningkat tetapi struktur mikronya tidak martensite?
Ya, dapat dilakukan dengan pengerjaan dingin (cold working) tetapi perlu diingat bahwa efek dari cold working ini akan timbu yang
namanya tegangan dalam atau tegangan sisa dan untuk menghilangkan tegangan sisa
ini perlu dilakukan proses Stress
relief Annealing.
Heat Treatment dengan pendinginan
A. Heat
Treatment Dengan Pendinginan Tak Menerus
Jika suatu baja
didinginkan dari suhu yang lebih tinggi dan kemudian ditahan pada suhu yang lebih rendah selama waktu tertentu, maka
akan menghasilkan struktur mikro yang berbeda. Hal ini dapat dilihat pada
diagram: Isothermal Tranformation
Diagram.
B. Head
Treatment Dengan Pendinginan Menerus
Dalam prakteknya
proses pendinginan pada pembuatan material baja dilakukan secara menerus mulai dari suhu yang
lebih tinggi sampai dengan suhu rendah.
Dalam prakteknya
ada 3 heat treatment dalam pembuatan baja:
·
Pelunakan
(Annealing) : pemanasan produk setengah jadi pada suhu 850 - 9500
C dalam waktu yang tertentu, lalu didinginkan secara perlahan (seperti garis-a
diagram diatas). Proses ini berlangsung didapur (furnace). Butiran yang
dihasilkan umumnya besar/kasar.
·
Normalizing : pemanasan produk setengah jadi pada suhu 875 9800C disusul dengan
pendinginan udara terbuka (seperti garis-b diagram diatas). Butiran yang
dihasilkan umumnya berlangsung bersamaan dengan pelaksanaan penggilingan kondisi panas (rolling).
·
Quenching : system pendinginan produk baja secara cepat dengan cara penyemprotan air
pada pencelupan serta perendaman produk yang masih panas kedalam media air atau
oli. Sistem pendinginan ini seperti garis-c diagram diatas.
Selain
dari ketiga system heat treatment diatas ada juga heat treatment tahap kedua
pada rentang suhu dibawah austenit yang dinamakan Tempering. Pemanasan ulang produk baja ini biasa dilakukan untuk
produk yang sebelumnya di quenching. Setelah di temper, maka diharapkan produk
tersebut akan lebih ulet dan liat.
Klasifikasi Logam dan Paduannya
Logam
dan paduannya adalah salah satu matrial teknik yang porsinya paling banyak
diperlukan dalam kegunaan Teknik. Jika diperhatikan komponen mesin, maka
sebagian besar sekitar 80% dan bahkan lebih terbuat dari logam. Selebihnya
digunakan material non logam seperti keramik, glass, polimer dan bahkan
material maju seperti komposit. Material Logam dikelompokan menjadi dua yaitu :
1. Logam Besi (Ferrous)
Logam adalah unsur kimia yang mempunyai
sifat-sifat kuat, keras, penghantar listrik dan panas, serta mempunyai titik
cair tinggi. Bijih logam ditemukan dengan cara penambangan yang terdapat dalam
keadaan murni atau bercampur.
2. Logam Non Besi (Non
Ferrous)
Logam
non besi merupakan semua unsur logam yang komposisi utamanya bukan besi. Logam
non besi juga sering digunakan walaupun pada umumnya jarang sekali di industri.
Itu karena Logam besi lebih banyak dipakai semua industri.
Logam Besi
(Ferrous) juga terdiri menjadi dua yaitu;
A. Baja (Steel)
Baja
paduan adalah baja paduan dengan berbagai elemen dalam jumlah total antara 1,0%
dan 50% berat untuk meningkatkan sifat mekanik. Baja Paduan dipecah menjadi dua
kelompok:
1). Baja Paduan Rendah (Low Alloy Steel)
Baja paduan rendah biasanya digunakan untuk
mencapai hardenability lebih baik, yang pada gilirannya akan meningkatkan sifat
mekanis lainnya. Mereka juga digunakan untuk meningkatkan ketahanan korosi
dalam kondisi lingkungan tertentu. Dengan menengah ke tingkat karbon tinggi,
baja paduan rendah sulit untuk las. Menurunkan kandungan karbon pada kisaran
0,10% menjadi 0,30%, bersama dengan beberapa pengurangan elemen paduan,
meningkatkan weldability dan sifat mampu bentuk baja dengan tetap menjaga
kekuatannya. Seperti logam digolongkan sebagai baja paduan rendah kekuatan
tinggi.
Baja paduan rendah dikelompokan menjadi 3 yaitu:
a). Baja Karbon Rendah (Low Carbon Steel)
Baja
ini dengan komposisi karbon kurang dari 2%. Fasa dan struktur mikronya adalah
ferrit dan perlit. Baja ini tidak bisa dikeraskan dengan cara perlakuan panas
(martensit) hanya bisa dengan pengerjaan dingin. Sifat mekaniknya lunak, lemah
dan memiliki keuletan dan ketangguhan yang baik. Serta mampu mesin
(machinability) dan mampu las nya (weldability) baik.
b). Baja Karbon Sedang
( Medium Carbon Steel)
Baja Mil memiliki komposisi karbon antara
0,2%-0,5% C (berat). Dapat dikeraskan dengan perlakuan panas dengan cara
memanaskan hingga fasa austenit dan setelah ditahan beberapa saat didinginkan
dengan cepat ke dalam air atau sering disebut quenching untuk memperoleh fasa
ang keras yaitu martensit. Baja ini terdiri dari baja karbon sedang biasa
(plain) dan baja mampu keras. Kandungan karbon yang relatif tinggi itu dapat
meningkatkan kekerasannya. Namun tidak cocok untuk di las, dengan kata lain
mampu las nya rendah. Dengan penambahan unsur lain seperti Cr, Ni, dan Mo lebih
meningkatkan mampu kerasnya. Baja ini lebih kuat dari baja karbon rendah dan
cocok untuk komponen mesin, roda kereta api, roda gigi (gear), poros engkol
(crankshaft) serta komponen struktur yang memerlukan kekuatan tinggi, ketahanan
aus, dan tangguh.
c). Baja Karbon Tinggi
(High Carbon Steel)
Baja karbon tinggi memiliki komposisi antara
0,6- 1,4% C (berat). Kekerasan dan kekuatannya sangat tinggi, namun keuletannya
kurang. baja ini cocok untuk baja perkakas, dies (cetakan), pegas, kawat
kekuatan tinggi dan alat potong yang dapat dikeraskan dan ditemper dengan baik.
Baja ini terdiri dari baja karbon tinggi biasa dan baja perkakas. Khusus untuk
baja perkakas biasanya mengandung Cr, V, W, dan Mo. Dalam pemaduannya
unsur-unsur tersebut bersenyawa dengan karbon menjadi senyawa yang sangat keras
sehingga ketahanan aus sangat baik.
2). Baja Paduan Tinggi
(High Alloy Steel)
Baja
paduan tinggi terdiri dari baja tahan karat atau disebut dengan stainless steel
dan baja tahan panas.
Baja ini memiliki ketahanan korosi yang baik,
terutama pada kondisi atmosfer. Unsur utama yang meningkatkan korosi adalah Cr
dengan komposisi paling sedikit 11%(berat). Ketahanan korosi dapat juga
ditingkatkan dengan penambahan unsur Ni dan Mo. Baja tahan karat dibagi menjadi
tiga kelas utama yaitu jenis martensitik, feritik, dan austenitik. jenis
martensitik dapat dikeraskan dengan menghasilkan fasa martensit. baja tahan
karat austenitik memiliki fasa y (austenit) FCC baik pada temperatur tinggi
hingga temperatur kamar. Sedangkan jenis feritik terdiri dari fasa ferrit (a)
BCC. Untuk jenis austenitik dan feritik dapat dikeraskan dengan pengerjaan
dingin (cold working). Jenis Feritik dan Martensitik bersifat magnetis
sedangkan jenis austenitik tidak magnetis.
B. Besi Cor (Cast Iron)
Besi cor adalah kelompok paduan besi
memiliki kadar karbon diatas 1,7%(berat). Biasanya berkisar antara 3-4,43%
C(berat). Dikarnakan elemen utamanya selain C dan Si juga ada elemen-elemen
pemadu lainnya seperti Mn, S, P, Mg dan lain-lain dalam jumlah yang sedikit.
Sifatnya sangat getas namun mampu cornya baik dibanding baja. Titik cairnya
lebih rendah, ketahanan korosinya lebih baik, hal ini dikarenakan adanya grafit
yang tersebar didalam besi cor. Berdasarkan jenis matriksnya besi cor terdiri
dari besi cor kelabu (gray cast iron), besi cor putih, besi cor noduler,
besticor mampu bentuk (malleable).
ANALISA
PENGARUH PERLAKUAN PANAS TERHADAP
KEKUATAN
SAMBUNGAN LAS BAJA KARBON TINGGI
Abstrak
Baja karbon adalah salah satu jenis meterial teknik
yang banyak digunakan dalam Industri dan Konstruksi Rancang bangun dewasa ini,
dikarenakan bahan ini memiliki sifat-sifat yang baik seperti sifat mekanik,
sifat mampulas, mampu dikeraskan dan pengelasan sebagai salah satu bagian
teknik manufaktur banyak digunakan dalam konstruksi rancang bangun untuk penyambungan
dan pemotongan logam dengan menggunakan Energi panas. Energi panas dalam
pengelasan dapat mencipatkan tiga daerah panas yaitu daerah las, daerah
pengaruh panas dan daerah logam Induk (tidak terpengaruh panas las).Pengaruh
masukan panas las mampu mengubah Microsttur bahan yang berdampak terhadap sifat
mekanik, hal ini terlihat pada penelitian dimana kekuatan tarik bajhan sebelum
di las adalah σu = 77,7 kg/mm2 dan lokasi putus berda pada tengah spesimen uji,
sesudah di las untuk kampun V adalah = 78, kg/mm2 dan kampuh X adalah σu = 80,1
kg/mm2 dengan arus 110 A. dan lokasi putus keduanya berada di daerah logam
Induk (bawah), ini membuktikan kekuatan las lebih besar dari kekuatan yang
dicapai dan pengelasan meningkatkan kekuatan bahan. Keuletan dan ketangguhan
bahan menurn pada kampuh X dari ε = 0,18 dan U = 0,111 kg/mm2 menjadi ε = 0,17
dan U = 0,111, sedang kampuh V tidak berubah. Perlakuan panas sebagai sarana
mengubah sifat mekanik bahan sesuai batas kemampuannya, mampu mengubah sifat mekanik
bahan yang telah dilas, yaitu untuk Quenching σu = 82 kg/mm2 pada kampuh V dan
σu = 87,5 kg/mm2kampuh X, sedang regangan adalah ε = 0,17 pada kampun dan ε = 0,155
pada X untuk ketangguhan mengalami penurunan, pada proses Normalizing juga memperlihatkan
peningkatan kekuatan V pada kampu X, tetapi lebih rendah dari peningkatan
kekuatan yang dicapai proses Quenching yaitu σu = 78,4 kg/mm2, tetapi pada kampuh
V terjadi penurunan σu = 69,7 kg/mm2 keuletan dan ketangguhan bahan terlihat menurun
pada bahan yang mengalami peningkatan kekuatan dan meningkat pada bahan yang
mengalami penurunan kekuatan.
Kata
kunci: baja
karbon, perlakuan panas , sambungan las
PENDAHULUAN
Pengelasan
merupakan salah satu bagian teknik manufaktur yang banyak digunakan dalam
bidang industri dan rancang bangun kontruksi bangunan dan mesin sebagai sarana
penyambungan logam. Lingkup penggunaan pengelasan ini sangat luas dan universal
meliputi perkapalan, jembatan, rangka baja kendaraan rel, konveyor sabuk dan
lain sebagainya. Hal ini menunjukkan bahwa pengelasan digunakan bukan hanya
untuk pembebananpembebanan statis tetapi juga ditujukan untuk pembebanan
dinamis, sifat mekanik pengelasan seperti kekuatan, ketangguhan, kekuatan lelah
dan lainnya, diharapkan mampu menerima pembebanan yang ada, agar dalam penggunaannya
tidak mengalami kegagalan dan kegagalan ini adalah akibat terjadinya retak,
patah ataupun patah ulet pada sambungan. Perlakuan yang diberikan bertujuan
untuk memperbaiki sifat mekanik pengelasan. Sebagai dampak pengelasan akibat
faktor termal, elektroda, arus dan lain sebagainya. Salah satu contoh akibat
termal, pada pengelasan terbentuk tiga daerah yaitu daerah logam induk, daerah
pengaruh panas dan daerah lasan, dimana ketiga daerah ini mempunyai perbedaan
sifat mekanik dan struktur mikro, dengan perlakuan diharapkan perbedaan dapat diminimalkan,
perlakuan yang diberikan adalah perlakuan panas, perlakuan panas adalah proses
pemanasan dan pendinginan logam untuk mengubah sifat mekanik logam sesuai batas
kemampuannya, dan perlakuan panas mempunyai banyak pilihan seperti mengeraskan
(Quenching), melunakkan (Annealing), Menormalkan (Normalizing) dan lain sebagainya.
Baja
Pembentukan
baja melalui proses pengecoran, penempaan dan lain-lain. Karbon merupakan salah
satu unsure penting dalam baja, karena dapat meningkatkan kekerasan dan
kekuatan baja. Tinggi rendahnya kadar karbon mempengaruhi tinggi rendahnya suhu
kritis (batas zona struktur logam).
Gambar 1. Diagram Besi – Karbida Besi
Bila
kadar karbon baja melampaui 0,20%, suhu dimana sifat ferrite mulai terbentuk
dan mengendap dari austenite turun. Baja yang berkarbon 0,80% disebut baja
autectoid dan struktur terdiri dari 100% pearlite. Titik eutectoid adalah suhu
terendah dalam logam dimana terjadi perubahan dalam keadaan larut padat dan merupakan
suhu keseimbangan terendah dimana austenite terurai menjadi ferrite dan
cementite. Bila kadar karbon baja lebih besar dari pada eutectoid, perlu
diamati garis pada diagram besi-karbida besi. Garis ini menyatakan suhu dimana
karbida besi mulai memisah dari austenite. Karbida besi ini dengan rumus Fe3C disebut
cementite. Cementite sangat keras dan rapuh. Baja yang mengandung kadar karbon
kurang dari eustectoid (0,80%) disebut baja hypoeutectoid dan baja yang
mengandung kadar karbon lebih dari eutectoid disebut baja hypereutectoid (B.H.
Amstead, 1991).
Pengelasan
Menurut
DIN (deutche Industrie Normen) adalah ikatan metalurgi pada sambungan logam
atau pun logam paduan yang terjadi dalam keadaan cair, sedangkan secara umum
las adalah proses penggabungan material secara metalurgi ataupun termis dengan
menggunakan energi panas yang berasal dari energi kimia, energy mekanik atau
energi listrik. Dalam pengelasan dibutuhkan energi panas yang tinggi yang mampu
melemahkan elektroda dan bagian logam yang akan disambung. Hal ini berdampak
terbentuknya daerah pengaruh panas pada pengelasan yaitu :
· Daerah logam las (weld metal)
· Daerah pengaruh panas (HAZ)
· Daerah logam induk (base metal)
Pengelasan Baja Karbon
Tinggi
Baja
karbon tinggi mengadung banyak karbon dan unsur lain yang dapat memperkeras
baja, hal ini mempengaruhi daerah HAZ pengelasan menjadi mudah keras, dibanding
baja karbon rendah, sifat mudah keras adanya hidrogen difusi selama pengelasan,
membuat baja ini sangat peka terhadap retak las karena getas. Kemungkinan
terjadinya retak las pada pengelasan baja karbon tinggi dapat dihindari dengan
pemanasan mula pada suhu yang sangat tergantung pada kadar karbon atau harga
ekuivalen karbon yaitu temperatur 2600C sampai 420oC,
untuk baja dengan kadar karbon antara 0,45 sampai 0,80. Selain itu sifat mudah
keras atau pengerasan dari daerah HAZ dapat dikurangi dengan pendinginan
lambat. Hubungan kekerasan maksimum dengan kadar karbon pada daerah HAZ
pengelasan baja karbon dapat dilihat
pada gambar berikut :
Gambar
2. Hubungan Kekerasan Maksimum dengan
kadar karbon
pada
daerah HAZ pengelasan baja karbon
METODE PENELITIAN
Gambar
3. Diagram alur penelitian
Bentuk spesimen uji seperti
terlihat di bawah ini:
Gambar
4. Spesimen uji impack
PEMBAHASAN
Pengujian Tarik
Bahan
uji yang dilas tanpa perlakuan panas, dengan kampuh V dan Arus 100 Amp kekuatannya hampir sama dengan
bahan yang tidak dilas yaitu 𝝈 u = 77,6 kg/mm2 dan 𝝈 = 0,18 sedang arus 110 Amp dengan kampuh yang sama yaitu 𝝈
u = 77,6 kg/mm2 dan 𝝈 = 0,18, dan arus 120 Amp dengan kampuh yang sama
kekuatannya sebesar 𝝈 u = 81 kg/mm2 dan 𝝈 = 0,17, hal ini menunjukkkan bahwa pengaruh pengelasan
dengan kampuh V terjadi peningkatan kekuatan pada Arus pengelasan 120 A dimana
peningkatan yang dicapai sebesar 0,024 atau 2,4 persen. Ini sangat kecil,
dimana pengaruh panas las tidak mengubah mikro struktur yang ada pada baja karbon
tinggi. Dengan kampuh X (Doubel V) pada arus pengelasan 100 Amp, 110 Amp, dan 120 Amp,
masingmasing kekuatannya 𝝈 u = 79,5 kg/mm2 dan 𝝈 = 80,1 dan 𝝈 u = 82, kg/mm2. Hal ini
menunjukkan peningkatan kekuatan dibanding bahan yang tidak dilas, dengan
peningatan masing-masing sebesar 0,5 persen, 1,2 persen dan 4,3 persen.
Peningkatan kekuatan relative kecil, sama dengan kampuh V, masukan panas las tidak
mengubah banyak mikro struktur bahan.
Pengujian Tumbuk (Impact
test)
Dari
hasil pengujian tumbuk (Impact) untuk specimen normal nilai ketangguhannya
0,111 joule/mm2 , dan specimen dilas dengan kampuh V dengan arus pengelasan 100
Amp, 110 Amp dan 120 Amp adalah masingmasing U = 0,119, 0,111 dan 0,102 joule/mm2 ,
hal ini memperlihatkan terjadinya peningkatan nilai ketangguhan bahan sebesar
16,7 persen pada pengelasan arus 100 Amp,
sedang pada 120 Amp terjadi penurunan
sebesar 8,8 persen, dan pengelasan 110 Amp
tidak ada peningkatan, selanjutnya specimen dilas dengan kampuh X,
peningkatan ketangguhan tidak terjadi untuk arus pengelasan 100 Amp dan untuk arus pengelasan 110 Amp dan 120 Amp terjadi penurunan mencapai 8,8 persen, hal ini dapat
dikatakan peningkatan ketangguhan untuk specimen dilas kampuh V ketangguhannya lebih
tinggi dibanding dilas kampuh X. Perlakuan panas dengan penidinginan air dari
spesimen yang dilas baik kampuh X mauppun V, menunjukkan penurunan ketangguhan
dari spesimen yang hanya dilas dimana untuk kampuh V memcapai U = 0,102 joule/mm2
pada Arus pengelasan 120 Amp dan
Kampuh X mencapai U = 0,098 joule/mm2, sedang spesmen yang hanya dilas tanpa
perlakukan panas pada Arus pengelasan yang sama 120 Amp hanya mencapai nilai ketangguhan yaitu untu spesimen dengan
Kampu X mencapai nilai U = 0,102 joule/mm2. Untuk spesimen yang di normalizing
setelah dilas menunjukkan nilai ketangguhan lebih tinggi dari bahan yang di
kuens dengan Air, dan juga menunjukkan peningkatan dari ketangguhan spesimen
normal untuk specimen dilas dengan Kampuh X. Sedang untuk spesimen dilas Kampuh
V ketangguhannya jauh lebih tinggi dari spesimen kampuh X, dimana ketangguhan
mencapai U = 0,145 joule/mm2 untuk 100 A, dan U = 0,139 joule/mm2. Untuk 110 Amp dan U = 0,145 joule/mm2 pada 120 Amp atau peningkatan ketangguhan
rata-rata 25,2 persen.
Kekuatan Lelah
Hasil
perhitungan kekuatan lelah secara empiris dari pengujian tarik dan pengujian
tumbuk. Menunjukkan peningkatan, dimana spesmen normal di dapat Sg = 35,6
kg/mm2. Sedang spesimen dilas Kampuh X tertinggi SG = 37,1 kg/mm2, dan dilas
Kampuh V tertinggi SG = 36,4 kg/mm2, hal menunjukkan peningkatan kekuatan lelah
pada spesimen dilas Kampuh X lebih dari spesimen dilas979-127
Tabel 1. Hubungan Sifat Mekanik Bahan Baja Karbon Tinggi
Tabel 2. Hasil perhitungan kelelahan pada pengujian impak
Tabel 3. Hasil perhitungan pengujian tarik
KESIMPULAN
Dari hasil perhitungan dan
Analisa data dalam penelitian ini, maka dapat disimpulkan sebagai berikut:
- Peningkatan sifat mekanik yaitu kekuatn tarik terjadi pada bahan yang dilas dengan Kampuh X dan tertinggi pada pengelasan Arus 120 Ampere yaitu mencapai 𝝈 u =82,5 kg/mm2 atau peningkatan sebesar 4,2 persen dari kekuatan bahan tanpa dilas yaitu 𝝈 u = 79,1 kg/mm2, sedang bahan yang dilas dan diperlakukan panaskan dengan pendinginan air kekuatannya 𝝈 u =87,5 kg/mm2. merupakan peningkatan tertinggi yang dicapai terjadi pada kampuh X, arus 120 Amper yaitu 12,8 persen dibanding kekuatan bahan tanpa perlakukan
- Kekuatan tumbuk bahan, peningkatan terjadi pada bahan dilas dengan Kampuh V dan tertinggi pada pengelasan dengan Arus 100 Ampere, yang mencapai U = 0,119 joule/mm2 atau peningkatan sebesar 7,2 persen dari harga Impak bahan tanpa dilas, sedang bahan dilas dan diperlaku panaskan dan di dinginkan dengan Air, mencapai nilai ketangguhan terendah pada kampuh X dan Arus pengelasan 120 Ampere yaitu U = 0,098 joule/mm2 atau penurunan sebesar 11,7 persen dari bahan tanpa perlakuan
- Peningkatan kekuatan lelah bahan terjadi pada bahan dilas dan diquench air dengan Kampuh X, dan tertinggi pada arus pengelasan 120 Ampere yaitu SG = 39,1 kg/mm2 dari hasil uji tarik, sedang dari hasil uji tumbuk peningkatan kekuatan retak pasa kampuh V dengan arus pengelasan 100 Ampere dan dinormalizing KIc = 75,0 kg/mm2
- Pengaruh Arus pengelasan terhadap peningkatan sifat mekanik baja karbon tinggi adalah makin tinggi Arus pengelasan, makin besar peningkatan kekuatan dan kegetasan yang terjadi, sebaliknya ketangguhan menurun.
KESIMPULAN
- Sifat material dapat digolongkan dalam tiga jenis yaitu Sifat mekanik, Sifat fisik, Sifat teknolog
- Logam dan paduannya adalah salah satu matrial teknik yang porsinya paling banyak diperlukan dalam kegunaan teknik.
- Proses laku-panas pada dasarnya terdiri dari beberapa tahapan, dimulai dengan pemanasan sampai ke temperatur tertentu, lalu diikuti dengan penahanan selama beberapa saat, baru kemudian dilakukan pendinginan dengan kecepatan tertentu
- Kristal adalah bahan yang terdiri dari unit terstruktur yang identik, tersusun dari satu atau lebih atom yang teratur dan berulang secara periodik dalam tiga dimensi.
DAFTAR PUSTAKA
http://taufiqurrokhman.com/2013/11/27/sifat-sifat-material/
http://allme09.blogspot.com/2012/10/ilmu-logam-cacat-pada.html?m=1
http://ardra.biz/sain-teknologi/metalurgi/perlakuan-panas-logam/
http://romzneverdie.wordpress.com/metallurgy/klasifikasi-logam-dan-paduannya/
http://journal.unhas.ac.id/index.php/prostek/article/view/737
http://materialcerdas.wordpress.com/teori-dasar/struktur-kristal/
Tidak ada komentar:
Posting Komentar