Post on 03-Jan-2016
description
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Semakin berkembangnya kebutuhan hidup manusia, menuntut pula
perkembangan akan teknologi. Hal ini memacu para ilmuan untuk melahirkan
maupun mengembangkan teknologi baru yang membantu manusia untuk
memenuhi kebutuhannya.
Begitu pula dengan perkembangan teknologi dibidang mekanik secara
langsung teknologi mekanik (mechanical technology) sangat penting untuk
memenuhi kebutuhan industri dan produksi. Maka dari itu diperlukan rekayasa
dalam bidang mekanik.
Salah satu aspek penting dalam rekayasa mekanik adalah keberadaan
material. Setiap benda tentunya memiliki spesifikasi tersendiri dalam
kebutuhan terhadap sifat (property) dan ciri (characteristic) dari material yang
digunakan. Maka dari itu pemilihan yang tepat daripada material merupakan
keharusan dalam produksi suatu benda. Pemilihan material yang salah akan
berujung pada rendahnya efisiensi, gangguan pemakaian, rendahnya usia
pakai (life time), dan kegagalan (failure).
Karena itu diperlukan adanya pengujian pada material yang akan
digunakan. Secara mekanik, pengujian yang dilakukan dapat menunjukkan
sifat mekanik bahan. Tujuan dari pengujian bahan ini untuk mengetahui sifat
baik dan buruk daripada material. Dengan demikian bisa dihilangkan sifat
buruknya dan hanya menyimpan sifat baiknya saja dengan perlakuan tertentu.
Salah satu perlakuan yang dapat diberikanpada material adalah perlakuan
panas atau heat treatment.
Pada umumnya, perlakuan diberikan pada baja, mengingat baja
merupakan logam yang paling sering dimanfaatkan untuk berbagai komponen
mesin. Karena itu analisis perlakuan panas terhadap sifat-sifat mekanik baja
perlu dilakukan.
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
1.2 Teori Dasar Pengujian Bahan
1.2.1 Sifat Mekanik Logam
Sifat mekanik logam adalah suatu sifat terpenting karena sifat mekanik
logam menyatakan kemampuan suatu logam untuk menerima beban
atau gaya dari luar tanpa mengalami kerusakan pada logam tersebut.
Beberapa sifat-sifat mekanik antara lain:
1. Kekuatan (Strength) [N/mm3, kg/mm2, lb/in2]
Merupakan kemampuan suatu bahan untuk menerima ketegangan
tanpa menyebabkan bahan tersebut patah. Kekuatan ada beberapa
macam tergantung pada jenis beban yang bekerja. Contohnya:
kekuatan tarik,tekan, geser, torsi, dan kekuatan lengkung.
2. Kekerasan (Hardness) [BHN, VHN, HRc]
Kekerasan adalah kemampuan suatu material untuk menerima
penetrasi benda runcing, goresan, kikisan tanpa mengalami
deformasi.
3. Kekenyalan (Elasticity) [%]
Kekenyalan merupakan kemampuan suatu bahan untuk menerima
tegangan atau beban tanpa mengakibatkan terjadinya perubahan
bentuk (deformasi).
4. Ketangguhan (Toughness) [kg/mm]
Merupakan kemampuan bahan untuk menyerap energy tanpa
mengakibatkan terjadinya kerusakan.
5. Kekakuan (simpangan)
Kemampuan suatu bahan untuk menerima tegangan atau beban
tanpa mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk
6. Kelelahan (Fatigue) [siklus]
Merupakan kecenderungan bahan untuk patah apabila menerima
tegangan berulang-ulang yang besarnya jauh dibawah batas
kekakuan elastisitas.
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
7. Plastisitas (Plasticity) [%]
Merupakan kemampuan bahan untuk mengalami sejumlah
deformasi platis (permanen) tanpa mengakibatkan terjadinya
kerusakan.
8. Creep [siklus]
Menyatakan kecenderungan logam mengalami deformasi platis
yang besarnya merupakan waktu saat menerima beban yang
besarnya tetap.
Factor yang mempengaruhi sifat mekanik:
1. Kadar karbon
Semakin tinggi kadar karbon maka kekerasan akan semakin tinggi
namun akan menjadi rapuh. Pada baja kandungan karbon
maksimum 2%, kandungan karbon juga mempengaruhi keuletan,
ketangguhan, maupun sifat mampu mesin.
2. Homogenitas
Proses heat treatment yang dilakukan akan menghasilkan sifat
mekanik logam yang keras, kuat, durabilitas bertambah tergantung
pada jenis heat treatment yang dilakukan pada logam tersebut.
3. Homogenitas struktur mikro bahan
Bahan dan ukuran butir suatu logam merupakan jenis struktur
mikro logam tersebut apabila memiliki struktur yang homogen,
maka gaya ikat antar atom tinggi dengan kekuatan kekerasan yang
tinggi.
4. Unsur paduan
Unsur paduan baja antara lain:
a. Nikel untuk
- Meningkatkan kekuatan dan kekerasan baja.
- Meningkatkan ketahanan terhadap korosi.
- Meningkatkan keuletan dan tahan gesek.
b. Chromium, untuk
- Menambah kekerasan baja.
- Membentuk karbida.
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
- Menambah keelastisitasan.
c. Mangan, untuk
- Meningkatkan kekerasan.
- Meningkatkan ketahanan terhadap suhu tinggi.
- Membuat bahan mengkilap.
d. Nikel, untuk
- Meningkatkan kekuatan dan ketangguhan dalam baja
dengan cara mempengaruhi proses tranformasi fasanya.
e. Wolfram, untuk
- Memberikan pengaruh positif terhadap kekuatan tarik,
kekuatan dan kekerasan pada temperatur tinggi serta
meningkatkan batas mulur
Mengenai sifat mekanik ini, dikenal 2 macam pembebanan, yaitu:
1. Pembebanan statik
Yaitu pembebanan yang sifatnya statik atau besarnya tetap atau
berubah-ubah dengan sangat lambat.
2. Pembebanan dinamik
Yaitu pembebanan yang besarnya beban berubah-ubah atau
dinamis.
1.2.2 Macam-macam Perlakuan Panas
Proses pemanasan dan pendinginan yang terkontrol dengan
maksud mengubah sifat fisik dan mekanik dari baja.
Macam-macam perlakuan panas:
a. Perlakuan panas fisik.
1. Annealing
2. Hardening
3. Normalizing
4. Tempering
b. Perlakuan panas secara kimiawi
1. Carburizing
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
2. Nitriding
3. Cyaniding
4. Sulphating
c. Perlakuan panas dalam bentuk yang berfungsi untuk pengerasan
permukaan:
1. Flame hardening
2. Surface hardening
A. Perlakuan Panas Fisik:
1. Hardening
Perlakuan panas yang bertujuan untuk memperoleh
kekerasan maksimum pada logam baja. Baja tersebut
dipanaskan dan selanjutnya ditahan. Untuk baja eutectoid
dipanaskan sampai (20-30)o C di atas AC3 dan untuk baja
hypoeutectoid dan hyperutectoid dipanaskan sampai (20-30)o c
di atas AC1, kemudian didinginkan cepat di dalam air atau
tergantung pada komposit kimia, bentuk dan dimensinya.
Gambar 1.1 Daerah temperature perlakuan panas
Sumber: http://hafisz.wordpress.com
2. Annealing
Perlakuan panas yang digunakan untuk meningkatkan
keuletan, menghilangkan tegangan dalam, menghaluskan
ukuran butiran dan menigkatkan sifat mampu mesin. Prosesnya
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
adalah dengan memanaskan material sampai temperature
tertentu, holding beberapa saat, kemudian didinginkan secara
perlahan dalam dapur pemanas. Macam-macam annealing
adalah:
a. Full Annealing
Full annealing adalah salah satu proses anil yang umum
digunakan. Jenis baja yang digunakan pada proses ini
adalah baja hypoeutektoid, eutectoid, baja karbon rendah.
Proses pemanasannya adalah pada temperature sekitar AC3
± (20-30)0C dan AC1 ± (20-30)0C, sedangkan untuk rata-
rata pendinginan dibawah 500-6000C adalah 50-600C/jam
untuk baja karbon dan 20-600C/jam untuk baja
b. Spheroidized annealing
Setiap metode dimana speroid terbentuk disebut anil
spheroidized. Jika produk anil berisi gelembung-
gelembung dari sementit dalam matriks ferit pada mikro
dan itu disebut sebagai sebuah benda yang bulat. Secara
umum mikro ini dibentuk oleh berbagai cara, yaitu:
1. Hardening dan suhu temper
2. Menyelenggarakan produk pada suhu dibawah suhu
A1
3. Konduktivitas thermal sekitar A1
c. Stress relief annealing
Dalam proses ini baja dingin dipanaskan pada suhu sekitar
5250C yaitu tepat dibawah temperature rekristalisasi. Jadi
karena pemanasan ini, tidak ada perubahan dalam struktur
mikrokristal. Tubuh disimpan pada suhu sekitar 2-3 jam
dan kemudian mengalami pendinginan udara karena tidak
ada perubahan struktur mikro proses. Pemanasan ini tidak
memiliki pengaruh yang merugikan terhadap kekerasan
dan kekuatan bahan. Proses annealing mengurangi mikro
deformasi produk selama proses permesinan.
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
Tipe annealing Proses pada baja Temperatur
Panas oC
Rasio
Pendinginan
Maksud
Full annealing Hypoeutekta
roid ukuran
kecil-sedang
besi tuang
AC3 +20-30
AC1 +20-30
Dibawah 500-
600oC pada rasio:
1) 50-100oC/hr
untuk baja
karbon
2) 20-60oC/hr
untuk baja
paduan
1. Perlembutan
2. Menghilangkan
tegangan sisa
3. Perbaikan
struktur
Processing
annealing
Hypocutectoid Antara AC1
and Ac3
Ditto 1. Perlembutan
2. Menghilangkan
tegangan sisa
Spherodizing Hypoeutektoid AC1 +20-30 Dibawa 500-
600oC pada 20-
30oC/hr
1. Perlembutan
2. Meningkatkan
machinability
3. Meningkatkan
luasan dingin
Isothermal
annealing
Keras untuk baja
paduan
AC3 +20-30
AC1 -20-30
Pendinginan cepat
dibawah AC1 +20-
30, ditahan
ditemperatur
pendinginan udara
Sama seperti full
annealing
Interdifusion
annealing
Baja tuang dan
Ingots
AC3+150-
250
Dengan dapur Menghilangkan
kekerasan struktur
High tempering
flow temperature
annealing
Hypereutektoid
struktur baja
paduan
AC1 -15-30 Dengan dapur
atau diudara
1. Perlembutan
2. Menghilangkan
tegangan sisa
3. Meningkatkan
machinability
Rekristalisasi
annealing
Semua tingkatan
besi mengikuti
kerja dingin
Lihat ke tabel Memperbaiki stuktur
setelah kerja dingin
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
3. Normalizing
Perlakuan panas yang dilakukan dan digunakan untuk
menghaluskan struktur bahan butiran yang mengalami pemanasan
berlebihan (overheated). Menghilangkan tegangan dalam,
meningkatkan permesinan dan memperbaiki sifat mekanik material.
Prosesnya dengan pemanasan sampai (30⁰-50⁰) celcius diatas AC3 dan
didinginkan pada udara sampai temperatur ruang. Pendinginan disini
lebih cepat daripada full annealing, sehingga pearlite yang terjadi
menjadi lebih halus, sehingga lebih kuat dan keras dibandingkan
dengan yang diperoleh annealing. Normalizing juga menghasilkan
struktur kimia yang lebih homogen sehingga memberi responnya lebih
baik terhadap proses pengerasan (hardening) karena itu, baja yang
akan dikeraskan perlu di normalizing terlebih dahulu. Pada
normalizing hendaknya tidak dilakukan pemanasan terlalu tinggi
karena butiran kristal austenite yang terjadi akan selalu besar sehingga
perbandingan lambat akan diperoleh butir pearlite atau ferrite yang
kasar dan mengakibatkan kekurangan keuletan atau ketangguhan.
4. Tempering
Digunakan untuk mengurangi tegangan dalam, melunakkan bahan
setelah di hardening dan meningkatkan keuletan. Hal ini karena baja
yang dikeraskan dengan pembentukan martensite biasanya sangat
getas sehingga tidak cukup baik untuk berbagai pemakaian.
Pembentukan martensite juga menggunakan tegangan sisa yang sangat
tinggi dan kurang menguntungkan karena itu setelah pergeseran
diikuti tempering. Prosesnya adalah dengan memanaskan baja
berstruktur martensite sampai dibawah suhu kritis, ditahan kemudian
dipanaskan kembali pada temperatur dibawah eutectoid untuk
melunakkan martensite dengan mengubah strukturnya menjadi
partikel besi karbit ferrite
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
Macam-macam tempering
1. Martempering
Merupakan perbaikan dari prosedur quenching dan
digunakan untuk mengurangi distorsi dan chocking selama
pendinginan
Gambar 1.3 Proses Martempering
Sumber: info.informingdale.edu/depts./met/met205/tempering.html
Gambar 1.4 Proses Austempering
Sumber: info.informingdale.edu/depts./met/met205/tempering.html
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
Gambar 1.5 Proses Quenching dan Tempering
Sumber: info.informingdale.edu/depts./met/met205/tempering.html
Tujuannya adalah meningkatkan ductility ketahanan impact
dan mengurangi distorsi struktur yang dihasilkan bainite.
Austempering adalah proses perlakuan panas yang dikembangkan
langsung dari diagram transformasi isothermal untuk memperoleh
struktur yang seluruhnya bainite. Pendinginan dilakukan dengan
quenching sampai transformasi menjadi bainite selesai.
B. Perlakuan panas kimiawi
1. Carburizing
Suatu proses penjernihan lapisan baja dengan karbon baja yang diikuti
dengan hardening akan mendapat kekerasan permukaan yang sangat
tingi sedang bagian tengahnya tetap lunak. Macam-macam
carburizing:
a. Pack carburizing
Prosesnya material dimasukkan ke dalam kotak yang berisi
kimia aktif padat. Kotak tersebut dipanasi samoai 900-950⁰C
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
b. Paste carburizing
Medium kimia yang digunakan adalah berbentuk pasta.
Prosesnya yaitu bagian yang dikeraskan ditutup dengan pasta
dengan ketebalan 3-4 mm. Kemudian dikeringkan dan
dipanaskan ke dalam kotak, prosesnya dilakukan pada suhu 920-
930⁰C
c. Gas carburizing
Disini logam dipanaskan ke dalam atmosfer yang mengandung
karbon yaitu gas alam yang mempunyai gas buatan. Benda kerja
dipanaskan 850-900⁰C.
d. Liquid carburizing
Proses carburizing dilakukan pada medium kimia aktif cair,
komposisi medium kimianya antara lain soda abu, NaCl, SiC
dan kadang-kadang dilengkapi dengan NHCl. Suhu pemanasan
antara 850-900⁰C.
2. Nitriding
Proses ini merupakan proses penjenuhan permukaan baja dengan
nitrogen, yaitu dengan cara melakukan holding dalam waktu yang
agak lama. Pada temperatur 480-650⁰C dalam lingkungan amonia
(NH3). Macam-macam nitriding antara lain:
a. Strength nitriding
Digunakan untuk meningkatkan kekerasan, ketahanan gesek dan
ketahanan fatigue.
b.Anti corrosion nitriding
Bahan yang digunakan biasanya besi tuang dan baja paduan.
Derajat kelarutan nitrogen yang dapat dicapai adalah 30-50%.
3. Cyaniding
Proses ini merupakan proses penjernihan permukaan baja dengan unur
karbon dan nitrogen bertujuan untuk meningkatkan kekerasan,
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
ketahanan gesek, dan kelelahan. Bila proses ini dilakukan di udara
disebut carbon nitriding, macamnya:
a. High Temperature Liquid Cyaniding
b. High Temperature Gas Cyaniding
c. Low Temperature Liquid Cyaniding
d. Low Temperature Gas Cyaniding
e. Low Temperature Solid Cyaniding
4. Sulphating
Perlakuan panas yang digunakan untuk meningkatkan ketahanan
gesek dari bagian-bagian mesin maupun alat-alat tertentu dari bahan
ASS dan jalan penjernihan lapisan permukaan sulfur. Cara pemanasan
pergeseran permukaan yang lain :
a. Flame hardening
Prosesnya dengan pemanasan cepat permukaan baja diatas
temperatur kritisnya dengan gas oksitilen, selanjutnya diikuti
dengan pendinginan.
b. Electrolite Ball Hardening
Pemanasan yang dilakukan dalam suatu larutan elektrolit yang
biasanya digunakan adalah 5-10% sodium carbonat dan
digunakan arus DC, pada tegangan tinggi 200-220V. Prosesnya
yaitu pada baja dipakai sebagai katoda. Sehingga berbentuk
gelembung-gelembung tipis hidrogen karena konduktivitas dari
gelembung hidrogen rendah sehingga arus meningkat cepat pada
katoda akibatnya katoda mengalami pemanasan temperatur yang
sangat tinggi (2000⁰C). Logam yang akan dikeraskan tersebut
dicelupkan ke dalam elektrolit ke dalam bagian yang dikeraskan.
Setelah pemanasan aliran listrik diputus dan elektrolit digunakan
sebagai media quenching.
c. Introduction surface Hardening
Pemanasan yang dilakukan dengan menggunakan arus listrik
frekuensi tinggi, logam yang berbentuk silindris diletakkan pada
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
indikator ini jadi pemanasan permukaan dipengaruhi oleh
frekuensi dan waktu pemanasan. Pendinginan dilakukan dengan
penyemprotan air setelah proses pemanasan selesai.
Proses perlakuan panas ada 3 tahap uji yaitu :
a. Heating
Proses perlakuan panas pada suhu tertentu dan dalam waktu tertentu
untuk mencapai struktur tertentu.
b. Holding
Proses perlakuan panas dengan suhu yang telah ditetapkan dan dalam
metode tertentu untuk memperoleh sturktur atom yang seragam
c. Cooling
Proses pendinginan yang dilakukan agar struktur atom yang
diinginkan tetap. Proses pendinginan ada 3 macam yaitu : udara,
dapur, dan quenching.
1.2.3 Diagram Fase Fe –Fe3C
Diagram fase adalah diagram yang menggambarkan kandungan
unsur-unsur dalam suatu logam, suhu, dan fase yang terbentuk dalam
logam tersebut. Diagram ini sangat penting karena logam dapat
memiliki beberapa fase dan tiap-tiap fase memiliki struktur mikro
sendiri dengan sifat mekanik, fisik dan kimia yang berbeda-beda.
Kemunculan bermaca-macam fase umumnya terjadi pada padatan
logam (solid metal). Fase-fase terjadi antara lain karena pada suatu
kondisi logam akan membentuk larutan sedangkan pada kondisi lain
logam tidak membentuk larutan. Berikut ini contoh diagram fase.
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
Gambar 1.6 Perbedaan gambar diagram fase
Sumber: Avner, Introduction to Physical Metallurgy. Mc.Grawhill,
New York. 1974, hal. 207
a. Dua logam yang sama sekali tidak dapat larut dalam padat.
b. Dua logam yang larut sebagian dalam padat.
c. Dua logam yang larut sempruna dalam padat.
Dari gambar di atas terlihat bahwa ketiganya memiliki perbedaan pada
garis mendatar. Pada diagram fase (a) garis melintang di seluruh
bagian, pada (b) garis melintang di sutau bagian saja dan pada (c) tidak
ada garis melintang.
Garis ini dikenal sebagai gari eutektik dan manandai terjadinya lokasi
reaksi eutektik yaitu:
Cair cooling-heating padat 1 + padat 2
Garis lain yang penting pada diagram fase adalah garis solidious
daruliquidos. Garis soldious adalah garis yang membatasi fase padat
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
sempurna, sedangkan garis liquios adalah garis yang membatasi fase
cair sempurna.
Pada diagram fase Fe-Fe3C terlihat beberapa garis transformasi
seperti yang dijelaskan sebelumnya, yaitu garis eutektik (F), garis
solidious (AECF) dan garis liquidos (ACD). Di samping itu ada
beberapa garis transformasi lain yaitu:
a. Garis AC-1 (K) adalah garis yang menandai reaksi eutectoid yaitu:
Padat 1 cooling-heating padat 2 + padat 3
b. Garis AC-M (GS) adalah garis yang membatasi fase austenit pada
baja hypoeutectoid.
c. Garis AC-M (SE) adalah garis yang membatasi fase austenit pada
baja hyperutectoid.
Dengan diagram fase Fe-Fe3C dapat ditentukan fase titik
tertentu beserta proposinya dengan bantuan hokum pengungkit (Lever
Rule). Selain garis-garis di atas terdapat garis AC2 yag merupakan titik
transformasi, magnetic untuk besi atau ferit.
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
Gambar 1.7 Diagram Fase Fe-Fe3C
Sumber: Prof. Ir. Tata Surala. Pengetahuan Bahan Teknik 1984. hal 70
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
Penjelasan diagram fase Fe-Fe3C
A : Titik cair besi
B : Titik pada cairan yang ada hubungannya dengan reaksi
peritektik.
H : Larutan pada S yang ada hubungannya dengan reaksi peritektik,
kelarutan karbon maksimum adalah 0,1%.
J : Titik pertektik, selama pendinginan austenit pada kompisi J, fase
γ terbentuk dari larutan pada δ pada kompisi H dan cairn pada
kompisi B.
N : Titik transformasi besi , titik transformasi A4 dari besi
murni.
C : Titik eutektik, selama pendinginan fase γ ada hubungan dengan
reaksi eutektik. Kelarutan maksimum dari karbon 2,14%. Paduan
besi karbon sampai pada komposisi ini disebut juga baja.
E : Titik yang menyatakan pada fase γ ada hubungan dengan reaksi
eutektik. Kelarutan maksimum dari karobon 2,14%. Paduan besi
karbon sampai komposisi ini disebut baja.
G : Titik transformasi . Titik A3 untuk besi.
P : Titik yang menyatakan ferit, fasa α, ada hubungan dengan reaksi.
S : Titik eutectoid, selama pendinginan ferit pada komposisi P dan
semenit pada komposisi K (sama dengan F) terbentuk simultan
dari austenit pada komposisi S. reaksi eutectoid ini dinamakan
transformasi A1 dan fasa eutectoid ini dinamakan pearlit.
GS : Garis yang menyatakan hubungan antara temperature dan
komposisi, dimana mulai terbentuk ferit dari austenit. Garis ini
disebut garis A3.
ES : Garis menyatakan hubungan antara temperature dan komposisi,
dimana mulai terbentuk sementit dari austenit, dinamakan garis
ACM.
Ao : Ttitik tranformasi magnetic untuk semenit.
A2 : Titik tranformasi magnetic untuk semenit.
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
Fase-fase yang terjadi pada campuran besi-karbon adalah:
1. Ferrite
Adalah larutan padat karbon yang mempunyai struktur kristal BBC
(Body Centered Cubic). Sifat ferrite:
- Stabil di bawah suhu 810oC
- Tidak dapat dikeraskan karena kandungan karbon sedikit,
kandungan maksimum 0,025%C yaitu pada suhu 723oC.
- Lunak, liat, tahan karat.
- BHN = 60-100
2. Austenite
Adalah larutan padat karbon yang mempunyai struktur FCC (Face
Centered Cubic). Sifat austenite:
- Stabil pada suhu sekitar 1350oC
- Dapat dikeraskan dengan 2%C
- Dapat ditempa dimana tegangan tarik sekitar 5000 Psi.
- Specific volume rendah disbanding mikrostruktur lain.
- Lunak, non magnetic, malleable, tidak ductile.
- BHN: 170-200
3. Martensite
Adalah larutan pada dari karbon dan besi. Terbentuk dari
pendinginan cepat (quenching) dari austenite. System kritasl BCT
(Body Centered Tetragonal), sifat mertensite:
- Stabil di bawah suhu 1500oC
- Keras, rapuh, magnetic
- Kandungan karbon > 92%
- Konduktor panas dan listrik rendah
- BHB: 650-700
4. Cementite
Adalah senyawa besi dan karbon dengan kandungan karbon 6,67%
disebut juga besi carbide, sifat cementite:
- Stabil di bawah 150oC
- BHN : 820
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
- Rapuh, magnetic.
- Campuran cementite dan austenite disebut ledeburite.
- Campuran cementite dan ferrite disebut pearlite.
5. Ledeburite
Disebut besi eutectoid dengan kandungan karbon 4,3% terjadi di
bawah suhu 723oC. Sifat: rapuh, keras, getas, dengan BHN: 700
6. Pearlite
Adalah baja eutectoide yang tersusun atas 2 fase yaitu ferrite dan
cementite dengan kandungan karbon 0,83%. Sifat : keras, tak tahan
karat, BHN: 160-200.
7. Besi delta
Terjadi pada temperature 1400oC – 1500oC, kandungan karbon
0,1%. Sifat : lunak, dapat ditempa.
8. Troostite
Adalah campuran ferrite dan carbide. Disebut toostite dibentuk
pada pemanasan martensite pada suhu 250oC – 400oC atau
pendinginan lambat dari austenit. Stabil di atas suhu 400oC. Sifat:
magnetic, tidak kuat, ulet, konduktivitas tinggi (lebih tinggi dari
martensite), kekerasan 330-400 BHN.
9. Soribite
Adalah campuran merata antara ferit dan sementit yang terbentuk
pada pemanasan martensite pada suhu 400oC – AC1 atau
pendinginan austenite yang sangat lambat dan stabil hingga suhu
AC1, mempunyai sifat ulet dan kenyal. Sedikit lebih keras dan kuat
dari troosite, kekerasan 270-320 BHN.
Fe3C dibagi menjadi:
C : 0,008% disebut besi murni
C : 0,008-0,83% disebut baja hypoeutectoid.
C : 0,83% - 1,7% disebut baja hypereutectoid.
C : 1,7% disebut baja hypereutectoid.
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
struktur Definisi Kondisi pembentukan Stabil pada
suhu oC
Ciri-ciri fisik Brinell
hardness
number, HB
Asutenie
Ferrite
Cementite
Pearlite
Martensite
Aercular
trostite
(bainite)
Sorbite
Ledebarite
Larutan padat antara
karbon dan unsur lain
pada besi gamma.
Kandungan karbon
hingga 2%
Larutan padat antara
karbon dan unsur lain
pada besi alpha.
Kandungan karbon
hingga 0,04%
Kombinasi zat kimia
antara besi dan
karbon. Dari karbida
Fe4C mengandung
6,67% karbon.
Campuran antara
cementif dan ferrite
Larutan padat antara
karbon dan unsur lain
pada distorsi berkisi.
Campuran yang
tesebar antara ferrite
dan karbida.
Idem
Campuran merata
antara frrite dan
cementite
Campuran auslenite
uomatho yang
mangandung karbon
4,3%
Pemanasan di atas
temperature kritis
Pendinginan lambat
struktrur a istenite
pada baja type
eutetoid di bawah
Pendingin lambat
larutan un r dan padat
Terbentuk pada
kerusakan auslenite
Terbentuk pula
pendinginan yang
sangat constant pada
austenite di atas suhu
kritis
Terbentuk pada
pemanasan marteniste
pada suhu 250-400oC
atau pendinginan
lambat pada austenite
Terbentuk pada
pemanasan martensite
pada suhu 250-
400oC/AC1 atau
pendinginan austenite
yang sangat lambat.
Terbentuk pada
pembukuan pada unit
dengan kandungan
karbon lebih dari 2%
Di atas ACJ,
ACm dan ACl
Di bawah AC3
Di bawah 723
Dibawah 150
Kurang lebih
400
Hingga 500
Hingga AC1
Di bawah 1130
Lunak non magnetic
dapat ditempa, tetapi
kurang ulet. Tahan
listrik tegangan
tinggi.
Lunak sangat mudah
ditempa, magnetic
Keras rapuh. Bersifat
magnetic sampai pada
210oC dan di atas
210oC non-magnetik
Lebih keras dan kuat
dari ferrite tapi lebih
ulet, magnetic.
Rapuh, keras,
kekerasan tergantung
pada kandungan
karbon.
Konduktivitas
magnetik, panas dan
listrik rendah.
Keras, agak ulet,
magnetic
Ulet dan kenyak.
Sedikit lebih keras
dankuat dari troostite
magnetic
Rapuh
170-220
60-100
820
160-210
650-700
Lebih keras
dari trooslite
270-320
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
Kalau besi murni dalam keadaan lebur didinginkan, mula-
mula pada suhu konstan yaitu 1539oC akan terbentuk kristal-kristal
dengan tata ruang besing δ. Kalau besi yang telah beku ini
didinginkan terus, maka pada suhu konstan yaitu 1400oC akan
terjadi bentuk kristal, besi δ akan berubah menjadi besi γ dengan
struktur ruang KPS. Bila dilanjutkan terjadi perubahan pada
temperature konstan yaitu 910oC. besi γ sekarang berubah menjadi
besi α dengan struktur KPS
Suhu (oC) Bentuk krital Panjang besi Nama besi
153-1590
1390-910
910-768
768 s/d
suhu ruang
BCC
FCC
BCC
BCC
a = 2,93
a = 3,65
a = 2,9
a =2,87
δ
γ
β
α
Gambar 1.8 Pendinginan Besi Murni
Sumber:
http//dighub.linnes.ac.id/95dl/cgi-bm/library/diagrampendingananbesimurni
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
A. Transformasi pada baja eutectoid (0,80% C)
Transforemasi yamg dibahas berikut ini adalah transformasi
yang terjadi pada kondisi ekuilibrium. Untuk pembahasan ini
digunakan diagram fase seperti pada Gambar x.x
Gambar 1.9 Gambar Transofrmasi Baja Eutectoid
Sumber:
http://img.397.imagescnace.us/img397181/rdmetastabilnissoustavy
towg.png
Baja eutectoid, paduan besi - karbon dengan kadar karbon,
C = 0,80 % adalah paduan dengan komposisi eutectoid. Pada
temperature diatas garis liquidus berupa larutan cair (liquid). Bila
temperature diturunkan secara perlahan, pada saat mencapai garis
liquidus (di titik 1) akan mulai terbentuk inti austenit yang
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
selanjutnya akan tumbuh menjadi dendrite austenit. Pembekuan
selesai di titik 2 (pada garis solidus). Seluruhnya sudah menjadi
austenit. Pada pendinginan selanjutnya tidak terjadi perubahan
hingga temperature mencapai titik 3, di garis A1, temperature kritis
bawah. Di sini austenit yang mempunyai komposisi eutectoid ini
akan mengalami reaksi eutectoid :
Austenit ferrit + sementit (pearlit)
Terbentuknya perlit ini dimulai dengan terbentuknya inti
sementit (biasanya pada batas butir austenit). Inti ini akan
bertumbuh dengan mengambil sejumlah karbon dari austenit
disekitarnya (sementit, Fe3C, mengandung 6,67 % C sedang
austenit mengandung 0,80 % C). karenanya austenit di sekitar inti
sementit itu akan kehabiasan karbon dan austenit dengan kadar
karbon yang sangat rendah ini pada temperature ini akan menjadi
ferrit (transformasi allotropik). Ferrit ini jugs akan bertumbuh,
yaitu dengan mengambil besi dari austenit disekitarnya, sehingga
austenit disekitar ferrit itu akan kelebihan karbon dan mulai
membentuk cementit di sebelah ferrit yang ada. Demikian
selanjutnya sampai seluruh austenit habis, dan yang terjadi adalah
suatu struktur yang berlapis-lapis (lamellar) yang terdiri dari lamel-
lamel sementit-ferrit-sementit. Struktur ini dinamakan perlit.
B. Transformasi pada baja hypoeutectoid (% C < 0,80%)
Sebagai contoh untuk pembahasan pada baja hypoeutektoid
ini diambil baja dengan 0,25% C. Paduan ini akan mulai membeku
pada titik 1 dengan membentuk inti ferrit delta, yang nanti akan
tumbuh menjadi dendrit ferrit delta. Hingga temperatur mencapai
titik 2 (temperatur peritektik) paduan terdiri dari ferrit delta dan
liquid. Pada titik 2 akan terjadi reaksi peritektik :
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
Ferrit delta + liquid austenit
Gambar 1.10 Transformasi Baja Eutectoid
Sumber: http//fsttnuni.sk.tiles/image/kn/suboy/diagramfe-
fe3c.jpg
Pada paduan ini tidak semua liquid habis dalam reaksi itu,
sehingga pada temperatur sedikit dibawah titik 2 struktur terdiri
dari liquid dan austenit. Makin rendah temperatur makin banyak
liquid yang menjadi austenit sehingga pada titik 3 seluruhnya sudah
menjadi austenit.
C. Transformasi pada baja hyperetectoid (0,8 < %C < 2,0)
Perhatikan suatu paduan dengan 1,3% C. Paduan mulai
membeku pada titik 1 dengan membentuk austenit dan pembekuan
selesai di titik 2, seluruhnya sudah berupa austenit. Selanjutnya
tidak terjadi perubahan sampai temperatur mencapai garis solvus
Acm. Garis ini merupakan batas kelarutan karbon dalam austenit,
dan batas kelarutan ini makin rendah dengan makin rendahnya
temperatur. Pada titk 3 paduan telah mencapai batas
kemampuannya melarutkan karbon untuk temperatur itu. Pada
temperatur dibawah titik 3 kemampuan melarutkan karbon juga
turun, berarti harus ada karbon yang keluar dari larutan (austenit).
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
Dan memang dengan pendinginan lebih lanjut akan terjadi
pengeluaran karbon, hanya saja karbon yang keluar ini akan berupa
sementit, dan sementit ini akan mengendap pada batas butir
austenit. Makin rendah temperatur paduan makin banyak sementit
yang mengendap pada batas butir austenit, dan austenit sendiri
akan makin kaya Fe, dan pada temperatur titik 4, komposisi
austenit tepat mencapai komposisi eutectoid. Pada temperatur
eutectoid ini austenit akan mengalami reaksi eutectoid menjadi
perlit.
Sementit yang mengendap pada batas butir austenit tidak
membentuk butiran seperti halnya ferrit (yang terbentuk setelah
melewati garis a1), tetapi hanya mengumpul pada batas butir
austenit, menyelubungi butir asutenit, karena itu sementit seperti
ini dinamakan cementit network. Secara tiga dimensi jaringan
sementit ini sebenarnya merupakan lempengan yang kontinyu dan
membungkus austenit.
Di temperatur eutektoid butir austenit bertransformasi
menjadi perlit sedang sementit sudah tidak lagi mengalami
transformasi, sehingga strukturnya setelah selesainya reaksi
eutektoid akan berupa perlit yang terbungkus oleh jaringan
sementit. Struktur ini tidak akan berubah lagi pada pendinginan
sampai temperatur kamar.
Diagram TTT (Transformasi Isotermal)
Pendinginan non-equlibrium dari baja yang telah
dipanaskan hingga mencapai struktur austenit dapat digambarkan
dalam suatu diagram hubungan antara waktu, temperature, dan
hasil akhir tranformasi austenit atau dikenal dengan diagram TTT.
Diagram ini secara umum dapat memberikan informasi mengenai
permulaan dan akhir dari proses tranformasi akibat pendinginan
waktu kecepatan pendinginan atau jangkauan waktu tertentu,
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
diagram TTT juga menunjukkan besar prosentase transformasi
yang dicapai dari austenit pada temperature tertentu.
Gambar 1.11 Kurva pendinginan diagram TTT
Sumber : Avner, Introduction to Physical Metallurgi. Mc Graw
Hill, New York 1974. Hal 271
Dari gambar di atas terlihat bahwa di sebelah kiri kurva
tidak terjadi deformasi, asutenit hanya berubah kestabilannya.
Selanjutnya austenit yang sudah tidak stabil tersebut mengalami
dekomposisi secara isothermal. Pada zona A+F+C dan baru
akhirnya berubah struktur menjadi campuran F + C, pendinginan
yang sangat cepat berpotensi terhadap produksi ukuran butir inti
kritis yang tumbuh, di samping meningkatkan austenit (semakin
stabil) yang dapat mendukung terbentuknya fasa baru seperti
martensite.
Ketika austenit didinginkan secara lambat sampai pada
temperature bawah / LCT (Lower Critical Temperature), struktur
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
yang terbentuk adalah Pearlite. Akibat dari laju pendinginan yang
menigkat, maka temperature transformasi pearlit akan lebih rendah.
Mikrostruktur material berubah secara signifikan akibat
peningkatan laju pendinginan. Melalui sebuah pengujian
pemanasan dan pendinginan kita dapat mencatat transformasi dari
austenit.
Urutan tingkat laju pendinginan dari pendinginan lambat
hingga pendinginan cepat adalah sebagai berikut, pendinginan
dapur, pendinginan udara, oil quenching, liquid salts quenching,
water quenching dan brine quenching. Jika pendinginan ini
digambar diatas TTT diagram, hasil dari struktur akhir dan waktu
yang diperlukan selama transformasi bisa didapatkan.
Gambar 1.11 menunjukkan daerah kiri dari kurva
transformasi menunjukkan daerah austenit. Austenit stabil pada
temperature diatas LCT namun tidak stabil jika berada dibawah
temperature LCT. Kurva sebelah kiri menandai awal transformasi
dan sebelah kanan menandai akhir dari transformasi. Daerah
diantara kurva kiri dan kanan manandai transformasi dari ustenit
menjadi strukur kristal yang berbeda-beda. (trnsformasi austenit
menjadi pearlite, austenit menjadi martensit, austenit menjadi
bainit)
Gambar 1.12 menunjukkan setengah TTT diagram bagian
atas. Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1.12 ketika austenit
didinginkan pada temperature dibawah LCT, austenit
bertransformasi menjadi struktur kristal lain karena austenit tidak
stabil. Laju pendinginan spesifik bisa dipilih sehingga bisa didapat
trnsformasi austenit 50%, 100% dan sebagainya. Jika laju
pendinginan terlalu lambat, seperti proses annealing, laju
pendinginan melewati seluruh area transformasi dan hasil akhir
dari proses pendinginan ini adalah 100% pearlit. Dengan kata lain,
ketika kita menggunkan laju pendinginan lambat, seluruh austenit
akan berubah/bertransformasi menjadi pearlit. Jika laju
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
pendinginan melewati bagian tengah dari daerah transformasi, hasil
akhir dari transformasi adalah 50% austenit dan 50 % pearlit,
artinya pada laju pendinginan tertentu kita dapat mempertahankan
austenit tanpa bertransformasi menjadi pearlit.
Gambar 1.12 Potongan diagram TTT bagian atas (daerah
transformasi Austenite-Pearlite)
Sumber: info.informingdale.edu/depts./met/met205/tempering.html
Gambar 1.13 menunjukkan tipe dari transformasi yang
didapat pada laju pendinginan yang lebih cepat. Jika laju
pendinginan sangat tinggi, kurva pendinginan akan berhenti pada
sebelah kiri dari awal kurva pendinginan. Pada kasus ini seluruh
austenit akan beubah menjadi martensit. Jika pada pendinginan ini
tidak terjadi interupsi maka pada akhir pendinginan akan
didapatkan martensit.
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
Gambar 1.13 Potongan diagram TTT bagian bawah (Daerah
transforamasi Austenite-Martensite dan Bainite)
Sumber: info.informingdale.edu/depts./met/met205/tempering.html
Gambar 1.14 laju pendinginan A dan B menunjukkan dua
proses laju pendinginan cepat. Dalam kasus ini kurva A akan
menyebabkan distorsi dan tegangan dalam yang lebih tinggi dari
pada laju pendinginan B. hasil akhir dari kedua pendinginan adalah
martensit. Laju pendinginan B dikenal sebagai Critical Cooling
Rate (CCR), yang ditunjukkan oleh kurva yang menyentuh nose
TTT diagram tepat pada satu titik. CCR didefinisikan sebagai laju
pendinginan paling lambat yang mampu menghasilkan 100%
martensit dengan distorsi dan tegangan dalam paling kecil
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
Gambar 1.15 Laju pendinginan quenching
Sumber: info.informingdale.edu/depts./met/met205/tempering.html
Gambar 1.14 menunjukkan proses quenching terinterupsi
(garis horizontal menunjukkan interupsi) dengan cara mencelupkan
material didalam larutan garam (molten salt bath) dan
perenadaman dilakukan pada temperature konstan diikuti dengan
proses pendinginan yang melalui daerah bainit pada TTT diagram.
Hasil akhir strukturnya adalah bainit, yang sifatnya tidak sekeras
martensit. Hasil dari laju pendinginan D adalah dimensi lebih
stabil, distorsi lebih kecil, internal stress lebih kecil.
Gambar 1.15 Quenching terinterupsi
Sumber: info.informingdale.edu/depts./met/met205/tempering.html
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
Dari Gambar 1.16 dapat diketahui kurva pendinginan C
menunjukkan proses pendinginan yang lambat, seperti pada
pendinginan dapur. Sebuah contoh pendinginan lambat adalah
proses annealing dimana semua austenit bertransformasi menjadi
pearlit sebagai hasil pendinginan lambat.
Gambar 1.16 Proses pendingina lambat (Annealing)
Sumber: info.informingdale.edu/depts./met/met205/tempering.html
Terkadang kurva pendinginan menyentuh daerah tengah
dari kurva transformasi yang merupakan daerah Austenit-Pearlit.
Pada Gambar 1.17, kurva pendinginan E menunjukkan laju
pendinginan yang tidak cukup tinggi untuk menghasilkan 100%
martensit. Hal ini dapat diamati dengan mudah dengan melihat
TTT diagram. Oleh karena kurva pendinginan E tidak menyentuh
nose dari diagram transformasi, maka austenit bertransformasi
menjadi 50% (kurva E menyentuh kurva 50%). Karena kurva E
juga melalui zona marensit pada diagram trnsformasi, maka sisa
50% austenit akan berubah/bertransformasi menjadi martensit
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
Gambar 1.17 Laju pendinginan yang menghasilkan struktur akhir
perlit dan martensit
Sumber: info.informingdale.edu/depts./met/met205/tempering.html
Gambar 1.18 Macam-Macam Struktur Mikro yang Dihasilkan Pada Laju
Pendinginan Berbeda
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
Sumber: info.informingdale.edu/depts./met/met205/tempering.html
Gambar 1.19 CT Diagram
Sumber: www.metalravns.com/selectorsteels/osikrop.html
Diagram CT
Secara teoritis, kurva pendinginan seperti yang teleh dijalaskan di atas
tidak terdapat pada TTT diagram dan berlangsung secara kontinu. Diagram
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
TTT hanya menunjukkan hubungan waktu temperature untuk tranformasi
austenit yang terjadi pada temperature konstan. Hubungan pendinginan secara
kontinu terhadap transformasi dapat dilihat menggunakan CT diagram pada
hakekatnya merupakan turunan dari TTT diagram, yaitu dengan menggeser
nose (merupakan titik penting terjadinya CCR) ke bawah.
Terlihat bahwa dengan penggeseran nose ini maka dengan
pendinginan yang raltif lebih lambat dibandingkan dengan TTT diagram
sudaha dapat mencapai martensite.
Penggunaan TTT diagram untuk perbandingan kontinu seringkali
disebabkan oleh kelebihan diagram TTT yang memberikan perkiraan
terhadap klasifikasi, mikrostruktur baja selama pendinginan kontinu, sering
kali heat treatment mengacu pada diagram TTT. Tapi CT diagram lebih
mampu menggambarkan kejadian pendinginan secara kontinu.
Pergeseran Titik Eutectoid
Diagram fase Fe-Fe3C dibuat tanpa unsur paduan. Jika terdapat unsur
paduan maka diagram akan mengalami pergeseran sedangkan pergeseran
yang terjadi pada diagram ini dapat ditentukan dengan bantuan diagram
berikut:
Gambar 1.9 Pengaruh komposisi paduan terhadap suhu dan terhadap
komposisi eutectoid
Sumber : Djaprie, Sriatie. Ilmu dan Teknologi. Erlangga. Jakarta, 1983.
hal 388
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
Dari diagram di atas terlihat komposisi unsur paduan
mempengaruhi komposisi eutectoid dan suhu pada gambar (b). Unsur
paduan menggeser temperature eutectoid dari 723oC menjadi naik atau
turun tergantung jenis dan besarnya prosesntase komposisi kandungan
karbon eutectoid dari tergantung dari jenis dan besarnya unsur paduan
yang ditambah.
Pergeseran diagram fase dapat dihitung dari pergeseran titik
eutectoid (perpotongan AC3 dan ACm) dengan rumus:
Gambar 1.21: Pergeseran titik eutectoid akibat paduan
Sumber : Materi kuliah perlakuan panas dan permukaan, Dr.Eng.Anindito
Purnowidodo ST,M.Eng,2011
Contoh perhitungan:
Specimen dengan komposisi kimia Cr 12%, Mn 0,3%, Si 0,2%
Pergeseran titik eutectoid
Logam Komposisi Suhu eutectoid %C
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011
Cr 12% 840°C 0,37
Mn 0,3% 720°C 0,76
Si 0,2% 730°C 0,76
= 0,67 %
Laporan Praktikum Perlakuan Panas dan Permukaan Semester Genap 2010/2011