4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI

Dalam melakukan perlakuan panas logam untuk memodifikasi sifat

mekaniknya diperlukan beberapa teori dasar untuk memahami apa yang terjadi

pada logam saat dilakukan proses pemanasan.

2.1 Baja AISI 1045

Baja AISI 1045 atau NS 1045 termasuk dalam kategori baja hypoeutektoid

dikarenakan memiliki kandungan karbon diantara 0-0.76% C dan juga termasuk

kategori baja karbon sedang dikarenakan memiliki kandungan karbon diantara

0,25-0,55% C. secara lebih lanjut, data mengenai baja AISI 1045 adalah sebagai

berikut:

a. Komposisi Kimia (%)

- Karbon (C) : 0,43 – 0,55

- Mangan (Mn) : 0,6 – 0,90

- Fosfor (P) : 0,040 Max

- Sulfur (S) : 0,050 Max

b. Properties

- Hardening temperature : 820 – 850 °C

- Quenching medium : Water / Oil

- Hardness as supplied : 170 – 220 BHN

- Tensile strength : 60 – 75 Kgf/mm²

c. Karakteristik

Tipe baja ini cocok untuk dilakukan flame hardening dan dapat menghasilkan

kekerasan permukaan hingga 500 BHN hingga kedalaman 0.10 inchi dari

permukaan. Cocok untuk menjadi bahan baku poros dan gear.

d. Penggunaan

Poros, gear, peralatan pertanian, handtool, pin penepat, piston rod, sproket rantai,

pisau, pivot shaft, crankshaft, baja struktur, plat penyambung struktur, axle, rams,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

sockets, worms, hydraulic clamps, serta komponen mesin dengan pembebanan

kelas menengah.

2.2 Diagram Fasa

Konsep dasar dari diagram fasa adalah mempelajari relasi paduan

dalam keadaan setimbang. Diagram ini menggambarkan keterkaitan antara

temperatur dan komposisi. Dimana setiap perubahan temperatur dan komposisi

akan berpengaruh terhadap struktur mikro.

Pada diagram fasa banyak informasi yang bisa kita dapatkan tentang

suatu paduan, diantaranya adalah:

a. Untuk meramalkan fasa yang terjadi pada suatu paduan, pada temperatur

dan komposisi tertentu

b. Untuk menganalisa perubahan fasa berikut mekanisme transformasinya.

c. Untuk meramalkan stuktur mikro yang akan diperoleh dari suatu paduan

dengan komposisi tertentu.

Dalam mempelajari diagram fasa, ada beberapa konsep yang patut

dipahami, diantaranya adalah:

a. Batas kelarutan

Dalam beberapa sistem campuran pada temperatur tertentu, ada

kandungan maksimal atom terlarut yang dapat larut dalam pelarut untuk

membentuk larutan padat. Pada kondisi tersebut disebut dengan batas

kelarutan.

Atau dalam konsep sederhana dapat digambarkan dengan campuran

air dan gula. Pada awalnya jika terdapat segelas air lalu kemudian

ditambahkan gula pada air tersebut, maka gula akan larut. Namun apabila

gula terus diberikan maka campuran akan menjadi pekat dan ada beberapa

gula yang tidak dapat larut karena terlalu banyak gula yang diberikan.

Hal tersebut terjadi karena gula yang diberikan sudah melebihi batas

kelarutan. Sehingga pada keadaaan tersebut terdapat dua zat yang terpisah

yaitu larutan air gula dan kristal gula padat yang tidak larut.

Namun lain halnya apabila kita memanaskan campuran tersebut,

apabila kita meningkatkan temperatur campuran tersebut maka secara

perlahan beberapa endapan gula yang tidak melarut akan ikut terlarut. Itu

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

dikarenakan batas kelarutan juga berubah seiring dengan perubahan

temperatur. Untuk lebih lengkapnya dapat dilihat pada grafik batas

kelarutan.

Gambar II-1 Grafik Batas Kelarutan

b. Fase equibrilium

Fase equibrilium adalah keseimbangan fasa. Dan equibrilium adalah

sebuah konsep pada diagram fasa yang tidak terpisahkan dengan besaran

termodinamika yaitu “energi bebas”.

Energi bebas adalah paduan dari energi dalam dan derajat keacakan

atom (entropi). Sistem dapat dikatakan setimbang apabila energi bebasnya

minimum pada kondisi temperatur, tekaan dan komposisi tertentu. Suatu

sistem dikatakan stabil apabila komposisi makroskopik tidak berubah

seiring waktu.

Apabila temperatur, tekanan dan komposisi dari suatu paduan

mengalami perubahan dari kesetimbangannya maka energi bebasnya akan

bertambah secara spontan, dan dalam keadaan lain energi bebasnya dapat

turun. Energi bebas sistem akan mengalami perubahan apabila keadaan

berubah. Konsep dari kesetimbangan ini adalah “metastabil” yang artinya

keadaan berubah terhadap waktu. Singkatnya, equilibrium adalah tidak

terjadinya perubahan terhadap waktu

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

2.3 Diagram Fasa Fe- Fe₃C

Diagram fasa ini terbentuk dari paduan antara Fe dan C. karena diagram

fasa tersebut membentuk senyawa, maka diagram fasa tersebut terbagi menjadi

dua yaitu Fe-Fe₃C dan Fe₃C-Fe. Fe₃C adalah senyawa besi yang disebut dengan

Cementit. Persentasi karbon maksimum cementit adalah 6.67% C. Diagram

fasa dibawah ini adalah gabungan dari beberapa diagram fasa diatas.

Proses perubahan selsatuan dari BCC ke FCC dan kembali ke BCC

pada rentang temperatur kamar ke temperatur yang lebih tinggi disebut dengan

Allotropi transformation atau polymorphic transformation. Diagram baja

karbon akan dijelaskan pada gambar berikut ini;

Gambar II-2 Diagram Fasa Baja Karbon [Fe- Fe₃C]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

Keterangan gambar:

a. Reaksi peritektik terjadi pada temperatur 1493°C dengan 0,5% C.

δ + L = γ

b. Reaksi eutektik terjadi pada temperatur 1147°C dengan 4,3% C.

L = γ + Fe₃C (Ledeburid)

c. Reaksi eutektoid terjadi pada temperatur 727°C dengan 0,76% C.

γ = α + Fe₃C (Fasa Perlit)

d. Diagram ini menggambarkan dua jenis logam ferro, yaitu:

0 – 2,1% C, adalah baja karbon. Dan dibagi menjadi;

a) Baja hipoeutektoid apabila %C < 0,76% C.

b) Baja hipereutektoid apabila 0,76% C < %C < 2,1% C.

2,1% – 4,3% C adalah besi cor

a) Besi cor hipoeutektik apabila 2,1% C < %C < 4,3% C.

b) Besi cor hipereutektik apabila %C > 4,3% C.

e. Pada diagram fasa ini terdapat beberapa fasa, yaitu:

Delta ferrite (δ), memiliki sel satuan BCC.

Austenite (γ), memiliki sel satuan FCC.

Ferrite (α), memiliki sel satuan BCC.

Dari sel satuan itu, maka baja tergolong kepada logam politropik

atau allotropik.

f. Kelarutan C maksimum dalam Fe adalah 0.022%.

g. Jadi fasa-fasa hasil reaksi adalah:

Fasa Austenite = γ

Fasa Pearlite: γ = α + Fe₃C

Fasa Ledeburid: γ + Fe₃C

h. Fasa Perlit maksimum pada 0,76% C.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

Gambar II-3 Baja AISI 1045 pada diagram fasa Fe-Fe₃C. Garis hijau menggambarkan baja AISI 1045.

Baja AISI 1045 termasuk dalam baja hipoeutektoid dan baja karbon

sedang, baja AISI 1045 memiliki kandungan karbon sekitar 0,45% C. Posisi baja

AISI 1045 pada diagram fasa Fe-Fe₃C ditunjukkan dengan garis hijau pada

gambar diatas. Kondisi fasa baja AISI 1045 dapat diperkirakan melalui diagram

fasa tersebut.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

- Pengembangan Fasa Pada Diagram Baja Karbon

a. Pengembangan fasa baja hypoeutektoid

Gambar II-4 Diagram solidifikasi baja hipo

Keterangan: diagram solidifikasi pada komposisi C₁:

Titik c: terbentuk fasa γ 100%

Titik d: Terjadi pertumbuhan fasa ferrite di batas butir austenite

Titik e: ferrite tumbuh membesar di batas butir austenite

Titik f: setelah melewati garis reaksi eutektoid, ferit pro masih tetap, tetapi

austenite berubah menjadi fasa perlit (α+Fe₃C)

Gambar II-5 Struktur mikro 0,38%C dengan pembesaran 635x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

b. Pengembangan fasa baja perlit

Gambar II-6 Diagram solidifikasi pada baja pearlite (0,76% C)

Keterangan:

Pada titik a: Terbentuk fasa Austenite 100%

Pada titik b: Setelah melewati garis reaksi eutektoid, austenite berubah

membentuk perlit (γ ↔ α + Fe₃C). Perlit yang terbentuk pada 0,76% C ini

adalah 100%.

Gambar II-7 Struktur mikro pearlite (terang ferrite dan gelap Fe₃C)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

c. Pengembangan fasa baja hypereutektoid

Gambar II-8 Diagram solidifikasi pada baja hypereutektoid komposisi C1

Keterangan:

Pada titik g: terbentuk fasa Austenite 100%

Pada titik h: terjadi pengintian fasa Fe₃C di batas butir austenit

Pada titik i: Setelah melalui garis reaksi eutektoid, austenite berubah

membentuk perlit. Sedangkan Fe₃C pro sebelum reaksi masih tetap.

Gambar II-9 Foto struktur mikro 1,4% C dengan pembesaran 1000xFasa Pada Diagram Fasa Fe-Fe3C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

Baja karbon pada diagram fasa Fe-Fe3C akan mengalami

perubahan fasa seiring meningkatnya temperatur pemanasan logam. Fasa

yang akan terbentuk dipengaruhi oleh temperatur pemanasan dan

kandungan karbon pada baja tersebut. Fasa yang akan terbentuk seperti

pada diagram diantaranya adalah:

a. Ferrite atau α – iron

Merupakan struktur besi pada temperature ruang, ferrite lunak dan

mudah dibentuk, biasanya dikomersialkan dalam bentuk murni. Memiliki

kekuatan tarik hingga 45000 psi dan pada temperature dibawah 767 oC

bersifat ferromagnetic. Ferrite memiliki kelarutan yang rendah terhadap

karbon. Ferrite memiliki sel satuan atom BCC (Body Center Cubic).

b. Austenite atau γ – iron

Merupakan fasa stabil besi pada temperature antara 910 – 1400 oC.

Austenite juga lunak dan mudah dibentuk sehingga sangat cocok untuk

proses fabrikasi seperti fogging dan rolling. Memiliki kelarutan yang

cukup baik pada karbon yaitu 2 % dan bersifat paramagnetic.

c. δ – iron

Merupakan fasa stabil besi pada suhu diatas 1400 oC dan memiliki

struktur kristal BCC ( Body Center Cubic ). Sifatnya hampir sama dengan

ferrite dan sangat sedikit larut dalam karbon namun msih lebih baik

dibandingkan dengan ferrite.

d. Cementite ( Fe3C )

Strukturnya ortorombik dan mengandung 6,67 % karbon. Jika

dibandingkan dengan austenite dan ferrite, cementite sangat keras dan

tetapi getas karena adanya Fe3C dan ferrite.

e. Fe – C Eutectoid

Jika Fe – C eutectoid diturunkan temperaturnya maka akan

terbentuk ferrite dan Fe3C yang berasal dari austenite pada komposisi

eutectoid. Mikrostruktur yang terbentuk berupa lamellar dan biasa disebut

Pearlite, merupakan kondisi yang paling diinginkan pada pembuatan baja.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

2.4 Transformasi Fasa

Transformasi fasa adalah sebuah topik dasar yang harus dikuasai

untuk mempelajari perlakuan panas atau hardening. Konsep transformasi fasa

adalah mempelajari pengembangan mikrostruktur dari suatu material dan

pengaruhnya terhadap sifat mekanik. Transformasi secara umum dibagi

menjadi tiga,yaitu;

a. Transformasi yang tidak bergantung pada komposisi.

contoh: pembekuan logam murni, allotropic transformasi, rekristalisasi dan

pertumbuhan butir.

b. Transformasi yang bergantung pada komposisi fasa.

Contoh: transformasi pada fasa eutektoid.

c. Transformasi pada fasa mestabil.

Contoh: martensite transformasi.

Dalam proses perubahan fasa pada temperatur tertentu, terjadi

mekanisme transformasi yang berefek pada struktur mikro dan sifat mekanik

yang dihasilkan. Mekanisme transformasi fasa ada 2, yaitu:

a. Difusi: perubahan terjadi pada temperatur tinggi dan dalam waktu

pendinginan yang lama.

b. Geser (slip): perubahan pada temperatur tinggi dengan laju pendinginan

cepat.

Dan dalam perubahan fasa ada pula istilah kinetika fasa yang

membahas tentang laju reaksi fasa. Kinetika fasa pada transformasi fasa

terdiri dari dua proses, yaitu:

a. Nukleasi

Pembentukan fasa baru diawali oleh pembentukan partikel sangat kecil

atau nuklei dari fasa baru yang akan terbentuk.

b. Pertumbuhan Butir

Nuklei yang sudah terbentuk akan membesar dan membentuk fasa baru.

Pertumbuhan tersebut akan terus berlangsung hingga tercapai fraksi baru.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

2.4.1 Diagram Transformasi Fasa

Transformasi fasa bisa terjadi dengan memvariasikan temperatur,

komposisi dan tekanan. Perubahan temperatur terhadap fasa dapat dilihat

menggunakan diagram fasa. Namun untuk mengetahui struktur mikro akibat

laju pendinginan dapat diketahui melalui diagram transformasi fasa. Diagram

transformasi fasa terbagi dua berdasarkan jenis pendinginannya. Yaitu:

2.4.1.1 Isotermal Transformasi Diagram (ITT)

Diagram ITT/TTT adalah diagram pendinginan yang menggunakan

dua tahapan pendinginan untuk menghasilkan struktur mikro. Diagram

pendinginan berikut merupakan contoh pendinginan pada proses pendinginan

menggunakan model ITT.

Gambar II-10 Laju pembentukan struktur mikro menggunakan model ITT

Pada gambar tersebut terdapat grafik hubungan antrara temperatur dan

waktu pendinginan pada diagram pendinginan ITT. Pada gambar tersebut

digambarkan proses pendinginan untuk menghasilkan struktur mikro pada

diagram pendinginan ITT. Pada awalnya specimen dipanaskan dalam tungku

hingga mencapai temperatur austenitenya pada titik A (727°C +) , lalu

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16

dilanjut dengan dipindahkan ke tungku yang sudah diset pada titik B

kemudian dilakukan holding time pada temperatur titik B dan seiring waktu

pendinginan memasuki titik C diikuti dengann titik D hingga tercapai struktur

mikro akhir yang diinginkan.

Gambar II-11 Diagram pendinginan ITT

Dalam diagram pendinginan ITT tersebut dapat dilihat fasa-fasa yang

akan terbentuk pada temperatur pendinginan tertentu. A merupakan simbol

untuk fasa Austenite, P untuk pearlite, dan B untuk bainite.

2.4.1.2 Continous Cooling Temperature Diagram (CTT)

Diagram CCT menggambarkan skema transformasi fasa dengan laju

pendinginan kontinyu seperti pendinginan dalam tungku, pendinginan udara

atau quenching. Struktur mikro yang akan terbentuk bisa berupa pearlite,

pearlite-martensite dan martensite. Untuk menentukan waktu pendinginan

agar terbentuk struktur mikro yang diinginkan dapat dilihat pada diagram

CCT berikut.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

Gambar II-12 Diagram CCT baja eutektoid

Keterangan:

a. Ketika pendinginan dilakukan sangat cepat, maka akan terbentuk martensite.

b. Ketika waktu pendinginan ditambah, maka akan terbentuk martensite +

pearlite.

c. Ketika waktu pendinginan berlangsung lama, maka akan terbentuk pearlite.

d. Adanya unsur paduan tambahan memungkinkan untuk menggeser posisi

hidung pearlite dan hidung bainite, sehingga kemungkinan terbentuknya

martensite semakin besar.

2.5 Perlakuan Panas Pada Baja

Prinsip perlakuan panas baja adalah proses untuk mendapatkan sifat

mekanik baru melalui proses pemanasan dan pendinginan, untuk mendapatkan

struktur yang berbeda dari kondisi awal sebelum dilakukan perlakuan panas.

Secara umum perubahan struktur mikro tersebut terjadi akibat adanya

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

transformasi austenit. Austenit bertransformasi menjadi pearlite, bainite atau

martensite.

Fasa logam akan berubah pada seiring dengan perubahan temperatur. Dan

pada proses pemanasan baja ada beberapa garis temperatur yang harus

diperhatikan dimana apabila temperatur pemanasan sudah mencapai garis tersebut

maka akan terjadi perubahan fasa. Dan garis fasa yang dimaksud adalah garis A1,

A3 dan Acm. Untuk letak garis yang dimaksud dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar II-13 Garis temperatur pada diagram fasa Fe-Fe3C

Dalam memberi perlakuan panas pada baja, banyak metode yang

digunakan tergantung dengan struktur mikro dan sifat mekanik baja yang ingin

dihasilkan. Macam-macam perlakuan panas diantaranya adalah stress relieving,

annealing, full annealing, parsial annealing, spheroidizing, normalizing,

hardening dan tempering. Dan dalam tugas akhir ini, perlakuan panas yang akan

diberikan pada baja adalah:

2.5.1 Full annealing

Full annealing adalah proses pemanasan dilakukan pada daerah austenik,

yang diikutidengan pendinginan yang sangat lambat. Pemanasan dilakukan sekitar

30-50 °C diatas temperatur kritis (A3) untuk baja hypoeutektoid. Untuk baja

paduan temperatur pemanasan dapat dilakukan pada suhu yang lebih tinggi sekitar

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19

AC₃ + 50 °C, sedangkan untuk baja hypereutektoid dapat dilakukan diatas suhu

Acm.

Dengan melakukan full annealing akan didapat struktur mikro seperti

semula sebelum dilakukan perlakuan panas pada logam. Pengerjaan full annealing

pada baja karbon akan menghasilkan struktur fasa ferit perlit dengan kekerasan

rendah serta ulet. Full annealing biasa dilakukan untuk mengurangi stress pada

benda hasil tempa.

Keuntungan yang didapat dari proses ini adalah sebagai berikut :

1. Menurunkan kekerasan

2. Menghilangkan tegangan sisa

3. Memperbaiki sifat mekanik

4. Memperbaiki mampu mesin dan mampu bentuk

5. Menghilangkan terjadinya retak panas

6. Menurunkan atau menghilangkan ketidak-homogenan struktur

7. Memperhalus ukuran butir

8. Menghilangkan tegangan dalam dan menyiapkan struktur baja untuk proses

perlakuan panas.

Proses Annealing tidak dimaksudkan untuk memperbaiki sifat mekanik baja

perlitik dan baja perkakas. Sifat mekanik baja struktural diperbaiki dengan cara

dikeraskan dan kemudian diikuti dengan tempering. Proses Annealing biasa

digunakan pada benda hasil forging agar dapat dilakukan proses lanjut seperti

finishing dan pemesinan. Baja pada proses pembuatan mata kapak juga dilakukan

Annealing sebelum kemudian dilakukan Hardening pada bagian ujungnya.

Gambar II-14 Kurva annealing

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

2.5.2 Hardening

Hardening dikenmal sebagai proses pengerasan. Proses ini dapat

dilakukan dengan pemanasan pada suhu hardening dilanjutkan dengan holding

time, dan pendinginan cepat (quenching) dengan oli, air atau air garam.

Proses pendinginan cepat dari temperatur austenite akan menghasilkan

fasa metastabil yang disebut dengan martensite. Temperatur hardening

dipengaruhi komposisi kimia, untuk baja hypo dilakukan pada temperatur 30-50

°C diatas A₃, sedangkan baja hyper dilakukan diatas temperatur A₁.

Gambar II-15 Diagram CCT pada proses quenching, laju pendinginan terjadi sebelum garis merah (CCR)

Pada diagram tersebut digambarkan hubungan antara waktu pendinginan

dengan temperatur pemanasan, dimana apabila baja dilakukan pendinginan

dengan cepat maka garis pendinginan pada baja akan terbentuk disebelah kiri

critical cooling rate, dan akan terbentuk struktur mikro baja berupa martensite.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

Dengan melakukan quenching akan didapat kekerasan maksimal dan

struktur mikro martensite akibat partikel mengalami slip pada saat pendinginan.

Sehingga partikel karbon tidak terdifusi secara sempurna. Hardening biasa

dilakukan untuk benda-benda yang membutuhkan kekerasan tinggi seperti pisau

potong dan punch pada press tool

2.5.3 Tempering

Hardening menyebabkan baja memiliki kekerasan tinggi, tahan aus dan

memiliki kekuatan tinggi. Namun hardening menyebabkan berkurangnya

ketangguhan dan keuletan. Maka dari itu untuk dilakukan tempering untuk

memperbaiki sifat baja dengan cara memanaskan dibawah temperatur kritisnya

dan dilanjutkan dengan pendinginan udara.

Tempering adalah perlakuan panas lanjutan yang dilakukan setelah proses

hardening atau pengerasan, yang tujuanya berupa mengurangi ataupun

menyeimbangkan kekerasan akibat pendinginan yang cepat dan temperature yang

tinggi.

Martensit selain bisa menjadi sangat keras, bisa juga menjadi sangat rapuh

yang sebagian besar tidak dapat diaplikasikan, juga tekanan internal yang

mungkin sudah diberikan saat pendinginan memiliki efek melemahkan. Keuletan

dan ketangguhannya dapat ditingkatkan dan tekanan internalnya pun dapat

dibebaskan melalui perlakuan panas yang dikenal sebagai tempering. Tempering

dilakukan dengan memanaskan baja martensit pada suhu di bawah eutektoid

untuk jangka waktu tertentu. Biasanya, tempering dilakukan pada suhu antara

250 hingga 650 . Kemungkinan tekanan internal bebas saat suhu serendah

200 .

Pada saat hasil quenching ditempering, fase tunggal martensit yang jenuh

dengan karbon, membentuk transformasi menjadi martensit temper. Terdiri dari

ferrite dan fasa sementit, seperti yang ditandai pada diagram fasa karbida. Struktur

mikro martensit temper terdiri dari partikel sementit yang sangat kecil tersebar

dan tertanam dalam matriks ferrite. Hal ini mirip dengan struktur mikro speroidit.

Ukuran partikel sementit memengaruhi sifat mekanik dari martensit temper.

Perlakuan panas menentukan ukuran partikel sementit. Variabel perlakuan panas

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22

adalah suhu dan waktu, dan sebagian besar dari perlakuan panas adalah proses

suhu konstan.

Ada beberapa metoda tempering untuk menghasilkan struktur mikro yang

berbeda, diantaranya adalah:

a. Temper I (150-300 °C)

Pada temper ini terjadi dekomposisi dari martensite dengan kandungan

karbon tinggi menjadi martensite kandunan kandungan karbon rendah.

Tujuan: Mengurangi tegangan kerut serta kerapuhan baja.

Aplikasi: Alat kerja yang tidak mengalami pembebanan yang berat.

Contoh: Poros pompa air, Sprocket rantai, Axle shaft, Mata bor untuk

kaca dan lainnya.

b. Temper II (300 – 500 °C)

Pada tempering ini maka austenite sisa akan membentuk bainite. Namun

bainite ini berbeda dengan bainite konvensional. Dalam bainite ini

mengandung ferite dan karbida epsilon.

Tujuan: Menambah keuletan dan mengurangi kekerasan.

Aplikasi: Alat kerja yang mengalami pembebanan yang berat.

Contoh: Crankshaft, Connecting rod, Palu, pahat, pegas.

c. Temper III (500 – 650 °C)

Dikenal dengan temper tinggi, pada tempering ini akan dihasilkan karbida

sementit dengan matrik ferrite.

Tujuan: Memberi keuletan tinggi dan mengurangi kekerasan menjadi

rendah.

Aplikasi: Alat kerja yang mengalami pembebanan yang berat.

Contoh: Roda gigi, poros, batang penggerak.

Pada umumya tempering dilakukan untuk benda-benda yang

membutuhkan kekerasan tinggi namun juga tidak getas dan memiliki keuletan.

Contohnya adalah cast iron bracket dan high carbon spring.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

23

Gambar II-16 Pengaruh tempering terhadap sifat mekanik material pada baja AISI 1050

2.5.4 Kegagalan Pada Hardening

Pada proses hardening, ada beberapa kegagalan dalam hardening yang

menyebabkan adanya cacat pada benda kerja yang dilakukan perlakuan panas.

Adapun kegagalan, penyebab serta cara untuk menghindari terjadinya kegagalan

pada hardening terdapat pada tabel dibawah ini.

Table II-I Cacat, Penyebab, Solusi Hardening menurut Suroto dan Sudibyo (1983)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

24

2.6 Mikrostruktur

Banyak sekali sifat fisik, sifat mekanik material tergantung oleh struktur

mikro. Mikro struktur merupakan bagian yang penting dalam pengamatan

mikroskopik, baik menggunakan optik atau mikroskop elektron. Struktur mikro

baja tergantung dari paduan dalam baja serta perlakuan panas yang dilakukan

pada baja. Diantara mikrostruktur yang akan terbentuk pada baja karbon adalah:

2.6.1 Martensite

Pada saat baja dipanaskan hingga fasanya berubah menjadi austenite dan

dilanjut dengan pendinginan cepat (Quenching) maka akan terbentuk fasa

martensite.

Martensite merupakan struktur satu fasa yang tidak setimbang dikarenakan

pembentukan struktur mikro terjadi sangat cepat. Fasa martensite berbentuk plat

atau seperti jarum warna hitam dengan adanya sebagian austenite yang tidak dapat

bertransformasi disebut dengan austenite sisa dengan warna putih. Martensite

memiliki sel satuan BCT sehingga bersifat keras dan getas.

Martensite terbentuk pada titik martensite start pada diagram pendinginan

CTT. Garis temperature martensite start dapat naik atau turun tergantung dengan

kandungan unsur penyusun baja tersebut terutama karbon. Untuk menentukan

martensite start dapat diperoleh dengan rumus:

Ms(°C) = 539 – 423WC – 30,4WMn – 17,7WNi – 12,1WCr – 7,5Wmo

Dengan keterangan:

Ms = Martensite start

WC = Kandungan karbon

WMn = Kandungan mangan

WNi = Kandungan nikel

WCr = Kandungan krom

WMo = Kandungan molybdenum

Untuk baja yang memiliki kandungan seperti AISI 1045 dimana terdiri dari

karbon, mangan, fosfor, sulfur maka yang dihitung hanya kandungan karbon dan

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25

mangannya saja seperti yang tertera pada rumus. Maka rumus untuk AISI 1045

akan menjadi:

Ms(°C) = 539 – 423WC – 30,4WMn

Menentukan temperature martensite start dapat dilakukan dengan

mengamati grafik antara martensite start temperature dan kandungan karbon.

Dimana dari grafik tersebut dapat diketahui martensite start temperature dan jenis

martensite yang akan dihasilkan.

Gambar II-17 Grafik Martensite Start

Saat baja di-quenching terjadi perubahan fasa dari fasa austenite menjadi fasa

martensite. Fasa martensite yang terbentuk tidak berupa 100% martensite, namun

terdiri dari setidaknya 80% martensite dan 20% austenite sisa. Dikarenakan

sebelum terbentuk 100% martensite sudah memasuki titik martensite finish

sehingga tidak terjadi 100% martensite. Laju pembentukan martensite dapat

diketahui dengan persamaan berikut:

M10 = Ms – 18

M50 = Ms – 85

M90 = Ms – 185

M100 = Ms – 387

Dimana dari persamaan tersebut dapat diketahui pembentukan martensite mulai

dari pembentukan martensite pada tahap 10% hingga tahap 100% yang bisa

disebut dengan martensite finish.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

26

Gambar II-18 Struktur mikro martensite

2.6.2 Tempered Martensite

Hasil quenching menyebabkan baja karbon memiliki struktur mikro

martensite yang keras dan getas sehingga mudah patah dan memiliki keuletan

yang rendah. Itu menyebabkan penggunaan baja tersebut kurang cocok untuk

beberapa aplikasi. Maka dari itu baja perlu ditemper untuk memperbaiki sifat

mekaniknya. Hasil dari tempering menghasilkan struktur mikro tempered

martensite. Dimana tempered martensite memiliki kekuatan tidak sekuat

martensite namun memiliki keuletan lebih baik.

Gambar II-19 Struktur mikro tempered martensite

Martensite

Austenite sisa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

27

2.6.3 Coarse Pearlite

Coarse pearlite atau pearlite kasar dapat dihasilkan dengan metoda CCT

atau ITT. Pada diagram ITT maka pendinginan baja dari fasa austenite diperlukan

mendekati garis eutektoid. Pada diagram CCT maka diperlukan pendinginan

dengan waktu sangat lama. Sifatnya lebih kuat dan lebih keras dari spheroidite

namun tidak lebih ulet dari spheroidite.

Gambar II-20 Struktur mikro pearlite kasar

2.6.4 Fine Pearlite

Fine pearlite atau pearlite halus dapat dihasilkan dengan metoda CCT atau

ITT. Pada diagram ITT maka pendinginan baja dari fasa austenite diperlukan jauh

dibawah garis eutektoid. Pada diagram CCT maka diperlukan pendinginan dengan

waktu sedang atau lebih lama dari pembentukan martensite namun lebih cepat

dari pembentukan perlit kasar. Sifatnya lebih kuat dan lebih keras dari perlit kasar

namun tidak lebih ulet dari perlit kasar.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

28

Gambar II-21 Struktur mikro pearlite halus

2.6.5 Bainite

Bainite pada dasarnya memiliki kesamaan dengan perlit karena struktur

mikronya sama-sama terdiri dari ferrite dan cementite, namum struktur mikro

bainite berbentuk plate atau jarum.

Struktur mikro bainit bisa didapatkan melalui sistem pendinginan dengan

diagram ITT. Dimana bainit dapat didinginkan dibawah garis N (540°C). Logam

dengan struktur mikro bainit memiliki sifat lebih keras dan lebih kuat daripada

perlit halus namun tidak lebih keras dari martensite. Dan memiliki keuletan lebih

baik dari martensite.

Gambar II-22 Struktur mikro bainit

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

29

2.6.6 Spheroidite

Struktur mikro spheroidite merupakan hasil transformasi dari fasa pearlite

atau bainite. transformasi dapat dilakukan dengan melakukan pemanasan

mendekati temperatur eutektoid (700°C) dengan waktu 18-24 jam. Partikel bulat

didapat dari kualisi Fe3C, dengan matrik ferrite, proses ini terjadi secara difusi

sehingga komposisi bainite relatif sama dengan komposisi pearlite sebelumnya.

Struktur mikro spheroidite memiliki sifat lunak dan ulet.

Gambar II-23 Struktur mikro spheroidite

2.7 Metalografi

Merupakan disiplin ilmu yang mempelajari karakteristik mikrostruktur

dan makrostruktur suatu logam, paduan logam dan material lainnya serta

hubungannya dengan sifat-sifat material, atau biasa juga dikatakan suatu proses

umtuk mengukur suatu material baik secara kualitatif maupun kuantitatif

berdasarkan informasi-informasi yang didapatkan dari material yang diamati.

Dalam ilmu metalurgi, struktur mikro merupakan hal yang sangat penting untuk

dipelajari. Karena struktur mikro sangat berpengaruh pada sifat fisik dan mekanik

suatu logam. Struktur mikro yang berbeda sifat logam akan berbeda pula. Struktur

mikro yang kecil akan membuat kekerasan logam akan meningkat. Dan juga

sebaliknya, struktur mikro yang besar akan membuat logam menjadi ulet atau

kekerasannya menurun. Struktur mikro itu sendiri dipengaruhi oleh komposisi

kimia dari logam atau paduan logam tersebut serta proses yangdialaminya.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30

Metalografi bertujuan untuk mendapatkan struktur makro dan mikro suatu

logam sehingga dapat dianalisa sifat mekanik dari logam tersebut. Pengamatan

metalografi dibagi menjadi dua, yaitu:

a. Metalografi makro, yaitu penyelidikan struktur logam dengan pembesaran 10 ±

100kali.

b. Metalografi mikro, yaitu penyelidikan struktur logam dengan pembesaran 1000

kali.

Untuk mengamati struktur mikro yang terbentuk pada logam tersebut

biasanya memakai mikroskop optik. Sebelum benda uji diamati pada mikroskop

optik, benda uji tersebut harus melewati tahap-tahap preparasi. Tujuannya adalah

agar pada saat diamati benda uji terlihat dengan jelas, karena sangatlah penting

hasil gambar pada metalografi. Semakin sempurna preparasi benda uji, semakin

jelas gambar struktur yang diperoleh. Adapun tahapan preparasinya adalah

sebagai berikut :

a. Pemotongan spesimen

Bahan yang ingin dilihat struktur mikronya perlu dipotong kecil agar bisa

dimounting pada tahap selanjutnya.

b. Mounting

Specimen yang sudah dipotong dimounting dengan menggunakan serbuk bakelit

dan dipress hinga padat dengan specimen tertanam didalamnya.

c. Pengampelasan

Specimen yang sudah dimounting lalu kemudian diampelas dengan menggunakan

mesin rotary grinding secara bertahap mulai dari amplas 120, 180, 220, 400, 600,

800, 1000, 1200, 1500 hingga 2000. Pindah amplas dapat dilakukan apabila

specimen sudah rata dan satu arah amplas.

d. Proses poles

Setelah diamplas menggunakan yang paling halus maka pengerjaan dapat

dilakukan dengan polishing dengan bantuan pasta dan alumina pada saat

pengerjaan. Polishing dapat selesai apabila sudah tidak terdapat goresan pada

specimen.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

31

e. Pengetsaan

Etsa dilakukan untuk specimen yang sudah tidak memiliki garis dan sudah

dikeringkan. Untuk larutan etsa dapat dilihat pada buku panduan ASTM sesuai

dengan bahan yang ingin diisi. Kemudian dicuci dan dikeringkan agar struktur

mikro dapat terlihat.

f. Pengambilan Gambar

Pengambilan gambar pada specimen yang sudah dilakukan pengetsaan dapat

dilakukan dengan menggunakan mikroskop yang tersambung dengan komputer.

Dengan begitu struktur mikro dapat terlihat pada komputer dan dilakukan

pengambilan gambar.

2.8 Uji Keras

Uji keras adalah sebuah cara untuk mengetahui kekerasan dari sebuah

material. Dan kekerasan adalah kemampuan bahan untuk tahan dari deformasi

plastis. Kekerasan benda dapat diuji dengan beberapa cara, diantaranya adalah

dengan brinnel hardness, rockwell hardness, vickers hardness dan mikro

hardness. Dalam tugas akhir kali ini kami menggunakan mikro hardness.

Pengujian kekerasan menggunakan mikro hardness dapat menghasilkan

berbagai macam satuan pengukuran kekerasan. Beban yang digunakan pun variatif

mulai dari 1-1000 g, bentuk indentornya pun variatif terdapat piramid dan bola

untuk sesuai keperluan pengukuran. Pada mesin uji mikro terdapat mikroskop untuk

menentukan titik pengujian kekerasan dan mengukur luas daerah hasil penekanan

beban.

Untuk menggunakan mesin uji keras mikro hardness diperlukan benda yang

sudah dipoleshing agar struktur mikro benda dapat dilihat melalui mikroskop mesin

mikro hardness. Dan hasil pengukuran dengan mesin mikro hardness dapat dilihat

pada display yang tersedia pada mesin.