FRAKTOGRAFI DAN MET ALOGRAFI SAMPEL HASIL UJI T...
Transcript of FRAKTOGRAFI DAN MET ALOGRAFI SAMPEL HASIL UJI T...
Fraktografl dun Metalografl Sampel Hasil Uji Tarik Incoloy 800H Non Iradiasi dun Pasca Iradiasi (Budi B. 18 -22)
FRAKTOGRAFI DAN MET ALOGRAFI SAMPEL HASIL UJI T ARIKINCOLOY 800H NON IRADIASI DAN P ASCA IRADIASI
Budi Briyatmokot, Nusin Samosirl daD SuryantoZ'P2TBDU- BATAN. Kawasan Puspiptek, ,~erpnng. Tangerang 1531./, Banten
2p2PN- BATAN, Kawa.\'an Pu.\'piptek, ,~erpong, Tan""eral)KI531./. B£mten
ABSTRAK
FRAKTOGRAFI DAN MET ALOGRAFI SAMPEL HASIL UJI T ARIK INCOLOY 800H NON IRADIASI DANPASCA IRADIASI. Telah dilakukan fraktografi dan metalografi sampel hasil uji tarik Incoloy 800H non iradiasi dan pasca
iradiasi, Sampel tersebut telah diiradiasi dalam realtor pada temperatur 375 °C denganjluence netron termall, I x 1021 n/ cm2 dan
netron cepat (E>O, I MeV) 1,0 x 1021 n/ cm2, Sampel non iradiasi dikcnai pcrlakuan panas pada suhu 375 °C sclama 126 hari dalam
media helium, Uji tarik telah dilakukan pads suhu 600 °C dan 850 °C dengan waktu penahanan masing-mlL~ing I jam pad a kondisi
atmosfir, Patahan sampel uji tarik tersebut diamati dengan menggunakan mikroskop optik. Fraktografi dilakukan untuk melihat
bentuk patahan secara makroskopik, Metalograti dilakukan didaerah patahan sarnpai dengan 15 mm dari ujung patahan. Karaktcristik
patahan sampel non iradiasi pada suhu 600 °C dun 850 °(.: uduluh du(.'tile ji'(J(.'fur,', Sumpc! puscu iradiusi pudu suhu bOO "c..'
mempunyai karaktcristik du(.'tile!racture, scdangkan pada suhu 850 °(' karaktcristik palahannya adalah ill/('r,l,'rallular/i"acturc,
Jadi dapat diduga bahwa telah te~jadi irradiation emhrilllement pada Incoloy 800H pada suhu 850 °('.
ABSTRACT
FRACTOGRAPHY AND META LLOGRAPHY OF TENSILE TESTED SA MPLES OF NON IRRADIA TED ANDPOST IRRADIATED INCOLOY 800H. Fractography and metallography of tensile tested samples of non irradiated and postirradiated Incoloy 800H had been conducted. The samples had been irradiated in reactor at 375 °<'; with thermal neutron 11u~nc~of 1,1 x 1021 n/ cm2 and fast neutron (E>O, I MeV) of 1,0 x 1021 n/ cm2. Non irradiated samples were heat treated attemperaturcof 375 °C for 126 days in the medium of helium. Tensile tests had been conducted at temperatures of 600 °C and 850 °C \\'ithholding time each for I hour in the atmosphere condition. The tensile tested samples were examined by using optical microscopc.Fractography has been conducted on the samples to examine fracture mode macroscopicly. Metallography observations \\crcdone in the fracture area up to 15 mm from point of the fracture. The characteristic of non irradiated samples at temperatllrC5 of600 °C and 850 °C is ductile fracture. Post irradiated samples at 600 °C have characteristic of ductile fracture. while attemperature of850 °C the fracture characteristic is intergranular fracture, So, it can be predicted that irradiation cmbrittlcmcntwas occur in Incoloy 80011 at temperature of 850 °C .
1. PENDAHULUAN
Paduan Incoloy 800H merupakan paduan superalloy yang berbasis campuran nikel-besi, Paduan inimempunyai struktur FCC dan mengandung presipitat y'dengan struktur NiJAI yang bersifat mengeraskan bahan,Presipitat tersebut dapat dilihat dengan mikroskopoptik[l]. Paduan ini memiliki sifat ketahanan korosi tinggidan tahan suhu tinggi. Karena sifat keunggulan yangdimiliki tersebut maka paduan ini dipakai sebagai mate-rial struktur pacta reaktor suhu tinggi, misalnya sebagaikomponen intermediate heat exchanger, [1,2] Materialtersebut hams mampu menahan kegetasan yang terjadipacta suhu tinggi akibat oleh adanya helium menurutreaksi s8Ni (n,y) s9Ni (n,a) s6Fe.[3] Terjadinya kegetasan
pada bahan sangat tidak diharapkan. Pad a penclitian ini
dipelajari kemungkinan terjadinya kegetasan(embrittlement) pad a Incoloy 800H dengan mengamati
patahan hasil uji tarik menggunakan mikroskop optik.
2. TATAKERJA
Bahan yang dipelajari adalah patahan sam pellncoloy 800H hasil uji tarik pad a suhu 600 dan 850 DCdalam kondisi atmosfir, Komposisi materiallncoloy 800Htertulis dalam Tabel I. Sebagian sam pel uji tarik telahmengalami iradiasi pacta suhu 375 DC dengan fluef7(""netron termal 1,1 x 1021 n cm-2 dan netron cepat
Tabel Komposisi kimia Incoloy 800H (dalam %)
J. Mikro.~kopi dun Mikrounu/isis Vo/.3 No.ll00018
J. Mikroskopi dun Mikroanalisis Vol.3 No.2 2000 ISSN /4/0-5594
(u)
(II)
Gambar 1. Strukturmikro bahan non iradiasi (a) dan pa~cairadiu£i (b); pcrbl:~urul1 100 x
Namun demikian, karena pada bahan yang tclahdiiradiasi umumnya terbentuk cacat titik akibat tumbukan
neutron dengan atom-atom bahan, makn kckuatan hahan
yang telah diiradiasi akan tetap lebih tinggi. Hal ini karcna
dengan adanya cacat titik maka pergerakan dislokasi Yallg
terjadi pada saat bahan mengalami peregangan akan
terhambat. Tertahannya laju dislokasi terse but
menyebabkan tegangan menjadi naik atau bahan mcnjadikuat, namun keuletannya menjadi berkurang. Pad a kcdua
gambar terse but nampak adanya bintik-bintik kccil yang
terdistribusi merata baik di dalam butir maupul1 di batas
butir. Bintik-bintik terse but kemungkinan adalah
presipitat yang terbentuk dari unsur paduano Struktur
presipitat tersebut dapat berupa Ni,AI. MC. M,.C. danM2)C", dimana M adalah unsur logam dan C adalah
karbon[ I]. Namun demikian, karcna pada paduan ini
kandungan C sangat kecil maka kemul1~kinan
presipitatnya ban yak yang mempunyai struktur Ni,AI.
(E>O, I MeV) 1,0 x 1021 n cm-2. Sampel non iradiasi telah
mengalami perlakuan panas pada suhu 375 °C denganwaktu sarna dengan waktu iradiasi yaitu 126 hari dalam
media helium.
Bentuk sampel uji tarik adalah silinder dengan
ukuran panjang gauge 28 mm dan diameter gauge
4,5 mm. Patahan sampel hasil uji tarik diamati dengan
menggunakan mikroskop optik untuk melihat strukturmikro sampel sebelum dan sesudah iradiasi pada suhu
tinggi. Pengamatan fraktografi dan metalografi dilakukan
dengan menggunakan periskop dan mikroskop optik,keduanya dilengkapi dengan alat fotografi. Fraktografidilakukan untuk melihat bentuk patahan sampel secara
makroskopik. Sedangkan metalografi dilakukan di daerahpatahan sampel non iradiasi dan pasca iradiasi pada posisikurang lebih 15 mm dari ujung patahan (di daerah
necking). Pada daerah tersebut sampel dipotong dengan
menggunakan abrasive diamond cutter, kemudianpotongan dibelah menjadi dua. Hasil belahan tersebut di
mounting dan digerinda. Penggerindaan dilakukan
dengan piringan intan dengan grit 320 selama 6 menitmemakai pendingin kerosin. Selanjutnya. penggerindaan
dilakukan dengan menggunakan abrasifsilikon karbit grit
400 selama 50 detik dengan pendingin terpentin.
Berikutnya sampel dipoles dengan pasta intan grit 3dan I mm masing-masing selama 3 dan 2 men it. Sampel
kemudian dietsa dengan reagen kimia V2A-Beize selama
5.10 detik.
Pemeriksaan metalografi dilakukan dengan
mikroskop optik. Analisis kekerasan sampel uji tarik noniradiasi dan pasca iradiasi dilakukan dengan
menggunakan uji kekerasan mikro Vi(,'kers Hardness Hv
0,1 yaitu dengan menggunakan beban 100 gram danwaktu indentasi 15 menit. Titik pengujian pada sampel
dimulai dari ujung patahan sampel sampai dengan 15 mm
dari ujung patahan.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pad a Gambar I a clan 1 b ditunjukkan perbedaan
strukturmikro hasil pengamatan dengan mikroskop optik
masing-masing untuk bahan non iradiasi clan bahan
pasca iradiasi. Dari gambar tersebut nampak bahwa
ukuran butir dipengaruhi oleh iradiasi. Pada bahan pasca
iradiasi ukuran butimya lebih besar dari pada ukuranbutir bahan non iradiasi. Kedua bahan terse but
dipanaskan pada suhu 375 °C clan waktu 126 hari, bahan
non iradiasi dipanasi di dalam tungku clan bahan yang
lain diiradiasi di dalam reaktor. Adanya pertumbuhan butir
pada bahan pasca iradiasi dimungkinkan karena adanya
gradien suhu di dalam reaktor sehingga dapat timbul
adanya regangan (strain) di dalam bahan. Bila bahan
mengalami strain maka dimungkinkan dapat terjadi
pertumbuhan butir. Ukuran butir sangat mempengaruhisifat mekanik bahan. Makin besar ukuran butir makin
rendah kekuatan mekanik dan mudah patah[4].
(a)
(b)
Gambar 2 Strukturmakro patahan sampcl uji tarik non
iradiasi (a) dan pa.~'a iradiasi (h): pcrhcsaran 2 x
19
Fraktografi don Meta/ografi Sampe/ Has;/ Uj; Tar;k Inc%y 800H Non Irad;as; don Pasco Irad;as; (Budi B. 18 -22)
Pada sampel pasca iradiasi presipitat masih tetap nampak.Artinya, presipitat tidak larut oleh akibat adanya iradiasidan masih stabil sampai dengan suhu iradiasi 375 DC.
Pada Gambar 2a dan 2b ditunjukkan bentuk makropatahan sampel uji tarik pada suhu 600 DC masing-masingberturut-turut adalah sam pel non iradiasi dan pascairadiasi. Pad a kedua gambar tersebut nampak bahwakedua sampel sebelum patah pada ujungnya mengalamipengecilan diameter (necking). Besamya necknig untukkedua sampel nampak hampir sarna. Dengan demikiandapat dimengerti bahwa keuletan kedua sampel adalahrelatif sarna. Terjadinya necking pada ujung patahansampel uji tarikjuga dapat dianalisis dari data hasil ujikekerasan patahan sampel di daerah necking seperti yangditunjukkan dalam Tabel2.
(a)
...
Tabel 2. Kekerasan patahan sarnpel uji tarik Incoloy800H non iradiasi dan pasca iradiasi pada tcmpcraturuji 600 dan 850. C.
Jarak Kekerasan patahan '
dari ujung sam~~ji tarik, HV 0,1
patahan(~ m)
(b)
Posisi Pa.o;ca iradiasi
I
Non iradlaSI -1600°('
I R50°C !242 '
262
-6~'
~425 I
383 I
394425382390359329292304
-:ij5()OC 224
195
189
215
178
219
225
201
199201
I~atahan I 300
600
1000
1500
2000
3000
5000
7000I 10000
15000
341
308~~14 319 I
I 327
260
ill114
, .'" ' ,
{iambar 3 Strukturmikm ujung patahan ~ampcl uji tarik
non iradia~i (a) dan ~ampcl pa~ca iradia~i (bl pada ~lIhll
600 °('; pcrbc~aran 100 x
329ill
304m221211202205183190
I 5
8tile fracture). Karakteristik terjadinya patah ulet dapat
ditunjukkan dengan adanya pergeseran balas butir.
dimana bentuk butimya memanjang searah legangan,
Lebih dari itu, juga ditunjukkan dengan adanya lubang-lubang yang memanjang searah tegangan yang dilerimaoleh bahan tersebut. Lubang-lubang tersebul berada di
dekat ujung patahan. Lubang (void) dapat timbul karcna
adanya pengaruh suhu tinggi, tegangan linggi. dan
komposisi matrik yang heterogen,[5) Lubang tersebut
juga dapat timbul pada inklusi dan dapat bergabungmenjadi satu karena terjadinya internal net'kin"". [5]
Sedangkan lubang (\'oid) pada sampel pasta iradiasi(Gambar 3b), selain dari adanya inklusi atau presipilat
juga dapat berasal dari penggabungan vakansi yang
timbul akibat iradiasi. ~'oid at au ca\'ii)' umumnya lebih
mudah terbentuk pada batas butir dim ana lerjadi
konsentrasi tegangan. Salah satu cacat di dalam batas
butir yang dapat menyebabkan timbulnya void adalah
partikcl presipitat,[5) Partikel ini sangat efeklif sebagai
pusat konsentrasi tegangan, ~'oid dapat tumbuh mcnjadi
besar dengan menyerap vakansi-vakansi schingga dapalsaling bergabung menjadi satu dan menjadi lebih bcsaryang akhimya dapat menyebabkan tcr:iadinya patah. Pad a
suhu 600 °C, sampel non iradiasi dan pasta iradiasi masih
menunjukkan sifat keuletannya, Kcdua sampcllersebutpatah setelah mcncrima tegilngan yang cukup tinggi, dan
sebelum patah menunjukkan adanya necking sehingga
nilai elongasinya tinggi,
~
O4- 297
311
9~'-n-
Adanya necking rnenunjukkan bahwa di daerah
terse but terjadi penurnpukan dislokasi yang bergerakrnenuju ujung patahan akibat adanya uji tarik. Dengan
menurnpuknya dislokasi pada ujung sam pel rnaka pada
daerah itu kekerasannya menjadi tinggi. Pada suhu
600 °C untuk sarnpel non iradiasi, pengerasan karena
necking terjadi mulai dari ujung patahan sampai dengan3000 j.lm dari ujung patahan. Sedangkan untuk kondisi
yang sarna pada sarnpel pasca iradiasi, pengerasan karena
necking terjadi rnulai dari ujung patahan sarnpai dengan
2000 j.lrn dari ujung patahan. Artinya necking yang terjadipada sampel pasca iradiasi relatif sedikit lebih pendek.
Jadi panjang necking untuk kedua sarnpel tersebut dapat
dianalisis dari hasil uji kekerasan. Dengan demikian dapatdikatakan bahwa Incoloy 800H yang telah diiradiasi clan
diuji tarik pada suhu 600 °C rnasih rnenunjukkan keuletan
yang hampir sarna dengan bahan yang tidak diiradiasi.
Artinya, bahan tersebut rnasih tahan iradiasi sampai
dengan suhu 600 °C.Pada Gambar 3a clan 3b ditunjukkan struklum,ikro
ujung patahan sarnpel uji tarik pada suhu 600 °C masing-masing berturut-turut adalah sampcl non iradiasi dan
sarnpel pasca iradiasi. Dari gambar terse but narnpak
bahwa pada sarnpel non iradiasi terjadi patah ulet (duc-
J. M;kro.fkop; dun M;kroana/is;s Vo/.j No.2 200020
J. Mikroskopi dan Mikroanalisis Vol.) No.2 2000/SSN /4/0-.i'.i'94
dekat ujung patahan menunjukkan retakan yang
berbentuk w (wedReJ. dan sedikit yang berbentuk lobang
(cavity) atau void. Dimungkinkan bentuk patahannya
dapat mengikuti bat as butir bila di dalam batas butirtersebut terdapat banyak rctakan yang berbentuk wedge.
Biasanya retak kecil yang berbentuk II'ed",,(' terbentuksecara spontan pad a titik temu tiga batas butir (Rrain
houndaryi triple pni"t.~) yang mcngalami tegangan.rS]Sedangkan pada sampcl pasc;a ir"dia~i I1\cnunjukknntclah terjadi patah getns (hrittl(',ji'/I,.tur('I. Iial ini nan1J'1nk
dari tidak adanya lobang atau retak kecil disekitar ujung
patahan, dan bentuk butirannyn tidak n1emanjang dan
secara mnkroskopik tidak terjndi ",'cki"",. Pada sam pel
pasca iradiasi juga mcnunjukkan adanya bcntuk patahan
imergranular yaitu putah yang mcngikuti batas butir(grain boundary fracture). Tidak adanya in/ernal,'rackatau kavitasi di dekat permukaan patahan dan tidak
adanya deformasi butir pad a sampel pasco iradiasi dapatdiscbabkan karena terjadinya proses pcngcrasan akibat
radiasi (radia/ion har,Ienin",) pada butir. Adanya
radiation hardeninR tersebut menyebabkan terjadinya
patah get as ~cpanjal1g bat as butir. Scdangkan patal1 uici
yang terjadi pada sampel non iradiasi dapat disebabkankarena retak-retak kecil atau kavitasi yang ada 111cngalan1i
pertumbuhan sangat lambat akibat dari proses difusipergeseran batas butir.
(a)
(b)
Gambar 4. Strukturmikro patahan semper uji tarik noniradiasi (a) dan pasca iradiasi (b); pcrbcsaran 7 :<
(3)
(b)
Pada Gambar 4a dan 4b ditunjukkan gambar
struktum1akro patahan sam pel hasil uji tarik pada suhu850 °C masing-masing berturut-turut adalah sampel non
iradiasi dan sampel pasca iradiasi. Patahan sampel non
iradiasi (Gambar 4a) menunjukkan telah terjadi necking
yang cukup tinggi dan nampak jelas berbeda bila
dibandingkan dengan patahan sampel pasca iradiasi(Gambar 4b). Artinya, sampel non iradiasi masih
menunjukkan keuletannya, sedangkan sampel pascairadiasi sudah menunjukkan kegetasannya karena pada
sam pel pasca iradiasi sebelum patah tidak terjadi
necking. Jadi secara makroskopik sudah dapat dimengerti
bahwa sampeJ pasca iradiasi sudah menunjukkan
terjadinya patah getas. Seperti diuraikan di atas,
tcrjadinya IIt:cking pada ujung patahan sampcl uji tarikjuga dapat dianalisis dari data hasil uji kekerasan seperti
yang tertulis daJam TabeJ 2. Pada suhu 850 °C untuk
sampel non iradiasi, pengerasan karena necking ter:iadi
mulai dari ujung patahan sampai dengan 7000 f.1m dari
ujung patahan. Sedangkan untuk kondisi yang sarna pada
sampel pasca iradiasi. pengerasan karena necking hanya
terjadi pada ujung patahan. Dengan demikian dapat
dikatakan bahwa untuk sampeJ pasca iradiasi sebeJum
patah tidak terjadi necking. Jadijelas bahwa Incoloy 800H
yang telah diiradiasi clan diuji tarik pad a suhu 850 °C
menunjukkan adanya patahan yang bersifat getas.
Artinya bahan tersebut tidak tahan iradiasi pada
suhu 850 °C.Pada Gambar 5a clan 5b ditunjukkan struktum1ikro
ujung patahan sampeJ uji tarik pad a suhu 850 °C masing-
masing berturut-turut adalah sampel non iradiasi clansampel pasca iradiasi. Dari gambar tersebut nampak
bahwa pada sampel non iradiasi telah tcrjadi patah ulct
(ductile fracture). Karakteristik terjadinya patah ulet
dapat ditunjukkan dengan adanya bentuk butir yangmemanjang clan adanya lobang-iobang di d,kat ujung
patahan yang memanjang searah tegangan yaAg diterima
oJeh bahan tersebut. Pada sampeJ non iradiasi didaerah
Gambar 5. Slruklurmikro ujung palahan samp.:1 uji tarik
non iradiasi (a) dan pas.:a iradia.'ii (h); p.:rh.:saral1 100 x
Tcrjadinya kegetasan bahan pasta iradiasi padasuhu tinggi juga dapat disebabkan olch adanya helium
yang dihasilkan dari proses transmutasi komponcn
Fraktografi don Metalografi Sampel Hasil Uji Tarik Incoloy 800H Non lradiasi don Pasco lradiasi (Budi B. 18 -22)
paduano Adanya He tidak dapat diamati dengan
mikroskop optik, tetapi pengamatannya harusmenggunakan SEM atau TEM dimana pada penelitianini tidak dilakukan.
5. DAFT AR rUST AKA
4. KESIMPULAN
2.
[I]. JASTRZEBSKI, Z.D., 'The Nature And PropertiesofEngineeringMaterials',3fd edition, 331-332,1987,New York, John Wiley & Sons.
[2]. ANONIM, Metals Handbook, IO'hedition., VoI.I, p.950, ASM International. 1990.
[3]. OLANDER, D.R., 'Fundamental Aspects of NuclearReactor Fuel Elements', 1976,418-462, Berkeley,Dept. of Nuclcar Enginl)cring Univcrsity ofCalifornia.
[4]. FURUTA, D. and KAWASAKI, S., ,!uurnlll c?f!\'uclearMutc.'riuls. 1973,47,102-104.
[5]. 11ARRIES, .!ullrnlll rift/'I.' British ."'III.'/!.'ur En"r,~\',<;'()cic.'(v, 1966,5,74.87.
4.
Pada bahan pasta iradiasi ukuran butirnya secara
visuallebih besar dari pad a ukuran butir bahan non
iradiasi, diduga karena regangan (strain) yangtimbul akibat adanya gradien suhu sehingga
menurunkan kekuatan bahan.
Sampel non iradiasi dan pasta iradiasi pada suhu
600°C mengalami patah ulet (ductile fracture)
sehingga timbul neckiI1,1,'.Pad a suhu 850°C karakteristik patahan sampelnon
iradiasi masih sarna dengan yang terjadi pada suhu
600 °C, sedangkan pada suhu 850°C untuk sampel
pasca iradiasi karakteristik patahannya menunjukkanbentuk patahan intergranular.
Incoloy 8OOH masih tahan iradiasi sampai dengansuhu 600°C, namun pada suhu 850°C sudahmengalami kegetasan akibat iradiasi.
22 J. Mikroskopi dun .Wikrounu/i.\"is Vo/..~ No.2 2000