w J OS I

II. DASAR-DASAR METALURGI METAL FORMING

Agar proses metal forming dapat berlangsung, haruslah bahan dari material

yang akan dikcrjakan memiliki persyaratan sebagai berikut :

- Material hams dapat memberikan perubahan plastis tanpa berakibat lepasnya

ikatan materi material terscbut (rusak/pecah) apabila mendapat gaya/tekanan dari

luar.

- Sifat plastis dari bahan yang dikerjakan. Hal ini merupakan karakteristik yang

sangat menentukan. Sifat ini dapat diteliti dengan uji tarik, dimana pada

pcrcobaan uji tarik, benda ditarik secara pcrlahan dan terus menerus sampai

patah.

Dalam pcrcobaan material, tegangan (stress) didefmisikan sebagai gaya per

satuan luas penampang :

G = F/Ao (1) [2.1]

Lange, Kurt, Handbook of Metal Forming. McGraw-Hill, p. 3.2

Dan regangan (strain) didefinisikan sebagai pcrtambahan panjang (Al) dibagi

dcngan panjang mula-mula (lo) :

e = Al/lo (2)

© © (T

.[2.2]

GAMBAR 2.

GRAFIK TEGANGAN-REGANGAN

Pada pcrcobaan uji tarik menghasilkan diagram tegangan-regangan sepcrti

yang ditunjukkan gambar 2.1. Pada gambar (a) dapat dilihat 2 daerah yang

mcmpunyai sifat berlainan :

- Daerah elastis (I).

Apabila bcnda mendapat gaya, maka pcrtambahan panjang ecl= Al/lo adalah murni

claslis, bcrarti apabila gaya dihilangkan maka dimensi benda akan kembali pada

keadaan semula. Pada daerah ini tidak mungkin terjadi suatu perubahan bentuk

yang permancn. Daerah ini ditandai dcngan suatu hubungan linier antara

10

gaya/tegangan dengan pemuaian panjang (garis lurus I), dengan persamaan (Ilk.

I looke):

a = E.e (3) [2.3]

dimana E adalah modulus elastisitas.

- Daerah elastis-plastis (II).

Apabila benda diberi beban lebih besar dari batas elastisnya maka benda akan

mulai mengalir (flow). Dengan dihilangkannya tegangan maka akan terlihat

pertambahan panjang atau perubahan bentuk yang permanen. Sesungguhnya

pertambahan panjang yang terjadi adalah jumlah pertambahan panjang elastis (ed)

dengan pertambahan panjang plastis (epl). Jika tegangan dihilangkan maka yang

sisa adalah pertambahan panjang plastis saja. Pada gambar terlihat bahwa

pcmbebanan bcrjalan dari titik O ke A dan pada saat beban dihilangkan dari A ke

B, akan mcninggalkan pertambahan panjang yang permanen OB=epl. Walaupun ecl

cukup kecil dibandingkan dengan epl tapi pengaruh dari ec, pada dimensi benda

jadi cukup besar, hal ini terjadi terutama pada proses bending. Oleh karena itu ec|

pcrlu diperhitungkan pada setiap proses agar benda jadi dapat sesuai dengan yang

diinginkan.

1. STRUKTUR KRISTAL DAN POLA DARI LOGAM

I I

Logain murni adalah elemen-elemen kimiawi yang secara teknik digunakan

hanya untuk kcperluan yang khusus (misalnya tembaga untuk konduktor). Tapi

. . fe :o-W-10 ' 'm «-)r : c - i.BT-W'm Mq • o -32-ia"n,c-5.2X)'"m

F<cB-centered Body-c»ntor»d Htx»gonal A. B. C, D, E, cubic IFCCI cubic (BCCI cloM-pscktd F, C. H

GAMBAR 2.2

SEL ELEMEN DARI SISTIM KRISTAL

scbagian besar bahan logam adalah campuran dari dua atau lebih logam lain. Sifat

mekanis dapat diketahui dari campuran logam tersebut.

Suatu logam mengandung sejumlah besar butiran tunggal yang dipisahkan oleh

batas butiran (grain boundaries). Butiran-butiran ini mempunyai struktur kristal

tersendiri. Bergantung pada perlakuan awal dan komposisi, ukuran butiran dapat

bcrvariasi (dari 10"4 mm sampai beberapa mm). Orientasi butiran termasuk batas

butiran dan cacat struktur, dinamakan pola (texture).

Dalam sebuah kristal, atom-atom berada pada posisi sedemikian rupa sehingga

jarak antara atom diulangi secara periodik dalam semua arah. Susunan atom yang

teratur ini dinamakan lapisan/kisi-kisi kristal (crystal lattice). Susunan atom pada

sctiap lapisan kristal dapat dijelaskan dengan konsep dari sebuah elemen sel

12

(gambar 2.2). Atom-atom tersebut berada pada keadaan seimbang pada posisi

lapisannya tcrhadap gaya tarik dan berlawanan arah, yang disebabkan

elektron-elektron dan nukleon. Strukur kristal dapat diperiksa dengan penyinaran

sinar X.

Pada umumnya tcrdapat 3 bentuk umum dari struktur kristal :

° Body centered cubic lattice

° Face centered cubic lattice

° Hexagonal lattice

Crystal structure

Fnce-cenlercd cubic (FCC)

Body-centered cubic (DCC)

Hexagonal

Metals having only one structure

Aluminum (Al) Nickel (Ni) Cop[>er (Cu) Silver (Ag) Platinum (Pt) Cold (Au) Lead (Pb)

Vanadium (V) Chromium (Cr) Niobium (Nb) Molybdenum (Mo) Tantalum (Ta) Tungsten (W)

Beryllium (Be) Magnesium (Mg) Zinc (Zn)

Metals having several structures and their temperature ranges

Iron (Fe) 911-I392°C (1672-2538°K) Cobalt (Co) > 1120°C (2048°F)

Iron (Fe) except 91I-1392°C (1672-2538°F) Titanium (Ti) >882°C (1620°F) Zirconium (Zr) >852°C (1566°F) 1 lafnium (Hf) > 1975°C (3587"^)

Titanium (Ti) <882°C (1620°F) Cobalt (Co) <1120<>C(2048°F) Zirconium (Zr) <852°C (1566°F) Hafnium (Hf) < 1975°C (3587°F)

TABEL 2.1

STRUKTUR KRISTAL BEBERAPA MATERIAL

Struktur dari beberapa logam penting diberikan pada tabel 2.1 . Sejumlah

logam mempunyai staiktur kristal yang berbeda pada suhu yang bcrbeda.

Pcmbahan struktur dari satu ke lainnya ini dinamakan perubahan fasa.

Bcntuk-bcntuk dari transformasi fasa ini scring timbul dalam bentuk campuran

13

logam (alloy) daripada logam murni, dan digunakan untuk mendapatkan sifat-sifat

tertentu.

2. DEFORMASI ELASTIS DAN PLASTIS PADA KRTSTAL TUNGGAL

DARI KRISTAL-KRISTAL SEMPURNA

2.1 Deformasi Elnstis

Mirip dengan hk. Hooke untuk gaya tarik atau tekan, terdapat hubungan

linier antara tcgangan geser Y dan pemindahan akhir y :

Y = G.y(4) [2.4]

tShtntt (a) (b)

GAMBAR 2.3

PERUBAHAN ELASTIS PADA LAPISAN KRISTAL

Dimana G adalah Modulus Elastisitas. Perubahan bentuk didasarkan pada

translasi atom-atom di dalam lapisan kristal. Hal ini dapat dijelaskan dengan

bantuan lapisan kubus sedcrhana, dimana atom-atom ditempatkan pada tepi

14

kubus. Gambar 2.3 menunjukkan bagaimana sebuah perubahan sudut pada

kristal sempurna dihubungkan dengan pergerakan atom keluar dari posisi

keseimbangan mereka. Pada perubahan elastis, perpindahan atom sangat

kecil sehingga mereka akan kembali ke posisi semula setelah gaya dilepas.

2.2 Dcformnsi Plastis

Terdapat dua mekanisme dasar yang menyebabkan deformasi plastis pada

metal. Kristal-kristal tunggal yang terdeformasi menunjukkan gradasi/

perubahan pada pcrmukaan yang dapat dijelaskan melalui kenyataan bahwa

bagian-bagian kristal bergeser satu dengan lainnya.

Percobaan-pcrcobaan pada kristal-kristal tunggal di dalam sistim

pergeseran menunjukkan hasil bahwa deformasi plastis mulai terjadi ketika

tegangan geser kritis tercapai. Proses lain yang dapat menyebabkan

deformasi plastis adalah proses pengembaran mekanis (mechanical

twinning) seperti pada gambar 2.4. Proses pengembaran mekanis ini dapat

dijelaskan sebagai berikut, dengan tegangan geser yang cukup besar, suatu

bagian dari pola/potongan kristal ditransformasikan menjadi sebuah posisi

yang kembar/sama. Bidang yang simetri disebut bidang kembar.

Berlawanan dengan pergeseran, dimana orientasi/arah tetap tidak berubah

di atas dan di bawah bidang geser, bentuk kembar mengacu pada perubahan

orientasi/arah di atas bidang kembar. Yang terpenting dari bentuk kembar

15

tcrletak pada kenyataan bahwa pergeseran yang baru masih akan terjadi

setelah perubahan orientasi.

* » » » »-» • - • • » » » j M » * » » • » » • • * - » - * • • • » » t » • * — T,vvin

i -9 ^ . t # » » • » » • p

V * ^ 1 *~~̂ » • 1 • 1 » • - •—•- •—»-# > • • k » »

GAMBAR 2.4

PENGEMBARAN MEKANIS

3. CACAT POLA/STRUKTUR LOGAM

Pada kenyalaannya, struktur kristal dari bahan metal terganggu oleh

bcrmacam-macam jenis cacat. Kristal yang mempunyai cacat struktur ini disebut

scbagai kristal yang scbenarnya.

3.1 Disloknsi

Dalam jangka waktu yang lama, para ilmuwan tidak dapat menjelaskan

mengapa kekuatan luluh material logam selalu lebih rendah dibandingkan

perhitungan teoritisnya. Berdasarkan ikatan antar atom, diperlukan gaya

yang lebih besar untuk menggeser suatu kristal secara serempak melewati

seluruh bidang geser. Kemudian penelitian selanjutnya menemukan terdapat

cacat struktur satu dimensi yang dapat inenyebabkan terjadinya pergerakan

16

pada struktur kristal yang discbut dislokasi. Relatif diperlukan gaya yang

lcbih kccil untuk menggerakkan dislokasi dalam suatu kristal. Terdapat dua

konsep untuk mempelajari pergeseran yang terjadi ini, yaitu :

1. Pergeseran serempak atau pergeseran homogen, dimana pergeseran

terjadi melewati seluruh bidang geser secara serempak atau dalam satu

kali pergeseran.

2. Pergeseran bcrurutan, dimana pergeseran terjadi secara bertahap

melewati bidang pergeseran dengan pergerakan dari suatu dislokasi,

sehingga memerlukan gaya yang lebih kecil.

GAMBAR2.5

KRISTAL SEMPURNA

GAMBAR 2.6

STEP DISLOCATION

17

GAMBAR 2.7

SCREW DISLOCATION

3.2 Tine-tine Dislokasi

Tipe-tipe dasar dislokasi dapat dijelaskan dengan bantuan struktur kubus

sederhana dimana di dalamnya atom-atom digambarkan sebagai

bulatan-bulatan (gambar 2.5-2.7). Pada gambar 2.5 ditunjukkan struktur

dari kristal yang sempurna. Sedangkan pada gambar 2.6 dan 2.7

ditunjukkan dislokasi kristal yaitu jenis step dislocation dan screw

dislocation.

3.3 Deformasi Plastis olch Pergerakan Dislokasi

Pergerakan dari dislokasi adalah mekanisme dasar dari deformasi plastis.

Gaya-gaya luar menyebabkan medan tegangan yang terpusat pada daerah

dislokasi. Jika gaya-gaya tersebut telah mencukupi maka dislokasi mulai

bergerak. Pada gambar 2.8, tampak atas dari struktur kristal step

dislocation, dimana setengah bidang H melewati struktur secara penuh dari

IS

MI n 111:11

1 1 1 I I • I I I

» WM

GAMBAR 2.8

LAPISAN KRISTAL STEP DISLOCATION

depan ke belakang dan mempunyai batas pada bidang geser G. Pergerakan

dislokasi karena tegangan geser Y dapat dijelaskan dengan kenyataan

bahwa kumpulan atom di bawah bidang geser menentang atom-atom lain

yang berada di atas dengan jarak satu atom ke kanan. Gambar 2.9a

menunjukkan kristal dengan step dislocation atom-atom pada bidang y

bergerak ke kanan selama terjadinya tegangan geser. Atom A beralih ke

posisi A' dan seterusnya seperti yang terlihat pada gambar 2.9b. Sekarang

bidang x mempunyai susunan atom lengkap dari atas sampai

m . . .

• i • • • • * » • * • • • • « • • • • • • « • • • a

• • • • • • • • • • • • • • • • • •

• i

• • • f • > • J » . . • . . • « • i | • > i • • • • • -*4£ • • • • • « • • * ] • • • » • • • t • ! • • • • • •

r (b)

GAMBAR 2.9

(cl

TAHAPAN PERGESERAN STEP DISLOCATION

19

bawah, dan bidang y berakhir pada bidang geser. Dengan demikian

dislokasi telah bergcrak I atom ke kanan. Gambar 2.9c menunjukkan kristal

setelah pergerakan dislokasi berakhir setengah bagian dari kristal telah

bergeser 1 atom sepanjang bidang geser terhadap bagian bawah.

4. ANISOTROPI

Dalam banyak proses pembentukan adalah memungkinkan untuk memulai

dengan konsep bahwa bahan metal kristal banyak (polikristal) mempunyai gejala

scperti sebuah isotropik dan mempunyai sifat yang sama di scmua bagian. Sebagian

besar material yang digunakan dalam teknik pembentukan adalah anisotropis, yaitu

mempunyai sifat yang berbeda dalam arah yang berbeda. Anisotropi dapat ditinjau

secara mekanis dan kristal. Anisotropi mekanis adalah ha! yang penting dalam

hubungannya dengan keretakan, sedangkan anisotropi kristal berhubungan dengan

kcluluhan dan deformasi plastis. Anisotropi mekanis, discbut juga dengan

penyeratan (fibering), dapat disebabkan oleh orientasi dan distribusi dari

kandungan bukan Iogam di dalam material, misalnya terak (slag) silikat.

Kandungan terak ini mempunyai kekuatan tarik kira-kira 30 % lebih kecil dalam

arah yang tegak lurus dengan arah pengerolan, dibandingkan dengan arah

pengerolannya. Anisotropi kristal disebabkan orientasi tertentu dari butir-butir

kristal yang membentuk material kristal banyak (polycristalline material), dimana

orientasi kristal ini ditentukan dari proses yang dilakukan. Hasil pengaturan arah

20

kristal ini disebut juga dengan tekstur. Karena kristal-kristal material mempunyai

sifat yang berbeda dalam arah yang berbeda, maka material bertekstur ini adalah

anisotropi. Sifat anisotropi ini terbukti dengan bervariasinya nilai-nilai seperti

modulus elastisitas, tegangan luluh, tegangan tarik, elongation dan sifat-sifat

lainnya.

Dalam perjanjian, besar relatif dari regangan dinyatakan sebagai nilai-r,

yaitu perbandingan regangan dalam arah lebar (ew) dengan regangan dalam arah

tebal (et):

r = e A (5)

Maka beberapa hal yang mungkin terjadi adalah :

1. Jika material adalah isotropik, ew = et dan r = 1. Dalam sebuah material

isotropik :

r 0 _ ^90 ~ r45 ~ 1

2. Nilai-r bervariasi dalam hubungannya dengan arah pengerolan :

r 0 ^ r90 ^ r45

Hal ini dinyatakan sebagai anisotropi planar yang menyebabkan timbulnya

beberapa masalah seperti timbulnya kupingan dalam proses deep drawing.

3. Jika nilai-r yang diukur pada permukaan plat sama dalam semua arah tetapi

tidak bernilai satu :

r 0 ~ r90 _ r45 ^ *

21

maka anisotropi yang terjadi adalah anisotropi normal, karena deformasi dari

spesimen yang diuji dalam arah tebal (normal terhadap permukaan plat),

mcmpunyai nilai yang lebih besar atau lebih kecil daripada dalam arah lebar.

4. Hal yang memungkinkan dan sering terjadi adalah anisotropi normal dan

planar timbul secara bersamaan :

5. DASAR-DASAR TEORI PLASTISITAS

Pada dasarnya teori plastisitas berhubungan dengan perhitungan tegangan,

gaya-gaya dan deformasi. Teori plastisitas lebih didasarkan pada gejala-gejala

makroskopis, atau dengan kata lain, sifat-sifat material dapat diteiiti dan diukur

secara langsung dalam proses deformasi, seperti percobaan tekan dan tarik. Hal ini

menuju pada penjelasan sederhana mengenai bentuk plastis.

Plastisitas adalah kemampuan dari material untuk berubah bentuk secara

permanen di bawah gaya-gaya yang bekerja ketika tegangan yang diberikan

mencapai titik yield strength atau initial flow stress. Hal ini dapat dilihat pada

percobaan jika gaya yang diberikan di bawah titik mulur (yield), maka deformasi

akan hilang saat beban dihilangkan (material menunjukkan gejala elastis). Jika gaya

mencapai titik mulur, deformasi yang permanen mulai terjadi dimana jika beban

22

dihilangkan maka benda kerja mcmpunyai bcntuk yang baru (berubah dari bentuk

asal). Dikatakan benda telah mengalami deformasi permanen/plastis.

6. REGANGAN

Dalam proses teknik pembentukan, regangan plastis atau regangan

permanen adalah jauh lebih besar dari yang elastis, sehingga regangan elastis sering

diabaikan. Percobaan-percobaan menunjukkan bahwa regangan plastis

berhubungan dcngan volume konstan material. Hal ini menjadi dasar dari

keseluruhan metal forming, yaitu selama proses pembentukan, volume selalu

konstan.

Atau bisa ditunjukkan dengan :

ex + ey + ez = 0