61 ISSN 0216 - 3128 Budi Briyatmoko•KAJIAN PENGARUH PENAMBAHAN UNSUR P TERHADAPPENURUNAN SWELLING AKIBAT IRADIASI PAD AAUSTENITIC STAINLESS STEEL TIPE 316

Budi BriyatmokoPusat Pengembangan Teknologi Bahan Bakar Nuklir dan Daur Ulang BATAN, Serpong.

ABSTRAK

KAJlAN PENGARUH PENAMBAHAN UNSUR P TERHADAP PENURUNAN SWELLING AKIBAT

IRADIASI PADA AUSTENITIC STAINLESS STEEL T1PE 316. Telah dikaji pengaruh penambahanunsur P terhadap penurUllan swelling akibat iradiasi pada austenitic stainless steeltipe 316. PenambahanIII/sur P kedalam .'IS tipe 316 dapat menghasilkan presipitat senyawa phosphor. Presipitat terseblll

berfill/gsi wI/uk mellltrlll/kan terjadin)'a "oid swelling. Mekanisme yang mungkin terjadi adalah karenaadanya pengumpulall vakallsi - interstisi yang timbul akibat iradiasi. Pada suint tinggi, vakallsi dallinterstisi bermigrasi mellliju presipitat sehingga dapat bertemu dan terjadi rekombinasi. Denganrekombillasi maka vakallsi dan interstisi saling menghilangkan. Dengan demikian, void yang merupakallgabungall dari vakansi, tallpa interstisi, tidak dapatterjadi dan swelling dapat dicegah atau dikurangi.

ABSTRACT

REVIEW: EFFECT OF P ELEMENT ADDITION TO SWELLING DEGRADATION DUE TO

IRRADIATION ON AUSTENITIC STAINLESS STEEL 316 TYPE. Effect of P element addition onswelling degradatioll due /0 irradiation on austenitic stainless steel 316 type has beell reviewed. Theadditioll of I' elemellt ill austellitic stainless steel 316 type may resulted in phosphorus precipitate. The

precipitate has a fill/ction for decreasing void swelling. The possible mechanism is due to the cluster ofvacallcy - interstitioll resulted from irradiation. At high temperature, vacallcy alld interstitial migratetogether /0 precipitate. and recombination occurs. By recombination process, vacancy and illlerstition areannihilated. Therefore. the void as a cluster of I'acancies. excluding interstitioll, does not occur, andswellillg call be either prel'ented or reduced.

PENDAHULUAN

Stainless steel merupakan kandidat materialstruktur reaktor, contohnya untuk kelongsongbahan bakar reaktor cepat. Pada pemakaiannya,

material tersebut akan menerima paparan radiasisangat tinggi, Paparan radiasi ini menimbulkantumbukan netron atau partikel berenergi tinggipada atom (lattice atom). Tumbukan neITon ataupartikel berenergi tinggi dengan atom (latticeatoms) menghasilkan sejumlah pasangan vakansi­interstisi atau sering disebut cacat titik. Sebagianvakansi dan interstisi tersebut kemudian salingbergerak berpindah menuju tempat tertentusehingga dapat saling bertemu dan bergabung atauterjadi rekombinasi sehingga dapat salingmenghilangkan identitasnya. Tempat paling efektipuntuk bertemu vakansi dan interstisi adalahdislokasi, presipitat dan batas butir. Pada saatberlangsungnya iradiasi terjadi kompetisikecepatan antara banyaknya vakansi dan interstisiyang dihasilkan dari iradiasi dengan banyaknyavakansi dan interstisi yang hilang karenarekombinasi. Terbentuknya kumpulan-kumpulanvakansi dan interstisi juga sangat dipengaruhi olehbesamya suhu. Semakin besar suhu, semakinmudah vakansi dan interstisi untuk bergerak. Bila

suhu cukup tinggi masing-masing vakansi daninterstisi dapat membentuk kumpulan-kumpulansendiri. Namun, bila suhu terlalu tinggi makavakansi dan interstisi hilang karena terjadirekombinasi atau migrasi ke tempat-tempatdislokasi, presipitat dan batas butir. Kumpulansejumlah interstisi hanya dapat membentukdislokasi loop, sedangkan kumpulan dari vakansidapat membentuk dislokasi loop dan void.Gabungan dari dislokasi loop yang terbentuk darivakansi dan interstisi memberikan dampak salingmeniadakan terjadinya swelling, sedangkangabungan atau kumpulan dari void-void, tanpainterstisi, dapat menyebabkan terjadinya swellingtll.Terjadinya swelling sangat dipengaruhi olehbanyaknya flux neITon dan suhu iradiasi. Swellingmulai terjadi pada fluence diatas IO~2 n/ cm2, danswelling bertambah dengan besamyafluence netron[1] • Sementara itu, pengaruh iradiasi pad a SS jugadapat menyebabkan terjadinya fasa lain. Hal inilebih dikenal dengan radiation-induced precipitatephase. Fasa-fasa presipitat yang dapat ditimbulkanpada SS saat mengalami radiasi antara lain y'(Ni)Si), G (Mn6Ni16Si7) dan beberapa jenissenyawa phospitl21• Pembentukannya sangatdipengaruhi oleh komposisi bahan, kondisiperlakuan bahan, dan kondisi iradiasi. Adanya

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003

Blidi Briyatmoko ISSN 0216 - 3128 63

presipitat ini dapat menurunkan terjadinya swellingakibat iradiasi.

Banyak penelitian dilakukan untukmengurangi terjadinya swelling akibat iradiasi padaaustenitic stainless steel tipe 316[2-6].Salah satunyaadalah dengan melakukan penambahan unsurminor kedalam paduan SS tipe 316. Beberapa

unsur tanf sering ditambahkan adalah Ti, Nb, P, Sidan S 2,5,7,Berbagai jenis unsur yang ditambahkanke dalam SS tipe 316 memberikan pengaruhberbeda terhadap penurunan swelling yang terjadiakibat iradiasi.

Beberapa senyawa phospit yang dapatmembentuk presipitat adalah M2P (misalnya Fe2Patau FeTiP) mempunyai struktur heksagonal, MP(misalnya FeP) mempunyai struktur orthorombik,dan M P (misalnya Cr)P) mempunyai strukturBCT (8~ Presipitat phospit dapat berbentuk needle,ribbon atau rod. Pada Gambar 1 (8J ditunjukkancontoh bentuk dari presipitat phospit.

Gambar 1181• Presipitat yang dihasilkan darisenyawa phospit.

Presipitat phospit juga sangat sensitifterhadap suhu dan dosis radiasi. Bentuk rod lebihtahan suhu tinggi sampai dengan 700°C,sedangkan bentuk needle tidak stabil terhadapsuhu. Pada suhu 600°C dengan dosis 30 dpa,semua presipitat bentuk needle hilang karena panastetapi pada suhu 500 - 550°C hanya sebagianpresipitat yang hilang. Senyawa M2P dan M)Pdijumpai dalam bentuk needle. ribbon dan rod [8J •

Timbulnya presipitat phospit dipengaruhioleh perlakuan bahan sebelum diiradiasi. Padabahan SS 316 yang dianil jumlah presipitat yangtimbul akibat iradiasi lebih kecil dari pada yangtimbul pada bahan SS 316 yang diperlakukanpengerjaan ding in [8J. Presipitat tersebut dapatmenurunkan terjadinya swelling. Namun demikian,mekanisme terjadinya penurunan swelling masih

belum jelas. Pada penelitian ini akan dikajimekanisme penurunan swelling akibat iradiasi padaSS tipe 316 yang ditambah unsur P.

METODOLOGlKAJIANKajian dilakukan melalui pendekatan

teoritis dari beberapa mekanisme yang mungkinada serta dipilih mekanisme yang paling mungkinterjadi. Ruang lingkup kajian hanya dibatasi padapengaruh unsur P terhadap penurunan swellingakibat iradiasi. Data sekunder yang dikumpulkanadalah sebagai berikut: Material yang dipakai SStipe 316 yang dimodifikasi dengan penambahan P.Kandungan P berkisar antara 0,01 sampai 0,1 %berat. Sebagai perbandingan juga dikaji materialyang mengandung unsur Si dengan kandungan 0,1% dan unsur S dengan kandungan 0,1 % berat.Material tersebut mengalami perlakuan panas.Spesimennya berbentuk disk yang merupakansampel untuk elektron transmisi. lradiasi dilakukandengan elektron energi tinggi I MeV dengan dosissekitar 4 x 10 -4 dpal s. Suhu iradiasi berkisarantara suhu kamar sampai 600°C. Pemeriksaansampel dilakukan dengan elektron transmisi yangdilengkapi dengan alat ana lisis EDS. Pengkajianjuga dilakukan pada jenis material yang sarna yangdiiradiasi dengan netron dengan reaktor Fast FluxTest Facility. Material diiradiasi sampai 14 dpapada suhu iradiasi 495°C.

PEMBAHASAN KAJIAN

Swelling terjadi akibat adanyapenggabungan dari beberapa vakansi yangberkumpul menjadi satu, dengan kondisi tertentugabungan vakansi tersebut dapat tumbuh dalamtiga dimensi membentuk void. Void tersebut dapattumbuh menjadi besar melalui penggabungan daribeberapa void yang akhirnya menyebabkanterjadinya swelling. Bila kondisi tidakmemungkinkan, vakansi tidak dapat tumbuhmenjadi void tetapi hanya mengumpul membentuklingkaran sehingga hanya terjadi loop. Padaumumnya, terjadinya void atau loop sangatdipengaruhi oleh suhu tinggi. Pada suhu tinggi,kumpulan vakansi dapat tumbuh menjadi tigadimensi, yaitu void, tetapi pada suhu rendahkumpulan vakansi terse but hanya dapat tumbuhdalam dua dimensi menjadi loop. Sedangkan cacattitik yang berasal dari interstisi tidak dapatmembentuk void tetapi dapat membentuk loop.

Peltgaru/r pe/lamba/ra/l ultsur P ter/radappembelttuka/l loop

Loop dapat terbentuk dari kumpulansejumlah interstisi atau vakansi. Kumpulaninterstisi dapat membentuk loop intestisi,sedangkan kumpulan vakansi dapat membentukdislokasi loop dan void. Suhu pembentukan loopinterstisi lebih rendah dari pada suhu pembentukanloop vakansi [9] • Pada suhu rendah (antara 100 ­250°C) densitas loop interstisi naik secara linierdengan waktu iradiasi. Hal ini terjadi di awaliradiasi. Periode tersebut adalah periode timbulnyaloop interstisi. Setelah peri ode tersebut, densitasloop interstisi mengalami penjenuhan (besarnya

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Jull 2003

64 ISSN 0216 - 3128 BlIdi Briyatmoko

-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~_- __-__-_-u _tetap). Nilai jenuh densitas loop tersebut berkurangdengan naiknya suhu iradiasi. Dengan adanyapenambahan unsur P kedalam bahan, nilai jenuhdensitas loop menjadi lebih tinggi. Didalamkomposisi bahan SS tipe 316, unsur P merupakansalah satu unsur impuritas yang bersifat interstisikarena jari-jari atom P lebih kecil dari pada jari-jariatom matrik (Fe, Cr, Ni). Hubungan antara nilai

jenuh densitas loop (CL) dengan unsur P adalah191.

.. '" ( 1)

Dimana Mb adalah kecepatan disosiasiinterstisi dengan impuritas P. Besamya nilai Mbadalah berbanding terbalik dengan tenaga ikatantara interstisi dan impuritas P. Jadi makin besartenaga ikat dan makin ban yak kandungan P dalamSS tipe 316 maka nilai jenuh densitas loop menjadilebih tinggi. Hal ini juga sesuai dengan data yangdiperoleh dari Fukuya [6J bahwa unsur Pmempunyai ikatan kuat dengan interstisi danberfungsi sebagai tempat timbulnya loop interstisi.Mekanisme yang mung kin terjadi adalah interstisimenjadi lebih mudah berkelompok pada presipitatyang terbentuk dari senyawa P. Diatas suhu 250°C, densitas loop bertambah dengan turunnya suhu.Pada suhu dibawah 250 °C , besamya densitas loopsudah tidak terlalu tergantung pada suhu. Hal inidapat diduga karena gerakan interstisi menjadi\cbih lamban atau sulit bergerak. Dengan demikiandapat diduga bahwa unsur P yang ada dalam bahandapat membentuk presipitat senyawa phosphor.Pada suhu iradiasi tinggi, cacat interstisi bergerakmenuju presipitat dan saling bergabungmembentuk loop interstisi yang tahan suhu tinggi.

Dengan demikian dapat dikatakan bahwapengaruh penambahan P dalam SS tipe 316 dapatmenaikkan densitas loop interstisi. Diatas suhu 300°C, kumpu\an (cluster) cacat jenis vakansi,termasuk loop vakansi, SFT (stacking faulttetrahedra) dan void, terjadi bersama-sama denganloop interstisi. Diatas suhu 300 °C dimana migrasivakansi mulai nampak, loop vakansi dan SFTterbentuk didalam loop interstisi. Dengan adanyapenambahan P dapat menahan proses terbentuknyaSFT dan loop vakansi [9J • Untuk kumpulan cacatjcnis vakansi, suhu pembentukannya dapat dibagi3. Pertama, adalah daerah suhu dimanapembentukan loop vakansi dan SFT lebih dominan.Kedua, adalah daerah suhu dimana terjadipembentukan void yang ditandai dengan turunnyadensitas loop vakansi dan SFT. Ketiga, adalahdaerah suhu dimana pertumbuhan void lebihnampak dan swelling terjadi pada suhu disekitarsuhu densitas loop maksimum. Pada Gambar 2 [9J

ditunjukkan gambar mikrostruktur dari setiapdaerah suhu pada paduan SS tipe 316 yangdiiradiasi pada 2 dpa. Sementara itu, pada Gambar3 [9) ditunjukkan pengaruh suhu terhadap densitasvoid dan sweling pada paduan SS tipe 316. Darigambar tersebut diketahui pula bahwa penambahanunsur P dengan jumlah relatif sedikit (0,024 - 0,1% be rat) dapat menggeser suhu tercapainyadensitas maksimum, yaitu ke arah suhu yang lebih

tinggi. Dengan demikian unsur P dapat menundaterbentuknya void clan pertumbuhannya, artinyaterjadinya swelling juga clapat ditunda. Voidterbentuk dari kumpulan-kumpulan vakansi,sedangkan swelling terjadi karena terbentukpengelompokan atau penggabungan dari beberapavoid.

Mekanisme penundaan terbentuknya voidoleh unsur P pada suhu tinggi dapat diduga karenapada suhu tinggi gerakan vakansi menjadi lebihcepat sehingga sebagian vakansi dapat bersama­samadengan interstisi bergerak menuju presipitatyang terbentuk dari senyawa P. Denganberkumpulnya sebagian vakansi dengan interstisimaka dapat terjadi rekombinasi dan terjadinya voiddapat dicegah atau dikurangi.

Gambar 2. Gambar mikrostruktur dari setiapdaerah suhu pada paduan SS tipe316 yang diiradiasi pada 2 dpaf9j

Gambar 3. Pengaruh suhu pada densitaskUIllPulan cacat jenis vakansi dan

sweling pada paduan SS ripe 316f9j

Pengaruh pellambahall ullsur P padapellurullall diameter void

Suhu pembentukan void lebih tinggidaripada suhu pembentukan loop. Hal ini didukung

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Casar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003

Budi Briyalllloko ISSN 0216 - 3128 65

oleh data yang menunjukkan bahwa iradiasi padasuhu lebih kecil atau sarna dengan 0,2 TM (titikleleh dalam K) menghasilkan vakansi dan interstisiyang dapat menggumpal membentuk cluster yangdiikat oleh dislokasi, yaitu berupa loop danstacking fault tetrahedra. Sedangkan pada suhulebih tinggi dari 0,2 TM vakansi dapat menggumpalmembentuk voiJIO]. Sementara itu, swelling terjadiakibat daTi adanya kumpulan void sehinggadiameternya menjadi besar dalam jumlah ban yak.Swelling akan berkurang bila diameter void danjumlahnya berkurang. Pada Gambar 4 [6]

ditunjukkan hubungan antara diameter void dengandosis iradiasi pada suhu 400°C dari material SStipe 316 yang ditambah unsur P. Unsur P yangditambahkan adalahO,OI % berat (diberi tanda p­I), 0,05 % berat (P-2) dan 0,1 % berat (P-3).Iradiasi dilakukan dengan elektron yangmempunyai energi 1 MY menggunakan mikroskopelektron voltase tinggi.

50

~ <O~

o BASE 673K

o P-IIIP-2

"t30

• P-3

E

05-3

2

/:. Si-2

o 20 :'2~>10

~

10

Dose (dpa)

Gambar 4. Hubungan antara diameter voiddengan dosis iradiasi pada su/1u 673K dari material SS tipe 316 16J

Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwapengaruh penambahan unsur P pada SS tipe 316sebagai base material dapat menurunkan diametervoid untuk pemakaian dosis iradiasi yang sarna.Untuk perbandingan, didalam garnbar tersebut jugaditarnpilkan pengaruh penarnbahan unsur lain yaituSi dan S. Dari ketiga unsur yang ditarnbahkannarnpak bahwa unsur P rnemberikan pengaruhyang paling besar, dan rnakin besar unsur P yangditambahkan (dalarn gambar, P-3 > P-2 > P-I)makin kecil diameter void yang ditimbulkan akibatiradiasi dengan dosis yang sarna. Hubungan antaradiameter void dan swelling adalah berbandinglangsung. Makin besar diameter void, makin besarswelling.

Mekanisme timbulnya void danpertumbuhannya dimulai dari adanya pergerakanvakansi, disusul dengan berternunya vakansi

dengan vakansi sehingga timbul dendrit, kemudiantimbul void kecil, dan akhirnya terjadipertumbuhan void dengan adanya vakansi lainyang bergabung dengan void kecil [11].

Sementara itu, pada suhu tinggi vakansidapat bermigrasi lebih jauh sehingga dapat salingmembentuk kumpulan vakansi yang lebih besar,namun karena ada presipitat senyawa P, makagerakan vakansi terhambat. Seperti dikatakan olehWatanabe[9], kemungkinan mekanisme yang terjadidisini adalah adanya interaksi yang kuat an taravakansi dan senyawa phospit sehingga dapatmenghambat laju gerakan vakansi. Jadi sebenarnyapada suhu tinggi memungkinkan terjadinya voidkarena pada suhu tinggi gerakan vakansi menjadilebih mudah untuk saling bergabung menjadi void.Namun demikian, karena adanya presipitatsenyawa P atau phospit hal tersebut tidak dapatterjadi. Mekanisme yang mungkin terjadi disiniadalah karena gerakan vakansi terhambat olehpresipitat sehingga vakansi menempel pada

. presipitat. Sementara itu, cacat lain yaitu interstisijuga bergerak lebih cepat menuju presipitatsehingga pada presipitat terse but vakansi bertemudengan interstisi. Hal ini menyebabkan terjadinyarekombinasi vakansi dan interstisi sehingga salingl11enghilangkan satu sarna lain.

Pada suhu kurang dari 1/3 T\1, vakansitidak l11udah bergerak sehingga mudah mengalamianihilasi atau rekol11binasi oleh adanya migrasiinterstisi sebelul11 vakansi dapat bergerak mencapaitempat-tempat yang dipakai untuk bergabungdengim vakansi lainnya, misalnya void [101. Selaindari pada itu, iradiasi pada suhu rendah dapatmenimbulkan cacat radiasi dan loop jenis vakansi,dan loop tersebut stabil pada suhu rendah. Dengandemikian, pada suhu rendah jUl11lah vakansiberkurang karena selain terjadi anihilasi atauhilangnya vakansi akibat bergabung denganintersitisi, juga disebabkan karena sebagian vakansimembentuk loop. Dengan berkurangnya vakansimaka kemungkinan terjadinya void menjadi lebihkecil sehingga terjadinya swelling dapat dicegah.

Bila dibandingkan dengan unsur Si dan S,unsur P lebih besar pengaruhnya dalammenurunkan diameter void atau mencegahswelling. Hal ini dapat disebabkan karena ikataninterstisi atau vakansi dengan un sur P lebih besardaripada ikatan tersebut dengan unsur Si dan S.Unsur P dapat membentuk presipitat F~P atau CrJPyang koheren dengan matrik. Cacat titik yangberupa vakansi atau interstisi yang tertangkapdalam presipitat ini tidak dapat lolos kembalikarena ikatannya sangat kuat. Cacat titik tersebutdapat lolos dari ikatan hanya dengan melaluianihilasi atau penggabungan dengan cacat titik lainyang tipenya berlawanan. Jadi bila yang tertangkapadalah vakansi baru akan bisa lolos bila ada jugainterstisi yang tertangkap pada interface antara

Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitlan Casar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta. 8 Juli 2003

66 ISSN 0216 - 3128 Budi Briyatmoko

matrik dan presipitat tersebut. Sedangkan unsur Siyang mempunyai jari-jari atom lebih besar daripada jari-jari unsur P, kemungkinan dapatmembentuk presipitat yang tidak koheren denganmatrik. Ikatan antara cacat titik dengan presipitatini kekuatannya lebih kecil daripada ikatan yangterjadi pada presipitat yang koheren. Kemudianuntuk unsur S, kemungkinan tidak membentukpresipitat tetapi dalam bentuk solid solution. Belumada data yang menjelaskan mengenai efek unsur Sdalam mencegah terjadinya swelling. Namundemikian, ada data dari Fukuya [6] yangmenunjukkan bahwa unsur S lebih banyakmengalami segregasi atau perpindahan ke batasbutir. Bila demikian halnya maka kemungkinanunsur S tidak dapat terdistribusi merata didalambutir tetapi mengumpul di batas butir. Dengandemikian, hal ini akan mengurangi fungsinyasebagai trapping untuk cacat titik, artinya cacattitik (vakansi dan interstisi) yang tertangkapmenjadi sedikit.

Pellgaruh pellambahall ullsur P terhadapswellillg

Pengaruh penambahan unsur P terhadapbesarnya swelling, densitas void dan diameter void.pada SS tipe 316 ditunjukkan dalam Gambar 5 [6].

Swelling menjadi berkurang dengan naiknyakandungan P dalam SS tipe 316. Hal iniberlawanan dengan besarnya diameter mid.Diameter void makin kecil dengan bertambahnyakandungan P dalam SS tipe 316. Hal ini berartibahwa unsur P dalam SS tipe 316 dapat menekanpertumbuhan void. Secara umum, densitas voidmakin bertambah dengan bertambahnya unsur P.Mekanisme yang mungkin terjadi adalah bahwadengan adanya unsur P maka vakansi dan interstisimenjadi mudah bergabung karena sarna-sarnamendekati senyawa P yang berupa presipitat.Dengan demikian jumlah vakansi menjadiberkurang. Hal ini menyebabkan prosespertumbuhan void terhambat karena untukpertumbuhan void diperlukan banyak vakansi.

673K

-2dpo

r:I'

- !;~ CO<SITY,..A

~I~.. I'~'" "

" SWEUJNGj 01 ! '2

" 0'- .•.•..•..•. \

I "~

,,' OIAMETER 0...

'"'0 <tt:>:~

0.1

~.o0 001

w1 -I.

oat-'

0001P CONCENTRATION,

Gambar 5. Pengaruh penambahan unsur P

terhadap besamya swelling. densitasvoid dan diameter void pada SS tipe316 {6J.

Pada suhu diatas 300°C (6] , pengaruhpenambahan unsur P dalam menurunkan swellingmenjadi berkurang. Hal ini diduga karena terjadipenurunan densitas dislokasi akibat kenaikan suhu

tinggi, sehingga jumlah vakansi dan interstisi yangmengumpul pada dislokasi menjadi berkurang.Dengan demikian proses rekombinasi antarainterstisi dan vakansi juga berkurang. Olehkarenanya, swelling menjadi lebih tinggi. Hal inijuga dapat disebabkan karena adanya presipitatsenyawa P juga dapat berfungsi untuk menghambatlaju gerakan dislokasi. Gerakan dislokasi terse but

dapat disebabkan oleh naiknya suhu tinggi. Padasuhu tinggi dislokasi dapat bergerak ke batas butirdan menghilang. Hal ini sering disebut denganproses rekaveri. Adanya presipitat senyawa P dapatmenghambat proses rekaveri tersebut.

Adanya senyawa phospit dalam SS tipe 316juga dapat menyebabkan pergeseran suhu densitasmaksimum loop vakansi. Bahan tanpa kandunganP, densitas maksimum loop vakansi dicapai padasuhu sekitar 152°C, sedangkan bahan yangmengandung P (Fe-l OCr-17Ni-0, IP) densitasmaksimum loop tersebut dicapai pada suhu sekitar300°C. Diduga mekanisme yang terjadi adalahkarena adanya interaksi yang kuat antara vakansidan senyawa phospit. Interaksi tersebutmenyebabkan terjadinya perlambatan gerakvakansi. Vakansi baru mulai bergerak dengari cepatpada suhu diatas 300°C.

Seperti dijelaskan diatas, kriteria presipitatyang dapat menurunkan swelling adalah presipitatyang koheren dengan matrik, artinya nilaikonstanta lattice dari presipitat besarnya hampirsarna dengan konstanta lattice matrik, dan interfaceantara presipitat dengan matrik hampir tidak ada.Presipitat yang koheren terse but berfungsi sebagaitempat rekombinasi an tara vakansi dan interstisisehingga swelling dapat dicegah. Presipitat kecilyang terdispersi kedalam matrik juga dapatmenurunkan swelling. Proses ini terjadi karenaadanya presipitat kecil yang terdispersi didalammatrik dapat menahan gerak dislokasi sehinggadapat mencegah proses rekaveri at~u hilangnyadislokasi akibat suhu tinggi.

Sementara itu, peneliti lain[l21 berpendapatbahwa penurunan swelling akibat dari penambahanunsur P kedalam paduan SS 316 terjadi karenaadanya dua mekanisme. Mekanisme pertamaadalah terjadinya rekol11binasi vakansi-interstisiakibat dari adanya interaksi kuat antara unsur P danvakansi. Mekanisme kedua diduga berhubungandengan naiknya koefisien difusi vakansi dannaiknya konsentrasi vakansi yang disebabkan olehturunnya energi pembentukan vakansi. Dari kajian

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATANYogyakarta, 8 Juli 2003

BlIdi Briyatllloko ISSN 0216 - 3128 67

ini mekanisme yang paling mungkin terjadi adalahmekanisme yang pertama.

Gambar 6. Hubungan antara void swelling,densitas void dan diameter void

dengan paduan Fe-15Cr- 25Ni­O,04P [4/ .

Pada Gambar 6 14] ditunjukkan hubunganantara void swelling, densitas void dan diametervoid dengan paduan Fe-15Cr- 25Ni-O,04P. Paduantersebut termasuk jenis SS tipe 316. Paduantersebut diiradiasi pada reaktor FFTF pada suhu500°C sampai mencapai 14 dpa.He/dpa yangdihasilkan adalah 0,35, untuk nilai yang rendah,dan 4,7, untuk nilai yang tinggi. Kondisi bahanadalah kondisi anil. Pada gambar tersebut jugaditampilkan paduan tanpa P dan paduan dengankandungan Ni 45 % sebagai perbandingan. Darigambar tersebut nampak bahwa unsur P dapatmenurunkan swelling baik pada kondisiperbandingan He/dpa tinggi maupun rendah.Paduan dengan perlakuan dingin dilaporkanbahwa unsur P tetap dapat menurunkan swelling,bahkan nilai penurunannya lebih besar daripadayang terjadi pada bahan yang dianil. Pengaruh Pdalam menurunkan swelling tergantung padakondisi iradiasi, banyaknya P, dan terbentuk/tidaknya presipitat. Presipitat terbentuk pada suhu510°C dengan dpa 13,2 dan kandungan P sebesar0,055 % dan yang lebih tinggi (4) •

Presipitat yang dihasilkan dengan adanyapenambahan unsur P dalam SS 316 dapat berupaFe2p18J• Dengan adanya presipitat ini dapatmempercepat terjadinya rekombinasi vakansi daninterstisi pada interface antara presipitat danmatrik. Selain dari pada itu, diketahui pula bahwaadanya penambahan unsur P kedalam SS 316 jugadapat mempercepat terjadinya difusi vakansi yangpada akhirnya dapat mengurangi terjadinya void.

Dari hasil penelitian (l2J dilaporkan bahwapresipitat senyawa phospit terbentuk pada suhu 600°C pada material Fe-15Cr-25Ni-O,04 P. Iradiasidilakukan pada reaktor FFTF dengan He/ dpa 0,03appm/ dpa pada dpa 8,8. Pada suhu 365°C tidakterbentuk presipitat, namun dijumpai adanyacavity. Dibandingkan dengan bahan yang samatanpa tambahan P, diketahui bahwa pengaruhpenambahan unsur P menimbulkan adanya loopkccil dengan densitas cukup tinggi. Loop tcrsebut

berada di dekat faulted loop. Faulted loop yangteIjadi pada bahan yang mengandung P pada suhu365°C diduga berhubungan dengan cluster ataukumpulan loop kecil. Watanabe [9) mengatakanbahwa kumpulan cacat tipe vakansi terbentukbersamaan dengan terbentuknya loop interstisial.Data pada suhu 600°C jelas menunjukkan bahwaadanya unsur P dalam bahan menyebabkan cavitydengan diameter besar berkumpul pada interfaceantara senyawa phospit dengan matrik. Jadi padasuhu tinggi swelling menjadi lebih mudah terjadimeskipun ada presipitat P. Hal ini dapat terjadikarena pada suhu tinggi mobilitas vakansi daninterstisi menjadi lebih tinggi sehingga cepatmenuju presipitat P. Pada kondisi tertentudimungkinkan fungsi presipitat sebagai temp attrapping vakansi dan interstisi dapat menjadijenuh sehingga tidak semua vakansi dapattertangkap presipitat. Vakansi terse but akhirnyadapat saling bertemu dengan vakansi lain danbergabung menjadi void yang akhimyamenyebabkan swelling.

KESIMPULAN

Penambahan unsur P kedalam SS tipe 316dapat menghasilkan presipitat senyawa phosphor.Jenis presipitatnya adalah koheren dengan matrik.Presipitat tersebut berfungsi untuk menurunkanterjadinya void swelling. Mekanisme yang mungkinterjadi adalah karena adanya pengumpulan vakansi- interstisi yang timbul akibat iradiasi. Pada suhutinggi, vakansi dan interstisi bermigrasi menujupresipitat sehingga dapat bertemu dan terjadirekombinasi. Dengan rekombinasi maka vakansidan interstisi saling menghilangkan. Dengandemikian, void yang merupakan gabungan darivakansi dengan vakansi lain, tanpa interstisi, tidakdapat terjadi dan swelling dapat dicegah ataudikurangi.

SARAN

Perlu dikaji unsur-unsur lain yangmemungkinkan untuk mencegah terjadinyaswelling sehingga usaha untuk pencegahan tersebutmenjadi lebih optimal. Kemudian 'kajian tersebutperlu dibuktikan dengan eksperimcn sehinggapembuktiannya lebih akurat.

UCAP AN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepadasemua pihak yang telah membantu schinggamakalah ini dapat selesai.

Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Jul! 2003

68 ISSN 0216-3128 Budi Briyatmoko

DAFT AR PUST AKA

1. OLANDER, D.R., Fundamental Aspects ofNuclear Reactor Fuel Elements, Department ofNuclear Engineering University of California,Berkeley, (1976) 43

2. KIMOTO, T., SHIRAISHI, H., Void Swellingand Precipitation in Ti-Modified Austenitic Fe­Ni-Cr Alloys, Journal of Nuclear Science andTechnology, 23 (9), pp. 802 - 812, September1986

3. KAWANISHI, H. and ISHINO, S.,Microstructure of Fe-16Ni-15Cr AlloysIrradiated in Joyo, Journal of NuclearMaterials 155 - 157 (1988) 806 - 809

4. STUBBINS, J.F. and GARNER. FA, TheRelatif Influence of Helium! dpa Ratio andOther Variables on Neutron-Induced Swellingof Fe-Ni-Cr Alloys at 495 C and 14 dpa,Journal of Nuclear Materials 179 - 181 (1991)523 - 525

5. MUROGA, T., GARNER, FA and.OHNUKE. S., Microstructural Investigation ofSwelling Dependence on Nickel Content inFast Neutron Irradiated Fe-Cr-Ni AusteniticTernaries, Journal of Nuclear Materials 179 ­181 (1991) 546 - 549

6. FUKUY A, K., NAKAHIGASHI, S., OZIKI, S.and SHINA, S., Effect of Phosphorus, Siliconand Sulphur on Microstructural Evolution inAustenitic Stainless Steels During ElectronIrradiation, Journal of Nuclear Materials 179 ­181 (1991) 1057 - 1060

7. MAZIASZ, P.1., Forn1atioan and Stability ofRadiation Induced Phases in Neutron­Irradiated Austenitic an Ferritic Steels, Journalof Nuclear Materials 169 (1989) 95 - 115

8. HISHINUMA, A., KATANO, Y. andSHIRAISHI, K., Swelling and NickelSegregation Around Voids in Electron­Irradited Fe-Cr-Ni Alloys, Journal of NuclearMaterials 103 & 104 (1981) 1063 - 1068

9. WATANABE, H., AOKI, A., MURAKAMI,H., MUROGA, T. and YOSHIDA, N., Effectsof Phosphorus on Defect Behavior, SoluteSegregation and Void Swelling in ElectronIrradiated Fe-Cr-Ni Alloys, Journal of NuclearMaterials 155 - 157 (1988) 815 - 822

10.KAWANISHI, H., GARNER, FA andSIMONS, R.L., Synergistic Effect of Heliumand Other Variables on Microstructure Changein Neutron Irradiated Fe-Ni-Cr Alloys DopedWith s'>Ni, Journal of Nuclear Materials 179 ­181 (1991) 511 - 514

11.Gittus. 1., Irradiation Effect in CrystallinSolids, Applied Science Publisher Ltd,London, 1978.

12.HAMADA, S. and MAZIASZ, P.l, UltrafineDefects Inside Precipitate Particles Produced inType 316 Stainless Steel by Irradiation inHFIR, Journal of Nuclear Materials 170 (1990)124 - 128

TANYAJAWAB

Tumpal P.

Fenomena apa yang terjadi apabila unsur Pditingkatkan, sehingga diperoleh penurunanswelling?

Budi Briyatmoko

Dengan adanya llnsur P lIIaka di dalamlIIatrik 55 tipe 316 akan terbenwkpresipitat senyawa phospit (misalnya :Fe}P). Presipitat tersebut be/fungsisebagai tempat berkumpulnya cacclt titikyaitu vakansi dan interstiti. DenganberklllllPlllnya vakansi dan interstiti lIIakaakan te/jadi rekombinasi dimana vakansidan interstisi saling menghilangkan.Dengan demikian tidak te/jadi void danswelling.

Tri Wulan Tjiptono

Mengapa yang digunakan P ?

Bagaimana dengan radiation damage, apakahmenjadi lebih tahan juga bahan yangditambahi P.

Budi Briyatmoko

Karena ullSur P dapat membentuk

presipitat senyawa phospit dimanainterstitsi atau vakansi terikat kllat oleh

senyawa phospit tersebut. Dibandingkandellgan unsur lain misal' 5i. ikatanpresipitat senyawa 5i dengan vakallsi atauinterstisi besa/'llya lebih kecil dari pada

presipitat sen)'awa phospit.

Betul. radiation damage ado bermacam­I/Ulcam mulai dari caalt titik (vakansiatOll interstisi). cacat dislokasi(cacal 2dimensi) dan cocat swelling (cacclt 3dimensi)

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, B Juli 2003