Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

PENGARUH KANDUNGAN Ni DAN Cr PADA BAJA KANDUNGANKARBON SANGAT RENDAH TERHADAP HARGA IMPAK

PADA SUHU -100°C

'536

YUSWODO daD YusufPuslibang Metalurgi LIPI

ABSTRAK

PENGARUH KANDUNGAN Ni DAN Cr PADA BAJA KANDUNGAN KARBON SANGAT RENDAHTERHADAP DARGA IMPAK PADA SUHU -100-C. Baja kandungan karbon sangat rendah bersifat sangat tangguh, harga impakpada suhu kamar adalah 140 J/cm2. lebih tinggi hampir tiga kali dari pada baja karbon rendah konvensionil. Tetapi baja ini padasuhu sangat rendah -100.C. ketangguhannya menurun, harga impaknya turun drastis hingga 12.68 J/cm2. Komposisinya adalah0.05%C. 0.0 12%Si. 0,21 %Mn. 0.0097%P. 0,025%S. Pada komposisi tersebut melalui penambahan Ni dengan kandungan masing-masing sekitar 1 %Ni clan 2%Ni. hanya sedikit berpengaruh terhadap peningkatan kekuatannya. Tetapi pada baja paduan renda~'ini. adanya kandungan Ni berpengaruh terhadap peningkatan harga impaknya pada suhu sangat rendah. Harga impak pada suhu-IOO.C adalah 147 J/cm2, mendekati harga impak pada suhu kamar. Baja paduan rendah kandungan Ni ini bisa dimanfaatkansebagai material untuk suhu kriogenik. Pada komposisi tersebut, dengan kombinasi kandungan unsur Ni clan Cr hingga 3,62%Niclan 1.46%Cr terjadi perubahan strukturmikro. yaitu adanya bainit. Pembentukan tipe strukturmikro ini berpengaruh terhadappeningkatan kekuatannya. Tetapi pada suhu sangat rendah -100.C mengakibatkan penurunan harga impaknya.

ABSTRACTINFLUENCE OF Ni AND Cr CONTENT IN THE VERY LOW CARBON CONTENT STEELS FOR THE

IMPACT VALUE AT -lOO"C. Impact value of the very low carbon content steel at room temperature is in about 140 J/cm2, threetime more higher than the low carbon conventional steels. This is the best toughness steels. But the toughness of this steel is notgood at very low temperature. It's impact value decrease drastically up to 12.68 J/cm2 at -IOO'C. It's composition is an 0.05%C,O.012%Si, 0.21%Mn, O.0097%P, 0.025%S. In this composition, addition ofNi, this is an alloying element by I%Ni and 2%Nicontents, did not affect to the increasing of their strength. But Ni content in the very low carbon content steels is potent toincreasing of impact value at low temperature. Because of 1 %Ni content, it's impact value at -I OO'C was almost same comparingwith impact value at room temperature, up to 147 J/cm2. The low alloy Ni steels with very low carbon content can be used asmaterials for cryogenic temperature. Combination of 3.6%Ni and 1.5%Cr content in this steel affect to the change of microstruc-ture. Bainitic acicular appeared, and it was followed by increasing of their strength. Because of Cr content, their impact value at-IOO"C are decrease

KEYWORD

Cryogenic temperature. Impact, Dimple

PENDAHULUANtinggi pada subu rendah. Material yang mempunyaikekuatan dan harga impaknya yang sekali gus tinggi.Material yang mempunyai sifat demikian ini bisadigunakan pada subu kriogenik. Padahal sifat-sifat ma-teriallogam umumnya mempunyai subu transisi, artinyapada suhu tertentu di bawah Dol, harga impaknya turnndrastis. Seperti pada baja, harga impaknya bisa turnndrastis pada suhu sekitar -1 OO.C[ 1 ]. Oleh karena itupenggunaan konstruksi dari baja konvensionil diling-kungan suhu sangat rendah (dibawah Dol), hanyamungkin bisa diatasi dengan menggunakan baja paduanoInformasi menyebutkan bahwa kandungan Ni atau MIldi dalam baja ternyata bisa mempertahankan hargaimpaknya pada suhu kelewat dingin[2]. Masalah yangdihadapi adalah apakah betul bahwa kandungan Ni itusendiri bertindak sebagai unsur pemadu untuk memper-tahankan sifat ketangguhannya pada baja kandungan

Kandungan Ni yang relatifkecil (0,5% sid 2%)di dalam baja paduan rendah pada mulanya kurangdikenal, karena tidak berpengaruh terhadap peningkatan

kekuatannya, jika dibandingkan dengan kandunganunsur lain seperti Mn, Cr, dan Mo. Oleh karena itukandungan Ni di dalam baja biasanya dikombinasikandengan unsur-unsur tersebut. Kandungan Ni sekitar 8%di dalam baja bertindak sebagai unsur pembentuk rasaaustenit pada suhu kaInar. Kandungan di bawah hargatersebut larut padat di rasa ferit.

Dalam perkembangan iptek akhir-akhir ini,dibutuhkan material yang mempunyai sifat ketahananpada suhu kelewat dingin, seperti misalnya sebagaiwadah beberapa jenis gas yang telah dicairkan. Mate-rial untuk wadah cairan yang kelewat dingin ini, sifatmaterial yang dibutuhkan adalah harga impak yang

135Yuswono dun Yusuf

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

gelombang suara (v) dengan harga elastisitasnya (y),seperti pada rumus di bawah ini

v = yip

p: masajenis

karbon sangat rendah. Pemanfaatan baja ini karenamempunyai harga impak yang relatif tinggi pada subukamar serta kemudahan dalam fabrikasinya. Apabilaberhasil maka akan diperoleh material baja yangmempunyai sifat ketahanan pada suhu kriogenik yang

mempunyai harga impak sangat tinggi.Dalam makalah ini akan disajikan pengaruh

kandungan Ni terhadap harga impak pada suhu -IOOOCpada baja kandungan karbon sangat rendah. Karenakandungan Cr di dalam baja berpengaruh pada pening-katan kekuatan daD harga impaknya pada suhu kamar,maka perlu diamati pengaruh harga impak pada suhurendah pada kombinasi kandungan Ni dan Cr.

TEORI DASAR

Sifat-sifat Elastisitas Logam Pada Suhu Sangatrendah

Keteraturan posisi atom-atom logam dalambentuk kristal perperan dalam pembentukan ikatanlogam. Logam yang mengalami tegangan tank padabatas elastis mengalami pergeseran. Atom-atom logambergeser. berpindah tempat kedudukan yang baru. daDkembali ke tempat semula bila tegangan tank tersebutditiadakan[3]. Gambaran mengenai pergeseran posisiatom-atom karena adanya beban tegangan tarik elastisditunjukkan pada Gambar I.

Berdasarkan nunus di alas, berarti sifat elastisilaslogam dapat diamati pada perambatan gelombangultrnsonik yang dimmmtkan melalui rnateriallo~. Daribasil percobaan ditunjukkan gejala bahwa, adanyapelemahan parambatan gelombang suara dengansemakin turunnya suhu. Babkan pada suhu sernakinrendah lagi, gelombang suara tidak dirambatkan olehmateriallogam, atau diserap oleh materialnya. Hal iniberarti elastisitas logam pada suhu sangat rendah bisamengecil daD bisa hilang sarna sekali. Walaupun adategangan geser. atom-atom logam seperti yang ditun-jukkan pada Gambar I tidak bisa bebas bergerak. Lainkeadannnya, apabila logam merupakan paduano Gelom-bang suara sebagian diteruskan dan sebagian diserap.Jadi untukjenis paduan logam tertentu, akan memung-kinkan adanya kesempatan perambatan gelombangsuara pada suhu sangat rendah. Adanya substitusiatom-atom unsur pemadu memungkinkan adanyaperambatan gelommng suara.

Getaran antar atom-atom logam pada kisi-kisikristalnya dipengaruhi oleh suhu. Suhu makin rendahamplituda getarnya makin berkurang. Penurunanamplituda getar ini berpengaruh terhadap penguranganjumlah cacat dislokasi titik pada kisi-kisi atom logam.Akibatnya pada suhu rendah, posisi atom-atom logammenjadi lebih teratrur, atau logam mempunyai tingkatkristalisasi yang tinggi. Peningkatan kristalisasi logam

mengakibatkan penurunan elastisatasnya. Tingkatkristalisasi logam dapat diUkur dari harga resistivitaspada suhu rendah. Penurunan suhu diikuti olehturunnya resistivitas hingga mencapai harga konstan r.(lihat Gambar 2) [5]. Barga r. berubah padajenis paduanlogam tertentu, yang dapat meningkatkan elastisitasnya.

......+-

.....

....

(a)......

...

(b)

Gambar Pergeseran atom-atom adanya tegangan gesert (a). atom kembali semula tanpa ada tegangan(b).

Pada suhu sangat rendah ditunjukkan suatugejala bahwa elastisitas logam menjadi rendah denganturunnya suhu, bahkan pada suhu sangat rendah hargaelastisitasnya bisa mendekati nolo Hal ini berarti hargaimpak logam bisa menjadi sangat rendah denganturunnya suhu. Fakta ini ditunjukkan melalui pemberianrambatan gelombang ultrasonik terhadap logam padasuhu sangat rendah[4). Hubungan cepat rambat

PI>

~T

Gambar 2. Gambaran skematis yang menyatakan bu-bungan antara resistivitas P dengan tem-peratur T. Pada suhu sangat rendah hargaresistivitasnya menjadi konstan Po'

136

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Mater; IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

yang digunakan pada percobaan ill adalah alumina.Sebagai fluk penutup pennukaan baja cair ditarnbahkanCaO. Cairan baja dibiarkan di dalam tungku hinggasuhunya mencapai 1650°C. Untuk mengurangi kan-dungan sulfur ditambahkan batuan flourspare (Ca}'). Bajacair di dalam tungku dituang ke dalam ladel, kemudiandituang kedalam cetakan pasir bentuk Y blok (dimensililiat Gambar 4) yang telah disediakansebelumnya.

Sifat-sifat Elektron i.ogam pada Suhu Rendah

Ada dua hal yang berperan dalam mewujudkanciri-ciri ikatan logarn, yaitu gaya tarik dan gaya tolak antaratom-atom logam pada kisi-kisi kristalnya, dan orbitalelektron terluar atau elektron valensi yang bebasbergerak. Sifat-sifat elektron bebas juga mempunyaiperanan terhadap harga elastisitas logam pada suhureOOab. Pada logam, ada interaksi antara elektron bebasdengan perarnbatan gelombang suara. Pada suhu sangatrendah, jejak bebas rata-rata elektron bebas lebih besardari pada panjang gel om bang suara. Akibatnyagelombang suara kehilangan energi atau tidakdirarnbatkan di dalarn mediwn materiallogam.

Tingkah laku gas elektron di dalam materiallogam dinyatakan dengan suhu Fenni sebagai berikut :

TF~5xlO4KT F : suhu Fenni

Jadi pada suhu kamar T«T F' elektron menjadi lebihefcldifmembentuk suatu ikatan logam. Pada suhu sangatrendah, elektron tidak bebas bergerak, seolah-olahterkurung dalam suatu ruangan bola. Ruang gerakelektron digambarkan oleh momentum dalam ruang bolaFenni (Garnbar 3). Pada suhu sangat rendah besarnyamomentum elektron hanya terjadi di dalam bola Fermi.Hal ini berarti bahwa ruang gerak elektron di dalarn logamterbatas. Akibatnyajejak bebas rata-rata elektron menjadilebih panjang dengan sernakin menunmnya suhu, dantidak akan berfungsi sebagai media perambatangelombang suara. Akibatnya elastisitas logam menjaditurun, dan rapuh.

Gambar 4. Skematis dimensi Y blok. Dimensi dalam mm.

Pengujian

Ruang bolapz

Contoh untuk uji adalah basil potongan dari Yblok (posisi lihat Gambar 4). Dilakukan rol panasterhadap contoh uji, pemanasan pada suhu sekitar1150"C, reduksi 300/0, pendinginan di mOOia txIara (ruangterbuka). Ada tiga tahap pengujian yaitu :I. Uji komposisi kimia2. Uji metalografi optik3. Uji mekanik : kekuatan tarik-regangan, daD uji impak

(subsize specimens)[6]Uji impak dilakukan pada suhu kamar dan suhu

-100°C. Pengujian pada suhu rendah dilakukan dengancara mengalilkan CR. cair (titik didih -IOO"C) ke contoh

uji.

BASH.. PERCOBAANPy -~

Gambar 3. Gambar skematis ruang bola Fermi yangmenyatakan gas atau elektron (fermion), yangmana pada subu sangat rendah T«T.. keadaanmomentum ruangnya terbatas di dalam bola.

CARAPERCOBAAN

Pembuatan Paduan

Tungku induksi kapasitas 200 kg digunakan

untuk pembuatan paduan baja rendah. Sebagai bahan

baku adaIah skrap baja, komposisinya adalah : 0,05% C,

0,2%Si, 0,5%Mn, O,OSO/op, 0,08% S. Thngku diIIUJati skrap

baja. Setelah baja di dalam tungku mencair dilakukan

penambahan pemadu fern Fe-Ni dan Fe-Cr. Lining tungku

Basil Anatisa Komposisi Kimia

Hasil analisa komposisi kimia dapat dilihat padaTabel I, ditunjukkan bahwa termasuk baja dengankandungan karbon sangat rendah lebih kecil daTi pada

0,10/0.

Basil Uji Metaiografi

Pengamatan struktur mikro dari Garnbar 5, dapatditerangkan sebagai berikut :-Gambar 5a, matrik : ferit, tidak tampak adanya

presipitasi karbida, akibat kadungan karbon yangsangat rendah.

-Garnbar 5b, tipe sb1Jkturmikronya sarna seperti gantJar

HIswono don YuBU! 137

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN1410-2897

Analisa komposisi kimia contoh baja paduan rendah dengan kandungan Ni clan CrTabel

Si~0,012

0,012

0,012

0,012

0,012

Mn

.f!!!l0,21

0,21

0,21

0,21

0,21

s~0,0097

0,0097

0,0097

0,0097

0,0097

p~0,01

0,01

001,

001,

0,01

Ni(%)

Cr(%)

Kode paduan c.f!!!l0,05Fe-O%Ni

1,12

2,05

2,46

3,62

Fe-l %Ni 0,05

0,06Fe-2%Ni

0,8

1,46

Fe-2,5%Ni-O,8%Cr 0,06

0,06Fe~3,5%Ni~ 1,5%Cr

5. d. Fe-2,4%Ni, O,8%Cr, matrik : refit 350x5.a Fe-O%Ni, ~atrik : rent. 500 x

5.e. Fe-3,5%Ni, 1,5%Cr, matrik : ferit, tampak bainit.35Ox

S.b. Fe-l%Ni. matrik : ferit 3S0x

Gambar 5. Hasil pengamatan strukturmikro bajakandungan karbolJ 0,05%. Keterangangambar 1 : refit, 2 : Perlit, 3 : bainit.

5a, kandungan 1 %Ni pada jumlah tersebut tidakberpengaruh terhadap perubahan tipe struktu-

nnikronya.-Garnbar 5c, tipe strukturmikro tetap sarna seperti

gambar 5a, adanya kandungan Ni hingga 2% jugatidak berpengaruh terhadap pembahan tipe struktur-

rnikronya.-Gambar 5d, akibat adanya kandungan Cr rnuncul

adanya peTtit. Peristiwa ini disebabkan karena unsur5. C. Fe-2%Ni, matrik : rent. 350 x

Prosiding Pertemuan lImiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

kandungan Cr impaknya menunm.

Basil Peogamatao Pennukaao Patahao

Uji impak ChaJpy diJakukan dengan cara menum-buk contoh uji logam hingga patah. Akibat momentumyang dialami nya, logam mengalami deformasi dalamwaktu yang relatif singkat, yang menghasiIkan ciri-ciripermukaan patahan yang membedakan patah rapuh danpatah tangguh (harga impak lebih tinggi). Patah rapuhditunjukkan permukaan patah berupa bidang rata. Patahyang tangguh ditunjukkan permukaan patah berupa aIur-aIur patah yang lancip (dim pel). Hasil pengamatanpermukaan patahan dari basil uji impak pada suhu -lOOOC dapat dilihat pada Gambar 7 di bawah ini

Cr di dalam baja sebagai pembentuk karbida yangkuat.

-Gambar 5e,peningkatan kandungan Cr tipe stmktur-mikronya berubah, tampak adanya bainit.

Rasil Uji Tegangan tarik-Regangan

DaTi basil uji mekanik ditunjukkan bahwa peningkatankekuatan akibat kandungan Ni adalah relatif kecil jikadibandingkan dengan kandungan sekaligus dua unsurNi dan Cr. Temyata kandungan Ni dikombinasikandengan Cr, kekuatannya meningkatjauh lebih tinggi padasuhu kamar.

Tabel 2 Data sifat mekanik dari uji tegangan tarik.regangan suhu kamar pada baja paduan rendahNi/Cr

7.a. Fe-O%Ni. 920xBasil Uji Impak Pada Suhu -lOO.C

Hasil uji impak dilunjukkan pada Gambar 6. Padasuhu kamar, baja dengan kandungan karbon sangatrendah tanpa kandungan Ni daD Cr, harga impaknyatinggi sekitar 140 J/cm2. Tetapi harga impak ini turunsecara drastis pada suhu sangat rendah, yaitu menjadisekitar 13 J/cm2. Harga impak pada suhu rendah inikembali meningkat jauh lebih tinggi lagi dengankandungan Ni hingga 2%. Setelah adanya sejurnlah

7.b. Fe-l%Ni,920x

Gambar 6. Pengaruh kandungan Ni daD Cr terhadap

harga impak pada suhu kamar dan suhu

-IOO.C. 7.c. Fe-20/0Ni 920"

Yu.\'Wono dan Yusuf 139

ISSN 1410-2897

Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

7.e. Fe-3,5%Ni-I,5%Cr,920x

Gambar 7 Pennukaan pataban dari basil uji impak subu-IOO.C Keterangan gamabar I : alur patahdimpel, 2 : alur patah rapuh.

PEMBAHASAN

Barga Impak pada Suhu Rendah Terhadap Baja daDPaduannya

semula setelah beban ditiadakan. Akibatnya di dalamkisi kristalnya muncul adanya cacat dislokasi. Tetapipada suhu sangat rendah, baja mengalami kristalisasi[5.7].Jadi selama baja diberi beban impak hingga defonnasi,peluang adanya cacat dislokasi adalah tidak mungkinterjadi. Akibatnya baja menjadi rapuh atau hargaimpaknya turun drastis (patah rapuh Gambar 7a). Kalanpadangan kita alihkan ke elektron bebas yang dimilikipada ikatan logam, konsekuensinya beraiih ke momen-tum ruang elektron (Gambar 2), elektron terjebak didalam bola Fermi, yang berarti pada suhu rendah ruanggerak elektron terbatas. Jadi elektron pada suhu rendahkurang berperan dalam pembentukan ikatan logam.

Penumnan harga impak ini pada suhu rendahdapat dipulihkan kembali oleh adanya kandungan Nihin~ 2% (Gambar 6). Hasil pengamatan strukturmikrotidak tampak adanya presipitasi rasa. yang menunjukkanbahw~ kandungan Ni pada komposisi 1% dan 2% lamtpadat di dalam bcija (fasa fecit). Atom-atom Ni di dalamkristal kubus berpusat badan menempati posisisubstitusi pada kisi kristalnya. Substitusi atom-atom Niini berpengaruh terhadap adanya peluang cacatdislokasi, sedemikian hingga pada suhU -IOO'C bersifatulet (ductile), mampu terdeformasi (lihat skematisGambar 8a dan b). Fakta ini ditunjukkan permukaanretak dimpel pada Gambar 7b daD c. Logam Ni dan Fetennasuk unsur trarisisi. Ciri-ciri logam ini adalah orl>italgaris edar elektron yang letaknya di samping orl>italelektron terluarnya tidak selalu terisi penuh olehelektron, yang mengakibatkan selalu memberi peluangadanya spin. Hal ini berarti adanya substitusi atom Ni,akan mempertinggi radius bola Fermi (lihat Gambar 2).Jadi dipandang dari elektron bebas yang dimiliki padalogam, momentum elektron meningkat, sehin~ elektronlebih bebas bergernk. Kodisi demikian ini akan memberipeluang adanya peningkatan keuletan logam pada suhusangat rendah.

Kandungan dua unsur Ni daD Cr sekali gus(Tabel I) mengakibatkan penumnan harga impak padasuhu rendah (Gambar 6). Unsur Cr, walaupun termasukjuga unsur transisi, kedudukan di dalam matrik fecitbebeda dengan Ni, unsur ini disamping lamt padat difa sa refit juga sebagai unsur pembentuk karbida.Demikian juga adanya kandungan Cr mengakibatkanpembahan tingkah laku difusi baik terhadap otom-atomlogam dasamya rnaupun logam pemadu Ni daD Cr. Jadiakibat kandungan Cr, strukturmikronya berubah, tampakadanya presipitasi kalbida bentuk bentuk perlit (Gambar5d), daD bainit (Gambar 5e). Munculnya perlit maupunbainit memang mempunyai harga impak tinggi padasuhu kamar. Tetapi pada suhu tendah harga impaknyajustru malah turun. Walaupun demikian harga impaknyamasih relatif tinggi. Hal ini disebabkan karena pada

pengamatan permukaan patah tampak adanya campuranalur-alur patah dimpel daD patah rapuh (Gambar 7ddaD e).

Pada suhu kamar baja kandungan karbon sangatrendah (0,05%C). harga impaknya 140 J/cm2 jauh lebihtinggi dari pacta baja karbon rendah konvensionil sekitar50 J/cm2). Harga impak ini turun drastis pada subu -100°C(Gambar 6). Dengan kala lain sifat keuletannya turnnhingga menjadi rapuh. Untuk membahas fakta ini, kalauditinjau dari sifat ikatan logam itu sendiri dapatdipandang melalui dua aspek, yaitu posisi atom-atomlogam Fe padakisi kristal kubus pusat badan pada rasaferit daD elektron bebas yang dimiliki.

Pemberian tegangan pacta daerah elastis pactasubu kamar, kisi kristal atom-atom Fe hanya mengalamipergeseran, daD atom-atomnya akan kembali sepertisemula setelah bebannya ditiadakan, seperti yangditunjukkan pacta Gambar I. Sebaliknya pemberianpemberian beban hingga deformasi, atom-atomnyamengalami pergerakan daD tidak akan kembali seperti

Yuswono dan Yusuf140