Metalografi

Tujuan

Mengubah sifat mekanik baja melalui transformasi fasa dan;

Mengamati struktur mikro baja hasil proses transformasi fasa serta hubungannya dengan sifat mekanik baja tersebut.

Teori Dasar
Proses perlakuan panas merupakan kombinasi dari proses pemanasan dan pendinginan dari suatu logam untuk memperoleh sifat mekanik yang diinginkan. Secara sederhana terdapat tiga tahapan dalam perlakuan panas yang harus dilalui yaitu pemanasan(heating), penahanan pada temperatur pemanasan (holding) dan selanjutnya dilakukan pendinginan (cooling rate). Laju pendinginan sangat berperan dalam menentukan fasa yang terbentuk sebagai hasil dari transformasi fasa, yang akan menentukan sifat mekanik dari baja secara umum ada tiga alasan mengapa proses perlakuan panas dilakukan, yaitu melunakkan baja sebelum dilakukan pembentukan, menghilangkan energi yang tersimpan di dalam baja akibat strain hardening, mendapatkan kekuatan dan keuletan tertentu dari baja sesuai dengan perancangan.

Pemanasan pada proses perlakuan panas dilakukan sampai temperatur austenit, tinggi rendahnya pemanasan sangat bergantung pada kadar kabon di dalam baja, yang dapat diperkirakan melalui diagram fasa Fe-C, Gambar 1. Penahanan pada temperatur austenit dimaksudkan sebagai proses homogenisasi. Ditinjau dari laju pendinginannya, proses perlakuan panas dikelompokkan atas laju pendinginan cepat(Quenching) dan laju pendinginan lambat yang dibedakan atas Normalizing (laju pendinginan lambat) dan Annealing (laju pendinginan sangat lambat), seperti tertera pada Gambar 2. Proses quenching dapat dilakukan dengan cara mencelupkan spesimen dalam medium pendinginan (air, air garam, dan oli). Kemampuan suatu medium untuk mendinginkan suatu media berbeda-beda, bergantung dari temperatur, kekentalan, kadar larutan dan bahan dasar media berbeda-beda, bergantung dari temperatur, kekentalan, kadar larutan dan bahan dasar media pendingin. Adapun normalizing dilakukan dengan cara pendinginan di udara, sedangkan annealing dilakukan dengan pendinginan di dalam tungku itu sendiri. Perbedaan laju pendinginan akan menghasilkan transformasi fasa yang berbeda artinya akan memberikan struktur mikro yang berbeda pula, demikian halnya dengan sifat mekaniknya.

Gambar 1. Diagram fasa Fe-C [2]

Gambar 2. Skema proses perlakuan panas pada laju pendinginan berbeda

Transformasi fasa hasil pendingin cepat lebih dikenal sebagai Transformasi Martensit (Martensitic Transformation), yang bertujuan untuk peningkatan kekuatan baja. Adapun transformasi fasa pada pendinginan lambat dikenal sebagai pembentukan perlit (Pearlite Transformation), yang bertujuan untuk pelunakan baja. Dari skema proses perlakuan panas pada Gambar 2 dapat dilihat bahwa makin lambat laju pendinginan maka akan dihasilkan baja dengan kekuatan yang makin rendah. Pembentukan fasa hasil prose perlakuna panas dapat diamati dengan metalografi.

Banyak buku referensi menyatakan bahwa metalografi merupakan paduan antara seni dan ilmu (art and science). Selanjutnya metalografi didefinisikan sebagai suatu kajian tentang struktur mikro logam dan paduannya dengan bantuan mikroskop, untuk dapat memperkirakan atau menjelaskan mengenai sifat mekaniknya. Melalui pengamatan metalografi dapat di peroleh informasi mengenai bentuk ukuran butir, distribusi fasa, ada/tidaknya cacat mikro seperti: segregasi, retakan mikro, inklusi non logam.

Dalam pengamatan metalografi diperlukan serangkaian persiapan spesimen agar struktur mikro dapat teramati dengan seksama. Untuk itu diperlukan langkah-langkah sebagai berikut :
Sectioning (pemotongan)
Penentuan/pemilihan bagian yang dapat mewakili logam/paduan yang akan diamati dan selanjutnya dilakukan pemotongan.
Mounting (pembingkaian)
Spesimen yang telah dipotong dibingkai dengan polimer menggunakan cetakan.
Grinding (pengampelasan)
Permukaan spesimen harus bebas dari goresan, karat maupun cacat lain yang cenderung akan merusak permukaan spesimen, dengan cara pengampelasan permukaan spesimen menggunakan kertas abrasif dari ukuran rendah berturut-turut sampai ukuran tinggi.
Polishing (pemolesan)
Tahap akhir dari perataan spesimen dilakukan dengan media yang lebih halus dari kertas abrasif, dengan tingkat kehalusan berukuran mikron, tahap ini disebut sebagai pemolesan. Media poles yang umum digunakan adalah serbuk alumina, untuk kebutuhan khusus dapat digunakan pasta intan.
Etching (pengetasan)
Tahap akhir dalam persiapan spesimen yaitu memunculkan struktur mikro dengan cara mereaksikan permukaan spesimen dengan larutan kimia tertentu, disebut sebagai larutan etsa, tahap ini disebut sebagai pengetasan. Selanjutnya spesimen siap diamati dengan mikroskop.

Alat – alat Yang Digunakan
Mikroskop optik model Olympus B061, Gambar 4.
Spesimen dapat terdiri dari : baja karbon, baja paduan, atau besi cor kelabu (ditentukan oleh asisten).
Tungku dan medium pendingin.
Ampelas dengan tingkat berturut-turut 180,220,320,400,600,800,1000 dan 1500 mesh.
Mesin ampelas dan poles.
Larutan etsa
Cold mounting Buehler Cast N'Vac 1000.

Prosedur Pengujian
Panaskan spesimen sampai temperatur austenit, tahan spesimen pada temperatur austenit.
Dinginkan spesimen dengan laju pendinginan tertentu, sesuai dengan petunjuk asisten: quenching, normalizing, intercritical annealing.
Spesimen kemudian dibingkai (mounting) dengan meggunakan alat cold mounting Buehler Cast N'Vac 1000.
Campurkan resin dan katalis dengan perbandingan sesuai petunjuk asisten.
Masukan spesimen ke dalam cetakan, usahakan spesimen terletak pada tengah-tengah cetakan.
Atur posisi cetakan pada alat cold mounting agar posisinya tepat saat resin dituangkan.
Pasang pressure gauge dan pastikan tidak terjadi kebocoran.
Tekan tombol pompa pada posisi ON, biarkan tekanan naik sampai -25 inc.Hg, setelah tekanan tercapai diamkan selama 2 menit. Alat coled mounting siap digunakan.
Tuangkan resin ke dalam cetakan secara perlahan.
Tekan tombol pompa pada posisi OFF.
Kendurkan pressure gauge dengan cara memutar berlawanan arah dengan arah jarum jam, dan biarkan tekanan turun secara perlahan.

Setelah dibingkai selanjutnya dilakukan tahap sebagai berikut:
Ratakan permukaan spesimen menggunakan kertas abrsif (ampelas) berturut-turut dari kekerasan 180, 220, 320, 400, 600, 800, 1000 dan 1500 mesh, menggunakan grinding machine, mengikuti arah sebagai berikut:

gambar 3. Skema arah pengampelasan spesimen metalografi
Pengampelasan dimulai dari ampelas yang terkasar, 180 mesh, dilakukan dalam satu arah, sampai goresan yang terjadi searah. Bila goresan telah searah, lanjutkan dengan ampelas dengan kekasaran satu tingkat lebih halus, 220 mesh, dengan arah pengampelasan tegak lurus arah goresan semula, seperti skema pada Gambar 3. Langkah tersebut dilakukan berturut-turut hingga ampelas yang terhalus, 1500 mesh. Pada proses pengampelasan agar diperhatikan agar tidak terjadi panas pada saat gesekan antara spesimen dengan abrasif, air pendingin harus mengalir dengan baik, Gambar 4.

Gambar 4. Mesin poles
Tahap selanjutnya, permukaan spesimen dipoles dengan media abrasif yang sangat halus menggunakan mesin pemoles, hingga permukaan benar-benar rata, bebas dari gangguan.
Proses pengetsaan dilakukan segera setelah permukaan spesimen selesai dipoles. Gunakan larutan etsa sesuai lgam dan struktur mikro yang akan dimunculkan. Ikuti petunjuk asisten dalam melakukan proses pengetsaan.
Segera lakukan pengamatan permukaan spesimen yang telah disketsa menggunakan mikroskop optik, Gambar 4. Apabila pengamatan dilakukan hari yang berbeda maka sebaiknya spesimen dipoles dan disketsa kembali. Atur pembesaran mikroskop agar struktur mikro dapat teramati dengan jelas dan lakukan analisis.

Tugas dan Pertanyaan
Dari data yang diperoleh berikan analisis struktur mikro yang teramati serta kaitan dengan sifat mekanik logamnya!

Jelaskan mengapa kajian metalografi menjadi bagian penting dari suatu analisis kegagalan komponen?

Jelaskan mengapa pemotongan spesimen menjadi bagian penting dalam menentukan struktur mikro?
Hal ini dikarenakan pemotongan spesimen menjadi penentu bagian spesimen yang dapat mewakili keseluruhan bagian logam yang akan diamati. Pemotongan yang salah juga akan mengakibatkan perubahan struktur mikro yang sebenarnya. Perubahan struktur mikro ini diakibatkan ketika pemotongan terjadi gesekan antara alat pemotong dengan permukaan spesimen. Sehingga terjadi pemanasan setempat, yang dapat mengubah struktur mikro pada spesimen.

Jelaskan ada berapa cara pembingkaian spesimen dan mengapa demikian? Serta sebutkan syarat yang harus dimiliki dari suatu bahan dasar untuk mounting?
Ada dua cara dalam melakukan pembingkaian spesimen :
Hot mounting merupakan proses ketika spesimen ditempatkan pada suatu mesin mounting, kemudian resin ditambahkan lalu spesimen ditekan pada temperature dan tekanan tinggi.
Cold mounting merupakan proses spesimen ditempatkan pada suatu wadah. Kemudian di masukkan ke dalam mesin vakum yang di dalamnya dicampurkan dengan resin. Setelah bercampur dengan resin mesin diaktifkan untuk menghilangkan udara pada resin.
Syarat yang harus dimiliki dari suatu bahan dasar untuk mounting adalah material tersebut memiliki kekerasan yang cukup untuk melindungi spesimen dari distorsi fisik yang terjadi akibat panas akibat pengamplasan.

Jelaskan apa yang dimaksud dengan cold mounting dan hot mounting, serta bilamana cold mounting dan hot mounting harus digunakan?
Cold mounting merupakan proses spesimen ditempatkan pada suatu wadah. Kemudian di masukkan ke dalam mesin vakum yang di dalamnya dicampurkan dengan resin. Setelah bercampur dengan resin mesin diaktifkan untuk menghilangkan udara pada resin. Cold mounting biasa digunakan pada spesimen tunggal ataupun memiliki ukuran yang besar.
Hot mounting merupakan proses ketika spesimen ditempatkan pada suatu mesin mounting, kemudian resin ditambahkan lalu spesimen ditekan pada temperature dan tekanan tinggi. Hot mounting biasa digunakan untuk jumlah spesimen yang banyak. Karena akan menghasilkan mounting yang seragam dalam bentuk ukuran.

Jelaskan apa yang dimaksud dengan kekasaran abrasif 200 mesh? Kekasaran abrasif 200 mesh menyatakan kekasaran dari amplas yang digunakan. Mesh sendiri adalah jumlah partikel yang ada pada kertas tiap 1 inchi. Jadi kertas amplas 200 mesh, memiliki 200 partikel tiap inchi sehingga membuat kertas ini menjadi kasar.

Jelaskan apakah struktur polimer juga dapat diamati sebagaiman halnya dengan logam? Apabila ya jelaskan bagaimana caranya dan apabila tidak jelaskan mengapa demikian?

Jelaskan apa yang dimaksud dengan heat tinting?
Heat tinting adalah salah satu metode pemolesan yang bersifat merusak (Destructive Etching) dengan menggunakan oksidasi akibat pemanasan pada permukaan material yang telah dipoles sehingga dapat menunjukan struktur mikro material tersebut.

Jelaskan apa yang dimaksud dengan electrolotic polishing dan sebutkan pula apakah keuntungannya?
Electrolitic polishing adalah salah satu polishing (pemolesan) yang bersifat merusak (Destructive Etching) dengan menggunakan metode elektrolisis. Prosesnya spesimen dimasukan ke dalam larutan elektrolit, kemudian dihubungkan ke arus listrik DC. Lapisan yang ingin dihilangkan digunakan sebagai anoda sedangkan baja yang lebih mulia digunakan sebagai katoda. Saat arus listrik dialirkan, anoda akan teroksidasi dan larut di larutan elektrolit.

Keuntungannya :
Permukaan menjadi lebih bersih dan halus dibanding pemolesan fisik.
Tidak terjadi deformasi optimal pada spesimen, yang terdapat pada metode pemolesan lainnya.
Dapat menjangkau wilayah yang tidak dapat dijangkau oleh metode pemolesan lainnya.

Jelaskan mengapa penggunaan larutan etsa yang mengandung HF sebaiknya tidak langsung diamati dengan mikroskop?

Jelaskan bagaimana cara kerja mikroskopik optik sehingga struktur mikro dapat teramati?

Apakah laju pendinginan mempengaruhi kekerasan logam? Jika ya, jelaskan! ( Gunakan diagram TTT )

Lembar Data, Perhitungan dan Analisis

Lembar Data

Analisis
Kajian metalografi merupakan bagian penting dari suatu analisa mengenai sebuah kegagalan material, hal ini dikarenakan pengamatan metalografi memiliki tujuan. Yaitu untuk menentukan atau mempelajari hubungan antara struktur dengan sifat atau karakter dan perlakuan yang pernah dialami oleh logam. Sehingga dapat diperoleh hasil baik secara kuantitatif maupun kualitatif dari informasi yang terdapat pada material seperti bentuk dan ukuran butir, distribusi fasa, jarak atom, dislokasi, dan ada/tidaknya cacat mikro pada material logam.
Pada praktikum kali ini digunakan 2 spesimen yang mengalami laju pendinginan berbeda.Yaitu laju pendinginan cepat (quenching) dan laju pendinginan normal (normalizing). Pada gambar dengan pembesaran mikroskop 5x, belum terlihat perbedaan struktur mikro pada ke dua spesimen logam. Namun dapat dilihat garis putih yang merupakan arah butir pada logam yang telah mengalami strain hardening.
Pada pembesaran mikroskop 10x dan 20x masih juga belum terlihat perbedaan struktur mikro ke dua spesimen logam. Namun kita dapat melihat bekas proses pengamplasan yang telah dilakukan sebelumnya. Kemudian pada pembesaran mikroskop 50x, mulai terlihat perbedaan struktu mikro pada ke dua spesimen logam. Namun masih belum terlihat jelas, adanya karekteristik mertensit dan perlit.
Dari pembesaran mikroskop 100x dapat dilihat perbedaan secara lebih jelas pada struktur mikro logam. Bahwa pada spesimen dengan laju pendinginan cepat (quenching) dapat dilihat garis-garis halus berbentuk jarum yang merupakan tanda terjadinya martensit. Dengan kata lain sifat mekanik pada spesimen logam tersebut mengalami perubahan yaitu menjadi semakin kuat atau keras.
Sedangkan pada spesimen logam dengan laju pendinginan normal (normalizing) tidak terdapat garis-garis halus berbentuk jarum. Sehingga tidak terjadi adanya pembentukan martensit melainkan logam kembali ke fasa awal yaitu fasa perlit.

Simpulan
Sifat mekanik pada logam dapat diubah melalui transformasi fasa dengan laju pendinginan yang berbeda.
Laju pendinginan yang berbeda mempengaruhi struktur mikro logam sehingga mempengaruhi sifat mekanik logam.
Laju pendinginan cepat (quenching) memiliki karakteristik yaitu terdapat garis-garis halus yang merupakan terjadinya martensit.

Daftar Pustaka
---------, (2000): ASM Metal Handbook Volume 8 : Mechanical Testing and Evaluation, ASM Internasional, Ohio.
Callister, W.D., (2001): Fundametals of Materials Science and Engineering, John willey & sons, New York.
---------, (1991) : Annual Book of ASTM Standards, Section 3 : Metal Test Methods and Analytical Procedure, Philadelphia.
Dieter, G.E., (1988) : Mechanical Metallurgy, McGraw hill book Co.,London.
Davis, H.E., et al., (1964): The Testing and Inspection of Engineering Materials, McGraw Hill Book Co., London.

Lampiran

Gambar 5. Spesimen Logam

Gambar 6. Laju Pendinginan Cepat dengan Pembesaran Mikroskop 5x

Gambar 7. Laju Pendinginan Normal dengan Pembesaran Mikroskop 5x









Metalografi

Recommend Documents