Tugas Baja Paduan dan Baja Khusus Precipitation Hardening Hardening Stainless Steel Steel
Disusun Disusun Oleh Oleh :
Anggiet Herdayanti
3334120888
Kholis Daniah
333412104
!aulana "a#h$an
3334120%10
!irna&ati De&i
333412082
"adhiya 'nten H
3334120%%(
)*"*+A, T-K,'K !-TA.*"/' DA, !AT-"'A. AK*.T AK*.TA+ T-K,'K T-K,' K *,'-"+' *,' -"+'TA+ TA+ +*.T +* .TA, A, A/-,/ T'"TA T'"TAA+A '.-/O, BA,T-, 201( A5
!e#anis$e Penguatan .oga$
Mekanisme penguatan pada material logam merupakan hubungan antar pergerakan dislokasi dan sifat mekanik dari logam. Kemampuan suatu material logam untuk di ubah secara plastis tergantung pada kemampuan dislokasi untuk dapat bergerak. Dengan mengurangi pergerakan dislokasi, kekuatan mekanik dapat di tingkatkan, dimana disebabkan energi mekanik yang di butuhkan untuk membuat deformasi plastis akan semakin besar. Sebaliknya apabila pergerakan dislokasi tidak ada yang menahan, logam akan lebih mudah untuk terdeformasi. Secara umum mekanisme penguatan yang di gunakan pada material logam adalah melalui pengerasan regang, penguatan larutan padat, penguatan presipitasi, dan penguatan batas butir. Deformasi plastik kristal tunggal dalam hubungannya dengan gerakan dislokasi dan dengan mekanisme deformasi dasar untuk luncur dan untuk bentuk kembaran kristal tunggal menggambarkan kondisi paling ideal untuk kuliah lebih mendalam. Penyederhanaan yang diakibatkan olch kondisi kristal tunggal darl segi bahan membantu dalam
melukiskan perflaku
deformasi
dalarn kaitannya
dengan
kristalografl dan dengan struktur cacat. Penguatan baja akan berpengaruh terhadap peningkatan sifat mekanik yang dapat terjadi dengan bebrapa cara, antara lain dengan mekanisme pengerasan regangan ( strain hardening ), larutan padat ( solid solution), fasa kedua, presipitasi, dan dispersi. 15 Pengerasan "egangan 6 Strain Hardening 7 Penguatan melalui mekanisme pengerasan regangan dapat terjadi terhadap
semua logam atau baja akibat proses deformasi plastis yang menyebabkan terjadinya peningkatan kerapatan dislokasi. Dislokasi yang semakin rapat mengakibatkan dislokasi itu sendiri semakin sukar bergerak sehingga baja atau logam menjadi semakin kuat dan keras. Pengerasan regangan ini dapat dilakukan dengan proses hot orking dan cold orking (pengerolan, coining, bending). 25 .arutanPadat 6 Solid- Solution7 Penguatan baja melalui mekanisme larutan!padat terjadi akibat adanya atom! atom asing yang terlarut!padat, baik secara intertisi maupun substitusi. "tom asing
yang larut padat tersebut dapat berupa unsur!unsur dalam bentuk paduan. Kelarutan atom!atom asing ini dalam bentuk larut padat mengakibatkan timbulnya medan tegangan yang berdampak terhadap pergerakan dislokasi sehingga mengakibatkan logam menjadi keras dan kuat contoh karburising, nitriding. 35 Pe$9entu#an asa Kedua Penguatan atau pengerasan dapat juga dilakukan melalui mekanisme fasa kedua akibat timbulnya senyaa fasa paduan. Pembentukan senyaa fasa kedua dalam paduan terjadi karena penambahan unsur paduan melebihi batas larut!padat. Senyaa fasa yang terbentuk bersifat relatif keras yang menyebabkan pergerakan dislokasi cenderung akan terhambat sehingga akan memperkuat baja atau logam. 45 Presiitasi 6 Precipitate Strengthening 7 Pengerasan baja melalui metode presipitasi dapat terjadi pada saat pengendapan partikel fasa kedua, distribusi presipitasi ini dapat menimbulkan tegangan dalam (internal stress) yang mana apabila tengangan yang dihasilkan semakin besar maka akan mengakibatkan semakin meningkatnya kekuatan dan kekerasan. Penguatan melalui metode presipitasi ini terjadi melalui proses perlakuan panas dan quenching .
/a$9ar 1. Mekanisme penguatan pada logam dalam skala mikroskopik B5
Pengerasan Presiitasi 6 Precipitation Hardening 7
Pengerasan presipitasi (presipitation hardening) adalah penguatan yang terjadi akibat munculnya fasa baru berupa senyaa antar logam (intermetalic). Pembentukan fasa baru dipicu oleh penambahan unsur paduan pada logam yang membentuk larutan
padat. "dapun jenis mekanisme penguatan lainnya termasuk Penguatan Dispersi, Penguatan Martensit, Penguatan #ekstur. Penguatan dan pengerasan logam
paduan
bisa
ditingkatkan
dengan
pembentukan penyebaran partikel!partikel dari fasa kedua kedalam matrik fasa yang asli$pertama. Prosesnya disebut precipitation hardening karena partikel!partikel kecil dari fasa yang baru membentuk precipitasi$endapan$menggumpal. %ontoh!contoh logam yang diperkeras dengan pengerasan precipitasi adalah& almunium!tembaga, tembaga!berylium, tembaga!timah dan magnesium!aluminium. Syarat presipitation hardening yaitu logam paduan, dan memiliki batas kelarutan padat harus berkurang dengan turunnya temperatur. 15 +ejarah Pada tahun '*, pengerasan presipitat pada logam secara tidak sengaja ditemukan pada paduan "l!%u yang dikenal sebagai Duralium oleh seorang ahli metaurgi dari jerman bernama "lfred +ilm. utuh aktu '- tahun setelah menemukan ini, untuk memahami dan menelusuri mekanisme dari pengerasan presipitat. Penemuan ini menghasilkan peningkatan leel pengerasan pada aluminium dan paduannya untuk digunakan pada aplikasi yang membutuhkan kekuatan tinggi. Pertumbuhan industri penerbangan modern tidak menutup kemungkinan dengan perkembangan ini. anyak paduan dengan kekuatan tinggi telah dikembangkan menggunakan metode ini, tidak hanya pada aluminium tetapi juga pada kobalt, nikel, tembaga, paduan titanium juga pada stainless steel. 25 !e#anis$e Presiitasi 6 Precipitate Strengthening 7 Precipitation hardening dan perlakuan baja untuk membentuk martensit adalah fenomena yang sama sekali berbeda alaupun proses perlakuan panas hampir sama. Proses precipitation hardening terjadi atas / tahap& '. Solution treatment Proses ini meliputi perlakuan panas pada logam dengan tujuan melarutkan unsur paduan sehingga terbentuk presipitat atau terbentuk super saturated solution (SSSS). Proses ini dilakukan pada temperatur '01 sampai '-1 untuk kebanyakan stainless steel.
Pada #o struktur logam adalah 2, dengan komposisi co. Kemudian dilakukan pendinginan cepat hingga temperatur #' yaitu temperatur ruang sehingga phase 3 tidak bisa terbentuk. Karena itu kondisi logam adalah tidak setimbang$non e4uilibrium dimana hanya ada phase 2 jenuh dengan atom 3 didalamnya. Sifat bahan adalah lunak dan lemah.
/a$9ar 25 Diagram Kesetimbangan untuk Precipitation Hardenable Alloy
2. Quenching Setelah paduan menjadi solution, logam kemudian didinginkan sampai temperatur kamar. Pendinginan dapat dilakukan di udara, minyak atau air, tetapi harus dilakukan dengan cepat agar menghasilkan supersaturated solid solution (SSSS). 5aju pendinginan lambat bila dilakukan pada proses ini akanmenghasilkan
butir
yang
kasar
dibandingkan
jika
dilakukan
pendinginan cepat. /. Presipitasi atau age hardening Supersaturated solid solution (SSSS) terurai seiring berjalannya aktu dan berubahnya temperatur membentuk klaster presipitat kecil. Perubahan bentuk ini memperkuat sifat mekanik material. Di beberapa kasus sistem paduan, presipitat ini terbentuk pada temperatur kamar dengan berjalannya
aktu. Proses ini dikenal sebagai natural aging. Ketika panas digunakan untuk memperkeras material, proses ini dinamakan artificial aging. Solid solution 2yang super jenuh dipanaskan sampai #6pada daerah 2 7 3. Pada temperatur 3 ini terjadi difusi sehingga terbentuk fase 3 yang berupa partikel halus dan tersebar dengan komposisi %3 dan prosesnya disebut aging$penuaan. Setelah aktu tertentu paduan didinginkan sampai temperature kamar.
/a$9ar 35 8rafik temperatur s aktu yang menunjukkan solution heat treatment
dan precipitation heat treatment untuk pengerasan presipitasi Presipitasi didesain untuk menghasilkan kekerasan atau kekuatan disekitar daerah maksimum. Pada proses presipitasi terjadi distorsi struktur kristal!kristal di sekeliling dan di sekitar partikel dari fase transisi yang akan menghambat deformasi plastis. 35 Ali#asi a. Precipitation hardening pada stainless steel
Pengerasan presipitat pada stainless steel umumnya mengandung titanium dan
atau
penambahan
aluminium
yang
membentuk
presipitat
untuk
meningkatkan kekuatan. aja tipe ini merupakan baja yang paling kuat dibandinkan dengan tipe baja lainnya. aja ini memiliki unsur pelapis sebesar '9: dan nikel ;:. erikut ini adalah contoh!contoh precipitation hardening stainless steel &
') '-!-P< #ipe ini diklasifikasikan sebagai martensit (maraging) stainless steel dengan kadar =i /,- > -,-: dan %r ';,- > '-,-:. aja tipe ini memiliki kekuatan yang tinggi, kekerasan yang tinggi serta tahan korosi. "plikasi dari '-!-P< antara lain gear , shafting , dan komponen!komponen pesaat terbang. 6) '9!;P< Martensitik tipe '9!;P< memiliki kombinasi kekuatan dan kekerasan yang tinggi serta ketahan korosi yang sangat baik. Kadar =i / > -: dan %r '-,- > '9,-:. aja tipe ini dapat dikeraskan pada temperatur rendah yang bertujuan untuk mengurangi scaling dan distorsi. "plikasi dari '9!;P< antara lain springs, komponen! komponen turbin dan gear . /) '9!9P< Stainless steel ini termasuk semi!austenitik, memiliki kadar =i sebesar *,- > 9,9-: dan %r '* > '0: serta ,9- > ',-: "l. "plikasi dari paduan '9!9P< antara lain pressure vessel dan pisau. ;) "!60* Paduan ini mengandung =i maksimal 6*:, %r '-:, #i 6:, dan "l ,/-: untuk standar "?S?. "!60* memiliki kekuatan yang tinggi dan ketahanan korosi yang baik pada temperatur hingga 9- ℃ . anyak digunakan pada industri perminyakan dan pesaat luar angkasa. Paduan '9!9P< dan "!60* adalah dua grup paling populer dari aplikasi pengerasan presipitat pada stainless steel. erikut ini adalah perbandingan antara stainless steel tipe '9!9P< dan "!60*. Ta9el 15 Perbandingan paduan pengerasan presipitat '9!9P< dan "!60*
Paduan '9!9P< diklasifikasikan sebagai semi!austenitic stainless steel karena komposisi kimianya, mikrostrukturnya dominan austenit saat temperatur kamar. Pendingan dilakukan hingga temperatur !'1 sebelum proses age hardening. @perasi pada temperatur rendah ini dilakukan untuk membentuk mikrostruktur martensit. #idak seperti semi!austenitic stainless steel, pengerasan presipitat pada austenitic stainless steel tidak dapat bertransformasi fasa menjadi martensit baik dengan pendinginan ataupun dengan cold orking, dan tetap bersifat nonmagnetic meskipun setelah cold orking atau aging. Kebanyakan paduan ini mengandung jumlah nikel 6*:, berbeda dengan semi!austenitic stainless steel yang hanya mengandung 9.-: nikel.
/a$9ar 45 Perilaku Paduam '9!9P< terhadap +aktu Aging 95 Pre;iitation hardening ada Paduan Alu$iniu$ Perlakuan panas pada aluminium paduan dilakukan dengan memanaskan
sampai terjadi fase tunggal kemudian ditahan beberapa saat dan diteruskan dengan pendinginan cepat hingga tidak sempat berubah ke fase lain. Aika bah an tadi dibiarkan untuk jangka aktu tertentu maka terjadilah proses penuaan (aging ). Perubahan akan terjadi berupa presipitasi (pengendapan) fase kedua yang dimulai dengan proses nukleasi dan timbulnya klaster atom yang menjadi aal dari presipitat. Presipitat ini dapat meningkatkan kekuatan dan kekerasannya. Proses ini merupakan proses age hardening yang disebut natural aging . Aika setelah dilakukan pendinginan cepat kemudian dipanaskan lagi hingga di baah temperatur solus ( solvus line) kemudian
ditahan dalam jangka aktu yang lama dan dilanjutkan dengan pendinginan lambat di udara disebut proses penuaan buatan (artificial aging ).
/a$9ar (5 Diagram fasa perubahan mikrostruktur paduan "l!%u (+illiam K.
Dalton & 6-) Proses dari pemanasan aal hingga pendinginan cepat disebut proses perlakuan pelarutan ( solution treatment ), dan proses sesudahnya disebut proses perlakuan pengendapan ( precipitation treatment ). Bntuk menjelaskan mekanisme terjadinya pengerasan, sebagai contoh diambil untuk diagram fase "l!%u. Dari diagram tampak baha kelarutan %u dalam "l menurun dengan menurunnya temperatur. Suatu paduan dengan ; : %u mulai membeku di titik ' dengan membentuk dendrit larutan padat α. Dan pada titik 6 seluruhnya sudah membeku menjadi larutan padat α dengan ; : %u. Pada titik / kelarutan %u dalam "l mencapai batas jenuhnya, bila temperaturnya diturunkan akan ada %u yang keluar dari larutan padat
α
berupa
%u"l6. Makin rendah temperaturnya makin banyak %u!"l yang keluar. Pada gambar struktur mikro "l!%u tampak partikel %u"l tersebar didalam matriks α.
Dengan pemanasan kembali sampai diatas garis solus (titik /) semua %u larut kembali di dalam α. Dengan pendingan cepat (quench) %u tidak sempat keluar dari α. Pada suhu kamar struktur masih tetap berupa larutan padat
α
fase tunggal
Sifatnyapun masih belum berubah. Masih tetap lunak dan sedikit ulet. Dalam keadaan ini larutan dikatakan sebagai larutan yang leat jenuh karena mengadung solute yangmelampaui batas jenisnya untuk temperatur itu. Setelah beberapa saat larutan yang leat jenuh ini akan mengalami perubahan kekerasan dan kekuatan. Menjadi lebih kuat dan keras , tetapi struktur mikro tidak tampak mengalami perubahan. Penguatan ini terjadi karena timbulnya partikel %u"l6 (fase θ) yang berpresipitasi di dalam kristal α. Presipitat ini sangat kecil tidak tampak di mikroskop ( submicroscopic) dan akan menyebabkan terjadinya tegangan pada lattis kristal α di sekitar presipitat ini. Karena presipitat tersebar merata didalam lattis kristal. Maka dapat dikatakan seluruh lattis menjadi tegang mengakibatkan kekuatan dan kekerasan menjadi lebih tinggi. Aging dapat dilakukan dengan membiarkan larutan leat jenuh itu pada temperatur kamar selama beberapa aktu. Dinamakan natural aging atau dengan memanaskan kembali larutan leat jenuh itu ke temperatur di baah garis solus dan dibiarkan pada temperatur tersebut selama beberapa saat. Dinamakan artficial aging ila aging temperatur terlalu tinggi dan atau aging time terlalu panjang maka partikelyang terjadi akan terlalu besar (sudah mikroskopik) sehingga effek penguatannya akan menurun bahkan menghilang sama sekali, dan ini dinamakan over aged 5 Struktur mikro dari presipitasi "l!%u dapat dilihat pada gambar berikut ini &
/a$9ar 5 Presipitasi "l!%u, http&$$.aluminium.matter.org.uk$content$htm
Paduan "luminium lainnya yang dapat di perlakukan panas sebagaimana diagram fasa di baah ini & '. Paduan "l!Mg dengan kadar Mg kurang dari '9,' : termasuk yang heat treatable karena jika dipanaskan di atas garis solus mampu mencapai fasa tunggal. 6. Paduan "l!Si masuk kategori non heat tretable, tetapi untuk paduan "l!Si dengan kadar Si kurang dari ',* sebagaimana diagram fasa di baah ini masih memungkinkan "l!Si mencapai fasa tunggal jika dipanaskan di atas garis solus. erarti memungkinkan untuk di heat treatment .
/.
Paduan "l!%u dengan kadar %u kurang dari -,*- : juga heat treatable.
DATA" P*+TAKA
+illiam D. %allister, Ar. C Materials Science and Engineering th! " Aohn +iley Sons, ?nc. 69. E. F. Smallman and E. A. ishop, C Modern Physical Metallurgy and Materials Engineering # th! " utterorth!
