Mekanisme Penguatan Logam Fixx [PDF]

Citation preview

MEKANISME PENGUATAN LOGAM TUGAS MAKALAH METALURGI FISIK Disusun guna memenuhi syarat Tugas Makalah Metalurgi Fisik program studi Teknik Mesin S1 Dengan dosen pengampu Ratna Dewi Anjani, ST.,MT.



Disusun Oleh: Nurul Arifin



1910631150039



Hafid El Fariz



1910631150021



Farhan Adi Nugroho



1910631150018



PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN S1 FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SINGAPERBANGSA KARAWANG 2020



1



KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah SWT. yang telah melimpahkan rahmat dan karunianya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Metalurgi fisik dengan judul “Mekanisme Penguatan Logam”. Tugas ini disusun untuk melengkapi Tugas Metalurgi Fisik di jurusan Teknik Mesin SI Fakultas Teknik Universitas Singaperbangsa Karawang. Atas bimbingan dan petunjuk yang telah diberikan kepada penulis pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Ibu



Ratna Dewi



Anjani,ST.,MT.



Selaku Dosen pengampu



mata



kuliah Metalurgi Fisik 2. Kedua orangtua, atas dukungan moril dan doanya setiap hari tanpa kenal lelah.. 3. Teman-teman mahasiswa sejurusan,atas masukannya sehingga makalah ini terselesaikan. Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam menyusun tugas ini, oleh karena itu diharapkan kritik dan saran yang membantu dari pembaca. Semoga tugas ini ada manfaatnya untuk kita semua.



Karawang, 8 Januari 2021



2



3



DAFTAR ISI



KATA PENGANTAR.........................................................................................2 BAB 1.............................................................................................................3 PENDAHULUAN.............................................................................................4 1.1 Latar Belakang......................................................................................4 1.2 Rumusan Masalah................................................................................4 1.3 Tujuan Makalah....................................................................................4 BAB 2.............................................................................................................5 LANDASAN TEORI..........................................................................................5 2.1 Konsep dasar Penguatan Logam..........................................................5 2.1.1 Batas Butiran dan Dislokasi...............................................................6 2.2 Jenis Penguatan Logam........................................................................8 2.2.1 Pengerasan Tegangan (Strain Hardening).........................................8 2.2.2 Pengerasan Endapan (Precepitation Hardening)............................11 2.2.3 Penghalusan Butir (Grain Size Reduction).......................................12 2.2.4 Penguatan Laruran Padat (Solid Solutir Strengthening).................14 DAFTAR PUSTAKA........................................................................................16



4



BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Mekanisme penguatan pada material logam merupakan hubungan antar pergerakan dislokasi dan sifat mekanik dari logam. Kemampuan suatu material logam untuk diubah secara plastis tergantung pada kemampuan dislokasi untuk dapat bergerak. Dengan mengurangi pergerakan dislokasi, kekuatan mekanik dapat di tingkatkan, dimana di sebabkan 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. Mekanisme penguatan memiliki 3 metode yaitu pengerasan tegangan (strain hardening), penguatan larutan padat (solid-solution strengthening), penghalusan butir (grain-size reduction).



1.2 Rumusan Masalah Dari latar belakang yang dijelaskan diatas, dapat diambil rumusan sebagai berikut: 1.Konsep dasar penguatan logam 2. Jenis jenis penguatan logam



1.3 Tujuan Makalah Dari latar belakang yang dijelaskan diatas, tujuan yang hendak dicapai dengan diadakannya Tugas Mekanisme Penguatan Logam ini adalah sebagai berikut: 1. Mengetahui konsep konsep mekanisme penguatan logam secara teratur 2. Mengetahui jenis jenis penguatan logam dari berbagai unsur



5



BAB 2 LANDASAN TEORI



2.1 Konsep dasar Penguatan Logam 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. Terkecuali untuk alat elektronik zat padat (solid-state electronic devices), kristal tunggal jarang dipakai unluk penerapan rekayasa disebabkan olch pembatasan yang melibatkan kekuatan, ukuran dan pembuatannya. Produk logam komersial tanpa terkecuali tersusun darl kristal individual atau dari butir individual dalam jumlah sangat banyak. Butir individual agregat polikristalin tidak mengalami perubahan bentuk sesuai hukum yang relatif sederhana, yang melukiskan deformasi plastik dalam kristal disebabkan oleh dampak penahanan butir yang mengelilinginya. Membahas hubungan dasar perilaku dislokasi. Dari sini jelas, bahwa kekuatan berbanding terbalik dengan mobilitas dislokasi dan bahwa dalam kristal tunggal dengan kemurniaan tinggi terdapat sejumlah faktor yang mungkin, dapat mempengaruhi kekuatan perilaku mekanis. Jadi, struktur kristal menentukan jumiah dan jenis sistem luncur, menetapkan vektor Burgers dan menentukan tegangan gesekan kisi (tegangan Peierls) yang mengatur tingkat kekuatan dasar dan ketergantungan kekuatan dari temperatur. Dalam struktur padat, energi salah-susun menentukan luasnya disosiasi dislokasi, yang mempengaruhi mudahnya \luncursilang dan besarnya laju penguatan-regang selanjutnya. Kemurnian dan metode persiapan menentukan kerapatan dan: dislokasi awal dan substruktur.Variabel yang terbatas ini mengetengahkan kepelikan bahwa'perilaku mekanis pada umumnya tidak dapat dikaitkan sebagai fungsi regangan, laju regangan, temperatur, dan laju



6



tegangan dengan presisi tinggi. Tetapi, diperlukan kepelikan yang semakin besar untuk menghasilkan bahan dengan kekuatan serta kegunaan tertinggi. Jadi butir halus sering dikehendaki untuk kekuatan tinggi, penambahan atom-larut dalam. jumlah besar.untuk meningkatkan kekuatan dan transformasi fase dapat dimanfaatkan untuk meningkatkan kekuatan.



2.1.1 Batas Butiran dan Dislokasi Batas antara butir-butir dalam agregat polikristalin merupakan daerah kisi yang terganggu dengan lebar hanya beberapa garis tengah atom. Dalam hal umum, orientai kristalografi berubah dengan tiba-tiba melintasi perbatasan butir dari satu butir ke butir berikutnya. Batas butir.sudut besar biasa menggambarkan daerah salah-suai rambang (random misfit) antara kisi kristal di sekitarnya.' Selama perbedaan dalam orientasi antara butir di kiri kanan perbatasan berkurang, keadaan tertib di perbatasan meningkat. Untuk hal batas butir sudut rendah, di mana perbedaan orientasi sepanjang perbatasan mungkin kurang dari 1, perbatasan terdiri dari susunan dislokasi yang teratur. Batas butir sudut besar merupakan perbatasan dengan energi permukaan yang agak tinggi. Umparnanya, perbatasan butir dalam. tembaga mempunyai energi permukaan antar bidang kira-kira sebesar 600 erg/cm2, sedang energi batas bentuk kembaran hanya kira-kira 25 erg/cm2. Disebabkan oleh energinya yang tinggi, batas butir merupakan tempat prefensial untuk reaksibahan padat (solid state reactions) seperti difusi, transformasi fase, dan reaksi pengendapan. Energi tinggi dari batas butir biasanya mengakibatkan konsentrasi atom yang larut lebih tinggi di perbatasan daripada di dalam butir. Ini menyulitkan pemisahan dampak mekanis murni batas butir terhadap sifat, dari dampak yang diakibatkan oleh segregasi ketidakmumian. Bilamana kristal tunggal mengalami deformasi tarik kristal tersebut biasanyabebas untuk berubah bentuk pada sistem luncur tunggal untuk bagian besar deformasi dan kristal dapat merubah orientasinya lewat rotasi kisi ketika terjadi perpanjangan. Tetapi, butir individual dalarn benda-uji polikristalin tidak harus mengalami sistem tegangan uniaksial tunggal, bilamana benda-uji mengalami



7



deformasi tarik. Dalam polikristal, kontinuitas harus dipertahankan, sehingga batas antara kristal yang mengalami deformasi tetap tak berubah. Sekalipun tiap butir mencoba untuk berubah bentuk dengan homogen sesuaidengan deformasi benda-uji secara keseluruhan, keterbatasan yang dipaksakan oleh kontinuitas menyebabkan perbedaan yang menyolok dalam deformasi antara butir-butir berikutnyang berdekatan dan di dalam tiap butir. Kuliah tentang deformasi dalam aluminium berbutir kasar memperlihatkan bahwa regangan di sekitar batas butir biasanya berbeda intara butir dengan menyolok dari regangan di tengah -tengah butir. Sekalipun regangan bersifat kontinu sepanjang perbatasan, mungkin terdapat gradien regangan yang tajam di daerah ini. Jika besar butir berkurang dan regangan meningkat, deformasi menjadi lebih homogen. Disebabkan oleh keterbatasan yang dipaksakan oleh batas butir,slip terjadi pada beberapa sistem, kendati regangan rendah. Hal ini menjadi penyebab terjadinya slip di bidang tak padat dalam daerah dekat batas butir. Bila garis tengah butir berkurang, lebih banyak dampak batas butir dirasakan di tengah butir. Jadi, pengerasan regangan logam berbutir halus akan besar daripada dalam. agregat polikristalin berbutir kasar.Pada temperatur di atas setengah titik lumer, deformasi dapat terjadi karena menggelincir sepanjang batas butir. Penggelinciran batas butir menjadi lebili menonjol kalau temperatur naik dan laju regangan berkurang, seperti dalarn creep. Pemusatan deformasi pada daerah batas-butir merupakan salah satu sumber penting bagi patah -temperatur tinggi. Oleh karena kotoran cenderung memisah ke batas butir, patah antar-butir (intergrannular fracture) sangat dipengaruh



oleh



kornposisi.



Cara



kasar



untuk



membeda-bedakan



bila



penggelinciran batas-butir memegang peran ialah dengan temperatur sanwlekat (equicohesive temperature). Di atas temperatur ini daerah batas butir lebili lemah daripada bagian dalarn butir dan kekuataA meningkat dengan bertambah besarnya butir. Di bawah temperatur sama-lekat, daerah batas butir lebili kuat dari bagian dalarn butir dan kekuatan bertambah besar dengan berkurangnya ukuran butir (meningkatnya daerah perbatasan butir).Mekanisme penguatan yang dibahas dalam bab ini termasuk kelompok yang menghambat pergerakan konservatif dislokasi. Mekanisme ini berlangsung pada temperatur sekitar 0,5 Tm, di mana Tm adalah temperatur lebur dalarn derajat Kelvin.



8



2.2 Jenis Penguatan Logam Adapun beberapa mekanisme penguatan logam dilihat dari berbagai unsur terjadi nya deformasi contoh nya sebagai berikut:



2.2.1 Pengerasan Tegangan (Strain Hardening) Strain hardening (pengerasan regangan) adalah penguatan logam untuk deformasi plastik (perubahan bentuk secara permanen atau tidak dapat kembali seperti semula). Penguatan ini terjadi karena dislokasi gerakan dalam struktur kristal dari material. Deformasi bahan disebabkan oleh slip (pergeseran) pada bidang kristal tertentu. Jika gaya yang menyebabkan slip ditentukan dengan pengandaian bahwa seluruh atom pada bidang slip kristal serempak bergeser, maka gaya tersebut akan besar sekali. Dalam kristal terdapat cacat kisi yang dinamakan dislokasi. Dengan pergerakan dislokasi pada bidang slip yang menyebabkan deformasi dengan memerlukan tegangan yang sangat kecil. Jika kristal dipotong menjadi pelat tipis dan dipoles secara elektrolisa, maka akan terlihat di bawah mikroskop elektron, sejumlah cacat yang disebut dislokasi. Dislokasi merupakan cacat kisi yang menentukan kekuatan bahan berkristal. Karena adanya tegangan dari luar, dislokasi akan bergerak kepermukaan luar, sehingga terjadi deformasi. Selama bergerak dislokasi bereaksi satu sama lain. Hasil reaksi ada yang mudah bergerak dan ada yang sulit bergerak. Yang sulit bergerak berfungsi sebagai sumber dislokasi baru (multiplikasi dislokasi). Sehingga kerapatan dislokasi semakin tinggi. Semakin tinggi kerapatan dislokasi, maka semakin sulit dislokasi bergerak sehingga kekuatan logam akan naik. Strain hardening (pengerasan regangan) terjadi selama pengujian tarik. Pada proses uji tarik regangan akan bertambah sehingga kekuatan tarik, kekuatan mulur dan kekerasannya akan meningkat pula sedangkan massa jenis dan hantaran listriknya menurun. Hal ini juga mengakibatkan menurunnya keuletan. Kristal logam mempunyai kekhasan dalam keliatan yang lebih besar dan pengerasan yang luar biasa. Sebagai contoh, kekuatan mulur baja lunak sekitar 180 MPa dan dapat ditingkatkan sampai kira–kira 900 MPa oleh pengerasan regangan (Surdia Tata: 1984). Inilah yang melatarbelakangi



9



mengapa mekanisme pengerasan logam merupakan sesuatu yang berguna. Tegangan di daerah elastis sampai sekitar titik mulur didapat dengan jalan membagi beban oleh luas penampang asal batang uji, biasanya dipakai pada perencanaan mesin–mesin. Tegangan ini dinamakan tegangan teknis atau tegangan nominal. Ketika deformasi bertambah, maka luas penampang batang uji menjadi lebih kecil sehingga tegangan dapat dinyatakan dalam tegangan sebenarnya. Kekuatan tarik atau kekuatan maksimum yang dinyatakan dalam tegangan teknis atau tegangan nominal sering dipakai dalam bidang teknik, yaitu tegangan dalam ordinat fasa gambar 1.1 dinyatakan dalam tegangan nominal. Jika tegangan dinyatakan dalam tegangan sebenarnya σ’ dan regangan dalam regangan sebenarnya ε’ ε’=ln(l/lo) dan dengan regangan teknik ε ε’=ln(1+ε) Hubungan antara tegangan sebenarnya dan regangan sebenarnya didekati oleh persamaan σ’=Kε’n dengan: n = eksponen pengerasan regangan (ukuran pengerasan) 1= koefisienkekuatan K = konstanta n = konstanta K dan n adalah konstanta yang ditentukan oleh jenis bahan dan keadaan deformasi tertentu. Gambar diatas menyatakan perbandingan antara kurva tegangan–regangan teknis dan kurva tegangan regangan sebenarnya. Dan persamaannya dapat dirumuskan log σ’ = log K + n ε’ Jadi jika tegangan sebenarnya dan tegangan sebenarnya diplot pada kertas grafik logaritma, daerah deformasi plastis merupakan garis lurus, sedangkan gradiennya merupakan harga n. Jika keadaan deformasi tertentu diperhitungkan, regangan sebenarnya sama dengan perubahan regangan memanjang dan melintang, atau regangan dari tarikan dan tekanan. Selanjutnya regangan ε’neck pada permulaan pengecilan setempat dari pengujian tarik sama dengan harga n. Berikut adalah nilai K dan n: Hubungan antara elastisitas dan strain hardening Ø Pada daerah



10



elastic bahan mengikuti Hukum Hook (E = σ / ε) Kemudian setelah melewati titik luluh Y akan mengalami deformasi plastis. Seperti yang telah dijelaskan, deformasi berlanjut jika tegangan bertambah sehingga K lebih besar dari Y dan n lebih dari 0. Flow curve biasanya dinyatakan dalam sebagai fungsi linier dengan sumbu logaritma. Kebanyakan logam ulet (ductile) bersifat seperti ini: 1. Faktor yg mempengaruhi 2. Dengan dislokasi 3. Dengan perlakuan panas 4. Contoh pengerjaannya d roll 5. Data yang mendukung contohnya material apa, kekuatannya, dan berapa, dll. Logam ulet akan lebih kuat ketika mereka terdeformasi plastis pada temperatur di bawah titik leleh (≤ 7230°C). Alasan untuk pengerasan regangan (strain hardening) adalah meningkatkan kerapatan dislokasi dengan deformasi plastik. Jarak rata-rata antara penurunan dislokasi dan dislokasi mulai memblokir gerakan satu sama lain. Persentase cold work (%CW) sering digunakan untuk menyatakan tingkat deformasi plastis.



Gambar 2.1 Grafik Stress dan Strain terhadap deformasi plastis dan pengerjaan dingin.



11



Yield strength selanjutnya (σy0) lebih tinggi dibandingkan inisial yield strength (σyi). Ini adalah alasan untuk pengaruh terhadap strain hardening. Yield strength dan hardness akan



meningkat



sebagai



akibat



strain



hardening



tetapi ductility (keuletan) akan menurun (material menjadi lebih brittle (getas).



2.2.2 Pengerasan Endapan (Precepitation Hardening) Pengerasan presipitasi, atau usia pengerasan, menyediakan salah satu mekanisme yang paling banyak digunakan untuk penguatan paduan logam. Pemahaman dasar dan dasar untuk teknik ini didirikan pada awal bekerja di US Bureau of Standards on Duralumin. Pentingnya saran teoritis untuk pengembangan paduan baru jelas dari catatan sejarah. Pada akhir abad ke-19, besi cor adalah satusatunya paduan komersial yang penting belum diketahui teknologi barat pada zaman Romawi. Ketika usia pengerasan aluminium ditemukan secara tidak sengaja oleh Wilm, selama tahun-tahun 1903-1911, dengan cepat menjadi paduan komersial yang penting di bawah nama dagang Duralumin. Kekuatan dan kekerasan dari beberapa paduan logam dapat ditingkatkan dengan pembentukan seragam tersebar sangat kecil partikel fase kedua dalam fase matriks asli dalam proses yang dikenal sebagai presipitasi atau usia pengerasan. Partikel endapan bertindak sebagai hambatan untuk gerakan dislokasi dan dengan demikian memperkuat paduan dipanaskan. Banyak paduan aluminium berbasis, tembaga – timah, baja tertentu, nikel berbasis super-paduan dan paduan titanium dapat diperkuat dengan proses pengerasan usia. Agar sistem paduan untuk dapat menjadi presipitasi-diperkuat, harus ada solusi yang solid terminal yang memiliki kelarutan padat menurun karena penurunan suhu. Al-Cu (Duralumin adalah paduan aluminium



kelompok



2XXX)



menunjukkan



jenis



penurunan



sepanjang solvus antara α dan α + θ daerah. Pertimbangkan 96wt% Al – paduan Cu 4wt% yang dipilih karena ada degrease besar di kelarutan padat larutan α padat dalam mengurangi suhu dari 550°C sampai 75°C. Gambar 2.2 Diagram fasa Al-Cu menunjukkan tiga langkah dalam perlakuan panas usia pengerasan dan mikro yang dihasilkan



12



Dalam upaya untuk memahami penguatan dramatis paduan ini, Paul D. Merica dan rekan-rekannya mempelajari kedua pengaruh berbagai perlakuan panas pada kekerasan alloy dan pengaruh komposisi kimia pada kekerasan. Di antara yang paling penting dari temuan mereka adalah pengamatan bahwa kelarutan CuAl2



dalam



aluminium



meningkat



dengan



meningkatnya



Suhu. Meskipun fase tertentu yang bertanggung jawab untuk pengerasan ternyata terlalu kecil untuk diamati secara langsung, pemeriksaan optik mikro memberikan identifikasi beberapa tahapan lain yang hadir. Para penulis melanjutkan untuk mengembangkan penjelasan mendalam untuk perilaku pengerasan Duralumin yang cepat menjadi model yang tak terhitung yang modern paduan kekuatan tinggi telah dikembangkan. Mereka meringkas empat fitur utama dari teori Duralumin asli: 1. Usia-pengerasan ini dimungkinkan karena hubungan-suhu kelarutan konstituen pengerasan dalam aluminium. 2. Konstituen pengerasan adalah CuAl2. 3. Pengerasan disebabkan oleh pengendapan konstituen dalam bentuk lain daripada dispersi atom, dan mungkin dalam bentuk molekul, koloid, atau kristal halus. 4. Efek pengerasan CuAl2 dalam aluminium dianggap berkaitan dengan ukuran partikel nya.



2.2.3 Penghalusan Butir (Grain Size Reduction) Penghalusan butir adalah salah satu cara yang efektif bagi penguatan yang dihasilkan dengan menghalangi pergerakan dislokasi di sekitar batas butir. Dengan mengecilnya ukuran dari butir akan meningkatkan batas butir per unit volume dan mengurangi garis edar bebas dari slip yang berkelanjutan. Pergerakan selanjutnya membutuhkan tegangan yang tinggi untuk membuka atau menghasilkan suatu dislokasi baru pada butir berikutnya. Grain boundary barrier terhadap pergerakan dislokasi Slip plane tidak berlanjut atau mengalami perubahan arah. Sudut yang kecil dari lapisan butir tidak efektif dalam menahan dislokasi. Sudut yang besar dari lapisan butir mampu menahan block slip dan meningkatkan kekuatan pada material. Konsentrasi tegangan di ujung slip plane kemungkinan akan memicu dislokasi baru dalam pertambahan butir.



13



Gambar 2.3 Dislokasi butir Material dengan butir yang halus akan lebih keras dan kuat dibanding butiran yang kasar, disebabkan karena mempunyai jumlah permukaan lebih besar pada total area lapisan butir yang akan menghambat pergerakan dislokasi. Penurunan ukuran butir biasanya lebih baik dalam meningkatkan ketangguhan. Dalam banyak hal, variasi yield strength dengan ukuran butir mengacu pada persamaan Hall-Petch: σy=σ 0 + k y d Dimana σ0 adalah tegangan geser yang berlawanan arah dengan pergerakan dislokasi pada butir, d adalah diameter butir dan k adalah suatu konstanta yang merepresentasikan tingkat kesulitan untuk menghasilkan suatu dislokasi baru pada butir berikutnya Walaupun demikian, pengaruh ukuran butir terhadap sifat mekanis memiliki batasan dimana butir yang terlalu halus (