p
TUGAS AKHIR – TL 141584
ANALISA PENGARUH LAMA WAKTU TAHAN TEMPERING PADA PERLAKUAN PANAS TERHADAP STRUKTUR MIKRO DAN SIFAT MEKANIK COUPLER BAJA AAR-M201 GRADE E RINELDA NENA SAGITA NRP 2712 100 074 Dosen Pembimbing Ir. Rochman Rochiem, M.Sc. Alvian Toto Wibisono, S.T., M.T. JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017
i
ii
P
TUGAS AKHIR – TL 141584
ANALISA PENGARUH LAMA WAKTU TAHAN TEMPERING PADA PERLAKUAN PANAS TERHADAP STRUKTUR MIKRO DAN SIFAT MEKANIK COUPLER BAJA AAR-M201 GRADE E RINELDA NENA SAGITA NRP 2712 100 074 Dosen Pembimbing Ir. Rochman Rochiem, M.Sc. Alvian Toto Wibisono, S.T., M.T. JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017
iii
(Halaman ini Sengaja Dikosongka)
iv
P
FINAL PROJECT – TL 141584
ANAlYSIS OF EFFECT TEMPERING HOLDING TIME ON THE MICRO STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES ON COUPLER AARM201 GRADE E STEEL RINELDA NENA SAGITA NRP 2712 100 074 Advisor Ir. Rochman Rochiem, M.Sc. Alvian Toto Wibisono, S.T., M.T. DEPARTMENT OF MATERIALS AND METALLURGICAL ENGINEERING Faculty of Industrial Technology Sepuluh Nopember Institute of Technology Surabaya 2017
v
(Halaman ini Sengaja Dikosongkan)
vi
LEMBAR PENGESAHAN
vii
(Halaman ini Sengaja Dikosongkan)
viii
Analisa Pengaruh Lama Waktu Tahan Tempering pada Perlakuan Panas Terhadap Perubahan Struktur Mikro dan Sifat Mekanik Coupler Baja AAR-M201 Grade E Nama Mahasiswa NRP Dosen Pembimbing Co Pembimbing
: Rinelda Nena Sagita : 2712100074 : Ir. Rochman Rochiem, M.Sc : Alvian Toto Wibisono, S.T., M.T
Abstrak Coupler adalah penyambung pada gerbong kereta api satu dengan gerbong yang lainnya. Material coupler adalah baja AAR-M201 Grade E yang spesifikasinya sesuai dengan standar AARManual of Standards and Recomended Practices Couplers and Freight Car Draft Components. Penelitian ini membahas perlakuan panas disertaitempering dan hardening. Tujuan dari penelitian ini adalah menganalisa pengaruh lama waktu tahan terhadap struktur mikro dan sifat mekanik pada baja AAR-M201 Grade E. Proses perlakuan panas yang dilakukan adalah hardening pada temperatur 925oC dengan waktu tahan 3 jam, kemudian di tempering pada temperatur 600oC dengan variasi waktu tahan 2 jam, 3 jam dan 4 jam. Pengujian yang dilakukan pada penilitian ini adalah uji tarik untuk mengetahui kekuatan maksimum, keuletan dan ketangguhan baja. Hasil pengujian metalografi pada tempering menghasilkan struktur mikro asikular ferrit, dan hasil sifat mekanik paling optimal didapat dari proses hardeningtempering pada lama waktu tahan 3 jam, menghasilkan nilai kekuatan tarik 870 MPa, kekuatan luluh 782 MPa, elongasi 14%, reduksi area 38%, kekerasan 264 BHN, kekuatan impak sebesar 35 Joule pada temperatur -40°C dan nilai fatigue life 5100 cycle. Nilai yang dihasilkan seluruhnya memenuhi standar AAR, kecuali nilai elongasi yang hampir memenuhi standar AAR. Kata kunci: Baja AAR-M201 Grade, Hardening, Lama waktu tahan, Tempering.
ix
(Halaman ini Sengaja Dikosongkan)
x
Analysis of Effect Tempering Holding Time on The Micro Structure and Mechanical Properties on Coupler AAR-M201 Grade E Steel Name NRP Advisor Co Advisor
: Rinelda Nena Sagita : 2712100074 : Ir. Rochman Rochiem, M.Sc : Alvian Toto Wibisono, S.T., M.T
Abstract Coupler is a mechanism for connecting rolling stock in a train. It is made from AAR-M201 Grade E steel, that has suitable spesification with AAR Manual of Standards. This research discusses about heating treatment that is followed by tempering and hardening. The purpose is to analyze the influence of holding time to micro structure and mechanical properties of AAR-M201 Grade E. The heating treatment process is beginning with hardening at temperature 925oC which generates holding time at 3 hours, then it is followed by tempering at 600oC that have vastrange variations of holding time: 2 hours, 3 hours, and 4 hours. The examinations that was done in this research are tensile test, which has aim to know the maximum power, tenacity, and toughness of that steel. The metalography result in tempering phase produced micro structure of acicular ferrit, and the most optimum mechanical characteristics was obtained from hardeing-tempering process at 3 hours resistance time, which can produce tensile strength at 870 MPa, yield strength at 782 MPa, elongation 14%, area reduction 38%, hardness 264 BHN, impact strength 35 Joule in the temperature -40oC, and fatigue life value at 5100 cycle. Therefore, all of the value that was produced, fulfilled the AAR standard. Keyword : AAR-M201 Grade E steel, Hardening, Holding Time, Tempering.
xi
(Halaman ini Sengaja Dikosongkan)
xii
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas Rahmat dan Hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul “Analisa Pengaruh Lama Waktu Tahan Tempering pada Perlakuan Panas Terhadap Perubahan Struktur Mikro dan Sifat Mekanik Coupler Baja AAR-M201 Grade E”. Pada kesempatan kali ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: 1. Allah SWT atas nikmat dan hidayahnya yang senantiasa tercurahkan pada penulis; 2. Keluarga penulis yang selalu memberikan doa, semangat dan motivasi yang tiada henti; 3. Bapak Dr. Agung Purniawan, ST., M.Eng, selaku Ketua Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS; 4. Bapak Dr. Eng. Hosta Ardhyananta, S.T., M.Sc., selaku koordinator tugas akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS; 5. Bapak Ir. Rochman Rochiem, M.Sc. selaku dosen pembimbing sekaligus dosen wali yang selalu memberi motivasi dan semangat belajar selama perkuliahan; 6. Bapak Alvian Toto Wibisono, ST., MT., selaku dosen pembimbing dua yang selalu sabar membimbing penulis; 7. Bapak Dr. Agung Purniawan, ST., M.Eng, Bapak Sungging Pintowantoro, S.T., M.T., Ph.D., dan Dr. Ing. Victor Y. Risonarta, S.T., M.Sc., selaku dosen penguji; 8. Bapak Beny Andhika, ST., dan PT. Barata Indonesia; 9. Seluruh dosen dan jajaran staff jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI – ITS; 10.Seluruh pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu-persatu. Penulis menyadari adanya keterbatasan di dalam penyusunan laporan ini. Besar harapan penulis akan saran dan kritik yang sifatnya membangun. Selanjutnya semoga tulisan ini dapat selalu bermanfaat. Amin. Surabaya, Januari 2017 Penulis xiii
(Halaman ini Sengaja Dikosongkan)
xiv
DAFTAR ISI TUGAS AKHIR – TL 141584 ...................................................... i TUGAS AKHIR – TL 141584 .................................................... iii FINAL PROJECT – TL 141584 .................................................. v LEMBAR PENGESAHAN ....................................................... vii Abstrak ....................................................................................... ix Abstract....................................................................................... xi KATA PENGANTAR .............................................................. xiii DAFTAR ISI ............................................................................. xv DAFTAR GAMBAR ............................................................... xvii DAFTAR TABEL .................................................................... xxi BAB I PENDAHULUAN ............................................................ 1 1.1. Latar Belakang ............................................................. 1 1.2. Rumusan Masalah ........................................................ 2 1.3. Batasan Masalah .......................................................... 2 1.4. Tujuan Penelitian ......................................................... 2 1.5. Manfaat penelitian........................................................ 2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA .................................................. 5 2.1. Coupler Kereta Api ...................................................... 5 2.2. Baja Paduan ................................................................. 8 2.3. AAR M201 ................................................................ 10 2.4. Perlakuan Panas ......................................................... 12 2.5. Pengaruh Unsur Paduan ............................................. 23 2.6. Fasa Transformasi Baja .............................................. 27 2.7. Pengujian Struktur Mikro dan Sifat Mekanik ............. 35 2.8. Kajian Penelitian Sebelumnya.................................... 40 BAB III METODOLOGI PENELITIAN .................................. 43 3.1. Diagram Alir Penelitian ............................................. 43 3.2. Rancangan Penelitian ................................................. 44 3.3. Bahan Penelitian ........................................................ 44 3.4. Peralatan Penelitian .................................................... 44 xv
3.5. Metode Penelitian .......................................................45 BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN ..................51 4.1. Analisis Data ..............................................................51 4.2. Pembahasan ................................................................60 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .....................................67 5.1. Kesimpulan.................................................................67 5.2. Saran...........................................................................67 DAFTAR PUSTAKA ............................................................. lxix LAMPIRAN UCAPAN TERIMA KASIH BIODATA PENULIS
xvi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Screw coupling (Janney, 1873) ............................... 5 Gambar 2.2 Link and pincoupling (Janney, 1873) ...................... 6 Gambar 2.3 Automatic coupler (Janney, 1873) .......................... 7 Gambar 2.4 Mekanisme penguncian sambungan jika terlihat dari atas (Janney, 1873) ...................................................................... 7 Gambar 2.5 Komponen coupler (Janney, 1873) ......................... 8 Gambar 2.6 Rentang temperatur austenisasi (Campbell, 2008) 13 Gambar 2.7 Perlakuan panas hardening-tempering pada baja (Campbell, 2008) ....................................................................... 14 Gambar 2.8 Hubungan temperatur temper dengan sifat mekanik baja paduan (Callister, 2009) ..................................................... 15 Gambar 2.9 Diagram transformasi isothermal untuk baja paduan rendah.A: Austenit; F: Ferrit; P: Perlit; B: Bainit;M: Martensit (Callister, 2009) ......................................................................... 16 Gambar 2.10 Diagram CCT baja paduan mangan (0,2% C, 0,85% Mn, 0,45% Cr, 0,45% Mo).M: Martensit; F: Ferrit; B: Bainit; P: Perlit (Thelning, 1984) ............................................... 17 Gambar 2.11 High strenght low alloy (0,26% C, 1,45% Mn). A: austenit; PF: poligonal ferrit, AF: asikular ferrit; UB: Upper Bainit; M: martensit. (Bhadeshia, 1986) .................................... 17 Gambar 2.12 Struktur mikro baja UNS G10150, terdiri atas ferrit (terang) dan perlit (gelap) (ASM International, 2004)................ 18 Gambar 2.13 Struktur mikro baja paduan UNS G10200. Strukturnya dinamakan Widmanstatten (ASM International, 2004).......................................................................................... 19 Gambar 2.14 Struktur mikro asikular ferrit, grain boundary ferrit dan widmanstatten (Bhadeshia, 1986) ....................................... 19 Gambar 2.15 Struktur mikro baja paduan UNS G10400. Strukturnya berupa sementit berbentuk bulat (spheroid) dalam matriks ferri (ASM International, 2004) .................................... 20 xvii
Gambar 2.16 Struktur mikro baja karbon UNS G10800. Strukturnya terdiri atas butir-butir perlit (ASM International, 2004) ..........................................................................................20 Gambar 2.17 Struktur mikro lath martensite (kiri) dan plate martensite (kanan). Struktur martensit didapat dari proses quenching (ASM International, 2004) ........................................21 Gambar 2.18 Struktur mikro martensit temper (ASM International, 2004) ....................................................................21 Gambar 2.19 Struktur mikro bainit dari baja paduan rendah yang telah mengalami perlakuan panas (ASM International, 2004) ....22 Gambar 2.20 Perbedaan upper bainit (B1) (kiri), dan lower bainit (B¬2) (kanan) (Bramfit, 1998) .........................................23 Gambar 2.21 Struktur mikro granular bainit (B3) (ASM International, 2004) ....................................................................23 Gambar 2.22 Pengaruh penambahan unsur paduan pada temperatur dan kadar karbon dari eutektoid baja (Callister, 2009) ...................................................................................................25 Gambar 2.23 Pengaruh Mn dan C pada daerah austenit (Thelning, 1984).........................................................................26 Gambar 2.24 Diagram fasa Fe-Mn (Thelning, 1984) ................27 Gambar 2.25 Ilustrasi skematik kurva pendinginan baja hypotetical (Xiao, 2006) .............................................................29 Gambar 2.26 Tipikal asikular ferit dalam baja karbon rendah (Wan,2010) ................................................................................29 Gambar 2.27 Perbandingan antara mikrostruktur, (a) ferit dan (b) asikular ferit (Wan,2010) ...........................................................30 Gambar 2.28 Skema produk transformasi austenit pada pendinginan dan trasnformasi martensit pada pemanasan tempering (Avner, 1974) ............................................................31 Gambar 2.29 Ilustrasi skematik struktur mikro bainit atas dan bawah (Bhadhesia, 2001) ...........................................................33 xviii
Gambar 2.30 Evolusi bainit sebagai fungsi waktu (Bhadhesia, 2012).......................................................................................... 33 Gambar 2.31 Skala waktu yang berhubungan dengan beberapa fenomena tempering pada bainit. (Bhadhesia, 2001) ................. 34 Gambar 2.32 Kurva Tegangan-Regangan ................................ 37 Gambar 2.33 Kurva S – N pengujian fatigue ............................ 39 Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ......................................... 43 Gambar 3.2 Skematik Y-block baja AAR-M201 Grade E........ 46 Gambar 3.3 Spesimen Uji Tarik ............................................... 47 Gambar 3.4 Spesimen Uji Kekerasan ....................................... 48 Gambar 3.5 Dimensi spesimen uji lelah ................................... 49 Gambar 3.6 Dimensi spesimen impak ...................................... 50 Gambar 4.1 Struktur mikro baja AAR-M201 Grade E (a) as cast, (b) hardening, (c) tempering 600oC waktu tahan 2 jam, (d) tempering 600oC waktu tahan 3 jam dan (e) tempering 600oC waktu tahan 4 jam. ..................................................................... 53 Gambar 4.2 Pengaruh kondisi perlakuan baja AAR-M201 Grade E terhadap kekuatan luluh dan kekuatan maksimum ................. 55 Gambar 4.3 Pengaruh kondisi perlakuan baja AAR-M201 Grade E terhadap persen elongasi dan reduksi area .............................. 56 Gambar 4.4 Pengaruh kondisi perlakuan baja AAR-M201 Grade E terhadap kekerasan (BHN) ..................................................... 58 Gambar 4.5 Pengaruh kondisi perlakuan baja AAR-M201 Grade E terhadap kekuatan impak pada berbagai temperatur (0, -40, 60°C) ......................................................................................... 59 Gambar 4.6 Pengaruh kondisi perlakuan baja AAR-M201 Grade E terhadap kekuatan impak pada temperatur -40°C ................... 60
xix
(Halaman ini Sengaja Dikosongkan)
xx
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Komposisi kimia baja AAR-M201 (Manual of Standard and Recommended practices, 2007) ........................... 11 Tabel 2.2 Sifat mekanik baja AAR-M201 (Manual of Standard and Recommended practices, 2007)........................................... 11 Tabel 3.1 Rancangan Penelitian ................................................ 44 Tabel 3.2 Komposisi Kimia Baja AAR-M201 Grade E ............ 44 Tabel 3.3 Dimensi Spesimen ..................................................... 47 Tabel 3.4 Komposisi Etsa.......................................................... 50 Tabel 4.1 Perbandingan sifat mekanikbaja AAR-M201 Grade E hasil tempering lama waktu tahan yang berbeda ........................ 65
xxi
(Halaman ini Sengaja Dikosongkan)
xxii
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Kemajuan industri di era sekarang sangatlah pesat. Baja merupakan material yang sangat banyak penggunaannya dalam dunia otomotif maupun dunia industri lainnya. Salah satu produk PT Barata Indonesia adalah baja AAR M201 grade Eberupa coupler yang digunakan sebagai penyambung antar gerbong pada kereta api. Spesifikasi baja AAR-M201 Grade E ini ditentukan oleh AARManual of Standards and Recomended Practices Couplers and Freight Car Draft Components. Namun, proses yang selama ini dilakukan hanya beberapa yang dapat memenuhi standar spesifikasi baja tersebut. Maka dari itupengembangan proses perlakuan panas dilakukan terhadap baja AAR M201 grade E untuk mencari perlakuan yang sesuai dan memenuhi spesifikasi tersebut. Proses perlakuan panas untuk baja AARM201 Grade E pada penelitian ini yang digunakan adalah hardening dan tempering. Perlakuan panas dapat didefinisikan sebagai kombinasi perlakuan pemanasan dan pendinginan terhadap logam dengan waktu tertentu, dimaksudkan untuk memperoleh sifat tertentu juga. Pemberian proses perlakuan panas terhadap baja memiliki tujuan yang bermacam-macam seperti untuk homogenisasi struktur mikronya, untuk memperhalus ukuran butirnya, menaikkan kekerasan, menambah keuletan, meningkatkan machinability ataupun untuk tujuan lainnya. Maka untuk mendapatkan sifat-sifat tersebut diperlukan proses perlakuan panas yang berbeda. Perbedaan tersebut juga mencakup perbedaan pada tingginya temperatur pemanasan, lamanya waktu tahan pada temperatur pemanasan, laju pendinginan dan media pendinginannya. Semua hal tersebut harus memperhatikan komposisi unsur paduan dari suatu materialnya. Dalam penelitian ini, proses perlakuan panas yang dilakukan adalah perlakuan panas hardening pada temperatur 925 oC kemudian dilanjutkan dengan proses perlakuan panas tempering pada temperatur 600oC dengan variasi lama waktu tahan selama 1
2
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
2, 3, dan 4 jam. Kemudian akan diamati bagaimana pengaruh lama waktu tahan tempering yang telah divariasikan terhadap struktur mikro dansifat mekanik yang nanti akan terbentuk. 1.2. Rumusan Masalah Rumusan masalah yang akan diteliti pada penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana pengaruh waktu tahan tempering terhadap struktur mikro baja AAR-M201 Grade E? 2. Bagaimana pengaruh waktu tahan tempering terhadap sifat mekanik baja AAR-M201 Grade E? 1.3. Batasan Masalah Batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Diasumsikan tidak ada cacat pada spesimen dan material diasumsikan memiliki komposisi kimia yang sama pada setiap spesimen. 2. Pemanasan di dapur pemanas diasumsikan merata antara satu spesimen dengan yang lainnya. 3. Penurunan temperatur saat spesimen dikeluarkan dari dapur pemanas diasumsikan tidak ada. 4. Waktu pemindahan dari dapur pemanas ke media pendinging diasumsikan konstan pada semua spesimen. 5. Pengaruh lingkungan diabaikan. 1.4. Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Menganalisa bagaimana pengaruh waktu tahan tempering terhadap struktur mikro baja AAR-M201 Grade E. 2. Menganalisa pengaruh waktu tahan tempering terhadap sifat mekanik baja AAR-M201 Grade E. 1.5. Manfaat penelitian Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat menjadi referensi dalam proses perlakuan panas spesifikasi pada waktu tahantempering pada baja AAR-M201 Grade E agar diperoleh struktur mikro dan sifat mekanik yang sesuai dengan AAR BAB I PENDAHULUAN
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
3
Manual of Standards and Recomended Practices: Couplers and Freight Car Draft Components.
BAB I PENDAHULUAN
4
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
(Halaman ini Sengaja Dikosongkan)
BAB I PENDAHULUAN
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Coupler Kereta Api Coupler atau sambungan adalah salah satu alat dalam kereta api yang berfungsi sebagai pengikat antar rangkaian kereta api agar kereta api dapat terkait satu sama lain. Coupler ada 3 jenis, yaitu full-automatic coupler, semi-automatic couplerdan coupler manual. Beberapa jenis coupler yang dikenal contohnya adalah buffer and chain coupling diperkenalkan di Inggris pada tahun 1830, coupler sederhana tersebut dikenal dengan screw coupling. Coupler jenis ini memiliki buffer disetiap ujungnyadan menggukan chain atau rantai untuk tambahan pengamanannya seperti pada Gambar 2.1. Buffer akan ditarik dan ditekan bersama-sama sehingga rangkaian ini mengurangi guncangan pada kereta. Coupling jenis ini masih dijadikan standar di negaranegara Eropa kecuali bekas Uni Soviet.
Gambar 2.1 Screw coupling (Janney, 1873) Link and pin adalah jenis coupling dari Amerika Utara yang bertahan saat sabagian besar perkereta-apian mengkonversi dirinya ke semi-automatic Janney coupler. Coupler ini memiliki link yang akan disambung menggunakan pin yang masih 5
6
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
membutuhkan tenaga manusia untuk memasangnya seperti Gambar 2.2. Petugas memerlukan waktu berjam-jam untuk mencocokkan antara pin dan link karena ketidakadaan desain standar pada coupler tersebut. Selain itu saat pemasaan pin ke lubang badan coupler banyak membuat petugas kehilangan jari atau tangan saat memasang pin, bahkan kehilangan jiwa karena terhimpit gerbong kereta, karena coupler jenis ini harus tetap diawasi petugas meskipun kereta sedang beroperasi.
Gambar 2.2 Link and pincoupling (Janney, 1873) Di Indonesia saat ini banyak menggunakan automatic coupler seperti pada Gambar 2.3. Alasannya karena cara penyambungan dua gerbong dengan coupler jenis ini sangat mudah hanya dengan mendekatkan kedua gerbong hingga saling berbenturan kemudian keduanya akan otomatis terkunci. Biasanya alat penyambungan gerbong kereta api terdiri dari alat tolak dan tarik yang terpisah, namun pada automatic coupler kedua alat tersebut menjadi satu kesatuan. Pada bagian belakang automatic coupler dipasang peredam dari karet yang akan membantu peredaman benturan pada gerbong.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
7
Gambar 2.3 Automatic coupler (Janney, 1873) Automatic coupler yang dikenal dengan Janney coupler atau knukle coupler, yang juga dikenal dengan sebutan buckeye coupling di Inggris ini dipatenkan pada tahun 1873 oleh AAR (Assosiation of American Railroads), coupler ini diciptakan oleh Eli H. Janney. Mekanisme penyambungan pada coupler dapat dilihat pada Gambar 2.4. Meskipun pengunciannya secara otomatis, namun untuk melepaskan penguncian antar gerbong dilakukan secara manual dengan bantuan tenaga manusia.
Gambar 2.4 Mekanisme penguncian sambungan jika terlihat dari atas (Janney, 1873) BAB II TINJAUAN PUSTAKA
8
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
Bahan coupler jenis ini merupakan tipe Grade E dengan kekuatan maksimum Janney coupler adalah knuckles/jaw 650.000 pounds-force dan coupler bodies 900.000 pounds-force, sedangkan material yang digunakan adalah low alloy cast steel dengan unsur paduan dominan mangan (1,0% - 1,5%) (Association of American Railroads, 2007). Gambar 2.5 menunjukkan komponen utama knuckle coupleryang terdiri dari: jaw/knuckle berfungsi sebagai pengunci antar coupler, hinge pin dan hole berfungsi sebagai pengikat dari knuckle dan coupler head, sedangkan coupler head berfungsi sebagai komponen utama penyambung antar gerbong kereta.
Gambar 2.5 Komponen coupler (Janney, 1873) 2.2. Baja Paduan Komposisi baja merupakan paduan besi-karbon, dengan kadar karbon kurang dari 2%. Unsur paduan sering ditambahkan pada baja untuk mendapatkan sifat mekanik tertentu. Menurut komposisi kimianya baja dibagi menjadi dua yaitu baja karbon tanpa paduan (plain carbon steel) dan baja paduan (alloy steel). Baja paduan dibagi menjadi dua jenis sesuai dengan kadar unsur, yaitu baja paduan rendah (low alloy steel) dan baja paduan tinggi (high alloy steel). Baja paduan rendah adalah baja paduan dengan kadar unsur kurang dari 10%, sedangkan baja paduan tinggi kadar unsurnya lebih dari 10% (Avner, 1974).
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
9
Setiap baja memiliki penamaan tersendiri sesuai dengan lembaga dan unsur paduannya, biasanya setiap penamaan antar lembaga berbeda-beda. Lembaga-lembaga tersebut contohnya JIS, SAE, DIN, ASTM, AISI, SNI dan AAR. JIS atau Japanese Industrial Standard melakukan standar sesuai kegiatan industri di Jepang, yakni kegiatan aplikasi produksi dan kualifikasi tertentu. Contohnya JIS X 1405, X menunjukkan divisi pembagian pada JIS dan empat atau lima angka dibelakang diberikan sesuai dengan ISO. SAE (Society of Automotive Engineers) dan ASTM (American Society for Testing and Material) mengembangkan sebuah standar untuk logam yaitu UNS (The Unified Numbering System) karena standar AISI (The American Iron and Steel Institue) tidak mencakup semua jenis logam atau metal, dan tidak informatif mengenai propertis beberapa logam. AISI dan SAE merupakan sistem standarsasi berdasarkan pada susunan atau komposisi kimia pada suatu baja. AISI dan SAE memakai standar dengan penomoran yang sama, namun pada AISI menambahkan huruf untuk menunjukkan proses pembuatan baja. Contohnya AISI 1045, angka 1 untuk baja karbo, 0 untuk unsur paduan yang tidak ada dan 45 untuk kadar karbon. Sedangkan pada SAE ditambahkan “C” untuk open hearth furnace (BOF) dan “E” untuk electric arc furnace. UNS menggunakan 6 digit untuk menggambarkan menggambarkan logam baik dari komposisi kimia, proses manufaktur dan perlakuan panas, digit pertama menunjukkan jens logam, digit kedua hingga kelima adalah adaptasi dari sistem penomoran AISI atau SAE, sedangkan digit keenam sebagai informasi perlakuan panas, tempering atau manufaktur. Sedangkan untuk ASTM sendiri penomorannya terdiri dari huruf diikuti dengan nomor yang mengacu pada baja tertentu. SNI (Standar Nasional Indonesia) menggunakan standarisasi sama dengan JIS, yaitu berdasarkan aplikasi produksi. Penomoran SNI terdiri dari kode SNI, nomor unik, nomor bagian dan nomor seksi, serta tahun penetapan. Selain AISI, SAE, ASTM dan JIS yang melakukan penamaan dan standarisasi pada baja, ada juga AAR (Association of American Railroads) yang memberi penaman dan standarisasi BAB II TINJAUAN PUSTAKA
10
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
pada baja sebagai komponen kereta api. AAR merupakan lembaga yang melakukan penelitian mengenai keamanan, efisiensi, dan pelayanan dalam industri kereta api. Standarisasi lembaga ini mencakup maintenance, komponen, proses manufaktur dan spesifikasi material. AAR didirikan pada 12 Oktober 1934 oleh oleh penggabungan lima kelompok industri, William George Besler sebagai presiden pertamanya dan berkantor di Washington DC. Penomoran pada AAR terdiri dari satu huruf dengan tiga atau empat angka dibelakangnya. Huruf yang digunakan hanya ada 3, yaitu M untuk menunjukkan spesifikasi, S menunjukkan standarisasi dan RP menunjukkan prosedur. Huruf tersebut diikuti angka pertama antara 0 hingga 9, dimana penjelasan dan penjabaran maksud dari angka tersebut dapat dilihat pada AAR Manual of Standard and Recommended practices. Untuk dua digit terakhir menyatakan urutakan penerbitan (Manual of Standard and Recommended practices, 2007). 2.3. AAR M201 AAR-M201 merupakan baja yang digunakan sebagai komponen mobil dan kereta api. Tedapat lima jenis baja AARM201 yaitu grade A, B,C, D dan E, baja AAR-M201 dominan unsur paduan mangan, yang membedakan ke lima grade tersebut adalah jumlah unsur paduan mangan didalam baja. Untuk baja grade A dan B kandungan unsur mangan cukup rendah maksimal 0,9%, sedangkan untuk grade C, D dan E mempunyai komposisi unsur paduan mangan maksimal 1,85%. Komposisi kimia pada baja AAR-M201 dapat dilihat pada Tabel 2.1 dan sifat mekaniknya dapat dilihat pada Tabel 2.2 sebagai berikut :
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
11
Tabel 2.1 Komposisi kimia baja AAR-M201 (Manual of Standard and Recommended practices, 2007) Unsur Grade A, B dan B+ Grade C, D dan E Karbon, mak % 0.32 0.32 Mangan, mak % 0.90 1.85 Fosfor, mak % 0.04 0.04 Sulfur, mak % 0.04 0.04 Silicon, mak % 1.50 1.50 Tabel 2.2 Sifat mekanik baja AAR-M201 (Manual of Standard and Recommended practices, 2007) Grade
Tensile Strength (MPa)
Yield Point (MPa)
Elongation (%)
Reduction of area (%)
A
413.69
206.84
26
38
B
482.63
262.00
24
36
B+
551.58
344.74
24
36
C
620.53
413.69
22
45
D
723.95
586.05
17
35
E
827.37
689.48
14
30
Energi impak (Joule)
Hardness (BHN)
108 – 160 20.34 (+20oF) 20.34 (+20oF) 27.12 (-40oF) 27.12 (-40oF) 27.12 (-40oF)
137 – 208 179 – 241 211 – 285 241 – 311
Pada tabel dapat dilihat komposisi dan sifat mekanik baja AAR M201, perbedaan antara grade B dengan B+ adalah pada komposisi kimianya, sedangkan komposisi keduanya sama. Begitu juga dengan grade E dan E+ yang sedang dalam pengembangan untuk mendapatkan sifat mekanik yang diinginkan. Perbedaan dari sifat mekanik ke lima baja tersebut merupakan hasil dari perlakuan panas yang berbeda pada baja AAR-M201, untuk grade A mendapatkan perlakuan anil, tanpa anil atau normalisasi sesuai dengan keinginan pembeli. Untuk B dan B+ dinormalisasi dan di temper. Sedangkan untuk grade C BAB II TINJAUAN PUSTAKA
12
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
dinormalisasi-temper atau temper-quench. Dan untuk grade D dan E mendapat perlakuan quench dan temper. Proses perlakuan panas pada baja AAR-M201 grade E adalah dengan memanaskan baja dalam furnace hingga temperatur austenisasi, kemudian di tahan untuk mencapai austenisasi yang sempurna dan menyempurnakan butir-butir struktur mikro. Setelah waktu tahan dianggap cukup, material di quench dengan media air, kemudia di temper dengan temperatur dibawah batas transformasi dan di tahan sesuai waktu yang dibutuhkan. Pendinginan akhir pada perlakuan ini adalah dengan pendinginan udara. Karena perlakuan yang berbeda-beda pada setiap grade maka aplikasinya pun berbeda-beda sesuai dengan kebutuhan dan spesifikasi sifat mekanik yang dibutuhkan oleh produk tersebut. Contoh aplikasi baja AAR-M201 adalah untuk truck frames, bolsters, coupler bodies, yokes, draft gears, or cushion units(AAR Manual of Standards and Recommended Practice, 2000). 2.4. Perlakuan Panas Setiap perlakuan panas yang berbeda akan menghasilkan sifat mekanik yang berbeda juga. Perlakuan panas merupakan kombinasi operasi pemanasan dan pendinginan terhadap logam atau paduan dalam keadaan padat dengan waktu tertentu dan bertujuan untuk memperoleh sifat tertentu. Pemanasan ini dilakukan dengan memanaskan suatu logam pada temperatur tertentu dan ditahan beberapa saat pada temperatur tersebut kemudian didinginkan dengan laju tertentu (Avner, 1974). Perubahan sifat mekanik karena pemanasan merupakan akibat dari perubahan struktur mikro, perubahan struktur mikro tesebut berupa perubahan fasa atau bentuk kristal material. Struktur mikro yang terjadi pada akhir proses ditentukan oleh komposisi kimia dan proses perlakuan panas yang dialami, dan juga struktur awal benda. Dalam klasifikasi tujuannya, perlakuan panas dibagi menjadi dua yaitu pengerasan dan pelunakan. Pengerasan merupakan proses menaikkan kekerasan baja untuk memperbaiki sifat tahan lelah dan tahan aus, atau untuk menaikkan ketangguhan baja.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
13
Sedangkan proses pelunakan bertujuan untuk memperbaiki machinability dan menurunkan kekerasan baja. 2.4.1. Hardening Hardening atau pengerasan merupakan proses perlakuan panas pada baja dengan pemanasan sampai temperatur austenit (diatas A3) kemudian ditahan dengan waktu tertentu hingga struktur baja homogen dan kemudian didinginkan cepat(quenching) dengan media (Brunhubber, 1988). Temperatur austenisasi dapat dilihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Rentang temperatur austenisasi (Campbell, 2008) Tujuan melakukan pengerasan adalah mendapatkan struktur martensit. Pada suatu benda kerja yang dikeraskan, kekerasan martensit yang didapatkan tergantung pada kadar karbon yang terlarut dalam austenit. Sedangkan banyaknya struktur martensit sendiri didapatkan dari austenit yang terbentuk atau bertransformasi ditemperatur austenisasi kemudian didinginkan cepat sehingga karbon tidak memiliki banyak waktu untuk berdifusi. Namun kekerasan martensit ini tidak dapat dipengaruhi secara signifikan oleh unsur paduan (Campbell, 2008).
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
14
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
2.4.2. Tempering Proses tempering tak lepas dari proses hardening karena kedua proses ini saling berhubungan. Proses tempering merupakan proses pemanasan kembali baja dibawah temperatur kritis terendah (A1). Berbeda dengan pengerasan, pendinginan temper dilakukan dengan laju yang diinginkan. Tujuan dari proses ini adalah untuk meningkatkan keuletan atau ketangguhan baja, selain itu untuk mengurangi dan menghilangkan tegangan sisa pada baja. Namun pada proses ini kekerasan baja akan turun jika dibandingkan dengan baja setelah proses hardening sebelumnya (Clark, 1962). Proses quenching dan tempering dapat dilihat pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Perlakuan panas hardening-tempering pada baja (Campbell, 2008) Tempering dilakukan dengan memanaskan suatu bahan atau benda kerja dengan struktur mikro martensit sampai temperatur dibawah eutektoid dalam waktu tertentu. Pada umumnya tempering dilakukan pada temperatur antara 250 dan 650oC, meskipun tegangan sisa dapat lepas pada temperatur sekitar 200oC. Perlakuan panas melalui mekanisme difusi, pembentukan martensit temper seperti reaksi dibawah ini: Martensit (BCT, fasa tunggal) martensit temper ( + Fe3C)
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
15
pada reaksi diatas fasa tunggal martensit BCT, yang jenuh dengan karbon, bertransformasi menjadi martensit temper, terdiri dari ferit stabil dan fasa sementit (Callister, 2009).
Gambar 2.8 Hubungan temperatur temper dengan sifat mekanik baja paduan (Callister, 2009) Gambar 2.8 menunjukkan kekerasan baja yang bergantung pada temperatur temper dan waktu tahan temper, selain itu struktur awal baja dan komposisi kimia dapat mempengaruhi hasil dari temper, baik hasil mikrostruktur maupun sifat mekanik baja. 2.4.3. Diagram Transfomasi Diagram transformasi adalah diagram yang memperlihatkan perkembangan transformasi terhadap waktu dan temperatur. Ada beberapa jenis diagram transformasi, contohnya adalah diagram transformasi isotermal dan diagram transformasi continuous cooling.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
16
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
Diagram transformasi isotermal adalah proses transformasi fasa pada temperatur kontan (tidak ada perubahan), dimana baja dipanaskan secara cepat ke suatu temperatur kemudian ditahan dengan waktu tertentu pada temperatur tersebut sehingga transformasi fasa berlangsung isotermal. Pemanasan jenis ini biasanya digunakan pada benda yang kecil dengan dapur khusus dan temperatur yang tidak terlalu tinggi sehingga transformasi berlangsung bersama dengan kenaikan temperatur.Diagram transformasi isotermaluntuk baja paduan rendah dengan perubahan austenit ke perlit seperti pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Diagram transformasi isothermal untuk baja paduan rendah.A: Austenit; F: Ferrit; P: Perlit; B: Bainit;M: Martensit (Callister, 2009) Selain diagram transformasi isotermal, ada pula diagram transformasi contunuous colling atau yang sering disebut dengan diagram CCT, yaitu diagram yang digunakan pada pendinginan yang kontinyu. Sebagai contoh pada Gambar 2.10 adalah diagram BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
17
CCT mangan. Dan Gambar 2.11 diagram CCT HSLA karbon mangan.
Gambar 2.10 Diagram CCT baja paduan mangan (0,2% C, 0,85% Mn, 0,45% Cr, 0,45% Mo).M: Martensit; F: Ferrit; B: Bainit; P: Perlit (Thelning, 1984)
Gambar 2.11 High strenght low alloy (0,26% C, 1,45% Mn). A: austenit; PF: poligonal ferrit, AF: asikular ferrit; UB: Upper Bainit; M: martensit. (Bhadeshia, 1986) BAB II TINJAUAN PUSTAKA
18
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
2.4.4. Fasa Hasil Transformasi Proses perlakuan panas menghasilkan beberapa jenis fasa. Fasa yang terbentuk akan dipengaruhi oleh beberapa hal, diantaranya komposisi kimia, temperatur transformasi, dan laju pendinginan. Jenis fasa yang tercipta pada baja adalah sebagai berikut: Ferrit Ferrit (α-iron) merupakan fase yang stabil pada temperatur ruang, tercipta pada kondisi equilibrium. Ferrit mempunyai struktur BCC (Body Centered Cubic) dengan kekerasan yang relatif rendah. Ada juga jenis ferrite yang stabil pada temperatur tinggi yaitu delta ferrit (δ-iron). Ferrit jenis ini bersifat isomorph terhadap ferrit alpha.
Gambar 2.12 Struktur mikro baja UNS G10150, terdiri atas ferrit (terang) dan perlit (gelap) (ASM International, 2004) Ferrit pada umumnya mempunyai ukuran butir yang relatif besar dengan bentuk poligonal. Namun ada juga struktur ferrit yang berbentuk acicular (seperti jarum) yang disebut struktur Widmanstatten dan ada pula yang disebut sebagai asikular ferrit.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
19
Gambar 2.13 Struktur mikro baja paduan UNS G10200. Strukturnya dinamakan Widmanstatten (ASM International, 2004)
Gambar 2.14 Struktur mikro asikular ferrit, grain boundary ferrit dan widmanstatten (Bhadeshia, 1986) Austenite Austenite (γ-iron) merupakan fase yang stabil pada temperatur yang relatif tinggi. Austenit memiliki kelarutan karbon yang cukup tinggi, jauh lebih tinggi dibanding ferrit. Austenit memiliki struktur kristal FCC (Face Centered Cubic). Sementit Sementit merupakan fasa yang terbentuk dari senyawa Fe 3C. Sementit mempunyai struktur kristal ortorombik yang cukup kompleks, dengan nilai kekerasan yang tinggi. Bersifat metastabil. BAB II TINJAUAN PUSTAKA
20
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
Gambar 2.15 Struktur mikro baja paduan UNS G10400. Strukturnya berupa sementit berbentuk bulat (spheroid) dalam matriks ferri (ASM International, 2004) Struktur sementit dengan bentuk spheroid seperti pada Gambar 2.15 terbentuk dengan proses pemanasan dengan temperatur dibawah A1 selama beberapa jam. Grafit Grafit mempunyai struktur kristal heksagonal dan bersifat stabil. Kekerasan yang dimiliki grafit cukup tinggi. Perlit Perlit merupakan struktur yang bersifat metastabil, terdiri dari campuran ferrit dan sementit dengan bentuk lamellar.
Gambar 2.16 Struktur mikro baja karbon UNS G10800. Strukturnya terdiri atas butir-butir perlit (ASM International, 2004)
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
21
Martensite Martensite memiliki struktur kristal BCT (Body Centered Tetragonal). Martensit mempunyai kandungan karbon yang sangat jenuh dalam ferritnya. Bersifat metastabil, dengan kekerasan yang tinggi. Morfologinya berbentuk lath saat kadar karbon besi <0,6 wt% dan berbentuk platesaat kadar karbon >1,0 wt%.
Gambar 2.17 Struktur mikro lath martensite (kiri) dan plate martensite (kanan). Struktur martensit didapat dari proses quenching (ASM International, 2004) Saat martensit mengalami proses tempering, maka struktur yang terbentuk adalah martensit temper. Struktur ini terdiri atas martensit dengan bilah yang lebih kasar dan butiran-butiran kecil karbida yang mengalami presipitasi.
Gambar 2.18 Struktur mikro martensit temper (ASM International, 2004)
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
22
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
Bainit Bainit adalah struktur yang terbentuk dari ferrit dan sementit dengan ukuran sangat halus. Namun tidak seperti perlit, strukturnya tidak berbentuk lamellar. Bainit dibagi menjadi dua, upper bainite dengan bentuk feathery (menyerupai bulu) dan lower bainite dengan bentuk accicular (menyerupai jarum). Upper bainite terbentuk pada temperatur transformasi yang cenderung tinggi, sementara lower bainit terbentuk pada temperatur yang lebih rendah, saat pendinginan berlangsung secara isothermal. Kekerasan pada bainit akan meningkat seiring dengan turunnya temperatur transformasinya (ASM International 2004).
Gambar 2.19 Struktur mikro bainit dari baja paduan rendah yang telah mengalami perlakuan panas (ASM International, 2004) Namun pada proses manufaktur, umumnya baja mengalami pendinginan secara kontinyu, bukan isothermal. Sehingga istilah upper bainite dan lower bainit tidak lagi relevan dalam proses pendinginan kontinyu. Bainit kemudian di identifikasi berdasarkan morfologinya, dan dibedakan menjadi bainit Class 1(B1), Class 2(B2), dan Class 3(B3). B1 mempunyai morfologi matrix ferrit yang berbentuk bilah (accicular) disertai dengan sementit yang berada di dalam bilah ferrit. B 2 terdiri dari matrix bilah ferrit disertai dengan sementit yang berada di batas butir antar bilah ferrit (grain boundary). B 1 dapat mewakili istilah upper bainit, sementara B2 mewakili lower bainit (Bramfit 1998).
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
23
Gambar 2.20 Perbedaan upper bainit (B1) (kiri), dan lower bainit (B¬2) (kanan) (Bramfit, 1998) B3 terdiri atas matriks ferrit dengan partikel-partikel yang terdiri dari martensit ataupun austenit sisa. B3 biasa dikenal dengan istilah granular bainit(Bramfit, 1998).
Gambar 2.21 Struktur mikro granular bainit (B3) (ASM International, 2004) 2.5. Pengaruh Unsur Paduan Baja karbon memiliki kelebihan seperti kemudahannya saat perlakuan panas dan harga murah, tetapi juga memiliki keterbatasan, seperti hardenability rendah, ketahanan oksidasi dan korosi rendah, kekuatan rendah pada temperatur tinggi. Dilain sisi, baja paduan banyak digunakan karena memiliki sifatsifat yang tidak bisa diperoleh dari baja karbon. Maka dari itu, sangat penting untuk menentukan unsur paduan dan komposisi
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
24
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
unsur yang sesuai untuk memperoleh sifat-sifat yang diinginkan (Avner, 1987). Unsur paduan sengaja ditambahkan kedalam baja dengan tujuan untuk mencapai salah satu atau beberapa dari tujuan berikut: 1. Menaikkan hardenability 2. Memperbaiki kekuatan pada tempratur biasa 3. Memperbaiki sifat mekanik pada temperatur rendah atau tinggi 4. Memperbaiki ketangguhan pada tingkat kekuaran atau kekerasan tertentu 5. Menaikkan sifat tahan aus 6. Manaikkan sifat tahan korosi 7. Memperbaiki sifat kemagnitan Unsur-unsur paduan yang ditambahkan pada baja karbon secara umum dapat mempengaruhi beberapa hal berikut, seperti: 1. Unsur paduan dapat membentuk larutan padat atau senyawa intermetalik. 2. Unsur paduan dapat mengubah temperatur transformasi fasa terjadi. 3. Unsur paduan dapat mengubah kelarutan karbon dalam austenit dan ferit 4. Unsur paduan dapat mengubah laju reaksi transformasi austenit menjadi produk dekomposisi dan laju pelarutan sementit menjadi austenit selama pemanasan. 5. Adanya unsur paduan dapat mengurangi penghalusan pada tempering. 2.5.1. Pengaruh terhadap Diagram Fasa Adanya unsur paduan di dalam baja akan merubah diagram fase baja. Unsur-unsur pembentuk austenit akan menurunkan temperatur eutektoid, sedangkan unsur-unsur pembentuk ferit akan menaikkannya. Pada keadaan seperti ini titik eutektoid akan tergeser ke arah kiri, sehingga kadar karbon di dalam perlit akan kurang dari 0,8%. Unsur paduan yang berfungsi sebagai penstabil austenit, yaitu Ni dan Mn menurunkan temperatur eutektoid, sedangkan unsur paduan lain akan menaikkan temperatur BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
25
eutektoid seperti Gambar 2.22. Jadi bisa disimpulkan bahwa semua unsur paduan akan menggeser titik eutektoid ke kiri atas, kecuali Ni dan Mn yang menggeser titik eutektoid ke kiri bawah.
Gambar 2.22 Pengaruh penambahan unsur paduan pada temperatur dan kadar karbon dari eutektoid baja (Callister, 2009) Pengaruh unsur paduan penstabil austenit seperti Mn akan memperluas daerah austenit, digambarkan dengan makin luasnya daerah austenit dari baja dengan kadar Mangan yang makin besar seperti pada gambar 2.23. Hal ini tentunya harus diperhitungkan dalam melakukan perlakuan panas pada baja paduan (Thelning, 1984). BAB II TINJAUAN PUSTAKA
26
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
Gambar 2.23 Pengaruh Mn dan C pada daerah austenit (Thelning, 1984) 2.5.2. Pengaruh terhadap Diagram Transformasi Pada diagram transformasi unsur paduan ikut berpengaruh. Semua unsur paduan kecuali Cobalt, akan menghambat pembentukkan ferrit dan sementit pada pendinginan, maka kurva akan bergeser ke kanan. Semua unsur paduan kecuali Cobalt menurunkan temperatur pembentukkan martensit M S dan MF nya. Hal ini menyebabkan martensit lebih cepat terbentuk, dapat dikatakan bahwa unsur paduan menaikkan hardenability baja. Perlu diingat bahwa rendahnya M S dan MF seringkali menyebabkan timbulnya banyak austenit sisa, karena memungkinkan MF lebih rendah dari temperatur kamar, sehingga pada temperatur kamar masih banyak terdapat austenit dan kekerasan tidak mencapai yang diharapkan (Thelning, 1984). 2.5.3. Pengaruh pada Tempering Baja yang di tempering atau dipanaskan kembali akan melunak. Makin tinggi temperatur tempering makin tinggi penurunan kekerasan yang terjadi. Semua unsur paduan menghambat laju penurunan kekerasan karena tempering. Unsurunsur yang mudah larut dalam ferit, unsur yang tidak membentuk BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
27
karbida, seperti Ni, Si dan juga Mn pengaruhnya kecil sekali. Unsur pembentuk karbida mempunyai pengaruh yang lebih kuat, apalagi unsur pembentuk karbida kompleks, seperti Cr, W, Mo, V dan lain-lain, pengaruhnya kuat sekali. Bukan saja akan menghambat penurunan kekerasan, bahkan bila terdapat dalam jumlah besar dapat menaikkan kekerasan pada tempering pada temperatur tinggi (Thelning, 1984). 2.6. Fasa Transformasi Baja Baja AAR-M201 grade E merupakan baja paduan mangan. Mangan merupakan salah satu unsur yang selalu ada pada baja sebagai deoksidiser. Mangan mengurangi kecenderungan terjadinya hot shortness yang ditimbulkan oleh belerang (S). Mangan mencegah terjadinya FeS yang membentuk eutektik dengan besi yang menghasilkan baja mengalami hot shortness (kegetasan baja pada rentang hot forming). Mangan dan belerang berikatan membentuk MnS, yang memiliki titik lebur tinggi, kemungkinan terjadi retak pada pengerjaan ditemperatur tinggi dapat dicegah. Baja dikatakan baja paduan mangan bila mengandung Mn lebih dari 0,8%. Unsur mangan bila dipadukan dengan unsur Fe menghasilkan diagram fasa seperti Gambar 2.24. Bila dilihat dari diagram fase Fe-Mn, pada kandungan Mn lebih dari 0,8% cenderung larut pada Fe dengan membentuk larutan pada (solid solution) berupa α atau γ atau kombinasi keduanya.
Gambar 2.24 Diagram fasa Fe-Mn (Thelning, 1984) BAB II TINJAUAN PUSTAKA
28
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
2.6.1. Transformasi Ferrit Pro-eutectoid ferrite terbentuk akibat pendinginan pada baja hipoeutektoid. Beberapa jenis pro-eutectoid ferrite adalah: Grain boundary ferrite. Widmanstatten plate, seperti jarum yang muncul disepanjang cross section. Asikular ferrit. Ketika austenit bertransformasi dengan cepat, ferrit akan tumbuh dari batas butir austenit dengan dislokasi yang padat, seperti widmanstatten. Dislokasi yang terjadi mengakibatkan kenaikan kekuatan pada baja (Davinson, 2003). Asikular ferrit merupakan struktur yang optimal untuk menaikkan kekuatan dan ketangguhan baja, dan struktur asikular ferrit memiliki kekerasan yang lebih besar dar ferrit biasa, yaitu lebih besar dari 200 BHN.Dalam kisaran temperatur 2000-1700 o C, oksigen terlarut dan deoxidizing unsur dalam baja cair bereaksi membentuk inklusi oksida kompleks di kisaran 0,1-1 µm berbagai ukuran. Pada kisaran temperature 1700-1600oC, pemadatan ᵟ-ferrit (fase body centeral kubik) dimulai dan menyelubungi inklusi oksida ini; dan d-ferit ini bertransformasi menjadi austenit (fase y-face centeral kubik). Dalam rentang temperatur 1600-800oC, butir austenit dapat terbentuk. Tipikal dari baja lasan yang mengandung asikular ferit dapat dilihat pada Gambar 2.25. Morfologi ini biasanya disebut “basket-weave structure” (Xiao, 2006). Pada gambar tersebut juga terlihat bahwa asikular ferrit berikatan dengan morfologi lain yaitu widmanstaten ferit dan allotriomorphic ferrit. Asikular ferrit memiliki aspek ratio 0.1-0.2 dan random cross seksional area. Pada Gambar 2.26, terlihat bentuk asikular ferrit dalam baja karbon rendah.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
29
Gambar 2.25 Ilustrasi skematik kurva pendinginan baja hypotetical (Xiao, 2006)
Gambar 2.26 Tipikal asikular ferit dalam baja karbon rendah (Wan,2010) Struktur mikro asikular ferrit biasanya terjadi pada baja lasan pada BAB II TINJAUAN PUSTAKA
30
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
bagian HAZ. Untuk penyempurnaan pembentukan butir kasar dari daerah HAZ baja strength low-alloy bainite telah dipelajari menggunakan teknik rekonstruksi tiga dimensi. Ukuran butir kristalografi dianalisis dengan menggunakan difraksi backscatter elektron. Hal itu terungkap bahwa strukturmikro di wilayah berbutir kasar HAZ didominasi bainit dan sebagian kecil asikular ferit. Asikular ferit sendiri memiliki morfologi berbentuk bilah dan piringan tajam yang seperti jarum. Tempering butir kasar wilayah HAZ menunjukkan bahwa asikular ferit lebih stabil daripada bainit dan menunjukkan bahwa asikular ferit terbentuk terlebih dahulu sebelum terbentuknya bainit. Gambar 2.27. dibawah ini menunjukkan perbedaan antara mikrostruktur ferrit dan asikular ferrit. Gambar 2.27.a menunjukkan mikrostruktur fasa ferrit sedangkan pada Gambar 2.27.b menujukkan mikrostruktur fasa asikular ferrit yang berbentuk tajam menyerupai jarum. Terlihat pada gambar tersebut bahwa antara ferrit dan asikular ferrit memiliki perbedaan yang cukup besar pada mikrostrukturnya.
Gambar 2.27 Perbandingan antara mikrostruktur, (a) ferit dan (b) asikular ferit (Wan,2010) Heat input pada pengelasan mempengaruhi terbentuknya struktur mikro asikular ferrit. Asikular ferit merupakan struktur mikro yang terbentuk dari fasa austenit yang mengalami pendinginan cepat sehingga mengakibatkan tarnsformasi pembentukan ferrit yang belum sempurna dengan membentukbutir yang tajam-tajam. Asikular ferit mengakibatkan nilai keuletan dan ketangguhan meningkat hal ini dikarenakan asikular ferrit merupakan struktur interlock yang mengapit antara fasa ferit kecil dan besar (Suharno, 2008). Selain biasa terjadi BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
31
pada daerah HAZ, asikular ferrit juga terjadi pada high strength low alloy atau HSLA steel. 2.6.2. Transformasi Martensit Martensit merupakan suatu struktur yang metastabil, bila dipanaskan kembali secara bertahap karbon yang terperangkap dalam struktur BCT dari martensit tersebut akan keluar menjadi karbida sehingga BCT akan menjadi BCC, ferrit. Proses pemanasan kembali dan pendinginan lambat yang mengikutinya dinamakan tempering. Perubahan struktur yang terjadi setelah proses tempering pada pemanasan temperatur tertentu, secara skematik digambarkan pada Gambar 2.28.
Gambar 2.28 Skema produk transformasi austenit pada pendinginan dan trasnformasi martensit pada pemanasan tempering (Avner, 1974) Pada temperatur temper yang masih rendah, di bawah 205 oC, karbon yang keluar masih sangat sedikit, karbida yang terjadi, dinamakan karbida epsilon ( carbide), masih sangat kecil, belum tampak di mikroskop (submicroscopic), martensit tampak lebih hitam, dinamakan black martensite. Pada tahap ini terjadi BAB II TINJAUAN PUSTAKA
32
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
penurunan tegangan dalam, sedang kekerasan hampir tidak berkurang (masih 60 –64 HRc), bahkan dapat terjadi sedikit kenaikan (untuk baja dengan kadar karbon tinggi). Pada temperatur temper yang lebih tinggi, 205 – 400 oC, karbida epsilon mulai berubah menjadi sementit, Fe3C, dan austenit sisa bertransformasi, menjadi bainit atau martensit. Struktur yang terjadi dinamakan troostite, terdiri dari partikel sementit yang sangat halus (submicroscopic) dengan matriks ferrit dan austenit yang telah bertransformasi. Mulai tampak penurunan kekerasan (40 – 60 HRc) dan kenaikan keuletan yang berarti.Pada temperatur temper yang lebih tinggi lagi, 400 – 650 oC, sementit tumbuh menjadi lebih besar, berbentuk spheroid yang halus dan BCT menjadi BCC sempurna. Struktur ini dikenal dengan nama sorbite, terdiri dari spheroid sementit yang sangat halus yangtersebar dalam matriks ferrit, kekerasan lebih rendah (20 – 40 HRc) dan keuletan/ketangguhan makin tinggi. Bila pemanasan diteruskan lebih tinggi lagi spheroid sementit tumbuh lebih besar dengan matriks ferrit. Struktur ini sama dengan yang diperoleh dengan proses spheroidisasi, kekerasannya rendah (5 – 10 HRc) dan keuletan/ketangguhannya tinggi. Sebenarnya perubahan struktur selama penemperan sangat gradual, sehingga tidak jelas perbedaan struktur yang satu dengan yang berikutnya. Karenanya ada yang menamakan semua produk dekomposisi martensit ini sebagai martensit temper. Karbon yang keluar dari struktur martensit maka tegangan didalam BCT akan berkurang sehingga kekerasan/kekuatannya juga berkurang selain itu keuletan/ketangguhan semakin meningkat. Secara umum dapat dikatakan bahwa bila temperatur penemperan makin tinggi maka kekerasannya akan makin rendah (Avner, 1974). 2.6.3. Transformasi Bainit Bainit merupakan agregrat non-lamelar yang terdiri dari karbida dan ferit yang berbentuk plat. Bainit terdiri dari kluster kluster platelet-platelet ferit yang terhubung satu sama lain dan memiliki orientasi kristalografi yang identik. Partikel sementit yang memanjang berada dibutir platelet ini, jumlah dan kontinuitas layer sementit dipengaruhi oleh kadar karbon baja BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
33
(Bhadhesia,2001). Skematik struktur mikro bainit seperti pada Gambar 2.29.
Gambar 2.29 Ilustrasi skematik struktur mikro bainit atas dan bawah (Bhadhesia, 2001) Pada proses transformasi bainit diawali dari austenit mengalami driving force yang besar untuk berubah dari FCC menjadi BCC, driving force ini mengakibatkan atom-atom akan tergeser sehingga menjadi BCC, terbentuk ferit. Karbon yang tidak mampu dilarutkan ferit akan berdifusi keluar membentuk kabida. Austenit yang bertransformasi menjadi ferit dam karbonnya berdifusi keluar sehingga diperoleh struktur berupa bilah-bilah ferit yang didalamnya terdapat platelet dengan arah hampir sejajar dengan sumbu pertumbuhannya (Thelning, 1984). Evolusi bainit terhadap waktu secara skematik seperti pada Gambar 2.30.
Gambar 2.30 Evolusi bainit sebagai fungsi waktu (Bhadhesia, 2012) BAB II TINJAUAN PUSTAKA
34
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
Fenomena tempering pada bainit memiliki perilaku yang sedikit berbeda dengan perilaku tempering pada martensit, hal ini karena adaanya pembentukan austemper selama transformasi. Bainit terbentuk pada temperatur yang lebih tinggi (Bs > Ms , Ms merupakan temperatur martensit start) sehingga austemper merupakan bagian yang tidak dapat dihindari selama transformasi. Redistribusi karbon dari ferit supersaturated menuju austenit sisa dan presipitasi karbida selama reaksi bainit terjadi secara cepat dan merupakan pengaruh austemper (Bhadhesia, 2001). Beberapa fenomena yang terjadi selama proses tempering pada bainit seperti pada Gambar 2.31.
Gambar 2.31 Skala waktu yang berhubungan dengan beberapa fenomena tempering pada bainit. (Bhadhesia, 2001) Tempering pada bainit tidak terlalu sensitif pada variasikadar BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
35
karbon yang sedikit. Kekuatan martensit turun secara drastis ketika karbon meninggalkan larutan padat. Pada bainit sebagian besar karbon menjadi karbida kasar yang berkontribusi kecil pada kekuatan. Baja bainit yang mengandung unsur pembentuk karbida yang kuat akan menghasilkan secondaryhardening selama anil pada temperatur yang tinggi, sebagaipenghalus dan paduan karbida yang lebih stabil selain sementit. Bainit tumbuh pada temperatur yang tinggi sehingga struktur mikro akan recovery selama transformasi. Pada bainit karbon rendah yang dianil pada temperatur tinggi (700°C selama 1 jam), terdapat sedikit peningkatan pada recovery dan sedikit perubahan pada densitas partikel karbida. Kekerasan dan kekuatan tarik pada struktur mikro full bainit, berkurang selama tempering dengan laju perubahan terbesar untuk bainit atas, yang memiliki nilai awal yang lebih tinggi. Baja kekuatan tinggi menunjukkan perubahan yang besar pada kekuatan selama tempering. 2.7. Pengujian Struktur Mikro dan Sifat Mekanik 2.7.1. Pengujian Metalografi Pengujian metalografi ini bertujuan untuk mengetahui fasa, bentuk dan ukuran struktur mikro pada baja AAR M201 Grade E. Selain itu juga untuk memprediksikan mikrostruktur yang terbentuk setelah proses perlakuan panas. Pengujian ini menggunakan standar ASTM E3 dengan tahapan sebagai berikut ini: a. Tahap persiapan Cutting: Pemotongan spesimen dilakukan dengan menggunakan gergaji mesin/manual. Mounting: Membuat pegangan untuk mempermudah pemegangan spesimen saat proses grinding Grinding: Menggosok spesimen dengan amplas silikon karbida mulai dari grade 60 hingga 2000. Sehingga akan di peroleh permukaan yang halus. Polishing: Memoles spesimen dengan pasta alumina dengan tujuan untuk memastikan tidak ada goresan pada permukaan. BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
36
Etching: Mencelupkan permukaan spesimen kedalam larutan etsa. Larutan etsa yang di gunakan adalah nital dan pikral. b. Tahap pengamatan Tahap pengamatan dilakukan untuk mengamati struktur mikro dengan menggunakan mikroskop optik. Pengamatan dilakukan dengan beberapa kali perbesaran. 2.7.2. Pengujian Kekuatan Tarik Uji tarik banyak dilakukan untuk melengkapi informasi rancangan dari kekuatan satu bahan dan sebagai data pendukung bagi spesifikasi bahan. Pada uji tarik, benda uji diberi beban gaya tarik sesumbu yang bertambah besar secara kontinyu, bersamaan dengan itu dilakukan pengamatan mengenai perpanjangan yang dialami benda uji. Tegangan yang dipergunakan pada kurva adalah tegangan mambujur rata-rata dari pengujian tarik. Tegangan tersebut diperoleh dengan cara membagi beban dengan luas awal penampang melintang benda uji. 𝑃 𝑆= 𝐴𝑜 Regangan yang digunakan untuk kurva tegangan-regangan rekayasa adalah regangan linear rata-rata, yang diperoleh dengan cara membagi perpanjangan panjang ukur (gage length) benda uji, δ, dengan panjang awal. δ ∆𝐿 𝐿 − 𝐿𝑜 𝑒= = = 𝐿𝑜 𝐿 𝐿𝑜 Keterangan: P : Beban yang di berikan pada spesimen A : Luas penampang spesimen ΔL : Pertambahan panjang Lo : Panjang awal spesimen data yang di peroleh dari mesin uji tarik berupa grafik P-ΔL
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
37
Gambar 2.32 Kurva Tegangan-Regangan Karena tegangan dan regangan diperoleh dengan cara membagi beban dan perpanjangan dengan faktor yang konstan, kurva beban-perpanjangan akan mempunyai bentuk yang sama seperti kurva tegangan regangan teknik. Kedua kurva ini sering saling dipergunakan. Bentuk dan besaran pada kurva tegangan-regangan suatu logam tergantung pada komposisi, perlakuan panas, deformasi plastic yang pernah dialami, laju regangan, temperatur, dan keadaan tegangan yang ditentukan selama pengujian. Parameterparameter yang digunakan untuk membentuk kurva teganganregangan logam adalah kekuatan tarik dan kekuatan luluh sebagai parameter kekuatan, dan persen perpanjangan dan pengurangan luas sebagai parameter keuletan bahan (Dieter, 1990). Kekuatan tarik, atau kekuatan tarik maksimum (Ultimate Tensile Strength atau UTS), adalah beban maksimum (Pmaks) dibagi dengan luas penampang awal (Ao) benda uji. 𝑃𝑚𝑎𝑘𝑠 𝑠𝑢 = 𝐴𝑜 2.7.3. Pengujian Kekerasan Uji kekerasan brinell berupa pembentukan lekukan pada permukaan logam dengan memakai indentor bola baja BAB II TINJAUAN PUSTAKA
38
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
berdiameter 10 mm dan diberi beban sebesar 3000 kg. untuk logam lunak, beban dikurangi hingga mencapai 500 kg. Untuk bahan yang sangat keras, digunakan indentor karbida tungsten, untuk memperkecil adanya distorsi indentor(ASTM E10, 2010). 𝑃 𝑃 𝐵𝐻𝑁 = 𝜋𝐷 = 𝜋𝐷𝑡 ( )(𝐷 − 𝐷 𝐷 2 − 𝑑 2 2
Dimana, P D d t
= Beban yang diterpkan (kg) = Diameter bola (mm) = Diameter lekukan (mm) = Kedalaman Jejak (mm)
2.7.4. Pengujian Impak Uji impact adalah pengujian dengan menggunakan pembebanan yang cepat (rapid loading). Pengujian impak merupakan suatu pengujian yang mengukur ketahanan bahan terhadap beban kejut. Inilah yang membedakan pengujian impak dengan pengujian tarik dan kekerasan, dimana pembebanan dilakukan secara perlahan-lahan. Pada uji impact terjadi proses penyerapan energi yang besar ketika beban menumbuk spesimen. Energi yang diserap material ini dapat dihitung dengan menggunakan prinsip perbedaan energi potensial. Dasar pengujiannya yakni penyerapan energi potensial dari pendulum beban yang berayun dari suatu ketinggian tertentu dan menumbuk benda uji sehingga benda uji mengalami deformasi. Pada pengujian impak ini banyaknya energi yang diserap oleh bahan untuk terjadinya perpatahan merupakan ukuran ketahanan impak atau ketangguhan bahan tersebut. Sifat keuletan suatu bahan dapat diketahui dari pengujian tarik dan pengujian impact, tetapi dalam kondisi beban yang berbeda. Beban pada pengujian impact seperti yang telah dijelaskan diatas adalah secara tiba-tiba, sedangkan pada pengujian tarik adalah perlahan-lahan. Dari hasil pengujian tarik dapat disimpulkan perkiraan dari hasil pengujian impact. Tetapi dari pengujian impact dapat diketahui sifat ketangguhan logam dan harga impact untuk temperatur yang berbeda-beda, mulai dari temperatur yang sangat rendah (-300oC) sampai temperatur yang BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
39
tinggi. Sedangkan pada percobaan tarik, temperatur kerja adalah temperatur kamar (ASTM E23, 2002). 2.7.5. Pengujian Fatigue Uji kelelahan atau uji fatigue bertujuan untuk mengetahui masa kerja dari material dan kecenderungan material untuk patah atau rusak jika menerima beban yang berulang dengan beban jauh dibawah batas kekuatan elastisitas material tersebut.Ada bebrapa jenis pengujian fatigue salah satunya adalah rotating bending. Rotating bendingmerupakan tegangan berulang yang diberikan dengan beban rotari. Penyajian data fatigue rekayasa adalah menggunakan kurva S - N yaitu pemetaan tegangan (S) terhadap jumlah siklus sampai terjadi kegagalan(N). Kurva S - N ini lebih diutamakan menggunakan skala semi log seperti ditunjukan pada Gambar 2.33.
Gambar 2.33 Kurva S – N pengujian fatigue Kurva tersebut didapat dari pemetaan tegangan terhadap jumlah siklus sampai terjadi kegagalan pada benda uji. Pada kurva ini siklus menggunakan skala logaritma. Namun, untuk membuat kurva S-N diperlukan minimal 10 spesimen uji. Dalam pengelompokkan fatigue dikategorikan menjadri tiga kelompok yaitu low cycle fatigue dengan nilai <103cycle, untuk high cycle finite life fatigue memiliki besar sekitar 103 106cyclesedangkan nilai 106- 107cycle dikategorikan sebagai high BAB II TINJAUAN PUSTAKA
40
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
cycleinfinite life fatigue. Maka batas ketahan fatigue (endurance limit) baja ditentukan pada jumlah siklus N>10 7. Untuk menghitung tegangan yang diberikan pada uji fatigue dari nilai yield strenght dengan persamaan sebagai berikut: 𝜎𝑏 = 0,0982 𝑥𝑆𝑥𝐷 3 Dengan, 𝜎𝑏 = tegangan bending S = 0,9 𝜎𝑦 = tegangan yield uji tarik D = diameter terkecil spesimen uji fatigue 2.8. Kajian Penelitian Sebelumnya Penelitian yang dilakukan, berlandaskan beberapa kajian penelitian sebelumnya, diantaranya sebagai berikut, 1. Fransiskus G. Damanik (2010) melakukan penelitian pengaruh proses perakuan panas hardening, normalising, dan tempering terhadap struktur mikro dan sifat mekanik baja AAR M201 Grade E. Hardening pada temperatur 910°C kemudian dilakukan lagi tempering dengan temperatur 650°C ,600°C, dan 550°C. Selanjutnya material tersebut didinginkan dengan laju pendinginan yang berbeda, pada hardening didinginkan dengan media oli dantempering pada media udara. Berdasarkan hasil pengujian, baja AAR-M201 Grade E pada hardening pada temperatur 910°C dilanjutkan tempering pada temperatur 600°C memiliki sifat mekanik yang memenuhin persyaratan standar baja AAR-M201 Grade E. 2. Jin Huang dkk. (2013) melakukan investigasi kegagalan pada steel knuckle yang terbuat dari baja AAR-M201 Grade E. Pada proses perlakuan panas yang dilakukan, baja ini pada awalnya dinormalisasi pada 900-920°C selama 3,5-4 jam dan didinginkan di udara. kemudian dipanaskan sampai 870880°C dan waktu tahan selama 3-3,5 jam, di quench diair, dan diikuti tempering pada 510-550°C selama 3,5-4 jam. Pada analisis penyebab kegagalan, sifat mekanis steel knuckle tidak memenuhi standar baja AAR-M201, khususnya pada elongasi dan ketangguhan impak charpy.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
41
3. M. Ghulam Isaq Khan (2015) melakukan penelitian pengaruh proses perlakuan panas hardening-tempering terhadap struktur mikro dan sifat mekanik baja AAR M201 Grade E. Hardening pada temperatur 925°C selama 45 menit kemudian dilakukan tempering dengan temperatur 625°C , 650°C, dan 675°C selama 45 menit. Berdasarkan hasil pengujian, baja AAR-M201 Grade E dariproses perlakuan panas hardening-tempering pada 625°C dan 650°C menghasilkan sifat mekanik yang sebagian besar memenuhi spesifikasi. 4. Verry Tiara Caprici (2015)melakukan penelitian pengaruh proses perlakuan panas hardening-tempering terhadap struktur mikro dan sifat mekanik baja AAR M201 Grade E. Hardening pada temperatur 925°C selama 45 menit kemudian dilakukan tempering dengan temperatur 625°C selama 45, 75 dan 105 menit. Berdasarkan hasil pengujian, baja AAR-M201 Grade E dariproses perlakuan panas hardening-tempering pada temperatur 625°C dengan waktu tahan 45 menit menghasilkan sifat mekanik yang memenuhi spesifikasi. 5. Imam Ahmad Suryana (2016) melakukan penelitian pengaruh proses perlakuan panas hardening-tempering terhadap struktur mikro dan sifat mekanik baja AAR M201 Grade E. Hardening pada temperatur 925°C selama 3 jam kemudian dilakukan tempering dengan temperatur 550°C , 600°C, dan 650°C selama 3 jam. Berdasarkan hasil pengujian, baja AARM201 Grade E dariproses perlakuan panas hardeningtempering pada 600°C menghasilkan sifat mekanik yang hampir memenuhi spesifikasi kecuali nilai elongasi. 6. Ditri Mahbegi (2016) melakukan penelitian pengaruh proses perlakuan panas hardening-tempering terhadap struktur mikro dan sifat mekanik baja AAR M201 Grade E. Hardeningpada temperatur 900°C selama 3 jam kemudian dilakukan tempering dengan temperatur 250°C , 300°C, dan 350°C dengan waktu tahan yang berbeda. Berdasarkan hasil pengujian, baja AAR-M201 Grade E dari proses perlakuan panas hardening-tempering pada 350°C dengan waktu tahan BAB II TINJAUAN PUSTAKA
42
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
1 jam menghasilkan sifat mekanik yang hampir memenuhi spesifikasi kecuali reduksi area dan elongasinya.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Diagram Alir Penelitian Mulai
Persiapan spesimen baja AAR-M201 Grade E dalam bentuk Y block
Hardening T = 925ºC Waktu tahan 3 jam
As Cast
Hardening T= 925ºC Waktu tahan 3 jam
Tempering T = 600ºC Waktu tahan = 2, 3 dan 4 jam
Uji Metalografi
Uji Kekerasan
Uji Tarik
Uji Impak
Hasil
Analisis Data dan Pembahasan
Kesimpulan dan Saran
Selesai
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian 43
Uji Fatik
44
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
3.2. Rancangan Penelitian Adapun rancangan penelitian seperti yang tertera pada Tabel 3.1 sebagai berikut. Tabel 3.1 Rancangan Penelitian Material
Perlakuan
AAR M201 Grade E
As Cast Hardening Tempering
Uji Tarik √ √ √
Uji Kekerasan √ √ √
Uji Fatigue
Uji Impak √
√
√
Uji Metalografi √ √ √
3.3. Bahan Penelitian Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah baja AAR-M201 Grade E, dengankomposisi kimia seperti pada Tabel 3.2. Tabel 3.2 Komposisi Kimia Baja AAR-M201 Grade E Unsur Berat (%) C, maks 0.32 0.282 Si, maks 1.50 0.425 Mn , maks 1.85 1.469 P , maks 0.04 0.02 S, maks 0.04 0.001 Cr 0.47 Mo 0.308 Cu 0.021 Ni 0.368 Al 0.077 Fe Balance CE, maks 0.88 0.7792 3.4. Peralatan Penelitian Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Dapur Pemanas Dapur pemanas yang digunakan adalah Dielectric Heating Furnace dengan kapasitas 400V/60Hz dan pemanasan maksimum 1280oC.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
45
2. Mesin Uji Tarik Mesin uji tarik yang digunakan adalah Universal Testing Machine GOTECH seri GT-7001-4C50 dengan kapasitas maksimum 1 ton. 3. mesin Uji Kekerasan Mesin uji kekerasan yang digunakan adalah Universal Hardness Tester HBRV seri 187.52 dengan kapasitas pembebanan maksimum 1000 kgf. 4. Mesin Uji Fatique Mesin uji fatique yang digunakan adalah mesin uji dinamis dengan penggerak hidrolik dengan kapasitas 63 KN, langkah mesin 100 mm dan memiliki hidrolik servo valve berkemampuan 150 Hz. 5. Mikroskop Optik Mikroskop optik yang digunakan adalah mikroskop optic Olympus seri GX71 dengan pembesaran maksimum 1000x. 6. Mesin Uji Impak Mesin uji impak yang digunakan adalah mesin uji impak Charpy Wolpert tipe PW15 kapasitas 150 J. 7. Peralatan lainnya seperti mesin bubut, gerinda, gergaji, jangka sorong, penggaris dan termometer.
3.5. Metode Penelitian 3.5.1. Persiapan Spesimen Sample pada penelitian ini adalah baja AAR-M201 Grade E berupa Y-block yang mengacu pada standar JIS 5101 untuk steel casting. Gambar 3.2 merupakan gambar spesimen dan skematik pemotongan pada spesimen.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
46
80
50 35 15 60 *satuan dalam mm 200
Gambar 3.2 Skematik Y-block baja AAR-M201 Grade E 3.5.2. Perlakuan Panas pada Spesimen Perlakuan panas dilakukan dengan melakukan pemanasan pada spesimen dengan temperatur 925oC selama 3 jam, kemudian didinginkan cepat dengan media air, lalu dipanaskan kembali (proses tempering) pada temperatur 600oC dengan lama waktu tahan yang divariasikan menjadi 2, 3, dan 3 jam dan didinginkan dengan media udara. Langkah-langkah perlakuan panas pada spesimen adalah sebagai berikut: 1. Menyiapkan lima buah Y-block baja AAR-M201 Grade E yang belum mengalami perlakuan. 2. Memotong Y-block menjadi masing-masing 9 buah spesimen untuk uji tarik, 3 buah untuk uji fatigue , 27 buah untuk uji impak, spesimen untuk uji metalografi dan uji kekerasan. 3. Melakukan Proses pemanasan sesuai prosedur dengan waktu tahan sesuai ketebalan spesimen, 1jam/inch. Pendinginan yang dilakukan untuk hardening adalah quenching dengan air, sedangkan untuk tempering adalah pendinginan udara terbuka. 3.5.3. Pengujian Tarik Setelah selesai dilakukan proses pemanasan dan pendinginan spesimen selanjutnya di uji tarik,uji tarik merupakan pengujian untuk mengetahui sifat mekanik baja AAR-M201 Grade E, pengujian ini bertujuan untuk menentukan meninjau sifat mekanik sebagai berikut: BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
47
1. Yield Strength, yaitu kekuatan luluh suatu material. 2. Kekuatan maksimum, yaitu besar beban maksimum yang dapat diterima material tersebut. 3. Elongation, yaitu pertambahan panjang yang dapat dicapai material hingga fracture. 4. Reduksi area, yaitu pengukuran diameter terkecil, untuk menghitung luasan akhir setelah patahan. Pengujian ini mengacu pada ASTM E8 Standard Test Methods for TensionTesting of Metallic Materials. Spesifikasi spesimen yang digunakan seperti pada Gambar 3.3 dan Tabel 3.3.
Gambar 3.3 Spesimen Uji Tarik Tabel 3.3 Dimensi Spesimen Bagian G – Gage Length D – Diameter R – Radius of fillet A – Length of reduce section, min
Ukuran (mm) 50,0 ± 0,10 12,5 ± 0,25 10 60
Langkah-langkah pengujian tarik baja AAR-M201 Grade E adalah sebagai berikut: 1. Menyiapkan 1 buah spesimen tanpa perlakuan panas dan 3 buah spesimen dengan vasiasi waktu tahan yang telah dilakukan saat perlakuan panas. 2. Membersihkan spesimen dengan kertas gosok grid 200 untuk menghindari adanya pengotor pada permukaan spesimen.. 3. Melakukan uji tarik pada masing-masing spesimen. 4. Menganalisa hasil kurva P-∆L. 5. Mengukur diameter terkecil patahan untuk mengukur luasan akhir penampang, untuk menentukan reduksi area. BAB III METODOLOGI PENELITIAN
48
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
6. Mengukur panjang akhir setelah spesimen patah, untuk menentukan elongasi. 3.5.4. Pengujian Kekerasan Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui kekerasan baja AAR-M201 Grade E tanpa perlakuan dan dengan perlakuan panas. Standar yang digunakan pada pengujian ini dengan menggunakan ASTM A370 Standard Test Methodes and Definition for Mechanical Testing of Steel Productsdengan metode Brinnel. Spesifikasi pengujian yang digunakan sebagai berikut : Indentor : Bola baja yang dikeraskan (diameter : 2,5 mm) Beban Uji : 187,5 kgf Waktu indentasi : 15 detik Satuan uji : BHN Pada pengujian kekerasan ini diambil 9-12 titik setiap spesimen untuk mendapatkan data yang akurat, titik-titik tersebut diambil bada bagian side, medium dan centre. adapun titik pada setiap spesimen seperti pada Gambar 3.4 berikut. Dan ketebalan spesimen uji impak minimal 1 cm.
Gambar 3.4 Spesimen Uji Kekerasan 3.5.5. Pengujian Fatigue Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui masa kerja dari material dan kecenderungan material untuk patah atau rusak jika menerima beban yang berulang dengan beban jauh dibawah batas kekuatan elasitis material tersebut. Pengujian ini menggunakan standar ASTM E 606 – 92. Spesimen yang digunakan mempunyai spesifikasi seperti Gambar 3.5 berikut; BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
49
Gambar 3.5 Dimensi spesimen uji lelah Nilai d (diameter) yang direkomendasikan adalah sebesar 6,35 mm (0,25 inch). Pengujian dilakukan dengan memberikan beban bending sebesar 0,9 nilai kekuatan luluh baja AAR-M201 grade E yaitu 175,94 Psi. Hasil pengujian berupa nilai kekuatan lelah (fatigue strength) dan umur lelah (fatigue life) dalam satuan cycle. Langkah-langkah pengujian fatigue baja AAR-M201 Grade E adalah sebagai berikut : 1. Menyiapkan 1 buah spesimen tanpa perlakuan panas dan 3 buah spesimen dengan vasiasi waktu tahan yang telah dilakukan saat perlakuan panas. 2. Membersihkan spesimen dengan kertas gosok grid 200 untuk menghindari adanya pengotor pada permukaan spesimen.. 3. Melakukan uji fatigue pada masing-masing spesimen. 4. Menganalisa hasil pengujian. 3.5.6. Pengujian Impak Pengujian impak dilakukan untuk mengetahui ketangguhan dari baja AAR-M201 Grade E, yang ditunjukkan dari hasil kekuatan impaknya. Pengujian dilakukan sesuai standar ASTM E23 Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. Spesimen yang digunakan sesuai standar batang uji impak Charpy tipe A seperti Gambar 3.6. Pengujian menggunakan metode Charpy, pada tiga temperatur yang berbeda yaitu 0, -40, -60 °C.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
50
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
Gambar 3.6 Dimensi spesimen impak 3.5.7 Pengujian Metalografi Pengujian metalografi atau pengamatan struktur mikro dilakukan untuk mengetahui struktur mikro yang terbentuk sebelum dan setelah dilakukan perlakuan panas dengan variasi waktu tahan. Struktur mikro yang terbentuk dapat digunakan untuk analisa sifat mekanik dari baja AAR-M201 Grade E. Standar yang digunakan dalam pengujian ini adalah ASTM E3 (Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens). Langkah-langkah pengujian struktur mikro sebagai berikut : 1. Spesimen yang digunakan adalah spesimen untuk uji kekerasan yang telah dipotong sesuai dengan kebutuhan pengujian. 2. Spesimen digosok dengan kertas gosok berurutan mulai grid 80 hingga grid 2000. 3. Melakukan pemolesan dengan alumina. 4. Melakukan etsa dengan nital dan pikral selama 5-10 detik, dengan komposisi larutan etsa seperti pada Tabel 3.4. Tabel 3.4 Komposisi Etsa Nama Etsa Komposisi 1-5 mL nitric acid (HNO3) Nital 100 mL athanol 95% 4 gram picric acid ((NO2)3C6H2OH) Pikral 100 mL ethanol 95% 5. Melakukan pengamatan dibawah mikroskop optik dengan perbesaran 200-1000 kali. 6. Melakukan pengamatan struktur mikro yang terbentuk untuk selanjutnya dianalisa. BAB III METODOLOGI PENELITIAN
BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN 4.1. Analisis Data 4.1.1. Struktur Mikro Struktur mikro pada baja AAR-M201 Grade E seperti pada Gambar 4.1. (a)
GB AF
(b) UB
M
PF
51
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
52 (c)
PF UB
AF
(d)
AF PF
BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
53
(e)
PF AF
Gambar 4.1 Struktur mikro baja AAR-M201 Grade E (a) as cast, (b) hardening, (c) tempering 600oC waktu tahan 2 jam, (d) tempering 600oC waktu tahan 3 jam dan (e) tempering 600oC waktu tahan 4 jam. Gambat 4.1 merupakan struktur mikrograf hasil perlakuan panas baja AAR M201 Grade E. Gambar 4.1 (a) menunjukkan struktur mikroas cast. Material as cast menghasilkan struktur mikro acicular ferrite dan grain boundary ferrit. Struktur ini terbentuk akibat benda kerjayang telah mengalami pendinginan yang tidak normal selama proses manufaktur. Gambar 4.1(b) menunjukkan struktur mikro AAR M201 Grade E yang telah mengalami perlakuan hardening dengan pemanasan pada tempertaur 925oC selama 3 jam kemudian di quench menggunakan air. Setelah perlakuan hardening, strukturmikro yang terbentuk adalah poligonal ferrit, upper bainit dan martensit. Struktur ini terbentuk akibat benda kerja mengalami pendinginan cepat menggunakanmedia air. Gambar 4.1 (c) menunjukkan struktur mikro AAR M201 Grade E yang telah mengalami perlakuan hardening dengan pemanasan pada tempertaur 925oC selama 3 jam kemudian di quench menggunakan air dan dilanjutkan dengan tempering. Tempering dilakukandengan memanaskan BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
54
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
AAR M201 Grade E pada temperatur 600oC dengan lama waktu tahan 2 jam. Setelah benda kerja mengalami perlakuan tempering, struktur mikro yang terbentuk adalah upper bainit, asikular ferrit dan poligonal ferrit. Pada diagram CCT HSLA, pada temperatur tempering 600oC dengan waktu tahan 2 jam akan menyentuh 3 daerah yang berbeda, yakni, upper bainit, asikular ferrit dan poligonal ferrit. Pada Gambar 4.1 (d) merupakan hasil struktur mikro AAR M201 Grade E, struktur tersebut dihasilkan dariperlakuan tempering pada temperatur 600oC dengan lama waktu tahan 3 jam. Struktur mikro hasil perlakuan tersebut adalah asikular ferrit dan poligonal ferrit. Pada Gambar 4.1 (e) merupakan hasil struktur mikro AAR M201 Grade E, struktur tersebut dihasilkan dari perlakuan tempering pada temperatur 600oC dengan lama waktu tahan 4 jam. Struktur mikro hasil perlakuan tersebut adalah asikular ferrit dan poligonal ferrit dengan jumlah yang relatif sedikit. Proses perlakuan panas hardening-tempering akan menghasilkan struktur mikro yang berbeda. 4.1.2. Pengujian Tarik Gambar 4.2 menunjukkan sifat kekuatan luluh dan kekuatan tarik baja AAR M201 Grade E dengan variasi perlakuan panas.
BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
55
Kekuatan (Mpa)
1300 1200
Yield
Ultimate
1100 1000 900 Standar AAR (827)
800 700
Standar AAR (689)
600 As Cast
Hardening (925 C)
Hardening (925 C) Tempering (2 jam)
Hardening (925 C) Tempering (3 jam)
Hardening (925 C) Tempering (4 jam)
Perlakuan Gambar 4.2 Pengaruh kondisi perlakuan baja AAR-M201 Grade E terhadap kekuatan luluh dan kekuatan maksimum Material as cast memiliki nilai kekuatan luluh sebesar 709 MPa. Kekuatan luluh meningkat setelah mengalami perlakuan hardening menjadi 1000 MPa. Pada material dengan perlakuan hardening-tempering dengan waktu tahan selama 2 jam, kekuatan luluh menurun menjadi 817 MPa. Pada hardening-tempering dengan waktu tahan selama 3 jam, kekuatan luluh menurun menjadi 782 MPa. Sedangkan pada hardening-tempering dengan waktu tahan selama 4 jam, kekuatan luluh naik menjadi 850 MPa. Material as cast memiliki nilai uji tarik sebesar 847 MPa. Kekuatan tarik meningkat setelah mengalami perlakuan hardening, menjadi 1244 MPa. Pada material dengan perlakuan hardening-tempering dengan waktu tahan selama 2 jam, kekuatan tarik menurun menjadi 909 MPa. Pada hardening-tempering dengan waktu tahan selama 3 jam, kekuatan tarik menurun menjadi 870 MPa. Sedangkan pada hardening-tempering dengan waktu tahan selama 4 jam, kekuatan tarik naik menjadi 906 MPa. Berdasarkan spesifikasi American Association of Railroads (AAR), spesifikasi kekuatan luluh dan kekuatan tarik minimal BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
56
baja AAR-M201 Grade E adalah 827 MPa dan 689 MPa. Kekuatan luluh dan kekuatan tarik akan meningkat akibat perlakuan hardening. Namun akan menurun akibat perlakuan tempering yang diberikan. Kekuatan luluh dan kekuatan tarik hasil penelitian memenuhi spesifikasi AAR. Gambar 4.3, menunjukkan nilai keuletan AAR-M201 Grade E dengan variasi perlakuan panas. 40
Elongation
Reduction Area
Keuletan (%)
35 Standar AAR (30)
30 25
20 15 Standar AAR (14)
10 5 0 As Cast
Hardening (925 C)
Hardening (925 C) Tempering (2 jam)
Hardening (925 C) Tempering (3 jam)
Hardening (925 C) Tempering (4 jam)
Perlakuan Gambar 4.3 Pengaruh kondisi perlakuan baja AAR-M201 Grade E terhadap persen elongasi dan reduksi area Material as cast memiliki nilai elongasi sebesar 9%. Elongasi menurun setelah mengalami perlakuan hardening menjadi 4%. Pada material dengan perlakuan hardening-tempering dengan waktu tahan selama 2 jam, elongasi meningkat menjadi 8%. Pada hardening-tempering dengan waktu tahan selama 3 jam, elongasi meningkat menjadi 14%. Sedangkan pada hardening-tempering dengan waktu tahan selama 4 jam, elongasi turun kembali menjadi 6%. Material as cast memiliki nilai reduksi area sebesar 14%. Reduksi area menurun setelah mengalami perlakuan hardening, menjadi 8%. Pada material dengan perlakuan hardeningBAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
57
tempering dengan waktu tahan selama 2 jam, reduksi area meningkat menjadi 28%. Pada hardening-tempering dengan waktu tahan selama 3 jam, reduksi area meningkat menjadi 38%. Sedangkan pada hardening-tempering dengan waktu tahan selama 4 jam, reduksi area menurun kembali menjadi 25%. Berdasarkan spesifikasi American Association of Railroads (AAR), spesifikasi elongasi dan reduksi area minimal baja AARM201 Grade E adalah14% dan 30%. Elongasi dan reduksi area akan menurun akibat perlakuan hardening. Namun akan meningkat akibat perlakuan tempering yang diberikan. Elongasi dan resuksi area yang memenuhi spesifikasi AAR pada hardening-tempering dengan lama waktu tahan 3 jam. 4.1.3. Pengujian Fatigue Uji kelelahan dilakukan untuk untuk mengetahui masa kerja dari material setelah perlakuan panas. Pada baja AAR-M201 Grade E dengan kondisi perlakuan panas hardening 925oC, kemudian di temper 600oC dengan lama waktu tahan 3 jam memiliki nilai fatigue live 5100 cycle. Nilai tersebut didapat dengan memberikan beban bending sebesar 0,9 nilai kekuatan luluh baja AAR-M201 grade Eyaitu 176 Psi. 4.1.4. Pengujian Kekerasan Gambar 4.4 menunjukkan kekerasan baja AAR M201 Grade E dengan variasi perlakuan panas.
BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
58 400 380 360
Kekerasan (BHN)
340 320 300 280 260 Standar AAR (241)
240 220 As Cast
Hardening (925 C)
Hardening (925 C) Tempering (2 Jam)
Hardening (925 C) Tempering (3 Jam)
Hardening (925 C) Tempering (4 Jam)
Perlakuan Gambar 4.4 Pengaruh kondisi perlakuan baja AAR-M201 Grade E terhadap kekerasan (BHN) Material as cast memiliki nilai kekerasan sebesar 254 BHN. Nilai kekerasan meningkat setelah mengalami perlakuan hardening, menjadi 383 BHN. Pada material dengan perlakuan hardeningtempering dengan waktu tahan selama 2 jam, kekerasan menurun menjadi 287 BHN. Pada hardening-tempering dengan waktu tahan selama 3 jam, kekerasan menurun menjadi 264 BHN. Sedangkan pada hardening-tempering dengan waktu tahan selama 4 jam, kekerasan naik kembali menjadi 269 BHN. Berdasarkan spesifikasi American Association of Railroads (AAR), spesifikasi kekerasan minimal baja AAR-M201 Grade E adalah 241 BHN. Kekerasan akan meningkat akibat perlakuan hardening. Namun akan menurun akibat perlakuan tempering yang diberikan. Nilai kekerasan yang memenuhi spesifikasi AAR adalah semua semua variasi perlakuan panas.
BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
59
4.1.5. Pengujian Impak Gambar 4.5, menunjukkan nilai impak baja AAR-M201 Grade E dengan varisasi waktu tahan tempering. Pengujian dilakukan pada temperatur 0, -40, dan -60°C. Energi Impak (Joule)
60 50 40
0 -40
30
-60
20 10 0 Hardening (925 C) Tempering (2 jam)
Hardening (925 C) Tempering (3 jam)
Hardening (925 C) Tempering (4 jam)
Perlakuan Gambar 4.5 Pengaruh kondisi perlakuan baja AAR-M201 Grade E terhadap kekuatan impak pada berbagai temperatur (0, -40, 60°C) Pada temperatur 0oC material dengan perlakuan hardeningtempering dengan waktu tahan 2 jam memiliki energi impak sebesar 38 Joule. Energi impak naik pada perlakuan hardeningtempering dengan waktu tahan 3 jam menjadi 56 Joule dan turun kembali pada perlakuan hardening-tempering dengan waktu tahan 4 jam menjadi 47 Joule. Pada temperatur -40oC material dengan perlakuan hardening-tempering dengan waktu tahan 2 jam memiliki energi impak sebesar 26 Joule. Energi impak naik pada perlakuan hardening-tempering dengan waktu tahan 3 jam menjadi 35 Joule dan turun kembali pada perlakuan hardeningtempering dengan waktu tahan 4 jam menjadi 19 Joule. Demkian pula pada temperatur -60oC material dengan perlakuan hardening-tempering dengan waktu tahan 2 jam memiliki energi BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
60
impak sebesar 11 Joule. Energi impak naik pada perlakuan hardening-tempering dengan waktu tahan 3 jam menjadi 24 Joule dan turun kembali pada perlakuan hardening-tempering dengan waktu tahan 4 jam menjadi 18 Joule. Gambar 4.6 menunjukkan kekuatan impak dengan variasi perlakuan panas pada pengujian dengan temperatur -40°C.
Energi Impak (Joule)
40 35 30
Standar AAR (27,12)
25 20 15 10 5 0 As Cast
Hardening (925 C) Tempering (2 jam)
Hardening (925 C) Tempering (3 jam)
Hardening (925 C) Tempering (3 jam)
-40 Perlakuan
Gambar 4.6 Pengaruh kondisi perlakuan baja AAR-M201 Grade E terhadap kekuatan impak pada temperatur -40°C Material as cast memiliki nilai energi impak sebesar 3 Joule. Berdasarkan spesifikasi Association of American Railroads (AAR), energi impak minimum yang harus dimiliki oleh baja AAR-M201 Grade E adalah sebesar 27 Joule pada temperatur 40°C. Energi impak berbanding lurus dengan keuletan. Spesimen yang memenuhi standar AAR adalah spesimen hardeningtempering pada waktu tahan 3 jam. 4.2. Pembahasan 4.2.1. Pengaruh Lama Waktu Tahan Tempering terhadap Struktur Mikro Baja AAR-M201 Grade E Penelitian ini bertujuan menganalisa pengaruh lama waktu tahan tempering terhadap struktur mikro dan sifat mekanik baja BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
61
AAR-M201 Grade E. Struktur mikro dan sifat mekanik yang diperoleh dari perlakuan hardening-tempering akan dibandingkan dengan kondisi as cast dan perlakuan hardening. Pada kondisi as cast struktur mikro yang terbentuk adalah asikular ferrit dan grain boundary ferrit. Asikular ferrit memiliki bentuk struktur seperti jarum. Fasa yang terdapat pada asikular ferrit adalah ferrit dan sementit yang berbentuk seperti jarum yang tersebar merata. Sedangkan grain boundary ferrit seperti sungai yang mengelilingi asikular ferrit. Fasa pada grain boundary ferrit adalah ferrit dan jaringan sementit. Struktur tersebut terbentuk akibat pendinginan yang tidak normal selama proses manufaktur, austenit bertransformasi membentuk ferrit yang belum sempurna dengan bentuk butir seperti bulu. Perlakuan hardening dengan memanaskan pada termperatur 925oC selama 3 jam dan di quench menghasilkan struktur mikro upper bainit, martensit dan poligonal ferrit. Bentuk struktur upper bainit adalah bulu dengan platelet. Transfomasi bainit terjadi akibat laju pendinginan yang cepat. Pendinginan yang cepat mengakibatkan austenit tidak mempunyai waktu yang cukup untuk bertransformasi menjadi perlit, sehingga struktur yang terbentuk hampir menyerupai perlit, yaitu bainit. Pada proses transformasinya, austenit mengalami driving force yang besar untuk berubah dari FCC (Face Centered Cubic) menjadi BCC (Body Centered Cubic), sehingga terbentuk ferrit. Ferrit mempunyai nilai kelarutan karbon yang kecil, sehingga karbon yang tidak mampu dilarutkan ferit berdifusi keluar membentuk karbida sementit (Fe3C). Austenit yang bertransformasi menjadi ferit dan karbon yang berdifusi keluar membentuk karbida, menghasilkan struktur berupa bilah-bilah ferit yang saling terhubung dan didalamnya terdapat partikel sementit yang memanjang dengan arah hampir sejajar dengan sumbu pertumbuhannya. Jumlah dan kontinuitas layer sementit dipengaruhi oleh kadar karbon baja. Struktur mikro bainit yang terbentuk pada baja ini adalah bainit atas (Bhadhesia, 2001). Struktur tersebut terdiri dari fasa ferrit yang berbentuk bilah dan platelet karbida sementit yang tersebar didalamnya. Struktur martensit berbentuk seperti jarum. Struktur martensit terbentuk BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
62
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
akibat pendinginan sangat cepat, atom karbon yang seharusnya keluar dari larutan akan terperangkap dalam struktur baru (atom karbon tidak lagi dapat berdifusi keluar karena ia sudah tidak lagi memiliki cukup energi untuk berdifusi) dan menyebabkan struktur baru itu terdistorsi, tidak menjadi BCC tetapi menjadi BCT (body centered tetrafonal), yaitu martensit yang tampak seperti jarum (Avner, 1974). Fasa pada martensit adalah jarum sementit yang tersebar dalam matriks ferrit. Poligonal ferrit adalah ferrit yang berbentuk dengan banyak sudut. Struktur ini terbentuk akibat keluarnya karbon ke sekitar batas butir dengan cepat yang menyebabkan tepian batas butir memiliki banyak sudut. Fasa pada struktur ini adalah ferrit dikelilingi jaringan sementit yang tak beraturan. Menurut teori, fasa hasil perlakuan hardening adalah mastensit atau bainit. Martensit akan terbentuk pada baja dengan paduan karbon yang sukup tinggi dengan pendinginan yang sangat cepat, sedangkan fasa bainit terbentuk pada baja karbon rendah dengan pendinginan yang sedikit lebih lambat dari pendinginan martensit. Namun, jika dilihat pada diagram CCT HSLA fasa hasil perlakuan hardening pada penelitian ini terjadi pada rentang waktu yang tidak terlalu cepat, sehingga fasa yang terjadi adalah dominan bainit. Proses hardening- tempering pada temperatur tempering 600oC dengan lama waktu tahan 2 jam menghasilkan struktur mikro upper bainit, asikular ferrit dan poligonal ferrit. Struktur poligonal ferrit yang terbentuk lebih banyak dan luas dibandingkan dari perlakuan hardening. Sedangkan upper bainit lebih sedikit. Pada proses hardening- tempering pada temperatur tempering 600oC dengan lama waktu tahan 3 jam menghasilkan struktur mikro asikular ferrit dan poligonal ferrit. Bainit tidak nampak pada struktur mikro ini, hal ini dikarenakan semakin lama waktu tahan tempering maka transformasi tidak akan menyentuh daerah upper bainit pada diagram CCT HSLA. Begitu pula dengan poligonal ferrit semakin lama waktu tahan maka ukuran poligonal ferrit semakin berkurang dan mengecil. Pada Pada proses hardening- tempering pada temperatur tempering 600oC dengan lama waktu tahan 4 jam struktur yang terbentuk adalah asikular ferrit dan poligonal ferrit. Pada perlakua ini BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
63
daerah asikular ferrit semakin luas dan daerah poligonal ferrit semakin mengecil. Perubahan struktur mikro dengan berbagai variasi perlakuan sesuai dengan diagram CCT HSLA, dimana semakin lama waktu tahan tempering pada temperatur 600oC maka struktur yang terbentuk cenderung semakin homogen. 4.2.2. Pengaruh Lama Waktu Tahan Tempering terhadap Sifat Mekanik Baja AAR-M201 Grade E. Sifat mekanik baja dipengaruhi oleh komposi kimia dan struktur mikro yang dihasilkan oleh perlakuan panas. Pada penelitian ini sifat mekanik yang ditinjau adalah kekuatan, keuletan, kekerasan, ketangguhan dan sifat tahan lelah. Penelitian ini menggunakan benda kerja dengan komposisi kimia yang sama namun dengan perlakuan panas yang berbeda. Spesimen diberikan perlakuan hardening pada temperatur 925oC dan hardening-tempering pada temperatur 600oC dengan perbedaan lama waktu tahan selama 2 jam, 3 jam dan 4 jam. Perbedaan perlakuan panas yang diterima spesimen menyebabkan struktur mikro yang berbeda, sehingga sifat mekaniknya pun berbeda. Kekuatan merupakan kemampuan benda kerja menerima beban. Struktur mikro benda kerja berpengaruh pada kekuatan dan kekerasan. Pada material as cast, struktur yang terbentuk adalah asikular ferrit dan grain boundary ferrite. Dimana kekuatan dan kekerasan cenderung rendah dibanding dengan hasil perlakuan hardening. Struktur mikro hasil hardening adalah upper bainit, poligonal ferrit dan martensit. Jumlah martensit pada perlakuan ini cenderung sedikit sehingga tidak menaikkan kekuatan dan kekerasan secara signifikan. Bainit memiliki karateristik seperti bilah, mirip deformasi twin dan plat martensit. Pembentukan bilah bainit diikuti oleh distorsi permukaan sehingga dapat disimpulkan terjadi pergeseran kisi. Peningkatan kekuatan dan kekerasan ini melalui mekanisme penguatan deformasi (Abbaschian, 2009). Proses tempering yang dilakukan menurunkan kekuatan dan kekerasan benda kerja. Kekuatan dan kekerasan pada setiap tahap tempering berhubungan dengan ruang antar partikel, ukuran butir, ukuran partikel dan distribusi, BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
64
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
dan densitas dislokasi. Kekerasan dan kekuatan tarik akan berkurang selama tempering (Bhadeshia, 2009). Struktur mikro yang terbentuk pada perlakuan tersebut adalah upper bainit, poligonal ferrit dan asikular ferrit. Semakin lama waktu tahan tempering maka struktur mikro bainit semakin berkurang dan semakin di dominasi dengan asikular ferrit bila dilihat dari digram CCT HSLA. Selain struktur mikro bainit yang semakin berkurang seiring kenaikkan lama waktu tahan, poligonal ferrit berkurang dan semakin mengecil. Struktur mikro pada waktu tahan paling lama dominan asikular ferrit. Asikular ferrit memiliki proses pembentukan struktur yang hampir sama dengan bainit dan memiliki kekuatan dan kekerasan diantara ferrit dan bainit, selain untuk menaikkan kekuatan dan kekerasan, asikular ferrit dapat meningkatkan ketangguhan benda kerja. Tidak heran jika kekuatan dan kekerasan pada struktur mikro dominan asikular ferrit akan semakin meningkat. Selain kekuatan dan kekerasan, nilai ketahanan lelah benda kerja berbanding lurus dengan ketangguhan. Keuletan material as cast cukup rendah. Ketika benda kerja menerima perlakuan hardening, dengan seiring meningkatnya kekuatan dan kekerasan maka keuletan semakin menurun. Pada perlakuan tempering, yang bertujuan mengurangi tengangan sisa pada benda kerja, mampu meningkatkan keuletan benda kerja. Semakin lama waktu tahan tempering maka keuletan semakin meningkat, hal ini berbanding terbalik dengan kekuatan dan kekerasan (Callister, 2009). Selain meningkatkan keuletan, energi impak pada temperatur tertentu bertambah besar apabila waktu tahan tempering bertambah (Dieter, 1990). Hampir semua pengujian memiliki kecenderungan (trend) yang tidak sesuai dengan teori yang ada, seperti pada nilai kekuatan, keuletan, kekerasan dan kekuatan impak. Misal pada waktu tahan 3 jam dan 4 jam yang seharusnya memiliki nilai keuletan yang cenderung naik, namun pada variasi ini nilai keuletan menjadi turun, dan pada semua pengujian terjadi ketidak-sesuaian trend yang sama secara teoritis pada waktu tahan 4 jam. Hal ini disebabkan unsur paduan penstabil karbida Mn yang tinggi pada baja sehingga semakin lama waktu BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
65
pemanasan (pada waktu tertentu) maka karbida akan semakin stabil. Selain Mn sebagai penstabil karbida ada pula unsur paduan Cr dan Mo sebagai pembentuk karbida yang kuat, dan Cr, Mo, Cu dan Ni sebagai penstabil karbida. Maka ketika waktu tahan semakin tinggi (pada waktu tertentu) unsur-unsur penstabil dan pembentuk karbida tersebut mengakibatkan peningkatan kekuatan dan kekerasan baja (secondary hardness). Selain itu bila dilihat dari struktur mikro pada waktu tahan tempering selama 4 jam, struktur semakin homogen. Struktur yang homongen akan menghasilkan kekuatan dan kekerasan yang tinggi. Tabel 4.1 menunjukkan perbandingan sifat mekanik yang dihasilkan dari tiga proses tempering. Tabel 4.1 Perbandingan sifat mekanikbaja AAR-M201 Grade E hasil tempering lama waktu tahan yang berbeda Sifat Mekanik Kekuatan Tarik (MPa) Kekuatan Luluh (MPa) Elongasi (%) Reduksi Area (%) Kekerasan (BHN) Kekuatan impak (Joule) pada -40°C
Standar AAR
Tempering 2 jam
Tempering 3 jam
Tempering 4 jam
827
909
870
906
689
817
782
850
14
8
14
6
30
28
38
25
241 – 311
287
264
269
27
26
35
19
Hasil yang paling optimal didapat dari proses tempering dengan lama waktu tahan 3 jam, karena semua sifat mekanik memenuhi standar AAR. Sementara pada 2 variasi lama waktu tahan lainnya tidak memenuhi pada elongasi, reduksi area dan kekuatan impaknya. Nilai fatigue life pada lama waktu tahan tempering 3 jam sebesar 5100 cycle. Nilai fatigue life tersebut termasuk dalam high cycle finite life fatigue (103-106cycle).
BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
66
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
(Halaman ini Sengaja Dikosongkan)
BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan Pada penelitian ini telah dilakukan mengenai analisa pengaruh lama waktu tahan tempering pada perlakuan panas terhadap perubahan struktur mikro dan sifat mekanik coupler baja AAR-M201 Grade E, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut, 1. Lama waktu tahan tempering mempengaruhi struktur mikro baja AAR-M201 Grade E. Tempering pada baja AAR-M201 Grade E menghasilkan struktur mikro asikular ferrit. Peningkatan temperatur tempering mengakibatkan struktur menjadi semakin halus (menyebar merata) antara ferrit dan karbida sementit (Fe3C), yang semula cenderung menyisakan poligonal ferrit menjadi cenderung terbentuk asikular ferrit. 2. Lama waktu tahan tempering mempengaruhi sifat mekanik baja AAR-201 Grade E. Semakin lama waktu tahan pada proses tempering menyebabkan kekuatan luluh, kekuatan maksimum, dan kekerasan menurun, serta keuletan dan energi impak meningkat. Hasil sifat mekanik yang sesuai adalah proses tempering pada lama waktu tahan 3 jam, menghasilkan nilai kekuatan tarik 870 MPa, kekuatan luluh 782 MPa, elongasi 14%, reduksi area 38%, kekerasan 264 BHN, kekuatan impak sebesar 35 Joule pada temperatur 40°C dan nilai fatigue life 5100 cycle. Nilai yang dihasilkan seluruhnya memenuhi standar AAR. 5.2. Saran Berdasarkan hasil yang didapat maka saran yang dapat diberikan adalah sebagai berikut, 1. Perlu dilakukan tempering ulang pada perlakuan dengan nilai sifat mekanik yang sesuai untuk meningkatkan nilai elongasi, yaitu pada waktu tahan 3 jam.
67
68
Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi
(Halaman ini Sengaja Dikosongkan)
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
DAFTAR PUSTAKA _______. 2007. Manual of Standards and Recommended Practices. Washington D.C.: The Association of American Railroads. _______. 2001. Manual of Standards and Recommended Practices: Couples and Freight Car Draft Components. Washington D.C.: The Association of American Railroads. _______. 2004. ASM Handbook vol. 9: Metallography and Microstructure. ASM International. _______. 2010. ASTM E10 : Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials. ASTM International. _______. 2002. ASTM E23 : Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. ASTM International. _______. 2007. ASTM E3 : Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens. ASTM International. _______. 1998. ASTM E606 - 92 : Standard Practice StrainControlled Fatigue Testing. ASTM International. _______. 2007. ASTM E8/E8M : Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. ASTM International. _______. 2008. ASTM A370 : StandardTest Methodes and Definition for Mechanical Testing of Steel Products. ASTM International. _______. 1991. JIS G 5101 91st Editions :Carbon Steel Casting. JIS International. Abbaschian, Reza, Robert, E., Reed-Hill. 2009. Physical Metalurgy Principles. 4th edition. Boston: PWS Publishing Company. Avner, Sidney H. 1974. Introduction to Physical Metallurgy. New York: Mc.Graw Hill Publishing Co. Inc. Bhadhesia, H. K. D. H., dan R. W. K. Honeycombe. 2006. Steels: Microstructure and Properties. Oxford: Elsevier. lxix
Brunhuber, Ernst. 1988. Giesserei Lexikon. Berlin: Fachverlag Schiele & Schoen. Callister, William D. 2009. Materials Science and Engineering an Introduction. Vol. 7. New York: John Wiley & Sons. Inc. Campbell, F.C. 2008. Elements of Metallurgy and Engineering Alloys. New York: ASM International. Caprici, Verry Tiara. 2015. “Analisa Pengaruh Lama Waktu Tahan Tempering terhadap Struktur Mikro dan Sifat Mekanik pada Baja AAR M201 Grade E” Damanik, Fransiskus G. 2010. “Pengaruh Proses Perlakuan Panas Hardening, Normalising, dan Tempering Terhadap Struktur Mikro dan Sifat Mekanik Baja AAR-M201 Grade E.” Davinson, James H. 2003. Micrstrucuture of Steels and Cast Irons. New York : Springer. Dieter, G.E. 1990. Mechanical Metallurgy.SI Metric Edition. Singapore: McGraw-Hill. Huang, Jin, Lu Xia, Youshou Zhang, dan Sinian Li. 2014. “Investigation on Brittle Fracture Mechanism of a Grade E Cast Steel Knuckle.” Case Studies in Engineering Failure Analysis: 15-24. Janney, Eli H. 1873. Improvement in car-couplings. United States of America Paten US 138405 A. Khan, M. Ghulam Isaq. 2015. “Analisa Pengaruh Temperatur Tempering terhadap Struktur Mikro dan Sifat Mekanik pada Baja AAR M201 Grade E.” Li, Defa, Feng Huang, Shisen Wang, Yhuzang Xiong, Shuqing Xing, dan Tao Xiong. 2012. “Effect of tempering temperature on microstructures and properties of niobium and titanium microalloying low carbon bainite steel.” 2nd International Conference on Electronic & Mechanical Engineering and Information Technology. Paris: Atlantis Press. Mahbegi, Ditri. 2016. “Analisa Pengaruh Temperatur Tempering pada Perlakuan Panas terhadap Perubahan Struktur Mikro lxx
dan Sifat Mekanik Coupler Yoke Rotari (AAR M201 Grade E).” Suharno. 2008. “Strukturmikro las baja C-Mn hasil pengelasan busur terendam dengan variasi masukan panas. Jurnal terapan dan keilmuan teknik mesin vol 10, no1: 40-45”. Surakarta Suyana, Imam Ahmad. 2016. “Analisa Pengaruh Temperatur Tempering terhadap Struktur Mikro dan Sifat Mekanik pada Baja AAR M201 Grade E.” Thelning, Karl-Erik. 1984. Steel and Its Heat Treatment. Oxford: Butterworth-Heinemann. Xiao, Fu-Ren. 2006. Challenge of mechanical proprties of an acicular ferrite pipeline steel. Materials science and Engineering A431: 41-52. Shenyang-China. Wan, X. 2010. Effect of acicular ferrite formation on grain refinement in the coarse-grained region of heat-affected zone. Materials characterization 61: 726-731. WuhanChina.
lxxi
(Halaman ini Sengaja Dikosongkan)
lxxii
LAMPIRAN
Hasil Pengujian Impak Waktu tahan
2 jam
3 jam
4 jam
L (mm)
W (mm)
T (mm)
Impact Energi (Joule)
T (oC)
Wd 1 (mm)
56,31
10,16
8,00
40
0
10,30
56,66
9,59
8,00
37
0
10,01
56,64
10,19
8,00
38
0
10,46
54,50
9,81
8,00
20,5
-40
10,08
55,02
9,94
8,00
22,8
-40
10,02
54,48
9,96
8,00
26
-40
10,07
55,50
9,89
8,00
10
-60
10,04
55,43
9,87
8,00
13
-60
9,96
57,25
9,98
8,00
10
-60
10,07
56,05
10,02
8,00
59
0
10,29
54,81
10,22
8,00
48
0
10,36
56,29
10,09
8,00
62
0
10,51
56.39
10,00
8,00
36
-40
10,06
57,12
10,09
8,00
34
-40
10,60
56,41
10,05
8,00
30,4
-40
10,23
56,51
10,08
8,00
25
-60
10,67
56,90
10,05
8,00
18
-60
10,12
56,52
9,78
8,00
30
-60
9,92
54,94
9,95
8,00
43
0
10,37
54,80
9,79
8,00
41,5
0
10,29
54,62
10,19
8,00
50
0
10,55
58,10
10,11
8,00
25
-40
10,39
55,68
9,50
8,00
17
-40
10,84
55,70
10,20
8,00
14
-40
10,46
55,72
9,84
8,00
11,5
-60
10,21
56,22
10,21
8,00
17,8
-60
10,37
56,96
10,04
8,00
18
-60
10,16
Hasil Pengujian Kekerasan Perlakuan
Cast Iron
Hardening
Tempering 2 jam
Tempering 3 jam Tempering 4 jam
Side (BHN) 257 253 253 254.33 388 399 363 383.33 281 291 288 286.67 275 255 262 264 272 267 269 269.33
D1
D2
0,945 0,950 0,959
0,945 0,945 0,945
0,800 0,773 0,845
0,750 0,755 0,755
0,920 0,911 0,911
0,983 0,871 0,879
0,942 0,951 0,951
0,888 0,946 0,924
0,933 0,951 0,938
0,906 0,906 0,911
Medium (BHN)
282 285 296 287.67 260 255 267 260.67 275 272 284 277
D1
D2
0,915 0,906 0,893
0,893 0,893 0,875
0,951 0,951 0,942
0,929 0,946 0,915
0,924 0,929 0,906
0,906 0,911 0,897
Centre (BHN) 279 257 268 363 367 374 368 268 267 259 264.67 233 230 253 238.67 275 270 272 272.33
D1
D2
0,918 0,965
0,900 0,936
0,818 0,809 0,809
0,782 0,783 0,768
0,942 0,946 0,969
0,911 0,911 0,915
1,004 0,991 0,951
0,978 1,004 0,955
0,938 0,933 0,929
0,893 0,915 0,911
Hasil Pengujian Tarik
Kode
Do (mm)
Ao (mm2)
Lo (mm)
L1 (mm)
D1 (mm)
A1 (mm2)
F Yield (Kg N)
F Ultimate (Kg N)
Yield Stress (Mpa)
Ultimate Stress (Mpa)
Elongation (%)
Reduction of Area (%)
As Cast
12
113.04
50
54.51
11.12
97.07
80.2
95.7
709.48
846.6
9.02
14.13
Hardening
12
113.04
50
52.22
11.5
103.81
113.050
140.600
1000.09
1243.81
4.44
8.16
Tempering 2 jam
12.67
126.02
50
54.76
11.41
102.2
99
110
785.59
872.88
9.52
18.9
12.07
114.36
50
53.36
10.41
91.73
97
108
848.2
944.39
6.72
36.46
Tempering 3 jam
12.61
124.82
50
57.56
9.52
71.14
93
104.8
745.07
839.61
15.12
43.01
12.48
112.26
50
56.22
9.83
75.85
92
101
819.57
899.69
12.44
32.43
Tempering 4 jam
11.82
109.67
50
54.97
9.14
65.58
97
104
884.47
948.3
9.94
40.2
11.59
105.45
50
51.41
11.02
95.33
86
91
815.55
862.97
2.82
9,60
Hasil Pengujian Fatigue
H : 925oC, 3 jam
YS (Mpa) 745.07
T : 600oC, 3 jam
819.57
Perlakuan
Rata-rata YS (Mpa)
YS (Psi)
S (Psi)
D (mm)
D (inch)
D3 (inch3)
σb
cycle
782.32
113465.92
102119.33
6.6
0.26
0.018
175.94
5100
YS : yield stress (pada uji tarik
Hasil Perhitungan Fasa dengan Imagej As Cast Hardening
Daerah gelap Asikular ferrit : 59,33% Grain boundary ferrite 40,67% Tempering 2 jam
:
Daerah terang Bainit : 69,56% Poligonal Ferrit : 19,204% Martensit : 11,236% Tempering 3 jam
Daerah terang Daerah terang Asikular ferrit : 62,68% Asikular ferrit : 76,905% Poligonal ferrit : 34,45% Poligonal ferrit : 23,095% Bainit : 2,874% Tempering 4 jam
Daerah terang Asikular ferrit : 77,329% Poligonal ferrit : 22,691%
UCAPAN TERIMA KASIH Pada pengerjaan tugas akhir ini penulis menyadari bahwa bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak dari awal masa perkuliahan hingga penyusunan tugas akhir ini sangat memberikan pengaruh yang luar biasa sehingga masa perkuliahan dan tugas akhir ini dapat penulis lalui dengan maksimal. Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Allah SWT yang Maha Pengasih dan Maha Penyayang yang selalu melimpahkan segala nikmat, kebahagian, dan selalu memberikan yang terbaik. 2. Bapak, Ibu dan Adik tercinta yang telah berjuang dan memberikan motivasi serta semangatnya hingga saya dapat menyelesaikan tugas akhir ini. 3. Bapak Dr. Agung Purniawan, ST., M.Eng, selaku Ketua Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS; 4. Bapak Dr. Eng. Hosta Ardhyananta, S.T., M.Sc., selaku koordinator tugas akhir Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS; 5. Bapak Ir. Rochman Rochiem, M.Sc. selaku dosen pembimbing sekaligus dosen wali yang selalu memberi motivasi dan semangat belajar selama perkuliahan; 6. Bapak Alvian Toto Wibisono, ST., MT., selaku dosen pembimbing dua yang selalu sabar membimbing penulis; 7. Bapak Dr. Agung Purniawan, ST., M.Eng, Bapak Sungging Pintowantoro, S.T., M.T., Ph.D., dan Dr. Ing. Victor Y. Risonarta, S.T., M.Sc., selaku dosen penguji. 8. Bapak Beny Andhika, ST., dan PT. Barata Indonesia (Persero); 9. Dosen dan karyawan yang telah membantu penulis untuk menyelesaikan perkuliahan di Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS. 10. „Dumb and Bumber‟ Azzah dan Tika yang telah bersama dan disamping penulis sejak menjadi mahasiswa baru. 11. Mas Nurfain yang telah memberi semangat sekaligus teman berjuang dan teman yang saling mengingatkan dalam penyelesaian tugas akhir.
12. “Keluarga Jaringan Saklawase” yang selelu memberi semangat dan doa serta supprot. 13. Saudara-saudaraku MT14, Veteran MT14 dan Material 2012 yang dari awal masuk kuliah sampai sekarang terus memberikan kenangan indah serta warna-warni kehidupan perkuliahan, sukses buat kita semua saudara. 14. Mas, mbak dan adik-adik saya anggota HMMT yang banyak memberikan semangat serta dukungan moral.
BIODATA PENULIS Penulis memiliki nama lengkap Rinelda Nena Sagita, namun lebih akrab disapa dengan panggilan Nelda, Nena atau Gita. Penulis dilahirkan di Kab. Lamongan, 21 April 1994 yang sekarang berdomisili di Jakata, dan penulis merupakan anak pertama dari 2 bersaudara. Penulis memulai pendidikan formal di TK PKK Ds. Keyongan Lamongan, kemudian SD N Keyongan Lamongan, kemudian lanjut ke SMP N 2 Babat Lamongan, dan SMA N 75 Jakarta. Setelah tamat dari SMA, penulis melanjutkan pendidikan di Institut Teknologi Sepuluh Nopember, lebih tepatnya di Jurusan Teknik Material dan Metalurgi – Fakultas Teknologi Industri angkatan 2012. Selama perkuliahan, penulis cukup aktif dalam berorganisasi maupun kepanitiaan dalam kampus. Diantara organisasi yang pernah dilakukan penulis adalah sebagai staff Kementrian Dalam Negeri BEM ITS (2013-2014), staff Forum Silaturrahmi Lembaga Dakwah Kampus JMMI TPKI ITS (2013-2014), staff Rumah Tangga LDJ Ash-Haabul Kahfi (2013-2014), staff ahli Departemen Kaderisasi LDJ Ash-Haabul Kahfi (2014-2015), dan Koordinator Putri Departemen Jaringan JMMI TPKI ITS (20152016). Selain berorganisasi, penulis juga mengikuti program On the Job Training di PT. VICO INDONESIA (2015).