BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Bahan Teknik Pengetahuan bahan teknik yang memadai tentang bahan-bahan yang dikerjakan harus dimiliki bagi setiap orang yang pekerjaanya berkecimpung di bidang teknik. Bagi mereka yang memiliki pengetahuan bahan teknik yang memadai tentang bahan-bahan diharapkan juga mampu mengetahui jenis-jenis dan sifatsifat bahan yang akan dikerjakan tersebut, melalui berbagai cara dan percobaan. Pemilihan bahan yang tepat adalah suatu proses penyelesaian masalah, selebihnya mereka juga harus bias memilih bahan yang pa;ing tepat dan sesuai untuk kebutuhan khusus. Hal tersebut berarti mereka harus memperhatikan jenis dan sifat bahan selama proses pembentukan dan perlakuan selama penggunaan, demikian dengan masalah biasa yang pengadaannya. Setruktur dalam bahan bisa berubah bila terjadi deformasi, karena itu terjadi akibat perubahan sifat-sifat dari bahan itu sendiri. Proes perlakuan panas
9
juga dapat mempengaruhi perubahan atas struktur-setruktur yang ada di dalam baha. Sifat dan dperilaku bahan merupakan cerminan dari setruktur apa saja yang ada di dalam bahan tersebut. Jika diperlukan sifat khusus dari bahan tersebut harus selalu diperhatikan, karena bila struktur intern bahan berubah selama pengolahannya atau pemakaiannya, akan terjadi pula perubahan bahan tersebut.
2.1.1 Klasifikasi Bahan Teknik
Secara garis besar bahan teknik dapat diklasifikasikan dalam dua kelompok besar, yaitu :
a. Bahan Logam
Bahan logam tersebut biasanya mempunyai sifat-sifat sebagai berikut :
Penghantar lstrik / panas yang baik
Dapat dibentuk dengan proses panas dan dingin
Mempunyai tegangan tarik tinggi
b. Bahan Bukan Logam
Bahan bukan logam biasanya mempunyai sifat-sifat sebagai berikut :
Tidak baik untuk penghantar listrik / panas
Sulit untuk dibentuk
10
Tegangan tarik rendah
Baik sebagai isolator / bahan isolator
2.1.1.1 Bahan logam
Logam Besi ( Ferrous)
Bahan logam besi mempunyai kandungan besi
(Fe) dengan tingkat
kemurnian sampai 100 %. Besi murni ini mempunyai titik cair 15400 C dan masa jenis 7,86 kg/dm3.
Logam besi dibedakan dalam dua macam yaitu :
-
Baja
: Logam besi yang mempunyai kandungan karbon ©
< 2, 06 -
Baja tuang
: Logam besi yang mempunyai kandungan karbon ©
> 2, 06
Logam bukan besi (Non Ferrous)
Logam bukan besi adalah semua bahan logam yang tidak mengandung besi (Fe).
Menurut massa jenisnya logam bukan besi dibedakan dalam dua macam yaitu :
11
Logam Berat : Yaitu semua logam bukan besi yang mempunyai massa jenis > 5 kg/dm3
Contohnya : Tembaga (Cu) , Seng (Zn), Crom (Cr), Nikel (Ni), dan lainlain.
Logam Ringan : Yaitu semua logam bukan besi yang mempunyai massa jenis < 5 kg/dm3.
Contohnya : Alumunium (al), Titanium (Ti), Magnesium (Mg), Berylium (Be).
Logam Mulia : Logam mulia dikategorikan juga termasuk logam berat, tetapi mempnyai sifat-sifat khusus seperti : Tahan terhadap bahan kimia, tahan terhadap korosi, dan lain-lain.
Contohnya : Emas (Au), Platinum (Pt), Perak (Ag).
2.1.1.2 Bahan bukan logam
Bahan Sintetis
Bahan-bahan bukan logam yang telah mengalami proses kimia.
Contohnya : Plastik, porselin, Nilon, karet Sintetis, dan lain-lain.
12
Bahan Alami
Bahan-bahan bukan logam yang belum mengalami proses kimia atau yang sudah mengalami proses fisika.
Contohnya : Batu, Batu Bara, Belerang, Kayu, dan lain-lain.
Bahan alami dibedakan menjadi dua macam yaitu :
-
Bahan Alami Murni : yaitu bahan yang bukan logam yang belum mengalami proses kimia.
Contohnya : Silisium, Belerang, Batu Bara, Minyak Bumi, dan semua bahan-bahan logam yang yang baru diambil dari sumbernya. Atau sebagai bahan asal pembuatan bahan sintetis.
-
Bahan Alami : yaitu bahan yang bukan logam yang sudah mengalami proses fisika, artinyasemua sifat-sifat bahan tersebut masih dapat dikenali
Contohnya : Kulit, Kertas, Arang Kayu.
2.1.1.3 Bahan Paduan Logam dan Bukan Logam
Adalah paduan dua buah bahan atau lebihdimana komposisi kimia dari dari bahan tersebut tidak berubah.
Contohnya : Kuningan (Cu Zn) = Tembaga (Cu) + Seng (Zn) 13
Pada bahan paduan tersebut terjadi perubahan bentuk maupun sifat-sifatnya.
Macam-macam bahan paduan :
Bahan Paduan : adalah suatu bahan campuran dari dua macam atau lebih bahan logam yang dipadukan dalam keadaan cair
Contohnya : Perunggu, kuningan, Baja Nikel, Baja krom, dan lain-lain.
Bahan Anyaman : adalah suatu bahan campuran dari dua macam atau lebih yang diperkuat dengan jalan anyaman.
Contohnya : Sabuk Ban, Kanvas Rem.
Bahan Lapisan
: adalah
campuran dari dua macam bahan yang
diperkuat dengan lapisan bahan lain.
Contohnya : Paking Kepala Silinder, Kaca Lapis.
Bahan Lapis Permukaan : adalah campuran bahan yang bertujuan untukmelindungi bahan terhadap karat, korosi dan memberi daya tahan terhadap gesekan.
Contohnya : Verkroom, Vernikel, Galvanis.
14
2.1.2 Sifat – Sifat Bahan
Untuk dapat menggunakan bahan teknik dengan tepat, maka bahan tersebut harus dapat dikenali dengan baik sifat-sifatnya yang mungkin akan dipilih untuk dipergunakan. Sifat-sifat bahan tersebut tentunya sangat banyak macamnya, untuk itu secara umum sifat-sifat bahan tersebut dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
a. Sifat Kimia
Dengan sifat kimia diartikan sebagai sifat bahan yang mencakup antara lain
kelarutan
bahan
terhadap
larutan
kimia,
basa
atau
garam
dan
pengoksidasiannya terhadap bahan tersebut. Salah satu contohnya dari sifat kimia yang terpenting adalah : Korosi.
b. Sifat Teknologi
Sifat teknologi adalah sifat suatu bahan yang timbul dalam proses pengolahannya. Sifat ini harus diketahui terlebih dahulu sebelum mengolah atau mengerjakan bahan tersebut. Sifat-sifat teknologi ini antara lain : sifat mampu las (Weldaility), sifat mampu dikerjakan dengan mesin (Machineability), sifat mampu cor (Castability), dan sifat mampu dikeraskan (Hardenability).
c. Sifat Fisika
Sifat Fisika adalah perlakuan bahan karena mengalami peristiwa Fisika, seperti adanya pengaruh panas, listrik dan beban. Yang termasuk golongan sifat kimia adalah : Sifat Panas, Sifat Listrik, Sifat Mekanis. 15
d. Sifat Panas
Sifat-sifat bahan yang timbul karena pengaruh panas yaitu : sifat-sifat karena proses pemanasan dan terjadi perubahan bentuk / ukuran oleh panas (Pemuaian/penyusutan). Pengaruh panas dapat juga merubah setruktur bila kombinasi pemanasan dan pendinginan dilakukan pada kecepatan waktu tertentu. Hal ini banyak mempengauhi atau dapat merubah sifat mekanis dari bahan. Proses ini dikenal dengan nama perlakuan panas atau “heat-treatment”.
e. Sifat Listrik
Sifat listrik dari bahan adalah penting, karena sifat dari bahan inilah sekarang mungkin dapat diunakan untuk Telivisi, radio, dan Telepon. Sifat-sifat listrik dari bahan yang terpenting adalah : Ketahan dari suatu bahan terhadap aliran listrik dan daya hantarnya, dan tidak bahan mempunyai daya hantar listrik yang sama. Bahan bukan logam seperti keramik, plastic adalah penghantar listrik yang yang tidak baik, oleh karena itu bahan ini digunakan untuk “isolator”.
Semua bahan logam dapat mengalirkan arus listrk, akan tetapi logam yang pali baik untuk menghantarkan listrik adalah alumunium dan tembaga. Karena itu dalam teknik listrik bahan tersebut banyak dipergunakan sebagai : Konduktor, Kabel, Panel Penghubung dan alat-alat listrik lainya.
16
f. Sifat Mekanik
Sifat mekanik suatu bahan adalah kemampuan bahan untuk menahan beban-beban yang dikenakan padanya. Beban-beban tersebut dapat berupa beban tarik, tekan, bengkok, geser, punter, atau beban kombinasi.
Sifat mekanik bahan yang terpenting antara lain :
Kekuatan (strength)
Menyatakan
kemampuan
bahan
untuk
menerima
tegangan
tanpa
menyebabkan bahan tersebut menjadi pata. Kekuatan ini ada beberapa macam, dan ini tergantung pada beban yang bekerja pada bahan tersebut antara lain dapat dilihat dari kekuatan tarik, kekuatan geser, kekuatan tekan, kekuatan punter, dan kekuatan bengkok.
Kekerasan (hardness)
Dapat didefinisikan sebagai kemampuan bahan bertahan tehadap goresan, pengikisan (abrasi), penetrasi,. Sifat ini berkaitan erat dengan sifat keausan (wear resistance). Dimana kekerasan ini juga mempunyai korelasi dengan kekuatan.
Kekenyalan (elastiscity)
Menyatakan
kemampuan
bahan
untuk
menerima
tegangan
tanpa
mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk yang permanen setelah tegangan dihilangkan. Bila suatu bahan mengalami suatu tegangan maka
17
akan terjadi perubahan bentuk. Bila tegangan yang bekerja besarnya tidak melewati suatu batasan tertentu maka perubahan bentuk yang terjadi akan bersifat permanen, perubahan bentuk ini akan hilang bersamaan dengan hilangnya tegangan, akan tetapi bila tegangan yang bekerja melebihi batas, maka sebagian bentuk itu akan
tetap ada walaupun tegangan telah
dihilangkan.
Kekenyalan juga menyatakan seberapa banyak perubahan bentuk elastic dapat terjadi sebelum perubahan bentuk yang permanen mulai terjadi, dengan kata lain kekenyalan menyatakan kemampuan bahan untuk kembali kebentuk dan ukuran semula setelah menerima beban yang menimbulkan deformasi.
Kekakuan (stiffness)
Merupakan kemampuan bahan untuk menerima tegangan / beban tanpa mengakibatkan terjadinnya perubahan bentuk (deformasi) atau defleksi. Dalam beberapa hal kekakuan ini lebih penting daripada kekuatan.
Plastisitas (plasticity)
Menyatakan kemapuan bahan untuk mengalami sejumlah deformasi plastis (yang permanen) tanpa mengakibatkan terjadinya kerusakan. Sifat ini sangat diperlukan bagi bahan yang akan diproses dengan berbagai proses pembentukan seperti forging, rolling, extruding dan sebagainya. Sifat ini juga sering disebut sebagai keuletan/kekenyalan (ductility). Bahan yang mampu mengalami deformasi plastis yang cukup tinggi dikatakan sebagai 18
bahan yang memiliki keuletan/kkenyalan tinggi, dimana bahan tersebut dikatakan ulet/kenyal (ductility). Sedang bahan yang tidak menunjukkan terjadinya deformasi plastis dikatakan sebagai bahan yang mempunyai keuletan rendah atau dikatakan getas/rapuh (brittle).
Ketangguhan (toughness)
Menyatakan kemampuan bahan untuk menyerap sejumlah energy tanpa mengakibatkan terjadinya kerusakan. Juga dapat dikatakan sebagai ukuran banyaknya energy yang diperlukan untuk mematahkan suatu benda kerja, pada suatu ondisi tertentu. Sifat ini dipengaruhi oleh banyak factor, sehingga sifat ini sulit untuk diukur.
Kelelahan (fatique)
Merupakan kecenderungan dari logam untuk patah bila menerima tegangan berulang-ulang (cyclic stress) yang besarnya masih jauh di bawah batas kekuatan elastisitasnya. Sebagian besar dari kerusakan yang terjadi pada komponen mesin disebabkan oleh kelelahan. Karenanya kelelahan merupakan sifat yang sangat penting tetapi sifat ini sulit untuk diukur karena sangat banyak factor yang yang mempengaruhinya.
Merangkak/Keretakan (creep)
Merupakan kecenderungan dari logam untuk mengalami deformasi plastis yang besarnya merupakan fungsi waktu, pada saat bahan tersebut menerima beban yang besarnya relative sama.
19
Berbagai sifat mekanik di atas juga dapat dibedakan menurut cara pembebananya yaitu : sifat mekanik statis, sifat terhadap beban statis, yang besarnya tetap atau berubah berlahan-lahan, dan sifat dinamik, sifat mekanik terhadap beban yang berubah-ubah atau mengejutkan. Ini perlu dibedakan karena tingkah laku bahan mungkin berbeda-beda terhadap cara pembebanan yang berbeda.
2.1.3 Pengelompokan Baja
Baja Karbon
Bja karbon adalah pduan besi karbon, dimana unsur karbon sangat menentukansifat-sifatnya, sedang unsur-unsur lainya yang biasa terkandung di dalamnya terjadi karena proses pembuatan. Sifat baja karbon biasa ditentukan oleh prosentase karbon dan mikrostrukur.
Baja Paduan
Baja paduan adalah baja yang mengandung satu unsur lain atau lebih, dengan kadar yang lebih dari pada biasanya dalam baja karbon.
Menurut kadar unsur paduan, baja paduan dapat dibagi dalam dua golongan yaitu baja paduan rendah dan baja paduan tinggi. Baja paduan rendah unsure paduannya di bawah 10% sedangkan baja paduan tinggi di atas 10%.
20
Baja Khusus
Baja khusus mempunyai unsure-unsur paduan yang tinggi karena pemakaian yang khusus. Baja khusus yaitu baja tahan karat, baja tahan panas, baja perkakas, baja listrik. Unsure utama dari baja yahan karat adalah khrom sebagai unsure terpenting untuk memperoleh sifat tahan terhadap korosi. Baja tahan karat ada tiga macam menurut strukturnya yaitu yaitu baja tahan karat feritis, baja tahan karat martensitas dan autenitis.
Baja tahan panas, tahan terhadap korosi. Baja ini harus tahan terhadap korosi pada suhu lebih tinggi atau oksidasi.
Baja perkakas adalah baja yang dibuat tidak berukuran besar tetapi memegang peranan dalam industry-industri. Unsur-unsur paduan dalam karbitnya diperlukan untuk memperoleh sifat-sifat tersebut dan kuat pada temperature tinggi. Baja listrik banyak dipakai dalam bidang elektronika.
2.2 Perlakuan Panas (Heat treatment)
Perlakuan panas adalah proses kombinasi antara proses pemanasan atau pendinginan dari suatu logam atau paduanya dalam keadaan padat untuk mendapatkan sifat-sifat tertentu. Guna mendapatkan sifat-sifat yang diinginkan maka kecepatan pendinginan dan batas temperature sangat menentukan.
21
2.2.1
Jenis-jenis Perlakuan Panas (Heat treatment) a) Quenching (Pengerasan)
Proses quenching atau pengerasan baja adalah suatu proses pemanasan logam sehingga mancapai batas austenite yang homogeny. Untuk mendapatkan kehomogenan ini maka austenite perlu waktu pemanasan yang cukup. Selanjutnya secara cepat baja tersebut dicelupkan ke dalam media pendingin, tergantung pada kecepatan yang kita inginkan untuk mencapai kekerasan baja.
Pada waktu pendinginan yang cepat pada fase austenit tidak sempat berubah menjadi ferit atau perlit karena tidak ada kesempatan bagi atom-atom karbon yang telah larut dalam austenite untuk mengadakan pergerakan difusi dan bentuk sementit, oleh karena itu terjadi fase lalu yang mertensit, ini berupa fase yang sangat keras dan bergantung pada keadaan logam.
b) Anneling
Proses anneling atau pelunakan baja adalah proses pemanasan baja di atas temperature kritis (723oC) selanjutnya dibiarkan beberapa lama sampai temperature merata disusul dengan pendinginan secara perlahan-lahan sambil dijaga agar temperatur di bagian dalam dan luar kira-kira sama hinga diperoleh
struktur
yang
diinginkan
pendinginan udara.
22
dengan
menggunakan
media
Tujuan proses anneling :
Melunakkan material logam
Menghilangkan tegangan dalam / sisa
Memperbaiki butir-butir logam.
c) Normalizing
Adalah suatu proses pemanasan logam sehingga mencapi fase austenite yang kemudian didinginkan secara belahan-lahan dalam media pendinginan udara. Hasil pendinginan ini berupa perlit dan ferit namun hasilnya jauh lebih mulus dari anneling. Prinsip dari proses normalizing adalah untuk melunakkan logam. Namun pada bagian karbon tinggi atau baja paduan tertentu dengan proses ini belum tentu memperoleh baja yang lunak. Mungkin berupa pengerasan dan ini tergantung dari kadar karbon.
Normalisasi dilakukan untuk mendapatkan setruktur mikro dengan butir yang halus dan seragam. Proses ini bias dikatakan sebagai pemanasan dan mempertahankan pemanasan pada suhu yang sesuai di atas batas perubahan, diikuti dengan pendinginan secara bebas di dalam udara luar supaya terjadi perubahan ukuran butiran-butiran. Hal tersbut membuat ukuran menjadi seragam dan juga memperbaiki sifat-sifat mekanik dari baja tersebut.
d) Tempering
Proses tempering adalah pemanasan logam sampai temperatue sedikit di bawah temperature kritis, kemudian didiamkan di dalam tungku dan
23
suhunya dipertahankan sampai merata selama 5 menit. Selanjutnya didinginkan dalam media pendingin. Jika kekerasan turun, maka kekuatan tarik turun pula. Dalam hal ini keuletan dan ketangguhan baja akan meningkat. Meskipun proses ini akan menghasilkan baja yang lebih lemah.
2.2.2 Pengerasan Logam (Hardening)
Hardening dilakukan untuk memperoleh sifat tahan aus yang tingi, kekuatan dan fatique limit/strength yang lebih baik. Kekerasan yang dapat dicapai tergantung pada kadar karbondalam baja dan kekerasan yang terjadi tergantung pada temperature pemanasan (temperature auteniti autenitising), holding time dan laju pendinginan yang dilakukan serta seberapa tebal bagian penampang yang menjadi keras tergantung pada hardenability.
Untuk memperoleh kekerasan yang baik (martensit yang keras), maka saat pemanasan harus dapat dicapai struktur austenit, karena hanya austenit yang dapat bertranformamsi menjadi martensit.
Bila saat pemanasan masih terdapat struktur lain maka setelah di quench akan diperoleh struktur yang tidak seluruhnya tersiri dari martensit. Bila struktur lain itu bersifat lunak, misalnya ferit maka maka tentunya kekerasan yang tercapai juga tidak akan maksimal.
Untuk menentukan temperature pemanasan yang baik untuk proses pengerasan yang dilakukan terhadap suatu baja dilakukan suatu percobaan pemanasan dan quenching pada beberapa temperature dan dianalisa struktur yang terjadi. 24
2.2.3 Holding Time
Holding time dilakukan untuk mendapatkan kekerasan maksimal dari suatu bahan pada proses hardening dengan menahan temperature pengerasan untuk memperoleh pamanasan yang homogen sehingga struktur austenitnya homogeny atau terjadi kelarutan karbida ke dalam austenite dan diffuse karbon dan unsur paduanya.
Pedoman untuk melakukan holding time dari berbagai jenis baja :
-
Baja konstruksi dari baja karbon dan baja paduan rendah yang mengandung karbida yang mudah larut, diperlukan holding time yang singkat, 5-15 menit setelah mencapai temperature pemanasanya dianggap sudah memadai.
-
Baja konstruksi dai baja paduan menengah dianjurkan menggunakan holding time 1-25 menit, tidak tergantung ukuran benda kerja.
-
Low Alloy Tool Steel, memerlukan holding tima yang tepat, agar kekerasan yang diinginkan dapat tercapai. Dianjurkan menggunakan 0,5 menit per millimeter tebal benda, atau 10 smpai 30 menit.
-
Hight Alloy Chroom Stel, membutuhkan holding time yang paling panjang diantara semua baja perkakas, juga tergantung dari temperature pemanasanya. Juga diperlukan kombinasi temperature dan ho lding time yang tepat. Biasanya dianjurkan menggunakan 0,5 menit per millimeter tebal benda dengan minimum 10 menit, maksimum 1 jam.
25
-
Hot-Work Tool Steel, mengandung karbida yang sulit larut, baru akan larut pada 1000oC. pada temperature ini kemungkinan terjadinya pertumbuhan butir sangat besar, karean itu holding time harus dibatasi 15-30 menit.
-
Hight Speed Steel, memerlukan temperature pemanasan yang sangat tinggi, 1200-1300oC. untuk mencegah terjadinya pertumbuhan butir holding time diambil hanya beberapa menit saja.
2.2.4 Jenis-jenis Pengerasan Permukaan
1) Karburasi
Dalam cara ini, besi dipanaskan di atas suhu dalam lingkungan yang mengandung karbon, baik dalam bentuk pada, cairt maupun gas. Beberapa bagian dari cara karburasi yaitu karburasi padat, karburasi cair dan karburasi gas.
2) Karbonizing
Adalah suatu proses pengerasan permukaan dimana baja dipanaskan di atas suhu kritis di dalam lingkungan gas dan terjadi penyerapan karon dan nitrogen. Keuntungan karbonizing adalah kemampuan pengerasan lapisan luar meningkat bila ditambahkan nitrogen sehingga bias didapatkan baja yang relative murah dengan ketebalan lapisan antara 0,08 sampai 0,75 mm.
26
3) Cyaniding
Adalah proses dimana terjadi absorbsi karbon dan nitrogen untuk memperoleh specimen yang keras pada baja karbon rendah yang sulit dikeraskan.
4) Nitriding Adalah proses pengerasan permukaan yang dipanaskan sampai ± 510oC dalam lingkungan gas ammonia selama beberapa saat.
2.2.5 Kekerasan
Kekerasan didefinisikan sebagai ketahan sebuah benda (benda kerja) terhadap penetrasi/daya tembus dari bahan lain yang lebih keras (penetratot). Kekerasan merupakan suatu sifat dari bahan yang sebagian besar dipengaruhi oleh unsur-unsur paduanya dan kekerasan suatu bahan tersebut dapat berubah bila dikerjakan dengan cool worked seperti pengerolan, penarikan, dan lain-lain serta kekerasan dapat dicapai sesuai kebutuhan dengan perlakuan panas.
Kekeasan suatu bahan (baja) dapat diketahui dengan pengujian kekerasan memakai mesin uji kekerasan (hardness tester) menggunakan tiga cara/metode yang telah banyak/umum digunakan yaitu metode Brinell, Rockwell dan Vickers. Kekerasan Brinell
Uji kekerasan lekukan yang pertama kali banyak digunakan serta disusun pembakuannya adalah metode yang diajukan oleh J.A. Brinell pada tahun
27
1900. Uji kekerasan Brinell berupa pembentukan lekukan pada permukaan logam dengan memakai bola baja berdiameter 10 mm dan diberi beban 3000 kg. untuk logam lunak, beban dikurangi hingga tinggal 500 kg, untuk menghindarkan jejak yang dalam, dan untuk bahan yang sangat keras, dugunakan paduan karbida tungsten , untuk memperkecil terjadinya distorsi indentor. Beban diterapkan selama waktu tertentu, biasanya 30 detik, dan diameter lekukan diukur dengan mikroskop daya rendah, setelah beban tersebut dihilangkan.kemudian dicari harga rata-rata dari 2 buah pengukuran diameter padajejak yang berarah tegak lurus.permukaan dimana lekukan akan dibuat harus relative halus, bebas dari debu atau kerak.
Angka kekerasan Brinell (BHN) dinyatakan sebagai beban P dibagi luas permukaan lekukan. Rumus untuk angka kekerasan tersbut adalah :
(1)
Dimana
P = beban yang diterapkan, kg D = diameter bola, mm d = diameter lekukan, mm t = kedalaman jejak, mm
Satuan dari BHN adalah kilogram per millimeter kuadrat. Akan tetapi BHN tidak memenuhi konsep fisika, karena persamaan di atas tidak melibatkan tekanan rata-rata pada permukaan lekukan.
28
P
D
Gambar 2.1 : Parameter-parameter dasar pada pengujian Brinell.
ᶲ
ᶲ
Sumber : Dokumen pribadi
β
d
Dari gambar 1, dapat dilihat bahwa d = D sin ø. Dengan memasukkan harga ini ke dalam persamaan (1), maka akan dihasilkan bentuk persamaan kekerasan Brinell yang lain, yaitu :
(2)
Untuk mendapatkan BHN yang sama dengan beban atau diameter bola yang tidak standar, diperlukan keserupaan lekukan secara geometric. Keserupaan geometric akan diperoleh, sejauh besar sudut 2ø tidak berubah. Persamaan (2) menunjukkan bahwa agar ø dan BHN tetap konstan, beban dan diameter bola harus divariasikan memenuhi perbandingan :
(3)
Tanpa menjaga P/D2 Konstan, yang dalam percobaan sering sangat merepotkan, maka BHN akan bervariasi terhadap beban. Pada daerah dengan beban yang beragam. BHN akan mencapai harga maksimun pada beban menengah. Oleh karena itu tidak mungkin menggunakan beban 29
tunggal untuk mencakup seluruh daerah harga kekerasan yang terdapat pada logam-logam komersial. Jejak yang telatif besar daripada kekerasan Brinell memberikan
keuntungan
dalam
membagikan
secara
pukul
rata
ketidakseragaman lokal. Selain itu uji Brinell tidak begitu dipengaruhi oleh goresan dan kekerasan permukaan dibandingkan ji kekerasan yang lain. Di lain pihak, jejak Brinell yang besar ukurannya, dapat menghalangi pemakaian uji tersebut untuk benda yang kecil, atau pada bagian yang kritis terhadap tegangan, dimana lekukan yang terjadi dapat mengakibatkan kegagalan. Kekerasan Vickers
Uji kekerasan Vickers menggunakan penumbukkan piramida intan yang dasarnya berbentuk bujur sangkar. Besarnya sudut antara permukaanpermukaan pyramid yang saling berhadapan adalah 136o. Sudut ini dipilih karena nlai tersebut mendekati sebagian besar nilai perbandingan yang diinginkan antara diameter lekukan dan diameter bola penumbuk pada uji kekerasan Brinell (d/D bernilai antara 0,25 dan 0,50). Sedang penumbuk piramida intan bernilai d=0,375D, yang menghasilkan sudut kerucut 136o. Karena bentuk penumbukkan pyramid maka pengujian ini sering disebut uji kekerasan piramida intan. Angka kekerasan piramida intan (DPH), atau angka kekerasan Vickers (VHN atau VPH), didefinisikan sebagai beban dibagi luas permukaan lekukan. Pada prakteknya luas ini dihitung dari pengukuran mikroskopik panjang diagonal jejak. DPH dapat ditentukan dari persamaan berikut:
30
(4)
Dimana
P = beban yang diterapkan, kg L = panjang diagonal rata-rata, mm ø = sudut antara permukaan intan yang belawanan = 136o
Uji kekerasan Vickers sering digunakan pada pekerjaan penelitian, karean metode tersebut memberikan hasil berupa skala kekerasan yang kontinu, untuk suatu beban tertentu, dan digunaka pada logam yang sangat lunak, yaitu DPH-nya 5 hingga logam yang sangat keras, dengan DPH 1500. Dengan uji kekerasan Brinell yang sudah dijelaskan di atas, biasanya diperlukan perubahan beban atau penumbuk pada nilai kekerasa tertentu, sehingga pengukuran pada suatu skala kekerasan yang ekstrim tidak bisa dibandingkan dengan skala kekerasan yang lain. Karena jejak yang dibuat dengan penumbuk piramida serupa secara geometris dan tidak terdapat persoalan mengenahi ukuranya, maka DPH tidak tergantung pada beban. Pada umumnya hal ini dipenuhi, kecuali pada beban yang sangat ringan. Beban yang biasanya digunakan pada uji Vickers berkisar antara 1 sampai 120 kg., tergantung pada kekerasan logam yang akan diuji. Hal-hal yang menghalangi keuntungan menggunakan metode Vickers adalah : uji Vickers tidak dapat digunakan untuk pengujian rutin karena pengujian tersebut lamban ; memerlukan persiapan permukaan benda uji yang hati-hati ; dan terdapat pengaruh kesalahan manusia yang besar pada penentuan panjang diagonal.
Lekukan yang besar yang dibuat oleh penumbuk piramida intan harus berbentuk bujur sangkar. Akan tetapi penyimpangan yang terjadi pada 31
pengujian metode Brinell juga terdapat juga pada penumbuk piramida. Lekukan bantal jarum adalah akibat terjadinya penurunan logam disekitar permukaan piramida yang datar. Keadaan demikian terdapat pada logamlogam yang dilunakkan dan mengakibatkan pengukuran panjang diagonal yang berlebihan. Lekukan bentuk tong terdapat pada logam-logam yang mengalami proses pengerjaan dingin. Bentuk demikian diakibatkan oleh penimbunan ke atas logam-logam disekitar permukaan penumbuk. Ukuran diagonal pada keadaan demikian akan menghasilkan luas permukaan kontak yang kecil, sehingga menimbulkan kesalahan angka kekerasan yang besar. Ada koreksi empiris untuk mengurangi pengaruh hal-hal tersebut.
(a )
(b )
(c )
Gambar 2.2 : Tipe-tipe lekukkan poramid intan. (a) Lekukan yang sempurna; (b) Lekukan bantal jarum (pin cushion), disebabkan oleh penurunan; (c) lekukan berbentuk tong, disebabkan oleh penimbunan ke atas. Sumber : Dokumen Pribadi
2.3 Struktur Mikro
Semua logam terdiri dari partikel-partikel yang disebut kristal atau butirbutir. Struktur kristal suatu logam murni mulai terbentuk sekitar intinya 32
apabila logam mulai membeku dari cairan menjadi padat. Atom-atom bebas dari suatu logam disusun menjadi suatu pola yang beraturan atau latis ruang. Besi dan baja mempunyai struktur bcc (bodycentered cubic), baja tahan karat austenitik memiliki strukutur fcc (facecentered cubic) dan magnesium berstruktur hcp (hexagonal close-packed). Tiga bentuk kristal logam yang paling umum seperti ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 2.3 : Struktur Kristal bcc, hcp dan fcc Sumber : Daftar acuan 2
Diagram kesetimbangan fasa Fe-Fe3C adalah alat penting untuk memahami struktur mikro dan sifat-sifat baja karbon
33
Gambar 2.4 : Diagram Fasa Fe-Fe3C Sumber : Daftar Acuan 2
Keterangan diagram Fe-Fe3C : 0,008%C
: batas kelarutan minimum karbon pada ferit pada temperature kamar
0,025%C
: batas kelarutan maksimum karbon pada ferit padatemperatur 723 C
0,083%C
: titik eutectoid
2%C
: batas kelarutan pada besi delta pada temperature 1130 C
4,3%C
: titik eutectoid
18%C
: batas kelarutan pada besi delta pada temperature 1439 C
Garis A0
:garis temperature dimana terjadi transformasi magnetic dari sementit
Garis A1
: garis temperature dimana terjadi austenite (gamma) menjadi ferrit
o
o
o
dalam pendinginan 34
Garis A2
: garis termperatur dimana terjadi transformasi magnetic pada ferit
Garis A3
: garis temperature dimana terjadi perubahan ferit menjadi
austenite(gamma) pada pemanasan Garis A
: garis yang menunjukan kandungan karbon dan transformasi baja
hypoeutectoid Garis E
: garis yang menunjukan transformasi baja eutectoid
Garis B
: garis yang menunjukkan kandungan karbon dari baja transformasi
baja hypoeutectoid Garis liquidus: garis yang menunjukan awal dari proses pendinginan(pembekuan) Garis solidus: garis yang menunjukan batas antara austenite solid dan austenite liquid.
Gambar 2.5 : Diagram Fasa Fe-Fe3C_penjelasan Sumber : Daftar Acuan 2
35
Diagram kesetimbangan fasa Fe-Fe3C adalah alat penting untuk memahami struktur mikro dan sifat-sifat baja karbon. Suatu jenis logam paduan besi (Fe) dan karbon (C). diagram fasa Fe-Fe3C juga merupakan dasar pembuatan baja dan besi cor dalam pembuatan logam. Karbon larut didalam besi dalam bentuk larutan padat(solid solution) hingga 0,05% berat pada temperature ruangan. Pada kadar karbon lebih dari 0,055 akan terbentuk endapan karbon dalam bentuk hard intermetallic stoichiomater compound(Fe3C)yang lebih dikenal sebagai cementi atau karbid. Dari diagram fasa tersebut dapat diperoleh informasiinformasi penting lain antara lain: 1. Fasa yang terjadi pada komposisi dan temperature yang berbeda dengan pendinginan lambat. 2. Temperature pembekuan dan daerah daerah pembekuan paduan Fe-C bisa dilakukan pendinginan lambat 3. Temperature cair masing-masing paduan 4. Batas-batas kelarutan atau atau batas kesetimbangan dari unsur karbon fasa tertentu. 5. Reaksi – reaksi metalurgi yang terbentuk. Besi merupakan salah satu logam yang memiliki sifat allotropi, sifat allotropi dimiliki besi sendiri ada 3 yaitu: o
1.
Delta iron(δ)mampu melarutkan karbon max 0,1% pada 1500 C
2.
Gamma iron(γ)mampu melarutkan karbon max 2% pada 1130 C
3.
Alpha iron(α) mampu melarutkan karbon max 0,025% pada 723 C
o
o
36
Transformasi allotropic pada besi, Fe(δ), Fe(γ) dan Fe(α) terjadi secara difusi sehingga membutuhkan waktu tertentu pada temperature konstan Karena reaksi mengeluarkan panas laten. Diagram fasa besi karbon.
Karbon larut di dalam besi dalam bentuk larutan padat (solution) hingga 0,05% berat pada temperatur ruang. Baja dengan atom karbon terlarut hingga jumlah tersebut memiliki alpha ferrite pada temperatur ruang. Pada kadar karbon lebih dari 0,05% akan terbentuk endapan karbon dalam bentuk hard intermetallic stoichiometric compound (Fe3C) yang dikenal sebagai cementite atau carbide. Selain larutan padat alpha-ferrite yang dalam kesetimbangan dapat ditemukan pada temperatur ruang terdapat fase-fase penting lainnya, yaitu delta-ferrite dan gamma-austenite. Logam Fe bersifat polymorphism yaitu memiliki struktur kristal berbeda pada temperatur berbeda. Pada Fe murni, misalnya, alpha-ferrite akan berubah menjadi gamma-austenite saat dipanaskan melewati temperature 910°C. Pada temperatur yang lebih tinggi, mendekati 1400oC gamma-austenite akan kembali berubah menjadi delta-ferrite. (Alpha dan Delta) Ferrite dalam hal ini memiliki struktur kristal BCC sedangkan (Gamma) Austenite memiliki struktur kristal FCC. Ferrite Ferrite adalah fase larutan padat yang memiliki struktur BCC (body centered cubic). Ferrite dalam keadaan setimbang dapat ditemukan pada temperatur ruang, yaitu alpha-ferrite atau pada temperatur tinggi, yaitu delta-ferrite. 37
Secara umum fase ini bersifat lunak (soft), ulet (ductile), dan magnetik (magnetic) hingga temperatur tertentu, yaitu Tcurie. Kelarutan karbon di dalam fase ini relatif lebih kecil dibandingkan dengan kelarutan karbon di dalam fase larutan padat lain di dalam baja, yaitu fase Austenite. Pada temperatur ruang, kelarutan karbon di dalam alpha-ferrite hanyalah sekitar 0,05%. Berbagai jenis baja dan besi tuang dibuat dengan mengeksploitasi sifat-sifat ferrite. Baja lembaran berkadar karbon rendah dengan fase tunggal ferrite misalnya, banyak diproduksi untuk proses pembentukan logam lembaran. Dewasa ini bahkan telah dikembangkan baja berkadar karbon ultra rendah untuk karakteristik mampu bentuk yang lebih baik. Kenaikan kadar karbon secara umum akan meningkatkan sifat-sifat mekanik ferrite sebagaimana telah dibahas sebelumnya. Untuk paduan baja dengan fase tunggal ferrite, faktor lain yang berpengaruh signifikan terhadap sifatsifat mekanik adalah ukuran butir. Pearlite Pearlite adalah suatu campuran lamellar dari ferrite dan cementite. Konstituen ini terbentuk dari dekomposisi Austenite melalui reaksi eutectoid pada keadaan setimbang, di mana lapisan ferrite dan cementite terbentuk secara bergantian untuk menjaga keadaan kesetimbangan komposisi eutectoid. Pearlite memiliki struktur yang lebih keras daripada ferrite, yang terutama disebabkan oleh adanya fase cementite atau carbide dalam bentuk lamel-lamel.
38
Austenite Fase Austenite memiliki struktur atom FCC (Face Centered Cubic). Dalam keadaan setimbang fase Austenite ditemukan pada temperatur tinggi. Fase inibersifat non magnetik dan ulet (ductile) pada temperatur tinggi. Kelarutan atom karbon di dalam larutan padat Austenite lebih besar jika dibandingkan dengan kelarutan atom karbon pada fase Ferrite. Secara geometri, dapat dihitung perbandingan besarnya ruang intertisi di dalam fase Austenite (atau kristal FCC) dan fase Ferrite (atau kristal BCC). Perbedaan ini dapat digunakan untuk menjelaskan fenomena transformasi fase pada saat pendinginan Austenite yang berlangsung secara cepat.Selain pada temperatur tinggi, Austenite pada sistem Ferrous dapat pula direkayasa agar stabil pada temperatur ruang. Elemen-elemen seperti Mangan dan Nickel misalnya dapat menurunkan laju transformasi dari gamma-austenite menjadi alpha-ferrite. Dalam jumlah tertentu elemen-elemen tersebut akan menyebabkan Austenite stabil pada temperatur ruang. Cementite Cementite atau carbide dalam sistem paduan berbasis besi adalah stoichiometric inter-metallic compund Fe3C yang keras (hard) dan getas (brittle). Nama cementite berasal dari kata caementum yang berarti stone chip atau lempengan batu. Cementite sebenarnya dapat terurai menjadi bentuk yang lebih stabil yaitu Fe dan C sehingga sering disebut sebagai fase metastabil. Namun, untuk keperluan praktis, fase ini dapat dianggap sebagai fase stabil. Cementite sangat penting perannya di dalam membentuk sifat39
sifat mekanik akhir baja. Cementite dapat berada di dalam sistem besi baja dalam berbagai bentuk seperti: bentuk bola (sphere), bentuk lembaran (berselang seling dengan alpha-ferrite), atau partikel-partikel carbide kecil. Bentuk, ukuran, dan distribusi karbon dapat direkayasa melalui siklus pemanasan dan pendinginan. Jarak rata-rata antar karbida, dikenal sebagai lintasan Ferrite rata-rata (Ferrite Mean Path), adalah parameter penting yang dapat menjelaskan variasi sifat-sifat besi baja. Variasi sifat luluh baja diketahui berbanding lurus dengan logaritmik lintasan ferrite rata-rata. Martensite Martensite adalah mikro konstituen yang terbentuk tanpa melalui proses difusi. Konstituen ini terbentuk saat Austenite didinginkan secara sangat cepat, misalnya melalui proses quenching pada medium air. Transformasi berlangsung pada kecepatan sangat cepat, mendekati orde kecepatan suara,sehingga
tidak
memungkinkan
terjadi
proses
difusi
karbon.
Transformasi martensite diklasifikasikan sebagai proses transformasi tanpa difusi yang tidak tergantung waktu (diffusionless time-independent transformation). Martensite yang terbentuk berbentuk seperti jarum yang bersifat sangat keras (hard) dan getas (brittle). Fase martensite adalah fase metastabil yang akan membentuk fase yang lebih stabil apabila diberikan perlakuan panas. Martensite yang keras dan getas diduga terjadi karena proses transformasi secara mekanik (geser) akibat adanya atom karbon yang terperangkap pada struktur kristal pada saat terjadi transformasi polimorf dari FCC ke BCC. Hal ini dapat dipahami dengan membandingkan batas
40
kelarutan atom karbon di dalam FCC dan BCC serta ruang intertisi maksimum pada kedua struktur kristal tersebut.
41
