ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri 1996
PENGUKURAN
TEGANGAN SISA PADA PADUAN ALUMUNIUM-SILIKON DENGAN TEKNIK DIFRAKSI NEUTRONl
Parikin:
GUI1awan2, W. Prasuad2, A. Purwanto2, Yatno2, Setiawan.
ABSTRAK PENGUKURAN TEGANGAN SISA PADA PADUAN ALUMUNIUM-SILIKON DENGAN TEKNIK DIFRAKSI NEUTRON. Teknologi kendali mutu (quality control) diterapkan pada proses pemeriksaan bahan pasca produksi. Ini sangat menentukan dalam menghasilkan barang-barang bermutu, seperti pada industri penghasil bahan logam. Permasalahan yang sangat menarik adalah distribusi tegangan sisa dalam bahan. Pengukuran menggunakan teknik difraksi neutron mampu mengkomplementasi keterbatasan pengukuran dengan teknik difraksi sinar-X, teknik strain gauge clanteknik ultrasonik. Neutron dengan panjang gelombang seordejarak antar atom dapat mengamati perubahan yang kecil pada jarak antar bidang kristal Disamping itu, karena neutron tidak bermuatan, berkas ini mampu mengukur sampai jauh kedalam bahan (Iebih kurang 3-4 em), sehingga diharapkan pemeriksaan bahan lebih realistis. Paduan AlSi banyak dipakai karena sifatnya yang menguntungkan yakni: ringan, mudah dibentuk clan memiliki koefisien muai panas yang kecil. Bahan ini biasanya digunakan untuk melapisi logam agar tahan terhadap lingkungan garam. Bahan dengan komposisi silikon lebih besar dari 20% telah banyak dijumpai di paSaranIndonesia. Kekerasan bahan berkomposisi silikon 3%, 20% clan 40% diukur dengan metode Vickers clan sebagai pembanding, komposisi silikon dalam paduan ditentukan dengan SEM-EDAX. Metode Rietveld (program RIET AN'94) mampu mendapatkan parameter fraksi rasa clan regangan rata-rata dalam paduano Analisis Rietveld memperlihatkan bahwa rasa alumunium mengalami tensil stress sedang rasa silikon mengalami tegangan compressive. Hasil penelitian menyimpulkan, ketika komposisi silikon bertambah kekerasan bahan meningkat clankurva tegangan sisa semakin tinggi.
ABSTRACT RESIDUAL STRESS MEASUREMENTS ON ALUMINIUM-SILICON ALLOYS USING NEUTRON DIFFRACTION TECHNIQUE. The quality control technique is usually applied on post product material investigation. .The quality of products are very much dependent on this work. One example of the problem in quality control is residual stress. Usually, the residual stress measurements are done by X-ray diffraction, ultrasonic and strain gauge technique, the measurements using neutron diffraction technique has complemented on that three techniques. The neutron whose the wavelength same as atom displacement in the crystallites could observed the internal lattice stress from the measured elastic lattice strain. Because neutron have no electric charge they could penetrate 3 to 4 cm along the thickness of material, so it seems the measurements more reality. The AlSi alloy has the advantage properties ie light, formidable, low corrosion and low dilatation coefficient. Usually, it is applied for coating the material that use in salt field The samples contain silicon composition of3%, 20% and 40%. The hardnessmeasurementswere done by the Vickers method and for comparison, the silicon compositions were measured by SEM-EDAX The Rietveld method was able to predict thc important parameters (the phase fraction and profile of the peak) required for studying residual stress distribution in AlSi alloys The Rietveld analysis showed that aluminium phase was in tension and silicon phase was in compression It can be concluded that the more composition of silikon, the residual stress curve raised, the harder of the material.
PENDAHULUAN Bahan-bahan logam komersial yang sering diproduksi dalam industri logam umumnyaberupapaduanoSalahsatunyaadalah paduan alumunium silikon (AISi). Paduan ini banyak dipakai karena sifatnya yang menguntungkan yakni; ringan, mudah dibentuk, tahan terhadap korosi clan memiliki koefisien muai panas yang kecil. Salah satu sifat yang penting adalah kekerasan bahan. Sifat ini umumnya dipakai sebagaiparameter untuk mengetahui ketahanan suatu bahan logam terhadap deformasi permanen atau plastis[I]. Paduan alumunium silikon dengan komposisi sekitar 11,7% berat silikon, merupakan paduan eutektik sederhanayang mempunyai titik cutektik pada suhu 577 °C[2,3]. Bahan dengankomposisisilikon lebih besar dari 20% telah banyak dijumpai di pasaranIndonesia. Bahan ini didatangkandari luar negeri daD biasanya belum dilengkapi denganspesifikasisepcrti; komposisiunsur atau sifat-sifatmekaniknya. Paduan ini merupakan bcnda rigid yang kontinu, yang sccara mikroskopis tertata oleh atom-atom yang diskrit. Atom-atom ini
tcrdistribusi tidak sccara random akan tetapi tcrsusunsccarapcriodik. Bila suatu gaya luar mempengaruhi sistem ini, maka dapat menimbulkan tegangan internal (internal stre..,..,). Tegangan internal salah satu komponennya dapat ditelusuri dari tegangan sisa (residual stre,.,s)yang terdistribusi didalam bahan. Tegangan ini didetinisikan sebagai tegangan elastik yang dapat mengubahjarak antar bidang kristal tanpa dipengaruhi gaya luar[ 4]. Pactadaerahyang terkena teganganini akan mengalami kelelahan (fatigue). Akibat perlakuan termal teganganini dapat menjalar keseluruhbagian bahan, dan selanjutnyapacta bagian ini akan mudah terkena korosi (stres,., corrosion cracking) sehingga bahan akan menjadirapuh (brittle). Pengukuran tegangan sisa rata-rata yang tertinggal didalam bahan dapat dilakukan denganmengevaluasisifat elastis struktur dari bcsaranregangan(strain)rata-ratayang terjadi. Rcgangan dalam zat padat tidak dapat diprcdiksi langsung akan tetapi secara mikroskopis rcgangan tcramati scbagai rcgangan ncgatip (compressive)dan rcgangan positip (expansive).
I Diprescntasikanpada seminarPPSM 1996 2 PusatPcnelitianSainsMateri, BAT AN, Scrpong 89
besaran regangan (strain) rata-rata yang terjadi. Regangandalam zat padat tidak dapat diprediksi
langsung akan tetapi secara mikroskopis regangan teramati sebagai regangan negatip (compressive) dan regangan positip (expansive). Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui besamya regangan elastik rata-rata dan tegangan sisa yang terjadi, akibat pengaruh penambahan komposisi silikon dalam bahan pactuM alumunium.
TEORI ?engamatan tegangan internal daiam bahan dapat ditelusuri daTi fenomena tegangan internal kisi dalam suatu kristal. Tegangan ini berbanding langsung dengan regangan elastik kisi yang terjadi di dalam kristal yang menyusun bahan. Besaran regangan dapat diturunkan daTi hukum difraksi Bragg, 2 dhkl sin 9hkl = A.
I)
sinar-X, Difraktometer neutron clan Spektrometer neutron, maka pada kondisi ini digunakan suku kedua daTi persamaan2)
!!.d/d = -cot 8 !!.8
Persamaanini mengilustrasikan regangan kisi, E = (d-do)/do = !!.d/do yang kecil dalam kristal bahan yang dapat diidentifikasi daTi sedikit pergeseran puncak difraksi. Dari pengukuran perubahan sudut hamburan!!.28 = -2 E tan 8, regangan E dapat diprediksi. Pada cuplikan yang berukuran besar, regangan E merupakan harga rata-rata daTi regangan yang terjadi didalam bahan untuk bidang (hkl) tertentu. Pada kasus ini E akan diukur untuk arah sumbu kristalografi a. Arah pengukuran regangan dalam cuplikan merupakan arab hamburan vektor Q. Dalam bahan ada sejumlah kristal dengan bidang ham bur (hkl) tegak lurus terhadap arab pengukuran regangan yang diamati daTi sudut puncak difraksi. Jarak antar bidang kristal bahan
yang dimana dhkl adalah jarak bidang kisi kristal yang berkaitan dengan bidang refleksi Bragg (hkl) yang teramati pacta suatu sudut hambur 29 hkl, A. adalah panjang gelombang neutron daD
4)
tidak
mengalami regangan harus
ditentukan dengan cermat agar regangan mutlak (absolute strain) dapat ditentukan dengan pasti. Oleh karena perubahan yang bervariasi terhadap nilai do akibat perubahan komposisi rasa dalam
(hkl) adalah indeks Miller bidang difraksi. Menurut konstruksi Ewald[5] untuk hamburan elastik, dapat didetinisikan vektor
bahan, sangat mempengaruhi regangan, hila fluktuasi selisih
dengan kn (kif) adalah vektor gelombang neutron
perubahanteganganpada besaranskalar dan
datang (terhambur) yang besarnya 2n/A.. Syarat terjadinya difraksi adalah vektor
volume (spatia/). Regangan yang didiskusikan diatas merupakan harga rata-rata untuk seluruh volume yang diiradiasi, karena tegangan sisa dalam
2
(L\d/dr (L\/JA) + cot8 88)
dibandingkan
dengan
do
terjadinya do yang
mengakibatkan
kebanyakan bahan padat tidak homogen. Ketidak-homogenan medan regangan
dapat
menghasilkan pelebaran (broadening) pada pola difraksi. Pelebaran daTi suatu puncak difraksi ini dapat diberikan sebagai[7];
2
.2) Persamaanini juga dapat dikaitkan pada daya pisah(resolusi)-alat[6]. Persamaanini memiliki dua suku untuk kondisi pengukuran yang berbeda.Pada alat yang menggunakanmetode pengukurandenganmenjagasuduthamburan28 tetap, seperti LlNAC elektron dan SNS (Spallation Neutron Source) yang prinsip kerjanya menggunakan berkas pulsa yang mengandungdaerahpanjang gelombang,maka besar regangan dapat ditentukan dari suku pertama. L\d/d = L\')JA.
2
=80
2
+ 32 (In 2) (ehkl)
2
2
tan e
= U tan2 e + V tane + W 5) dimana B adalah FWHM (/iill wave half maximum) dari pelebaran puncak, U, V, W adalah konstanta-konstanta penghalusan (refinement) puncak dari analisis Rietveld, ehki adalah harga rata-rata regangan rms bahan anisotropis dan BQ adalah resolusi alat, yang bervariasi terhadap 9, menurut persamaanCagliotti[81
.3)
Sedang banyak alat yang metode pengukurannya mengunakan panjang gelombang yang tetap, seperti Difraktometer
90
8
Vo tane +Wo .6)
Dari persamaan 5) daD 6) dapat ditumnkan
pcrsamaan; u = Uo + 32 (In 2) (chkl 2 7) Dalam pcrhitungan parameter U diperolch dari analisis data cuplikan paduan AISi dan parameter Uo dipcrolch dari analisis data cuplikan AISi dcngan komposisi silikon terkccil (diasumsikan tidak bcrbcda jauh dengan AI murni). Selanjutnya setelah regangan rata-rata dapat dikarakterisasi, tegangan sisa dalam setiap bahan dapat ditentukan secara deduksi. Eksperimen terhadap cuplikan paduan AISi dilakukan pada tekanan dan suhu mang, sehingga diharapkan setiap rasa berada dalam keadaan hidrostatik. Tegangan hidrostatik,cr(9) sebanding dengan regangan hidrostatik,E dapat dirumuskan sebagai : cr = [E/(1 -2v)] Eav
.8)
dimana E adalah modulus Young dan v adalah pcmbanding Poisson yang ditcntukan dari pcngtlkuran tcrscndiri untuk sctiap rasa. Untuk tegangan keadaan hidrostatik, ~:av dapat dihitung pada sclumh arah cuplikan,Eav = (1/47t) In
Eltkl
dn dimana Ehkl adalah
rcgangan dalam butiran (grain) yang bidang [hklJ-nya terlctak pada arah yang diamati. Integrasi dilakukan untuk scluruh arah random butiran didalam bahan. Untuk kasus dua rasa dimana di dalam paduan AISi terdapat fa sa Alumunium (fcc) dan rasa silikon (dia/1/on(/), maka dapat diturunkan; f:av = (I/3) [
+&AI
&Si
.9)
Tegangan sisa d.1lam ballaD yang mcngandung dua rasa tidak bcrdiri bcbas, akan tctapi mcrupakan pcrsamaan hubungan kesctimbangan[IO] dari sctiap butiran partikcl yang menyusun ballaD. Pcrsamaan kesctimbangan dapat dituliskan scbagai .t: cr +.1:. cr = 0, dimana.t: I dan.l:s adalah AI AI S. S. A. bcrturut-turut fraksi volume rasa alumunium daD rasa silikon. Pcrsamaan ini dapat digunakan untllk mcmeriksa apakah pcrsamaan asumsi hidrostatik diatas valid.
METODOLOGI Bahan dipcroleh dari pasaran yang merupakan bahan komcrsial. Pcmilihan bahan
ini dimaksudkan agar korclasi antara kalangan industri daD masyarakat ilmiah (pcneliti) dapat lcbih di\vujudkan, dalam upaya pendayagunaan pcmanfaatan hasil-hasil pcnelitian. Cuplikan paduan ada empat buah dcngan komposisi masing-masing AI(99,99%), AISi(1,5%), AISi(3%), AISi(20%), AISi(40%) dan Si(99,99%). Yang disebut tcrdahulu dan tcrakhir dipakai scbagai bahan acuan untuk pcngamatan struktur kristal yang selanjutnya discbut ALI00P dan SII00P. Scdang yang kcdua scbagai asmnsi untuk mendapatkan parameter awal jarak antar bidang (do) kristal yang bcbas stress pacta bahan uji. Empat buah cuplikan paduan diatas sclanjutnya discbut paduan SIOIP, paduan SI03P, paduan SI20P dan paduan SI40P. Scmua bahan bcrbentuk balok dcngan ukuran rata-rata 10 x 10 x 5 mm3. Kckerasan bahan diukur dengan menggunakan mctode Vickers. Komposisi bahan di prediksi dari pcngukuran SEM-EDAX yang didapat dengan cara menganalisis intensitas radiasi sinar-X karaktcristik yang dipancarkan dari unsur alumunimn dan silikon dalam paduano Hasil pcngukuran ini dicocokkan dengan mcngglmakan mctode difraksi neutron. Sctiap cuplikan diambil polanya dcngan Difraktomcter neutron cmpat lingkaran (Follr Circle Diffractometer), yang mcmiliki panjang gclombang bcrkas neutron monokhromatis kurang lcbih 1,0 A. Data intcnsitas tcrhadap 28 dianalisis dcngan menggunakan program RIETAN'94[11]. Sclanjutnya parameter penting scbagai data hasil analisis di plot dan diintcrpolasikan dcngan pcngolah data, pcrangkat lunak Igor Pro[ 12].
HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis data struktur dilakukan dcngan program RIET AN'94 yang tclah dikcmbangkan olch Izumi! I I]. Pada bahan AlSi mcngandung dua unsur bcrbcda dan memiliki struktur kristalografi yang tidak sarna, pcnclaahan bahan mirip seperti bahan komposit dan analisis data struktur dilakukan dengan analisis dua rasa. Fasa Al mcnggunakan grup ruang Fm3m (1-225) dengan simetri kristal FCC, parameter kisi awal, a = 4,05 A, dan rasa
Si menggunakangrup ruang Fd3m (1-227) dengan simetri kristal kubus dimnond, parameter kisi awal, a = 5,43 A, memberikan parameter-paramcter analisis data struktur. Profil bcntuk puncak untuk setiap fa sa dimodelkan dengan fungsi pseudo ,'oight yang merupakan kombinasi linear antara fungsi Gauss dan fungsi Lorenztian. Kesesuaian statistik data pengamatan yang memadai dapat
91
~ ~
.,..,H,I.
mcnambah kebcrhasilan analisis data. Parameter-parameter ini nicliputi parameter kisi, koordinat atom clan parameter tcrmal isotropik. Tabel 1 mcmbcrikan paramctcrparameter tcrscbut untuk cuplikan S120P. Cuplikan ALIOOP clan SIIOOP dihaluskan dari bahan polikristal yang dimampatkan pada wadah vanadium CO/1.Pola difraksi cuplikan ALIOOP, SIOIP, SIO3P, SI20P clan SI40P diukur dengan dirraktometcr neutron cmpat lingkaran (FCD), scdang Cuplikan SI lOOP diukur dcngan difraktomctcr ncutron scrbuk rcsolusi tinggi (HRPD). Walaupun dcmikian tidak bcrarti mcmbuat analisis data struktur berbcda tclapi hanya mcmbcrikan pola puncak difraksi yang bcrgcscr akibat pcrbcdaan panjang gclombang yang digunakan. Tab,'11. Par,.mel.'r nll,.li,;s 1I:lla slruklur krisl:.1 ulllllk
program RJETAN'94. Garis pcnuh (solid line) adalah hasil pcrhitungan, tanda 'dots' adalah data pcngamatan dan garis putus-putus (grid line) mcrupakan sclisih antara intensitas pcngamatan dan perhitungan. Garis-garis vertikal dibawah pola adalah posisi bidang rcflcksi dari rasa AI (atas) dan rasa Si (bawah). Hasil analisis data struktur dcngan mctode Rictvcld pada cuplikan uji dapat dilihat pada Tabcl 2. Pada kolom parametcr kisi, cuplikan ALIOOP dan SIOIP memiliki harga paramctcr kisi yang hampir sarna (ditcntukan dari kcSc11ahanpcngukuran), ini dapat dimengerti karcna dominasi unsur alumunium
mcnycbabkan paduan scpcrti
bcrada pada
kcadaan mumi, subsitusi atom AI olch Sihanya mcrubah scdikit kisi struktur dan pada sistem periodik, kcdua unsur ini tcrlctak pada golongan yang bcrdckatan.
ellnlik:ln SI2(lp.
"wl',Io' .,..".. ""p =8.740.
Pada Gambilr 1 dibcrikan POlil difrilksi cuplikan SIO3P. SI20P dan SI40P hilSil pcngukuriln dcngan difraktomctcr ncutron empat lingkaran sumbu. Pada pola difraksi terlihat puncak silikon scmakin tumbuh scjalan dengan mcningkatnya komposisi. Untuk cuplikan SIO3P dominasi fa sa alumunium mcnycbabkan puncak-puncak silikon tcnggclam dalam cacallan Jatar bcJakang. Efck Gl1Iorj{181 bahan silikon dapat mcnaikkan lluktuasi cacahan latar dan tidak discrtai kcnaikan intcnsitas profil difraksi.
(;'IIIIIIar 2. P"l,a difr'lk.j 1I(,(llr"1I '1I1,.lj,j. d,ala l~i"I\Nd c"plik"" SI2()P Y"lIg 1II"lIIp"rlillalk,all ad" d"" f"s't dOlllill"1I I"rpi"a" y,ail" ',a", AI d'llI '""a Si.
T'III,,12. Param"',,r ki,j rasalIa,il allali,is Ri"'v,,ld !;fa"""""" ,.c;cc";;:
K61i~iiISili~~(%);
""
AI,IOOI'
4.04
.
3.9.1 4.02
5.24(11) _:.
(!
""
;;~"
;;
'SIOIP
:i
~ ~
SIO3P SI20P SI40P
18.26 41.33
SIIOOP
100
4,05(4)
5.3!(~)I
,5.42(5)
I
'5,43(0)
I
'.,.I;",r..,"",...,I'p" k"""IIRPr:
~
i
Pcngukur,ln kuantitas unsur AI dan Si
Gambar 1. Pula difrak."i ",'"Iro" rliplik.11I paduall ,\ISi uliluk komp()"i"j "ilikoll (a) 3% (b) 211% (r) -to%.
Pacta Gambar 2 dipcrlihatkan pola diCraksi cuplikan SI20P, hasil analisis data dcngan 92
dcugan mcmbandingkal1 puncak-puncak karaktcristik alumul1ium dan silikol1 untuk cuplikan SIO3P, SI20P dan SI40P tclah dilakukan[15]. Gambar 3 mempcrlihalkan puncak karaklcrislik ul1sur AI dan Si unluk kulil Ka. Hasil pcl1gamatan dcngan SEMEDAX mcmpcrlihalkal1 komposisi silikon pada cuplik,ln cukup bcf\'ariasi. Pada cuplikan SIO3P bcn'ariasi dari 3,3'X, -3.7'X), cuplikal1 SI20P bcf\'ariasi dari 19.7'X. -22.8'10 scdang pada
cuplikan SI40P jangkauan variasi cukup lcbar yakni dari 37,4% -51,4%. Kcbolchjadian variasi ini akibat terjadi pcngelompokkan unsur silikon yang tidak larut semakin mcnUlllpuk. Ini scsuai dcngan diagram dua rasa A1Si, bah,,'a kclarutan silikon dalam alumunium sangat kccil sckitar scperscpuluhnya[2]. Butiran-butiran rasa dapat diperlihatkan pada pengamatan struktur
mikro pennukaan bahan. Untuk melihat pola struktur mikro ini, pennukaan cuplikan SIO3P,
SI20P dan SI40P dipolcs sampai halus dan mengkilap kemudian dietsa dcngan larutan yang dibuat dari campuran 1,8 ml HF, 2,5 ml HNO3, 1,5 ml HCl dan 95 ml H2O. Struktur mikro pcnnukaan cuplikan diamati dcngan mikroskop metalurgi. Kchati-hatian dalam pemolesan dan kctepatan pcngetsaan pcnnukan sangat mcnunjang pada hasil pcngamatan ini,
,a'f:.
I S,r.,.
o..,\) -_J~,.., 0Ct-4T
..'.c" .'.-
b:'" .'_..'.",,--:
U' ,
'
0.I'j""
Gambar 3. Pullrak radia.i sillar-X k:lI":lkt('ristik ruplik:11I AlSI dillkllr drllgall SEM-EDAX,
Dari Tabcl 2 komposisi silikon basil analisis Rietveld sesuai dengan basil pcngamatan yang dilakukan dcngan SEM-EDAX. Kcsalahan pcngukuran rclatif tcrhadap basil kcdua pengukuran paling bcsar tcrjadi pacta cuplikan SIO3P sckitar 3 1.,2I.%, kondisi pcrbcdaan ini dapat dimengcrti karcna mctodc SEM-EDAX mendetcksi unsur per unsur dcllgan pemancaran sinar-X karaktcristik unsur tanpa memperhatikan rasa yang tcrbcntuk. Scdang dari basil anal.isis data Rietvel.d mcnunjukkan, nil.ai kecocokan antara data pcngamatan dan perhitungan, R\\'P scbcsar 27,93%. Dapat dimungkinkan pacta komposisi ini, rasa AI.Si sudah mcmbcntuk kristal tcrscndiri dcngan suatu proses substitusi scbagian atom AI. dcngan Si, schingga silikon yang tercacah adal.ahyang tidak tcrl.arut sccara padat. Kcuntungan mctodc ini adal.ah mampu mcmbcdakan adanya fasarasa yang bcrlainan dal.am suatu komposisi bahan akibat adanya pcl.arutan padat. Scpcrti yang tcrjadi pacta paduan al.umunium-silikon rasa-rasa yang mungkin terbcntuk adal.ah rasa AI, rasa Si dan faS<1 AI.Si. Akan tctapi daTi husil. pcngamatan struktur mikro rasa al.umunium
dan silikon tcrlihat lcbih dominan. Fasa-fasa ini akan membcri kontribusi dalam pcrscntuhan intergranular yang menyebabkan terdapat tegangan internal (internal stress) dalam bahan. Pcnambahan silikon akan meningkatkan kckcrasan bahan, akibat terbentuknya rasa kedua (fasa Si) yang mcrupakan pcnyebab timbulnya pcngerasan dispcrsi. Pola struktur mikro pennukaan ketiga cuplikan diatas dipcrlihatkan pada Gambar 4. Dari gambar tcrscbut, pada cuplikan SIO3P unsur silikon tampak seperti jarum-jarum kecil memanjang, tcrurai merata kcscluruh bahan daD silikon ini tidak larut dalam alumunium. Gumpalan silikon scmakin tcrlihat pada cuplikan SI20P, rasa silikon scmakin menumpuk dan membcku membcntuk Icmpcngan-lcmpengan yang besar dan tcrlokalisasi. Saat komposisi silikon bcrtambah lagi scpcrti pada cuplikan SI40P, Icmpcngan-lcmpcngan ini mcmanjang mcmbcntuk balok yang scmakin banyak dan bahan mcngalami pcningkatan pengerasan sccara dispcrsi. Pcngcrasan ini umumnya tidak dikchcndaki[15], karcna dapat mengurangi kckuatan bahan. Pcningkatan kckcrasan ini dikarcnakan sifat silikon itu scndiri, yang hila dipadukan dcngan alumunium akan mcnambah kckcrasan lcbih daTi logam alumunium murni. Pcnambahan komposisi silikon yang mcnumpuk dapat mcmbcntuk dendritik yang dcngan proses pcnuaan (ageing) tumbuh mcl1jadi jaruln/lcmpcng silikon yang mcmanjang, scbagaimana yang diharapkan untuk kepcrluan tertentu. Scmakin banyak jarun1/lcmpcng silikon, bahan scmakin keras. Efck pcnuaan bahan alumunium silikon tclah diamati olch Gunawan dkk.[15]. Pola kurva mcmpcrlihatkan tcrdapat pcningkatan kckcrasan bahan yang bcsar terjadi pada komposisi silikon 2()(Yodan 4()(Yo.Scdang pada komposisi 3(Yo silikon pcningkatannya rclatif lcbih kccil. Pcngukuran kckcrasan cuplikan SIO3P, SI20P dan SI40P dilakukan dengan mctode Vickers mcnggunakan bcban 10 kg dcngan waktu pcnckanan sclama 15 detik. Tabcl 3 mcnyusun hasil pcngukuran kckerasan tanpa pcrlakuan pcnuaan. Pcrllitungan kckcrasan dilakukan dcngan hubungan HV = 1,8544 x (pfD1, dimana HV adalah kckerasan (kg/mm2), p adalah bcban yang dibcrikan pada cuplikan uji (kg) dan D adalah panjang garis diagonal jcjak indentor pada cuplikan uji (mm). Dari kurva hubungan kckcrasan dcngan komposisi silikon yang diilustrasikan pada Gambar 5, tcrdapat pcningkatan kekcrasan yang tajam. Kckerasan ini telah diinfonnasikan akibat adanya pcnimbunan silikon yang tidak larut yang mcngcras sccara dispcrsi[2]. 93
;~9,ii~i::$~
Tab('13. K('k(,I':I!ia" baba" ;\ISi
9[~!'~ ::;::::J(f!1);;:;;::1\ SIO3P SI20P SI40P
3
20 40
Pel1umbuhan jaruln/lcmpcng yang dapat meningkat ini, mcnimbulkan clastisitas struktur akibat interaksi antar butiran rasa dalam bahan, scrupa dcngan tcrjadi pada bahan komposit[9,16]. Dinamika pcrcgangan struktur dalam bahan ini mcmbuktikan adanya ,\'Iress. Tcrlihat pada Tabcl 2 kisi alumunium mengalami clastisitas saat ditambahkan unsur silikon. Kisi ini mula-mula mcngkcrut dan kemudian mcngcmbang kcmbali. Untuk kescluruhan cuplikan uji, kisi a untuk rasa alumunium mcngalami rcgangan positip (ckspansi), scmcntara kisi a rasa silikon mengalami rcgangan ncgatip (komprcsi). Pacta lokasi tcl1cntu :,.tress dapat tcrjcbak dcln tcl1inggal dalam bahan. Stress ini dikcnal scbagai tcgangan sisa (residllal stre ,"). Stress dalam bahan sangat bcrnuktuasi dari butir kc butir. Para praktisi cnjincring sangat tcrtarik hanya pacta hargcl rclta-rata scluruh j:lrak makroskopik yang dikcnal dcngan tinjilu:ln macrostre, , karcncl kaitannya crat dcngiln ukuran dan \\'Ujud pcnampilan bahan.
Rcgangan adalah bcsaran tcnsor yang pada umumnya mcmiliki cnam komponcn )'3ng tak bcrgantung, tctapi kctika dikonfirmasikan pada simctri kristal, jumlah komponennya dapat Icbih discdcrhanakan. Untuk kasus simctri kristal sumbu tcrpusat, scperti pada rasa AI dan rasa Si, hanya satu komponcn bcbas yang dipcrlukan untuk mcnyatakan sirat tensor sccara Icngkap[ 17]. Rcgangan pada arah yang lain dapat ditentukan dcngan mcngglmakan pcrhitungan aljabar tcnsor. Pada bahan AISi dimana terdapat rasa AI dan rasa Si, komponcn rcgangan dipilih pada sepanjang arah kristalografi sumbu-a dalam struktur konvcnsional. Parameter struktur hasil analisis Rictvcd tcrsusun pada Tabcl 2. Gambar 6 mcmpcrlihatkan pcrcgangan kisi scpanjang arah kristalografi a untuk rasa AI daD rasa Si.
"E E "'01'
~ C
to
II)
~
G>
.¥
G>
:.:
(;alll";I"
SIO3P
5. I':fl'k kolllp.",j"j "ilikoll pad;, kl'kl"';.";11I ";1";.11 ,\ISi.
SI20P
SI40P Gambar 4. PIlla struktur mikro Pl""Jl\ukaau I:uplikau SI03P, SI20P dan SI"OP dilill;., d"ngau mikro,;kop
m,,',"urgi
94
(;"111";11'6o111I"lIlIg'llI I'log;'"g;'" ki"j dlo"g;'"
k"IIIJI""j"jSilik,,"
~
':'~k(:: ~ ~
Tabe' 4. Jarak antar bidang dllkl rasa Aillmllnillm "".il all"li.is Rietveld
f~']~~n(lIt~j4'1"~~dhkl(!\)
idhffi~ :$iJj~~~;~;;Siliktii. ~
~~~~~
~~~
~~
~
311
~~
1,00942
~~
~~~~
~
~~~~
~
~
0,77500
~~~~
].,}..§!:!1~
~
0,77337
077705 o:7ij""76" 531
Jl!1:!l:2
~
~
0.71039
~~
0.68069
0,611433
Peregangan (ekspansi/ komprcsi) stmktur yang kccil dapat pula diamati dari adanya pcrcgangan bidang kristal. Pcrcgangan tidak mcrata untuk sctiap bidang kristal. Pcngamatan pcrcgangan yang paling bcsar dapat dilakukan dcngan mcnarik hubungan antara pcrcgangan jarak antar bidang dcngan nonnalisasi bidang kristal. Pacta Gambar 7a dipcrlihatkan pola rcgangan yang tcrjadi untuk sctiap variasi komposisi silikon. SiCat clastis kisi tcrlihat jclas dcngan tcrjadinya komprcsi dan ckspansi sccara bcrgantian. Kcbolclljadian rcgangan yang paling ckstrim pactabahan dapat ditunjukkan dan pacta kondisi ini bahan mudah tcrkorosi lingkungan. Tabcl 4 mcmbcrikan data jarak antar bidang ~lkl dari masing-masing cuplikan dcngan komposisi silikon yang bcrbcda. Bcsaran rcgangan dihitung bcrdasarkan hubungan mInus (d'-do)/do dimana d' adalah jarak antar bidang cuplikan yang dibcri unsur silikon dan do adalah jarak antar bidang cuplikan yang mcngandung unsur silikon paling minimum. Pola pcrgcscran puncak alumunium akibat bcrtambahnya komposisi silikon yang diambil pacta bidang (Ill) dapat dilihat pacta Gambar 7b. Sclisih sudut puncak diCraksi yang tcrjadi scsuai dcngan pola rcgangan kisi scperti pada Gambar
(;"",h"r 7b. Pl'rgl"'l'..a" p"""ak AI padap""m dif..ak...i.
Sctclah rcgangan kisi dapat dikarakterisasi, tcgangan sisa pada sctiap rasa dapat ditcntukan dcngan asumsi tak ada tckanan yang dikenakan pada saat pengukuran
cuplikan, schingga bahan dapat dikatakan dalam kcadaan hidrostatik. Stress hidrostatik,cr bcrhubungan dcngan rcgangan hidrostatik,chkl yang dirclasikan dcngan pcrsamaan 8). Rcgangan ini mcrupakan rcgangan rata-rata cfcktif yang terjadi didalam bahan dan dapat dicstimasi berdasarkan paramctcr pcnghalusan bcnluk puncak,U dengan hubungan persamaan 7). Pada pcrhilungan, paramcter Uo didapat dari basil analisis data pola difraksi AISi dcngan komposisi silikon tcrkecil. Pada Tabcl 5 harga rcgangan,cllkl hidrostatis hasil pcrhitungan disusun. Sccara keseluruhan rcgangan rata-rata cfcktif (rills) yang tcrjadi dalam bahan, akibat variasi komposisi silikon dapat ditentukan dcngan pcrsamaan 9). Rcgangan yang diakibatkan adanya intcraksi butiran rasa AI dan rasa Si ini sclanjutnya digunakan unluk mcnghitung stress rata-rata yang tcrtinggal didalam bahan. Hasil pcrhilungan diplot scpcrti tcrlihat pada Gambar 8. Pcncntuan harga modulus Young,E
0
10
20
~
h'.,'."
on
dan pcmbanding Poisson,V didapat dcngan mcnghitung dari bcsaran konstanta clastik yang tclah dikctahui. Harga konstanta clastik untuk bahan alumunium dapat diperolch pada lilcratur [13] dan [14]. Harga komponcn CII' C1~dan C44bcrturut-turut adalah 1,068 x 1012,
0
10
20
30
,,'..'.r
40
0,068 X 101~ dan 0,282 x 101~ dyne/cm~. Sclanjutnya dcngan pcrumusan yang tertera pada literatur [6], konstanta pcrsyaratan clastik ditcnlukan dari hubungan;
(;amh,.r 7a. hf!hol('hjadian rf!gangan hidang p"ling f!k...trim p"da h"h'lII p"duan MSi.
95
:rah~15. ;.u %
S11-S12 = 1/(C11-C12)
alumunium, bahan mcngalami pcnurunan tcgangan kctika komposisi silikon bcrtambah.
811+ 2812 = 1/(C11+ 2C1J S44=1/C44 10) Didapat harga unluk Sil ' SI2 dan S44bcrlurulhlmt adalah 1,595 x 10.]2, -0,579 X ]0.12 dan 3,546 x ]0-12 cm2/dync. Kcmudian unluk mcncntukan konstanta modulus Young dan pcmbanding Poisson dapat digunakan rclasi yang tclah dijclaskan pada lilcralur []] dan
[16]; SII = liE SJ2= -viE S44= 2(1 + v)/E
Harga konstanta modulus Young dan pcmbanding Poisson untuk bahan alumumum yang didapat bcrturut-lurut adalah 62,696 OPa dan 0,363. lIa"il "("rhit"n!!an
SIOIP SIO3P SI20P SI40P .d;~,,""., .dJ'i'ip~I"'~ Ii,
r(",.an!!an rm.' rata-r~lta. t',.,.
:i!!ii
.;C\il\tik@::
:3,3711(9) .0,3530(9) --
-Q0330())
Pcrhitungan stre.\'s untuk rasa silikon dilakukan dcngan hubungan pcrsamaan kcsctimbangan dua rasa, scpcrti yang tclah tcruji olch Xun Li Wang dkk.[9], yang pcnurunan rumusnya dilakukan olch I.C. Noyan[lO], karcna tcgangan sisa dalam bahan yang mengandung dua rasa tidak bcrdiri bcbas, akan tctapi mcrupakan rclasi kcsctimbangan daTi sctiap butiran partikcl yang mcngkomposisi bahan. Dcngan pcrbandingan fraksi rasa alumunium dan rraksi fa sa silikon hasil analisis data dan dipcrbanyak dcngan stress rasa alumunium, bcsaran stress rasa silikon dapat dihitung. Gambar 8 mcmpcrlihatkan pol a tcgangan sisa untuk rasa AI daD rasa Si. Tcrlihat, rasa alumunium mcngalami tegangan tensil dan rasa silikon mcngalami tcgangan komprcsi. Pada rasa silikon yang lcbih kcras, pcningkatan komposisi silikon mcnycbabkan tcgangan menuju positip, kcjadian bcrlangsung hingga komposisi silikon sckitar 30%, tctapi Ic\\"at daTi komposisi itu tcgangan mcnuju ncgatip. Kcjadian scbaliknya tcrjadi radiI rasa
96
KES.lMPULAN Hasil pcngamatan struktur mikro, pcngukuran SEM-EDAX dan analisis Rich'cld n1cmpcrlilmtkan bahwa paduan AISi mcngandung rasa AI, rasa Si dan rasa AISi, Fasa alumunium dan rasa silikon terlihat dominan, sedang rasa AISi menjadi faktor yang minor (terlihat sepcrti impuritas). Hal ini dapat dimungkinkan dari pcrbandingan kuantitas rasa dan nilai kecocokan analisis data Rictveld yang saling mcnginfonnasikan, Tcrbentuknya butiran-butiran rasa ini mcnyimpulkan bahwa bahan dapat dipcrlakukan mirip scperti bahan komposit. Hasil pcngukuran kekcrasan dcngan mctodc Vickers, balmn scmakin kcras saar komposisi silikon bcrtambah, Dari fcnomcna pcrcgangan kisi dan jarak antar bidang kristal bah\\'a kcbolchjadian tcrjadinya tegangan sisa sangat bcsar, Rcgangan rata-rata efcktif (rms) balmn dihitung dari parameter profil puncak,U dcngan mctode Rictvcld. Hasil pcngukuran rcgangan dan pcrhitungan tcgangan sisa mcmpcrlihatkan bah\\'a rasa alumunium mcngalami tcgangan tcnsil d:m rasa silikon mcngalami tcgangan kompresi, Dari hasil pcnclitian ini inronnasi yang mcnarik adalah kctika komposisi silikon bcrtambah, kekcrasan balmn mcningkat dan kun'a tcgangan sisa yang tcrtinggal didalam bahan scmakin tinggi. UCAPAN TERIMA KASIH Pcnulis bcrtcrima kasih pacta Bapak Drs. Sutiarso M.Sc. dan Drs. Syahril M.Sc. alas saral1/diskusinya d.ln Kcpala PRSG Bapak DR. Jr. Bakric Arbic & star yang tclah ikut mcmbcri andil dalam pcnclitian ini.
PUSTAKA 1. DJAPRIE SRIATI, DIETER GEORGEE., "Metalurgi Mekanik", Erlangga, Jakarta,1993. 2. SURDIA TATA, SAITO SHINROKU, "Pengetahuan Bahan Teknik", PT. PradnyaParamita,Jakarta,1995. 3. DAVID JOSEPH R. ET.ALL, "ASM Handbook", ASM International, USA, 1992. 4. MARSONGKOHADI, RIDWAN, GUNAWAN dan PRASUAD W., Penelitianilmu bahanmenggunakanteknik hamburan neutron di Pusat Penelitian Sains Materi (pPSM-BATAN), disajikan dalamKongres IImu pengetahuanNasional (KIPNAS) VI di Serpong,11-15 september 1995. 5. BACON G. E.," Neutron Di./JractionII 6.
15. GUNAWAN,SUTIARSO,MAULANA,A, RACHMAN,E.G.,PARIKIN, SETIAWAN Y ATNO, Efek Komposisi dan Perlakuan Panas TerhadapKekerasanPaduanAISi, Basi1-hasi1Pene1itianPPSM(1996). 16. HUTCHINGS,M.T.and KRAWITZ,A.D., Measurement of Residual and Applied StressUsingNeutron Diffraction, 115-130, (1992),K1uwerAcademicPublishers, Nederlands. 17. NYE, J. F., Physical Properties of Crystals,Oxford University Press, Oxford, U.K.(1985). 18. SUTIARSO, PARIKINdan GUNAWAN, Analisis KuantitafDenganTeknikDifraksi Neutron Dan Metode Rietveld,Proc. sem. Hasil Penelitian daD Pengembangan Bidang Fisika Terapan, LIPI, Bandung, (1995).
Oxford University Press,1962. ALLEN A. J., HUTCHINGS M. T., dan WINDSOR C. G. " NeutronDi./Jraction
Methodesfor Residual Stress Fields ", Advances in Physics,34,No.4, 1985,445473. 7. KLUG,H.P. and ALEXANDER,L.E.,x-ray Di./JractionProcedures, 2nd ed.,pp.618-708, Wiley, New York, (1974). 8 .CAGLIOTTI, G., PAOLETTI, A. and RICCI, F. P., Choice ofCollimationfor a Crystal Spectrometer for Neutron Diffraction,Nuc. Instrum.,3,223-28(1958). Q -.WANG. XUN-LI, HUBBARD, C.R., ALEXANDER, K. B., BECHER, P. F., FERNANDEZ-BACA,J.A.,SPOONER,S., J.Am. Ceram. Soc.,77[6] 1569-75(1994). 10 NOY AN, I.C. and COHEN,J.B.,Residual Stress Measurement by Diffraction and Interpretation,Springer-Verlag,New York, 1987. 11. IZUMI FUJIO, A. Rietveld -Refinement ProgramRIETAN-94for Angle-Dispersive X-Rayand Neutron Powder Di./Jraction. NIRIM, Japan,(1994). 12. IGOR -PRO, Perangkat lunak pengolah data,(1995). 13. COOPER,M.J.and NATHANS,R.,Acta Cryst., 23, 357 (1967). 14. SVENSSON,E.C., BROCKHOUSE,B.N. and ROWE, J.M., Phys. Rev. 155, 619 (1967).
()7
