Prosiding Presentasi Ilmiah Dour Bahan Bakar Nuklir PEBN-BATAN. Jakarta 18-19Maret 1996
ISSN 14/0-1998
EFEK PENGERJAAN TERMO-MEKANIK PADA PADUAN ALMG1 M.Husna AI Hasa PusatElemenBakar Nuklir
ABSTRAK EFEK PENGERJAANlERMO-MEKANIK PADA PADUAN ALMG2. Pengerjaantenno-mekanik berupa proses perolan panas dan annealing telah dikenakan kepada pelat AlMg2. Perolan panas pelat paduan AlMg2 dilakukan padatemperat\1f400°C dengandefonnasibertahap,dan prosesannealingberlangS\U1g selama 1 jam pada temperatur425°C. Pengamatanmikro-struktur dilakukan denganmetalografi-optik,pengujian kekerasandilakukan dengan metoda Vickers dan pengukuran konduktivitas panas dilakukan dengan menggunakankonduktometer. Pengamatansecara metalografi-optik dan pengujian kekerasandengan metoda Vickers menunjukkan adanya perubahanstroktur mikro dan kekerasam1ya.Hasilnya menunjukkanbahwa perolan panasmengakibatkanbentuk butir berubah dari equiaxial menjadi pipih-memanjang dan bersifat lunak. Kekerasan mencapai sekitar 58,S Kg/mm2untuk tingkat defonnasi 18 % ,41 % dan 76 % serta66 Kg/mm2 untuk terdefonnasi133%. Annealing selama 1 jam pada 425°C ternyatamenyebabkanpenurunankekerasanmenjadi sekitar (41 -42) Kg/mm2 untuk derajad defonnasi 18 % , 41 % dan 76 % sertamet1jadi39 Kg/mm2 untuk derajad defonnasi 133 %. Disamping itu diamati pula bahwa bentuk butir kembali menjadi equiaxial dan ukuran butirnya lebih besar. Hasil pengukuran dengankonduktometerpadapaduanAlMg2 sebelwDdan sesudahperolanpanasmemperlihatkanterjadinya penurun harga konduktivitas termaldari 143W/moC menjadi 140 W/moC. ABSTRA CT EFFEC1S OF THERMO-MECHANICAL TREA1MENJ ON AlMa2 AUOY. Themlo-mechanicaltreatment consisting of hot rolling and annealingprocesshas beenapplied to AlMg2 plate. The AlMg2 plate ~ adressedby hot rolling process at 400 °C with stepdefomlation,and theAlMg2 plate ~s then annealledat 425°Cfor one-hour. The observation on the microstructure ~s perfomled by using optical metallography, the hardness test ~s perfomled using Vickers method,and themlal conductivity~s measured using conductometer.Themlo-mechanical treatmentgenerateschangesin AlMg2 microstructuresand mechanicalproperties. The changeshave beenidentified using optical metallographyand Vickersmicro hardnesstest. The treatmenttransfomls the AlMg2-equiaxial grain to elongatedgrain and the alloys hardnessis still relatively soft. The hardnessreachesabout 58,5 Kgimml after defomlation of 18 % , 41 % and 76 % and 66 Kgimml after defomlation of 133 %. An one-hour annealing treatmentat 425°C causeddecreasingof thehardnessto about (41 -4]:) Kgimml for 18 %, 41 % and 76 % deformation and to about 39 Kgimml for 133 % defomlation. This treatmentmakesthefOml of the grain equiaxial and the site ofthe grain larger. The results of the measurements using conductometeron the original AlMg2 alloy and it ~ addressedby hot rolling indicate that the themlal conductivity of I 43 W/moCto 140 W/moC.
PENDAHULUAN Aluminium adalah logam lunak daD ulet mem-punyai struktur kubus pusat muka (FCC). Aluminium juga merupakan logam ringan yang mempunyai sifat tahan korosi, sifat penghantar listrik dan panasyang baik I. Paduan Aluminium-Magnesium memiliki kekuatan yang cukup memadaidaD sifat termal yang baik. Paduan AIMg tidak bisa dikeraskan dengan perlakuan panas. Penguatan d.'\n peningkatan kekerasan diperoleh melalui pembentukan larutan padat substitusional dengan mengganti kedudukan atom AI oleh atom Mg yang mengakibatkandistorsi kisi kristal logam induk yang selanjutnya menimbulkan medan tegangan disekitar atom yang tersubstitusi2 PenguatandaD pengerasanpaduan AIMg dapat pula diperoleh dengantara pengerasanakibat regangan (strain hardening)yang dicapai mela-
lui prosesperolan. Selain itu. deformasiperolan mengakibatkanketidak teraturan pada kisi daD menimbulkancacatkisi bempakekosonganatom. Kondisi yang demikian menye-babkanterjadinya pembahansifat mekanikdan sifat termaI, seperti konduktivitas panas. Konduktivitas panas menumn karena kecepatan gerakan elektron berkurang dan aliran panas terisolasi atau terhambatakibatadanyakekosonganatom. Perolanpanas dilakukan pada suhu di alas tempertur rekristalisasi logam yang diproses. Temperatur rekris-talisasi sangat dipengaruhi oleh besarnya derajat deformasi pada logam. Semakin besardeformasinya,temperatur rekristalisasinya akan semakin rendah. Deformasi diatas temperatur rekristalisasi akan disertai dengan peristiwa pelunakan yang melibatkan mekanisme recovery. rekristalisasi daD pertumbuhanbutir 3. Besarnya pelunakan dari masing-masing mekanisme tersebut tergantung
131
Prosiding Presentasi Jlmiah Dour Bahan Bakar Nuklir PEBN-BATAN. Jakarta /8-/9 Maret /996
pada jenis logam, temperatur daD kecepatan prosesdeformasiatau laju regangannya. Bila logam dengan energi salah tumpuk (stackingfault energy) rendah,hila dideformasi pada tem-peratur tinggi, umumnya akan mengalami rekristalisasi selama berlangsungnya proses deformasi. Proses rekristalisasi yang demikian disebut dengan rekristalisasi dinamik sedangkanhila rekristalisasiterjadi setelahproses deformasi disebut dengan rekristaliSc1sistatik. Rekristalisasidinamik terjadi karenapada logam dengan energi salah tumpuk rendah mekanisme recovery tidak banyak peranannyadalam proses pelunakan,sehinggaenergi pendorongnyacukup besar untuk menyebabkan terjadinya proses rekristalisasi3. Aluminium mempunyai energi salah tumpuk cukup tinggi sekitar 200 erg/cm2 sedangkan baja tahan karat 304 scbcs.1r 20 erg/cm2 4 Aluminium dan paduannya karena memiliki energi salah tumpuk tinggi. meskipun dideformasi pada temperatur tinggi sering kali mempunyai bcntuk butir memanjang dan tidak mengalami rekristalis.1si. Meskipun demikian sifatnya relatif masih lunak karena peningkatan kekerasannya relatif kecil. Hal ini disebabkan oleh bcgitu besarnya peranan pelunakan oleh mekanisme recovery. khususnya recovery dinamik sehingga energi pendorongnya rendah daD tidak cukup rnampu untuk mendorong terjadinya rekristalisasi dinamik. ).
Dalam penelitian ini, perolan pelat AIMg2 dilakukan diatas temper~tur rekristalisasi yaitu 400°C dengan deformasi perolan bertahapyaitu 18 % ,41%,76 % ,133 % dan prosesannealing berlangsungselama 1 jam pada temperatur 425 °C. Kajian yang dilakukan dalam penelitian ini ialah mengamati pengaruh pengerjaan termomekanik terhadapperubahanmikro-struktur, sifat mekanik daD sifat termal paduan AIMg2. Pengarnatan mikro-struktur dilakllkan dengan metalografi-optik dan penglljian kekerasan dilakukan dengan metoda Vickers dan pengukuran konduktivitas panas dilakukan dengan menggunakankondllktometer.
selama30 menit dengan deformasitotal. yaitu : 18%.41 %.76 % daD 133%. Perlakuan panas terhadap cuplikan pelat AIMg2 yang telah dirol panas dilakukan di dalam tungku sirkulasi udara selama1 jam pada temperatur425°C. Permukaanspesimenbasil perolan panas daD prosesanil dietsa denganlarutan kimia yang terdiri dari 50 ml reagenPulton dicampurdengan 25 HNO) daD40 ml larutan 3 gram asamkromik per 10 ml H2O6. Pengamatan perubahanmikro struktur untuk setiap tahapan deformasi dilakukan dengan mikroskop optik. Pengukuran kekerasan dilakukan dengan metoda Vickers pada beban 200 gram terhadap pelat AIMg2 awal, pelat AIMg2 basil pengerolanpanasdaD pelat AlMg2 setelahdi anil. Pengukuran konduktivitas panas pelat AIMg2 sebelumdaD sesudahperolanpanas dilakukan dengan menggunakan alat konduktometer. BASIL DAN BABASAN Hasil pengamatandengan mikroskop optik pada spesimen AIMg2 awal, spesimen basil pengerolanpanas daD spesimenAIMg2 setelah dianil pada 425°C selarna1 jam untuk berbagai derajad deformasiditunjukkan pada gambar 1, 2 dan 3. Pengaruh deformasi perolan pada kekerasanpaduanAIMg2 setelah dirol pnas dan setelah di anil pada 425°C selarna 1 jam ditunjukkan pada gambar 4 daD 5. Hasil pengukuran konduktivitas panas dengan konduktometer pada paduan AIMg2 sebelum dan sesudah perolan panas diperlihatkan pada Gambar6.
TATA KERJA Bahan percobaanyang diglmakan adalah pelat AIMg2 dengan unsur pemaduutama : Mg 1,7 -2,4 0/0,daDunsurlainnya seperti Si < 0,3 %, Cr <0,3 %, Mn <0,3 %, Fe <0,4 % dan Ti <0,1%5 Proses perolan dilakukan pada pelat AIMg2 yang telah mengalami pemanaSc1npada 400°C
132
~ Gambar
Strukturmikro paduanAIMg2 awal
Prosiding Presentasi J/miah Daur Bahal! Bakar Nuklir PEBN-BATAN. Jakarta /8-/9 Maret /996
Gambar I memperlihatkan bahwa mikrostruktur padua AIMg2 a\\'al sebelum dikenai perolan panas memiliki struktur butir yang berbentuk equaxial dan sifat kekeraSc1nnya yang relatif lunak serta rendah yaitu sebesar 42 Kg/mm2 ( Garnbar 4),
..too ..d Gambar2. Stroktur mikro basil perolanpada400°C a. deformasi18 % b. deformasi41 % C. deformasi76 % d. deformasi 133% a
Mikro struktur paduan AIMg2 yang telah mengalami perolan panas pacta berbagai deformasi ditunjukkan pacta gambar 2, yang menunjukkanhal-hal sebagaiberikut. Pacta gambar 2a terlihat bahwa mikrostruktur dengandeformasi 18 % memiliki ukuran butir rclatif masihkecil dan tampak mulai terjadi perubahandaTi bcntuk equiaxia/ menjadi pipih. Gambar 4 memperlihatkanbahwa sifat kekerasannya mengalami peningkatan. Peningkatan kekerasan ini disebabkan karena bahan mengalamipengerasanoleh regangan.
b
Dari garnbar 2b. 2c daD 2d rnenunjukkan bahwa struktur rnikro dengandeformasi41 % . 76 % dan 133% tarnpak terjadi pernbesaranbutir daD bentuk butir yang rnernanjang. Hal ini rnenunjukkan bahwa pacta deformasi tersebut terjadi prosesperturnbuhanbutir dan butir tidak rnengalarni rekristalisasi karena paduan AIMg rnerniliki energi salah turnpuk yang tinggi. Garnbar 4 dapat diarnati bahwa peningkatan kekeras.mtidak dialarni oleh spesirnendengan deformasi41 % dan 76 % daD harganya relatif sarna dengan kekerasan yang dipunyai oleh spesirnen dengan deformasi 18 %. Disini rnenunjllkkan bahwa peranan pelunakan oleh rnekanismerecovery rnasih dorninan khususnya recovery dinarnik. Pacta deforrnasi yang lebih
tinggi yaitu pacta 133 %. kekerasan pactUM AIMg2 terlihat rnengalamipeningkatan. Hal ini disebabkan karena pacta deformasi yang lebih
c
bes.1r.butir-butir basil deforrnasirnerniliki energidalarn tinggi. yang disebabkan oleh tingginya
133
Prosiding Prese"rasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir PEBN-BATAN. Jakarta 18-19Maret 1996
kerapatan dislokasi pacta tingkat defonnasi tersebut.Akibatnya terjadi pertumbuhaninti-inti barn yang lebih banyak daD akan membentuk butir yang banyak. Dengan demikian akan memperbanyak batas butir yang merupakan rintangan terhadapgerakandislokasi. Disamping itu pembentukanrasa kedua dipercepat dengan makin besarnyaderajaddefonnasi.Kehadirannya akan pula menghambat gerakan dislokasi sehingga memberikan kontribusi p.1dakenaikan kekuatandaDkekerasannya.
d
1UU ..
..-
Gmnbar3. Struktur mikro basil perolmlpada400 °C dml dianil selama I jmn pada450 °C . a. defonnasi18 % c. defonnasi41 % c. defonnasi76 0/0 d. deformasi 1330/0
a
Mikrostruktur paduanAlMg2 setelah dianil padatemperatur425°C terlihat bahwa butir-butir pipih-memanjangbasil perolan panas kembali kebentuksemulayaitu equiaxia/ denganukuran butir lebih besardari pada spesimenAlMg2 awal seperti ditunjukkan pada gambar 33, 3b, 3c daD 3d. Hal ini menunjukkan bahwa spesimen mengalamirekrist:'llisasidaD pertumbuhanbutir. Dengandemkian diperoleh butir-butir barn bebas regangan daD bebas dislokasi sehingga pergerakandislokasiselanjutnyatidak mengalami bambatan.Akibatnya kekuatandaDkekerasannya turnn sepertidiperlibatkanpadagambar5.
b
Gambar4. Pengaruhdeformasiperolan panas padakekerasanpaduanAIMg2.
34
Prosiding Presentosi Ilmioh Dour Bohon Bokor Nuklir PEBN-BATAN, Jakorla 18-19Moret 1996
oe Delormael
12
tolal
Gambar 5. Pengaruhdeformasiperolan panas pada kekeras.1npaduan AIMg2 setelah dianil selama 1 jam pada 450 °C
200
konduktivitas panas terjadi penurunan setelah dikenai perolanpanas.Hal ini ditunjukkan seperti pada titik pengukuran 100 °C, yaitu harga konduktivitas panas A1Mg2 segar sebesar143 W/moC daD setelah mengalami perolan panas menurun menjadi 140 W/moC. Hal ini dikarenakan deformasi perolan panas mengakibatkan terjadi peningkatan dislokasi yang ditandai dengan kenaikan kekerasan bahan, seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Kondisi seperti ini semakinmeningkatkan ketidakteraturankisi atau menimbulkan cacat krista1 (kisi) seperti kekosongan atomIni menyebabkan terjadinya perubahanaliran panas konduksi menjadi aliran panas secara konveksi pada daerah yang mengalami kekosongan atom, sehingga perpindahanpanasmenjaditerhambatatau menurun. Dengan kala lain, bahwa aliran panas daIam benda padat terisolasi atau terhambat akibat adanya kekosongan atom. Selain itu, ketidakteraturanpada kisi akibat deformasi perolan menyebabkanberkurangnya mobilitas kecepatan gerakanelektron,sehinggamengakibatkanterjadi penurunankonduktivitaspanas.
SIMPULAN
180
Dari basil penelitian ini dapat ditarik bcberapakesimpulanberikut. Paduan AlMg2 basil perolan panas mempunyai bentuk butir pipih memanjang karenatidak mengalamirekristalisasi.Hal ini disebabkan karena besarnya peranan mekanisme recovery, khususnyarecovery dinmnik. 2. KekeraSc'lllpaduan AIMg2 basil perolan panaspada deformasi18%,41 % daD 76 % ad.'llah relatif sarna, tidak mengalami kenaikan. Pada deformasi 133 % harga mengalami peningkat.'ln, karena kerapatan dislokasinya tinggi daD kemungkinan terbentuknya rasa kedua yang akan menghmnbatgerakandislokasi. 3. Proses annealing pada425°C selama1 jam menyebabkanpenurnnan kekerasanpaduan AIMg2 basil perolanpanas. Hal ini karena pada proses anil logam mengalami rekristalisasi dengan ter-bentuknya kristal barn yang bebas regangan daD bebas dislokasi. 4 Konduktivitas panas paduan AIMg2 berkurang setelah dikenai proses perolan panas. Hal ini dikarenakan paduan AlMg2 mengalamipe-ningkatankerapatandislokasi, sehingga terjadi ketidakteraturan kisi atau cacatkisi bernpakekosonganatom. 1
100 50
100
150
200
250
300
350
~oo
~50
TEMPERATVR I"c)
Gambar6. Konduktivitas panas paduan AIMg2 sebelum dan sesudah perolanpanas Pada Gambar 6 ditunjukkan bahwa harga konduktivitas panas paduan AIMg2 basil pengukuranpada berbagaitemperaturcenderung meningkatpada temperaturyang semakintinggi. Hal ini dikarenakanpada temperaturlebih tinggi vibrasi kisi dan gerakan elektron-elektronbebas semakin meningkat, sehingga panas yang berkonduksi dalam benda padat semakin cepat. Selain itu, semakintinggi temperaulrketeraturan kisi meningkat daD kedudukanatom-atom pada kisinya akan lebih sempurnasehinggacacat kisi berupa kekosonganatom semakinberkurang dan daD gerakan-gerakan elektron dapat dengan mudah berpindah melalui kisi. Kondtlktivitas panas paduan AIMg2 sebelum dan sesudah dikenai perolanpanasdiperlihatkanpadaGambar 6. Oari Gambar 6 tampak bahwa harga
135
.
Prosiding Presentasi llmiah Dour Bahan Bakar Nuklir PEBN-BArAN. Jakarta 18-19 Morel 1996
DAFfARPUSTAKA I. SURDIA,T., SAITO,S., "PengetahuanBahan Teknik" ,PT.Danippon Gitakarya Printing, Jakarta-Indonesia, 1985. 2. ALTENPOlll...D, "Aluminum Viewed From Within", SpringerVerlag, Dusseldorf,1982. 3. SISWOSUWARNO,M., "Teknik Pembentukan Logam", Institut Teknologi Bandung,
1985.
4. DIETER,G.E.,
sebinggamengakibastkan terjadinya perbesaran konduktivitasporos
2. NUR ROHMAH Dalam abstrak, Saudara menyatakan bahwa pengamatan secara metalografi-optik daD pengukuran dengan metode vickers menunjukkan adanya perubahan mikro struktur dan kekerasannya. Namun basil menunjukkan bahwa kekerasan mencapai kurang lebih 58,5 kg/mm2 untuk tingkat deformasi 180/0,11 % daD 76% yang ditanyakan : I). Apakah pernyataan tersebut di atas tidak berlawanan ? 2). Apakah untllk tingkat deformasi berbeda memberikan nilai kekerasan yang sarna? 3).Untuk tingkat deformasi 133% kekerasan = 66 kg/mm2 .Mohon jelaskan apakah untuk tingkat deformasi > nilai kekerasan akan meningkat ?
" Mechanical Metallurgy",
Second Edition, McGraw-Hili International Book Company, 1981. 5. Anonym,"Specificationsfor sheetsof AIMg2", Document No. 14-MTR-O6-O2,NUKEM, October,1982 6. METALS HANDBOOK, "Metallography, StructuresAnd Phases Diagrams", Vol.8, 8th Edition, American SocietyFor Metals,1973. 7. POLMEAR. I.J, "Light Alloys, Metallurgy Of The Light Metal", John Willey, Inc, 1979.
TANYAJAWAB
M. HUSNA AL HASA I. HARINI SOSIATI Apakah faktor yang paling dominan yang menghasilkan kekerasan yang hampir (relatif) konstan untuk tingkat deformasi 180/0,41%,dan 76% pada AIMg2 ? Apakah ada batas maksimum lingkat defonnasi yang menycbabkan butir AIMg2 tetap berbentuk pipih pada waktu di rol panas? Mohon dijelaskan bagaimana korclasi densitas dislokasi dengan electron moving dalam kaitannya dengan sifat konduktivitas tenna) I
M. HUSNA AL HASA .Faktor yang dominan adalah mekanisme Recovery khususnya Recovery dinamik. .Deformasi perolan pada AIMg2 menghasilkan butir berbentuk pipih memanjang . Hal ini karena AIMg2 memiliki energi salah tumpuk yang tinggi mencapai 200 ergicm2. Sedangkan batas mak-simum derajat deformasi yang menyebabkan batas AIMg2 tetap berbentuk pipih pada perolan panas tidak ada. Kerapatan dislokasi berhubungan dengan ketidak teraturan kiri atau cacat kristal. Dcngan demikian sernakin tinggi kerapatan dislokasi, semakin meningkat ketidak teraturan kiri. Sebagai akibatnya, ini menyebabkan berkurangnya gerakan elektron,
136
.
Pernyataan tersebut tidak berlawanan, karena kekeraSc1n awal 42 kg/mm2 sedangkan deformasi 18% menjadi 58,5 kg/mm2 daD deformasi 133% menjadi 66 kg/mm2. Tidak, karena pada derajat deformasi tertentu menimbulkan nilai kekerasan yang berbeda. Untuk derajat deformasi > 1,33 kekerasan bahan akan menjadi meningkat. Hal ini karena kerapatan dislokasi meningkat.
3. SUGONDO
.
Mohon sebutkan penggunaan AIMg2. Sehubungan dengan kegtlnaannya tersebut. mohon jelaskan siCatyang mana yang bisa di perbaiki dengan proses termo mekanik.
Apakahhasilnya sepertiyang diharapkan? M. HUSNA AL HASA Paduan AIMg2 digunakan sebagai bahan kelong-songbahanbakar. Sifal-sifal yang dapal diperbaiki dengan proseslermomekanikanlara lain adalah: -Sifal mekanik, seperti kekualan dan kekerasan -Sifal termal, sepcrtikonduktivitaspanas Hasilnya sesuaidcnganyang di harapkan.
.
Prosiding Presentasi /lmioh Dour Bahan Bakor Nuklir PEBN-BATAN, Jakarta 18-19Maret 1996
4. MUL Y ADI.R. Akibat pengerolan, daya hantar panas menurun menurut Saudara, karena ada kekosonganterjadi perubahandari konduksi ke konveksi. Apakah pernyataan Saudara tersebuttidak salah,karena konveksitersebut terjadi hila ada fluida, sedangkandalamatom tak adafluida ? M. HUSNA AL RASA Deformasi perolan mengakibatkan ketidak teraturan kisi atau menimbulkan cacat kristal ( kisi ) seperti kekosongan atom. Dengan demikian perpindahan panas menjadi terhambat pada daerah yang mengalami kekosongan atom. Selain itu
gerakan elektron berkurang, sehingga mengakibatkan terjadinya penurunan konduktivitaspanas. Pernyata.'lnperubahaan daTi konduksi ke konveksi, pc'lda daerah yang mengalami kekosonganakibatketidak teraturankisi atau cacat kristal dapat dibenarkan. Hal ini dikarenakanpada daerah yang kosong akan terisi oleh fluida berupa gas. PerIn di ingat bahwa deformasiperolan panasberlangsung pada temperaturtinggi dan bahanmengajami pemanasanpadatemperatur400 °C. Dengan demikian hidrogen dapat larut ke dalam alumunium padat akibat reaksi permukaan dengan nap air selama berlangsungnya solution treatmentdaD di samping itu masih ada kandungan hidrogen bawaan material yang Sltkardi hilangkan.
137
