Fraktografldun MetalograflSampelHasil Uji Tarik Incoloy800H Non Iradiasi dun PascaIradiasi (Budi B. 18 -22)
FRAKTOGRAFI INCOLOY
DAN MET ALOGRAFI 800H NON IRADIASI
SAMPEL HASIL UJI T ARIK DAN PASCA IRADIASI
Budi Briyatmokot, Nusin Samosirl daD SuryantoZ 'P2TBDU- BATAN. Kawasan Puspiptek,,~erpnng. Tangerang 1531./, Banten 2p2PN- BATAN, Kawa.\'anPu.\'piptek,,~erpong, Tan""eral)KI531./. B£mten
ABSTRAK PASCA
FRAKTOGRAFI DAN MET ALOGRAFI SAMPEL HASIL UJI T ARIK INCOLOY 800H NON IRADIASI DAN IRADIASI. Telah dilakukan fraktografi dan metalografi sampel hasil uji tarik Incoloy 800H non iradiasi dan pasca
iradiasi, Sampel tersebut telah diiradiasi dalam realtor pada temperatur 375 °C denganjluence
netron termall,
I x 1021n/ cm2 dan
netron cepat (E>O, I MeV) 1,0 x 1021n/ cm2, Sampel non iradiasi dikcnai pcrlakuan panas pada suhu 375 °C sclama 126 hari dalam media helium, Uji tarik telah dilakukan pads suhu 600 °C dan 850 °C dengan waktu penahanan masing-mlL~ing I jam pad a kondisi atmosfir, Patahan sampel uji tarik tersebut diamati dengan menggunakan bentuk patahan secara makroskopik,
mikroskop
optik. Fraktografi
dilakukan
untuk melihat
Metalograti dilakukan didaerah patahan sarnpai dengan 15 mm dari ujung patahan. Karaktcristik
patahan sampel non iradiasi pada suhu 600 °C dun 850 °(.: uduluh du(.'tile ji'(J(.'fur,', Sumpc! puscu iradiusi pudu suhu bOO "c..' mempunyai karaktcristik du(.'tile!racture, scdangkan pada suhu 850 °(' karaktcristik palahannya adalah ill/('r,l,'rallular/i"acturc, Jadi dapat diduga bahwa telah te~jadi irradiation emhrilllement pada Incoloy 800H pada suhu 850 °('.
ABSTRACT FRACTOGRAPHY AND META LLOGRAPHY OF TENSILE TESTED SA MPLES OF NON IRRADIA TED AND POST IRRADIATED INCOLOY 800H. Fractography and metallography of tensile tested samples of non irradiated and post irradiated Incoloy 800H had beenconducted. The sampleshad beenirradiated in reactor at 375 °<';with thermal neutron 11u~nc~ of 1,1 x 1021n/ cm2and fast neutron (E>O,I MeV) of 1,0 x 1021n/ cm2. Non irradiated sampleswere heat treated attemperaturc of 375 °C for 126 days in the medium of helium. Tensile tests had beenconducted at temperatures of 600 °C and 850 °C \\'ith holding time eachfor I hour in the atmosphere condition. The tensile tested sampleswere examined by using optical microscopc. Fractography has been conducted on the samples to examine fracture mode macroscopicly. Metallography observations \\crc done in the fracture area up to 15 mm from point of the fracture. The characteristic of non irradiated samples at temperatllrC5 of 600 °C and 850 °C is ductile fracture. Post irradiated samples at 600 °C have characteristic of ductile fracture. while at temperature of850 °C the fracture characteristic is intergranular fracture, So, it can be predicted that irradiation cmbrittlcmcnt was occur in Incoloy 80011 at temperature of 850 °C .
1. PENDAHULUAN Paduan Incoloy 800H merupakan paduan super alloy yang berbasis campuran nikel-besi, Paduan ini mempunyai struktur FCC dan mengandung presipitat y' dengan struktur NiJAI yang bersifat mengeraskanbahan, Presipitat tersebut dapat dilihat dengan mikroskop optik[l]. Paduanini memiliki sifat ketahanankorosi tinggi dan tahan suhu tinggi. Karena sifat keunggulan yang dimiliki tersebut maka paduan ini dipakai sebagaimaterial struktur pactareaktor suhu tinggi, misalnya sebagai komponen intermediate heat exchanger,[1,2] Material tersebut hams mampu menahan kegetasanyang terjadi pacta suhu tinggi akibat oleh adanya helium menurut reaksi s8Ni(n,y) s9Ni(n,a) s6Fe.[3]Terjadinya kegetasan Tabel
18
Komposisi
pada bahan sangat tidak diharapkan. Pad a penclitian ini dipelajari kemungkinan terjadinya kegetasan (embrittlement) pad a Incoloy 800H dengan mengamati patahan hasil uji tarik menggunakan mikroskop optik.
2. TATAKERJA Bahan yang dipelajari adalah patahan sampel lncoloy 800H hasil uji tarik pada suhu 600 dan 850 DC dalam kondisi atmosfir, Komposisi materiallncoloy 800H tertulis dalam Tabel I. Sebagian sampel uji tarik telah mengalami iradiasi pacta suhu 375 DC denganfluef7("" netron termal 1,1 x 1021n cm-2 dan netron cepat
kimia Incoloy 800H (dalam %)
J. Mikro.~kopi dun Mikrounu/isis Vo/.3 No.ll000
J. Mikroskopi dun Mikroanalisis Vol.3No.2 2000
ISSN /4/0-5594
(E>O, I MeV) 1,0 x 1021n cm-2. Sampel non iradiasi telah mengalami perlakuan panas pada suhu 375 °C dengan waktu sarna dengan waktu iradiasi yaitu 126 hari dalam media helium. Bentuk sampel uji tarik adalah silinder dengan ukuran panjang gauge 28 mm dan diameter gauge 4,5 mm. Patahan sampel hasil uji tarik diamati dengan
(u)
menggunakan mikroskop optik untuk melihat struktur mikro sampel sebelum dan sesudah iradiasi pada suhu tinggi. Pengamatan fraktografi dan metalografi dilakukan dengan menggunakan periskop dan mikroskop optik, keduanya dilengkapi dengan alat fotografi. Fraktografi dilakukan untuk melihat bentuk patahan sampel secara makroskopik. Sedangkan metalografi dilakukan di daerah patahan sampel non iradiasi dan pasca iradiasi pada posisi kurang lebih 15 mm dari ujung patahan (di daerah
(II)
necking). Pada daerah tersebut sampel dipotong dengan menggunakan abrasive diamond cutter, kemudian potongan dibelah menjadi dua. Hasil belahan tersebut di mounting dan digerinda. Penggerindaan dilakukan dengan piringan intan dengan grit 320 selama 6 menit memakai pendingin kerosin. Selanjutnya. penggerindaan dilakukan dengan menggunakan abrasifsilikon karbit grit 400 selama 50 detik dengan pendingin terpentin. Berikutnya sampel dipoles dengan pasta intan grit 3 dan I mm masing-masing selama 3 dan 2 men it. Sampel kemudian dietsa dengan reagen kimia V2A-Beize selama 5.10 detik. Pemeriksaan
metalografi
dilakukan
dengan
mikroskop optik. Analisis kekerasan sampel uji tarik non iradiasi dan pasca iradiasi dilakukan dengan menggunakan uji kekerasan mikro Vi(,'kers Hardness Hv
0,1 yaitu dengan menggunakan beban 100 gram dan waktu indentasi 15 menit. Titik pengujian pada sampel dimulai dari ujung patahan sampel sampai dengan 15 mm dari ujung patahan.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN Pad a Gambar I a clan 1b ditunjukkan
perbedaan
strukturmikro hasil pengamatan dengan mikroskop optik masing-masing untuk bahan non iradiasi clan bahan pasca iradiasi. Dari gambar tersebut nampak bahwa ukuran butir dipengaruhi oleh iradiasi. Pada bahan pasca iradiasi ukuran butimya lebih besar dari pada ukuran butir bahan non iradiasi. Kedua bahan terse but dipanaskan pada suhu 375 °C clan waktu 126 hari, bahan non iradiasi dipanasi di dalam tungku clan bahan yang lain diiradiasi di dalam reaktor. Adanya pertumbuhan butir pada bahan pasca iradiasi dimungkinkan karena adanya gradien suhu di dalam reaktor sehingga dapat timbul adanya regangan (strain) di dalam bahan. Bila bahan mengalami strain maka dimungkinkan dapat terjadi pertumbuhan butir. Ukuran butir sangat mempengaruhi sifat mekanik bahan. Makin besar ukuran butir makin rendah kekuatan mekanik dan mudah patah[4].
Gambar 1. Strukturmikro bahan non iradiasi (a) dan pa~ca iradiu£i (b); pcrbl:~urul1 100 x
Namun demikian, karena pada bahan yang tclah diiradiasi umumnya terbentuk cacat titik akibat tumbukan neutron dengan atom-atom bahan, makn kckuatan hahan yang telah diiradiasi akan tetap lebih tinggi. Hal ini karcna dengan adanya cacat titik maka pergerakan dislokasi Yallg terjadi pada saat bahan mengalami peregangan akan terhambat. Tertahannya laju dislokasi terse but menyebabkan tegangan menjadi naik atau bahan mcnjadi kuat, namun keuletannya menjadi berkurang. Pad a kcdua gambar terse but nampak adanya bintik-bintik kccil yang terdistribusi merata baik di dalam butir maupul1 di batas butir. Bintik-bintik terse but kemungkinan adalah presipitat yang terbentuk dari unsur paduano Struktur presipitat tersebut dapat berupa Ni,AI. MC. M,.C. dan M2)C", dimana M adalah unsur logam dan C adalah karbon[ I]. Namun demikian, karcna pada paduan ini kandungan C sangat kecil maka kemul1~kinan presipitatnya ban yak yang mempunyai struktur Ni,AI.
(a)
(b)
Gambar iradiasi
2
Strukturmakro
patahan
(a) dan pa.~'a iradiasi
(h):
sampcl pcrhcsaran
uji
tarik
non
2 x
19
~ I
Fraktografi don Meta/ografiSampe/Has;/ Uj; Tar;k Inc%y 800H Non Irad;as;don PascoIrad;as; (Budi B. 18 -22)
Pada sampelpasca iradiasi presipitat masihtetapnampak. Artinya, presipitat tidak larut oleh akibat adanya iradiasi dan masih stabil sampai dengan suhu iradiasi 375 DC. PadaGambar2a dan 2b ditunjukkan bentukmakro patahansampeluji tarik pada suhu600 DCmasing-masing berturut-turut adalah sampel non iradiasi dan pasca iradiasi. Pada kedua gambar tersebut nampak bahwa kedua sampel sebelum patah pada ujungnya mengalami pengecilan diameter (necking). Besamya necknig untuk kedua sampel nampak hampir sarna. Dengan demikian dapat dimengerti bahwa keuletan kedua sampel adalah relatif sarna. Terjadinya necking pada ujung patahan sampel uji tarikjuga dapat dianalisis dari data hasil uji kekerasanpatahan sampeldi daerah necking sepertiyang ditunjukkan dalam Tabel2. Tabel 2. Kekerasan patahan sarnpel uji tarik Incoloy 800H non iradiasi dan pasca iradiasi pada tcmpcratur uji 600 dan 850. C. Jarak Kekerasan patahan dari ujung
Posisi
~
II
~
~14
341
308
600
5
1500 2000 3000
8 9
~'-n-
242
I
319 327
I
10000
15000
I
195
383
I
ill114
394 425 382 390 359 329 292 304
189 215
221
297 O4311
~
224 5()OC
425
304m 211 202 205 183 190
178 219
,'". {iambar
3 Strukturmikm
non iradia~i 600 °(';
' , ujung
(a) dan ~ampcl
pcrbc~aran
patahan
pa~ca iradia~i
~ampcl
uji tarik
(bl pada ~lIhll
100 x
225 201
199 201
Adanya necking rnenunjukkan bahwa di daerah terse but terjadi penurnpukan dislokasi yang bergerak rnenuju ujung patahan akibat adanya uji tarik. Dengan menurnpuknya dislokasi pada ujung sam pel rnaka pada daerah itu kekerasannya menjadi tinggi. Pada suhu 600 °C untuk sarnpel non iradiasi, pengerasan karena necking terjadi mulai dari ujung patahan sampai dengan 3000 j.lm dari ujung patahan. Sedangkan untuk kondisi yang sarna pada sarnpel pasca iradiasi, pengerasan karena necking terjadi rnulai dari ujung patahan sarnpai dengan 2000 j.lrn dari ujung patahan. Artinya necking yang terjadi pada sampel pasca iradiasi relatif sedikit lebih pendek. Jadi panjang necking untuk kedua sarnpel tersebut dapat dianalisis dari hasil uji kekerasan. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa Incoloy 800H yang telah diiradiasi clan diuji tarik pada suhu 600 °C rnasih rnenunjukkan keuletan yang hampir sarna dengan bahan yang tidak diiradiasi. Artinya, bahan tersebut rnasih tahan iradiasi sampai dengan suhu 600 °C. Pada Gambar 3a clan 3b ditunjukkan struklum,ikro ujung patahan sarnpel uji tarik pada suhu 600 °C masingmasing berturut-turut adalah sampcl non iradiasi dan sarnpel pasca iradiasi. Dari gambar terse but narnpak bahwa pada sarnpel non iradiasi terjadi patah ulet (duc-
20
(b)
-
'
260
262
I
329ill
5000
7000
:ij
...
tarik, HV 0,1 Pa.o;ca iradiasi
I R50°C !-6~'
atahan 300
1000
I
sam~~ji
Non iradlaSI -1600°('
patahan (~ m)
'
(a)
tile fracture). Karakteristik terjadinya patah ulet dapat ditunjukkan dengan adanya pergeseran balas butir. dimana bentuk butimya memanjang searah legangan, Lebih dari itu, juga ditunjukkan dengan adanya lubanglubang yang memanjang searah tegangan yang dilerima oleh bahan tersebut. Lubang-lubang tersebul berada di dekat ujung patahan. Lubang (void) dapat timbul karcna adanya pengaruh suhu tinggi, tegangan linggi. dan komposisi matrik yang heterogen,[5) Lubang tersebut juga dapat timbul pada inklusi dan dapat bergabung menjadi satu karena terjadinya internal net'kin"". [5] Sedangkan lubang (\'oid) pada sampel pasta iradiasi (Gambar 3b), selain dari adanya inklusi atau presipilat juga dapat berasal dari penggabungan vakansi yang timbul akibat iradiasi. ~'oid at au ca\'ii)' umumnya lebih mudah terbentuk pada batas butir dim ana lerjadi konsentrasi tegangan. Salah satu cacat di dalam batas butir yang dapat menyebabkan timbulnya void adalah partikcl presipitat,[5) Partikel ini sangat efeklif sebagai pusat konsentrasi tegangan, ~'oid dapat tumbuh mcnjadi besar dengan menyerap vakansi-vakansi schingga dapal saling bergabung menjadi satu dan menjadi lebih bcsar yang akhimya dapat menyebabkan tcr:iadinya patah. Pad a suhu 600 °C, sampel non iradiasi dan pasta iradiasi masih menunjukkan sifat keuletannya, Kcdua sampcllersebut patah setelah mcncrima tegilngan yang cukup tinggi, dan sebelum patah menunjukkan nilai elongasinya tinggi,
adanya necking sehingga
J. M;kro.fkop; dun M;kroana/is;s
Vo/.j No.2 2000
J. Mikroskopi dan Mikroanalisis Vol.) No.2 2000
/SSN /4/0-.i'.i'94
dekat ujung
patahan
menunjukkan
retakan
yang
berbentuk w (wedReJ. dan sedikit yang berbentuk lobang (cavity) atau void. Dimungkinkan bentuk patahannya dapat mengikuti bat as butir bila di dalam batas butir tersebut terdapat banyak rctakan yang berbentuk wedge.
(a)
Biasanya retak kecil yang berbentuk II'ed",,(' terbentuk secara spontan pad a titik temu tiga batas butir (Rrain houndaryi triple pni"t.~) yang mcngalami tegangan.rS] Sedangkan pada sampcl pasc;a ir"dia~i I1\cnunjukknn tclah terjadi patah getns (hrittl(',ji'/I,.tur('I. Iial ini nan1J'1nk dari tidak adanya lobang atau retak kecil disekitar ujung patahan, dan bentuk butirannyn tidak n1emanjang dan secara mnkroskopik tidak terjndi ",'cki"",. Pada sam pel pasca iradiasi juga mcnunjukkan adanya bcntuk patahan
(b)
struktum1akro patahan sam pel hasil uji tarik pada suhu 850 °C masing-masing berturut-turut adalah sampel non
imergranular yaitu putah yang mcngikuti batas butir (grain boundary fracture). Tidak adanya in/ernal,'rack atau kavitasi di dekat permukaan patahan dan tidak adanya deformasi butir pad a sampel pasco iradiasi dapat discbabkan karena terjadinya proses pcngcrasan akibat radiasi (radia/ion har,Ienin",) pada butir. Adanya radiation hardeninR tersebut menyebabkan terjadinya patah get as ~cpanjal1g bat as butir. Scdangkan patal1 uici
iradiasi dan sampel pasca iradiasi. Patahan sampel non iradiasi (Gambar 4a) menunjukkan telah terjadi necking
yang terjadi pada sampel non iradiasi dapat disebabkan karena retak-retak kecil atau kavitasi yang ada 111cngalan1i
yang cukup
pertumbuhan sangat lambat akibat dari proses difusi pergeseran batas butir.
Gambar 4. Strukturmikro patahan semper uji tarik non iradiasi (a) dan pasca iradiasi (b); pcrbcsaran 7 :<
Pada Gambar
tinggi
4a dan 4b ditunjukkan
dan nampak
gambar
jelas berbeda
bila
dibandingkan dengan patahan sampel pasca iradiasi (Gambar 4b). Artinya, sampel non iradiasi masih menunjukkan keuletannya, sedangkan sampel pasca iradiasi sudah menunjukkan kegetasannya karena pada sam pel pasca iradiasi sebelum patah tidak terjadi necking. Jadi secara makroskopik sudah dapat dimengerti bahwa sampeJ pasca iradiasi sudah menunjukkan terjadinya patah getas. Seperti diuraikan di atas, tcrjadinya IIt:cking pada ujung patahan sampcl uji tarik juga dapat dianalisis dari data hasil uji kekerasan seperti yang tertulis daJam TabeJ 2. Pada suhu 850 °C untuk sampel non iradiasi, pengerasan karena necking ter:iadi mulai dari ujung patahan sampai dengan 7000 f.1mdari
(3)
ujung patahan. Sedangkan untuk kondisi yang sarna pada sampel pasca iradiasi. pengerasan karena necking hanya terjadi pada ujung patahan. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa untuk sampeJ pasca iradiasi sebeJum patah tidak terjadi necking. Jadijelas bahwa Incoloy 800H yang telah diiradiasi clan diuji tarik pad a suhu 850 °C menunjukkan adanya patahan yang bersifat getas. Artinya bahan tersebut tidak tahan iradiasi pada suhu 850 °C. Pada Gambar 5a clan 5b ditunjukkan struktum1ikro ujung patahan sampeJ uji tarik pad a suhu 850 °C masingmasing berturut-turut adalah sampel non iradiasi clan sampel pasca iradiasi. Dari gambar tersebut nampak bahwa pada sampel non iradiasi telah tcrjadi patah ulct (ductile fracture). Karakteristik terjadinya patah ulet dapat ditunjukkan dengan adanya bentuk butir yang memanjang clan adanya lobang-iobang di d,kat ujung patahan yang memanjang searah tegangan yaAg diterima oJeh bahan tersebut. Pada sampeJ non iradiasi didaerah
(b)
Gambar
5. Slruklurmikro
non iradiasi
ujung
palahan
(a) dan pas.:a iradia.'ii (h);
samp.:1 uji p.:rh.:saral1
tarik 100 x
Tcrjadinya kegetasan bahan pasta iradiasi pada suhu tinggi juga dapat disebabkan olch adanya helium yang dihasilkan dari proses transmutasi komponcn
Fraktografi don Metalografi Sampel Hasil Uji Tarik Incoloy 800H Non lradiasi don Pasco lradiasi
paduano Adanya
mikroskop
optik,
He tidak
tetapi
dapat diamati
pengamatannya
dengan
4. KESIMPULAN secara
visuallebih besar dari pad a ukuran butir bahan non iradiasi, diduga karena regangan (strain) yang timbul akibat adanya gradien suhu sehingga
2.
4.
5. DAFTAR rUST AKA
harus
menggunakan SEM atau TEM dimana pada penelitian ini tidak dilakukan.
Pada bahan pasta iradiasi ukuran butirnya
(Budi B. 18 -22)
menurunkan kekuatan bahan. Sampel non iradiasi dan pasta iradiasi pada suhu 600°C mengalami patah ulet (ductile fracture) sehingga timbul neckiI1,1,'. Pad a suhu 850°C karakteristik patahan sampelnon iradiasi masih sarna dengan yang terjadi pada suhu 600 °C, sedangkan pada suhu 850°C untuk sampel
[I]. JASTRZEBSKI, Z.D., 'The Nature And Properties ofEngineeringMaterials',3fd edition, 331-332,1987, NewYork, John Wiley & Sons. [2]. ANONIM, Metals Handbook, IO'hedition.,VoI.I, p. 950, ASM International. 1990. [3]. OLANDER, D.R., 'Fundamental Aspectsof Nuclear Reactor Fuel Elements', 1976,418-462, Berkeley, Dept. of Nuclcar Enginl)cring Univcrsity of California. [4]. FURUTA, D. and KAWASAKI, S., ,!uurnlll c?f !\'uclearMutc.'riuls. 1973,47,102-104. [5]. 11ARRIES, .!ullrnlll rift/'I.' British ."'III.'/!.'urEn"r,~\' ,<;'()cic.'(v, 1966,5,74.87.
pasca iradiasi karakteristik patahannya menunjukkan bentuk patahan intergranular. Incoloy 8OOH masih tahan iradiasi sampai dengan
suhu 600°C, namun pada suhu 850°C sudah mengalami kegetasan akibat iradiasi.
22
Kembali ke Jurnal
J. Mikroskopi dun .Wikrounu/i.\"is Vo/..~ No.2 2000
