Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III Serpong, 20 -21 Oktober 1998
ISSN 1410-2897
PENGARUH KANDUNGAN Ni DAN Cr PADA BAJA KANDUNGAN KARBON SANGAT RENDAH TERHADAP HARGA IMPAK PADA SUHU -100°C
'536
YUSWODO daD Yusuf Puslibang Metalurgi LIPI
ABSTRAK PENGARUH KANDUNGAN Ni DAN Cr PADA BAJA KANDUNGAN KARBON SANGAT RENDAH TERHADAP DARGA IMPAK PADA SUHU -100-C. Baja kandungankarbon sangatrendah bersifat sangattangguh,hargaimpak pada suhu kamar adalah 140 J/cm2. lebih tinggi hampir tiga kali dari pada baja karbon rendah konvensionil. Tetapi baja ini pada suhu sangat rendah-100.C. ketangguhannya menurun, harga impaknya turun drastis hingga 12.68 J/cm2. Komposisinya adalah 0.05%C. 0.0 12%Si. 0,21%Mn. 0.0097%P. 0,025%S. Pada komposisi tersebutmelalui penambahanNi dengan kandungan masingmasing sekitar 1%Ni clan2%Ni. hanya sedikit berpengaruh terhadappeningkatan kekuatannya. Tetapi pada baja paduan renda~' ini. adanya kandungan Ni berpengaruhterhadap peningkatan harga impaknya pada suhu sangatrendah. Harga impak pada suhu -IOO.C adalah 147 J/cm2, mendekati harga impak pada suhu kamar. Baja paduan rendah kandungan Ni ini bisa dimanfaatkan sebagaimaterial untuk suhu kriogenik. Pada komposisi tersebut, dengan kombinasi kandungan unsur Ni clanCr hingga 3,62%Ni clan 1.46%Cr terjadi perubahan strukturmikro. yaitu adanya bainit. Pembentukan tipe strukturmikro ini berpengaruh terhadap peningkatan kekuatannya. Tetapi pada suhu sangat rendah -100.C mengakibatkan penurunan harga impaknya.
ABSTRACT INFLUENCE OF Ni AND Cr CONTENT IN THE VERY LOW CARBON CONTENT STEELS FOR THE IMPACT VALUE AT -lOO"C. Impact value of the very low carbon content steel at room temperature is in about 140 J/cm2,three time more higher than the low carbon conventional steels. This is the besttoughness steels. But the toughness of this steelis not good at very low temperature. It's impact value decreasedrastically up to 12.68 J/cm2 at -IOO'C. It's composition is an 0.05%C, O.012%Si, 0.21%Mn, O.0097%P,0.025%S. In this composition, addition ofNi, this is an alloying element by I%Ni and 2%Ni contents, did not affect to the increasing of their strength. But Ni content in the very low carbon content steels is potent to increasing of impact value at low temperature. Because of 1%Ni content, it's impact value at -I OO'C was almost same comparing with impact value at room temperature, up to 147 J/cm2. The low alloy Ni steels with very low carbon content can be used as materials for cryogenic temperature. Combination of 3.6%Ni and 1.5%Cr content in this steel affect to the change of microstructure. Bainitic acicular appeared,and it was followed by increasing of their strength. Because of Cr content, their impact value at -IOO"C are decrease
KEYWORD Cryogenictemperature.Impact,Dimple
PENDAHULUAN Kandungan Ni yang relatifkecil (0,5% sid 2%) di dalam baja paduan rendah pada mulanya kurang dikenal, karena tidak berpengaruhterhadappeningkatan kekuatannya, jika dibandingkan dengan kandungan unsur lain seperti Mn, Cr, dan Mo. Oleh karena itu kandungan Ni di dalam baja biasanya dikombinasikan dengan unsur-unsur tersebut. Kandungan Ni sekitar 8% di dalam baja bertindak sebagai unsur pembentuk rasa austenit pada suhu kaInar. Kandungan di bawah harga tersebut larut padat di rasa ferit. Dalam perkembangan iptek akhir-akhir ini, dibutuhkan material yang mempunyai sifat ketahanan pada suhu kelewat dingin, seperti misalnya sebagai wadah beberapajenis gas yang telah dicairkan. Material untuk wadah cairan yang kelewat dingin ini, sifat material yang dibutuhkan adalah harga impak yang
Yuswono dun Yusuf
tinggi pada subu rendah. Material yang mempunyai kekuatan dan harga impaknya yang sekali gus tinggi. Material yang mempunyai sifat demikian ini bisa digunakan pada subu kriogenik. Padahal sifat-sifat materiallogam umumnya mempunyai subu transisi, artinya pada suhu tertentu di bawah Dol, harga impaknya turnn drastis. Seperti pada baja, harga impaknya bisa turnn drastis pada suhu sekitar -1OO.C[1]. Oleh karena itu penggunaan konstruksi dari baja konvensionil dilingkungan suhu sangat rendah (dibawah Dol), hanya mungkin bisa diatasi dengan menggunakanbaja paduano Informasi menyebutkanbahwa kandungan Ni atau MIl di dalam baja ternyata bisa mempertahankan harga impaknya pada suhu kelewat dingin[2]. Masalah yang dihadapi adalah apakah betul bahwa kandungan Ni itu sendiri bertindak sebagaiunsur pemadu untuk mempertahankan sifat ketangguhannya pada baja kandungan 135
..
.. ..
ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri III Serpong,20 -21 Oktober 1998 karbon sangat rendah. Pemanfaatan baja ini karena mempunyai harga impak yang relatif tinggi pada subu kamar serta kemudahan dalam fabrikasinya. Apabila berhasil maka akan diperoleh material baja yang mempunyai sifat ketahanan pada suhu kriogenik yang mempunyai harga impak sangattinggi. Dalam makalah ini akan disajikan pengaruh kandungan Ni terhadap harga impak pada suhu -IOOOC pada baja kandungan karbon sangat rendah. Karena kandungan Cr di dalam baja berpengaruh pada peningkatan kekuatan daDharga impaknya pada suhu kamar, maka perlu diamati pengaruh harga impak pada suhu rendah pada kombinasi kandungan Ni dan Cr.
TEORI DASAR Sifat-sifatElastisitasLogamPada SuhuSangat rendah Keteraturan posisi atom-atom logam dalam bentuk kristal perperan dalam pembentukanikatan logam. Logam yang mengalamitegangantank pada bataselastismengalamipergeseran.Atom-atomlogam bergeser.berpindahtempatkedudukanyangbaru. daD kembalike tempatsemulabila tegangantank tersebut ditiadakan[3]. Gambaranmengenaipergeseranposisi atom-atomkarenaadanyabebantegangantarik elastis ditunjukkanpadaGambarI.
.. ..... ..
....
+-
(a)
....
ISSN1410-2897 gelombangsuara (v) denganharga elastisitasnya(y), sepertipadarumusdi bawahini v = yip p: masajenis Berdasarkannunus di alas, berarti sifat elastisilas logam dapat diamati pada perambatan gelombang ultrnsonik yang dimmmtkan melalui rnateriallo~. Dari basil percobaan ditunjukkan gejala bahwa, adanya pelemahan parambatan gelombang suara dengan semakin turunnya suhu. Babkan pada suhu sernakin rendah lagi, gelombang suara tidak dirambatkan oleh materiallogam, atau diserap oleh materialnya. Hal ini berarti elastisitas logam pada suhu sangat rendah bisa mengecil daD bisa hilang sarna sekali. Walaupun ada tegangan geser. atom-atom logam seperti yang ditunjukkan pada Gambar I tidak bisa bebas bergerak. Lain keadannnya,apabila logam merupakan paduanoGelombang suara sebagian diteruskan dan sebagian diserap. Jadi untukjenis paduan logam tertentu, akan memungkinkan adanya kesempatan perambatan gelombang suara pada suhu sangat rendah. Adanya substitusi atom-atom unsur pemadu memungkinkan adanya perambatan gelommng suara. Getaran antar atom-atom logam pada kisi-kisi kristalnya dipengaruhi oleh suhu. Suhu makin rendah amplituda getarnya makin berkurang. Penurunan amplituda getar ini berpengaruh terhadap pengurangan jumlah cacat dislokasi titik pada kisi-kisi atom logam. Akibatnya pada suhu rendah, posisi atom-atom logam menjadi lebih teratrur, atau logam mempunyai tingkat kristalisasi yang tinggi. Peningkatan kristalisasi logam mengakibatkan penurunan elastisatasnya. Tingkat kristalisasi logam dapat diUkur dari harga resistivitas pada suhu rendah. Penurunan suhu diikuti oleh turunnya resistivitas hingga mencapai harga konstan r. (lihat Gambar 2) [5]. Barga r. berubah padajenis paduan logam tertentu, yang dapat meningkatkan elastisitasnya.
(b) Gambar
Pergeseranatom-atomadanyategangangeser t (a). atom kembali semulatanpaadategangan (b).
Pada suhu sangat rendah ditunjukkan suatu gejala bahwa elastisitas logam menjadi rendah dengan turunnya suhu, bahkan pada suhu sangat rendah harga elastisitasnya bisa mendekati nolo Hal ini berarti harga impak logam bisa menjadi sangat rendah dengan turunnya suhu. Fakta ini ditunjukkan melalui pemberian rambatan gelombang ultrasonik terhadap logam pada suhu sangat rendah[4). Hubungan cepat rambat
136
PI>
~T Gambar 2. Gambaran skematis yang menyatakan bubungan antara resistivitas P dengan temperatur T. Pada suhu sangat rendah harga resistivitasnya menjadi konstan Po'
ProsidingPertemuanIlmiah SainsMater; III Serpong,20 -21 Oktober 1998 Sifat-sifat Elektron i.ogam pada Suhu Rendah Ada dua hal yang berperan dalam mewujudkan ciri-ciri ikatan logarn, yaitu gaya tarik dan gayatolak antar atom-atom logam pada kisi-kisi kristalnya, dan orbital elektron terluar atau elektron valensi yang bebas bergerak. Sifat-sifat elektron bebas juga mempunyai peranan terhadap harga elastisitas logam pada suhu reOOab.Pada logam, ada interaksi antara elektron bebas dengan perarnbatan gelombang suara.Pada suhu sangat rendah, jejak bebas rata-rata elektron bebas lebih besar dari pada panjang gel om bang suara. Akibatnya gelombang suara kehilangan energi atau tidak dirarnbatkandi dalarn mediwn materiallogam. Tingkah laku gas elektron di dalam material logam dinyatakan dengan suhu Fenni sebagai berikut :
ISSN 1410-2897 yang digunakan pada percobaan ill adalah alumina. Sebagaifluk penutup pennukaan baja cair ditarnbahkan CaO. Cairan baja dibiarkan di dalam tungku hingga suhunya mencapai 1650°C. Untuk mengurangi kandungan sulfur ditambahkanbatuan flourspare (Ca}'). Baja cair di dalam tungku dituang ke dalam ladel, kemudian dituang kedalam cetakan pasir bentuk Y blok (dimensi liliat Gambar 4) yang telah disediakansebelumnya.
TF~5xlO4K TF: suhuFenni Jadi pada suhu kamar T«T F' elektron menjadi lebih efcldifmembentuk suatuikatan logam. Pada suhusangat rendah, elektron tidak bebas bergerak, seolah-olah terkurung dalam suatu ruangan bola. Ruang gerak elektron digambarkan oleh momentum dalam ruang bola Fenni (Garnbar 3). Pada suhu sangat rendah besarnya momentum elektron hanya terjadi di dalam bola Fermi. Hal ini berarti bahwaruang gerak elektrondi dalarn logam terbatas.Akibatnyajejak bebasrata-rata elektron menjadi lebih panjang dengan sernakin menunmnya suhu, dan tidak akan berfungsi sebagai media perambatan gelombang suara. Akibatnya elastisitas logam menjadi turun, dan rapuh.
Ruangbola
pz
Gambar 4. Skematis dimensi Y blok. Dimensi dalam mm.
Pengujian Contoh untuk uji adalah basil potongan dari Y blok (posisi lihat Gambar 4). Dilakukan rol panas terhadap contoh uji, pemanasan pada suhu sekitar 1150"C,reduksi 300/0,pendinginan di mOOiatxIara (ruang terbuka). Ada tiga tahap pengujian yaitu : I. Uji komposisikimia 2. Uji metalografi optik 3. Uji mekanik : kekuatantarik-regangan, daD uji impak (subsize specimens)[6]
Uji impak dilakukan pada suhu kamar dan suhu -100°C. Pengujian pada suhu rendah dilakukan dengan cara mengalilkan CR. cair (titik didih -IOO"C)ke contoh uji. Py
-~
Gambar 3. Gambar skematis ruang bola Fermi yang menyatakangas atau elektron (fermion), yang manapadasubusangatrendahT«T.. keadaan momentumruangnya terbatasdi dalam bola.
CARAPERCOBAAN
BASH..PERCOBAAN Basil Anatisa Komposisi Kimia Hasil analisa komposisi kimia dapat dilihat pada Tabel I, ditunjukkan bahwa termasuk baja dengan kandungan karbon sangat rendah lebih kecil daTi pada 0,10/0.
PembuatanPaduan
Basil Uji Metaiografi
Tungku induksi kapasitas 200 kg digunakan untuk pembuatan paduan baja rendah. Sebagai bahan baku adaIah skrap baja, komposisinya adalah : 0,05% C,
Pengamatanstruktur mikro dari Garnbar 5,dapat diterangkan sebagaiberikut : -Gambar 5a, matrik : ferit, tidak tampak adanya presipitasi karbida, akibat kadungan karbon yang sangat rendah. -Garnbar 5b, tipe sb1JkturmikronyasarnasepertigantJar
0,2%Si, 0,5%Mn, O,OSO/op, 0,08% S. Thngku diIIUJati skrap baja. Setelah baja di dalam tungku mencair dilakukan penambahan pemadu fern Fe-Ni dan Fe-Cr. Lining tungku
HIswono don YuBU!
137
Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III Serpong, 20 -21 Oktober 1998 Tabel
Analisa komposisi kimia contoh baja paduan rendah dengan kandungan Ni clan Cr
c
Kode paduan
Si
Mn
~
s
p
~
Ni (%)
Cr (%)
.f!!!l
~
.f!!!l
Fe-O%Ni
0,05
0,012
0,21
0,0097
0,01
Fe-l %Ni
0,05
0,012
0,21
0,0097
0,01
1,12
Fe-2%Ni
0,06
0,012
0,21
0,0097
001 ,
2,05
Fe-2,5%Ni-O,8%Cr 0,06
0,012
0,21
0,0097
001 ,
2,46
0,8
0,06
0,012
0,21
0,0097
0,01
3,62
1,46
Fe~3,5%Ni~1,5%Cr
5.a
ISSN1410-2897
Fe-O%Ni, ~atrik
: rent. 500 x
S.b. Fe-l%Ni. matrik : ferit 3S0x
5. d. Fe-2,4%Ni,O,8%Cr,matrik : refit 350x
5.e. Fe-3,5%Ni,1,5%Cr,matrik : ferit, tampakbainit. 35Ox
Gambar 5. Hasil pengamatan strukturmikro baja kandungan karbolJ 0,05%. Keterangan gambar1 : refit, 2 : Perlit, 3 : bainit.
5a, kandungan 1 %Ni pada jumlah tersebut tidak berpengaruh terhadap perubahan tipe struktunnikronya. -Garnbar 5c, tipe strukturmikro tetap sarna seperti gambar 5a, adanya kandungan Ni hingga 2% juga tidak berpengaruh terhadappembahan tipe struktur-
5. C. Fe-2%Ni,
matrik : rent. 350 x
rnikronya. -Gambar 5d, akibat adanya kandungan Cr rnuncul adanyapeTtit. Peristiwa ini disebabkan karena unsur
ProsidingPertemuanlImiah SainsMateri III Serpong,20 -21 Oktober 1998 Cr di dalam baja sebagai pembentuk karbida yang kuat. -Gambar 5e,peningkatan kandungan Cr tipe stmkturmikronya berubah, tampak adanyabainit. Rasil Uji Tegangan tarik-Regangan DaTi basil uji mekanik ditunjukkan bahwa peningkatan kekuatan akibat kandungan Ni adalah relatif kecil jika dibandingkan dengan kandungan sekaligus dua unsur Ni dan Cr. Temyata kandungan Ni dikombinasikan denganCr, kekuatannya meningkatjauh lebih tinggi pada suhukamar. Tabel 2
Data sifat mekanik dari uji tegangantarik. regangansuhu kamar padabaja paduanrendah Ni/Cr
Basil Uji Impak Pada Suhu -lOO.C
ISSN 1410-2897 kandungan Cr impaknya menunm. Basil Peogamatao Pennukaao Patahao Uji impak ChaJpydiJakukandengancara menumbuk contoh uji logam hingga patah. Akibat momentum yang dialami nya, logam mengalami deformasi dalam waktu yang relatif singkat, yang menghasiIkan ciri-ciri permukaan patahan yang membedakanpatah rapuh dan patah tangguh (harga impak lebih tinggi). Patah rapuh ditunjukkan permukaan patah berupabidang rata. Patah yang tangguh ditunjukkan permukaan patahberupaaIuraIur patah yang lancip (dim pel). Hasil pengamatan permukaan patahan dari basil uji impak pada suhu lOOOC dapat dilihat pada Gambar 7 di bawah ini
7.a. Fe-O%Ni.920x
Hasil uji impak dilunjukkan pada Gambar6. Pada suhu kamar, baja dengan kandungan karbon sangat rendah tanpa kandungan Ni daD Cr, harga impaknya tinggi sekitar 140 J/cm2. Tetapi harga impak ini turun secara drastis pada suhu sangat rendah, yaitu menjadi sekitar 13 J/cm2. Harga impak pada suhu rendah ini kembali meningkat jauh lebih tinggi lagi dengan kandungan Ni hingga 2%. Setelah adanya sejurnlah
7.b. Fe-l%Ni,920x
Gambar
6. Pengaruh kandungan Ni daD Cr terhadap harga impak pada suhu kamar dan suhu
-IOO.C. Yu.\'Wono dan Yusuf
7.c. Fe-20/0Ni920"
139
ISSN 1410-2897
Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi III Serpong, 20 -21 Oktober 1998
7.e. Fe-3,5%Ni-I,5%Cr,920x
Gambar 7
Pennukaan pataban dari basil uji impak subu -IOO.C Keterangan gamabar I : alur patah dimpel, 2 : alur patah rapuh.
PEMBAHASAN Barga Impak padaSuhuRendahTerhadapBaja daD Paduannya Pada suhu kamar baja kandungan karbon sangat rendah (0,05%C). harga impaknya 140 J/cm2jauh lebih tinggi dari pactabaja karbon rendah konvensionil sekitar 50 J/cm2).Harga impak ini turun drastispada subu -100°C (Gambar 6). Dengan kala lain sifat keuletannya turnn hingga menjadi rapuh. Untuk membahasfakta ini, kalau ditinjau dari sifat ikatan logam itu sendiri dapat dipandang melalui dua aspek, yaitu posisi atom-atom logam Fe padakisi kristal kubus pusat badan pada rasa ferit daD elektron bebasyang dimiliki. Pemberian tegangan pacta daerah elastis pacta subu kamar, kisi kristal atom-atom Fe hanya mengalami pergeseran, daD atom-atomnya akan kembali seperti semula setelah bebannya ditiadakan, seperti yang ditunjukkan pacta Gambar I. Sebaliknya pemberian pemberian beban hingga deformasi, atom-atomnya mengalami pergerakan daD tidak akan kembali seperti
140
ISSN1410-2897 semula setelah beban ditiadakan. Akibatnya di dalam kisi kristalnya muncul adanya cacat dislokasi. Tetapi pada suhu sangatrendah, baja mengalami kristalisasi[5.7]. Jadi selama baja diberi beban impak hingga defonnasi, peluang adanya cacat dislokasi adalah tidak mungkin terjadi. Akibatnya baja menjadi rapuh atau harga impaknya turun drastis (patah rapuh Gambar 7a). Kalan padangan kita alihkan ke elektron bebas yang dimiliki pada ikatan logam, konsekuensinya beraiih ke momentum ruang elektron (Gambar 2), elektron terjebak di dalam bola Fermi, yang berarti pada suhu rendah ruang gerak elektron terbatas. Jadi elektron pada suhu rendah kurang berperan dalam pembentukan ikatan logam. Penumnan harga impak ini pada suhu rendah dapat dipulihkan kembali oleh adanya kandungan Ni hin~ 2% (Gambar6). Hasil pengamatanstrukturmikro tidak tampak adanya presipitasi rasa.yang menunjukkan bahw~ kandungan Ni pada komposisi 1% dan 2% lamt padat di dalam bcija(fasa fecit). Atom-atom Ni di dalam kristal kubus berpusat badan menempati posisi substitusi pada kisi kristalnya. Substitusi atom-atom Ni ini berpengaruh terhadap adanya peluang cacat dislokasi, sedemikian hingga pada suhU -IOO'C bersifat ulet (ductile), mampu terdeformasi (lihat skematis Gambar 8a dan b). Fakta ini ditunjukkan permukaan retak dimpel pada Gambar 7b daD c. Logam Ni dan Fe tennasukunsur trarisisi. Ciri-ciri logam ini adalah orl>ital garis edar elektron yang letaknya di samping orl>ital elektron terluarnya tidak selalu terisi penuh oleh elektron, yang mengakibatkan selalu memberi peluang adanya spin. Hal ini berarti adanya substitusi atom Ni, akan mempertinggi radius bola Fermi (lihat Gambar 2). Jadi dipandang dari elektron bebas yang dimiliki pada logam, momentumelektron meningkat,sehin~ elektron lebih bebasbergernk. Kodisi demikian ini akan memberi peluang adanya peningkatan keuletan logam pada suhu sangat rendah. Kandungan dua unsur Ni daD Cr sekali gus (Tabel I) mengakibatkan penumnan harga impak pada suhu rendah (Gambar6). Unsur Cr, walaupun termasuk juga unsur transisi, kedudukan di dalam matrik fecit bebeda dengan Ni, unsur ini disamping lamt padat di fa sa refit juga sebagai unsur pembentuk karbida. Demikian juga adanya kandungan Cr mengakibatkan pembahan tingkah laku difusi baik terhadap otom-atom logam dasamya rnaupun logam pemadu Ni daD Cr. Jadi akibat kandungan Cr, strukturmikronya berubah, tampak adanya presipitasi kalbida bentuk bentuk perlit (Gambar 5d), daD bainit (Gambar 5e). Munculnya perlit maupun bainit memang mempunyai harga impak tinggi pada suhu kamar. Tetapi pada suhu tendah harga impaknya justru malah turun. Walaupundemikian harga impaknya masih relatif tinggi. Hal ini disebabkan karena pada pengamatanpermukaan patah tampak adanya campuran alur-alur patah dimpel daD patah rapuh (Gambar 7d daDe).
Yuswonodan Yusuf
