ANALISIS ~
ProsidinJ!.PertemuanIlmiah SainsMaterl1997
'fEGANGAN ALuMINA-ZIRKONIA
1SSN1410-2897
SISA PADA KOMPOSIT KERAMIK DENGAN METODE RIETVELD I
Andika Fajar2,B. Sugeng2,E.Y. Febrianto3danSutiarso2 ABSTitAK ANA LISts TEGANGAN stSA PADA KOMPOSIT KERAMIK ALUMINA-ZIRKONIA
DENGAN METODE
RIETVELD. Telah dilakukan pengukuran tegangan sisa pada komposit keramik AlzO)-ZrOz dengan teknik difraksi. Data difraksi dianalisis menggunakan metode penghalusan Rietveld. Tujuan penelitian adaJahuntuk mempelajari pemanfaatan metode Rietveld dalam analisis tegangan pada bahan-bahan teknik. Hasil penghalusan pols difraksi cuplikan standar tt-AlzO, dan bahan komposit AlzO)-ZrOz dengan komposisi 15% mol zrOz cukup baik dengan Rwp masing-masing 10,61% dan 9,40%. Parameter kisi a-AlzO) yang diperoleh bersesuaian dengan hatga yang telah diperoleh oleh D.E. Cox dkk. Dari parameter kisi ini kemudian ditentukoo regangan kisi rata-rata ma..,ing-masing rasa pada sumbu-sumbu utama a dan c cuplikan komposit. Partikel I-ZrOz mengalami regangan tarik dan matriks AlzO) mengalami regangan tekan. Hasil ini sesuai dengan prediksi teori inklusi yang dikemukakan oleh Eshelby.Dan hasil perhitungan tegangan internal pada kedua rasa komposit menunjukkan hasil yang sarna dengan regangan kisi, pilrtikel zrOz mengalami tegangan tarik dan matriks AlzO) mengalami tegangan tekan.
ABSTRACT RESIbUAL STRESS ANALYStS IN ALUMtNA-ZtRCONIA
CERAMIC COMPOSITES USING RIETVELD
METHOD. The residual stress measurements in AIP3-ZrO2 ceramic composites have been done by a diffraction technique. The diffraction data were analyzed using a Rietveld refinement method. The purpose of this work was to study the utilization of the Rietveld method for stress analysis of industrial materials. The refinement of diffraction patterns for (X-AIP3 powder standard sample and AIPJ-ZrO2 composite sample with composition of 15% mol zrOb was satisfactory with the ~ 10,61% and 9,40%, respectively. Lattice parameters obtained from the refinement of the a-AI2O] are In agreement with the values obtained by D.E. Cox et. al. The average lattice strain of each phase alohg the a and c-axis of the composite sample was determined from the refined lattice parameters. The t-zrO2 particles are in tensions and the Alp] matrix is in compressions. These results have a good agreemeht with the prediction of Eshelby's inclusion theory. And the calculation of internal stresses in both phases shows the same result with average lattic strains, zrO2 particles are in tensile stresses and the Alp] matrix is ih compressive stresses. KEY WORD Residual stress, AI]o-, -Zi'O2 -ceramic composites, Rietveld method
PENDAHULUAN ...Telah banyak usaha yang dilakukan para peneliti untuk meningkatkan kualitas bahan sttuktut, clan pendekatan yang paling berhasil adalah pengembangan bahan komposit dengan mencampurkan dtia atati lebih rasa yang berbeda, bahkan memiliki sifat fisis yang berbeda. Ada banyak faktor dalam menentukan sifat mekanik bahan komposit seperti kekuatan clan keuletan, tetapi satu yang pel1ting adalah keberadaan tegangan internal yang terjadi di antara komponel1-kom\Jonen pembentuknya[l]. Tegangan internal ini dapat disebabkan oleh ketidaksesuaian ekspansi termal di antara komponen yang akan berpengaruh \Jada saat pendinginan daTi temperatur proses, atau daTi tespon mekanik yang berbeda ketika bahan mendapat tegangan. Nilai tegangan sisa dapat menjadi sangat besar, clan dapat membawa efek yang merugikan atau menguntungkan pada sifat mekanik bahan. Pengukuran tegangan ini merupakan hal yang renting dalam memahami bahan komposit, mengembangkan clan menggunakannya pada potensi yang maksimum. I Dipresentasikan pada Pertemuan IlmiahSainsMateri
Komposit keramik A12O3~ZtO2(alumina zirkonia) merupakan bahan komposit barn yang banyak menarik perhatian peneliti clan kalangan industri karena memiliki sifat-sifat mekanik yang unggul seperti keuletan, kekuatan clan kekerasan. Pada temperatut rendah bahan ini mempunyai sifat mekanik sebanding dengan paduan logam dal1 tetap stabil pada temperatur tinggi, sehingga memungkinkan untuk digunakan sebagai pengganti logam pada bagian-bagian mesin yang memerlukal1 pengerjaan dalam temperatur tinggi dengan biaya yang mtirah, karena tidak diperlukan bahan pelumas atati alat pendingin. Penerapan komposit ini antara lain pada mesin pemanas, rocket noozles clan alat potong[2]. Peningkatan fracture toughness yal1g berarti pada komposil AI2O3~ZrO2 ini dapat diperoleh melalui pember-jan tegangan yang menyebabkan perubahan rasa ZtO2 dari tetragonal (t-) ke monoklinik (m-). Transformasi ini mengakibatkan pelebaran volume unit gel dart penambahan energi yang diperlukan untuk penjalaran retakan lebih jauh[3]. Applied stress ini dibantu oleh tegangal1 sisa tensil (internal) yang disebabkan ketidaksesuaian koefisien ekspansi
1997
2PusatpenelitianSainsMateri -BA TAN 3PusatpenelitianclanPengembangan FisikaTerapan.LIPI 352
Pr6kidiHJ!. Pertemuanllmiah Sa;nsMater; 1997
/SSN/4/0-2897
termal pada batas butir. Karen1i itu unttlk dapat menghinmg dan mengontrol pemberian applied .\'tres.\' ini secar1i tepat diperlukan pengukuran tegangan sisa seCaraeksperimental. Pengukuran tegangan sisa menggunakan teknik difraksi biasanya dilakukan dengan mengamati pergeseran puncak difraksi pada satu bidang refleksi kristal tertentu. Dari data posisi puncak cuplikan standar bebas tegangan clan cuplikan uji akan dihitung regangannya, clan kemudian dikonversi ke dalam tegangan. Dalam makalah akan dijelaskan teknik pengukuran tegangan sisa pada bahan komposit AI2OJ-ZrO2 menggunakan teknik difraksi dengan memanfaatkan keseluruhan pola difraksi, bukan hanya pada bidang refleksi tertentu. Pola difraksi dianalisis dengan metode Rietveld untuk memperoleh parameter-parameter kisi yang digunakan dalam perhitungan regangan, kemudian dapat diperoleh berapa besar tegangan sisa pada cuplikan uji dengan memasukkan nilai regangan pada persamaan yang ada. Dengan menggunakan imalisis Rietveld diharapkan ketelitian pengukuran regangan dapat lebih ditingkatkan, selain dari faktor peralatan yang memiliki resolusi tinggi. P~da metode Rietveld ini keseluruhan pola difraksi basil pengukuran dicocokkan dengan pola yang dihitung dari model struktur yang diasumsikan. Karena sejumlah besar puncak difraksi dicocokkan secara simultan, kesalahan statistik yang terjadi dapat dikurangi daripada hanya satu puncak saja. Selain itu, dengan mencocokkan keseluruhan pola, efek preferred orientation, extinction clan aberasi sistematik lailinya dapat diminimalkan[4]. Makalah ini merupakan penelitian awal pemanfaatan metode Rietveld dalam analisis teganganpada bahan-bahanteknik.
METODOLOGI
dikarakterisasi. Sebagai cuplikan standar bebas tegangan digunakan serbuk a.-AI2O) dari National Bureau of StandarsGaithersburg clan pelet zrO2 . Pengukuran difraksi Selanjutnya terhadap cuplikan yang telah siap uji dilakukan pengukuran dengan Difraktometer Sinar-X Shimadzu XD-60 yang terdapat di Balai Teknofisika Pusat Penelitian Sains Materi BAT AN. Pengukuran cuplikan komposit, cuplikan referensi zrO2, clan serbuk standar a.-AI2O) dilakukan pacta temperatur mango Pola difraksi diperoleh dengan sumber target Cu, sudut difraksi 28 untuk cuplikan AI203 dari dari 20° sampai dengan 70°, dan cuplikan komposit dari 15° sampai dengan 100° dengan lebar langkah 0,05° dan setiap titik dicacah selama 2 detik. Tegangan sisa pada matriks AI2O) dan partikel t-zrO2 yang ditentukan menggunakan teknik difraksi diperoleh melalui tiga tahapan perhitungan. Data intensitas difraksi dianalisis menggunakan metode penghalusan (refihement) Rietveld untuk mendapatkan parameter kisi kedua rasa. Program yang digunakan adalah RIET AN '97 (Rietveld Analysis), yakni sebuah program penghalusan struktur kristal dengan metode Rietveld yang dikembangkan oleh Izumi'. Paket perangkat lunak ini terdapat pada komputer Power Mac di PPSM-BATAN. Parameter-parameter kisi yang diperoleh lalu dikonversi ke dalam regangan kisi. Dan terakhir tegangan diasumsikan dalam keadaan hidrostatik ditentukan dari regangan kisi menggunakan modulus elastis clan perbandingan Poisson daTimasing-masing rasa.
HASIL DAN PEMBAHASAN PenghalusanRietveld
Preparasi cuplikan Pembuatan cuplikan komposit keramik AI2O3-ZrO2 dilakukan dengan mencampurkan bahan-bahan baku yang terdiri dari serbuk Al2O3 clan serbuk zrO2 dengan komposisi 15% mol zrO2. Fabrikasi komposit dengan berbagai kondisi eksperimen telah diamati oleh E.Y. Febrianto dkk [5,6]. Pencampuran dilakukan di dalam ball mill selama 6 jam untuk menghaluskan clan menghomogenkan campuran tersebut. Campuran dikeringkan clan dicetak menjadi bentuk pelet triaupun silinder dengan memberikan tekanan sebesar 2,5x I 08 N/m2. Kemudian terhadap cuplikan yang telah dicetak dilakukan sintering pad!! temperatur 1600°C dengan pemanasansecara bertahap dengan laju pemanasan 10°C permenit clan waktu penahanan 3 jam. Cuplikan siap
Pertama dilakukan analisis data intensitas pola difraksi dari cuplikan standar a-AIP3 yang diasumsikan bebas tegangan. Sedangkan untuk pelet zrO2, dari pola difraksinya diketahui bahwa cuplikan mengandung rasa monoklinik selain rasa tetragonal clan. impuritas, sehingga tidak dapat digunakan sebagai cuplikan referensi. Karena itu, dalam makalah ini untuk menghitung tegangan pada partikel t-zrO2 ,digunakan data parameter kisi t-zrO2 yang telah dilaporkan[8]. Setelah parameter kisi dari cuplikan standar diperoleh, kegiatan dilanjutkan dengan pengolahan data difraksi cuplikan komposit. Di sini partikel zrO2 diasumsikan keseluruhannya tetragonal clan penghalusan dilakukan menggunakan model duarasayang terdiri dari rasa a-A12O3clan rasa t-zrO2.
353
Prosidin PertemuanIlmiah SainsMateri 1997
Tabel
ISSN1410-2897
Parameter-parameterstruktur basil penghalusan cuplikan serbuk standar a-AI203. Rwp=IO,61%, Rp=8,26%, RI=2,37%, RF=2,11%.
Tabel I memperlihatkan serangkaian parameter struktur hasil penghalusan yang diperoleh untuk cuplikan serbuk standar a-AI2O3. Angka yang berada dalam kurung menunjukkan deviasi kesalahan dari angka yang terakhir. Hasil proses penghalusan antara data pengukuran difraksi sinar X dengan perhitungan untuk cuplikan a-A12O3tersebut dapat dilihat pada Gambar I di bawah ini.
20
260
Gambar
Penghalusandengan model dua rasa ini cukup baik untuk setiap rasa cuplikan komposit tersebut. Hal ini dapat diamati daTi nilai kecocokan antara data basil pngukuran daD perhitungan yang diperoleh yakni dengan ~=9,40%. Koordinat posisi atomik yang diperhalus untuk rasa a-AI2O) cuplikan komposit agak berlainan sedikit dengan cuplikan serbuk standar, tetapi harga pada masingmasing cuplikan hampir sarna dengan harga yang telah dipublikasikan[9]. Dan pola difraksi basil penghalusan dapat dilihat pada Gambar 2 di bawah.
60
40
mencapai konvergensi dengan faktor ~=IO,61%. Faktor ~ ini dipakai sebagai indikasi mengenai kecocokan antara data basil pengukuran daD perhitungan dengan mempertimbangkan faktor statistik pencacahan. Parameter-parameter kisi basil penghalusan daTi cuplikan komposit dengan komposisi 15% mol ZrO2 diberikan pada Tabel 2.
Pola difraksi sinar X clanbasil penghalusan serbukstandara-A1203
Garis penuh menyatakan basil perhitungan dengan metode Rietveld clan data yang diperoleh daTi pengukuran difraksi sinar X dinyatakan dengan titik-titik. Puncak-puncak difraksi Bragg ditunjukkan dengan garis tegak, sedangkan selisih antara data pengukuran clan perhitungan ditunjukkan pada kurva di bagian bawahnya. Penghalusan telah dilakukan untuk data basil pengukuran yang terdapat dalam selang sudut difraksi 20-70°. Hasil proses penghalusan
iii
40
28-
(i)
Gambar 2. rota difraksi basil penghalusancuplikan komposit A1203-ZrO2 dengan komposisi 15%mol zrO2
Tabel 2. Hasil penghalusancuplikan kompositkeramikA1203-zrO2 dengankomposisi15%mol ZrO2. Rwp=9,40%, Rp=7,47%, RI (t-ZrO2)=9,OI%, RF(t-ZrO2)=5,O8%,RI(a-AI203)=6,56%~ Rf(a-Al203)=5,56%
354
Tabel
Pros;d;nI!PertemuanIlm;ah Sa;nsMater; 1997
/SSN/4/0-2897
Garis tegak yang terdapat di bawah gambar menunjukkan posisi puncak rasa a-AI2O) dan rasa t-zrO2 yang terdapat di dalam cuplikan komposit. Regangan kisi rata-rata Regangan kisi rata-rata (average lattice strain) sepanjang arah bidang kristalografi tertentu [hkl] diberikan dengan persamaanberikut, "hkl =- d-do
(I)
do dimana d dan do adalah jarak antar kisi (lattice spacing) sepanjang arah bidang [hkl] untuk cuplikan komposit yang akan ditentukan tegangannya dan cuplikan yang diasumsikan bebas tegangan. Secara umum tensor tegangan memil.iki enam komponen bebas, tetapi bilatensor regangan bersesuaian dengan simetri kristal, jumlah komponen bebas dapat dikurangi. Untuk struktur krista! uniaxial yang memiliki sumbu-sumbu se! satuan yang bersesuaian seperti pada t-zrO2 dan AI2O), hanya dua komponen bebas yang diperlukan untuk menampilkan sifat-sifat tensor regangan secara lengkap. Regangan-regangan sepanjang arab lain dapat dihitung menggunakan aljabar tensor. Oi sini dalam menentukan komponen regangan sepanjang sumbu-sumbu utama dipilih sumbu-sumbu a dan c dalam aturan struktur konvensional t-zrO2 dan AI20). Hasilnya diberikan pada Tabel 3. Sebagai pembanding dituliskan juga parameter-parameter kisi a-A!20) yang telah djlaporkan. Terlihat bahwa parameter kisi yang dipero!eh dalam penelitian ini memiliki persesuaian yang baik dengan nilai yang te!ah
regangan tarik pada partikel zrO2 clan regangan tekan pada matriks AI2O) ini dapat dipahami secara kualitatif dengan mempertimbangkan ketidaksesuaian ekspansi termal antara partikel ZrO2 clan matriks Al2O3 dalam cuplikan. Dari rujukan9 dapat diketahui bahwa koefisien ekspansi termal rasa t-zrO2 (11,5xIO-6 K-1) relatif lebih besar daripada matriks Al2O) (8,4xIO-6 K-') untuk cuplikan bulk. Menurut teori inklusi Eshelby9, untuk bahan komposityang hanya terdiri dari dua rasa saja, regangan kisi rata-rata pada partikel tzrO2 adalah regangan tarik. Hasil yang diperoleh dalam kegiatan ini sesuai dengan prediksi teori inklusi Eshelby di atas. Tegangan sisa Setelah regangan kisi ditentukan, maka tegangan sisa pada tiap rasa dapat dideduksi. Tegangan sisa pada setiap rasa diharapkan hidrostatik karena selama proses sintering tidak ditambahkan tekanan. Tegangan hidrostatik cr berhubungan dengan regangan hidrostatik jj diberikan oleh persamaanberikur',
0"=-
E
-
(2)
E
]-2v
dimana E adalah modulus Young clan v adalah perbandingan Poisson dari masing-masing rasa alumina clan tetragonal zirkonia. Parameter E clan v diperoleh dari pengukuran mekanik terpisah3. Untuk zrO2, E=]95 GPa, v=O,32 clan untuk A12O3, E=395 Gpa, v=O,24. Untuk kondisi tegangan hidrostatik, 8 dapat dihitung menggunakan persamaan berikut[3],
dipublikasikan. 3. Regangankist rata-ratapada matrik AI203 dan partikel t-ZrO2 untuk arabsejajar sumbusumbua dan c
Parameterkisi(A)
Cuplikan
a~ a-AI2O]
Komposit t-zrO2 Komposit
4,7630(3) 4,7640(1)1 4,7581(7)
3,591(1)" 3,5976(5)
Regangankisi (%) Ilc
Ila
c
13,0033(8) 13,0091(3)1 13,993(2)
"0,10(2)
-0,07(2)
0,18(4)
0,50(4)
5,169(IY
5,195(1)
I) dari pustaka 10 2) dari pustaka 8
Oari nilai-nilai regangan di atas dapat diamati bahwa partikel t-zrO2 dalam komposit mengalami regangan tarik dan matriks AI2O] mengalami regangan tekan. Nilai regangan pada partikel zrO2 lebih besar dibanding matriks AI2O] baik pada sumbu-a maupun sumbu-c. Terjadinya
355
I
E=-
aZTA-c -a fne-c
afne-c aZ7~-a -afree-a
ajree-a
+ (3)
Pros;d;nf!PertemuanIlm;ah Sa;nsMater; 1997
ISSN 1410-2897
disini aZTA-a dan arree-a adalah parameter kisi pada sumbu-a masing-masing rasa bahan komposit clan cupJikan serbuk bebas tegangan. Hasil perhitungan tegangan sisa pada masing-masing rasa pada cuplikan uji dapat dilihat pada Tabel 4. Dari tabel 3 dapat diamati bahwa partikel ZrO2 mengalami tegangan tarik dan matriks AI2OJ mengalami tegangan tekan, sebagaimana juga regangan kisi yang dialami masing-masing rasa dalam cuplikan komposit. Dan nilai teganganyang dialami partikel zirkonia lebih besar daripada matriks alumina. Tabel 4. Hasil perhitungan tegangan sisa pada cuplikan komposit keramik A1203-ZrO2 dengan kornposisi 15% mol ZrO2
Fasacuplikan
Tegang~~~(GPa)
a-A12O3
~!~?~2
-0,7(2)
1,5(2)
Pada kondisi hidrostatik, tegangan sisa pada partikel ZrOz clanmatriks AlzO) tidak berdiri sendiri. Keduanya dihubungkan dengan persamaan kesetimbangan, faO"a + fcO"c = 0
(4)
dimana fa clan ~ masing-masing adalah fraksi volume dari matriks AlzO] clan partikel ZrOz. Persamaan ini dapat digunakan untuk mengecek apakah asumsi hidrostatik berlaku untuk basil yang diperoleh dari cuplikan uji. Apabila basil perhitungan tegangan sisa yang dipero.leh clan nilai fraksi volume dari masing-masing rasa pembentuk komposit dimasukkan pada persamaan kesetimbangan di alas hasilnya tidak tepat nol hanya mendekati. Hal ini dapat terjadi karena tercampumya sedikit ketidakpastian ketika melakukan pengukuran seperti terdapatnya impuritas yang sulit terdeteksi maupun saat menganalisis data intensitas difraksi. Hasil ini menunjukkan bahwa asumsi hidrostatik dapat diterapkan pada cuplikan komposit yang digunakan pada kegiatan ini.
KESIMPULAN Telah dilakukan analisis pola difraksi menggunakan metode Rietveld untuk mnentukan tegangan sisa dalam cuplikan komposit A12O3ZrO; dengan komposisi 15% mol ZrO2. Hasil penghalusan terhadap serbuk standar a-A\203 clan cup\ikan komposit cukup memuaskan, yakni dengan Rwp 10..61% clan 9,40%. Partike\ t-ZrO2 da\am cuplikan komposit mengalami regangan tarik clan matriks AI203 mengalami regangan tekan. Regangan kisi rata-rata pada partikel ZfO2 lebih besar daripada regangan pada matriks A\20J.
Hasil iill sesuai dengan teori inklusi Eshelby. Dari tegangansisa yang dihitung, partikel t-zrOz dalam cuplikan komposit mengalami tegangan tarik dan matriks AlzO3 mengalami tegangan tekan. UCAP AN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada DR. Ridwan atas diskusinya dalam melakukan penghalusan dengan RIETAN '94. Dan kepada seluruh star ISN yang telah memberikan dorongan atas selesainya laporan penelitian ini.
DAFTARPUSTAKA [1] KUPPERMAN, D.S., MAJUMDAR, S. and SINGH, J.P., "Residual Strain in Advanced Composites", Neutron News, Vol.2, No.3, (1991),15-18. [2] DHAS, N.A. and PA TIL, K.C., "Combustion Synthesis and Properties of Zirconia-Alumina Powders", Ceram. Intern., 20, (1994), 57-66. [3] ALEXANDER, K.B., BECHER, P.F., WANG, X.L. and HSUEH, C.H., "Internal Stressesand the Martensite Start Temperature in Alumina-Zirconia Composites: Effects of Composition and Microstructure", J. Am. Ceram. Soc., 78, (1995), 291-296. [4] HILL, RJ. and HOWARD, CJ., "Quantitative Analysis of Neutro.n Powder Diffraction Data Using the Rietveld Method", J. Appl. Crystal log., 20, (1987), 467-474. [5] FEBRIANTO, E.Y., SUDJONO, H.K., SONHAJI, A.I., "Pengaruh Perlakuan Panas Terhadap Densifikasi Komposit Keramik Sistem Alumina Zirkonia", Proceedings Seminar Ilmiah Hasil Penelitian dan Pengembangan Bidang Fisika Terapan 1994/1995, Buku I, P3FT-LIPI, (1995), 264-
271. [6] FEBRIANTO, E.Y., "Pengaruh Fraksi Berat Terhadap Sifat-sifat Fisik dari Komposit Keramik Alumina-Zirkonia", Prosiding Seminar. Nasional Seminar Fisika Jakarta 1995, HFICabang Jakarta, (1996), 269-279. [7] IZUMI, F., "nle Rietveld Method", cd. by Young, R.A., Oxford University Press, Oxford (1993), Chapl3; KIM, Y.-I. and IZUMI, F., J. Ceram. Soc. Jpn., 102, (1994), 401-404. [8] rGA W A, N., ISHII, Y., NAGASAKI, T., MORII, Y., FUNAHASHI, S. andOHNO, H., "Crystal Structure of Metastable Tetragonal Ziiconia by Neutron Powder Diffraction Study", J. Am. Ceram. Soc., 76, (1993), 2673-
356
2676.
Pros;d;nf!Pertemuan//m;ah Sa;nsMater; /997 [9] WANG, X.L., HUBBARD, C.R., ALEXANDER, K.B. and BECHER, P.F., "Neutron Diffraction Measurements of the Residual Stresses in AI2O3-ZrO2(CeOJ Ceramic Composites", J. Am. Ceram. Soc., 77, (1994),1569-1575. [IO]COX, D.E. and MOODENBAUGH, A.R., "Structural Refinement of Neutron and X-ray Data by The Rietveld Method: Application to
/SSN/4/0-2897 A1203 and BiVO4", Proceedings of Symposium on Accuracy in Powder Diffraction, NBS Gaithersburg, MD, (1980), 189-201. [ll]NOYAN, I.C. and COHEN, J.B., Residual Stress Measurement by Diffraction and Interpretation, Springer-Verlag, New York (1987)
357
