PEMBENTUKAN KURVA S DARI PROSES KINETIKA TRANSFORMASI FASA BAJA MANGAN PADA TEMPERATUR 600 o C

Transkripsi

1 PEMBENTUKAN KURVA S DARI PROSES KINETIKA TRANSFORMASI FASA BAJA MANGAN PADA TEMPERATUR 600 o C TESIS Oleh MUHD. AMIN NASUTION /FIS SEKOLAH PASCASARJANA UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2008

2 PEMBENTUKAN KURVA S DARI PROSES KINETIKA TRANSFORMASI FASA BAJA MANGAN PADA TEMPERATUR 600 o C TESIS Untuk Memperoleh Gelar Magister Sains dalam Program Studi Magister Ilmu Fisika pada Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara Oleh MUHD. AMIN NASUTION /FIS SEKOLAH PASCASARJANA UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2008

3 Judul Tesis : PEMBENTUKAN KURVA S DARI PROSES KINETIKA TRANSFORMASI FASA BAJA MANGAN PADA TEMPERATUR 600 o C Nama mahasiswa : Muhd. Amin Nasution Nomor Pokok : Program studi : Ilmu Fisika Menyetujui Komisi Pembimbing (Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc) Ketua (Dra. Justinon, M.Si) Anggota (Ir. Reza Fadhillah, M.I.M) Anggota Ketua Program Studi, Direktur, (Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc) (Prof.Dr.Ir.T.Chairun Nisa B, M.Sc)

4 Tanggal lulus : 23 Oktober 2008 Telah diuji pada Tanggal : 23 Oktober 2008 PANITIA PENGUJI TESIS Ketua : Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc Anggota : 1. Ir. Reza Fadhillah, M.I.M 2. Dra. Justinon, MS 3. Drs. Anwar Dharma Sembiring, MS 4. Prof. H. Muhammad Syukur, MS 5. Drs. Nasruddin M.N, M.Eng.Sc

5 ABSTRAK Telah dilakukan suatu penelitian terhadap bahan baja mangan hadfield yang biasa dipakai sebagai rel kereta api dimana dilakukan perhitungan terhadap perubahan mikrostruktur akibat perlakuan panas pada daerah temperatur aging. Bahan dipanaskan hingga temperatur 1200 o C akan membentuk fasa austenit. Pemanasan kembali fasa austenit ini akan membentuk fasa pearlit.pemanasan dilakukan pada temperatur tetap 600 o C dengan variasi waktu penahanan mulai 15 menit sampai 60 menit dengan interval kenaikan waktu tahan 15 menit. Selanjutnya dari photo mikrostruktur dapat dihitung fraksi transformasi fasa pearlit yang dipengaruhi oleh lamanya waktu penahanan. persentasi freaksi trasformasi fasa pearlit dapat juga perhitungan dengan program ekstrasi. Berdasarkan persentasi fraksi trasformasi fasa pearlit, parameter- parameter kinetika transformasi diperoleh dengan energi aktivasi (Q) = 372,3 kj /mol, konstanta laju transformasi (k o ) = 3, serta orde reaksi (n) = 1,483. Dari parameter kinetika transformasi dapat ditentukan persentasi fraksi trasformasi fasa pearlit untuk berbagai temperatur sehingga kurva sigmoidal baja mangan Hadfield temperatur C dapat dibentuk. Kata-kata Kunci: Baja mangan Hadfield AISI 3401, Pemanasan kembali, Parameter kinetika transformasi dan Kurva S.

6 ABSTRACT A research is made on material of steel mangan hadfield usually used as railroad by taking the data of microstructural change caused by heat treatment in aging temperature areas. The material is heated until temperature of 1200 o C followed by process of fast cooling causing compacted solution of carbide to settle down in limits of phase original austenite grains. The heating again to this austenite phase will form the peralit phase. The heating is made in fixed temperature of 600 o C from 15 to 60 minutes with variation of interval holding time 15 minutes. And then, the microstructure gained is made into the data as number of fraction. Transformation of phase is influenced by the duration of heating time. The parameter of kinetic transformation is gained with energy of activation (Q) = kj/mol, constant rate, transformation (k o ) = , and also order of reaction (n) = From parameter of kinetic transformation gained can be determined the prosentase of fraction transformation of pearlit phase for several temperature till the sigmoid curve for steel manganese Hadfiel on 600 o C is gained. Keywords: Hadfield mangan steel 3401, Re-heat treatment, Parameter of kinetic transformation and curve S.

7 KATA PENGANTAR Pertama dan yang paling utama penulis mengucapkan puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat, karunia dan ridho yang diberikan Nya kepada penulis sehingga tesis yang diberi judul PEMBENTUKAN KURVA S DARI PROSES KINETIKA TRANSFORMASI FASA BAJA MANGAN PADA TEMPERATUR 600 O C dapat diselesaikan sesuai rencana semula. Tesis ini merupakan tugas akhir penulis pada Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara. Pada kesempatan yang baik ini, penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada : 1. Prof. Chairuddin P.Lubis, DTM&H,Sp.A(K) selaku Rektor Universitas Sumatera Utara dan Prof. Dr. Ir. T. Chairun Nisa B, M.Sc selaku Direktur Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk mengikuti Program Studi Magister Ilmu Fisika di Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara Medan 2. Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc selaku Ketua Program Studi Magister Ilmu Fisika di Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara Medan dan juga sebagai Ketua Komisi Pembimbing serta Dra. Justinon, M.S dan Ir. Reza Fadhillah, M.I.M selaku anggota pembimbing lapangan, yang dengan penuh kesabaran membimbing penulis selama melakukan penelitian sehingga tesis ini dapat diselesaikan.

8 3. Drs. Nasir Saleh, M.Eng.Sc. selaku Sekretaris Program Studi Magister Ilmu Fisika Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara. 4. Bapak dan Ibu seluruh staf tenaga pengajar Program Studi Magister Ilmu Fisika Sekolah Pascasarjana USU atas kerja sama dan kebersamaannya mengatasi masalah selama perkuliahan bersama penulis 5. Seluruh staf administrasi Sekolah Pascasarjana USU, yang dengan penuh kesabaran memberikan pelayanan terbaik di Sekolah Pascasarjana USU. 6. Rekan rekan seperjuangan, khususnya Sukma, Sapta dan Sundari yang telah membantu penulis dan seluruh rekan-rekan mahasiswa angkatan III (05) Sekolah Pascasarjana USU atas kerja sama dan kebersamaan mereka dalam mengatasi berbagai masalah selama perkuliahan bersama penulis. 7. Secara khusus penulis menyampaikan terima kasih dan sayang yang mendalam kepada orang tua penulis, Bapak Kamaruddin Nasution. Dan Ibunda Samriah Batubara, serta Istri tercinta Ernayani, yang senantiasa memberi dorongan dengan penuh kesabaran dan pengorbanan serta selalu mendoakan keberhasilan penulis dalam menyelesaikan studi. Semoga tesis ini bermanfaat bagi pembaca dan pihak-pihak yang memerlukannya. Medan, 23 Oktober 2008 Penulis Muhd. Amin Nasution

9 RIWAYAT HIDUP DATA PRIBADI Nama : Muhd. Amin Nasution Tempat/Tanggal lahir : Medan, 27 Nopember 1963 Alamat Rumah : Jln. Bakti Luhur Gg. Simbok No. 926 C Telepon/Hp : amin_nasution@yahoo.co.id Instansi Tempat Bekerja : SMA Negeri 1 Medan Alamat Kantor : Jln. Cik Ditiro No. 1 Medan Telepon : (061) DATA PRIBADI SD : SD Negeri Medan Tamat : 1977 SMP : SMP Swasta Yosua II Medan Tamat : 1981 SMA : SMA Swasta Yosua Medan Tamat : 1984 Strata-1 : Universitas Sumatera Utara Medan Tamat : 1992 Akta-IV : IKIP Negeri Medan Tamat : 1996 Strata-2 : Univeritas Sumatera Utara Medan Tamat : 2008

10 DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK... i ABSTRACT... ii KATA PENGANTAR... iii RIWAYAT HIDUP... v DAFTAR ISI... vi DAFTAR TABEL... viii DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR LAMPIRAN... xi BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Manfaat Penelitian Tempat Penelitian Tujuan Penelitian Hipotesis Masalah BAB II TINJAUAN PUSTAKA Baja Baja Karbon Baja Paduan Diagram Fasa Diagram Fasa Fe Mn Proses Perlakuan Panas Proses Annilisasi Pemanasan Kembali (Re-Heat Treatment) Penahanan Temperatur ( Holding Time) Media Pendingin Pendinginan Pemulihan (Recovery ) Rekristalisasi (Recrystalization) Pertumbuhan Butir (Grain Growth) Diagram TTT (Time Transformation Temperature) Kurva Sigmoidal ( Kurva S ) Mikro Struktur Metode Planimetric ( Metode Jeffries ) Laju Transformasi (R)... 33

11 2.8 Analisa Mikro Struktur Mikroskop Optik BAB III METODOLOGI PENELITIAN Diagram Alir Penelitian Bahan Bahan Alat-Alat Variabel Penelitian Variabel Tetap Variabel Berubah Prosedur Penelitian Preparasi Sampel Proses Perlakuan Panas Pengujian Metallografi Pengamatan dengan Mikroskop Optik BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Uji Komposisi Analisa Ukuran Butir Analisa Pembentukan Kurva S Analisa Gambar Analisa Perhitungan Ekstrasi BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA... 92

12 DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman 4.1 Komposisi Kimia Baja Mangan Hadfield AISI Diameter Butir Rata-Rata Hasil Perhitungan dan Diameter Standar ASTM No. 112 E Baja Mangan AISI Hubungan ln [(ln (1 - Y) -1 )] Vs ln t Temperatur C Persentase Fraksi Transformasi Fasa Pearlit Hasil Perhitungan Nilai k* dan K untuk Berbagai Temperatur... 76

13 DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman 2.1 Diagram Fasa Fe Mn Diagram Continous Cooling Transformation (CCT) Variasi Media Pendinginan Terhadap Mikro Struktur Proses Rekristalisasi Pergerakan Pertumbuhan Butir Pertumbuhan Butir Diagram Time Transformation Temperatur (TTT) Pengaruh Temperatur pada Jumlah Pearlit yang Terbentuk dengan Waktu Nukleasi dan Pertumbuhan Nodul Pearlit Struktur Butir Baja (ferrit/α) yang Telah Dietsa Foto struktur untuk Menghitung Diameter Butir dengan Metode Planimetric ( Jeffries ) Hubungan Linear antara ln [ln {1-Y} -1 ] dengan ln t Skema Mikroskop Optik Diagram Alir Penelitian Bentuk dan Ukuran Benda Uji Proses Heat treatment dan Pendinginan dalam Air (Water Quenching) Proses Re-heat treatment dan Pendinginan di Udara (Air Cooling)... 45

14 4.1 Grafik Hubungan ln [(ln (1 - Y) -1 ] Vs ln t Temperatur C Kurva Sigmoidal Baja Mangan Hadfild AISI 4301 untuk Temperatur C Kurva Sigmoidal Hasil Explorasi Baja Mangan Hadfild AISI 4301 untuk Berbagai Temperatur Mikro Struktur Baja Mangan Hadfield Tanpa Perlakuan, Perbesaran 100 kali Mikro Struktur Baja Mangan Pemanasan pada Temperatur C Diikuti Proses Pendingan Cepat pada Media Air Mikro Struktur pada Pemanasan Kembali pada Temperatur C dengan Waktu Penahanan 15 menit, Perbesaran 100 kali Mikro Struktur pada Pemanasan Kembali pada Temperatur C dengan Waktu Penahanan 30 menit, Perbesaran 100 kali Mikro Struktur pada Pemanasan Kembali pada Temperatur C dengan Waktu Penahanan 45 menit, Perbesaran 100 kali Mikro Struktur pada Pemanasan Kembali pada Temperatur C dengan Waktu Penahanan 60 menit, Perbesaran 100 kali Mikro Struktur pada Pemanasan Kembali pada Temperatur C dengan Waktu Penahanan 45 menit, Perbesaran 100 kali Mikro Struktur Fraksi Transformasi Fasa Perhitungan Ekstrasi Temperatur C dengan Waktu Penahanan 15 menit Mikro Struktur Fraksi Transformasi Fasa Perhitungan Ekstrasi Temperatur C dengan Waktu Penahanan 30 menit Mikro Struktur Fraksi Transformasi Fasa Perhitungan Ekstrasi Temperatur C dengan Waktu Penahanan 45 menit Mikro Struktur Fraksi Transformasi Fasa Perhitungan Ekstrasi Temperatur C dengan Waktu Penahanan 60 menit Mikro Struktur Fraksi Transformasi Fasa Perhitungan Ekstrasi Temperatur C dengan Waktu Penahanan 45 menit... 89

15 DAFTAR LAMPIRAN Nomor Judul Halaman A Hasil Perhitungan Diameter Butir Rata-rata (Methode Jeffries) B Hasil Perhitungan Fraksi Trasnformasi Fasa Pearlit C Standar Baja Mangan Hadfiel D Material Balance Analyses E Standar ASTM F.1 Mikro Struktur dengan 4 Lingkaran Pintasan dengan Waktu Tahan 15 menit pada Temperatur 600 o C F. 2 Mikro Struktur dengan 4 Lingkaran Pintasan dengan Waktu Tahan 30 menit pada Temperatur 600 o C F. 3 Mikro Struktur dengan 4 Lingkaran Pintasan dengan Waktu Tahan 45 menit pada Temperatur 600 o C F. 4 Mikro Struktur dengan 4 Lingkaran Pintasan dengan Waktu Tahan 60 menit pada Temperatur 600 o C F. 5 Mikro Struktur dengan 4 Lingkaran Pintasan dengan Waktu Tahan 45 menit pada Temperatur 580 o C

16 BAB I PENDAHULUAN 1. 1 Latar Belakang Baja sangat berperan penting bagi kehidupan manusia. Kebutuhan akan baja dimulai dari peralatan dapur, transportasi, generator, sampai kerangka gedung dan jembatan yang pada umumya menggunakan baja.. Baja mangan pada umumnya mengandung unsur paduan antara lain : C, Mn, Si, Ni, Cr, Mo, dan Zr dengan komposisi yang bervariasi. Baja mangan banyak digunakan, terutama pada pembuatan rel kereta api, roda kereta api, ujung mata bor serta aplikasi peralatan militer seperti alas track tank. Untuk mendapatkan baja mangan dengan kualitas yang dibutuhkan harus diberi perlakuan antara lain : Heat-treatment, pendinginan cepat (quenching), re-heat treatment dan waktu tahan. Untuk menghasilkan fasa austenit homogen pada baja mangan, dilakukan dengan cara pemanasan (heat treatment) dengan waktu tahan tertentu. Baja mangan fasa austenit homogen dipanaskan kembali (re-heat treatment) pada temperature 600 o C akan diperoleh kurva dekomposisi yang berbentuk S sebagai hubungan persentase fraksi transformasi fasa pearlit terhadap waktu. Fraksi transformasi (Y), nilainya akan bervariasi dari 0 % sampai 100 % bergantung kepada variasi waktu tahan, untuk meningkatkan fraksi transformasi fasa pearlit dibutuhkan proses pemanasan kembali dengan waktu tahan pada suatu rentang temperature tertentu. Dalam rentang waktu tahan mulai 15 menit sampai 60 menit dengan interval kenaikan waktu tahan 15 menit

17 persentase fraksi transformasi fasa pearlit semakin meningkat. Berdasarkan persamaan Avrami diperoleh parameter kinetika transformasi, energi aktivasi (Q*) dan konstanta transformasi (k o ) dapat ditentukan. Penelitian ini diharapkan dapat menentukan parameter kinetika fraksi transformasi fasa pearlit akibat pemanasan kembali pada temperatur tetap dengan waktu tahan yang bervariasi pada baja mangan. Berdasarkan parameter-parameter kinetika transformasi selanjutnya akan dibentuk kurva Sigmoidal pada baja mangan. 1.2 Perumusan Masalah Andaikan baja mangan dengan komposisi Mn 12 % Wt dipanaskan dengan kenaikan temperatur 250 o C per jam sampai temperatur 1200 o C terbentuk fasa austenit. Untuk memperoleh fasa austenit homogen dengan mikrostruktur yang teratur dilakukan penahanan temperatur selama 1 jam yang diikuti proses pendinginan cepat pada media air. Untuk memperoleh fasa pearlit, baja mangan austenit dipanaskan kembali (re-heat treatment) dengan kenaikan temperatur 250 o C per jam sampai temperatur 600 o C. Untuk memperoleh variasi persentase fasa pearlit dilakukan variasi waktu tahan mulai 15 menit sampai 60 menit dengan interval kenaikan waktu tahan 15 menit yang diikuti proses pendinginan lambat pada media udara. Variasi waktu tahan temperatur akan menghasilkan variasi persentase fasa pearlite yang terbentuk. Analisa variasi persentase fasa pearlit dilakukan menggunakan perhitungan ektraksi pada gambar mikrostruktur yang dihasilkan.

18 1.3 Batasan Masalah 1. Pengujian sampel Proses pemanasan yang dilakukan adalah annilisasi pada temperatur 1200 o C lalu didinginkan secara tiba-tiba pada media air, kemudian dilanjutkan proses pemanasan kembali (re-heat tratment) temperatur 600 o C dengan variasi waktu tahan mulai 15 menit sampai 60 menit dengan interval kenaikan waktu tahan 15 menit. 2. Karakterisasi sampel Karakterisasi sampel yang dilakukan adalah pengujian ekstraksi mikrostruktur. Pengujian mikrostruktur dari sampel dilakukan setelah proses pengujian sampel. Untuk mendapatkan mikrostruktur, sampel dihaluskan permukaannya dengan mesin polis, kemudian dietsa dengan bantuan larutan kimia: 3 ml HNO ml Ethanol untuk memunculkan batas butir fasa austenit dan 30ml KOH + 30 K 3 Fe(CN) ml air untuk memunculkan fasa pearlit, yang nantinya akan memberikan gambaran mikrostruktur fasa pearlit, mikrostruktur diphoto, hasil photo dianalisa persentase fraksi transformasi fasa pearlit dengan perhitungan dan melalui program selektor.

19 1.4 Manfaat Penelitian Adapun manfaat penelitian : 1. Mengetahui adanya pengaruh anilisasi yang mengakibatkan pertumbuhan butir dan sifat fisisnya. 2. Meningkatkan kualitas produksi baja mangan pada pemakaian, pada transportasi umum dan dalam pemakaian sehari-hari. 1.5 Tempat Penelitian Proses preparasi sampel dilakukan di Politeknik USU Medan, proses perlakuan panas (heat treatment), proses perlakuan panas kembali (re-heat treatment) dan pengujian mikrostruktur dilakukan di Universitas Kebangsaan Malaysia (UKM). 1.6 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah : 1. Memahami mikrostruktur baja mangan tanpa perlakuan, mikrostruktur baja mangan diberi perlakuan panas (heat treatment) pada temperatur 1200 o C diikuti pendinginan pada media air dan juga mikrostruktur baja mangan diberi perlakuan panas kembali ( re-heat treatment ) temperatur tetap 600 o C dengan waktu penahanan mulai 15 menit sampai 60 menit dengan interval kenaikan waktu tahan 15 menit yang diikuti dengan pendinginan udara sampai temperatur kamar.

20 2. Identifikasi dan eksplorasi kinetika transformasi baja mangan pada temperatur 600 o C dari kurva Sigmoidal dan sekaligus menginventarisasikan kinetika transformasi baja mangan yang terbentuk dalam memperkaya khasanah studi fisika metalografi bagi para rekayasawan yang berminat dalam bidang material di Indonesia. 1.7 Hipotesis Masalah Hipotesis permasalahan dimulai dengan adanya pembentukan kurva S dari kinetika transformasi baja mangan yang disebabkan perlakuan panas kembali pada temperatur tetap 600 o C dengan waktu tahan bervariasi. Baja mangan dipanaskan hingga 1200 o C dengan kenaikan temperatur 250 o C per jam fasa yang terbentuk adalah fasa austenit. Dekomposisi austenit akan diperoleh dengan jalan pemanasan kembali (re-heat treatment) temperatur tetap 600 o C dengan waktu tahan bervariasi yang akan mempengaruhi fraksi transformasi fasa pearlit yang terbentuk. Meningkatnya fraksi transformasi fasa pearlit seiring dengan meningkatnya waktu penahanan temperatur. Fraksi transformasi fasa pearlit akan menbentuk suatu kurva yang dikenal dengan kurva S. Kurva S sebagai hubungan persentasi fraksi trasformasi fasa pearlit terhadap logaritma naturaleik waktu, persentasi fraksi trasformasi fasa pearlit dihitung dengan menggunakan persamaan Avrami.

21 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Baja Baja adalah bahan dasar vital untuk industri. Semua segmen kehidupan, mulai dari peralatan dapur, transportasi, generator, sampai kerangka gedung dan jembatan menggunakan baja. Eksploitasi baja menduduki peringkat pertama di antara barang tambang logam dan produknya melingkupi hampir 95 % dari produk barang berbahan logam yang dimanfaatkan dalam kehidupan manusia. Baja merupakan campuran besi dan karbon, dimana kandungan karbon(c) mepengaruhi kekerasan baja. Disamping itu, baja mengandung unsur campuran lain yang disebut paduan, misalnya Mangan(Mn), Silikon(Si), Sulfur(S), Kromium(Cr), Vanadium (Vn), Molibden(Mo), Wolfram(Wo), dan Posfor(P) yang jumlah persen beratnya didasarkan kegunaan dan kepentingan fabrikasi disesuaikan berdasarkan standard American Society for Testing and Material (ASTM). (Amanto, 1999). Secara garis besar baja dapat dikelompokkan sebagai berikut (Amstead, 1993) Baja Karbon Baja karbon merupakan paduan besi dan karbon, dimana karbon dapat meningkatkan kekerasan dan kekuatan baja. Karbon merupakan unsur pengeras yang efektif dan murah, oleh karena itu umumnya baja mengandung karbon dengan sedikit unsur paduan lainnya untuk memperoleh sifat-sifat baja yang dikehendaki. (Smallman1991).

22 Baja karbon ini digolongkan menjadi 3 bagian yaitu : 1. Baja karbon rendah, bila kandungan karbonnya 0.30 % Wt. 2. Baja karbon menengah, bila kandungan karbonnya 0.30 % Wt < C< 0.7 % Wt 3. Baja karbon tinggi, bila kandungan karbonnya 0.70 % Wt < C < 1.40 % Wt Baja Paduan Baja paduan didefenisikan sebagai suatu baja yang ditambahkan dengan satu atau lebih unsur paduan seperti: Carbón (C), Silikon (Si), Nikel (Ni), Kromium (Cr), Molibden(Mo), Vanadium (Vn), Mangan (Mn), Pospor (P), dan Wolfram (Wo) yang berguna untuk memperoleh sifat-sifat baja yang dikehendaki (Amanto, 1999). Baja paduan diklasifikasikan menurut kandungan paduannya dibagi menjadi 3 bagian yaitu: 1. Baja paduan rendah (low-alloy steel), bila kandungan paduannya 2,5% Wt. 2. Baja paduan menengah (medium-alloy steel), bila kandungan paduannya 2,5% Wt. 3. Baja paduan tinggi (high-alloy steel), jika elemen paduannya > 10% Wt. Baja paduan dihasilkan dengan biaya lebih mahal dari baja karbon lainnya, karena bertambahnya biaya untuk penambahan pengerjaan khusus yang dilakukan dalam industri. 1. Unsur Karbon (C) Karbon merupakan salah satu unsur terpenting yang dapat meningkatkan kekerasan dan kekuatan baja. Kandungan karbon di dalam baja sekitar 0,1-1,7 %, sedangkan unsur lainnya dibatasi persentasinya sesuai dengan kegunaan baja. Unsur paduan yang bercampur di dalam lapisan baja adalah untuk membuat baja bereaksi

23 terhadap pengerjaan panas dan menghasilkan sifat-sifat yang khusus. Karbon dalam besi dapat berupa jenis larutan padat intertisi, dengan atom yang kecil dikelilingi oleh atom-atom yang lebih besar. Pada temperatur di bawah C terdapat daerah temperatur fasa ferrlit dimana besi mempunyai struktur BCC. Diatas temperatur C terdapat daerah temperatur fasa austenit dimana besi mempunyai struktur FCC. Pada kisi FCC terdapat ruang sisipan atau porositas yang lebih besar pada pusat sel satuan. Karbon sebagai atom yang sangat kecil (jari-jari austenit karbon sebesar nm) dapat menduduki porositas tersebut dan membentuk besi karbon yaitu Fe C, dengan jari-jari besi austenit adalah 0,129 nm. 2. Unsur Mangan (Mn) Semua baja mengandung mangan karena sangat dibutuhkan dalam proses pembuatan baja. Kandungan mangan lebih kurang 0,6 % tidak mempengaruhi sifat baja, dengan kata lain mangan tidak memberikan pengaruh yang besar pada strutkur baja dalam jumlah rendah. Dengan bertambahnya kandungan mangan maka temperatur kritis menurun secara seimbang. Mangan membuat butiran lebih halus. Penambahan unsur mangan dalam baja dapat menaikkan kuat tarik tanpa mengurangi atau sedikit mengurangi regang, sehingga baja dengan penambahan mangan memiliki sifat kuat dan kenyal. 3. Unsur Silikon (Si) Silikon merupakan unsur paduan yang ada pada setiap baja dengan jumlah kandungan lebih dari 0,4 % yang mempunyai pengaruh untuk menaikkan tegangan tarik dan menurunkan laju pendinginan kritis.

24 Unsur silikon menyebabkan sementit tidak stabil, sehingga memisahkan dan membentuk grafit. Unsur silikon juga merupakan pembentuk ferit, tetapi bukan pembentuk karbida, silikon juga cenderung membentuk partikel oksida sehingga memperbanyak pengintian kristal dan mengurangi pertumbuhan akibatnya struktur butir semakin halus. 4. Unsur Nikel (Ni) Nikel mempunyai pengaruh yang sama seperti mangan, yaitu menurunkan sedikit temperatur kritis dan laju pendinginan kritis, memperbaiki kekuatan tarik atau menaikkan sifat kenyal, tahan panas, jika pada baja paduan terdapat unsur nikel sekitar 25% maka baja dapat tahan terhadap korosi. Unsur yang mempunyai bentuk kisi FCC larut dengan baik dalam austenit dan unsur yang mempunyai bentuk kisi BCC larut dengan baik dalam ferit. Nikel adalah salah satu unsur yang mempunyai bentuk kisi FCC, yang larut lebih baik dalam austenit dari pada dalam ferit, sehingga mempengaruhi penurunan laju transformasi dan meningkatkan mampu kerasnya. Unsur nikel yang bertindak sebagai tahan karat (korosi) disebabkan nikel bertindak sebagai lapisan penghalang yang melindungi permukaan baja. 5. Unsur Kromium (Cr) Sifat unsur kromuim (Cr) dapat menurunkan laju pendinginan kritis (kromuim sejumlah 1,5 % cukup meningkatkan kekerasan dalam minyak). Penambahan kromium pada baja menghasilkan struktur yang lebih halus dan membuat sifat baja dapat dikeraskan (hardenability) lebih baik karena kromium dan karbon dapat membentuk karbida.

25 Kromium dapat menambah kekuatan tarik dan keplastisan serta berguna juga dalam membentuk lapisan pasif untuk melindungi baja dari korosi serta tahan terhadap temperatur tinggi. Kromium mempunyai bentuk kisi BCC yang lebih baik larut dalam ferit. Pada umumnya baja paduan memiliki sifat yang unggul dibandingkan dengan baja karbon antara lain (Amstead, 1993) : 1. Keuletan yang tinggi tanpa pengurangan kekuatan tarik. 2. Kemampukerasan sewaktu dicelup dalam minyak maupun didinginkan di udara, dan dengan demikian kemungkinan retak atau distorsinya berkurang. 3. Tahan terhadap korosi dan keausan yang tergantung pada jenis paduannya. 4. Tahan terhadap perubahan suhu, ini berarti bahwa sifat fisisnya tidak banyak berubah. 5. Memiliki butiran yang halus dan homogen. Baja paduan dengan sifat khusus antara lain : baja tahan karat (Stainless Stell), baja paduan rendah berkekuatan tinggi (High Strenght-Low Alloy Stee l(hsla)), dan baja perkakas (Tool Steel). 2.2 Diagram Fasa Diagram fasa secara umum berfungsi untuk menentukan perubahan fasa yang ditunjukkan akibat perubahan temperatur dan komposisi dari panduannya dalam proses perlakuan panas yang diberikan terhadap bahan, sebagai contoh diagram fasa baja mangan (Gambar 2.1). Selain itu diagram fasa berguna sebagai peta yang

26 memberikan komposisi kimia fasa pada keadaan seimbang setelah semua reaksireaksi berakhir. Informasi ini bersama informasi lainya mengenai jumlah tiap fasa merupakan data yang sangat berguna bagi ilmuwan maupun ahli tehnik yang bertugas dalam pengembangan bahan, pemilihan dan pemakaiannya pada desain produk. Selain itu diagram fasa dapat digunakan untuk menentukan kuantitas tiap fasa yang ada dalam keseimbangan Diagram Fasa Fe Mn Pada tahun 1882 Robert Hadfield menyatakana baja manggan mengandung 1,2%Wt C dan 12%Wt Mn. Menurut Lipin (1885) baja mangan harus mengandung kadar mangan (Mn) 10% dibandingkan dengan kadar karbon (Bain, E.C, 1939). Gambar 2.1. Diagram Fasa Fe - Mn (Bain, E.C, 1939)

27 Pada Gambar 2.1 diagram fasa baja mangan, Fe-Mn. diagram fasa ini menjadi landasan untuk laku panas baja mangan yang kita kenal. Andaikan fasa baja mangan (Fe Mn) 12 % wt Mn di heat treatment sampai temperatur C fasa yang terjadi fasa austenit dengan struktur kristal Face Center Cubic (FCC) dan kemudian diturunkan temperaturnya menjadi C sampai titik kritis fasa yang terjadi sebagianfasa austenit (γ) dan sebagian fasa ferrit (α) kondisi fasa austenit lebih dominan, dan juga merupakan fasa magnetik dengan kandungan mangan yang lebih kecil 10 % wt Mn, jika temperatur turun menjadi C fasa austenit (γ) lebih dominan dari fasa ferrit (α) dan jika temperatur menjadi C maka fasa ferrit (α) akan jauh lebih dominan dari fasa austenit (γ) dengan struktur kristal Body Centre Cubic (BCC). 2.3 Proses Perlakuan Panas Prose perlakuan panas adalah suatu proses yang dapat merubah sifat logam dengan cara mengubah struktur mikro melalui proses pemanasan yang diikuti proses pendinginan dengan atau tanpa merubah komposisi kimia logam. Proses perlakuan panas akan menghasilkan sifat-sifat logam yang diinginkan. Perubahan sifat logam akibat proses perlakukan panas dapat mencakup seluruh bagian dari logam atau sebagaian dari logam. Perlakuan panas yang diberikan pada baja dapat meningkatkan kekerasan dan kekuatan tarik baja. Untuk meningkatkan kekerasan baja dilakukan proses pengerasan (hardening).

28 Perlakuan panas pada baja sampai temperatur dan waktu penahanan (holding time) tertentu, kemudian dilanjutkan dengan proses pendinginan yang sesuai, sehingga diperoleh sifat fisis dan sifat mekanis yang diinginkan dari baja.. Baja yang telah diberi perlakuan panas mempunyai sifat-sifat antara lain : 1. Kekerasan dan kekuatan baja bertambah 2. Sifat fisis dan sifat mekanis yang teratur seperti keuletan, ketahanan korosi 3. Memunculkan sifat magnetik dan listrik pada baja 4. Perbaikan ukuran butir di dalam baja Perlakuan panas logam pada temperatur dan waktu tahan tertentu, kemudian dilanjutkan dengan proses pendingian didapat merobah sifat fisis dan sifat mekanis yang diinginkan. Jenis-jenis perlakuan panas antara lain: Proses annilisasi dan Proses pemanasan kembali (Re-heat treatment), Proses Annilisasi Anil berasal dari pandai besi, mereka menemukan gejala yang menguntungkan bila beberapa bahan dipanaskan sampai suhu tinggi, sisusul dengan pendinginan perlahan-lahan. Proses Annilisasi merupakan proses perlakuan panas yang bertujuan untuk mendapatkan butir yang seragam, mempertahankan fasa, mempartahankan struktur kristal yang terbentuk dan menghilanghkan tegangan dalam. Berdasarkan biagram fasa baja magan (Gambar 2.1) proses annilisasi dilakukan pada temperatur 1000 o C sampai 1400 o C yaitu pada fasa austenit, selanjutnya didinginkan dengan cara dicelupkan kedalam air (water quenching) sampai temperatur kamar.

29 2.3.2 Pemanasan Kembali (Re-Heat Treatment) Pemanasan kembali (re-heat treatment) adalah proses panas kembali pada baja yang telah diannelisasi dengan temperatur yang lebih rendah dari temperatur annilisasi. Bertujuan untuk menghasilkan fasa baru yang mempengaruhi mikro struktur dari baja. Selama proses re-heat treatment berlangsung dengan waktu tahan yang bervariasi akan menghasilkan mikrostruktur yang bervariasi seiring dengan terbentuknya fasa baru Penahanan Temperatur (Holding Time) Penahanan suhu selama beberapa waktu (holding time) bertujuan agar karbon yang terdapat dalam karbida dapat larut ke fasa austenit secara merata dan temperatur yang diterima pada permukaan dan bagian dalam baja merata, sehingga pada waktu dilakukan pencelupan cepat (quenched) tidak mengalami retakan. Waktu yang diperlukan untuk penahanan temperatur (holding time) tergantung pada jenis baja yang diberi perlakuan panas (heat treatment) Media Pendingin Keberhasilan suatu proses pengerasan atau pengerjaan panas dari baja sangat dipengaruhi oleh laju pendinginan karena struktur yang terbentuk dari hasil pendinginan yang sangat beraneka ragam jenisnya. Medium pendingin yang sering digunakan khususnya pada proses pengerasan adalah : Air (H 2 O), Minyak (Oli) dan Udara. Dari ketiga media pendingin, yang paling cepat mendinginkan adalah air kemudian oli dan yang paling lambat adalah udara. Kecepatan atau laju pendinginan sangat mempengaruhi struktur mikro (grain size) dari logam. (Beurmer, 1980).

30 2.4 Pendinginan Proses pendinginan dilakukan setelah perlakuan panas diberikan pada baja. Pada umumnya mikro struktur baja tergantung pada laju pendinginan dari temperatur fasa austenit sampai ke temperatur kamar. Pendinginan terbagi dua yaitu, pendinginan cepat dan pendinginan lambat. Pendinginan cepat bertujuan agar terbentuk mikro struktur baja yang keras yang mudah getas, sedangkan pendingian lambat bertujuan agar didapat mikro struktur yang lebih stabil dikarenakan perubahan bentuk butir terjadi secara perlahan, sehingga menghasilkan baja yang lunak dan ulet. Medium pendingin yang sering digunakan diantaranya: 1. Pencelupan (quenching) dengan media ; air, minyak, es, dan dry ice 2. Pendinginan di ruangan atau dikenal dengan air cooling 3. Pendinginan di dalam tungku atau dikenal dengan furnace cooling Laju pendinginan atau sangat mempengaruhi struktur mikro bahan dan pengaruh keduanya dapat dilihat pada gambar 2.2. Hubungan antar laju pendinginan dan mikrostruktur yang terbentuk digambarkan dalam diagram yang menghubungkan waktu, temperatur dan transformasi yang dikenal dengan diagam CCT (Continous Cooling Transformation). Gambar 2.2. merupakan diagram CCT (Continous Cooling Transformation ) dari baja.

31 Gambar. 2.2 Diagram Continous Cooling Transformation (CCT) Variasi Media Pendinginan terhadap Mikro Struktur (Shackelford, 1996 ) Gambar 2.2 menunjukkan bahwa sturktur martensit dihasilkan dengan pencelupan di air dengan waktu (1-10) detik. Sedangkan Struktur martensit dan pearlit diperoleh dengan pencelupan di oli dengan waktu (10-100) detik. Struktur bainet dan pearlit diperoleh dengan pendinginan di udara dengan waktu lebih kurang ( ) detik dan struktur mikro pearlit diperoleh dengan pendinginan di dapur pada waktu lebih besar dari detik. Gambar 2.2 menunjukkan bila laju pendinginan menurun berarti waktu pendinginan dari temperatur austenit juga menurun, sehingga mikro struktur yang terbentuk adalah dari gabungan fasa ferrit-fasa pearlit ke fasa ferrit-fasa pearlit-fasa bainit-fasa martensit, kemudian ke fasa bainit-fasa martensit dan akhirnya pada laju yang tinggi sekali mikrostruktur akhirnya fasa martensit. Pembentukan fasa martensit,

32 terjadi dekomposisi fasa austenit dalam fasa ferit (α) + karbida (c). Hal ini berarti bahwa ada waktu untuk karbon untuk berdifusi dan berkonsentrasi dalam karbida sehingga fasa ferrit kekurangan karbon bila fasa austenit didinginkan dengan sangat cepat. Penghilangan kondisi pengerjaan dingin terjadi melalui kombinasi dari tiga proses yaitui (Smallman, 1985): 1. Pemulihan (Recovery ) 2. Rekristalisasi (Recrystalization) 3. Pertumbuhan butir (Grain growth) Pemulihan (Recovery) Pemulihan terjadi pada awal pemanasan kembali dengan temperatur rendah, dan perubahan tidak diikuti dengan perubahan struktur, serta perubahan sifat mekanik. Perubahan yang terjadi hanyalah berkurangnya tegangan dalam. Perlunya pengurangan tegangan dalam ini untuk dapat mencegah terjadinya distorsi pada bahan yang mengalami pengerjaan dingin akibat tegangan sisa Rekristalisasi (Recrystalization) Pemanasan kembali hingga temperatur yang lebih tinggi akan menyebabkan munculnya kristal yang baru dari kristal yang terdistorsi, dengan struktur kristal dan komposisi kimia yang sama pada saat sebelum pengerjaan dingin, kecuali kristal yang dendrite, kristal yang tadinya dendrite, setelah pengerjaan dingin dan pemanasan kembali bentuk dendrite akan hilang. Kristal baru yang mula-mula muncul pada

33 batang kristal yang mengalami distorsi paling hebat yang terjadi pada batas butir dan bidang slip. Kelompok-kelompok atom (cluster of atomic) disekitarnya menjadi inti. Sehingga inti bertumbuh menjadi kristal baru, yang lebih besar dan akhirnya kristal lama yang terdeformasi akan habis. Handness Strength Ructility New grains Amount of cold work Temperatu Gambar 2.3 Proses Rekristalisasi (Wahid,1987) Rekristalisasi terjadi melalui pergantian dan pertumbuhan. Untuk memperoleh suatu proses rekristalisasi diperlukan masa inkubasi. Maka inkubasi diperlukan sebagai waktu untuk mengumpulkan sejumlah energi yang cukup memulai rekristalisasi. Gambar 2.3 mula-mula laju kristalisasi rendah kemudian cepat dan akhirnya melambat lagi menjelang akhir proses.

34 Rekristalisasi dapat terjadi pada temperatur tertentu yang dinamakan tenperatur rekristalisasi temperatur dimana logam yang dideformasi dingin akan mengalami rekristalisasi, yang dapat selesai dalam satu jam. Tingginya temperatur rekristalisasi ini dipengaruhi oleh besarnya deformasi dingin sebelumnya, temperatur rekristalisasi makin rendah bila logam telah mengalami pendinginan. Logam yang dideformasi pada temperatur diatas temperatur rekristalisasi akan langsung mengalami rekristalisasi dan setelah deformasi selesai akan diperoleh kristal yang sama dengan kristal sebelum mengalami deformasi (pengerjaan panas) Pertumbuhan Butir (Grain Growth) Pertumbuhan butir merupakan gejala anil yang berlangsung dengan baik, batas butir menjadi lurus, butir yang kecil menyatu dengan yang lebih besar tumbuh. Pertumbuhan butir adalah faktor terpenting yang mengendalikan proses pada tegangan batas butir. Besar butir rata-rata dalam baja mangan lama kelamaan akan bertambah besar bila suhu menghasilkan pergerakan atom yang cukup berarti. Gaya pendorong untuk pertumbuhan kristal ialah energi yang dilepaskan sewaktu atom bergerak melintasi batas butir dari arah butir dengan permukaan cembung kepermukaan butir cekung. Atom rata-rata terkoordinir dengan sejumlah atom tetangga yang lebih banyak pada jarak atom antar keseimbangan. Hasilnya batas butir akan bergerak kepusat garis lengkung (Gambar 2.4). Semua bahan baik logam maupun bukan logam mempunyai karakteristik pertumbuhan butir

35 Gambar 2.4 Pergerakan Pertumbuhan Butir ( Van Vlack, 1985) Bentuk butir dalam bahan yang padat biasanya diatur oleh adanya butiranbutiran lain disekitarnya. Dalam setiap butir, semua sel satuan teratur dalam satu arah dan satu pola tertentu. Pada batas butir, antara dua butir yang berdekatan terdapat daerah transisi yang tidak searah dengan pola dalam kedua butiran tadi. Ketidak seragaman orientasi antara butiran yang berdekatan menghasilkan tumbukan atom sepanjang batas butir. Gambar. 2.5 karena butir yang kecil cenderung untuk mempunyai permukaan yang lebih cembung, dibandingkan dengan butir yang lebih besar, batas butir bergerak kearah pusat lengkungan akibatnya butir-butir yang kecil lama kelamaan menghilang. Hasil akhirnya adalah pertumbuan butir.

36 Gambar. 2.5 Pertumbuhan Butir ( Van Vlack, 1985) Laju pertumbuhan tergantung sekali pada suhu. Kenaikan suhu berakibat meningkatnya energi getaran termal, yang kemudian mempercepat difusi atom melalui batas butir, dan butiran yang kecil menuju butiran besar penurunan suhu akan menghambat pergerakan batas butir akan tetapi tidak dapat membalikkan reaksi.satu-satunya jalan untuk mengurangi ukuran butir ialah dengan cara deformasi plastis disusul dengan pembentukan kristal baru melalui rekristalisasi. Batas butir memiliki energi yang lebih tinggi dibandingkan dengan didalam butir. Karena batas butir berpengaruh atas bahan dalam berbagai hal, diketahui besar daerah batas butir persatuan vulum adalah S v.besarnya dapat dihitung dengan mudah dengan menarik suatu garis melingkar pada gamgar struktur mikro. Bahan dengan butiran yang lebih halus lebih kuat dari pada baja dengan butiran yang kasar.

37 2. 5 Diagram TTT (Time Transformation Temperature ) Diagram Time Transformation Temperature (TTT) kadang bisa juga disebut kurva C karena bentuknya. Diagram TTT memperlihatkan permulaan dan akhir transformasi dengan waktu sebagai variabelnya. Diagram seperti ini merupakan hasil serangkaian percobaan dekomposisi isothermal, karena mengkaitkan produk transformasi dengan waktu dan temperatur tertentu disebut kurva TTT. Gambar 2.6 garis t s menyatakan waktu yang diperlukan untuk memulai suatu transformasi dekomposisi, sedangkan garis t f menyatakan waktu berakhirnya reaksi: fasa austenit (γ ) fasa ferrit (α) + carbida (c ) Diagram TTT tertera waktu yang diperlukan agar fasa austenit dengan komposisi eutektoit (~0,8%C-99,2%Fe) pada temperatur tertentu, bertransformasi menjadi fasa pearlit, fasa bainit dan fasa martensitik. t s t f Gambar 2.6. Diagram Time Transformation Temperature (TTT) (Shackelford,1996)

38 Gambar 2.6 mungkin diperoleh berbagai jenis struktur sebagai produk dekomposisi fasa austenit, untuk baja tertentu. Struktur mungkin berbentuk fasa pearlit kasar 100 %, baja akan keras dan rapuh. Dari kurva TTT, sedikit dibawah temperatur kritis laju transformasi rendah meskipun pada temperatur ini mobilitas atom cukup tinggi. Hal ini disebabkan oleh setiap perubahan fasa yang meliputi nukleasi dan pertumbuhan (sebagai contoh : transformasi fasa pearlit) menghadapi kesulitan nukleasi, yang timbul akibat factor permukaan dan energi regangan. Tentu saja andaikan temperatur transformasi mendekati temperatur lutut kurva, laju transformasi meningkat. Kelambanan transformasi dibawah lutut kurva TTT, pada waktu pembentukan fasa bainit mudah dijelaskan, karena pada temperatur yang agak rendah ini migrasi atom lamban, dan transformasi fasa bainit bergantung pada difusi. Pada bagian bawah kurva TTT, yaitu pada temperatur C C ternyata bahwa transformasi berlangsung sangat cepat, meskipun mobilitas atom pada rentang temperatur ini rendah sekali. Berdasarkan alasan ini disimpulkan bahwa transformasi fasa martensit tidak bergantung pada pergerakan atom karbon, melainkan mengikuti proses lain yang disebut transformasi tanpa difusi. Fasa austenit dapat bertransformasi menjadi fasa martensit bila temperatur berada dibawah temperatur kritis, biasanya disebut M s. (temperatur awal fasa martensit). Di bawah M s jumlah fasa austenit yang bertransformasi menjadi fasa martensit. Pada proses transformasi isothermal pada baja menunjukkan bahwa reaksi: fasa austenit (γ ) fasa ferrit (α) + carbida (c)

39 Reaksi di atas berbeda untuk suhu diatas dan dibawah hidung kurva TTT. Diatas suhu tersebut nukleasi terbatas pada batas butir fasa austenit dan fasa ferrlit (α) tumbuh sebagai fasa pearlit menuju ke pusat butir fasa austenit semula. Dibawah hidung reaksi tertunda karena pergerakan atom lambat akan tetapi logam yang mengalami pendinginan lanjut dengan mudah membentuk fasa ferrit (α) dan karbida (c) yang bernukleasi pada titik-titik catat dalam butir-butir fasa austenit menghasilkan fasa bainit. Diatas suhu C fasa pearlit terbentuk dalam waktu yang lebih singkat dari pada fasa bainit, dibawah suhu tersebut fasa bainit terbentuk lebih dahulu. Kedua daerah suhu tersebut mengahsilkan fasa ferrit (α) + karbida (c) Kurva Sigmoidal ( Kurva S) Kurva Sigmoidal biasa juga disebut sebagai kurva S (kurva Sigmoidal) dikarenakan bentuknya. Bila benda uji austenit homogen dengan komposisi eutektoid (~0.8%C-99,2%Fe) dipanaskan pada temperatur antara C dan C akan diperoleh kurva dekomposisi berbentuk S (Gambar. 2.7) kurva ini perupakan ciri khas proses nukliasi dan pertumbuhan penandakan bahwa transformasi mengalami masa inkubasi, tahap percepatan dan tahap perlambatan. Masa inkubasi adalah waktu mengumpulkan sejumlah energi untuk memulai transformasi. Fraksi fasa yang bertransformasi atau fraksi transformasi (Y) diturunkan sebagai suatu persamaan yang terjadi pada temperatur yang konstan, dikenal sebagai persamaan yang diturunkan dari persamaan Avrami.

40 Fraksi transformasi (Y) merupakan suatu fungsi dari waktu dan temperatur. Nilai Y berkisar antara 0% sampai 100 %. Gambar. 2.7 Pengaruh Temperatur pada Jumlah Pearlit yang Terbentuk dengan Waktu (Smallman, 1982) Fasa pearlit adalah campuran khusus terdiri dari dua fasa dan terbentuk sewaktu fasa austenit dengan komposisi eutektoid bertransformasi menjadi fasa ferrit dan karbida. Gambar 2.8, dari titik nol sampai titik A adalah masa inkubasi, waktu material untuk mengumpulkan sejumlah energi untuk memulai transformasi. Pada awal transformasi, austenit mengandung beberapa nodul pearlit yang halus, masing-masing akan tumbuh selama periode A hingga B.Jumlah persen austenit yang bertransformasi sedikit, karena nuklea kecil sehingga volume total hanya merupakan fraksi kecil dari austenit awal. Selama tahap B dan C laju transformasi bertambah, karena ketika nodul bertambah besar, permukaan kontak antara austenit dengan pearlit bertambah pula ; makin banyak jumlah volume pearlit, makin besar pula luas permukaan dimana

41 mungkin terjadi pengendapan produk transformasi selanjutnya. Pada C, nodul yang tumbuh akan saling berhimpit, sehingga daerah kontak antara pearlit dan austenit berkurang dan untuk selanjutnya, makin besar nodul makin lambat laju transformasi. Pada C, nodul yang tumbuh akan saling berhimpit, sehingga daerah kontak antara pearlit dan austenit berkurang dan untuk selanjutnya, makin besar nodul makin lambat laju transformasi 1. Faktor yang Mempengaruhi Nukleasi dan Pertumbuhan Laju transformasi fasa pearlit bergantung pada 2 faktor yaitu: A. Laju nukleasi nodul pearlit (N) yaitu jumlah nukleasi yang terbentuk per satuan waktu. B. Laju pertumbuhan nodul pearlit (G) yaitu laju pertumbuhan jari jari terhadap waktu. Pertumbuhan fasa pearlit menyangkut pembentukan fasa ferrit dan karbida sekaligus. Pertumbuhan dimulai pada batas-batas butir fasa austenit, dan lapisan kedua fasa tersebut tumbuh kearah dalam.. Bila laju pendingian perlahan, karbon dapat berdifusi lebih lama dan menempuh jarak lebih jauh dan terjadilah fasa pearlit yang kasar (lapisan tebal). Bila laju pendinginan cepat, difusi terbatas pada jarak dekat hasilnya adalah fasa pearlit halus dengan lapisan tipis yang lebih banyak. Jumlah fasa pearlit dapat berkisar dari 0 % sampai 100 %, bila kadar karbon meningkat dari 0 sampai komposisi eutektoid (~0,8 %C).

42 Sejalan dengan itu, terdapat pula pengurangan dalam jumlah ferrit. Jumlah pearlitik turun dalam baja karena karbida membentuk jaringan disekitar butiran fasa austenit semula. 2. Mekanisme dan Marfologi Fasa Pearlit Pertumbuhan fasa pearlit dari austenit melibatkan dua proses yang berbeda : A. Distribusi kembali dari karbon karena karbon menumpuk dalam sementit dan hampir tak terdapat dalam ferrit. B. Perubahan kristalografi karena struktur fasa ferrit maupun sementit berbeda dengan struktur fasa austenit. Laju pertumbuhan kedua proses dikendalikan oleh difusi atom karbon, dan perubahan kristalografi terjadi seiring dengan distribusi kembali atom karbon. Gambar 2.8.a nukleasi terjadi pada batas butir fasa austenit. Gambar 2.8.b setelah terbentuk matriks di sekelilingnya fasa ferrit kekurangan karbon, dan kondisi seperti ini menggugah nukleasi pelat ferrit berdekatan dengan nukleasi sementit. Gambar 2.8 Nukleasi dan Pertumbuhan Nodul Pearlit (Smallman, 1982)

43 Gambar 2.8.c pelat ferit ini akan melepaskan karbon ke fasa asutenit di sekitarnya dan ini akan memacu terbentuknya nukleasi sementit, yang kemudian tumbuh terus. Bersamaan dengan pertumbuhan ke samping dari nodul peralit, lamel ferrit dan sementit tumbuh dalam austenit, karena atom karbon yang dilepas oleh lamel ferrit yang tumbuh terus berdifusi ke arah sementit yang tumbuh juga. Akhirnya, terbentuk pelat sementit dengan orientasi berbeda yang kemudian menjadi inti yang baru seperti pada gambar 2.8.d dan gambar 2.8.e. Dengan banyaknya fasa pearlit yang tumbuh, maka tentu akan semakin banyak benturan-benturan atau tumbukan-tumbukan antara satu dengan lainnya sehingga laju transformasi nantinya akan berkurang. 3. Pengaruh Unsur Paduan Semua unsur paduan dalam jumlah kecil, terkecuali kobalt menunda transformasi austenit menjadi pearlit. Unsur tersebut mengurangi laju nukleasi, N, dan laju.pertumbuhan, G, sehingga puncak kurva T-T-T tergeser ke sebelah kanan. Hal ini memiliki dampak yang penting karena tanpa unsur paduan, potongan baja berukuran kecil atau tipis hanya dapat bertransformasi menjadi fasa bainit atau fasa martensit yang keras karena laju pendinginnya cepat sehingga tidak memotong hidung kurva T-T-T dan tidak akan terjadi transformasi dari fasa austenit ke fasa pearlit.

44 2. 7 Mikro Struktur Pemilihan bahan baku baja ditentukan oleh faktor komposisi paduan. Faktor komposisi dapat mempengaruhi sifat fisis dan sifat mekanis dan mikrostruktur. Mikrostruktur dapat menginterprestasikan kekerasan dan bahan tersebut. Analisa mikrostruktur adalah salah satu bahagian dari metalurgi fisis yang dapat menganalisa mikrostruktur dari baja akibat perlakuan panas dan poerlakuan mekanik yang menghasilkan bentuk butir yang nantinya dapat memperbaiki sifat fisis dan sifak mekanis dari baja, andaikan suatu bahan dipanaskan sampai temperatur tertentu. Metalurgi fisik adalah pengetahuan tentang metalografi. Konstitusi dari logam dan strukturnya maupun paduan-paduannya dipelajari dengan menggunakan mikroskop elektron atuau mikroskop optik. Setelah permukaan baja dipoles dan dietsa dengan bahan kimia khusus, maka dengan penyinaran dibawah mikroskop akan tampak bermacam-macam struktur mikro dengan batas butir berupa garis,seperti yang nampak pada Gambar 2.9. Tiap volume yang mempunyai orientasi tertentu disebut butir dan daerah tak teratur antar butir disebut batas butir (grain boundar ). Makin halus butir, makin kuat bahan dan kekuatan luluh, keuletan dan ketangguhan bahan juga semakin tinggi.

45 Gambar.2.9 Struktur Butir Baja (ferrit/α) yang Telah Dietsa(Vander, 1984). Gambar 2.9 memperlihatkan kondisi dengan perbesaran optik,pada mikrostruktur tampak beberapa warna,warna putih adalah warna yang mendominasi yang merupakan fasa ferrit (α).garis warna hitam adalah batas butir fasa ferrit. Besar butiran tergantung pada laju pendinginan dan proses pengerjaan pendinginan suatu baja. Struktur mikro baja dapat memberikan sebagian imformasi yang mendukung sifat dari baja tersebut. Salah satu yang dapat dianalisa dari struktur mikro adalah ukuran butir dari logam. Dimana ukuran butir mempengaruhi kekerasan logam. Ukuran butir dari logam dapat diketahui dengan menghitung diameter butirnya. Untuk menentukan ukuran butir suatu baja dapat dipergunakan Metode Planimetric (Metode Jeffries)

46 2.7.1 Metode Planimetric ( Metode Jeffries ) Metode Planimetric dikembangkan oleh Jeffries yang telah digunakan cukup lama dan sederhana untuk menentukan jumlah butir persatuan luas pada bagian bidang yang dapat dihubungkan pada standart ukuran butir ASTM E112. Metode Jeffries lebih sederhana penggunaannya jika dibandingkan dengan metode-metode lainnya.(vander, 1984, hal 445). Dalam penggunaan metode Jeffries dapat dilakukan dengan menggambar sebuah lingkaran pada gambar struktur mikro yang akan dianalisa. Jumlah butir yang utuh didalam daerah lingkaran disebut dengan n 1 dan jumlah butir yang berpotongan dengan garis lingkaran disebut dengan n 2. Gambar 2.10 penggunaan metode Jeffries dapat dilakukan dengan menggambar sebuah lingkaran pada gambar struktur mikro yang akan dianalisa. Gambar Foto Struktur untuk Menghitung Diameter Butir dengan Metode Planimetric ( Jeffries ) (Vander, 1984).

47 Persamaan-persamaan yang berhubungan dalam perhitungan ukuran butir dengan metode Jeffries tersebut sebagai berikut ( Vander, hal. 445 ) ; Jumlah butir per milimeter persegi (Na) dihitung dengan persamaan (2-1): Na = f n 1 n (2.1) Dimana: n 1 = Jumlah butir yang utuh n 2 = Jumlah butir yang terpotong Dari persamaan diatas, nilai f ( faktor Jeffries ) dapat dihitung dengan persamaan(2.2): f = M 2 A (2.2) Dimana: M= Perbesaran gambar mikro-stuktur A= Luas gambar mikro-stuktur Luas butir rata-rata A ditentukan dengan persamaan(2.3) A (mm 2 ) = ( A )= 1 ( Na) (2.3) Diameter butir rata-rata dihitung dengan mensubsitusi nilai dari persamaan (2-3) kepersamaan berikut : d (mm) = ( A ) 1/2 = 1 ( Na) 1 2 (2.4)