Kategori unsur paduan baja. Tabel periodik unsur PENGARUH UNSUR PADUAN PADA BAJA PADUAN DAN SUPER ALLOY

Transkripsi

1 PENGARUH UNSUR PADUAN PADA BAJA PADUAN DAN SUPER ALLOY Dr.-Ing. Bambang Suharno Dr. Ir. Sri Harjanto PENGARUH UNSUR PADUAN PADA BAJA PADUAN DAN SUPER ALLOY 1. DASAR BAJA 2. UNSUR PADUAN 3. STRENGTHENING MECHANISM 1. Dasar Baja paduan Department of Metallurgy and Materials 2007 Department of Metallurgy and Materials 2007 Kategori unsur paduan baja Tabel periodik unsur Interstitial: H, B, C, N, O Substitutional: Unsur-unsur di kiri, kanan dan bawah unsur Fe pada tabel periodik Sistem Fe-C adalah dasar metalurgi baja Department of Metallurgy and Materials Department of Metallurgy and Materials

2 Diagram Fasa Fe - C Fasa dan diagram Fasa Fasa Ferrite (α: T < 912, δ: 1394 < T <1538 C) Austenite (γ: 912 C < T < 1394 C) Liquid (l: T > 1538 C) Senyawa karbida, nitrida dan oksida Diagram fasa Fe-C Graphic display of stable phases as function of temperature. Department of Metallurgy and Materials Department of Metallurgy and Materials Struktur kristal dan fasa/struktur mikro Fe-Fe 3 C Struktur kristal Ferrite (Body Centered Cubic; BCC) Austenite (Face Centered Cubic; FCC) Carbides, Nitrides, Oxides (Complex) Fasa/microconstituents Ferrite Austenite Pearlite Ferrite-Carbide Micro-Composite Martensite Body Centered Tetragonal/ BCT C-supersaturated Ferrite Laths, Plates, Needles Bainite BCC-BCT Ferrite-Carbide Micro-Composite Laths, Plates Department of Metallurgy and Materials 0.5%C 0.8%C 1.5%C Department of Metallurgy and Materials 0.4% C ferrite + pearlite 1.4% C ferrite + cementite

3 Sifat individu fasa High-purity Ferrite (single crystal) Theoretical yield shear stress ~ 2000 MPa Actual yield shear stress ~ 10 MPa High-purity Ferrite (polycrystal) Theoretical yield shear stress ~ 6000 MPa Actual yield shear stress ~ MPa Grain size dependence σ = σ o +K /d 1/2 Pearlite Yield strength MPa Tensile strength MPa Bainite Yield strength MPa Tensile strength MPa Martensite Yield strength MPa PENGARUH UNSUR PADUAN PADA BAJA PADUAN DAN SUPER ALLOY 2. Unsur Paduan Department of Metallurgy and Materials 2007 Department of Metallurgy and Materials Elemen Paduan vs Elemen Ikutan Unsur Batas Kandungan Pengaruh unsur paduan Sifat fisika - kimia Sifat mekanika Sifat Magnetik Sifat ketahanan korosi Department of Metallurgy and Materials Department of Metallurgy and Materials

4 KARBON (C) SILIKON (Si) Larut dalam ferrite Pembentukan sementit (dan karbida lainnya), perlit, bainit. % C dan distribusinya mempengaruhi sifat baja. Kekuatan dan kekerasan meningkat dengan naiknya % C. Bahan deoksidiser. Meningkatkan kekuatan ferit. Dalam jumlah besar, meningkatkan ketahanan baja terhadap efek scaling, tetapi mengalami kesulitan dalam pemrosesannya (High-Silicon Steel). Department of Metallurgy and Materials Department of Metallurgy and Materials TEMBAGA (Cu) MANGAN (Mn) Membentuk segregasi, problem proses pengerjaan panas. Kualitas permukaan kurang baik. Meningkatkan ketahanan baja terhadap atmosfer (weathering steel 0,2% Cu). Department of Metallurgy and Materials Bahan oksidiser (mengurangi O dalam baja), menurunkan kerentanan hot shortness pada aplikasi pengerjaan panas Larut, membentuk solid solution strength dan hardness Dengan S membentuk Mangan Sulfida, meningkatkan sifat pemesinan (machineability). Meningkatkan kekuatan dan kekerasan meski tidak sebaik C. Menurunkan sifat mampu las (weldability) dan keuletannya. Meningkatkan hardenability baja. Department of Metallurgy and Materials

5 KHROMIUM (Cr) NIKEL (Ni) Meningkatkan ketahanan korosi dan oksidasi. Meningkatkan kemampukerasan. Meningkatkan kekuatan pada temperatur tinggi. Peningkatan ketahanan terhadap pengaruh abrasi. Unsur pembentuk karbida (elemen pengeras). Tidak membentuk karbida Berada dalam ferit, sebagai penguat (efek ketangguhan ferit). Dengan Cr menghasilkan baja paduan dengan kemampuan kekerasan tinggi, ketahanan impak dan fatik yang tinggi. Department of Metallurgy and Materials Department of Metallurgy and Materials MOLIBDENUM (Mo) VANADIUM (V) Meningkatkan kemampukerasan baja. Menurunkan kerentanan terhadap temper embrittlement ( o C) Meningkatkan kekuatan tarik pada temperatur tinggi dan kekuatan creep. Mengontrol pertumbuhan butir (meningkatkan kekuatan dan ketangguhan). Peningkatan kemampukerasan baja. Dalam jumlah berlebih, menurunkan nilai hardenability (pembentukan karbida berlebih). Department of Metallurgy and Materials Department of Metallurgy and Materials

6 ALUMINIUM dan TITANIUM TUNGSTEN (W) Aluminium. - Sebagai deoksidiser. - Pengontrolan dalam pertumbuhan butir. Titanium (Ti). - Sebagai deoksidiser. - Mengontrol pertumbuhan butir. Memberikan peningkatan kekerasan. Menghasilkan struktur yang halus. Pada temperatur tinggi, tungsten membentuk WC (keras dan stabil). Menjaga pengaruh peunakan selama proses penemperan. Department of Metallurgy and Materials Department of Metallurgy and Materials PENGARUH UNSUR PADUAN PADA BAJA PADUAN DAN SUPER ALLOY 3. Mekanisme Penguatan Department of Metallurgy and Materials 2007 Department of Metallurgy and Materials

7 Hubungan struktur sifat baja Mekanisme Penguatan Baja Sifat individual fasa/konstituen mikro dalam baja Baja sebagai material komposit Mekanisme penguatan dalam baja Struktur permukaan baja Pengerasan regang (strain hardening). Penguatan besar butir (grain boundary strengthening). Atom pelarut (solid solution strengthening). Presipitasi (precipitate strengthening). Dispersi (dispersion strengthening). Filosofi : mudah/sulitnya dislokasi bergerak Department of Metallurgy and Materials Department of Metallurgy and Materials Mekanisme Penguatan Baja Pengerasan Regang (Strain atau Work Hardening) Terjadi selama proses deformasi (forging, rolling, dll.) Jumlah dislokasi dan interaksi dislokasi meningkat, mobilitas dislokasi berkurang. Diperlukan gaya yang lebih besar agar deformasi dapat berlangsung. Department of Metallurgy and Materials Department of Metallurgy and Materials

8 Penguatan batas butir (Grain Boundary Strengthening) Batas butir = hambatan pergerakan dislokasi Hall dan Patch menurunkan rumus kekuatan luluh (yield): σ ys = σ I + k y d -1/2 Dimana : σ ys = kekuatan yield σ I = resistansi overall kisi terhadap pergerakan dislokasi K y = parameter kunci yang menjadi ukuran kontribusi ukuran pengerasan relatif dari batas butir D = ukuran butir Penguatan larutan padat (solid solution strengthening): Bila dua unsur atau lebih membentuk fasa tunggal maka ada interaksi medan tegangan atom yang larut dan dislokasi. Interaksi menyebabkan dislokasi sulit bergerak. Department of Metallurgy and Materials Department of Metallurgy and Materials Pengerasan Presipitasi (Precipitate Hardening) Bila kelarutan dalam paduan melampaui batas maka tumbuh partikel fasa kedua. Paduan dipanaskan hingga fasa tunggal (solution treatment) Quench cepat, terbentuk larutan padat lewat jenuh α (super saturated solid solution) Bila paduan dipanaskan (aging) akan terjadi presipitasi partikel β didalam butir α atau pada batas butirnya. Department of Metallurgy and Materials Pengerasan Presipitasi (Precipitate Hardening) Presipitasi fasa kedua dalam matriks mempersulit pergerakan dislokasi dalam matriks. Fungsi dari : Fraksi volume (jumlah) Ukuran Distribusi Jenis Bentuk presipitasi Department of Metallurgy and Materials

9 Penguatan Dispersi (Dispersion Strengthening): Menambah partikel oksida (Al 2 O 3 dan ThO 2 dalam Al atau Ni) yang menghalangi pergerakan dislokasi. Keunggulan : ketahanan dan kemampuan menahan beban pada temperatur tinggi. ODS (Oxide-Dispersion Strengthening). Cr sebagai larutan pada, ketahanan korosi temperatur tinggi Y 2 O 3 untuk pengerasan dispersi Untuk sudu turbin, fan turbin gas dan lembaran tahan oksidasi atau korosi. Department of Metallurgy and Materials