PENGARUH W AKTU PENUAAN TERHADAP SIFAT SUPERELASTISITAS PADUAN SHAPE MEMORY Ti-50.85% at.ni. Elman Panjaitan clan Sulistioso Giat Sukarjo

Transkripsi

1 PENGARUH W AKTU PENUAAN TERHADAP SIFAT SUPERELASTISITAS PADUAN SHAPE MEMORY Ti-50.85% at.ni Elman Panjaitan clan Sulistioso Giat Sukarjo Bidang Bahan lndustri -Pusat Penelitian dan Pengembangan IImu Pengetahuan Teknologi Bahan-BATAN ABSTRACT THE AGING TIME EFFECT ON SUPERELASTICITY CHARACTERISTIC OF Ti-50.85%at.Ni SHAPE MEMORY ALLOY. The stressed and strained recoverable phenomenon on fix temperature is observation used optical microscope and tensile test methods on TiNi alloy resulted from solution treatmen on 1000 C for I hour followed by water quenching and aging treatment on 500 C for 1,5,10,30 hours. Observation results showed that superelasticities are affected by aging treatment, and aging time for 10 hours yielded SME at about 4.48% martensite phase arranged by fine laths. ABSTRAK PENGARUH WAKTU PENUAAN TERHADAP SIFAT SUPERELASTISITAS PADUAN SHAPE MEMORY Ti-50.85%at.Ni. Fenomena kemampuan paduan TiNi untuk memulihkan tegangan dan regangan dengan perubahan temperatur tertentu, merupakan landasan peneltian sifat superelastisitas yang terdapat pacta paduan TiNi. Penelitian dilakukan menggunakan metoda mikroskop optik dan uji tarik pacta bahan Ti-50.85%at.Ni hasil proses panas pelarutan pacta temperatu 1000 C selama 1 jam yang diikuti pendinginan cepat dan proses penentuan pacta temperatur 500 C selama 1, 5, 10 dan 30 jam. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pelakuan panas penuaan mempengaruhi sifat superelastisitas dan sifat tersebut dicapai hingga 4,48% pacta penuaan 10 jam dengan struktur rasa martensit tersusun oleh pelat-pelat halus. PENDAHULUAN Paduan biller TiNi, pada komposisi tertentu, merupakan salah satu kelompok paduan yang digunakan sebagai bahan paduan shape memory, karena paduan ini memiliki sifat pemulihan tegangan dan regangan pada perubahan temperatur tertentu. Sifat pemulihan regangan clan tegangan ini dikenal sebagai fenomena shape memory effect (SME) clan paduan shape memory termasuk dalam kategori material cerdas (smart material) sedangkan paduan TiNi ditemukan pertama kali oleh ahli dari Naval Ordinance Laboratory (NOL) pada tahun 1963 di Amerika Serikat clan sejak itu paduan TiNi yang bersifat shape memory dikenal dengan istilah NITINOL (NIckle- TItanium Naval Ordinance Laboratory)[l]. Paduan nitinol memiliki beberapa kelebihan dibandingkan dengan paduan shape memory lainnya (misalnya: AgCd, CuZn, NiAI, FePd, FeMNSi clan lain-lain). Kelebihan tersebut diantaranya [2]; ulet, ketahanan korosi yang lebih baik, sifat mekanik yang lebih baik, tahan listrik yang relatiftinggi serta memiliki stabilitas sifat ingat bentuk yang lebih baik, sehingga paduan 75

2 ini lebih banyak dikembangkan dalam aplikasinya, untuk digunakan /dioperasikan pada temperatur yang lebih tinggi tanpa menimbulkan degradasi terhadap sifat shape memory-nya. Salah satu sifat nitinol, yaitu temperatur transformasi martensitik, dapat dimodifikasi dengan mengubah komposisi paduan, pengerjaan dan perlakuan panas, sehingga dapat digunakan dalam berbagai aplikasi sesuai batasan pemanfaatannya. Perlakuan panas yang lazim dimanfaatkan untuk mengubah temperatur transformasi martensitik paduan nitinol adalah: perlakuan panas pelarutan (solution treatment) yang diikuti pendinginan cepat (quenching) dan panas penuaan (aging), dimana pendinginan cepat setelah perlakuan rasa martensit yang berupa pelat-pelat atau lameiar-lamelar sedangkan perlakuan penuaan dapat memperbaiki sifat superelastisitas [3]. Seperti telah dilakukan pada penelitian-penelitian terdahulu, perlakuan penuaan pada temperatur penuaan 500 C hingga 700 C dengan waktu penuaan I. 0 jam pada paduan Ti-50,04%at.Ni mengakibatkan temperatur transformasi rasa austenit-martensit menjadi stabil [4]. Sedangkan akibat penuaan 550 C selama I. -30 jam menunjukkan pertumbuhan presipitat TiNi3 yang membesar dengan orientasi [.,1 I.I.]TiNi3 //[l I. O]Matriks, dan tidak mengakibatkan tumbuhnya rasa commensurate [5,6]. Dilain pihak S. Miyazaki dan K. Otsuka[7], memunjukkan bahwa akibat penemuan menumbuhkan presipitat Ti3Ni4. Kerapatan presipitat yang semakin meningkat menyebabkan semakin meningkatnya kekuatan pada daerah-daerah yang kaya Ni, karena struktur internal mencegah pergerakan dislokasi. Konsekuensinya tegangan untuk terjadinya slip menjadi meningkat. Kondisi tegangan slip yang lebih besar dari tegangan induksi martensit sangat diperlukan agar tidak terjadi strain permanen yang menjadi landasan suatu bahan atau paduan bercirikan elastisitas tinggi (superelastisitas). Kemampuan shape memory dan sifat superelastisitas pada paduan TiNi ini sangat bermanfaat dalam berbagai penggunaan bidang industri yang dikategorikan berdasarkan fungsinya, diantaranya: penyambung dan penyekat (fasteners, connectors and seals), alat kontrol, alat pengaman (safety) dan alat peredam (damping)[1. 7]. Dalam makalah ini akan dibahas pengaruh waktu penuaan paduan shape memory Ti-50,85% at. Ni pada temperatur 500 C terhadap sifat superelastisitas dan struktur mikronya. Pengamatan sifat superelastisitas dilakukan dengan pengujian tarik dengan besaran-besaran fisis yang digunakan bersesuaian dengan persamaan-persamaan berikut: 76

3 I: =~ xioo% (%) 10 8ME = II -springback.,. (0/0) dimana 1 A = -trd2 4 = 3,14 mm2 Besaran-besaran yang termaksud pada persamaan tersebut diatas masing-masing menyatakan: cry adalah tensile stress arah vertikal, E adalah tensile strain, Fy adalah gaya tarik arah vertikal, A adalah luas penampang cuplikan, d diameter cuplikan (d = 2 mm), 1 clan 10 masing-masing menyatakan panjang cuplikan setelah clan sebelum ditarik. BAHAN DAN TATAKERJA Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah kawat TiNi (dia = 2 mm) dengan komposisi 50,85% atom Ni, yang diperoleh dati Jepang. Kawat TiNi tersebut di-solution treatment pada temperatur 1000 C selama 1 jam yang diikuti pendinginan cepat pada media air, selanjutnya kawat dituakan pada temperatur 500 C dengan variasi waktu 1, 5,10 dad 30 jam. Pengamatan struktur mikro dilakukan laboratorium bidang bahan industri P3IB-BA T AN Serpong, dengan menggunakan metode mikroskop optik, Nikon. Cuplikan TiNi terlebih dahulu dietsa menggunakan larutan 44% HNO3 + 12% HF + 44% H2O dalam persentase volume. Sedangkan pengamatan superelastisitas dilakukan di Laboratorium Metalurgi Universitas Indonesia Depok, menggunakan metode uji tarik, Servopulser Shimadzu, dengan panjang kawat uji sebesar 10 cm. BASIL DAN PEMBAHASAN Mekanisme shape memory adalah transformasi rasa yang reversibel antara rasa austenit dan martensit, transformasi terjadi tanpa melalui proses difusi (diffusionless). Ketika rasa induk (austenit) pada temperatur tinggi didinginkan dengan cepat (quenching) dan terbentuk rasa martensit[8]. Gambar I menunjukkan ilustrasi dari mekanisme perubahan rasa yang reversibel dari paduan shape memory dimana rasa austenit memiliki strukur kubus dengan susunan atom yang teratur (ordered). Bila paduan tersebut didinginkan, terjadi transformasi ke rasa martensit yang memiliki struktur dimana atom-atomnya tersusun secara kembar (twinned). Ketika dibebani, \ 77

4 7 atom-atom terse but akall tergeser pada bidallg batas butir kristal kern bar (twin boundaries) clan kemudian membentuk susunan dellgan orientasi yang sarna yaitu, kombinasi alltara detwinning dengan reorientation. Oleh karena itu ketika be ball dilepaskan terjadi perubahan tetap. ;" 101-" -.fdol_by ~ Dof- M-. 1t>J 1;1"'-"". Gambar Ilustrasi mekanisme shape memory[8]. perubahan rasa pada paduan Dalam proses pemanasan, struktur martensit clan deformasi yang tersimpan di dalam material akan menghilang clan berubah menjadi rasa austenit yang disertai dengan proses pengambilan bentuk (shape recovery). Fenomena transformasi rasa martensit termaksud terlihat juga pada struktur mikro paduan Ti-50.85%at.Ni basil perlakuan panas pelarutan pada temperatur ] OOO C selama ] jam yang diikuti pendinginan cepat pada media air. Gambar 2 menampakkan adanya pelat-pelat yang teratur pada setiap butirnya. Secara makroskopis ada dua orientasi pertumbuhan pelat pada setiap butirnya, yaitu pertumbuhan pelat kontinu (A) dad pertumbuhan pelat diskontinu (B). 78

5 Gambar 2 Struktur mikro Ti-50.85%at.Ni basil perlakuan panas pelarutan yang diikuti pendinginan cepat pada media air, dimana (A) menunjukkan pertumbuhan pelat kontinu clan (B) pertumbuhan pelat diskontinu. Perlakuan penuaan pada temperatur 500 C menimbulkan perubahan struktur mikro paduan yaitu: pada tahap awal penuaan (waktu 1 jam), pelatpelat martensit tumbuh acak pada setiap butir (Gambar 3a), dengan dimensi pelat relatip lebih panjang dibandingkan pelat basil perlakuan panas pelarutan. Tumbuhnya pelat-pelat martensit yang acak tersebut mengakibatkan penampakan batas butir tidakjelas. Untuk waktu penuaan 5 jam, pelat-pelat martensit tersebut tumbuh bertambah kasar dan p enampakan batas butir semakin tidak jelas (Gambar 3b). Waktu penuaan 10 jam, menunjukkan pola pelat-pelat martensit yang hampir mirip dengan pelat martens it basil perlakuan panas pelarutan, akan tetapi struktur ini lebih mudah dideformasi (Gambar 3c). Sedangkan struktur mikro basil penuaan selama 30 jam, menunjukkan pola semakin berkurangnya pelat martensit yang teratur pada setiap butirnya dan mulai tampak kasar kembali (Gambar 3 d). 79

6 Gambar 3. Struktur mikro paduan Ti-50.85% at.ni hasil penuaan 500 C, dimana (a) selama 1 jam, (b) selama 5 jam, (c) selama 10 jam clan (d) selama 30 jam. 80

7 Transformasi rasa martensit berkaitan dengan sifat superelastisitas. Sifat ini dapat diamati dengan cara mengamati perubahan struktur martensit yang diberi pembebanan. Melalui pembebanan tersebut akan terjadi struktur martesit terinduksi oleh tegangan (stress-induced martensite), terbentuknya struktur tersebut mengakibatkan logam mampu menyerap clan menyimpan deformasi yang ditandai dengan terjadinya tegangan plateau, seperti ditunjukkan pada ilustrasi Gambar 4 [9]. Ketika beban dihilangkan, struktur martensit tersebut menjadi tidak stabil clan dengan pemanasan, struktur martensit clan deformasi yang tersimpan akan menyusut clan menghilang yang akhirnya menjadi struktur austenit, sehingga logam tersebut dapat kembali kebentuk semula. Gambar 4. Ilustrasi fenomena sifat superelastisitas pada logam clan paduannya yang mempunyai sifat shape memory [9]. Pengamatan hasil uji tarik, juga ditunjukkan dalam bentuk kurva hasil pengujian tarik pada benda uji Ti-50.85% at.ni seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Kurva tersebut memperlihatkan bahwa, variasi waktu penuaan mengakibatkan perbedaan shape memory effect (SM ). Pada penuaan I jam, Gambar Sa, SME yang dihasilkan tidak terlalu besar yaitu 0,96%. Hal ini dimungkinkan karena pelat-pelat martens it yang terbentuk masih tumbuh secara acak pada setiap butimya clan penampakan pelat-pelat tersebut tidak begitujelas. Waktu penuaan 5 jam, Gambar 5b, SME yang dihasilkan sebesar 3,96%, relatif lebih baik dibandingkan waktu penuaan I jam. Bila diperbandingkan dengan pola pelat martens it yang tumbuh, tampak KI

8 li, ~ ~I rfv~1 adanya pelat yang bertambah kasar. Hal ini menunjukkan waktu transisi untuk mendapatkan SME yang lebih baik. {--~.-. a) + b) ~~ - -- ( -v.. ).) c) -. - d) -... Ị Gambar 5. Kurva tegangan terhadap regangan basil pengujian tarik pada benda uji Ti-50,85%at.Ni basil penuaan 500 C (a) selama I jam, (b) selama 5 jam, (c) selama 10 jam dan (d) selama 30 jam. Perlakuan penuaan selama 10 jam, Gambar 5 (c), menghasilkan SME 4,48% clan lebih baik dibandingkan penuaan 1 clan 5 jam, penomena ini berkorelasi dengan struktur mikro yang dihasilkan. Penuaan sepuluh jam menunjukkan pola pelat matensit yang teratur clan halus pada setiap butirnya clan penampakan batas butir yang jelas, bahkan pada Gambar 3 (c), terlihat mulai tumbuhnya twin. Sedangkan pada basil penuaan selama 30 jam, SME yang dihasilkan menurun menjadi 3,45 %, Gambar 5 (d), dengan pola pelat martesit yang tumbuh semakin kasar. Besaran -besaran basil pengamatan uji tarik tersebut ditabelkan pada Tabel 1. Tabel Hasil pengujian tarik pada paduan Ti-50,85 %. Ni basil penuaan 5000 C, dimana sb merupakan spring back. t L E I sb 0,96 3,39 ME - --L~ 105 ] lo~ ,1 10, ,48 10,5 406 ~45 82

9 Untuk membuktikan bahwa keempat kawat Ti-50,85% at.ni bersifat shape memory, dilakukan pengujian one way shape memory effect, Gambar 6, yaitu dengan memperhatikan respon kawat terhadap perubahan temperatur setelah terlebih dahulu kawat tersebut diberi deformasi (berupatekukan). Gambar 6.. llustrasi dari mekanisme one-way shape memory effe~t[9]. Pengamatan respon kawat. terhadap perubahan temperatur menunjukkan bahwa, kawat hasil penuaan selama I jam menunjukkan respon yang lambat dibandingkan perlakuan penuaan selama 5, 10, clan 30 jam clan respon yang terbaik terlihat pada kawat Ti-50,85%at.Ni hasil penuaan selama 10jam. KESIMPULAN Penuaan pada temperatur 500 C, dapat meningkatkan sifat superelastisitas paduan Ti-50,85%at.Ni. Perubahan struktur mikro pelat-pelat martensit yang terbentuk mempengaruhi sifat superelastisitas Ti-50,85%at.Ni, dimana semakin banyak kuantitas pelat martensit maka sifat superelastisitas semakin baik. Sifat superelastisitas paling baik dihasi!kan pada kawat Ti-50,85% at.ni yang dituakan selama! 0 jam, dengan SME sebesar 4,48%. 83

10 DAFTARPUSTAKA ADNY ANA, D.N.. Teknologi Paduan Logam Shape Memory clan Penerapannya Untuk Industri, Kongres Ilmu Pengetahuan Nasional IV, Jakarta (1986) 2. OTSUKA, K., SHIMIZU, K., "Pseudoelasticity and Shape Memory Effect in Alloys", International Metals Reviews, 31 (3) (1986) 3. MIYAZAKI, S., OTSUKA, K., "Development of Shape Memory Allys", ISIJ International, 29 (5) (1986) 4. ELMAN PANJAITAN, SURIAN PINEM, Pengaruh Proses Laku Panas Terhadap Karakteristik Ingat Bentuk Paduan Ti-50,04%at,Ni, Jurnal Ilmu clan Rekayasa Teknologi Industri (JIRTI) 1 (1) April (2000) 5. ELMAN PANJAITAN, D.N. ADNYANA, Pengaruh Laku Panas Penuaan Terhadap Presipitat TiNi3 Paduan Ti-50,04%at.Ni, Jurnal Ilmu clan Rekayasa Material, 1 (3) Des. (1999) 6. ELMAN PANJAITAN, Perilaku Presipitat TiNi3 Paduan NITINOL Akibat Perlakuan Panas Penuaan, Prosiding Seminar Nasional Mikroskopi clan Mikroanalisis IV, Sept~ (1999) 7. Mc.DONALD SCHETKY, L., "Shape Memory Alloys", ECT 3rd Ed., V (20)(1994) 8. GISSER, K. R. C., ELLISA, A.B., PEREPEZKO, J.H., MOBERLY, W., BUSCH, J.C.,"Principles of the Shape Memory Effect In Nickel - Titanium", Chemistry of Advenced Materials, IUPAC, (1992)