TUGAS METALURGI II PENGUJIAN METALOGRAFI BAJA 1020 Disusun oleh : Endah Lutfiana 2710 100 099 Jurusan Teknik Material dan Metalurgi Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2011
BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Metallography adalah suatu metode untuk menyelidiki struktur logam dengan menggunakan mikroskop optis dan mikroskop elektron. Struktur/gambar logam yang terlihat melalui mikroskop disebut mikro struktur. Pengamatan metalografi dengan mikroskop umumnya dibagi menjadi dua yaitu : Metalografi Makro Yaitu pengamatan struktur dengan perbesaran 10-100 kali Metalografi Mikro Yaitu pengamatan struktur dengan perbesaran di atas 100 kali Pada gambar ini terlihat daerah lingkup ukuran mikro struktur logam yang umumnya diamati dengan mikroskop. Dari gambar 1 ternyata bahwa penyelidikan mikro struktur tersebut berkisar antara 10-6 cm (batas kemampuan elektron mikroskop hingga 10-2 cm batas batas kemampuan mata manusia). Meskipun daerah lingkup pengamatan metallograpy ini mencakup suatu daerah yang luas (10-6 - 10-2 cm) namun demikian obyek pengamatan yang biasanya digunakan yaitu 10-5 cm atau order pembesar 5.000-30.000 kali untuk mikroskop electron dan 10-3 cm atau order pembesaran 100-1000 kali untuk mikroskop optis.
I.2 Tujuan Percobaan metallography ini bertujuan untuk mengetahui struktur mikro suatu baja karbon 1020.
BAB II DASAR TEORI II.1 Metallography Pengamatan Metallography didasarkan pada perbedaan intensitas sinar pantul permukaan logam yang masuk kedalam mlkroskop sehingga terjadi gambar yang berbeda (gelap, agak terang, terang). Apabila terhadap permukaan logam yang telah dihaluskan (polish) dicelupkan kedalam suatu media kimia (etsa), maka permukaan logam tersebut akan dilarutkan. Mikro struktur yang berbeda akan dilarutkan dengan kecepatan yang berbeda sehingga meninggalkan bekas permukaan dengan orientasi sudut yang berbeda pula. Dengan demikian apabila seberkas sinar dikenakan pada permukaan logam yang telah di test maka sinar tersebut akan dipantulkan sesuai dengan orientasi sudut permukaan yang terkena. Agar permukaan logam dapat diamati secara metallography maka terhadap permukaan tersebut. Terlebih dahulu dilakukan persiapan (Proporasi) berikut : 1. Pemotongan spesimen
2. Mounting spesimen (bila diperlukan) 3. Grinding dan polishing 4. Etsa. Setelah permukaan spesimen dietsa maka spesimen tersebut siap untuk diamati dibawah mikroskop dan pengambilan foto metallography. II.2 Baja Karbon Baja karbon adalah paduan besi baja dengan elemen utama Fe dan C. Baja karbon memiliki kadar C hingga 1.2% dengan Mn 0.30%-0.95%. Baja dengan kadar karbon sangat rendah memiliki kekuatan yang relatif rendah tetapi memiliki keuletan yang relatif tinggi. Baja jenis ini umumnya digunakan untuk proses pembentukan logam lembaran. Dengan meningkatnya kadar karbon maka baja karbon menjadi semakin kuat tetapi berkurang keuletannya. Umumnya baja karbon (Plain Carbon Steel) diklasifikasikan menjadi (1) Baja karbon rendah (Low Carbon Steel) (2) Baja karbon menengah (Medium Carbon, dan (3) Baja Karbon Tinggi (High Carbon Steel) berdasarkan prosentase Steel) karbonnya. Tabel 3-1 Beberapa jenis baja karbon berdasarkan klasifikasi AISI-SAE
Baja karbon rendah atau sangat rendah, seperti telah dijelaskan sebelumnya, banyak digunakan untuk proses pembentukan logam lembaran, misalnya untuk badan dan rangka kendaraan serta komponen-komponen otomotif lainnya. Baja jenis ini dibuat dan diaplikasikan dengan mengeksploitasi sifat-sifat ferrite. Ferrite adalah salah satu fasa penting di dalam baja yang bersifat lunak dan ulet. Baja karbon rendah umumnya memiliki kadar karbon di bawah komposisi eutectoid dan memiliki struktur mikro hampir seluruhnya ferrite. Pada lembaran baja kadar karbon sangat rendah atau ultra rendah, jumlah atom karbon-nya bahkan masih berada dalam batas kelarutannya pada larutan padat ferrite seluruhnya Hingga batas kelarutannya di dalam larutan padat ferrite, penambahan karbon berpengaruh terhadap sifat-sifat mekanik lembaran. Pada kadar karbon lebih tinggi akan mulai terbentuk endapan cementite atau fase pearlite pada batas butirnya sebagaimana terlihat pada Gambar 3-7. Ferrit perlit Gambar 3. Strukturmikro baja karbon rendah Fasa-fasa padat yang ada didalam baja : a. Ferit (alpha) : merupakan sel satuan (susunan atom-atom yang paling kecil dan teratur) berupa Body Centered Cubic (BCC=kubus pusat badan), Ferit ini mempunyai sifat : magnetis, agak ulet, agak kuat, dll. b. Autenit : merupakan sel satuan yang berupa Face Centered Cubic (FCC =kubus pusat muka), Austenit ini mempunyai sifat : Non magnetis, ulet, dll.
c. Sementid (besi karbida) : merupakan sel satuan yang berupa orthorombik, Semented ini mempunyai sifat : keras dan getas. d. Perlit : adalah suatu campuran lamellar dari ferrite dan cementite. Konstituen ini terbentuk dari dekomposisi Austenite melalui reaksi eutectoid pada keadaan setimbang, di mana lapisan ferrite dan cementite terbentuk secara bergantian untuk menjaga keadaan kesetimbangan komposisi eutectoid. Pearlite memiliki struktur yang lebih keras daripada ferrite, yang terutama disebabkan oleh adanya fase cementite atau carbide dalam bentuk lamel-lamel. e. Delta : merupakan sel satuan yang berupa Body Centered Cubic (BCC=kubus pusat badan). Pada kadar karbon lebih dari 0,05% akan terbentuk endapan karbon dalam bentuk hard intermetallic stoichiometric compound (Fe3C) yang dikenal sebagai cementite atau carbide. Selain larutan padat alpha-ferrite yang dalam kesetimbangan dapat ditemukan pada temperatur ruang terdapat fase-fase penting lainnya, yaitu delta-ferrite dan gamma-austenite. Logam Fe bersifat polymorphism yaitu memiliki struktur kristal berbeda pada temperatur berbeda. Pada Fe murni, misalnya, alpha-ferrite akan berubah menjadi gamma-austenite saat dipanaskan melewati temperature 910oC. Pada temperatur yang lebih tinggi, mendekati 1400oC gamma-austenite akan kembali berubah menjadi delta-ferrite. (Alpha dan Delta) Ferrite dalam hal ini memiliki struktur kristal BCC sedangkan (Gamma) Austenite memiliki struktur kristal FCC. Sifat cementite atau carbide yang keras dan getas berperan penting di dalam meningkatkan sifat-sifat mekanik baja. Salah satu parameter penting yang menunjukkan hal tersebut, sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya adalah a mean ferrite path. A mean ferrite path menunjukkan jarak antar cementite, baik pada pearlite maupun sphreodite. Jarak antar carbide di dalam pearlite secara khusus dikenal sebagai interlamellar spacing atau spasi antar lamel atau lembaran. Baja AISI-SAE 1020, dengan kadar karbon 0,2% diklasifikasikan sebagai baja karbon rendah. Baja karbon rendah banyak digunakan untuk proses pembentukan logam lembaran, misalnya untuk badan dan rangka kendaraan serta komponen-komponen otomotif lainnya. Baja jenis ini dibuat dan diaplikasikan dengan mengeksploitasi sifat-sifat ferrite. Ferrite adalah salah satu fasa penting di
dalam baja yang bersifat lunak dan ulet. Baja karbon rendah umumnya memiliki kadar karbon di bawah komposisi eutectoid dan memiliki struktur mikro hampir seluruhnya ferrite. Tabel 3. 2 Komposisi Baja AISI 1020 Tabel 3.3 Mechanical properties Baja AISI 1020
BAB III METODOLOGI III.1 Alat dan Bahan III.1.1 Bahan Bahan-bahan yang digunakan pada uji metalografi adalah spesimen baja karbon AISI 1020 III.1.2 Peralatan Peralatan yang digunakan pada kerja bangku antara lain: 1. Alat Pemotong 2. Hand grinding dengan kertas gosok masing-masing grid 180, 240, 400, 600, 800, 1000, 1500, 2000 3. Etching reagen antara lain Nital (NaOH,HNO 3 ) 4. Mikroskop optis dengan kamera pengambil foto metalografi sampai 500 kali 5. Air 6. Resin dan katalis 7. Metalpolish 8. Kain Beludru III.2 Prosedur Kerja Untuk mengetahui struktur mikro pastinya harus dilakukan preparasi spesimen dengan cara : 1. Pemotongan Spesimen Menurut ketentuan ukuran spesimen mempunyai luas permukaan antara ½ s/d 1 in 2 atau diameter ¼ s/d 1 in. Dengan alasan lebih kecil atau lebih besar dari ketentuan diatas akan sulit pada proses grinding dan polishingnya. Cara memotong spesimen sedemikian rupa sehingga permukaanya harus rata dan harus untuk menudahkan proses grinding dan polishingnya. Bila setelah dipotong, spesimen belum rata, dapat dikikir atau digerinda duduk untuk menghaluskan
spesimen tersebut. Proses pemotongan ini harus dilakukan dengan disiram menggunakan media pendingin misalnya air. Untuk menghidari rusaknya struktur kristal dari spesimen akibat overheating (panas yang timbul selama pemotongan), juga harus dihindari kerusakan spesimen karena sebab - sebab mekanis atau sebab-sebab lainnya. 2. Mounting spesimen Mounting yang dipilih pada spesimen ini adalah dengan menggunakan resin. Tujuan dimounting adalah untuk memudahkan pemegangan spesimen dalam proses grinding dan polishing juga menghindarkan panas pada tangan akibat spesimen yang panas karena gesekan. Spesimen yang telah dipotong sesuai ukuran, dimasukkan ke cetakan resin. Resin diracik dengan menuangkan beberapa resin secukupnya pada wadah yang lain. Kemudian ditambahkan katalis secukupnya. Diaduk sampai rata, langsung dituang kedalam cetakan yang sudah ada spesimennya. Ditunggu sampai resin mengeras. Setelah mengeras, spesimen yang sudah diresin dapat dikeluarkan dari cetakan. 3. Grinding dan Polishing Setelah spesimen diresin, spesimen mudah untuk dipegang dan tidak akan panas saat digrinding dan polishing. Spesimen digosok pada hand grinder, kalau permukaannya masih kasar digosok lebih dahulu dengan kertas gosok dengan grid 180 dan 240. Hand grinding dilakukan untuk kertas gosok dengan grid di bawah 1000 yaitu 180, 240, 400, 600, 800. Untuk grid 1000, 1500, 2000 menggunakan mesin grinding. Spesimen ditelungkupkan dan digosokkan pada kertas gosok yang dialiri air. Gerakan penggosokkannya menjauh dan mendekat (maju-mundur) terhadap operator (penggosok) Setelah terjadi garis-garis goresan yang sejajar dan merata spesimen dicuci dengan air, sebelum digosokkan pada kertas gosok grid berikutnya. Untuk pindah ke grid selanjutnya, arah garis garis goresannya harus saling tegak lurus dengan sebelumnya, artinya goresan dari grid 240 goresan dengan grid 400 dan seterusnya.
Setelah melalui Grinding process sampai kehalusan 2000 grid, permukaan spesimen dicuci dengan air dan alkohol kemudian dikeringkan dengan soft tissue. Kemudian di polish dengan menggunakan beludru yang di pasang pada mesin polishing. Spesimen diolesi dengan metalpolish agar mengkilat. Kemudian di polish. 4. Mengetsa (Etching) Proses etsa digunakan untuk mendapatkan ganbaran yang nyata dari struktur logam melalui mikroskop metallurgi. Dilakukan dengan cara mencelup tissue ke larutan nital (campuran NaOH dengan HNO 3 dengan perbandingan 3:1). Setelah itu tissue yang basah tersebut di usapkan ke permukaan spesimen kurang lebih 4 kali pengusapan. Jika terlalu lama diusap maka spesimen akan gosong karena korosinya terlalu dalam. Mengetching merupakan mengkorosikan spesimen. Korosi yang kita perlukan hanya sampai batas butir. Oleh karena itu tidak boleh terlalu lama proses pencelupannya. Dietching dapat mengkorosikan tepat sampai batas butir karena batas butir merupakan tempat yang mempunyai tegangan yang paling tinggi sehingga energinya paling tinggi oleh karena itu akan 5. Pengamatan Metallography dan Pengambilan Foto Spesimen yang telah di etsa selanjutnya diamati dibawah mikroskop dengan pembesaran 50x, 100x, 200x, dan 500x. Kemudian dilakukan pengambilan (pemotretan) foto metallography. Saat pengambailan foto dicari daerah yang bagus dan fokus untuk mempermudah pengamatan.
III.3 Hasil Pengujian Gambar 4: Perbesaran 50x Gambar 5 : Perbesaran 200x Gambar 6: Perbesaran 100x Gambar 7: Perbesaran 500x
BAB IV PEMBAHASAN Pengujian metallography ini bertujuan untuk mengetahui struktur mikro pada suatu baja karbon AISI 1020. Spesimen yang digunakan adalah baja AISI 1020 yang merupakan bagian dari baja karbon menengah. Berikut ini gambar spesimen yang sudah digrinding,dipolishing, dan sudah dietsa Gambar 8: Spesimen baja AISI 1020 Berdasarkan hasil pengamatan menggunakan mikroskop optis maka dapat diketahui struktur mikronya. Sebagai contohnya berikut ini foto pengamatan spesimen dengan perbesaran 200x dan 500x. 1 2 3 4 5 1 5 Ferrit 10 15 Perlit 20
Gambar 9. Stuktur mikro AISI 1020 perbesaran 500x Tabel 4.1 Persentase komposisi Ferit dan Perlit No % ferrit % perlit No % Ferrit % Perlit 1 60 40 14 77 23 2 70 30 15 72 28 3 80 20 16 74 26 4 70 30 17 83 17 5 75 25 18 74 26 6 85 15 19 82 18 7 65 35 20 78 22 8 80 20 21 62 38 9 70 30 22 65 35 10 75 25 23 83 17 11 85 15 24 80 20 12 67 33 25 72 28 13 78 22 Rata2 74,48 25,52 Berdasarkan perhitungan didapatkan struktur mikro 74,48 % Ferrit dan 25,52 % Perlit. Untuk mengetahui kadar karbon dapat dilakukan perhitungan menggunakan Lever Rule sebagai berikut : Ferrit (α) Karbon (X) Perlit eutectoid (0,8 %C)
0,8 X Ferrit = 0,8 0,8 X 0,7448 = 0,8 0,5958 = 0,8 X X = 0,20 X = 20 % atau X Perlit = 0,8 X 0,2552 = 0,8 0,2552 (0,8) = X X = 0,20 X = 20 % Jadi menurut perhiungan melalui lever rule kadar karbon dalam spesimen baja AISI 1020 adalah sebesar 20% Dari gambar diatas diketahui bahwa pada perbesaran 200x dan 500x struktur mikro yang terlihat adalah perlit dan ferrit. Perlitnya jumlahnya sedikit, sehingga yang lebih dominan adalah ferrit. Jumlah perlit yang sedikit ini menunjukkan kadar karbon dalam baja ini juga relatif rendah. Sehingga kekerasannya juga cenderung rendah. Sehingga mempunyai keuletan yang tinggi mudah dibentuk an dimachining. Sesuai dengan sifatnya penggunaan baja ini yaitu untuk badan kenderaan, konstruksi jembatan dan bangunan, baut paku keling, karena kepalanya harus di bentuk. paduan 0,2 %C
Pendinginan pada baja ini dapat dilihat dari Diagram fase Fe- Fe 3 C. Pembekuan dimulai pada titik likuidus dengan terbentuknya ferrit delta. Kemudian mengalami reaksi peritektik pada temperatur 1498 0 C. Sehingga likuid dan ferrit delta berubah menjadi austenit. Setelah pembekuan seluruhnya menjadi austenit. Perubahan berikutnya baru akan terjadi pada saat temperatur mencapai garis A3 akan mulai terjadi transformasi allotropik ϒ menjadi α. Transformasi ini dimulai dengan terbentuknya inti inti ferrit pada batas butir austenit. Austenit pada baja AISI 1020 ini mengandung 0,2 % C, sedang ferrit di temperatur ini hanya mampu melarutkan sedikit karbon, karena itu austenit yang kan menjadi ferrit harus mengeluarkan karbonnya sehingga sisa austenit akan menjadi lebih kaya karbon. Makin rendah temperaturnya makin banyak ferrit yang terbenuk, iinti tumbuh semakin besar. Pada saat mencapai A1 sudah ( 0,8 0,2) 0,8 bagian ferrit yang terjadi,tetapi masih ada 0,2 0,8 bagian austenit. Sisa austenit ini selanjutnya akan mengalami reaksi eutektoid menjadi perlit. Pada temperatur dibawah A1, paduan akan terdiri dari butiran kristal ferrit dan butiran kristal perlit, pada mikroskop ferrit tampak berwarna putih sedangkan perlit tampak kehitaman kadang tampak bergaris garis. Sehingga pada temperatur kamar struktur mikro pada baja AISI 1020 ini mempunyai ferrit yang lebih banyak daripada perlitnya. Sehingga sifatnya ulet dan tidak terlalu keras.
BAB V KESIMPULAN Dari hasil praktikum metallography diatas di dapatkan kesimpulan Baja AISI 1020 termasuk baja karbon rendah dengan kadar karbon 20 % Stukruturmikro Baja AISI 1020 yaitu Ferrit 74,48 % dan Perlit 25,52 % Baja AISI 1020 mempunyai kekerasan yang rendah dan keuletan yang tinggi Penggunaan baja AISI 1020 diantaranya untuk baja tulangan beton, rangka kendaraan, mur baut, pelat pipa.