Downloaded 74 times
Mekanisme penguatan bahan
- 1. Ujian Tengah Semester(UTS) Material Teknik MEKANISME PENGUATAN BAHAN DISUSUN OLEH : ICHSAN MADYA (167015015) MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2017
- 2. BAB I PENDAHULUAN 1.1 LatarBelakang Mekanisme penguatan pada material logam merupakan hubungan antar pergerakan dislokasi dan sifat mekanik dari logam. Kemampuan suatu material logam untuk di ubah secara plastis tergantung pada kemampuan dislokasi untuk dapat bergerak. Denagn mengurangi pergerakan dislokasi, kekuatan mekanik dapat di tingkatkan, dimana di sebabkan energi mekanik yang di butuhkan untuk membuat deformasi plastis akan semakin besar. Sebaliknya apabila pergerakan dislokasi tidak ada yang menahan, logam akan lebih mudah untuk terdeformasi. Secara umum mekanisme penguatan yang di gunakan pada material logam adalah melalui pengerasan regang, penguatan larutan padat, penguatan presipitasi, dan penguatan batas butir. Mekanisme penguatan memiliki 3 metode yaitu Pengerasan Tegangan (Strain Hardening), Penguatan Larutan Padat (Solid-Solution Strengthening), Penghalusan Butin (Grain-Size Reduction). Gambar 1.1. Mekanisme penguatan pada logam dalam skala mikroskopik, seperti adanya presipitat, atom interstisi dan substitusi (larutan padat), serta penguatan batas butir.
- 3. BAB II PEMBAHASAN 2.1 PengerasanTegangan (Strain Hardening ) Strain hardening (pengerasan regangan) adalah penguatan logam untuk deformasi plastik (perubahan bentuk secara permanen atau tidak dapat kembali seperti semula). Penguatan ini terjadi karena dislokasi gerakan dalam struktur kristal dari material. Deformasi bahan disebabkan oleh slip (pergeseran) pada bidang kristal tertentu. Jika gaya yang menyebabkan slip ditentukan dengan pengandaian bahwa seluruh atom pada bidang slip kristal serempak bergeser, maka gaya tersebut akan besar sekali. Dalam kristal terdapat cacat kisi yang dinamakan dislokasi. Dengan pergerakan dislokasi pada bidang slip yang menyebabkan deformasi dengan memerlukan tegangan yang sangat kecil. Kalau kristal dipotong menjadi pelat tipis dan dipoles secara elektrolisa, maka akan terlihat di bawah mikroskop elektron, sejumlah cacat yang disebut dislokasi. Dislokasi merupakan cacat kisi yang menentukan kekuatan bahan berkristal. Karena adanya tegangan dari luars, dislokasi akan bergerak kepermukaan luar, sehingga terjadi deformasi. Selama bergerak dislokasi bereaksi satu sama lain. Hasil reaksi ada yang mudah bergerak dan ada yang sulit bergerak. Yang sulit bergerak berfungsi sebagai sumber dislokasi baru (multiplikasi dislokasi). Sehingga kerapatan dislokasi semakin tinggi. Semakin tinggi kerapatan dislokasi, maka semakin sulit dislokasi bergerak sehingga kekuatan logam akan naik. Strain hardening (pengerasan regangan) terjadi selama pengujian tarik. Pada proses uji tarik regangan akan bertambah sehingga kekuatan tarik, kekuatan mulur dan kekerasannya akan meningkat pula sedangkan massa jenis dan hantaran listriknya menurun. Hal ini juga mengakibatkan menurunnya keuletan. Kristal logam mempunyai kekhasan dalam keliatan yang lebih besar dan pengerasan yang luar biasa. Sebagai contoh, kekuatan mulur baja lunak sekitar 180 MPa dan dapat ditingkatkan sampai kira – kira 900 MPa oleh pengerasan regangan (Surdia Tata : 1984). Inilah yang melatarbelakangi mengapa mekanisme pengerasan logam merupakan sesuatu yang berguna. Tegangan di daerah elastis sampai sekitar titik mulur didapat dengan jalan membagi beban oleh luas penampang asal batang uji, biasanya dipakai pada perencanaan mesin – mesin. Tegangan ini dinamakan tegangan teknis atau tegangan nominal. Ketika deformasi bertambah, maka luas penampang batang uji menjadi lebih kecil sehingga tegangan dapat dinyatakan dalam tegangan sebenarnya. Kekuatan tarik atau kekuatan maksimum yang dinyatakan dalam tegangan teknis atau tegangan nominal sering dipakai dalam bidang teknik,yaitu tegangan dalam ordinat fasa gambar 1.2 dinyatakan dalam tegangan nominal. Kalau tegangan dinyatakan dalam tegangan sebenarnya σ’ dan regangan dalam regangan sebenarnya ε’
- 4. ε’ = ln( l / lo ) dan dengan regangan teknik ε ε’ = ln ( 1 + ε ) Hubungan antara tegangan sebenarnya dan regangan sebenarnya didekati oleh persamaan σ’ = K ε’ n dengan : n = eksponen pengerasan regangan (ukuran pengerasan) 1 = koefisien kekuatan K = konstanta n = konstanta K dan n adalah konstanta yang ditentukan oleh jenis bahan dan keadaan deformasi tertentu. Gambar diatas menyatakan perbandingan antara kurva tegangan – regangan teknis dan kurva tegangan – regangan sebenarnya. Dan persamaannya dapat dirumuskan : log σ’ = log K + n ε’ Jadi kalau tegangan sebenarnya dan tegangan sebenarnya diplot pada kertas grafik logaritma, daerah deformasi plastis merupakan garis lurus, sedangkan gradiennya merupakan harga n. Kalau keadaan deformasi tertentu diperhitungkan, regangan sebenarnya sama dengan perubahan regangan memanjang dan melintang, atau regangan dari tarikan dan tekanan. Selanjutnya regangan ε’neck pada permulaan pengecilan setempat dari pengujian tarik sama dengan harga n. Berikut adalah nilai K dan n: Hubungan antara elastisitas dan strain hardening Ø Pada daerah elastic bahan mengikuti Hukum Hook ( E = σ / ε) Kemudian setelah melewati titik luluh Y akan mengalami deformasi plastis. Seperti yang telah dijelaskan, deformasi berlanjut jika tegangan bertambah sehingga K lebih besar dari Y dan n lebih dari 0. Flow curve biasanya dinyatakan dalam sebagai fungsi linier dengan sumbu logaritma. Kebanyakan logam ulet (ductile) bersifat seperti ini 1. Factor yg mempengaruhi 2. Dengan dislokasi 3. Dengan perlakuan panas 4. Contoh pengerjaannya d roll 5. Data yang mendukung contohnya material apa,kekuatannya brp,dll
- 5. Logam ulet akanlebih kuat ketika mereka terdeformasi plastis pada temperatur di bawah titik leleh ( ≤ 7230 C ). Alasan untuk pengerasan regangan (strain hardening) adalah meningkatkan kerapatan dislokasi dengan deformasi plastik. Jarak rata-rata antara penurunan dislokasi dan dislokasi mulai memblokir gerakan satu sama lain. Persentase cold work (%CW) sering digunakan untuk menyatakan tingkat deformasi plastis. Gambar 2.1. Grafik Stress dan Strain terhadap deformasi plastis dan pengerjaan dingin. Yield strength selanjutnya (σy0) lebih tinggi dibandingkan inisial yield strength (σyi). Ini adalah alasan untuk pengaruh terhadap strain hardening. Yield strength dan hardness akan meningkat sebagai akibat strain hardening tetapi ductility (keuletan) akan menurun (material menjadi lebih brittle (getas)). Efek Strain Hardening dapat dihilangkan dengan perlakuan panas annealing Grafik 1. percent cold work terhadap Yield strength, Tensile Strength,dan Ductility pada 1040 Steel, Brass, dan Copper.
- 7. 2.2 Pengerasan Endapan(Precepitation Hardening) Pengerasan presipitasi , atau usia pengerasan , menyediakan salah satu mekanisme yang paling banyak digunakan untuk penguatan paduan logam . Pemahaman dasar dan dasar untuk teknik ini didirikan pada awal bekerja di US Bureau of Standards on Duralumin. Pentingnya saran teoritis untuk pengembangan paduan baru jelas dari catatan sejarah . Pada akhir abad ke-19 , besi cor adalah satu-satunya paduan komersial yang penting belum diketahui teknologi barat pada zaman Romawi . Ketika usia pengerasan aluminium ditemukan secara tidak sengaja oleh Wilm , selama tahun-tahun 1903 -1911 , dengan cepat menjadi paduan komersial yang penting di bawah nama dagang Duralumin. Kekuatan dan kekerasan dari beberapa paduan logam dapat ditingkatkan dengan pembentukan seragam tersebar sangat kecil partikel fase kedua dalam fase matriks asli dalam proses yang dikenal sebagai presipitasi atau usia pengerasan . Partikel endapan bertindak sebagai hambatan untuk gerakan dislokasi dan dengan demikian memperkuat paduan dipanaskan . Banyak paduan aluminium berbasis , tembaga - timah , baja tertentu , nikel berbasis super- paduan dan paduan titanium dapat diperkuat dengan proses pengerasan usia. Agar sistem paduan untuk dapat menjadi presipitasi-diperkuat, harus ada solusi yang solid terminal yang memiliki kelarutan padat menurun karena penurunan suhu. Al-Cu (Duralumin adalah paduan aluminium kelompok 2XXX) diagram fasa ditunjukkan pada Gambar 1 menunjukkan jenis penurunan sepanjang solvus antara α dan α + θ daerah. Pertimbangkan 96wt% Al - paduan Cu 4wt% yang dipilih karena ada degrease besar di kelarutan padat larutan α padat dalam mengurangi suhu dari 550 ° C sampai 75 ° C. Gambar 2.2 : The end kaya aluminium dari diagram fasa Al - Cu menunjukkan tiga langkah dalam perlakuan panas usia pengerasan dan mikro yang dihasilkan .
- 8. Dalam upaya untukmemahami penguatan dramatis paduan ini , Paul D. Merica dan rekan - rekannya mempelajari kedua pengaruh berbagai perlakuan panas pada kekerasan alloy dan pengaruh komposisi kimia pada kekerasan . Di antara yang paling penting dari temuan mereka adalah pengamatan bahwa kelarutan CuAl2 dalam aluminium meningkat dengan meningkatnya suhu Meskipun fase tertentu yang bertanggung jawab untuk pengerasan ternyata terlalu kecil untuk diamati secara langsung , pemeriksaan optik mikro memberikan identifikasi beberapa tahapan lain yang hadir . Para penulis melanjutkan untuk mengembangkan penjelasan mendalam untuk perilaku pengerasan Duralumin yang cepat menjadi model yang tak terhitung yang modern paduan kekuatan tinggi telah dikembangkan . Mereka meringkas empat fitur utama dari teori Duralumin asli : 1. Usia - pengerasan ini dimungkinkan karena hubungan - suhu kelarutan konstituen pengerasan dalam aluminium , 2. Konstituen pengerasan adalah CuAl2 , 3. Pengerasan disebabkan oleh pengendapan konstituen dalam bentuk lain daripada dispersi atom , dan mungkin dalam bentuk molekul , koloid atau kristal halus , 4. Efek pengerasan CuAl2 dalam aluminium dianggap berkaitan dengan ukuran partikel nya . Proses presipitasi - pengerasan melibatkan tiga langkah dasar : 1 ) Solusi Pengobatan , atau Solutionizing , adalah langkah pertama dalam proses presipitasi - pengerasan di mana paduan dipanaskan di atas suhu solvus dan direndam di sana sampai larutan padat homogen ( α ) diproduksi . Presipitat θ dilarutkan dalam langkah ini dan setiap segregasi hadir dalam paduan asli berkurang . 2 ) Quenching adalah langkah kedua di mana α padat didinginkan secara cepat membentuk larutan padat jenuh dari αSS yang berisi kelebihan tembaga dan bukan merupakan struktur keseimbangan . Atom tidak punya waktu untuk berdifusi ke situs nukleasi potensial dan dengan demikian presipitat θ tidak membentuk . 3 ) Aging adalah langkah ketiga dimana α jenuh , αSS , dipanaskan di bawah suhu solvus untuk menghasilkan endapan terdispersi halus . Atom berdifusi hanya jarak pendek pada suhu penuaan ini. Karena α jenuh tidak stabil , atom tembaga ekstra menyebar ke berbagai situs nukleasi dan presipitat tumbuh. Pembentukan endapan terdispersi halus dalam paduan adalah tujuan dari proses presipitasi - pengerasan . Presipitat baik dalam paduan menghambat pergerakan dislokasi dengan memaksa dislokasi baik memotong melalui partikel yang diendapkan atau pergi di sekitar mereka . Dengan membatasi gerakan dislokasi selama deformasi , paduan diperkuat . Umur Pengerasan - hujan . Paduan aluminium terkuat ( 2xxx , 6xxx 7xxx dan ) yang diproduksi oleh usia pengerasan . Sebuah dispersi halus endapan dapat dibentuk dengan perlakuan panas yang tepat .
- 9. Model umum untukdekomposisi diberikan , diikuti dengan rincian dari urutan curah hujan di 4. sistem paduan khusus : Al - Cu , Al - Cu - Mg , Al - Mg - Si dan Al - Zn - Mg . Sistem Al - Cu digunakan sebagai contoh utama dari dekomposisi , yaitu zona a0 ( SSSS ) → GP → θ '' → → θ ' → θ atau , lebih lengkap : zona a0 ( SSSS ) → α1 + GP → α2 + θ '' → α3 + θ ' → α4 + θ Umur Pengerasan - Penguatan . 3 mekanisme utamanya adalah : 1. Koherensi pengerasan regangan ; 2. Pengerasan kimia ; 3. dispersi pengerasan Hasil koherensi pengerasan regangan dari interaksi antara dislokasi dan medan regangan di sekitar zona GP dan / atau endapan yang koheren. Hasil pengerasan Kimia dari peningkatan stres diterapkan diperlukan untuk dislokasi untuk memotong melalui koheren ( atau semi - koheren ) mengendap. Hal ini pada gilirannya tergantung pada sejumlah faktor , termasuk : daerah ekstra antarmuka dan karenanya energi - antara endapan dan matriks kemungkinan penciptaan anti - batas fase ( APB ) dalam suatu endapan memerintahkan danperubahan pemisahan jarak antara dislokasi disosiasi karena energi susun berbeda dari matriks dan mengendap. Dispersi pengerasan terjadi pada paduan yang mengandung presipitat koheren atau partikel - yaitu biasanya mereka yang telah overaged . Pengerasan ini hasil dari tegangan geser meningkat diperlukan untuk dislokasi oleh - melewati rintangan ini . Sebagaimana disebutkan di atas , reaksi curah hujan di Al - Cu yang cukup kompleks . Tahap kesetimbangan CuAl2 sulit untuk nukleasi sehingga pembentukannya didahului oleh serangkaian endapan metastabil . Guinier dan Preston pertama kali menemukan banyak fenomena pengerasan usia . Dua endapan pertama yang terbentuk di urutan , oleh karena itu , yang dikenal sebagai zona GP . GP1 terdiri dari 10 piring - kaya tembaga diameter nm pada { 100 } Al pesawat . Ini berkembang menjadi zona GP2 yang juga piring koheren 10 nm tebal dan diameter 150 nm. Ini menyebabkan pengerasan maksimal . Theta ' / θ ' / endapan kemudian mengganti zona GP sebagai partikel semi- koheren , tahap yang dikenal sebagai over- penuaan karena kekerasan mulai menurun . Fase kesetimbangan CuAl2 memiliki struktur kristal tetragonal dan memberikan kontribusi sedikit kekerasan . Dalam bidang 6000 paduan seri pengerasan presipitasi aluminium , misalnya , model proses telah mampu menjelaskan pengaruh memuaskan diinduksi curah hujan pada cacat struktural pada potensi pengerasan selama isotermal suhu rendah penuaan . The ketangguhan retak dari 7000 paduan seri telah terkait dengan beberapa unsur mikro yang dihasilkan dari perlakuan termo-mekanis dalam model fenomenologis . Strategi umum pemodelan proses adalah dengan menggunakan persamaan individu yang telah dikembangkan untuk eksperimen
- 10. didefinisikan dengan baikdan mencoba untuk mengintegrasikan mereka dengan cara yang terintegrasi untuk situasi praktis yang lebih kompleks di mana efek ditambah beroperasi. Namun, penjelasan yang baik masih kurang ketika beberapa fenomena ini secara bersamaan operasi . Pemahaman presipitasi kompetitif beberapa fase ( metastabil dan stabil ) di beberapa situs nukleasi ( misalnya homogen dan cacat struktural ) sangat terbatas , serta pemahaman geser tersebut / oleh-melewati transisi menuju kekuatan maksimum untuk pengerasan presipitasi bahan . Perilaku pengerasan regangan bahan yang mengandung endapan ( dan dengan demikian tentu larutan padat ) kurang dipahami , dan memprediksi ketangguhan patah dalam kasus di mana beberapa mode fraktur secara bersamaan operasi tidak mungkin dalam kondisi sekarang seni. 2.3 Penghalusan Butir ( Grain Size Reduction ) Penghalusan butir adalah salah satu cara yang efektif bagi penguatan yang dihasilkan dengan menghalangi pergerakan dislokasi di sekitar batas butir. Dengan mengecilnya ukuran dari butir akan meningkatkan batas butir per unit volume dan mengurangi garis edar bebas dari slip yang berkelanjutan. Pergerakan selanjutnya membutuhkan tegangan yang tinggi untuk membuka atau menghasilkan suatu dislokasi baru pada butir berikutnya. Grain boundary barrier terhadap pergerakan dislokasi : Slip plane tidak berlanjut atau mengalami perubahan arah. Sudut yang kecil dari lapisan butir tidak efektif dalam menahan dislokasi.Sudut yang besar dari lapisan butir mampu menahan block slip dan meningkatkan kekuatan pada material. Konsentrasi tegangan di ujung slip plane kemungkinan akan memicu dislokasi baru dalam pertambahan butir. Gambar 2.3. Dislokasi butir.
- 11. Material dengan butiryang halus akan lebih keras dan kuat dibanding butiran yang kasar, disebabkan karena mempunyai jumlah permukaan lebih besar pada total area lapisan butir yang akan menghambat pergerakan dislokasi. Penurunan ukuran butir biasanya lebih baik dalam meningkatkan ketangguhan. Dalam banyak hal, variasi yield strength dengan ukuran butir mengacu pada persamaan Hall-Petch: σ y = σ 0 + k y d Dimana σ0 adalah tegangan geser yang berlawanan arah dengan pergerakan dislokasi pada butir, d adalah diameter butir dan k adalah suatu konstanta yang merepresentasikan tingkat kesulitan untuk menghasilkan suatu dislokasi baru pada butir berikutnya Walaupun demikian, pengaruh ukuran butir terhadap sifat mekanis memiliki batasan dimana butir yang terlalu halus (<10nm) akan menurunkan sifat mekanis akibat grain boundary sliding. Diameter ukuran butir d dapat di kontrol melalui : Ø laju pembekuan (solidification), Ø deformasi plastis, dan Ø Perlakuan panas (heat treatment) yang sesuai Struktur butir dengan kehalusan tinggi pada material baja dapat diperoleh dengan kombinasi dari proses pengerjaan panas dan pendinginan terkendali serta pengaruh penambahan paduan. Dalam hal ini ukuran butir dikendalikan melalui pengaturan temperatur dan besar deformasi dalam suatu konsep perlakuan thermomekanik atau TMCP. Gambar 2.4. grafik perubahan Grain size terhadap yield strength dan diameter butir pada paduan kuningan 70Cu–30 Zn.
- 12. 2.4 Penguatan LaruranPadat (Solid Solutir Strengthening) Paduan umumnya logam paduan lebih kuat dibandingkan dengan logam murni, karena impuritas atom yang masuk ke dalam larutan padat memaksakan tegangan kisi di sekeliling atom induknya. Interstisial atau impuritas substitusi dalam sebuah larutan akan mengakibatkan regangan kisi. Dan hasilnya impuritas ini akan berinteraksi dengan bidang dislokasi regangan dan menghambat pergerakan dislokasi. Impuritas cenderung menyebar dan memisah di sekitar inti (core) dislokasi untuk menemukan atom yang sesuai dengan radiusnya. Hal ini akan menurunkan tegangan energi keseluruhan dan “jangkar” dislokasi. Gambar 2.4. Pergerakan inti dislokasi menjauh dari gerakan impuritas ke daerah kisi dimana tegangan atom lebih besar (daerah tegangan dislokasi yang tidak terkompensasi oleh impuritas atom). Gambar 2.5. Impuritas penyebab dislokasi. Impuritas substitutional lebih kecil dan lebih besar cenderung untuk menyebar ke area tegangan sekitar dislokasi yang menyebabkan penghapusan impuritas dislokasi tegangan kisi .
- 13. Gambar 2.6. Grafikperbandingan konsentrasi Nikel terhadap Tensile Strength dan Elongation.
- 14. BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan Dalammasa pemulihan atau disebut juga recovery, sebagian energi regangannya di simpan logam di lepaskan akibat dari peningkatan dufusi atom pada suhu di naikan. Karena energi tersebut, dislokasi yang semula saling menghambat, mulai bergerak membentuk sususan stabil sehingga terjadi pengurangan jumlah dislokasi. Dislokasi yang terbentuk pada tahap ini memiliki energi regang yang kecil, dalam proses ini tidak mengubah stuktur butir logam. Rekristalisasi merupakan proses pembentukan sejumlah butir baru yang rata sisi, bebas energi regangan dan kepadatan dislokasinya cukup rendah. Kondisi tersebut memiliki ketika deformasi plastis belum di lakukan. Selama proses ini berlangsung, sifat-sifat mekanis, seperti kekerasan dan kekuatan menurun, serta kembali seperti kondisi sebelum pengerjaan dingin, pada proses ini, atom-atom bergerak dan menata kembali dan penataan ini lebih mudah pada suhu tinggi. Suhu rekristalisasi di definisikan sebagai suhu dimana butiran baru mulai muncul pada butiran yang lama.