Metalografi

PENDAHULUAN

1.1                    Latar Belakang

               Sebagai mana kita ketahui bahwa tiap – tiap material memiliki sifat – sifat mekanik yang berbeda, sifat – sifat tersebut sangat bergantung dari struktur mikro yang membentuk material itu sendiri. Dengan adanya struktur tersebut, suatu material akan mempunyai keunggulan seperti daya tahan terhadap korosi, kekerasan tinggi, mampu ditempa dan lain –lain. Semua hal ini dapat kita pelajari pada Metalografi yaitu suatu ilmu atau percobaan yang memeriksa struktur mikro suatu logam.

               Sifat – sifat tersebut harus diketahui oleh seorang teknisi apabila akan menggunakan suatu bahan untuk membuat kontruksi, salah satunya adalah dengan melakukan percobaan Metalografi. Metode pelaksanaannya adalah dengan cara menggerinda salah satu ujung benda uji dengan rata dan halus.

               Dalam perkembangan teknologi sekarang ini , metode seperti ini sudah banyak digunakan dalam industri. Terutama industri pengecoran logam dimana mereka dengan mudah dapat mengatur kadar karbon baja / besi seperti yang diinginkan.

1.2                    Manfaat Percobaan

a.    Dapat melihat struktur dari suatu logam.

b.   Dapat mengetahui karakteristik suatu bahan.

c.    Dapat mengetahui dampak perlakuan panas dan media pendingin terhadap karakteristik logam.

d.   Dapat melihat perbedaan setiap fasa logam yang diuji.

e.    Bertambahnya wawasan ketrampilan bagi para mahasiswa, yang selanjutnya dapat menjadi pengangan berharga dan mudah – mudahan dapat diaplikasikan secara nyata.

1.3                    Tujuan Percobaan

Adapun tujuan dari percobaan ini adalah

1.        Mengamati struktur mikro, butir kristal, batas butir, ukuran butir, dan jumlah butir.

2.        Mengamati fasa – fasa yang ada pada logam.

3.        Mengamati cacat pada logam.

4.        Mengetahui pengaruh etsa dan waktu etsa terhadap struktur mikro.

1.4                    Kompetensi

               Pada percobaan Metalugrafi, penggerindaan benda uji haruslah sangat halus supaya tidak terlihatnya goresan, setelah benda uji di etsa baru akan dilihat mikro struktur daripada logam tersebut dengan menggunakan mikroskop, Sehingga kita dapat menentukan jenis logam tersebut dengan mengetahui karakteristiknya.

TEORI DASAR

2.1          Teori Dasar Pengujian

               Metalografi merupakan ilmu yang mempelajari karakteristik mikrostruktur suatu logam dan paduannya serta hubungannya dengan sifat-sifat logam dan paduannya tersebut. Ada beberapa metode yang dipakai yaitu: mikroskop (optik maupun elektron), difraksi ( sinar-X, elektron dan neutron), analasis (X-ray fluoresence, elektron mikroprobe) dan juga stereometric metalografi. Pada praktikum metalografi ini digunakan metode mikroskop, sehingga pemahaman akan cara kerja mikroskop, baik optik maupun elektron perlu diketahui.

            Pengamatan metalografi dengan mikroskop umumnya dibagi menjadi dua, yaitu:

1. Metalografi makro, yaitu pengamatan struktur dengan perbesaran 10 – 100 kali,
2. Metalografi mikro, yaitu pengamatan struktur dengan perbesaran diatas100 kali.

Sebelum dilakukan pengamatan mikrostruktur dengan mikroskop maka diperlukan proses-proses persiapan sampel.

2.1.1       Struktur Mikro

Diagram kesetimbangan fasa Fe-FeC adalah alat penting untuk memahami struktur mikro dan sifat-sifat baja karbon.

               Karbon larut di dalam besi dalam bentuk larutan padat (solution) hingga 0,05% berat pada temperatur ruang. Baja dengan atom karbon terlarut hingga jumlah tersebut memiliki alpha ferrite pada temperatur ruang. Pada kadar karbon lebih dari 0,05% akan terbentuk endapan karbon dalam bentuk hard intermetallic stoichiometric compound (FeC) 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 910°C.

Gambar 3.1 Diagram fasa Fe-FeC

               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.

                      Gambar 3.2 Struktur BCC                                            Gambar 3.3 Struktur FCC

Ø      Ferrite

Ferrite adalah fase larutan padat yang memiliki struktur BCC (body centered cubic). Ferrite dalam keadaan setimbang dapat ditemukan pada temperatur ruang, yaitu alpha-ferrite atau pada temperatur tinggi, yaitu delta-ferrite. Secara umum fase ini bersifat lunak (soft), ulet (ductile), dan magnetik (magnetic) hingga temperatur tertentu, yaitu Tcurie. Kelarutan karbon di dalam fase ini relatif lebih kecil dibandingkan dengan kelarutan karbon di dalam fase larutan padat lain di dalam baja, yaitu fase Austenite. Pada temperatur ruang, kelarutan karbon di dalam alpha-ferrite hanyalah sekitar 0,05%. Berbagai jenis baja dan besi tuang dibuat dengan mengeksploitasi sifat-sifat ferrite. Baja lembaran berkadar karbon rendah dengan fase tunggal ferrite misalnya, banyak diproduksi untuk proses pembentukan logam lembaran. Dewasa ini bahkan telah dikembangkan baja berkadar karbon ultra rendah untuk karakteristik mampu bentuk yang lebih baik. Untuk paduan baja dengan fase tunggal ferrite, faktor lain yang berpengaruh signifikan terhadap sifat-sifat mekanik adalah ukuran butir.

Ø      Pearlite

Pearlite 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.

Ø      Austenite

               Fase Austenite memiliki struktur atom FCC (Face Centered Cubic). Dalam keadaan setimbang fase Austenite ditemukan pada temperatur tinggi. Fase ini bersifat non magnetik dan ulet (ductile) pada temperatur tinggi. Kelarutan atom karbon di dalam larutan padat Austenite lebih besar jika dibandingkan dengan kelarutan atom karbon pada fase Ferrite. Secara geometri, dapat dihitung perbandingan besarnya ruang intertisi di dalam fase Austenite (atau kristal FCC) dan fase Ferrite (atau kristal BCC). Perbedaan ini dapat digunakan untuk menjelaskan fenomena transformasi fase pada saat pendinginan Austenite yang berlangsung secara cepat. Selain pada temperatur tinggi, Austenite pada sistem Ferrous dapat pula direkayasa agar stabil pada temperatur ruang. Elemen-elemen seperti Mangan dan Nickel misalnya dapat menurunkan laju transformasi dari gamma-austenite menjadi alpha-ferrite. Dalam jumlah tertentu elemen - elemen tersebut akan menyebabkan Austenite stabil pada temperatur ruang.

Ø     Cementite

               Cementite atau carbide dalam sistem paduan berbasis besi adalah stoichiometric inter-metallic compund Fe3C yang keras (hard) dan getas (brittle). Nama cementite berasal dari kata caementum yang berarti stone chip atau lempengan batu. Cementite sebenarnya dapat terurai menjadi bentuk yang lebih stabil yaitu Fe dan C sehingga sering disebut sebagai fase metastabil. Namun, untuk keperluan praktis, fase ini dapat dianggap sebagai fase stabil. Cementite sangat penting perannya di dalam membentuk sifat-sifat mekanik akhir baja. Cementite dapat berada di dalam sistem besi baja dalam berbagai bentuk seperti: bentuk bola (sphere), bentuk lembaran (berselang seling dengan alpha-ferrite), atau partikel-partikel carbide kecil. Bentuk, ukuran, dan distribusi karbon dapat direkayasa melalui siklus pemanasan dan pendinginan. Jarak rata-rata antar karbida, dikenal sebagai lintasan Ferrite rata-rata (Ferrite Mean Path), adalah parameter penting yang dapat menjelaskan variasi sifat-sifat besi baja. Variasi sifat luluh baja diketahui berbanding lurus dengan logaritmik lintasan ferrite rata-rata.

Ø      Martensite  

               Martensite adalah mikro konstituen yang terbentuk tanpa melalui proses difusi. Konstituen ini terbentuk saat Austenite didinginkan secara sangat cepat, misalnya melalui proses quenching pada medium air. Transformasi berlangsung pada kecepatan sangat cepat, mendekati orde kecepatan suara, sehingga tidak memungkinkan terjadi proses difusi karbon. Transformasi martensite diklasifikasikan sebagai proses transformasi tanpa difusi yang tidak tergantung waktu (diffusionless time-independent transformation). Martensite yang terbentuk berbentuk seperti jarum yang bersifat sangat keras (hard) dan getas (brittle). Fase martensite adalah fase metastabil yang akan membentuk fase yang lebih stabil apabila diberikan perlakuan panas. Martensite yang keras dan getas diduga terjadi karena proses transformasi secara mekanik (geser) akibat adanya atom karbon yang terperangkap pada struktur kristal pada saat terjadi transformasi polimorf dari FCC ke BCC. Hal ini dapat dipahami dengan membandingkan batas kelarutan atom karbon di dalam FCC dan BCC serta ruang intertisi maksimum pada kedua struktur kristal tersebut.

Ø      Ladeburit

               Merupakan campuran halus antara fase perlite dan fase simentit, karena kandungan simentit lebih banyak maka fase ladeburit mempunyai sifat yang sangat getas dan keras.

2.1.2       Diagram T-T-T Kurva S

               Diagram TTT juga disebut diagram S atau diagram transformasi isothermal. Dengan diagram ini dapat dilihat perubahan struktur bila logam dibiarkan pada suhu konstan tertentu.

Gambar 3.4 Diagram TTT kurva S

               Untuk memperoleh struktur martensit, baja harus dicelupkan dengan cepat sehingga kurva pendinginan tidak memotong kurva transformasi. Pada kedua kurva TTT jelas bahwa sedikit di bawah temperatur kritis A, laju transformasi rendah meskipun pada transformasi ini mobilitas atom cukup tinggi. Hal ini disebabkan setiap perubahan fasa yang timbul akibat faktor permukaan dan energi regangan. Jika temperatur dibawa ke lutut kurva, laju transformasi meningkat. Terjadinya kelambanan pada proses ini disebabkan pada waktu pembentukan bainit temperatur agak rendah. Pada bagian temperatur 250°C - 300°C ternyata transformasi berlangsung sangat cepat. Untuk diagram fasa TTT hanya dapat diperlakukan pada baja karbon rendah. Jika baja dicelup pada daerah di bawah 200°C maka akan terbentuk martensit seiring baja tersebut dicelup dalam media pendingin ini, dan pada suhu kritis terbentuk austenit stabil yaitu atom mulai bergerak secara acak. Bentuk umum dari kurva transformasi-waktu-suhu berbeda untuk jenis baja. Perlu diketahui bahwa bentuk dari kurva waktu-suhu-transformasi berbeda untuk jenis baja yang berlainan. Tergantung pada kadar karbon unsur paduan,dan faktor besar butir austenit. Untuk itu agak sulit untuk membentuk martensit pada pencelupan baja lipoeutektoid. Baja karbon dengan komposisi eutectoid lebih mudah dikeraskan.

2.1.3       Proses Perlakuan Panas

               Perlakuan panas adalah proses untuk memperbaiki sifat-sifat dari logam dengan jalan memanaskan coran sampai temperatur yang cocok, lalu dibiarkan beberapa waktu pada temperatur itu, kemudian didinginkan ke temperatur yang lebih rendah dengan kecepatan yang sesuai. Perlakuan panas yang dilaksanakan pada coran adalah pelunakan temperatur rendah, pelunakan, penormalan, pengerasan dan penemperan. Heat treatment hanya bisa dilakukan pada logam campuran yang pada temperatur kamar mempunyai struktur mikro dua fase atau lebih. Sedang pada temperatur yang lebih tinggi fase-fase tersebut akan larut menjadi satu fase. Cara yang dipakai ialah dengan memanaskan logam sehingga terbentuk satu fase, kemudian diikuti dengan pendinginan cepat. Dengan cara ini pada temperatur kamar akan terbentuk satu fase yang kelewat jenuh. Bila logam dalam keadaan tersebut dipanaskan maka fase-fase yang larut akan mengendap.

Ø      Macam - macam perlakuan panas

               Secara umum langkah pertama heat treatment adalah memanaskan logam atau paduan itu sampai suatu temperatur tertentu, lalu menahan beberapa saat pada temperatur tersebut, kemudian mendinginkanya dengan laju pendinginan tertentu. Komposisi dari baja sangat mempengaruhi struktur mikro yang akan terjadi, disamping perlakuan-perlakuan yang dialami logam atau baja sebelumnya. Secara garis besar proses perlakuan panas dapat dibedakan menurut tingginya temperature dan laju pendinginanya. Proses laku panas dapat dibedakan menjadi dua macam yaitu :

· Proses perlakuan panas yang menghasilkan struktur yang seimbang seperti :

Anealling, normalizing.

· Proses perlakuan panas yang menghasilkan struktur yang tidak seimbang seperti

halnya pada hardening.

1.                   Anealling ( Pelunakan Coran )

               Aniliasi ( pelunakan ) coran dilakukan dengan memanaskanya sampai temperatur yang cukup tinggi kemudian didinginkan perlahan-lahan dalam tungku yang dipakai untuk melunakan. Dalam proses anealing baja harus dipanaskan melalui suhu pengkristalan kembali untuk membebaskan tegangan–tegangan dalam baja. Kemudian mempertahankan pemanasanya pada suhu tinggi untuk membuat sedikit pertumbuhan butir–butiran dan suatu struktur austenit, eterusnya didinginkan secara perlahan-lahan untuk membuat suatu struktur perlit. Baja menjadi cukup lunak sehingga dapat dikerjakan dengan mesin.Baja anil kurang keuletanya dibandingkan dengan hasil laku panas lainya akan tetapi baja anil membentuk geram yang baik sewaktu pemesinan.

2.                   Normalizing

               Normalisasi dilakukan untuk mendapatkan struktur mikro dengan butir yang halus dan seragam. Proses ini dapat diartikan sebagai pemanasan dan mempertahankan pemanasan pada suhu yang sesuai diatas batas perubahan diikuti dengan pendinginan secara bebas didalam udara luar supaya terjadi perubahan ukuran butiran-butiran. Hal tersebut membuat ukuran menjadi seragam dan juga untuk memperbaiki sifat-sifat mekanik dari baja tersebut. Pada proses ini baja dipanaskan untuk membentuk struktur austenit direndam dalam keadaan panas, dan seterusnya didinginkan secara bebas di udara. Pendinginan yang bebas akan menghasilkan struktur yang lebih halus daripada struktur yang dihasilkan dengan jalan anealing. Pengerjaan mesin juga akan menghasilkan permukaan yang lebih baik.

3.                   Pengerasan ( Hardening )

               Pengerasan biasanya dilakukan untuk memperoleh sifat tahan aus yang tinggi atau kekuatan yang lebih baik. Pengerasan dilakukan dengan memanaskan baja sampai ke daerah austenit lalu mendinginkanya dengan cepat, dengan pendinginan yang cepat ini terbentuk martensit yang kuat. Temperatur pemanasannya, lama waktu tahan dan laju pendinginan untuk pengerasan banyak tergantung pada komposisi kimia dari baja. Kekerasan maksimum yang dapat dicapai tergantung pada kadar karbon dalam baja. Kekerasan yang terjadi pada benda akan tergantung pada temperature pemanasan, waktu tahan dan laju pendinginan yang dilakukan pada proses laku panas, disamping juga pada harden ability baja yang dikeraskan.