Modul C Metal Hardening

8/18/2019 Modul C Metal Hardening

1/19

Laporan Praktikum

Laboratorium Teknik Material

Modul C Metal Hardening

Oleh :

Nama : Surya Eko Sulistiawan

NIM : 13713054

Kelompok : 2

Anggota (NIM) : Andrian Anggadha Widatama (13713005)

Antonio Ricardo Salomo Abraham (13713024)

Adhi Setyo Nugroho (13713025)

Aldi Wendo Kohara (13713042)

Tanggal Praktikum : 27 Oktober 2015

Tanggal Penyerahan Laporan : 02 November 2015

Nama Asisten (NIM) : M. Iqbal Yusrian (13711064)

Laboratorium Metalurgi dan Teknik Material

Program Studi Teknik Material

Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara

Institut Teknologi Bandung

2015


2/19

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Material logam dan paduan banyak dijumpai dan digunakan pada industry

alat-alat berat, kontruksi, dan industry manufaktur. Para pelaku industri tersebut

memanfaatkan sifat-sifat logam dan paduannya sebagai bagian yang tak

terpisahkan dalam system pengoperasian industry mereka.

Salah satu sifat logam yang umum dimanfaatkan adalah sifat kekuatannya.

Sifat kekuatan logam dapat disejajarkan dengan sifat kekerasan logam. Untuk

membuat produk dari logam dan paduan yang memiliki kekuatan dan kekerasan

tinggi harus diatur kadar unsur-unsur yang terkandung dalam logam tersebut pada

saat proses pencairan dan pembuatan logam. Namun cara ini tidak efisien karena

membutuhkan biaya yang mahal dan prosesnya memerlukan waktu yang lama.

Insinyur teknik material sering dipanggil untuk mendesain logam dan paduan

yang memiliki kekuatan tinggi; biasanya keuletan dikorbankan ketika paduan

tersebut dinaikkan kekuatannya (Callister,2009). Beberapa cara untuk menaikkan

harga kekerasan logam yang sudah berbentuk solid yaitu dengan quenching dan

precipitation hardening. Kenaikan harga kekerasan logam ini akan mengakibatkan

sifat keuletannya menurun dan menjadi getas. Salah satu cara untuk mengatas i hal

ini yaitu dengan melakukan proses annealing sehingga keuletannya akan naik

kembali.

1.2 Tujuan Praktikum

1.

Menentukan harga kekerasan baja karbon setelah diquenching

2. Menentukan harga kekerasan tembaga setelah mengalami proses annealing

3. Menentukan harga kekerasan paduan Al-Cu setelah mengalami proses

precipitation hardening


3/19

Gambar 2.1 Diagram fasa Fe-C

BAB II

TEORI DASAR

Proses pengerasan logam pada dasarnya adalah dengan menghambat

pergerakan dislokasi sehingga logam tersebut akan semakin sulit untuk dideformasi

plastis Untuk menghambat pergerakan dislokasi ini terdapat beberapa metode

pengerasan, antara lain pengerasan presipitas i,pembentukan fasa martensit pada baja,

dan proses cold working.

Pengerasan presipitasi adalah proses perlakuan panas yang ditujukan untuk

meningkatkan kekuatan dan kekerasan material dengan pembentukan presipitat yang

tersebar secara seragam di dalam matriks. Pembentukan fasa martensit pada baja

dilakukan dengan memanaskan baja sampai temperatur austenisasinya lalu diquench

kedalam air. Proses cold work merupakan proses deformasi plastis logam dibawah

temperatur rekristalisasinya sehingga menghasilkan fenomena strain hardening.

1. Pengerasan baja karbon

Pengerasan pada baja dilakukan dengan menerapkan proses heat treatment.

Heat treatment merupakan proses pengubahan sifat logam melalui pengubahan

struktur mikro dengan cara pemanasan dan pengaturan laju pendinginan. Pada

proses ini baja dipanaskan terlebih dahulu sampai temperatur austenisasinya dan

dibiarkan tetap pada temperatur tersebut untuk menghomogenkan temperatur di

logam tersebut kemudian

setelah itu dengan diatur laju

pendinginannya akan diperoleh

sifat kekerasan yang diinginkan.Semakin cepat laju

pendinginannya maka nilai

kekerasannya akan semakin

besar. Pada gambar disamping


4/19

terlihat beberapa fasa pada baja, antara lain ferrit, austenite, dan perlit. Ferrit

merupakan fasa dengan kadar kelarutan karbon maksimum 0.022%. Ferrit ini

memiliki struktur Kristal BCC dan bersifat magnetic. Range temperatur ferrit

berbeda-beda tergantung kandungan karbonnya namun range maksimalnya berada

dikisaran 400-9120C. Austenit merupakan fasa dengan kadar karbon 0-2.14%.

Austenti ini memiliki struktur Kristal FCC, bersifat nonmagnetic dan range

temperatur maksimumnya antara 727-14930C. Perlit merupakan fasa yang terdiri

dari ferrit dan sementit eutectoid. Kadar karbonnya mulai dari 0-6.7% dan

temperatur maksimumnya 7270C.

Diagram fasa diatas hanya berlaku dengan asumsi bahwa laju pendinginannya

lambat dan mekanismenya difusi. Untuk laju pendinginan yang cepat pada baja

digunakan diagram CCT(Continuous Cooling Temperatur). Terdapat 3 jenis

diagram CCT pada baja, yaitu untuk baja hipoeutektoid, eutectoid, dan

hiepreutektoid. Pada proses pendinginan cepat ini terdapat istilah fasa martensit

dan bainit. Martensit adalah fasa hasil proses pendinginan baja austenite yang

lajunya sangat cepat (quenching). Fasa ini memiliki nilai kekerasan yang sangat

tinggi namun getas. Sedangkan bainit merupakan fasa hasil transformasi austenite

yang mengandung ferit dan sementit diskontinu. Temperatur pembentukan bainit

ini berada diantara temperatur perlit dan martensit, yaitu antara 215-5400C.

2. Precipitation hardening paduan Al-Cu

Precipitation hardening merupakan proses perlakuan panas yang ditujukan

untuk meningkatkan kekuatan dan kekerasan material dengan pembentukan

presipitat yang tersebar secara seragam di dalam matriks. Paduan yang mudah

dikeraskan dengan presipitasi adalah paduan yang dapat membentuk super

saturated solid solution, yang ketika diaging akan terbentuk presipitat. Salah satu

contoh paduan yang menggunakan proses ini adalah paduan Al-Cu.

Tahapan proses precipitation hardening ini antara lain solution heat treating

dan precipitation heat treating. Pada tahap solution heat treating, unsur Cu akan

larut dalam paduan yang dipanaskan hingga batas kelarutannya. Setelah dilakukan


5/19

Gambar 2.2 Proses precipitation hardening Gambar 2.3 Waktu aging

holding time maka akan terbentuk larutan padat lewat jenuh (super saturated solid

solution kemudian paduan tersebut diquenching. Sedangkan pada tahap

Precipitation heat treating, paduan tersebut diaging sehingga akan terbentuk precipitat yang akan menghambat pergerakan dislokasi. Dengan terhambatnya

pergerakan dislokasi inilah paduan Al-Cu tersebut menjadi lebih keras. Pengaturan

proses aging harus diperhatikan untuk menghindari fenomena overaging.

3. Rekristalisasi

Logam yang telah mengalami proses cold working akan muncul fenomena

strain hardening dan disertai kenaikan kekuatan dan kekerasan. Kenaikan kekuatan

dan kekerasan ini juga dibarengi dengan menurunnya keuletan dan ketangguhan

material. Untuk mengatasi hal ini dilakukan proses annealing, yaitu pemulihan

bentuk butir. Proses annealing ini terdapat 3 tahap yaitu recovery, rekristalisasi,

dan pertumbuhan butir.

Recovery merupakan fase awal dari

proses annealing yang memiliki

karakteristik sebagai berikut :

- Logam dipanaskan sampai temperatur

tertentu di bawah temperatur

rekristalisasinya.

- Terjadi peristiwa difusi atau pergerakan

atom dalam keadaan padat

- Terjadi penataan ulang atau

Gambar 2.4 Tahap-tahap annealing


6/19

rekonfigurasi dislokasi

- Terjadi pembebasan lattice strain energy

- Hasil recovery adalah pelunakan logam

Rekristalisasi merupakan fase kedua dari proses annealing yang memiliki


- Terjadi ketika proses pemanasan logam telah mencapai temperatur

rekristalisasinya

- Inti butir baru dengan regangan bebas mulai terbentuk

- Inti dari butir baru tersebut terus tumbuh dan berkembang

- Terbentuk butir kristal yang berbentuk bulat (equiaxial) dengan densitas

dislokasi yang dihasilkan rendah

- Restorasi sifat mekanik dari logam

- Kekerasan berkurang, tensile strength berkurang, dan keuletan meningkat

Pertumbuhan butir merupakan fase akhir dari proses annealing yang memiliki

tahapan sebagai berikut :

- Pertumbuhan butir baru akan berlanjut pada temperatur tinggi di atas

temperatur rekristalisasi

- Terjadi migrasi dari batas butir

- Terjadi fenomena grain cannibalism dimana butir kristal yang besar akan

mengekspansi butir kristal yang kecil

- Terjadi proses reduksi area batas butir


7/19

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Pengerasan baja karbon

3.2 Precipitation hardening paduan Al-Cu

3.3

Rekristalisasi

Menyiapkan 2 spesimen yang terdiri dari baja karbon rendah dan tinggi pelat

Memanaskan specimen pada temperatur 9000C selama 30 menit

Melakukan proses quenching ke dalam air

Mengukur kekerasan akhir

Mengukur kekerasan awal

Mengukur kekerasan paduan Al-Cu no.1 dari keempat specimen yang sudah

dipanaskan pada 5500C dan diquench kedalam air sebelumnya

Memanaskan lagi specimen tersebut pada temperatur 2000C masing-masing

10,30,60 dan 120 menit

Mencelupkan 4 spesimen tersebut kedalam air sesaat setelah dikeluarkan dari

tungku pemanas

Mengukur kekerasan akhir keempat spesmien tersebut

Memanaskan 6 spesimen tembaga pada T=8000C, lalu didinginkan di udara dan

dirol dengan dengan reduksi 50% (sudah dilakukan)

Memberi tanda setiap spesimen dengan nomor 1,2,3,4,5, dan 6


8/19

Memanaskan kembali specimen no 1 pada T=8000C selama 120 menit

Memanaskan spesimen no.2 sampai 5 pada T=4000C dengan waktu berturut-turut

15,30,45, dan 60 menit

Memanaskan specimen no.6 pada T=1000C selama 90 menit

Setelah selesai pendinginan, keenam spesimen tersebut diuji keras

Mengukur kekerasan awal specimen nomor 6


9/19

0

20

40

60

80

100120

0 50 100 150

HRE vs time

BAB IV

DATA PENGAMATAN

1.1 Pengerasan baja karbon

1.2 Precipitation hardening paduan Al-Cu

1.3 Rekristalisasi

Specimen T (oC) Waktu (menit) HRE awal HRE akhir

1 800 120 80 85.66

2 400 15 82

3 400 30 70

Specimen T (oC) Waktu (menit) HRA awal HRA akhir

Baja karbon rendah 900 30 43.16 63.36

Baja karbon tinggi 900 30 64.33 73.66

Specimen T (oC) Waktu (menit) HRE awal HRE akhir

1 200 10 82.5 76

2 200 30 93

3 200 60 101.33

4 200 120 95.33


10/19

4 400 45 84

5 400 60 75.66

6 100 90 78.75


11/19

BAB V

ANALISIS DATA

Praktikum metal hardening ini dilakukan dengan menggunakan specimen baja

karbon, paduan Al-Cu, dan tembaga. Data yang diperoleh pada pengujian ini adalah

harga kekerasan specimen yang sudah melalui tahapan proses masing-masing.

Dari data proses pengerasan baja karbon diperoleh harga kekerasan akhir

sebesar 63.36 HRA untuk baja karbon rendah, naik sebesar 46.8% dan 73.66 HRA

untuk baja karbon tinggi, naik sebesar 14.5%. Persen kekerasan baja karbon tinggi

yang lebih rendah daripada baja karbon rendah disebabkan oleh masih adanya

austenite sisa dalam baja karbon tersebut. Pernyataan ini didukung berdasarkan

diagram CCT, dimana baja karbon tinggi memiliki range pembentukan martensit

yang lebih panjang daripada baja karbon rendah sehingga transformasi fasa martensit

belum sepenuhnya selesai (belum mencapai martensite finish).

Kenaikan harga kekerasan kedua specimen ini disebabkan oleh baja yang

dipanaskan sampai temperatur 9000C telah mengalami perubahan fasa menjadi

austenite dan ketika diquench kedalam air fasa austenit tersebut berubah menjadi fasa

martensit. Fasa martensit ini keras karena karbon bebas yang terlarut di dalam

austenite tidak sempat berdifusi keluar kisi kristal sehingga tidak terjadi transformasi

FCC menjadi BCC melainkan terjadi transformasi geser pada kisi kristal menjadi

bentuk struktur BCT yang mengandung karbon sangat jenuh sehingga material

tersebut memiliki tegangan.

Pada proses precipitation hardening paduan Al-Cu, harga kekerasan akhir naik

dari mulai menit ke-10 sampai menit ke-60 lalu turun pada menit ke 120. Kenaikan

harga kekerasan dari menit ke-10 sampai 60 biasa disebut GP zone dan disebabkan

oleh adanya partikel precipitat yang masih koheren dengan solvent atom (Al).

Adanya presipitat ini menyebabkan pergerakan dislokasi akan terhambat dan partikel

precipitat tersebut akan terus membesar seiring dengan lamanya pemanasan. Mulai


12/19

menit ke-120, harga kekerasan paduan menurun karena terjadi overaging. Overaging

terjadi karena butir CuAl2 membesar ketika terus dipanasi pada temperatur tinggi.

Walaupun data kekerasan yang diperoleh sesuai dengan literature namun data

kekerasan pada menit ke-10 lebih rendah daripada data kekerasan awal. Hal ini

mungkin disebabkan oleh beberapa hal, antara lain pengukuran kekerasan awal

spesmien hanya dilakukan 1 spesimen dari 4 spesimen yang tersedia dan

ketidakakuratan praktikan dalam uji keras. Pengukuran kekerasan yang hanya

dilakukan pada 1 spesimen sebetulnya kurang akurat meskipun bisa menghemat

waktu pengujian. Walaupun specimen yang diuji materialnya sama namun jika

keempat specimen diuji keras bisa jadi harga kekerasannya berbeda-beda karena tiap

specimen bisa jadi memiliki sejarah perlakuan yang berbeda-beda sebelumnya.

Berdasarkan literature, tembaga memiliki temperature melting sekitar 1085oC,

yang artinya temperatur rekristalisasinya bernilai 542.5oC. Tembaga no.6 yang

dipanaskan pada temperatur 100oC selama 90 menit mengalami sedikit penurunan

harga kekerasan. Adanya sedikit penurunan ini disebabkan oleh specimen hanya

mengalami proses recovery dimana internal stress mulai berkurang dan jumlah

dislokasi berkurang sedikit sehingga harga kekerasannya turun sedikit dan tidak

terlalu berpengaruh.

Pada tembaga no.1 yang dipanaskan pada temperatur 8500C selama 120 menit,

harga kekerasannya naik 5.65 HRA. Pemanasan tembaga diatas temperatur

rekristalisasinya ini seharusnya menjadikan nilai kekerasan tembaga turun, namun

pada kasus ini kekerasannya naik. Adanya ketidaksesuaian kasus ini dengan teori

mungkin disebabkan oleh pengukuran kekerasan awal spesmien hanya dilakukan 1spesimen dari 6 spesimen yang tersedia dan ketidakakuratan praktikan dalam uji

keras.

Pada tembaga no.2-5 yang dipanaskan pada temperatur 4000C, harga kekerasan

yang diperoleh berbeda beda sejalan dengan waktu pemanasan yang berbeda pula.


13/19

Pada temperatur 4000C ini terjadi rekristalisasi butir-butir. Pada percobaan ini

kekerasan specimen no.2 dan 4 naik sedangkan specimen no.3 dan 5 turun. Walaupun

harga kekerasannya berbeda-beda namun rentang perbedaan dengan harga kekerasan

awal terpaut cukup dekat dan tidak terlalu signifikan. Adanya perbedaan ini mungkin

disebabkan oleh ketidakakuratan dalam pengambilan data.


14/19

BAB VI

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

1. Harga kekerasan setelah dipanaskan pada temperatur 9000C selama 30 menit

pada baja karbon rendah sebesar 63.36 HRA dan baja karbon tinggi 73.66

HRA.

2. Harga kekerasan 4 spesimen tembaga setelah dipanaskan pada temperatur

4000C selama 15,30,45, dan 60 menit secara berturut-turut sebesar 82,70,84,

dan 75.6 HRE. Sedangkan 1 spesimen yang dipanaskan pada temperatur8000C selama 120 menit sebesar 85.65 HRE, dan 1 spesimen yang dipanaskan

pada temperatur 1000C selama 90 menit sebesar 78.75 HRE.

3. Harga kekerasan 4 spesimen paduan Al-Cu setelah dipanaskan pada

temperatur 2000C selama 10,30,60,120 menit berturut-turut sebesar

76,93,101.33, dan 95.33 HRE.

5.2 Saran

Pengujian keras sebaiknya dilakukan pada semua specimen yang akan

diproses sehingga hasilnya bisa lebih akurat.


15/19

DAFTAR PUSTAKA

1. Groover,M.P. “Fundamental of Modern Manufacturing” 4th edition. John Wiley &

Sons, Inc. 2010.

2. Callister, William D. “Materials and Science Engineering An Introduction” 6th

edition. John Willey & Sons, Inc. 2003.

3. Kalpakjian,S & Schmid, S. “Manufacturing Engineering and Technology” 6 th

edition. Pearson. 2009.

LAMPIRAN

Tugas Setelah Praktikum 1

Pengerasan baja karbon

1. Mengapa baja dengan karbon lebih tinggi memiliki kekerasan yang lebih tinggi

daripada baja karbon dengan karbon rendah setelah proses quenching ?

2.

Apakah pengaruh proses quenching dengan kekuatan dan kekerasan baja ?

3. Jelaskan mekanisme terbentuknya martensit dan mengapa martensit memiliki

kekerasan yang tinggi pada baja ?

4. Kapan terbentuk austenite sisa pada proses quenching dan apa pengaruhnya

terhadap kekerasan ?

5.

Jelaskan cara yang dilakukan untuk mengurangi keberadaan austenite sisa ?

Jawab :

1.

Karena baja karbon rendah memiliki jumlah atom karbon yang tidak cukup untukmemicu terbentuknya tetragonalitas pada martensit

2. Pengaruh proses quenching akan mengubah harga kekerasan maupun kekuatan

baja. Semakin cepat laju pendinginan maka kekuatan dan kekerasannya akan naik

dan akan terbentuk fasa martensit.


16/19


17/19

Over aging : Aging yang melewati batas kekuatan dan kekerasan yang

dapat diperoleh , sehingga kekerasan malah turun.

4. Suatu daerah dimana terbentuk cluster partikel precipitat dimana c luster tersebut

masih koheren dengan atom-atom solvent.

Rekristalisasi

1. Buatlah analisis antara temperatur pemanasan pada T=800’C,400’C, dan 100’C

terhadap kekerasan material ? Adakah hubungannya dengan struktur mikronya ?

Jelaskan.

2.

Temperatur rekristalisasi dipakai sebagai batas antar cold working dan hot

working. Jelaskan mengapa pemberian deformasi pada hot working tidak

meningkatkan kekerasan ?

3. Jelaskan pengaruh cold work terhadap temperatur rekristalisasi material ?

4. Jelaskan apa yang dimaksud dengan cold working dan hot working ! Apa masing-

masing kelebihan dan kekurangannya dan berikan contohnya !

5. Jelaskan pengaruh recovery, recrystallization dan grain growth terhadap sifat

mekanik material !

Jawab :

1. Sudah ada di bab analisis data. Temperatur pemanasan ada hubungannya dengan

struktur mikro. Pada T=800’C terjadi pertumbuhan butir, butir membesar. Pada

T=400’C terjadi rekristalisasi, muncul butir -butir baru yang bebas regangan. Pada

T=100’C terjadi recovery, dimana bentuk butir masih sama namun terjadi proses

pengurangan internal stress.

2. Karena pada hot working dislokasi menjadi sedikit akibat pemanasan diatas

temperature rekristalisasi.

3. Dari gambar disamping terlihat bahwa semakin

tinggi persen cold working, temperatur

rekristalisasinya turun secara eksponensial.


18/19

4. Cold working merupakan proses pengerjaan logam dibawah temperatur

rekristalisasinya. Kelebihan : toleransi dimensi ketat, permukaan benda kerja

halus, dan tidak perlu tungku pemanas. Kelemahan : mengalami strain hardening,

ketahanan korosi turun, perlu proses annealing. Contoh : cold rolling.

Hot working merupakan proses pengerjaan logam diatas temperatur

rekristalisasinya. Kelebihan : gaya pembentukan kecil, tidak terjadi strain

hardening, tidak perlu annealing. Kekurangan : perlu tungku pemanas, tooling

system mahal, toleransi dimensi rendah, permukaan benda kerja kasar. Contoh :

Hot rolling.

5. Pengaruh recovery, recrystallization dan grain growth terhadap sifat mekanik

material antara lain terjadinya penurunan kekuatan tarik, penurunan kekerasan, dan

peningkatan keuletan.

Tugas Setelah Praktikum 2

1. Jelaskan proses annealing dan struktur

mikronya

Jawab :

1. Recovery merupakan fase awal dari proses

annealing yang memiliki karakteristik sebagai

berikut :

- Logam dipanaskan sampai temperatur

tertentu di bawah temperatur

rekristalisasinya.

- Terjadi peristiwa difusi atau pergerakan atom

dalam keadaan padat

- Terjadi penataan ulang atau rekonfigurasi dislokasi


19/19

- Terjadi pembebasan lattice strain energy

- Hasil recovery adalah pelunakan logam

Rekristalisasi merupakan fase kedua dari proses annealing yang memiliki


- Terjadi ketika proses pemanasan logam telah mencapai temperatur

rekristalisasinya

- Inti butir baru dengan regangan bebas mulai terbentuk

- Inti dari butir baru tersebut terus tumbuh dan berkembang

-

Terbentuk butir Kristal yang berbentuk bulat (equiaxial) dengan densitas

dislokasi yang dihasilkan rendah

- Restorasi sifat mekanik dari logam

- Kekerasan berkurang, tensile strength berkurang, dan keuletan meningkat

Grain growth merupakan fase akhir dari proses annealing yang memiliki tahapan

sebagai berikut :

- Pertumbuhan butir baru akan berlanjut pada temperatur tinggi di atas temperatur

rekristalisasi

- Terjadi migrasi dari batas butir

- Terjadi fenomena grain cannibalism dimana butir Kristal yang besar akan

mengekspansi butir Kristal yang kecil

-

Terjadi proses reduksi area batas butir

Documents

Modul C Metal Hardening