PENGARUH UNSUR PADUAN PADA BAJA PADUAN DAN SUPER ALLOY
PENGARUH UNSUR PADUAN PADA BAJA PADUAN DAN SUPER ALLOY
Dr.-Ing. Bambang Suharno Dr. Ir. Sri Harjanto
1. 2. 3.
DASAR BAJA UNSUR PADUAN STRENGTHENING MECHANISM
1. Dasar Baja paduan
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia 2007
University of Indonesia
Kategori unsur paduan baja
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia 2007
University of Indonesia
Tabel periodik unsur
Interstitial: H, B, C, N, O
Substitutional: Unsur-unsur di kiri, kanan dan bawah unsur Fe pada tabel periodik
Sistem Fe-C adalah dasar metalurgi baja
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
1
University of Indonesia
Diagram Fasa Fe - C
University of Indonesia
Fasa dan diagram Fasa Fasa
Ferrite (α: T < 912, δ: 1394 < T <1538 C) Austenite (γ: 912 C < T < 1394 C) Liquid (l: T > 1538 C) Senyawa karbida, nitrida dan oksida
Diagram fasa Fe-C Graphic display of stable phases as function of temperature.
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
University of Indonesia
Struktur kristal dan fasa/struktur mikro
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
University of Indonesia
Fe-Fe3C
Struktur kristal Ferrite (Body Centered Cubic; BCC) Austenite (Face Centered Cubic; FCC) Carbides, Nitrides, Oxides (Complex)
0.4% C ferrite + pearlite
Fasa/microconstituents Ferrite Austenite Pearlite Ferrite-Carbide Micro-Composite
Martensite Body Centered Tetragonal/ BCT C-supersaturated Ferrite Laths, Plates, Needles
Bainite BCC-BCT Ferrite-Carbide Micro-Composite Laths, Plates Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
1.4% C ferrite + cementite 0.5%C
0.8%C 1.5%C
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
2
University of Indonesia
Sifat individu fasa
2. Unsur Paduan
Yield strength 200 - 800 MPa Tensile strength 600 - 1200 MPa
Bainite
Theoretical yield shear stress ~ 6000 MPa Actual yield shear stress ~ 35 - 300 MPa Grain size dependence σ = σo +K /d1/2
Pearlite
Theoretical yield shear stress ~ 2000 MPa Actual yield shear stress ~ 10 MPa
High-purity Ferrite (polycrystal)
PENGARUH UNSUR PADUAN PADA BAJA PADUAN DAN SUPER ALLOY
High-purity Ferrite (single crystal)
Yield strength 800 - 1300 MPa Tensile strength 1300 - 1400 MPa
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia 2007
Martensite
Yield strength
500 - 1800 MPa
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
University of Indonesia
Elemen Paduan vs Elemen Ikutan Unsur
Batas Kandungan
University of Indonesia
Pengaruh unsur paduan
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
Sifat fisika - kimia Sifat mekanika Sifat Magnetik Sifat ketahanan korosi
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
3
University of Indonesia
KARBON (C) Larut dalam ferrite Pembentukan sementit (dan karbida lainnya), perlit, bainit. % C dan distribusinya mempengaruhi sifat baja. Kekuatan dan kekerasan meningkat dengan naiknya % C.
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
University of Indonesia
TEMBAGA (Cu)
Membentuk segregasi, problem proses pengerjaan panas. Kualitas permukaan kurang baik. Meningkatkan ketahanan baja terhadap atmosfer (weathering steel 0,2% Cu).
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
University of Indonesia
SILIKON (Si)
Bahan deoksidiser. Meningkatkan kekuatan ferit. Dalam jumlah besar, meningkatkan ketahanan baja terhadap efek scaling, tetapi mengalami kesulitan dalam pemrosesannya (High-Silicon Steel). Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
University of Indonesia
MANGAN (Mn)
Bahan oksidiser (mengurangi O dalam baja), menurunkan kerentanan hot shortness pada aplikasi pengerjaan panas Larut, membentuk solid solution strength dan hardness Dengan S membentuk Mangan Sulfida, meningkatkan sifat pemesinan (machineability). Meningkatkan kekuatan dan kekerasan meski tidak sebaik C. Menurunkan sifat mampu las (weldability) dan keuletannya. Meningkatkan hardenability baja. Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
4
KHROMIUM (Cr) University of Indonesia
University of Indonesia
Meningkatkan ketahanan korosi dan oksidasi. Meningkatkan kemampukerasan. Meningkatkan kekuatan pada temperatur tinggi. Peningkatan ketahanan terhadap pengaruh abrasi. Unsur pembentuk karbida (elemen pengeras).
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
University of Indonesia
MOLIBDENUM (Mo)
NIKEL (Ni)
Tidak membentuk karbida Berada dalam ferit, sebagai penguat (efek ketangguhan ferit). Dengan Cr menghasilkan baja paduan dengan kemampuan kekerasan tinggi, ketahanan impak dan fatik yang tinggi. Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
University of Indonesia
VANADIUM (V)
Meningkatkan kemampukerasan baja.
Mengontrol pertumbuhan butir (meningkatkan kekuatan dan ketangguhan).
Menurunkan kerentanan terhadap temper embrittlement (400-550oC)
Peningkatan kemampukerasan baja.
Dalam jumlah berlebih, menurunkan nilai hardenability (pembentukan karbida berlebih).
Meningkatkan kekuatan tarik pada temperatur tinggi dan kekuatan creep. Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
5
University of Indonesia
ALUMINIUM dan TITANIUM Aluminium. - Sebagai deoksidiser. - Pengontrolan dalam pertumbuhan butir. Titanium (Ti). - Sebagai deoksidiser. - Mengontrol pertumbuhan butir.
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
TUNGSTEN (W) University of Indonesia
Memberikan peningkatan kekerasan. Menghasilkan struktur yang halus. Pada temperatur tinggi, tungsten membentuk WC (keras dan stabil). Menjaga pengaruh peunakan selama proses penemperan.
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
University of Indonesia
PENGARUH UNSUR PADUAN PADA BAJA PADUAN DAN SUPER ALLOY
3. Mekanisme Penguatan
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia 2007 Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
6
University of Indonesia
Hubungan struktur – sifat baja Sifat individual fasa/konstituen mikro dalam baja Baja sebagai material komposit Mekanisme penguatan dalam baja Struktur permukaan baja
University of Indonesia
Mekanisme Penguatan Baja
Pengerasan regang (strain hardening). Penguatan besar butir (grain boundary strengthening). Atom pelarut (solid solution strengthening). Presipitasi (precipitate strengthening). Dispersi (dispersion strengthening).
Filosofi : mudah/sulitnya dislokasi bergerak
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
University of Indonesia
Mekanisme Penguatan Baja
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
University of Indonesia
Pengerasan Regang (Strain atau Work Hardening)
Terjadi selama proses deformasi (forging, rolling, dll.) Jumlah dislokasi dan interaksi dislokasi meningkat, mobilitas dislokasi berkurang. Diperlukan gaya yang lebih besar agar deformasi dapat berlangsung.
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
7
University of Indonesia
Penguatan batas butir (Grain Boundary Strengthening) Batas butir = hambatan pergerakan dislokasi Hall dan Patch menurunkan rumus kekuatan luluh (yield):
University of Indonesia
Bila dua unsur atau lebih membentuk fasa tunggal maka ada interaksi medan tegangan atom yang larut dan dislokasi. Interaksi menyebabkan dislokasi sulit bergerak.
σys = σI + kyd-1/2 Dimana : σys = kekuatan yield σI = resistansi overall kisi terhadap pergerakan dislokasi Ky = parameter kunci yang menjadi ukuran kontribusi ukuran pengerasan relatif dari batas butir D= ukuran butir
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
University of Indonesia
Pengerasan Presipitasi (Precipitate Hardening)
Bila kelarutan dalam paduan melampaui batas maka tumbuh partikel fasa kedua. Paduan dipanaskan hingga fasa tunggal (solution treatment) Quench cepat, terbentuk larutan padat lewat jenuh α (super saturated solid solution) Bila paduan dipanaskan (aging) akan terjadi presipitasi partikel β didalam butir α atau pada batas butirnya.
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
Penguatan larutan padat (solid solution strengthening):
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
University of Indonesia
Pengerasan Presipitasi (Precipitate Hardening) Presipitasi fasa kedua dalam matriks mempersulit pergerakan dislokasi dalam matriks. Fungsi dari :
Fraksi volume (jumlah) Ukuran Distribusi Jenis Bentuk presipitasi
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
8
University of Indonesia
Penguatan Dispersi (Dispersion Strengthening): Menambah partikel oksida (Al2O3 dan ThO2 dalam Al atau Ni) yang menghalangi pergerakan dislokasi. Keunggulan : ketahanan dan kemampuan menahan beban pada temperatur tinggi. ODS (Oxide-Dispersion Strengthening). Cr sebagai larutan pada, ketahanan korosi temperatur tinggi Y2O3 untuk pengerasan dispersi Untuk sudu turbin, fan turbin gas dan lembaran tahan oksidasi atau korosi.
Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia
9
