modul 1 pendahuluan - cdn-edunex.itb.ac.id
TRANSCRIPT
MODUL 1PENDAHULUAN
Segmen 1: Isi kuliah, aturan, literatur
Program Studi Teknik Metallurgi, Fakultas Teknik Pertambangan dan Perminyakan, Institut Teknologi Bandung
Prof. Ir. Eddy Agus Basuki, M.Sc. Ph.D.Tria Laksana Achmad, ST. MT. Ph.D.
MG-3113 Transformasi Fasa dan Perlakuan Panas
American Special Metals
Selalu ada hubungan antara unsur dalam paduan logam - perlakuan panas -struktur mikro - sifat mekanis.
Hampir semua engineering alloys perlu dilaku panas untuk mengatur strukturmikro agar dapat diperoleh sifat mekanis yang sesuai dengan pemakaiannya.
Hubungan antara transformasi fasa dan perlakuan panas
TEC-Science
Yang sering terjadi dalam baja
Callister
Materi Ajar
Modul 1 : PendahuluanModul 2 : Mekanisme Penguatan LogamModul 3 : Difusi Dalam Padatan LogamModul 4 : Transformasi Fasa Difusiv 1 :Contoh2 transformasi, antarmuka dan pengintianModul 5 : Transformasi Fasa Difusiv 2: Pertumbuhan dan pengkasaran partikel endapanModul 6 : Transformasi Fasa Difusiv 3: Transformasi fasa di paduan aluminium dan paduan nikelModul 7 : Transformasi Fasa Dalam BajaModul 8 : Pengerasan Baja Modul 9 : TemperingModul 10 : Aniling 1 : Energi tersimpan, recovery, rekristalisasi dan pertumbuhan butiranModul 11 : Aniling 2 : Proses-proses aniling bajaModul 12 : Thermomechanical Control Process (TMCP) 1 : Sejarah dan manfaat TMCPModul 13 : Thermomechanical Control Process (TMCP) 2:TMCP bajaModul 14 : Pengerasan Permukaan Baja
ASSESSMENT
1. Tugas 1 : 7,5%2. Tugas 2 : 7,5%3. Tugas 3 : 7,5%4. Tugas 4 : 7,5%5. Ujian Tengah Semester: 35%6. Ujian Akhir Semester: 33%
Literatur Utama
1. American Society for Metals (ASM) Handbook, ASM International, Heat Treating, Volume 4 (Last edition).
2. Porter, D.A., Easterling, K.E., and Sherif, M.Y., Phase Transformations in Metals and Alloys, CRC Press, 2009.
3. Publikasi ilmiah di prosiding dan jurnal.
Pentingnya Perlakuan Panas Dalam Rekayasa Paduan Logam
• Logam telah mengisi peradaban manusia sejak pertama zaman perunggu, zamanbesi….hingga zaman digital sekarang.
• Sebagian besar tidak dalam keadaan murni melainkan dipadu dengan unsur-unsur lain : unsur-unsur interstisi dan unsur-unsur substitusi.
• Untuk keperluan struktur, pemaduan logam dimaksudkan untuk mendapatkan sifatmekanis yang sesuai, yaitu umumya kekuatan dan ketangguhan yang tinggi.
• Untuk kerperluan elektronikpun, yaitu daya hantar listrik yang tinggi, emas tetap harusdipadu dengan unsur-unsur logam tanah jarang (rare-earth) agar kuat tidak mudahputus dan fatigue.
• Untuk mendapatkan kekuatan tersebut maka paduan logam harus memiliki fasa danstruktur mikro/nano tertentu.
• Untuk mendapatkan struktur tersebut tersebut paduan logam harus dilakupanas (heat treatment).
• Kenapa harus dikenakan panas? Karena perubahan struktur mikro memerlukan aktivasithermal untuk memungkinkan atom-atom di dalam paduan logam dapat bergerak.
Sifat yang paling penting:
ketangguhan yang tinggi, tahan terhadap
korosi,mudah dibentuk/difabrikasi dan relatif
murah/ekonomis.
Untuk mendapatkan sifat seperti yang diinginkan maka :
1. Struktur mikro seperti apa yang harus dimunculkan dalampaduan logam?.
2. Bagaimana menghasilkan struktur mikro seperti yang diharapkan?
Contoh penggunaan paduan logam: pipeline untuk transmisi minyak/gas serta otomotif.
SensorNet
a) Unsur-unsur apa saja yang harus dilibatkan?b) Siklus termal (perlakuan panas) seperti apa yang perlu
lakukan?
Efficient Manufacturing
Beberapa komponen yang mengalami perlakuan panas
Modern Vacuum Furnace Installation
Typical salt bath heat treat operation using
high temperature neutral salts.
Part is being removed from the high heat at
2175°F (1200oC) and will be quenched in
the near pot operating at 1000°F. (540oC)
• Penggunaan tanur vakum untuk
perlakuan panas paduan-paduan logam
tertentu.
• Paduan logam yang mengandung unsur-
unsur yang secara termodinamika mudah
teroksidasi: Cr, Ti, Al…..(lihat diagram
Ellingam)
Pengembangan thermo mechanical treatment (TMT) atau thermomechanical
control process (TMCP) untuk baja: melibatkan deformasi, selain siklus
termal.
CSC= CONVENTIONAL SLAB CASTING
CSP= COMPACT STRIP PRODUCTION
DSC= DIRECT STRIP CASTING
Spitzer, 2003
45%
37%
8%
4%
3%
1% 1%0.9%
0.1%
Military Vehicles (Tanks & Panzers)
High Strength Alloy Steels
Armour steel
Al-alloys
Stainless Steels
High Temperature Alloys (Superalloys)
Cu
Al
Sn alloys (Lead free solder)
Au + RE
Alloys Developed For Defence Technology (Alutsista)
Armour steel untuk tank
dan panzer
Contoh Paduan Logam Yang Harus Dilaku Panas Lainnya
PT. Pindad
Untuk membuat baja khusus
(special steels) memiliki sifat
sangat tangguh, perlu
perlakuan panas
Alloys used for
aircraft skin,
frame etc, also
need heat
treatment
International Aluminum Institute
AIRCRAFT TURBINE ENGINES
STEAM POWER PLANT
Alloys developed for high temperature
applications; do they need heat treatment?
Turbine blades, the most
critical parts in the engine
Airbus
Rolls-Royce
Top Electrical Engineers
Rolls-Royce
Superheater header Reheater header
Tube elementsSaito 2014
• Secara tonase baja merupakan paduan logam yang paling banyak digunakankhususnya untuk rekayasa yang mensyaratkan kekuatan dan ketangguhan.
• Aplikasinya sangat bervariasi dalam berbagai sektor.
• Kekuatan dan ketangguhan merupakan sifat mekanis utama dari baja.
• Struktur mikro baja sangat berpengaruh terhadap sifat-sifat mekanisnya.
• Struktur mikro dipengaruhi oleh komposisi kimia dan sejarah perlakuannya, baik mekanik maupun termik.
• Variasi paduannya paling banyak: baja karbon, baja paduan mikro kekuatantinggi, baja paduan, baja tahan karat dll.
• Selalu melibatkan perlakuan panas untuk mengatur struktur mikro baja, baikuntuk tujuan pemakaian maupun tujuan pengerjaan (manufaktur ataufabrikasi).
Review fasa-fasa yang penting dalam baja
• Solid lines indicate Fe-Fe3C diagram.
• Dashed lines indicate Fe-C diagram.
The basic phase
diagram you should
know well
Bila daerah likuidus-solidus pentingdalam pengecoran (casting), daerahpadatan penting dalam perlakuanpanas.
Metals Hand Book
Perlakuan panas
Pengecoran(casting)
Baja (steel)Besi cor (cast iron)
For heat treatment of steels, this part of Fe-Fe3C phase diagram is
most important tool
Austenit (γ-Fe)
Ferit (α-
Fe)
α + γ
α + Fe3C
A1 Ar1 Ac1
Arcm
Acc
m
Acm
A3
Ac3
Ar3
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3
1020
980
940
900
860
820
780
740
700
660
620
580
540
Kandungan karbon (% berat)
T(oC)
Pergeseran garis transfrmasi dalamdiagram fasa Fe-Fe3C:
• r (refroidisant) untuk pemanasan.• c (chauffant) untuk pendinginan.
Beberapa strukur mikro baja yang penting
100% perlit (eutectoid steel) Ferit+perlit (hypo-eutectoid steel) Sementit+perlit (hiper-
eutectoid steel)
Bainit Martensit Spheroidized cementite
Metals Hand Book
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
So, what is heat treatment?
Perlakuan panas (heat treatment) adalah suatu istilah yang menjelaskansuatu operasi atau kombinasi/gabungan operasi yang melibatkanpemanasan dan pendinginan yang terkontrol terhadap suatu logam ataupaduan logam dalam keadaan padataan untuk tujuan memodifikasi strukturmikro sehingga diperoleh perubahan sifat-sifatnya (terutama sifat mekanis) sesuai dengan yang diinginkan.
The International Federation for the Heat Treatment of Materials (IFHT) memberikan definisi sbb: “heat treatment is a process in which the entire object, or a portion thereof, is intentionally submitted to thermal cycles and, if required, to chemical or additional physical actions in order to achieve desired (change in the) structures and properties”.
In order to understand clearly the aims of heat treatment of engineering alloys, you have to know 5 basic strengthening mechanisms:
1. Solid solution strengthening2. Grain boundary strengthening3. Strain hardening.4. Precipitation hardening/strengthening.5. Martensite hardening or transformation strengthening.
But remember, the aim of heat treatment is not always to gain high strength. It is also used to soften the alloys.
Pentingnya memahami 5 mekanisme penguatan logam
The main aims of heat tretament:
• To soften (memperlunak) – Improve the plasticity of the metals/alloys so that they can easily be deformed by modifying the size, shape and distributions of the micro-constituents (phases or grains) and reducing the dislocation density in the grains.
• To stress relieve (menghilangkan tegangan sisa) – Relieve the residual stresses left in the metals/alloys by heating them at high temperatures so that some energy is released and recovery can be obtained.
• To homogenize (melakukan homogenisasi) – To gain homogenization of chemical composition in the alloy grains by heating the alloys at high temperature so that inter-diffusion between elements are commenced.
• To toughen (meningkatkan ketangguhan) – To increase the ability of metals/alloys to absorb impact energy in the plastic zone without fracture, or to increase the area under the stress-strain curve.
• To harden or to strengthened (memperkeras atau memperkuat ) – To increase the slip disturbance or to reduce the dislocation movement through grain refining (grain boundary strengthening), dispersion of hard precipitate particles (age hardening or precipitation strengthening) and formation of martensite (quech-hardening).
• To add elements on the surface. – To increase wear resistance (ketahanan aus) and fatigue resistance (ketahanan lelah) of metals/alloys through formation of compressive residual stresses on the surface resulted from absorption of interstitial atoms (C or N) under certain thermal cycles (carburizing, nitriding and nitrocarburizing).
The main aims of heat tretament:
Different processes of heat treatment (Beberapa proses perlakuan panas logam )
1. Annealing:
a. Full annealing
b. Spheroidizing, critical range annealing or subcritical annealing
c. Isothermal annealing
d. Stress-relief annealing
e. Recrystallization annealing
f. Homogenize annealing, solution treating, or austenizing
g. Normalizing
2. Through hardening processes:
a. Water- oil-, or air-quenching and tempering
b. Time-quenching and tempering
c. Isothermal-quenching and tempering
d. Austempering
e. Martempering
3. Other through hardening processes:a. Precipitation hardening (age hardening) b. Dispersion hardeningc. Maragingd. Order-disorder reaction
4. Thermomechanical Treatment : melibatkan T, t dan σ (deformasi plastis)
5. Thermal surface hardening treatment (tanpa perubahan komposisi kimia)a. Flame hardeningb. Induction hardeningc. Laser hardeningd. Electron-beam hardening
6. Thermochemical surface hardening treatment (dengan perubahan
komposisi kimia):
a. Austenitic thermochemical treatment:
(i). Carburizing
(ii). Carbonitriding
b. Ferritic thermochemical treatment
(i). Nitriding
(ii). Nitrocarburizing
7. Difussion treatment lainnya
a. Siliconizing
b. Chromizing
c. Boronizing
d. Aluminizing
• Tidak seluruh proses perlakuan panas akan dibahas dalam mata kuliahini, hanya yang penting dan paling sering dilakukan saja yang akandibahas.
• Porsi terbanyak diberikan untuk baja karena merupakan material logamyang paling banyak digunakan dalam variasi pemakaian yang sangatlebar.
Catatan:
Two major phase transformations in engineering alloys:• Diffusion induced phase transformations
(examples: precipitation, eutectoid reaction, etc)
• Diffusionless phase transformation:
(example: martensitic phase transformation)
Heat treatment processes in engineering alloys
always involves phase transformations
Austenit (γ-Fe)
Ferit (α-
Fe)
α + γ
α + Fe3C
A1 Ar1 Ac1
Arcm
Acc
m
Acm
A3
Ac3
Ar3
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3
1020
980
940
900
860
820
780
740
700
660
620
580
540
Kandungan karbon (% berat)
T(oC)
Cepat : ➢ Pembentukan martensit.➢ Tidak melibatkan difusi atom Fe maupun C.
Ilustrasi transformasi fasa dikontroldifusi dan tanpa difusi
TEC-Science
Pendinginan baja eutektoid dari daerahkestabilan fasa austenit (γ) ke temperaturkamar:
Lambat : ➢ Pembentukan struktur perlit hasil transformasi
eutectoid.➢ Melibatkan difusi atom-atom C dan Fe dalam
pembentukan fasa α dan Fe3C.
Ilustrasi transformasi fasa yang dikontroldifusi dalam paduan Al-Cu.
Pengendapan fasa dari kondisi lewat jenuh (supersaturated)
➢ Paduan Al-3%Cu didinginkan dari T1 ke T2.
➢ Pengendapan fasa θ.➢ Melibatkan/dikontrol
difusi atom-atom Cu dan Al.
T1
T2
Siklus termal dan deformasi dalam proses pembentukan kembali material SMA.
Ilustrasi transformasi martensitik dalam shape memory alloy (SMA) Nitinol (Ni-Ti)
Nitinol untuk stent
Rao, 2015
AUSTENIT
MS
Mf
AS
Af
Deformasi
plastis
Pemanasan Pendinginan
Bentuk awal
dengan struktur
martensit Bentuk terdeformasi
plastis
Berubah bentuk seperti semula
dengan struktur austenit
Temperatur
MARTENSIT