Kategori unsur paduan baja Tabel periodik unsur - Website Staff UI

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



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


1


Diagram Fasa Fe - C


Fasa dan diagram Fasa Fasa

Ferrite (α: T < 912, δ: 1394 < T 1538 C) Senyawa karbida, nitrida dan oksida

Diagram fasa Fe-C Graphic display of stable phases as function of temperature.



Struktur kristal dan fasa/struktur mikro



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


2


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)


High-purity Ferrite (single crystal)

Yield strength 800 - 1300 MPa Tensile strength 1300 - 1400 MPa


Martensite

Yield strength

500 - 1800 MPa



Elemen Paduan vs Elemen Ikutan Unsur

Batas Kandungan


Pengaruh unsur paduan


Sifat fisika - kimia Sifat mekanika Sifat Magnetik Sifat ketahanan korosi


3


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.



TEMBAGA (Cu)

Membentuk segregasi, problem proses pengerjaan panas. Kualitas permukaan kurang baik. Meningkatkan ketahanan baja terhadap atmosfer (weathering steel 0,2% Cu).



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


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


Meningkatkan ketahanan korosi dan oksidasi. Meningkatkan kemampukerasan. Meningkatkan kekuatan pada temperatur tinggi. Peningkatan ketahanan terhadap pengaruh abrasi. Unsur pembentuk karbida (elemen pengeras).



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


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


5


ALUMINIUM dan TITANIUM Aluminium. - Sebagai deoksidiser. - Pengontrolan dalam pertumbuhan butir. Titanium (Ti). - Sebagai deoksidiser. - Mengontrol pertumbuhan butir.


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.




3. Mekanisme Penguatan

Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia 2007 Department of Metallurgy and Materials University of Indonesia

6


Hubungan struktur – sifat baja Sifat individual fasa/konstituen mikro dalam baja Baja sebagai material komposit Mekanisme penguatan dalam baja Struktur permukaan baja


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



Mekanisme Penguatan Baja



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.



7


Penguatan batas butir (Grain Boundary Strengthening) Batas butir = hambatan pergerakan dislokasi Hall dan Patch menurunkan rumus kekuatan luluh (yield):


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



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.


Penguatan larutan padat (solid solution strengthening):



Pengerasan Presipitasi (Precipitate Hardening) Presipitasi fasa kedua dalam matriks mempersulit pergerakan dislokasi dalam matriks. Fungsi dari :

Fraksi volume (jumlah) Ukuran Distribusi Jenis Bentuk presipitasi


8


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.


9