5

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Bahan Utama penelitian

2.1.1 Tembaga (Cu)

Tembaga merupakan salah satu logam yang paling penting di dunia dan diolah

dalam keadaan murni, dalam bentuk campuran-campuran dan sebagai elemen

tambahan untuk mengubah sifat dari logam yang lain, adapun sifat-sifat dari tembaga

yaitu :

- Berat jenis : 7,84 g/cm3

- Temperatur lebur (boiling point) : 1083°C

- Ultimate strengthnya : 200 - 300 N/m2

- Warna : Merah kecoklatan

- Bidang pecahan : Berurat halus

Tembaga yang masih murni sukar dikerjakan dengan alat pemotong tapi mudah

sekali diubah bentuk dalam keadaan dingin dengan ditempa, digiling atau

diregangkan. Tembaga memiliki sifat lunak, dapat dibengkokkan (bending) dan dapat

dirol (rolling,). Sifat lain dari tembaga juga memiliki sifat yang ulet (thoughnes), tahan

korosi, penghantar panas dan listrik yang baik . Logam tembaga sangat mudah dipadu

dengan logam lain seperti timah, zeng, silikon dan alumunium Paduan tembaga dan

timah putih yang lebih dikenal dengan perunggu, memiliki sifat yang baik sebagai alat

musik karena memiliki bunyi akustik serta menghasilkan bunyi yang panjangdengan

waktu bergetar yang lama. Melalui pengerjaan dingin kekuatan tembaga murni akan

meningkat kekuatannya sampai 450 N/mm2. Tembaga yang telah mengeras akibat

pembentuk dalam keadaan dingin dapat dilunakkan kembali melalui pemanasan

dengan suhu antara 300-700 oC. Tembaga mempunyai sifat tuang yang jelek, karena

tembaga dalam keadaan cair mudah sekali menyerap gas-gas terlarut, dimana pada

waktu membeku gas-gas tersebut akan terlepas dan menyebabkan banyak rongga gas

dan berpori (Anwir ,1994).

6

2.1.2 Timah Putih (Sn)

Timah merupakan logam putih keperakan, logam yang mudah ditempa dan

bersifat fleksibel, memiliki struktur kristalin, akan tetapi bersifat mudah patah jika

didinginkan adapun sifat-sifat dari timah putih antara lain :

- Berat jenis : 5,52 g/cm3

- Temperatur lebur (boiling point) : 232°C

- Ultimate strengthnya : 40 - 50 N/m2

- Warna : Putih keperakan

- Bidang pecahan : Menampilkan struktur Kristal

Dalam keadaan dingin timah dapat dibentuk dengan baik. Timah merupakan

logam putih keperakan, logam yang mudah ditempa dan bersifat fleksibel, memiliki

struktur kristalin tetapi bersifat mudah patah jika didinginkan. Timah tidak mudah

untuk dioksidasi dan tahan terhadap korosi disebakan terbentuknya lapisan oksida

timah yang menghambat proses oksidasi lebih jauh. Timah tahan terhadap korosi air

akan tetapi tidak tahan terhadap asam kuat, basa kuat dan garam asam. Proses oksidasi

dipercepat dengan meningkatnya kandungan oksigen dalam larutan. (Tata Surdia dan

Shinroku Saito, 1985).

2.1.2 Silikon (Si)

Silikon di Bumi banyak ditemukan dalam bentuk senyawa yaitu silikon dioksida

yang lebih dikenal dengan silika dan dalam bentuk silikat (tanah liat, granit, kuarsa

dan pasir). Adapun sifat-sifat silikon antara lain :

- Berat jenis : 2.3290 g/cm−3

- Temperatur lebur (boiling point) : 1410oC

- Ultimate strengthnya : 40 - 50 N/m2

- Warna : tak berwarna

Unsur silikon dan senyawa intermetaliknya banyak digunakan sebagai paduan

untuk membentuk aluminium, magnesium, tembaga, dan logam lainnya yang memiliki

ketahanan tinggi. Silikon murni berwujud padat seperti logam karena sifatnya seperti

yang diatas silikon banyak digunakan sebagai unsur yang ditambahankan dalam

paduan , terutama dipadukan dengan unsur alumunium yang membentuk paduan

alumunium silikon (AlSi). (Tata Surdia dan Shinroku Saito, 1985).

7

Dalam paduannya Tembaga (Cu) sebagai penyusun utama perunggu merupakan

logam non ferro yang banyak digunakan sebagai paduan. Paduan tembaga ini

bertujuan untuk meningkatkan kualitas tembaga dan untuk keperluan konstruksi

mesin-mesin dan transmisi building industri dengan memakai standar dari The

American Institute of Metals (AIM) di USA. Salah satu contoh logam paduan tembaga

adalah Perunggu (bronze). (Setyawan, 2006).

Perunggu merupakan suatu paduan dari logam yang berbasis tembaga dengan

timah sebagai aditif utama. Beberapa paduan perunggu, memiliki fosfor, mangan,

alumunium, atau silikon sebagai bahan paduan utama. Perunggu biasanya kuat,

tangguh, dan tahan korosi dengan konduktivitas listrik dan termal yang tinggi.

Perunggu yang paling umum digunakan dalam aplikasi bushing dan bantalan.

Perunggu hanya mengoksidasi dangkal, lapisan oksida yang tipis melindungi

logam dari korosi. Tembaga berbasis paduan memiliki titik lebur yang lebih rendah

dari baja atau besi, dan lebih mudah diproduksi. Perunggu pada umumnya lebih berat

dari baja sekitar 10 persen, meskipun paduan menggunakan aluminium atau silikon

mungkin akan sedikit kurang padat. Perunggu tahan korosi (terutama korosi air laut)

dan kelelahan lebih baik dari pada baja dan juga menghantarkan panas dan listrik lebih

baik daripada kebanyakan baja. (Indiyanto, 2003).

2.2 Jenis-Jenis Paduan Perunggu

Beberapa jenis perunggu (bronze) tergantung dari unsur utama paduannya.

(Surdia dan Chijiiwa, 1982) :

1) Perunggu timah (Tin Bronze),

Perunggu timah (Sn), yaitu perunggu tuang dari Cu ditambah 10%, 14%, atau

20% Sn tanpa campuran tambahan lain. Bahan itu digunakan untuk patung, senjata

canon, dan alat-alat musik seperti (lonceng, gamelan, sibal drum dll) yang harus

mempunyai syarat tinggi terhadap korosi dan ketangguhan (10% Sn). Selain itu pada

bantalan harus mempunyai syarat-syarat tinggi untuk sifat luncur (14% Sn) dan untuk

bantalan-bantalan tekan dengan syarat tinggi untuk kekerasan (20 % Sn)

8

Pada gambar diatas terlihat bahwa kemampuan untuk melarut dari timah putih

dengan presentase diatas 13,5% selama terjadi proses pembekuan dimana akan

terbentuk fase α (Ferit) dengan sifat cenderung lunak, ulet dan tahan korosi. Pada

temperatur dibawah akan terbentuk fase α + δ (eutectoid phase). Pada paduan ini fase

α yang terbentuk merupakan yang larut pada kondisi padat tetapi lebih lunak, akan

tetapi untuk fase δ (Delta) mempunyai sifat terlalu keras dan getas disamping itu

presntase timah putih antara 5-15% memiliki jarak temperatur yang relatif lama yaitu

diatas 4000C. dengan proses pembekuan yang panjang, paduan ini cukup

menyebabkan kenaikan kekerasan dan meningkatkan kekuatan cor. (Gruber,S. 1985)

2) Perunggu Fosfor

Mempunyai 1,5 % sampai 10 % timah putih dan selain itu fosfor (P) dalam

persentase yang sangat kecil, yaitu setinggi-tingginya 0,3 % campuran ini dahulu

dinamakan perunggu Fosfor. Dipakai untuk, batang-batang, kawat, plat, dan pipa.

3) Perunggu Seng(Zn)

Perunggu seng ialah: perungu tembaga timah dengan tambahan seng 2 % - 7 %.

Bahan itu dipakai terutama untuk bantalan-bantalan (campuran tuang).

4) Perunggu Alumunium (Aluminiun Bronze)

Disamping komposisi elemen Cu dan Sn, masih terdapat elemen aluminium

(A1) sampai 9,8%, dimana dalam produksi kadar aluminium antara 5-11%. Perunggu

Gambar 2.1 Diagram fase Paduan Cu-Sn

9

dua zat (Al dan Ni) tahan korosi terhadap bahan kimia tertentu karena itu dipakai untuk

perlengkapan kimia. Perunggu Alumium memiliki sifat-sifat yang kurang baik, jadi

tidak banyak dipakai kecuali di negeri-negeri yang kurang akan timah.

5) Perunggu Silikon (Silikone Bronze)

Mengandung 4-5% Si dan akan menambah daya tahan (resistensi) terhadap asam

( acid ) . Memungkinkan untuk dibuat rol berbentuk batangan panjang sampai diameter

1/4" - 2" in. Bersifat akan menjadi keras apa bila mengalami pengerjaan dingin (work

hardenable) dan merupakan bronze yang mempunyai tahanan tarik dan kekerasan

yang paling baik diantara bronze yang lain. Sifat mekanisnya setara dengan baja lunak

(baja karbon rendah, mild steel) sedangkan sifat ketahanan korosinya setara dengan

logam tembaga. Banyak dipakai untuk tanki, bejana tekan (pressure vessel), marine

construction, dan pipa tekan hidrolik.

2.3 Pengecoran Logam

Proses pengecoran merupakan proses pencairan logam yang selanjutnya

dituangkan ke dalam rongga cetakan dan dibiarkan membeku, sehingga akan

terbentuk suatu model yang sesuai dengan bentuk dan pola cetakan. Proses

pengecoran ini adalah proses yang memberikan fleksibilitas dan kemampuan yang

tinggi sehingga merupakan proses dasar yang penting dalam pengembangan industri

(Suhardi dan Chijiiwa 1982).

Proses pengecoran diawali dengan peleburan logam didalam tungku peleburan.

Logam yang sudah mencair lantas dituang kedalam cetakan yang sudah di persiapkan

sesuai dengan produk yang akan dibuat. Penuangan logam cair ke dalam rongga

Gambar 2.2 Diagram fase Paduan Cu-Si

10

Gambar 2.3 Pengecoran dengan cetakan pasir (sand casting)

Sumber : http://dtresource.com/sand-casting.html

cetakan, akan terjadi rangkaian kejadian dalam cetakan tersebut. Pada umumnya

proses pembekuan akan terjadi pada dinding cetakan (logam cair pada dinding

cetakan) dan menuju pusat coran. Setelah pemadatan selesai akan terjadi proses

pendinginan sampai mencapai suhu kamar (amblent). Rangkaian kejadian selama

proses pembekuan dipengaruhi oleh ukuran, bentuk, keseragaman dan komposisi

kimia dari struktur logam yang terbentuk. Faktor-faktor yang penting adalah jenis

metal, sifat thermal dari metal dan cetakan, geometris volume, luasan permukaan coran

dan bentuk cetakan. (Surdia dan Saito, 1985).

2.4 Keunggulan dan Kelemahan Pengecoran

a. Keunggulan Pengecoran antara lain :

Bentuk : Sederhana (simetris) –rumit (rongga) dan Presisi: longgar-ketat.

Produk : Sebuah–massa (banyak).

Berat/Ukuran : Ons-Ton.

Finishing Proses : minimum, sehingga mengurangi biaya dan waktu proses.

b. Kelemahan pengecoran antara lain :

Kekuatan kurang, karena terbentuk struktur dendrit pada metal cor (ferrous dan non

ferrous).

Diperlukan proses Heat Treatment untuk memperbaiki sifat mekanis (cetakan pasir

atau logam). Cacat yang kecil (pin hole, shrinkage, dll) dapat berpengaruh besar

pada sifat mekanis.

2.5 Pengecoran Cetakan Pasir (Sand Casting)

Pengecoran menggunakan cetakan pasir merupakan teknik pengecoran tertua di

dunia. Teknik pengecoran cetakan pasir ini sampai sekarang masih banyak digunakan

karena biaya produksi yang murah dan dapat memproduksi benda cor dengan kapasitas

yang banyak.

11

Cetakan pasir menurut (Astika,dkk ,2010) adalah cetakan yang terbuat dari pasir

yang diberi bahan pengikat. Bahan pengikat yang paling banyak digunakan adalah

bentonit. Cetakan pasir yang digunakan pada pengecoran logam bukan besi (logam

non ferrous) selain magnesium menggunakan campuran sebagai berikut :

1. Pasir silika

2. Bentonit : 16%

3. Graphite : 2%

4. Corn flour : 0,5%

5. Kadar air : 4-5%

Pasir yang digunakan untuk cetakan harus memiliki sifat-sifat tertentu untuk

menghasilkan benda tuang yang baik . Menurut (Astika, dkk, 2010) sifat-sifat itu

antara lain :

1. Mempunyai sifat mampu bentuk yang baik. Pasir cetak harus dengan mudah

dapat dibentuk menjadi bentuk-bentuk cetakan yang diharapkan, baik cetakan

berukuran besar maupun cetakan berukuran kecil.

2. Permeabilitas yaitu kemampuan cetakan untuk mengalirkan gas-gas dan uap

air yang ada di dalamnya keluar dari cetakan.

3. Distribusi ukuran butiran pasir harus sesuai dengan permukaan yang

dihasilkan.

4. Tahan panas terhadap suhu logam cair yang dituang.

5. Mampu dipakai lagi.

6. Mempunyai kekuatan yang baik.

7. Harga yang murah dan mudah didapat.

2.6 Cacat Pengecoran

Menurut (Suprapto 2008) dan (pada buku Casting Design and Performance

,2009 ) menyebutkan bahwa cacat pengecoran terdiri dari 6 jenis cacat seperti :

1. Porositas

Porositas dapat terjadi karena terjebaknya gelembung-gelembung gas pada

logam cair ketika dituangkan ke dalam cetakan. (Budinski, 1996).

12

Gambar 2.4 Porositas

Sumber : http://download.portalgaruda.org

2. Hot Tears and Cracks

Hot tears adalah cacat berupa retakan yang terjadi selama pembekuan akibat

tekanan berlebih pada pembekuan logam karena berkembangnya arus panas yang

tinggi . Crack adalah retak yang terjadi selama tahap pendinginan pada pengecoran

setelah pembekuan selesai karena penyusutan yang tidak seimbang.

3. Inclusion

Inclusion adalah kehadiran material asing dalam struktur mikro benda cor ,

material tersebut dapat berasal dari tungku waktu pembakaran, dari cetakan waktu

penuangan material kecetakan atau dari material itu sendiri.

4. Misruns

Misruns adalah cacat yg terjadi karena logam cair tidak mengisi seluruh rongga

cetakan sehingga benda cor menjadi tidak lengkap atau ada bagian yg kurang dari

benda cor.

Gambar 2.6 Inclusion

Sumber : http://www.themetalcasting.com/gating-design-mold-filling.html

Gambar 2.5 Hot tear and Crack

Sumber : http://keytometals.com

13

5. Cold Shuts

Cold Shuts adalah dua aliran logam lebur bertemu tetapi kurang terjadi fusi atau

penggabungan antara keduanya sehingga menimbulkan pendinginan yang premature.

6. Shrinkage

Shrinkage adanya rongga-rongga dengan permukaan kasar serta dendritic baik

merupakan rongga tunggal yang besar sampai rongga-rongga kecil yang mengumpul

pada lokasi tertentu.

Berikut adalah tabel cacat-cacat yang terjadi beserta penyebab dan cara

mengatasi cacat-cacat yang terjadi pada benda cor :

Gambar 2.9 Shrinkage

Sumber : http://digilib.its.ac.id

Gambar 2.8 Cold shut

Sumber : http://www.themetalcasting.com/

Gambar 2.7 Misruns

Sumber : http://www.themetalcasting.com/

14

Tabel 2.1 Cacat-cacat pengecoran dan pencegahan

Cacat

pengecoran

Penjelasan Pencegahan

Porositas Terperangkapnya gas (hidrogen) dalam

logam cair pada waktu proses pengecoran

Penyebab :

1. Gas terbawa dalam logam cair

selama pencairan

2. Gas terserap dalam logam cair dari

cetakan.

3. Reaksi logam induk dengan uap air

dari cetakan.

4. Titik cair terlalu tinggi dan waktu

pencairan terlalu lama

1. Pemanasan

Cetakan

2. Penghilangan

dengan fluks,

terutama

fluorida dan

klorida dari

logam alkali

tanah.

3. Pencairan

Ulang

4. Temperatur

tuang yang

sesuai

Hot Tears

and cracks

1. Hot tears adalah cacat berupa

retakan yang terjadi selama

pembekuan akibat tekanan

berlebih pada pembekuan logam

karena berkembangnya arus panas

yang tinggi

2. Crack adalah retak yang terjadi

selama tahap pendinginan pada

pengecoran setelah pembekuan

selesai karena penyusutan yang

tidak seimbang.

1. Isi cetakan

secepat

mungkin

2. Ubah saluran

penuangan

3. Modifikasi

desain cetakan

dengan

menghindari

transisi tajam

diantara bagian

tipis dan tebal

15

Inclusion Inclusion adalah kehadiran

material asing dalam

strukturmikro benda cor , material

tersebut dapat berasal dari tungku

waktu pembakaran, dari cetakan

waktu penuangan material

kecetakan atau dari material itu

sendiri.

1. Penyaringan

material.

2. Menghindari

aliran logam

dalam sistem

pengecoran

yang dapat

mengikis

cetakan .

Misruns Cacat yang terjadi karena logam cair tidak

mengisi seluruh rongga cetakan sehingga

benda cor menjadi tidak lengkap atau ada

bagian yang kurang dari benda cor

Penyebab :

1. Ketidakseragaman benda cor,

sehingga mengganggu aliran dari

logam cair.

2. Benda cor terlalu tipis dan

temperatur terlalu rendah.

3. Kecepatan penuangan yg terlalu

lambat.

4. Lubang angin yang kurang pada

cetakan

1. Temperatur

tuang jangan

terlalu tinggi.

2. Kecepatan

penuangan yang

tinggi.

3. Jumlah saluran

harus ditambah

dan logam cair

harus diisikan

secara seragam

dari beberapa

tempat pada

cetakan.

4. Lubang angin

harus ditambah

dan pada inti

harus cukup.

Cold Shuts dua aliran logam lebur bertemu tetapi

kurang terjadi fusi atau penggabungan

antara keduanya sehingga menimbulkan

pendinginan yang premature.

1. Tuangkan

secepat mungkin

2. Desain sistem

saluran cairan

16

,untuk mengisi

saluran cetakan

tanpa gangguan

3. Panaskan

cetakan

4. Menghindari

pengecoran yang

panjang dan tipis

Shrinkage Adanya rongga-rongga dengan permukaan

kasar serta dendritic baik merupakan rongga

tunggal yang besar sampai rongga-rongga

kecil yang mengumpul pada lokasi tertentu

Penyebab :

1. Perbedaan ketebalan benda cor

yang terlalu besar.

2. Terdapatnya bagian tebal yang

tidak dapat dialiri logam cair secara

utuh.

3. Saluran masuk dan penambah tidak

mendukung adanya solidifikasi

progesif.

4. Saluran masuk dan penambah yang

kurang banyak.

5. Saluran masuk dan penambah yang

salah dalam peletakannya dan

terlalu kecil.

1. Digunakan

pembekuan

mengarah

sehingga

penambah dapat

bekerja secara

efektif.

2. Penggunaan cil

yang

dimaksudkan

agar terjadi

pembekuan

mengarah dan

pengaruh

penambah

meningkat.

3. Daerah

pengisian yang

efektif dari

penambah.

Sumber : ( casting design and performance 2009 )

17

2.7 Sifat Mekanik Bahan

Sifat mekanik logam adalah menyatakan kemampuan suatu logam untuk

menerima beban atau gaya dari luar tanpa mengalami kerusakan pada material tersebut

tersebut (Wahid Suherman, 1987). Regangan (strain), adalah besar deformasi

persatuan panjang, dan tegangan (stress), adalah gaya persatuan luas. Selama

deformasi bahan menyerap energi sebagai akibat adanya gaya yang bekerja. Kekuatan

(strength) adalah ukuran besar gaya yang diperlukan mematahkan suatu bahan.

Keuletan (ductility) dikaitkan dengan besar regangan permanen sebelum mengalami

perpatahan, sedang ketangguhan (toughness) dikaitkan dengan jumlah energi yang

diserap bahan sampai terjadi perpatahan.

Sifat mekanik adalah salah satu sifat terpenting dalam suatu material. Sifat

mekanik menyatakan kemampuan suatu bahan untuk menerima beban/gaya/energi

tanpa menimbulkan kerusakan pada bahan atau komponen tersebut. Beberapa sifat

mekanik yang terpenting dalam suatu bahan antara lain :

1. Kekuatan (Strength) menyatakan kemampuan bahan untuk menerima

tegangan tanpa menyebabkan bahan menjadi patah. Kekuatan ini ada

beberapa macam tergantung jenis beban yang bekerja, yaitu kekuatan tarik,

kekuatan tekan, kekuatan geser, kekuatan lengkung.

2. Kekerasan (hardness) dapat didefinisikan sebagai kemampuan bahan untuk

tahan terhadap penggoresan,pengikisan (pantulan), indentasi. Sifat ini

berkaitan dengan sifat tahan aus.

3. Kekenyalan (elasticity) menyatakan kemampuan bahan untuk menerima

tegangan tanpa mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk yang

permanen setelah tegangan dihilangkan. Bila suatu benda mengalami suatu

tegangan maka benda akan mengalami perubahan bentuk itu akan hilang

bersamaan dengan hilangnya tegangan,tetapi bila tegangan yang berkerja

telah melampui batas tersebut maka sebagian dari perubahan bentuk itu

tetap ada walaupun tegangan telah dihilangkan.

4. Kekakuan (stiffness) menyatakan kemampuan bahan untuk menerima

tegangan/beban tanpa mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk

(deformasi) atau defleksi.

18

5. Plastisitas (plasticity) menyatakan kemampuan bahan untuk mengalami

sejumlah deformasi plastik (yang permanen) tanpa mengakibatkan

terjadinya kerusakan.Sifat ini sangat diperlukan bagi bahan yang akan

diperoses dengan berbagai proses pembentukan seperti : forging, rolling,

extruding,dll. Sifat ini juga disebut sebagai keuletan (ductility)

6. Ketangguhan (toughness) menyatakan kemampuan bahan untuk menyerap

sejumlah energi tanpa mengakibatkan terjadinya kerusakan. Sifat ini

dipengaruhi banyak faktor, sehingga sifat ini sulit diukur.

7. Kelelahan (fatigue) merupakan kecenderungan dari logam untuk patah bila

menerima tegangan berulang-ulang (cyclic stress) yang besarnya masih

jauh dibawah batas kekuatan elastiknya.

8. Merangkak (creep) merupakan kecenderungan suatu logam untuk

mengalami deformasi plastik yang besarnya merupakan fungsi waktu.

Berbagai sifat mekanik diatas juga dapat dibedakan menurut cara

pembebanannya, yaitu sifat mekanik statik yaitu sifat terhadap beban statik yang

besarnya tetap atau berubah dengan lambat, dan sifat mekanik dinamik yaitu sifat

mekanik terhadap beban berubah-ubah atau mengejut. Ini perlu dibedakan karena

tingkah laku bahan mungkin berbeda terhadap cara pembebanan yang berbeda.

2.8 Pengujian Spesimen

Pengujian material yang dilakukan meliputi pengujian mekanik dan

Metallography, pengujian mekanik dilakukan dengan pengujian impact dan pengujian

Metallography material dilakukan dengan uji struktur mikro dan SEM .

2.8.1 Pengujian Uji Impact

Pengujian Uji impact dilakukan untuk menguji kekuatan suatu material

terhadap pemberian beban secara tiba-tiba persatuan luas bidang material uji dengan

cara mengukur perubahan energi potensial yang diserap material dari sebuah palu

godam yang dijatuhkan pada ketinggian tertentu. Bentuk berupa patahan material yang

terjadi selanjutnya dianalisa secara visual apakah material itu ulet ataukah getas.

Besarnya energi yang diserap tergantung pada keuletan bahan uji dan dinyatakan

dalam satuan Nm / mm2. Adapun jenis-jenis metode pengujian Impact meliputi 2

macam metode :

19

a. Metode Izod

Pengujian metode ini biasa digunakan Di Inggris. Pada benda uji Izod mempunyai

penampang lintang bujur sangkar dan bertakik V di dekat ujung yang dijepit sehingga

takikan berada di dekat penjepitnya. Bandul yang diayunkan dari ketinggian tertentu

akan memukul ujung yang lain dari arah takikan.

b. Metode Charpy

Benda uji pada pengujian metode Charpy diletakan ke arah mendatar oleh

penahan dan bandul alat uji Impact berayun akan memukul batang uji tepat dibelakang

takikan, pada ujung batang pemukul dipasang pemukul yang diberi pemberat. Batang

uji diletakan di bagian bawah mesin dan takikan tepat berada pada bidang lintasan

pemukul. Pada pengujian ini bandul pemukul dinaikan sampai ketinggian tertentu, dari

posisi ini pemukul dilepaskan dan berayun bebas memukul batang uji hingga patah.

Selisih antara energi awal dengan energi akhir adalah energi yang dibutukan untuk

mematahkan batang uji.

Keterangan :

W = berat dari pendulum (kgf)

m = massa (kgm)

h0 = tinggi awal (m)

h1 = tinggi akhir (m)

L = panjang lengan (m)

𝛼 = sudut awal (o )

β = sudut akhir (o )

Titik putar pendulum

Gambar 2.10 ilustrasi uji Impact

20

Pengujian ini didasarkan pada “standard method of tention testing metalic

materials” dari ASTM Designation E23 “Annual Book Of ASTM Standars” American

Society For Testing And Materials.

Rumus Impact Strenght adalah:

Is =E/A ……………………………………………… (2.1)

Dimana :

Is = Impact strenght (Nm/mm 2)

E = energi yang diserap (Nm)

A = luas penampang benda uji (mm 2)

Dimana :

E = E1 – E0………………………………………….. (2.2)

E = energi yang diserap (Nm)

E1 = energi akhir (Nm) <diukur saat ada benda uji>

E0 = energi awal (Nm) <diukur tanpa benda uji>

E1 = W . h0 = W . L (1 – Cos 𝛼) …………………. (2.3)

E0 = W . h1 = W . L (1 – Cos β) …………………. (2.4)

c. Faktor penyebab terjadinya perpatahan material pada pengujian Impact

Takikan

Bentuk takikan amat berpengaruh pada ketangguahan suatu material, karena

adanya perbedaan distribusi dan konsentrasi tegangan pada masing-masing

takikan tersebut yang mengakibatkan energi Impact yang dimilikinya berbeda-

beda pula.

Kadar Karbon

Material yang memiliki kadar karbon yang tinggi memiliki sifat yang kuat dan

getas sehingga membutuhkan energi yang tidak besar sedangkan material yang

kadar karbonnya rendah memiliki sifat yang ulet dan lunak sehingga

membutuhkan energi yang besar dalam perpatahannya.

21

Beban

Semakin besar beban yang diberikan, maka energi Impact semakin kecil yang

dibutuhkan untuk mematahkan spesimen, dan demikianpun sebaliknya. Hal ini

diakibatkan karena suatu material akan lebih mudah patah apabila dibebani oleh

gaya yang sangat besar.

Temperatur

Semakin tinggi temperatur dari spesimen, maka ketangguhannya semakin tinggi

dalam menerima beban secara tiba-tiba, demikinanpun sebaliknya, dengan

temperatur yang lebih rendah. Namun temperatur memiliki batas tertentu dimana

ketangguhan akan berkurang dengan sendirinya.

Transisi ulet rapuh

hal ini dapat ditentukan dengan berbagai cara, misalnya kondisi struktur yang

susah ditentukan oleh sistem tegangan yang bekerja pada benda uji yang

bervariasi, tergantung pada cara pengusiaannya.sehingga harus digunakan system

penekanan yang berbeda dalam berbagai persamaan.

Efek komposisi ukuran butir

Ukuran butir yang besar memiliki ikatan antara batas butir yang lebih lemah

dibanding dengan ukuran butir yang lebih kecil (halus) hal ini dapat diamati

secara detail melalui pengamatan struktur mikro. Ketika butir mengalami beban

geser melebihi batas kemampuan ikatan antar butir, maka batas antar butir tidak

mampu menahan tegangan geser akibat beban cyclic yang terjadi.

Perlakuan panas dan perpatahan

perlakuan panas umumnya dilakukan untuk mengetahui atau mengamati besar-

besar butir benda uji dan untuk menghaluskan butir. Sedangkan untuk menambah

keuletan suatu bahan dapat dilakukan dengan penambahan logam.

Pengerasan kerja dan pengerjaan radiasi

pengerasan kerja terjadi yang ditimbulkan oleh adanya deformasi plastis yang

kecil pada temperatur ruang yang melampaui batas atau tidak luluh dan

melepaskan sejumlah dislokasi serta adanya pengukuran keuletan pada

temperatur rendah. Pengerasan kerja ini akan menimbulkan berapakah pada

logam karena peningkatan komplikasi akibat pembentukan dislokasi yang saling

berpotongan.

22

Adapun Jenis-jenis perpatahan pada pengujian Impak :

a. Perpatahan ulet

Patah ulet adalah patahan disertai perubahan bentuk plastis (plastis deformation).

Secara makroskopis, ciri-ciri patah ulet antara lain :

o Terjadi deformasi plastis yang cukup besar sebelum patah.

o Bidang geser (shear lip) biasanya tampak atau diketemukan pada akhir

patahan.

o Permukaan patahan berserat ( fibrous ) atau silky texture, tergantung

pada jenis material.

o Penampang melintang di daerah patahan biasanya berkurang karena

pengecilan penipisan (necking ).

o Pertumbuhan retak berjalan lambat.

b. Perpatahan granular/kristalin

Perpatahan jenis ini dihasilkan oleh mekanisme pembelahan (cleavage) pada

butir-butir dari bahan (logam) yang rapuh (brittle). Ditandai dengan permukaan

patahan yang datar yang mampu memberikan daya pantul cahaya.

Gambar 2.11 Perpatahan ulet

(http://dc440.4shared.com/doc/BS4LwZ2M/preview.html)

Gambar 2.12 Perpatahan granular/kristalin

(http://dc440.4shared.com/doc/BS4LwZ2M/preview.html)

23

c. Perpatahan campuran (berserat dan granular).

Merupakan jenis perpatahan dengan kombinasi dua jenis patahan. Selain dengan

harga Impact yang ditunjukkan oleh alat uji, pengukuran ketangguhan suatu bahan

dapat dilakukan dengan memperkirakan berapa persen patahan berserat dan

patahan kristalin yang dihasilkan oleh benda uji yang diuji pada temperatur tertentu.

Semakin banyak persentase patahan berserat maka dapat dinilai semakin tangguh

bahan tersebut.

2.8.2 Pengujian Struktur Mikro

Struktur mikro dalam logam (paduan) di tunjukan dengan besar, bentuk dan

orientasi butirnya, jumlah fasa, proporsi dan kelakuan dimana mereka tersusun atau

terdistribusi. Sifat-sifat fisik suatu bahan seperti sifat mekanik tergantung dari struktur

mikro. Pada logam paduan, penggolongan struktur mikro berdasarkan berapa jumlah

fase, proporsinya dan bagaimana susunannya didalam bahan. Struktur mikro

bergantung kepada jumlah elemen paduan, konsentrasinya dan perlakuan panasnya

(temperatur, lamanya pemanasan, laju pendinginan).

Persiapan metolografi yang dilakukan adalah sama untuk bermacam – macam

analisa mikro struktur, spesimen benda uji dihaluskan dengan menggunakan kertas

gosok (amplas) dengan tingkat kekasaran yang paling kasar (nomor amplas kecil)

sampai dengan ampelas yang paling halus (nomor amplas halus). Persiapan permukaan

ini diselesaikan dengan menggosok spesimen uji pada suatu polishing wheels dengan

cloth tertentu yang dibasahi dengan larutan yang mengandung Aluminium Oksida.

Spesimen yang sudah bebas dari goresan dan mempunyai permukaan yang halus

berkilau selanjutnya dilakukan proses pengetsaan.

Pengetsaan adalah proses tahapan pelarutan secara kimiawi atau elektrolis dari

suatu logam dalam larutan kimia. Pengetsaaan ini bertujuan untuk memperoleh detail

dari struktur, hal ini dimungkinkan karena adanya kecendrungan untuk melarut yang

berbeda dari bagian struktur logam. Kelarutan yang berbeda tersebut akan

menyebabkan permukaan logam mempunyai topologi yang tidak rata. Apabila

permuakaan ini dikenakan suatu sinar, maka sinar ini akan dipantulkan dengan

intensitas yang berbeda-beda dan menghasilkan kontras bagian antara yang satu

dengan yang lain. Penyinaran dan pembesaran yang dimiliki mikroskop dapat

menampilkan gambaran secara detail dari struktur logam yang diamati dengan detail.

24

A. Contoh yang dietsa sedang diperiksa dengan mikroskop

B. Penampilan contoh melalui mikroskop

Kristalisasi yaitu proses pembentukan Kristal yang terjadi pada saat

pembekuan proses pengecoran, perubahan fase dari air ke fase padat. Dilihat dari

mekanismenya kristalisasi terjadi menjadi dua tahap :

Pembentukan inti atau pengintian (nucleation)

Pertumbuhan Kristal (crystal growth)

Dalam keadaan cair temperatur logam relatif tinggi dan atom memiliki energi

cukup banyak sehingga mudah bergerak tidak ada pengaturan letak atom, atom relatif

terhadap atom lain. Dengan turunnya temperatur maka energi atom makin rendah dan

makin bergerak dan mulai mencari/mengatur kedudukannya relatif tehadap atom lain

dan mulai membentuk lattice. Ini terjadi pada tempat yang relatif lebih dingin dimana

sekelompok atom menyusun diri membentuk inti kristal.

Dengan semakin turunnya temperatur maka akan semakin banyak atom-atom

yang ikut bergabung dengan inti yang sudah ada ataupun membentuk inti baru. Setiap

inti akan tumbuh dengan menarik atom-atom lainnya dari cairan ataupun dari inti yang

tidak sempat tumbuh, untuk mengisi tempat kosong pada lattice yang akan dibentuk.

Pertumbuhan ini berlangsung dari tempat yang bersuhu dingin ke tempat yang bersuhu

panas. Pertumbuhan ini tidak bergerak lurus saja tetapi mulai membentuk cabang-

cabang dan ranting-ranting yang dinamakan dengan struktur dendritik. Dendrit akan

Gambar 2.14 Ilustrasi skematik mikro pembekuan struktur logam

Gambar 2.13 ilustrasi Pengujian Struktur mikro

Sumber : http://ujimaterial.weebly.com/

A B

25

terus tumbuh ke segala arah sehingga cabang-cabang (ranting-ranting) dendrit ini

hampir bersentuhan satu dengan lainnya sehingga sisa cairan yang terakhir akan

membeku disela-sela dendrit ini.

Pertemuan antara satu dendrit kristal dengan lainnya dinamakan grain

boundary (butir-butir kristal) yang merupakan bidang yang membatasi antara 2 kristal.

Pada grain boundary ini akan terkandung unsur-unsur ikutan (impurity) yang lebih

banyak dan pada grain boundary ini juga terdapat ketidakteraturan susunan atom

(mismatch).

2.8.3 Uji SEM (Scanning Electron Microscopy)

SEM (Scanning Electron Microscopy) merupakan salah satu jenis mikroscop

electron yang menggunakan berkas electron untuk menggambarkan bentuk permukaan

dari material yang dianalisis. Elektron memiliki resolusi yang lebih tinggi daripada

cahaya. Cahaya hanya mampu mencapai 200nm sedangkan elektron bisa mencapai

resolusi sampai 0,1 – 0,2 nm. Dibawah ini diberikan perbandingan hasil gambar

mikroskop cahaya dengan elektron (Nugroho,2012).

Prinsip kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda

atau material dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energi

tinggi. Permukaan material yang disinari atau terkena berkar electron akan

memantulkan kembali berkas electron atau dinamakan berkas electron sekunder ke

segala arah. Tetapi dari semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas

electron yang dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Detector yang terdapat di dalam

SEM akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang dipantulkan oleh

Gambar 2.15 Perbandingan hasil uji SEM

Sumber : https://materialcerdas.wordpress.com

26

benda atau material yang dianalisis. Selain itu juga dapat menentukan lokasi berkas

electron yang berintensitas tertinggi .

Prinsip kerja dari SEM adalah sebagai berikut:

1. Sebuah pistol elektron memproduksi sinar elektron dan dipercepat dengan anoda.

2. Lensa magnetik memfokuskan elektron menuju ke sampel.

3. Sinar elektron yang terfokus memindai (scan) keseluruhan sampel dengan

diarahkan oleh koil pemindai.

4. Ketika elektron mengenai sampel maka sampel akan mengeluarkan elektron baru

yang akan diterima oleh detektor dan dikirim ke monitor (CRT).

Ada beberapa sinyal yang penting yang dihasilkan oleh SEM.

a. Sinyal-sinyal pada alat uji SEM

Sinyal Deteksi

Informasi yang Didapat

Resolusi

Lateral

Kedalaman

dari Informasi

Secondary

Electrons

Topografi permukaan,

kontras komposisi

5 - 100 nm

5 - 50 nm

Backscattered

electrons

Kontras komposisi,

topografi permukaan ,

orientasi kristal, domain

magnet

50 - 100

nm

30 - 1000 nm

Specimen

current

Kontras yang lengkap

ke backscattered dan

50 - 100

nm

30 - 1000 nm

Gambar 2.16 Skema kerja dari SEM

Sumber : https://materialcerdas.wordpress.com

27

(Sumber: Nugroho,2012)

Aplikasi dari teknik SEM – EDS dirangkum sebagai berikut:

1. Topografi: Menganalisa permukaan dan teksture (kekerasan, reflektivitas dsb)

2. Morfologi: Menganalisa bentuk dan ukuran dari benda sampel

3. Komposisi: Menganalisa komposisi dari permukaan benda secara kuantitatif

dan kualitatif.

Sedangkan kelemahan dari teknik SEM antara lain:

1. Memerlukan kondisi vakum

2. Hanya menganalisa permukaan

3. Resolusi lebih rendah dari TEM

4. Sampel harus bahan yang konduktif, jika tidak konduktor maka perlu dilapis

logam seperti emas.

2.9 Fase Solidfication

Pada fase solidification (pembekuan) akan terbentuk tiga daerah atau zone

pembentukan yaitu Chill zone, Columnar zone dan Equiaxed zone. (Candra Prasetya,

2003).

Chill zone adalah Daerah ini berada paling luar yang mana lebih dipengaruhi

oleh heat removal (kehilangan panas). Struktur ini terbentuk pada kontak pertama

antara dinding cetakan dengan logam cair pada saat dituang ke dalam cetakan.

Dibawah suhu lebur beberapa inti terbentuk dan tumbuh ke dalam cairan. Suhu cetakan

yang mulai naik memungkinkan kristal yang membeku menyebar meninggalkan

dinding karena pengaruh aliran cairan. Apabila suhu penuangan yang cukup tinggi

dimana cairan yang berada tengah-tengah coran tetap diatas temperatur leburnya

sehingga dapat menyebabkan kristal yang dekat dengan daerah tersebut mencair lagi

sinyal secondary electron

Characteristic

x-rays

(primary

Fluorescence)

Komposisi elemen,

distribusi elemen

0,5 - 2 μm

0,1 - 1 μm

Cathodolumine

-scence

Deteksi fasa nonmetal

dan semikonduksi

28

meninggalkan dinding cetakan. Hanya kristal yang berada pada dinding cetakan yang

tumbuh menjadi chill zone. (Prasetya, 2003)

Columnar zone merupakan struktur yang tumbuh setelah gradien suhu pada

dinding cetakan turun dan kristal pada chill zone tumbuh memanjang , kristal-kristal

tersebut tumbuh memanjang berlawanan dengan arah perpindahan panas (panas

bergerak dari cairan logam kearah dinding cetakan yang bertemperatur lebih rendah)

yang disebut dengan dendrit . Setiap kristal dendrit mengandung banyak lengan-lengan

dendrit , jika fraksi volume padat meningkat dengan meningkatnya panjang dendrit .

Daerah yang terbentuk antara ujung dendrit dan titik dimana sisa cairan terakhir akan

membeku disebut sebagai mushy zone. (Prasetya, 2003)

Equiaxed Zone Struktur ini terdiri dari butiran yang bersumbu sama yang arah

acak. Asal dari butiran ini adalah mencairnya kembali lengan dendrit. Bila suhu di

sekitar masih tinggi, setelah cabang dendrit tersebut terlepas dari induknya dan tumbuh

menjadi dendrit yang baru. (Prasetya, 2003)

29

Gambar 2.18 Ilustrasi pembentukan kristal pada proses pembekuan pengecoran Sumber : ASM metal handbook, vol 9 metallography and microstructures

Gambar 2.17 a. Chill zone, b. columunar zone dan c. equiaxed zone

Sumber : http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=solidification

( a ) ( b ) ( c )