1. PENDAHULUAN
Sifat logam yang penting dalam teknik adalah sifat mekanik dimana kekuatan dan kekerasan logam termasuk dalam sifat tersebut. Telah diketahui bahwa sifat mekanik ini sangat dipengaruhi oleh struktur mikro dari logam dan dalam hal ini adalah besar butir. Karena besarnya pengaruh besar butir ini, maka penelitian ini ditunjukkan untuk mencari hubungan antara besar butir dengan kekuatan dan kekerasan.
Logam uji yang dipergunakan adalah logam aluminium paduan. Logam ini dipilih karena penumbuhan butir logam aluminium telah diketahui lebih banyak bila dibandingkan dengan logamlogam lain.
Secara garis besar jalannya penelitian yang dilakukan adalah sebagai berikut:
- Menumbuhkan butir logam aluminium dengan cara reganganil, sehingga didapatkan ukuran butir yang berbeda-beda.
- ii. Menentukan kekuatan tarik dan kekerasan dari batang-batang uji yang telah diketahui besar butirnya.
2. HASIL-HASIL TEORITIK YANG MENDASARI
2.1. Kekuatan logam.
Teori kekuatan logam yang didasarkan atas adanya dislokasi di dalam logam, menyatakan bahwa: kekuatan logam adalah ketahanan logam terhadap gerakan dislokasi (1). Dari literatur telah diketahui bahwa logam-logam pada umumnya terdiri dari kristal-kristal banyak, yang merupakan butir-butir. Di antara butir kristal yang satu dan butir yang lain terdapat susunan atom yang tidak teratur yang merupakan batas butir. Karena susunan atom yang tidak teratur ini maka batas butir merupakan penghalang bagi gerakan dislokasi. Jadi dalam hal ini dapat disimpulkan bahwa: "Makin banyak batas butir, logam menjadi lebih kuat", atau dapat juga dikatakan sebagai berikut: "Makin halus butir-butir logam, kekuatannya makin besar".
Dalam hubungan ini Hall dan Petch telah menyusun suatu teori yang menghubungkan antara besar butir dan kekuatan logam yang didasarkan atas adanya sumber-sumber dislokasi yang bekerja aktif karena adanya tegangan dari luar (2) dan jumlah dislokasi yang tertahan pada suatu batas butir (3). Hubungan Hall-Petch dapat dinyatakan dalam bentuk rumus sebagai berikut:
\[\sigma_{t} = \sigma_{i} + \sqrt{\frac{8 \ G \ b \ \sigma}{K \ \pi}} \ D^{-\frac{1}{2}}\] (1)
dimana: \(\sigma_{\perp}\) = kekuatan tarik dari logam
\(\sigma_{i}\) = tegangan friksi dalam logam
G = modulus elastik geser
b ≈ vektor Burger
\(\sigma_c\) = kekuatan tarik kritis
k = konstanta dislokasi
D = diameter butir logam.
Karena G, b, \(\sigma_c\), k dan \(\pi\) adalah konstanta, maka persamaan tersebut di atas dapat disederhanakan menjadi:
\[\sigma_{t} = \sigma_{i} + K \cdot D^{-\frac{1}{2}} \tag{2}\]
2.2. Kekerasan Logam
Kekerasan logam ditentukan oleh besarnya gaya dan ukuran lekukan bekas penekan yang ditekankan ke dalam logam yang ditukur dengan gaya tersebut. Jadi di sini jelaslah bahwa kekerasan logam dihubungkan dengan deformasi, sedangkan deformasi sendiri mempunyai hubungan yang erat dengan kekuatan. Karena itu kekerasan logam dapat dinyatakan sebagai fungsi kekuatan atau sebaliknya.
Dalam menyusun dasar teoritik dari hubungan ini diadakan penyederhanaan dengan menganggap bahwa regangan yang terjadi adalah regangan bidang\(^{(4)}\). Dengan memasukkan kriteria kegagalan dari Tresca\(^{(5)}\), maka didapatkan:
\[\sigma_{r} = 0,39 \quad BHN \tag{3}\]
Dimana: o<sub>t</sub> = kekuatan logam
BHN = kekerasan menurut Brinell
Bila kriteria kegagalan dari von Mises (6) yang digunakan maka hubungan tersebut berubah menjadi:
\[\sigma_{r} = 0.35 \quad \text{BHN} \tag{4}\]
Dengan ini dapat dinyatakan bahwa analisa teoritik menghasilkan hubungan kekuatan dan kekerasan sebagai berikut:
\[\sigma_{t} = (0,35 \div 0,39) \text{ BHN}\] (5)
3. BAHAN, METODA DAN ALAT
3.1. Bahan
Bahan yang dipergunakan adalah aluminium berbentuk strip yang terdapat dipasaran dengan ukuran tebal 6 mm dan lebar 24 mm. Setelah diadakan analisa kimia oleh Balai Penelitian Bahan-Bahan dapat diketahui bahwa logam tersebut mempunyai komposisi seperti dalam tabel 1.
Tabel 1. Komposisi kimia dari bahan
| Unsur | Si | Mg | Mn | Cu | Al |
| Persen berat | 0,36 | 0,08 | 0,05 | 0,01 | sisa |
3.2. Metode Penelitian
a. Penumbuhan dan Pengukuran Butir
Penumbuhan butir pada batang-batang uji dilakukan dengan cara regang-anil (7) dengan harga regang terap sebesar 5 % dan waktu anil juga tetap sebesar 120 menit, sedang temperatur anil yang dirubah, yaitu: 200°C, 250°C, 300°C, 350°C, 400°C, 450°C dan 500°C. Peregangan dilakukan dengan menggunakan mesin tarik merek Instron 1195
Pengukuran butir dilakukan setelah pengerjaan standar untuk proses electropolish, yaitu pemotongan, penghalusan permukaan dengan kertas ampelas sampai kehalusan (000) dan kemudian diikuti dengan proses memolis dan mengetsa secara elektrolitik.
Besarnya arus, tegangan dan lamanya proses memolis dan mengetsa adalah sebagai berikut:
Memolis : arus I = 4,0 amper tegangan V = 48 volt
waktu \(t = (4 \text{ atau } 5) \times 5 \text{ detik}\)
Mengetsa : arus I = 1,5 amper tegangan V = 18 volt
waktu \(t = (2 \text{ atau } 3) \times 3 \text{ detik.}\)
Pengukuran butir dilakukan dengan dua cara, yaitu pertama secara langsung melalui mikroskop yang berskala standar butir ASTM dan kedua dilakukan pada potret mikrografi yang didapat.
b. Pengujian kekuatan dan kekerasan
Pengujian kekuatan dilakukan secara standar pada mesin tarik Instron dengan kecepatan penarikan 0,5 mm/menit. Sedang pengukuran kekerasan dilakukan menurut cara Brinell\(^{(8)}\) dengan beban 62,5 kg dan diameter bola penekan 5,0 mm.
3.3. Aiat lang DiPerllurLakan
- Semla pembuatan baLang uji dilakukan dengan nesin flais merek }Iaho.
- Proses pemanasan dilakukan dalam tungku merek Rrrlrstrat KC.
- Proses polis dan etsa dikerjakan dengan alat electropo-Lish merek Struers LectroPol.
- Mikroskop yang dipelgunakan adalah mikroskoP ner:ek Reichert.
- Penguj ian tarik dilakukan pada mesin tarik merek Instron 1195.
- Pengujian kekerasan dilakukan dengan hardness testel buatan AIbert Gnehm,
4. }L{SIL_MSIL PINGUJI]N
4.I. Hrs iL ltle t,rlolvafL
iiga dari irasil pei|otretan struktur mikr:o yang diperoleh dapai ditihat dalan gambar l, 2, dan 3.
I
I
Ilikrografi batang uji no' pembesaran 320 x. canbar l. 1, besar butir 0'069 m m
Carobar 2. Mikrografi batang uji no. peErbesaran 320 x. 6, besar butir 0,148 rua
Cambar 3. Mikrografi barang uji no. penbesaran 125 x. 7, besar butir 0,404 mrn
I
\
4.2. Hasil Pengukuran Besay Butit,
Hasil pengukuran dari besar butir untuk masing-qasing batanS uji ditabelkan dalan tabel 2.
Tabel 2, li,asil pengukuran besar butir
| NotrDr batang u j i | Y | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ternperatu! (oc) anil | 200 | 250 | 300 | 350 | 400 | 4s0 | s00 | |
| tsesar bu tir (trnr) | 0,069 | 0,078 | 0,088 | 0,098 | 0,123 | 0,148 | 0,404 |
4 .3. HctsiL Pengukuran Kekuat.tn dq)1 Lekerqsarn
Kekuatan yang d ipergunakan nya yang dihitung menurut runus adalah kekuatan tarik sebenarbe rik,rt (5) :
\[\sigma_{t} = \frac{F}{A_{o}} (1 + e)\] (6)
t \
I I
i
dinana: o t = kekuatan
F = beban pada penguj ian
o = luas penampang m'l1a batang uji.
Kekerasan ditentukan menurut nakan rumus berikrrt(B) : cala Brinell dengan nenggu-
BHN = \[\frac{P}{\frac{\pi D}{2} (D - \sqrt{D^2 - d^2)}}\] (7)
dinana: BHN = kekerasan Br inel1
p = beban
D = dia!1eter bola penekan
d = d.iamete! lekukan.
Hasil-hasil kedua pengukuran ini ditabelkan dalan tabel 3.
Tabel 3. Hasif pengukuran kekuatan dan kekerasan
| Nomor batang u j i | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Kekuatarr 2 . or \Kg/ mm .) | L7,26 | 16,16 15,30 | 13,51 10,91 | 10,55 | 9,60 | ||
| Keke rasan Br:inell ) BHN (kg/mm-) | 5r,6 | 48,2 | 45,8 | 40,r | 32,4 | 31,5 | 28,9 |
5. PE}IBAIiAS AN HASIL PENELITIAN
5.I. Peri;clahan lqt.t
i I
n
i I
PenellLian ini bertujuan mencari hubungan antara kekuatan, kekerasan dan besa! butii, Di dalam Tabel 2 telah dikuopulkan hasil penelitian yaug dapat menghubungkan antara besar butir dan kekuacan, sedaogkan dalam Tabel 3, dapat dicari hubungan antara kekuatan dan kekerasan. Untuk memudahkan analisa naka kedua tabel teisebut disatukan sehingga terjadi tabel baru seperti dalarn Tabel 4.
Unruk lebih menpermudah lagi, nraka Tabel 4 dirubah menj adi suatu graflk seper.ti yang terlihat dalan (;arnbar 4. Dari gambar tersebut terlihat jelas bahwa makin besar butir logam makin turun kekualan dan kekerasannya.
Analisa yang lebih mendalam dalam hubungan antara besa! butii dan kekuatan dan hubunean antara kekuatan dan kekerasan dilakukan secara te rpisah.
Tabel 4. ltasil-hasil pengukuran besar butir, kekuatan kerasan. dan ke-
| Noloor Batang uji | buti! Besar (nr!) | Kekuatan (tg/to'2) | Kekerasan (kglo*2) | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 0,069 | |||||
| I 2 | 0,078 | 16,16 | 48,2 | ||
| 3 | 0,088 | r-5, 30 | 45,8 | ||
| 4 | 0,098 | 13, 5l | 40,3 | ||
| 5 | o,123 | 10,91 | |||
| 6 | 0,148 | 10,55 | |||
| 7 | 0,404 | 9,60 | |||
Gambar 4, Hubungan antala kekuatan' kekerasan dan besa! butir.
5.2. Penbalxasan H;L|tngan Antat.r tses.rJ, Butiy 'j,:n i:ekuatdn
Penrbahasan ini didasarkan pada anggapan bahwa hubungan ini mempunyai hr:bungan matematjka sepert i persamaan 2, yang dikenal deDgan persanaan uall-Petch.
Dengan bentuk persamaan tersebut harga K dapat dicari densan cara b eiikut:
\[\sigma_{t} = \sigma_{i} + K D^{-\frac{1}{2}}\] \[\sigma_{t} - \sigma_{i} = K D^{-\frac{1}{2}}\] \[\ln (\sigma_{t} - \sigma_{i}) = \ln K - \frac{1}{2} \ln D\] (8)
Dengan persanaan 8, harga-harga K dapat dicari dengan rnudah kareoa persamaan tersebut nretupakan garis lurus. Tetapl untuk rnenghitung ini, sebelurnnya sudah harus ditentukan besarnya harga o.. Pe[entuan ini dapar dianafisa dari perasaDaan 2, dan kemrdian diperkirakan darl grafik pada Gambar 4. Dari persamaan tersebut dapat dilihat bahwa harga K D-l akan nendekati no1 bila D xnendekati harga tidak terhingga. Ini berarti bah{a nakin besar bucir kekuatan makin turun, maka dapat disimpulkan bahi,ra harga o. sama dengan harga o. terendah. Dari grafik "iL dalan ca]Ilbar 4, dapat diperkirakan bahwa harga o, akan mencapai 9,25 kg/ffn-. Dengan harga ioi naka logarirma dari (or-o.) ,ian D dapat dihitung. Itasil perhitungaD ini dicantunkan dalanr Tabel 5.
Untuk menentukan harga K, maka harga-harga logaritna dari tegangan dan besar butir yang terdapat dalam Tabel 5, dipindahkan ke dalarn bentuk grafik seperti terllhat pada Cambar \. Setelah diadakan pendekatan dengan garis lurus t!rnyata balt!.,a harga eksponen dari persanaan 2, tidak sana drriLtsillr -]. lerhubung dengan kenv a t aan-kenya L aan ini maka pr' r L- 'r. 2, diganti dengan persanaan sejenis vang lebih unurn s; -r:i pada persamaan 9. yai !u:
\[\sigma_{t} = \sigma_{i} + K D^{m}\] (9)
Tabel 5. Harga besaran mekanik dan logaritmanya
| Nomor Batang uji Besaran | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ot (kg/mm2) | 17,26 | 16,16 | 15,30 | 13,51 | 10,91 | 10,55 | 9,60 |
| σi (kg/mm2) | 9,25 | 9,25 | 9,25 | 9,25 | 9,25 | 9,25 | 9,25 |
| σt - σi | 8,01 | 6,91 | 6,05 | 4,26 | 1,66 | 1,30 | 0,35 |
| ln (σt - σi) | 2,081 | 1,933 | 1,800 | 1,449 | 0,507 | 0,262 | - 1,050 |
| D (mm) | 0,069 | 0,078 | 0,088 | 0,098 | 0,123 | 0,148 | 0,404 |
| ln D | - 2,674 | - 2,551 | - 2,430 | - 2,323 | - 2,096 | - 1,911 | - 0,906 |
(lambar 5. HrLbungan logarit:r3 antara kekuatalt j!o besar bu!ir
Dengan mempergunaka analisa regresi-garis, akhirn\.r d1 dapatkan bah\ra I
\[m = -1,86\] dan
\[K = 0,052\] dengan tingk-at Lesesuaian sebesar 0,94.
Dari kedua harga tersebut, jelas bahna harga n tidak sesuai dengan harga teoritik. Berhubung dengan hal ini, makd
perlu dihitung harga teoritik dari K. Perhitungan ini dapat dilakukan dengan mempergunakan harga K dari persamaan 1, yaitu:
\[K = \sqrt{\frac{8 \text{ G b } \cdot \sigma_{c}}{k \pi}}\]
Untuk aluminium harga-harga komponen dari K, pada persamaan tersebut adalah (9):
\[G = 2900 \text{ kg/mm}^2\]
\(k = 0.833\)
\(\sigma_c = 1.04 \text{ kg/mm}^2\)
\(b = 2.857 \times 10^{-7} \text{ mm}\)
Dari harga-harga tersebut, maka:
\[K = \sqrt{\frac{8 \times 2900 \times 2,857 \times 10^{-7} \times 1,04}{0,833 \times 3,142}} = 0,0514\]
Harga ini ternyata sesuai dengan percobaan. Dengan hasil penelitian ini, maka kekuatan aluminium dapat didekati dengan persamaan 10:
\[\sigma_{t} = 9,25 + 0,052 \cdot D^{-1,86} \text{ kg/mm}^{2}\] (10)
Dimana: \(\sigma_t\) = kekuatan D = diameter butir (mm).
5.3. Hubungan antara Kekuatan dan Kekerasan
Berdasarkan hasil teoritik yang dikemukakan dalam 2.2., dapat diketahui bahwa antara kekuatan dan kekerasan seharusnya mempunyai hubungan garis lurus. Untuk menguji kebenarannya, raka harga-harga kekuatan dan kekerasan yaog terdapat dalam Tabel 4, dipindahkan dalan beotuk grafik seperti terlihat da_ larn Garnbar 6.
Gambar 6. Hubungan antara Kekuatan dan Kekerasan
Untuk neneliti hubungan linear ini, dianggap bahr^'a kedua besaran tersebut memenuhi persamaan 11, yaitu:
\[\sigma_{t} = a \cdot BHN + b \tag{11}\]
Dinana: o- = kekLratan (ke/-',r2) l_- BHN = kekerasan tsrinell (kg/mm-)
Dengan mempelgunakan harga-harga dari Tabel 4, setelah dilakukan analisa regresi-garis, naka didapatkan bahwat
\[a = 0,335\] \(b = -0,014\)
dengan tingkat kesesuaian sebesar: 0,999.
Disini harga b sangat kecil bila dibandingkan dengan harga-harga o dan BHN, karena itu b dapat diabaikan, sehingga bubungan kedua besaran ini:
dari percobaan
\[\sigma_{r} = 0,335 \text{ BHN}\] (12)
teoritik \[\sigma_{t} = (0,35 \div 0,39) \text{ BHN}\] (13)
Dari kedua harga tersebut jelas bahwa harga menurut teori dan pengujian saling mendekati dengan baik.
6. KESIMPULAN
- 1. Dengan regangan 5 % dan waktu anil 120 menit dengan temperatur pemanasan antara \(200^{\circ}\)C dan \(500^{\circ}\)C, dapat ditumbuhkan butir aluminium dengan diameter antara 0,069 dan 0,404 mm.
- 2. Kekuatan aluminium naik bila butir-butirnya lebih halus.
- 3. Secara garis besar hubungan Hall-Petch dipenuhi tetapi eksponen yang didapat bukan -0,5 melainkan -1,86, sedangkan harga K sesuai dengan perhitungan teoritik. Sehingga hubungan Hall-Petch untuk aluminium dengan butir antara 0,069 - 0,404 mm, menjadi:
\[\sigma_{t} = 9,25 + 0,052 \text{ D}^{-1,86}\]
- 4. Dengan hasil ini perlu diadakan penelitian lebih banyak lagi untuk meneliti kebenaran dari hubungan Hall-Petch.
- 5. Hubungan antara kekuatan \((\sigma_{t})\) dan kekerasan Brinell (BHN)
adalah: