TAJUK: PENYEDIAAN SPESIMEN DAN KAJIAN METALOGRAFI KELULI KARBON

OBJEKTIF:

a) Mempelajari teknik penyediaan specimenb) Mempelajari metalografi keluli karbon yang telah mengalami rawatan haba yang

berlainan

TEORI:

Persediaan

1. MEMOTONG Operasi seperti mericih akan menghasilkan kerja sejuk yang teruk. Ia boleh

mengubah sampel mikrostruktur. Memotong cara melelas atau mengikut bahagian memberikan penyelesaian terbaik untuk menghapuskan semua cirri-ciri yang tidak diingini. Sebagai contoh: permukaan yang terhasil adalah licin, masa memotong cepat. Roda potong yang berkelajuan rendah digunakan dalam kes-kes di mana haba yang dicipta oleh pemotong melelas piawai mesti dielakkan. Cecair penyejuk yang mencukupi dan kawalan kelajuan yang sesuai diperlukan dalam semua operasi pembahagian.

Roda potong melelas terdiri daripda bijirin kasar seperti aluminium oksida atau karbida silikon yang terikat bersama-sama dengan getah atau bahan-bahan lain dalam bentuk roda nipis. Getah “terikat” roda kebanyakannya digunakan untuk operasi basah dan ikatan resin biasanya digunakan untuk potongan kering. Apabila memotong logam, bijirin kasar pada roda pemotong akan menjadi kusam. Oleh itu, ikatan itu mesti dimusnahkan pada kadar yang betul supaya bijirin baru akan sentiasa di hujung dan masih dipegang teguh oleh bahan ikatan . kadar di mana ikatan rosak dipengaruhi oleh banyak faktor yang berbeza seperti:

Kekuatan ikatan Kekuatan dan kebolehkerjaan sampel logam Saiz serta kelajuan roda Kuasa motor memacu Jenis dan jumlah cecair penyejuk serta kaedah penggunaan Jumlah tekanan oleh roda yang digunakan untuk sampel Jumlah getaran dalam mesin

Roda pemotong dilabel dari keras hingga ke yang lembut dan dirujuk oleh gred. Sebuah roda ikatan keras haruslah digunakan apabila memotong stok yang lembut

dan roda ikatan lembut untuk memotong bahan keras. Satu jumlah tekanan roda mesti digunakan supaya bijian kasar akan “menggigit” dan membuang logam dalam cip halus.

2. MENCANAI

Mencanai kasar Dalam memandang kesempurnaan yang diperlukan dalam satu sampel

penyediaan “metallographic”, ia adalah penting bahawa setiap peringkat penyeiaan mestilah dilakukan dengan berhati-hati. Specimen tersebut mestilah :

Bebas dari calar, kotoran dan kecacatan lain yang cenderung untuk menandakan permukaan

Kekalkan benda asing bukan logam Menunjukkan tiada kesan serpihan kerana kerapuhan sebatian

“intermetallic” dan fasa. Bebas dari semua kesan terganggu logam

Tujuan pegisaran kasar adalah untuk menjana permukaan rata awal perlu bagi pengisaran berikutnya dan langkah menggilap. Hasilnya memotong dan mencanai, bahan tersebut boleh mendapat kerja sejuk bekerja kedalaman besar dengan zon peralihan paduan bahan cacat permukaan yang lebih baik dan logam tidak terpesong. Pengisaran kasar boleh dicapai sama ada basah atau kering menggunakan 80-180 kersik cakera berkuasa elektrik atau tali sawat, tetapi langkah berjaga perlu diambil untuk mengelakkan pemanasan ketara sampel. Objektif terakhir ialah untuk mendapatkan permukaan yang rata bebas daripada semua tanda alat sebelumnya dan sejuk bekerja kerana pemotongan specimen.

Satu lagi faktor penting sepanjang pengisaran kasar dan pengisaran halus adalah calar akan seragam dalam saiz dan selari antara satu sama lain di peringkat mana-mana satu pengisaran. Pengisaran yang teratur melibatkan putaran sampel 90° antara peringkat manakala sudut pengisaran hendaklah diadakan berterusan .

Mecanai sederhana dan halus

Pengisaran sederhana dan halus sampel pelogaman adalah bersekutu rapat dengan pengisaran kasar yang mendahului mereka. Setiap peringkat penyediaan sampel “ metallographic” mesti dilakukan dengan berhati-hati. Keseluruhan proses direka untuk menghasilkan permukaan yang bebas calar dengan menggunakan satu siri pengkakis halus berturut-turut.

Ideanya adalah untuk bergerak berhati-hati dari satu peringkat ke peringkat seterusnya di mana kasar menjadi halus pada setiap peringkat berturut-turut. Pergerakan dari satu peringkat ke peringkat seterusnya hanya perlu diteruskan apabila semua kesan calar dari peringkat sebelumnya dibuang sepenuhnya. Secara umum, langkah-langkah yang berturut 240, 320, 400 dan 600 kersik SiC dan kadar pengisaran semakin menurun dari satu peringkat ke satu peringkat yang seterusnya. Pengisaran yang teratur melibatkan putaran sampel antara peringkat manakala sudut pengisaran perlu diadakan berterusan semasa pengisaran di mana-mana peringkat.

Pengisaran basah biasanya digunakan dalam pengisaran sederhana dan halus untuk mengelakkan kesan sampingan yang mungkin member kesan akibat pemanasan seperti pembajaan, transformasi, penuaan, lebur insipient dan banyak lagi. Pengisaran basah juga menyediakan tindakan curahan bagi zarah yang longgar dan menyimpan mata pisau tajam pengisaran yang terdedah pada setiap masa.

3. MENGGILAP Menggilap melibatkan penggunaan pengkakis, terampai di dalam larutan air, pada

kain roda berkuasa elektrik. Pengkakis berlian memberikan yang terbaik, dan yang paling mahal, sebatian yang digunakan untuk menggilap; serbuk aluminium oksida yang bersaiz biasa digunakan untuk tujuan kegunaan umum. Susulan akhir 600n kersik pengisaran peringkat halus, sampel mesti dibasuh dan dikering dengan teliti sebelum meneruskan ke peringkat menggilap yang pertama. Pada peringkat menggilap, walaupun habuk keras di udara yang mendap diatas kain menggilap, ia boleh menyebabkan berlakunya kesan calar yang tidak diingini pada specimen. Bermula dengan 25-mikron zarah aluminium oksida yang terampai pada kain Nylon, pengisaran halus yang terakhir pada lapisan permukaan akibat daripada prosedur pengisaran sebelumnya seharusnya dikeluarkan serta-merta dengan kadar putaran 150-200rpm.

Specimen mulanya dipegang pada satu kedudukan pada roda, tanpa putaran sehingga kebanyakan tanda pengisaran sebelumnya dibuang. Ia boleh diputar perlahan-lahan, bertentangan dengan putaran roda, sehingga ada calar dari 25-mikron aluminium oksida dapat dilihat. Semasa peringkat menggilap, tekanan sederhana boleh digunakan untuk specimen dan peringkat keseluruhan secara amnya perlu mengambil 1 atau 2 minit. 200rpm.

Selepas specimen dibasuh dengan teliti, ia diteruskan ke peringkat 5-mikron yang mana rda penggilap berasingan dengan zarah-5-mikron; prosedur diulangi menggunakan tekanan yang lebih ringan dan secara beransur-ansur gerakan berputar di seluruh kain penggilap.

Untuk ketepatan kerja, berlian kasar yang sangat halus grednya sering digunakan untuk urutan menggilap akhir. Serium oksida terutamanya yang sangat baik untuk penggilapan terakhir aluminiun, aloi dan lain-lain logam lembut.

Kebiasaannya, menggilap juga boleh dicapai “electrochemically” menggunakan sel elektrolisis yang serupa dengan yang digunakan untuk penyaduran, kecuali sel menggilap beroperasi secara terbalik. Atom logam itu dilucutkan dari permukaan specimen. Kawalan yang teliti diperlukan untuk “electropolishing”. Ia sesuai bagi menamatkan sebilangan besar specimen yang sama.

Keupayaan untuk menyediakan specimen adalah seni dan kemahiran yang diperlukan diperolehi hanya selepas pengalaman penting “hands-on”. Dengan menggunakan peralatan automatic, seorang juruteknik yang tidak berpengalaman boleh diajar untuk specimen digilap dalam beberapa jam.

4. MEMPUNAR Punaran digunakan untuk menyerlahkan dan kadang-kadang mengenal pasti cirri-

ciri mikrostruktur atau fasa yang hadir. Malah dalam sampel yang teliti disediakan, lapisan permukaan logam terganggu, akibat daripada peringkat akhir menggilap, ia sentiasa hadir dan mesti dikeluarkan. Proses mempunar biasanya mencairkan asid atau mencairkan alkali dalam air, alcohol atau beberapa pelarut lain. Punaran berlaku apabila asid atau asas diletak di permukaan specimen kerana perbezaan dalam kadar serangan yang hadir pelbagai fasa dan orientasi mereka. Proses punaran biasanya dicapai dengan menggunakan penyelesaian yang sesuai untuk permukaan specimen untuk beberapa saat hingga beberapa minit.

Asid Nital atau Nitrik biasanya digunakan dengan besi keluli dan biasa. Asid natal dititis ke atas specimen menggunakan mata penitis atau kapas pengesat. Sepuluh saat untuk satu minit biasanya mencukupi untuk punaran betul bergantung kepada sampel dan penumpuan natal. Sampel segera dibasuh dibawah air yang mengalir, dibilas dengan alcohol dan dikeringkan di dalam tiupan angin. Jangan sentuh atau lap specimen berikut. Keringkan specimen dengan bagas udara dan kemudian bergerak ke peringkat pemeriksaan mikroskopik.

PERALATAN

a) Mesin memotongb) Mesin mencanaic) Mesin menggilapd) Larutan mempunare) Mikroskop cahayaf) Specimen keluli karbon yang akan diperiksa ialah:

i. Specimen 1 : Keluli eutectoid yang didinginkan didalam relau dari 1000° Cii. Specimen 2 : Keluli karbon sederhana yang didinginkan di dalam relau dari 850

℃iii. Specimen 3 : Keluli karbon sederhana yang dilindap-kejut di dalam air dari 850

℃iv. Specimen 4 : Keluli karbon sederhana yang dilindap-kejut didalam air dan di baja

pada suhu 600℃ selama 2 jam.v. Specimen 5 : Keluli karbon sederhana yang didinginkan di dalam udara dari 850

℃.

KAEDAH

1) Specimen disediakan dalam keadaan : Specimen 1 : Keluli eutectoid yang didinginkan di dalam relau dari 1000℃ Specimen 2 : Keluli karbon sederhana yang didinginkan di dalam relau dari 850

℃ Specimen 3 : keluli karbon sederhana yang dilindap-kejut di dalam air dari 850℃ Specimen 4 : Keluli karbon sederhana yang dilindap-kejut didalam air dan dibaja

pada suhu 600℃ selama 2 jam. Specimen 5 : Keluli karbon sederhana yang didinginkan di dalam udara dari 850

℃2) Sampel specimen 1 dipotong menggunakan mesin pemotong.3) Specimen 1 menjalani proses menggalas menggunakan thermoplastic melalui mampatan

pada suhu 180℃ selama 10 minit.4) Specimen 1 disejukkan selama beberapa minit5) Proses mencanai dijalankan ke atas specimen 1 bagi mendapatkan permukaan yang rata

dan licin selama 10 minit menggunakan 3 jenis kertas pasir yang berbeza iaitu (220,500,1000). Tekanan dikenakan sebanyak 5 Newton.

6) Proses menggilap dilakukan menggunakan kain jenis nylon dan larutan Lubricant Blue.7) Proses 6 diulang menggunakan kain jenis baldu dan larutan PP suspension.8) Specimen 1 dilarutkan ke dalam larutan mempunar ( nitric acid 2% alcohol 98% )9) Specimen dikeringkan menggunakan hand dryer.10) Langkah 2 hingga 9 diulang untuk specimen 2 hingga specimen 5.

11) Specimen diletakkan di bawah mikroskop cahaya dan mikrostruktur bagi setiap specimen dilukis.

KEPUTUSAN

e) Specimen 1Mikrostruktur : PearlitePembesaran : 1000 ×

d) Specimen 2Mikrostruktur : Pearlite + FerritePembesaran : 500 ×

c) Specimen 3Mikrostruktur : MartensitePembesaran : 1000 ×

b) Specimen 4Mikrostruktur : Martensite TerbajaPembesaran : 1000 ×

a) Specimen 5Mikrostruktur : Pearlite + CementitePembesaran : 500 ×

PERBINCANGAN

a) Lakarkan carta aliran tatacara penyediaan specimen.

Potong specimen ke saiz yang lebih kecil

Proses menggalas di jalankan ke atas specimen tersebut menggunakan termoplastik

Specimen tersebut dicanai

Gilap specimen menggunakan kain jenis nylon

Rendam specimen dalam larutan ( nitric acid 2% alcohol 98% ) bagi proses mempunar.

b) Nyatakan tujuan dilakukan penyediaan specimen berikut dan senaraikan peralatan yang digunakan.

i. Menggalas Tujuan utama proses menggalas adalah untuk memudahkan dalam mengendalikan kesukaran bentuk atau saiz specimen semasa langkah berikutnya dalam penyediaan dan pemeriksaan. Tujuan kedua adalah untuk melindungi dan memelihara bahagian tepi specimen atau kecacatan pada permukaan specimen . selain itu juga, specimen yang digunakan untuk eksperimen ini adalah bersaiz kecil. Spesimen yang bersain kecil secara amnya memerlukan proses menggalas supaya specimen tersebut disokong dalam medium yang stabil untuk mencanai dan menggilap. Antara peralatan yang digunakan semasa proses menggalas adalah:

Mesin menggalas ( Automatik) Resin ( serbuk thermoplastic ) Penyedok berukuran 30 ml Specimen yang telah dipotong (saiz kecil)

ii. MencanaiTujuan langkah mencanai adalah untuk menghapuskan segala kerosakan atau kecacatan yang berlaku semasa sesi memotong dan mengeluarkan bahan yang menghampiri kawasan yang diperlukan. Selain itu juga tujuan mencanai adalah untuk melicinkan permukaan specimen serta meratakan permukaan specimen. Antara alatan yang digunakan semasa proses mencanai adalah:

Mesin mencanai Kertas pasir yang bergrit 220 SiC Kertas pasir yang bergrit 500 SiC Kertas pasir yang bergrit 1000 SiC Spesimen yang telah digalas

iii. MenggilapTujuan menggilap adalah untuk mengeluarkan segala kecacatan daripada proses mencanai dan mendapatkan permukaan yang sangat reflektif agar specimen tersebut boleh diperiksa di bawah mikroskop cahaya. Antara alatan yang digunakan semasa menggilap adalah:

Kain nylon

Larutan (lubricant blue) Specimen yang telah dicanai

iv. MempunarTujuan punaran adalah untuk meningkatkan cirri-ciri mikrostruktur seperti saiz bijian dan cirri-ciri fasa optic. Punaran secara terpilih mengubah cirri-ciri mikrostruktur berdasarkan komposisi, tekanan, atau struktur kristal. Antara alatan yang digunakan adalah :

Larutan ( 2% nitric asid 98% alcohol) Sarung tangan Pengering tangan atau “hand-dryer” Specimen yang telah digilap Aliran air Penyepit makmal

c) Bincangkan kepentingan penyediaan specimen untuk pemeriksaan metalografi yang betul dan tertib.Penyediaan specimen untuk pemeriksaan metalografi yang betul dan tertib amat penting kerana jikateknik dalam menyediakan sampel atau specimen tersebut salah atau tidak mengikut tertib, ia akan merubah sedikit sebanyak bentuk mikrostruktur semasa keputusan diambil dan akan menyebabkan banyak berlaku kesilapan semasa membuat kesimpulan. Ia perlu diikuti bahawa miktrostrutur tidak boleh diubah. Seperti contoh jika kita memegang specimen yang telah disediakan di bahagian tengah, dan kita letakkan specimen tersebut di mikroskop cahaya, kita akan dapati bahawa bentuk mikrostruktur specimen tersebut tidak kelihatan dengan jelas kerana dilindungi oleh cap jari kita. Yang dimaksudkan dengan penyediaan specimen yang betul dan tertib menyatakan criteria berikut:

Specimen tersebut mestilah menjadi rata dan bebas daripada calar mahupun kotoran dan ketidaksempurnaan yang lain.

Tidak menunjukkan sebarang bentuk bonggol atau serpihan Bebas daripada semua kesan logam terganggu.

Selain itu juga, jika specimen tersebut disediakan dengan betul, ia akan mendedahkan sifat-sifat seperti saiz bijian, pemisahan dan bentuk, saiz dan pengagihan fasa dan kemasukan yang hadir

d) Apakah yang perlu dilakukan untuk mendapatkan mikrostruktur dengan lebih jelas sekiranya masih terdapat calar-calar halus selepas mempunar?Jika masih terdapat kesan calar pada specimen setelah proses mempunar dilakukan, specimen tersebut haruslah digilap semula dan kali ini dengan menggunakan kain rayon menggunakan 3 μm aluminja dalam buburan air.

e) Namakan rawatan haba yang telah dilakukan ke atas specimen 1,2,3,4 dan 5. Terangkan dengan ringkas perbezaan mikrostruktur dan sifat mekanik:

i. Specimen 1 dan 2ii. Specimen 2 dan 5

iii. Specimen 3 dan 4

Rawatan haba yang telah dijalankan ke atas specimen 1,2 dan 5 adalah sama iaitu rawatan haba sepuh lindap dimana rawatan haba tersebut menghasilkan struktur yang seimbang. Manakala rawatan haba yang dilakukan bagi specimen 3 adalah lindap kejut atau dikenali juga sebagai proses pengerasan keluli. Specimen 4 menjalani rawatan haba pembajaan kerana specimen tersebut menunjukkan mikrostruktur martensit terbaja.

1) Dari segi perbezaan mikrostrukturnya pula, specimen 1 menghasilkan mikrostruktur Pearlit kerana specimen tersebut mempunyai struktur eutectoid iaitu campuran antara mikrostruktur ferit dan simentit dimana struktur lamla tersebut terbentuk apabila austenite yang mengandungi 0.8% karbon didinginkan dengan perlahan di bawah suhu 723℃ manakala bagi specimen 2 pula, bentuk mikrostruktur yang terhasil adalah Ferit + Pearlit kerana specimen 2 disejukkan dengan perlahan-lahan daripada suhu yang tinggi semasa pembuatan. Oleh kerana specimen 1 menunjukkan mikrostruktur Pearlit, maka sifat mekanikal bagi pearlit adalah tinggi dalam sifat-sifat kekuatan tegangan, tetapi pada kurang pada kemuluran dan keliatan, disebabkan oleh pembentukan rangkaian simentit sekitar sempadan bijian austenite sebelumnya. Manakala bagi specimen 2 pula, sifat-sifat mekanik ferit-pearlit adalah fungsi kandungan karbon. Kedua dua hasil dan kekuatan muktamad meningkat dengan kandungan karbon, manakala pengurangan dalam kawasan (penunjuk kemuluran) berkurangan dengan kandungan karbon. Peningkatan dalam kekuatan dan penurunan dalam keputusan kemuluran daripada peningkatan dalam jumlah pearlit. Jumlah peratus daripada pearlit dalam keluli adalah berkadar terus kepada kandungan karbon.

2) Seperti yang dibincangkan sebelum ini specimen 2 ,bentuk mikrostruktur yang terhasil adalah Ferit + Pearlit kerana specimen 2 disejukkan dengan perlahan-lahan daripada suhu yang tinggi semasa pembuatan. Manakala speseimen 5 menunjukkan mikrostruktur simentit + ferit kerana specimen 5 merupakan keluli hipereutektoid. Dari segi sifat mekanik pula, specimen 2 mempunyai sifat-sifat mekanik ferit-pearlit adalah fungsi kandungan karbon. Kedua dua hasil dan kekuatan muktamad meningkat dengan kandungan karbon, manakala pengurangan dalam kawasan (penunjuk kemuluran) berkurangan dengan kandungan karbon. Peningkatan dalam kekuatan dan penurunan dalam keputusan kemuluran daripada peningkatan dalam jumlah pearlit. Jumlah peratus daripada pearlit dalam keluli adalah berkadar terus kepada kandungan karbon. Bagi specimen 5 , antara sifat mekaniknya adalah kurang dari segi kekuatan tegangan. Dalam pelbagai komposisi ini, daya ikatan atom yang sedia ada di kalangan bijirin pearlit dikurangkan mengikut ketebalan rangkaian simentit diasingkan sepanjang sempadan bijian autenite.

3) Bagi specimen 3 dan 4 pula, specimen 3 menunjukkan mikrostruktur martensi kerana jika satu sample keluli-karbon kosong dalam keadaan austenite cepat disejukkan ke suhu bilik oleh pelindap kejutan di dalam air, struktur akan berubah dari austenite kepada martensit. Manakala bagi specimen 4 pula, mikrostrukturnya adalah martensit terbaja. Dari segi sifat mekanik bagi specimen 3, ia mempunyai ketumpatan yang lebih rendah berbanding austenite. Proses kimia ( pencapaian keseimbangan ) mempercepatkan pada suhu tinggi, martensit mudah dimusnahkan oleh haba. Bagi specimen 4 pula, sifat mekaniknya adalah pertama, ketiadaan unsure mengaloi lain bermakna bahawa kebolehkerasan daripada keluli adalah rendah, jadi struktur martensit sepenuhnya hanya boleh dilakukan dalam seksyen nipis. Kedua, pada tahap karbon yang lebih rendah, suhu adalah agak tinggi, jadi adalah mungkin pembajaan mengambil tempat. Ketiga, pada tahap karbon yang lebih tinggi, kehadiran austenite tersimpan akan mempengaruhi keputusan . ditambah faktor-faktor ini, keluli karbon boleh mempamerkan pemadaman keretakan yang menjadikan ia sukar untuk mendapat keputusan ujian yang boleh dipercayai. Suhu pembajaan biasa adalah antara 300° C dan 700° C membenarkan pembangunan kekuatan tegangan antara 1700 dan 800 MPa, keliatan meningkat kerana penurunan kekuatan tegangan.

KESIMPULAN

Berikan kesimpulan mengenai ujikaji ini dari segi kepentingannya, kegunaannya, cadangan untuk mempertingkatkan mutu keputusan ujikaji dan kesimpulan secara keseluruhannya.

Pembentukan mikrostruktur logam dipengaruhi oleh jenis rawatan haba yang dikenakan terhadap specimen tersebut. Rawatan haba ialah proses pemanasan dan pendinginan logam pepejal atau aloi untuk memperolehi sifat-sifat yang tertentu. Melaluinya sifat mekanik keluli boleh berubah disebabkan perubahan saiz bijian dan mikrostruktur sebagai contoh, rawatan haba sepuh lindap dan pernomalan akan menghasilkan struktur yang seimbang. Selain itu, kemuluran, kekerasan dan kekuatan specimen bergantung kepada peratusan karbon yang terkandung dalam specimen tersebut.

RUJUKAN

Modul Sains Bahan, En Azlan bin Suhot, Universiti Teknologi Malaysia. Technical- Metallographic Compression Mounting website

http://www.metallographic.com/Technical/Compression%20Mount.htm Metallographic Etching- The Processes, Reasons to Etch and What Etching Achieves

website, http://www.azom.com/Details.asp?ArticleID=3504 Practical maintenance ( The Iron-Ironcarbide Equilibrium Diagram ) website,

http://practicalmaintenance.net/?p=1315 M.N.A. Hawlader, Metallography Laboratory Manual, 1984. Foudations of Materials Science and Engineering (Fifth Edition), William F.Smith dan

Javad Hashemi, cetakan oleh McGraw Hill