LAPORAN AKHIR PRAKTIKUM ANALISIS STRUKTUR MATERIALPercobaan Metalografi pada Material Baja Karbon, Aluminium, dan Tembaga

NURUL TRI ALONA SARI1206217313KELOMPOK 21

LABORATORIUM METALOGRAFI DAN HSTDEPARTEMEN TEKNIK METALURGI DAN MATERIALUNIVERSITAS INDONESIA2015

ABSTRAKMetalografi adalah disiplin ilmu yang mempelajari karakteristik mikrostruktur suatu logam dan paduannya serta hubungannya dengan sifat-sifat logam dan paduannya tersebut. Dalam melakukan praktikum ini telah diteliti mengenai preparasi sampel metalografi dan analisis mikrostruktur serta makrostruktur logam sampel sehingga mampu memberikan informasi mengenai suatu material.Baja merupakan material logam paduan yang terdiri dari besi, karbon, dan paduan lain yang akan menambah nilai tambah dari sifat mekaniknya. Kadar karbon yang dimiliki baja kurang dari 2%. Jika kadar karbon lebih dari 2% maka tidak disebut baja lagi melainkan sudah termasuk besi tuang. Klasifikasi baja yang ditentukan menurut kadar karbonnya dibedakan menjadi tiga macam yaitu, baja karbon rendah dengan kandungan karbonnya kurang dari 0,25%, baja karbon sedang dengan kandungan karbonnya antara 0,25-0,6 %, baja karbon tinggi dengan kandungan karbonnya sekitar 0,6-17%. Aluminium merupakan material logam yang memiliki kekerasan tinggi tetapi dengan massa yang ringan. Oleh karena aluminium memiliki sifat tersebut maka paduan aluminium ini banyak digunakan dalam industri pesawat terbang. Material ini juga memiliki daya hantar listrik dua kali lebih besar dari Cu. Selain itu, aluminum juga memiliki ketahanan korosi yang baik pada kondisi lingkungan tertentu. Tembaga merupakan material logam yang memiliki daya hantar listrik yang tinggi. Selain itu tembaga juga memiliki daya hantar panas yang tinggi dan tahan karat. Logam paduan antara Cu dan Zn menambah sifat mekanik dari material tersebut yaitu berupa kekuatan, keuletan, ketangguhan, dan yang lainnya, dipengaruhi oleh kadar dari masing-masing logam tersebut. Percobaan metalografi dilakukan bertujuan untuk identifikasi bentuk dan struktur dari material untuk dapat dipelajari sifat sebagai kontrol kualitas dari material tersebut. Dan dari hasil metalografi yang didapatkan, dapat dilihat fasa-fasa yang terbentuk dari material tersebut lalu membandingkannya dengan atlas struktur mikro.PENDAHULUANMetalografi adalah merupakan ilmu pengamatan bentuk dan struktur dari material dengan tujuan untuk kontrol kualitas material, yang kemudian dilakukan identifikasi fasa yang terdapat pada berbagai paduan dengan menggunakan standar atau membandingkan nya dengan atlas struktur mikro lalu setelah itu dihubungkan dengan sifat-sifat materialnya yaitu berupa kekerasan, keuletan, dan sifat lain. Metalografi merupakan kegiatan mengamati struktur mikro menggunakan mikroskop optik dengan perbesaran mencapai 1000X, Scanning Electron Microscope (SEM) dengan perbesaran mencapai 50000X, dan Transmission Electron Microscope (TEM) dengan perbesaran sampai 500000X.Dengan mengetahui struktur mikro yang terbentuk, dapat diperkirakan keadaan pendinginan dan pemanasan dari material tersebut dengan mencocokkan fasa yang didapat dengan fasa yang diketahui dari diagram fasa. Contohnya pada material baja yang diberikan treatment tertentu, yaitu dilakukannya pendinginan cepat atau proses quenching dari suhu austenisasi, maka akan didapatkan banyak struktur martensit dan struktur ini dapat dilihat dengan metode metalografi. Dengan cara inilah dapat diperkirakan tingkat kekerasan dan sifat-sifat dari material tersebut. Sebelum dilakukan metode metalografi analisa yang biasa dilakukan untuk mengetahui struktur dari material yang mengalami pendinginan secara cepat yaitu menggunakan diagram CCT atau continous cooling transformation, dimana merupakan perkiraan fasa yang dapat terjadi pada laju pendinginan tertentu. Dalam melakukan pengamatan metalografi, preparasi sampel merupakan hal yang terpenting. Dalam pengamatan makrostruktur, preparasi sampel tidak serumit pada pengamatan mikro. Pada pengamatan makro, sampel dilakukan makroetching untuk memperjelas alur butir atau indikasi perpatahan. Selain untuk mengetahui hasil dari treatment tertentu pada material, metode metalografi juga diperlukan dalam dunia industri. Misalnya terjadi cacat pada produk yang dihasilkan, atau terjadinya kegagalan alat atau mesin ketika sedang digunakan, menjadi masalah yang sering dihadapi. Melihat masalah-masalah yang dihadapi diatas, sebagai material engineer kita berusaha untuk mencari penyebab dan asal dari sebuah kegagalan atau cacat pada material itu. Sehingga mampu memberikan solusi terhadap permasalahan yang sedang dihadapi. Salah satu caranya yaitu dengan melakukan pengamatan metalografi. Pengamatan metalografi sangat penting dilakukan dalam dunia industri karena untuk mengetahui prosedur dalam memproduksi sesuatu sudah benar atau belum maupun juga dengan spesifikasi material sudah sesuai atau belum. Hal ini dilakukan karena pengamatan metalografi ini dapat melihat ketidasesuaian mikrostruktur dan mengetahui sifatnya sebagai akibat dari kesalahan prosedur atau pemilihan material itu sendiri. Dengan dilakukannya pengamatan metalografi, pihak industri dapat mengetahui asal dan penyebab cacat produknya, atau asal dan sebab dari kegagalan mesin produksi atau alat-alat yang digunakan untuk menunjang proses produksi tersebut.Dengan diketahuinya asal dan sebab dari kegagalan tersebut, maka akan didapat evaluasi desain dari setiap pemprosesan baik pada prosedur maupun bahan baku materialnya. Dengan dilakukannya evaluasi desain, maka harapannya akan dihasilkan desain baru yang lebih baik untuk menekan kemungkinan kegagalan pada suatu produk, mesin atau peralatannya serta meminimalisir dari segi ekonomi. Dan pengamatan metalografi secara umum dibagi menjadi: Pengamatan MakroskopiPengamatan dengan perbesaran 10X-100X. Pengamatan MikroskopiPengamatan dengan perbesaran lebih dari 100X.Sementara itu untuk pengamatan mikro preparasi sampel dilakukan dengan melakukan mounting, pengamplasan, polishing, dan etching. Mounting dilakukan untuk mempermudah penanganan sampel. Mounting dapat dilakukan dengan castable resin ditambahkan dengan hardener maupun dengan menggunakan bakelit atau termosetting resin. Cacat pada castable resin mounting adalah crack, soft mount, discoloration, tacky tops, dan bubbles. Pengamplasan dilakukan dengan menggosokkan permukaan sampel ke piringan abrasif yang berputar. Sementara polishing dengan menggosokkan sampel ke kain beludru yang berisi partikel halus (TiO2).Etsa merupakan proses pengikisan batas butir atau fasa secara selektif dan terkendali. Secara umum, etsa terbagi menjadi etsa kimiawi dan etsa elektrolitik. Etsa kimiawi menggunakan larutan spesifik yang dapat melarutkan fasa tertentu. Sementara itu etsa elektrolitik menggunaakan energi listrik dan larutan elektrolit untuk proses pelarutan selektif tersebut. Mekanisme etsa kimiawi maupun elektrolitik adalah suatu fasa atau batas butir menjadi anodik sementara lainnya menjadi katodik. Pada saat pengetsaan, atom pada pemukaan anodik akan teradsorpsi di pemukaan.

Setelah teradsorpsi aton logam akan ditransfer ke larutan melalui reaksi :

Atom logam ini bersifat kation. Kemudian molekul air akan terikat pada kation oleh gaya dipol. Kation ini selanjutnya akan terhidrasi.

Gbr Prinsip etsa elektrolitik. Fasa dengan potensial yang lebih kecil akan terkikis.Hal yang perlu diperhatikan selama proses etsa adalah lamanya waktu pengetsaan. Pengetsaan yang terlalu cepat dapat menyebabkan pola warna yang timbul menjadi tidak tegas, sementara pengetsaan yang telalu lama menyebabkan over etsa yang ditandai dengan hangusnya permukaan logam. Mikrostruktur logam yang over etsa menjadi sulit untuk diamati karena fasa yang seharusnya tidak terkikis menjadi ikut terkikisPROSEDURPengamatan metalografi terdiri atas beberapa prosedur, yaitu sebagai berikut.1. Mempersiapkan sampel berupa logam low carbon steel, Cu-S, dan Al-Mg.2. Memounting dengan resin dan hardener menggunakan teknik castable mounting.3. Mengamplas kasar untuk menghaluskan permukaan yang tergores karena proses pemotongan dengan kertas amplas berukuran 80, 100, dan 120 grit.4. Mengamplas halus menggunakan kertas amplas SiC, dengan grit berukuran 240, 400, 600, 800, 1000, dan 1200.5. Melakukan poles halus dan poles kasar menggunakan kain beludru dan cairan covak yaitu TiO2 yang dicampur dengan air.6. Mengetsa dengan menggunakan cairan nital untuk low carbon steel, HF untuk Al, dan Feric Chloride (FeCl3) untuk Cu-S.7. Melakukan pengamatan mikrostruktur dengan Mikroskop Optik

DATA PERCOBAAN1. Sampel 1 (Baja Karbon)

Gambar 1 Mikrostruktur Baja KarbonDi atas merupakan struktur baja karbon rendah yang telah dietsa dengan Nital (asam nitrit + alkohol 95%) selama 10 detik.

2. Sampel 2 (Al-Mg)

Gambar 2 Mikrostruktur Al-MgDiatas merupakan struktur Al-Mg yang telah dietsa dengan Hydroflouric acid + air selama 5 detik.

3. Sampel 3 (Cu-Zn)

Gambar 3 Mikrostruktur Cu-ZnDiatas merupakan struktur Cu-Zn yang telah dietsa dengan Ferric Chloride (FeCl3) selama 10 detik.ANALISAa. Cacat MountingMounting merupakan salah satu cara preparasi sampel untuk keperluan metalografi jika sampel yang akan dilihat memiliki bentuk yang tidak beraturan atau berukuran kecil yaitu dengan menempatkan sampel pada suatu media. Dilakukannya mounting pada sampel menyebabkan mudahnya dilakukan penanganan yaitu untuk preparasi sampel berupa amplas, poles, maupun proses etsa itu sendiri. Saat melakukan mounting, terdapat kemungkinan terjadinya cacat pada mounting. Cacat mounting ini, terjadi akibat dari proses yang tidak sesuai. Terdapat beberapa jenis cacat pada mounting, yaitu bubbles, discoloration, softmount, dan cracking. Tiap jenis cacat tersebut dihasilkan dari berbagai macam sebab yang berbeda-beda.

Di sampel kami yang sudah dimounting sebelumnya terlihat ada satu jenis cacat mounting. Cacat yang terjadi yaitu berupa bubbles. Cacat bubbles terjadi akibat pengadukan pada saat penyampuran resin dan hardener telalu cepat sehingga mengakibatkan udara terperangkap sehingga menghasilkan gelembung yang cukup banyak pada mount yang dibuat. Dan dapat disimpulkan terjadinya pengadukan yang terlalu cepat yang menyebabkan adanya gelembung pada mount.

b. Cacat GrindingSetelah sampel dimounting, yang dilakukan berikutnya adalah grinding. Grinding dilakukan dengan tujuan untuk menghilangkan goresan dan juga kotoran sebelum dilakukan proses selanjutnya. Grinding ini juga biasa disebut dengan proses pengamplasan. Pengamplasan dilakukan menggunakan kertas amplas dengan partikel SiC. Dilakukan pengamplasan dimulai dengan grit terendah (80) hingga grit tertinggi (1000). Dalam proses pengamplasan, ketika akan berganti nomor kertas amplas, harus diperhatikan bahwa harus selalu mengubah arah pengamplasan ketika akan mengganti grit amplas. Hal ini dilakukan untuk menghilangkan goresan pada tahap sebelumnya.Pengamplasan yang dilakukan oleh praktikan pada percobaan kemarin mengalami cacat, yaitu cacat bidang. Cacat bidang ini terjadi karena penekanan yang tidak merata pada bagian-bagian tertentu dari sampel sehingga membuat bidang terkikis sebagian pada tempat yang menerima tekanan berlebih oleh praktikan, hal ini terjadi pada bagian pinggiran atau bagian ujung sampel.Pada grit rendah biasanya memang sangat mungkin terjadinya cacat bidang. Hal ini dikarenakan pada grit yang rendah, partikel SiC sangat kasar sehingga jika terjadi kemiringan sedikit dalam memegang sampel yang sedang diamplas maka akan menyebabkan cacat bidang. Dan untuk menghilangkan cacat bidang yang telah terjadi, dapat dihilangkan dengan melakukan pengamplasan dengan grit yang lebih tinggi. Sehingga menyebabkan berkurangnya cacat bidang pada sampel.

c. Cacat PolishingSetelah sampel melalui proses grinding, maka hal yang dilakukan selanjutnya adalah polishing. Polishing atau pemolesan bertujuan untuk menghilangkan goresan dan kotoran dari sisa proses pengamplasan sebelumnya untuk menghasilkan permukaan yang licin, dan bersih seperti kaca. Cacat yang terbentuk pada sampel setelah proses pemolesan adalah cacat bidang. Cacat bidang terbentuk akibat dari proses sebelumnya, yaitu pengamplasan. Adanya cacat bidang ini memang sulit untuk dihilangkan ketika sudah terjadi. Oleh sebab itu, sebenarnya tidak terjadi cacat tambahan pada proses pemolesan yang telah dilakukan, melainkan masih adanya cacat bidang dari kesalahan pengamplasan yang telah dilakukan sebelumnya pada grit kecil, yaitu berupa ketidaksamaan tekanan yang diberikan pada saat proses pengamplasan.

d. Cacat EtsaSetelah sampel melalui proses mounting, pengamplasan, dan pemolesan, maka hal yang dilakukan selanjutnya sebelum proses pengamatan mikrostruktur adalah pengetsaan. Pengetsaan bertujuan agar fasa fasa yang diinginkan dapat terlihat di mikroskop.Pengetsaan dilakukan dengan cara mencelupkan salah satu sisi permukaan sampel yang akan diamati mikrostrukturnya. Pada logam baja karbon rendah, dilakukan pengetsaan dengan menggunakan Nital selama 10 detik. Sedangkan untuk Al-Mg menggunakan HF selama 5 detik dan Cu-Zn menggunakan larutan FeCl3 selama 10 detik.Cacat yang kemungkinan terjadi adalah pada mikrostruktur Cu-Zn yaitu dimana hasil dari mikrostrukturnya kurang jelas dan buram. Menurut kami, hal ini terjadi karena pada proses pencelupan sampel terlalu lama sehingga menyebabkan sampel terkorosi akibat dari larutan FeCl3 yang korosif dan reaktif terhadap logam. Selain itu, proses etsa pada Al juga mengalami kesulitan, karena gambar hasil mikrostuktur dari Al kurang menunjukkan batas butirnya.

e. Mikrostruktur 1 (Baja Karbon Rendah)

Pada Baja Karbon Rendah, hasil etsa yang diharapkan dengan menggunakan nital adalah diperolehnya fasa ferit, perlit, dan martensit.Terdapat kelemahan pada Nital dalam proses pengetsaan. Salah satu kelemahan yang ada pada Nital adalah tidak memiliki kemampuan untuk memunculkan batas butir. Akan tetapi batas butir pada mikrostruktur ini cukup terlihat baik.

Dapat dilihat dari hasil yang didapat bahwa ferit lebih banyak daripada perlit. Tidak ada fasa martensit karena terlalu rendah kadar Karbon untuk membentuk fasa tersebut.

f. Mikrostruktur 2 (Al-Mg)

Larutan HF pada proses etsa logam aluminium digunakan untuk memperlihatkan fasa dan batas butir yang terdapat pada sampel aluminium. Dan dari hasil yang didapatkan tidak terlalu jelas (buram), hal ini dikarenakan memang susah untuk mencari fasa yang lebih jelas pada sampel aluminium ini. Hal ini dikarenakan karena sifatnya yang lunak. Hampir semua mikrostruktur Al terdiri dari kristal utama padatan Al dan biasanya berbentuk dendritik ditambah dengan produk hasil reaksi dengan paduan. Pada mikrostruktur tersebut, terlihat adanya titik titik hitam dan itu diduga merupakan paduannya yaitu Mg.

g. Mikrostruktur 3 (Cu-Zn)

Larutan yang digunakan untuk mengetsa sampel Cu-Zn adalah FeCl3.

Gambar diatas merupakan hasil yang didapatkan. Mikrostruktur yang didapatkan seperti yang terlihat pada gambar diatas. Tidak terlalu jelas hanya ada beberapa titik titik hitam kecil, hal ini karena proses pengetsaan terlalu cepat. Mungkin titik hitam tersebut adalah paduan dari Cu, yaitu Zn.

Dan dapat diketahui dari diagram biner Cu-Zn, bahwa yang berwarna hitam kecil merupakan solid solution dengan Zn = 36.8-56.5%. Dan kandungan dari Zn sangat mempengaruhi sifat mekanik yang akan dihasilkan nanti.

h. MakrostrukturBaja Karbon Rendah memiliki sifat perpatahan ulet dengan kekerasan yang rendah. Untuk paduan Al-Mg, sifat getas dan keras didapat dari unsur paduan yaitu magnesium, dan sifat ulet dan lunak didapat dari alumunium. Paduan Cu-Zn memiliki sifat perpatahan ulet dan lunak.

Gambar 2 Makrostruktur perpatahan (a) ulet (b) getas Ciri-ciri perpatahan ulet Dapat terlihat dengan jelas deformasi plastis yang tejadi Karakteristik berserabut (fibrous) dan gelap (dull)Ciri-ciri perpatahan getas Tidak ada atau sedikit sekali deformasi plastis yang terjadi pada material Retak/perpatahan merambat sepanjang bidang-bidang kristalin membelah atom-atom material (transgranular) Material amorphous (seperti gelas) memiliki permukaan patahan yang bercahaya dan mulus. Pada material lunak dengan butir kasar (coarse-grain) maka dapat dilihat pola-pola yang dinamakan chevrons or fan-like pattern yang berkembang keluar dan daerah awal kegagalan.

KESIMPULAN Percobaan metalografi penting untuk mengontrol kualitas material dengan menganalisis fasa yang akan terbentuk nantinya. Preparasi sampel, seperti cutting, mounting, grinding, polishing merupakan hal yang harus diperhatikan dengan baik. Proses pengetsaan yang terlalu lama akan menyebabkan material gosong dan tidak dapat terlihat dengan baik. Pengetsaan baja karbon rendah menggunakan larutan etsa 2% nital dengan proses pengetsaan selama 10 detik. Mikrostruktur yang terbentuk adalah ferit dan perlit. Pengetsaan paduan Al-Mg menggunakan larutan etsa 5% HF dengan proses pengetsaan selama 5 detik. Mikrostruktur yang terbentuk adalah fasa Al dengan Mg sebagai paduan berupa titik titik hitam. Pengetsaan paduan Cu-Sn menggunakan larutan etsa FeCl3 dengan proses pengetsaan selama 10 detik. Mikrostruktur yang terbentuk tidak jelas, hal ini dikarenakan pengetsaan yang dilakukan terlalu cepat.

REFERENSI Modul praktikum analisa struktur material dan HST 2015 Callister. William, Material Science and Engineering Seventh Edition, John Wiley, New York ASM International. 2004.Vol 9 Metallography and Microstructures. pp 1842-1850