Prosiding Presenlasi Ilmiah Dour Bahan Bakar NuklirPEBN-BATAN, Jakarla 18-1 9 Marel 1996

EFEK PERLAKUAN PANAS DAN PENDINGINAN TERHADAPKARAKTERISTIK MEKANIK DAHAN KELONGSONG ELEMEN DAKAR

REAKTOR SERDA GUNA G.A. SIW ADESSY

Sigit, Muchlis Badruzzarnan, Elin NurainiPusat Elemen Bakar Nuklir

ABSTRAK

EFEK PERLAKUAN PANAS DAN PENDINGINAN TERHADAP KARAKTERISTIK MEKANIK BAHANKELONGSONG ELEMEN BAKAR REAKTOR SERBA GUNA G.A. SIWABESSY. Telah dipelajari pengaruhperlakuan panas pada suhu 85 -500 °C dalam waktu bervariasi 3 -12 jam dan diikuti dengan pendinginan mendadakdengan air, pasir atau udara terhadap sifat mekanik yaitu kekuatan tank, perpanjangan, modulus elastisitas dankekerasan dari bahan kelongsong clemen bakar yang digunakan pads Reaktor Serbs Guna RSG-GAS khususnyaAIMg2. Hasil percobaall mellulljllkkall bahwa lU1tllk pelldingillan dengan air. pasir da11 udara, pemanasan selama 6jam pada suhu 85 sid 300 °C terjadi penunUiall kekuatan tarik (Ultimate Tensile Strength I UTS) dari keadaan awal234,09 N/mm2 menjadi 170,5 Nhrun2, tetapi setelah 300 °C UTS ttlnUi masing-masing menjadi 144,22 N/mm2, 130,3N/mm2 dan 99,58 N/ffiln2. Kellaikan suhu dari 28 sid 200 °C menyebabkan pemanjangan dari 19,32 ke 27,88 %,setelah itu kenaikannya relatif cepat sarnpai stiliu 300 °C yaitu 49,77 %, namun setelah itu masing-masing turunmenjadi 35,95 %, 31,55 % dall 12,62 % pada suhu 500 °C. Sementara itu basil pengujian kekerasan memperlihatkanbahwa untuk AIMg2, pemallasan pads 85 -300 °C selama 3 jam mellurunkan kekerasan dari 69 sampai 43 kg/mm2,selama 6 jam menurunkall dari 58 sampai 43 kg/lrun2 dan selama 12 jam menurunkan dari 70 sarnpai 42,5 kg/mm2.Setelah 300 °c penunmannya relatif kecil. Dibandillgkan dengan kekerasan awal (72 kg/mm2) kekerasan terendahdiperoleh pads pemanasml 500 °c, waktu 3 jain, pelldillgin udara yaitu sebesar 39,2 kg/mm2. Pengaruh mediapendingin pada suhu pemanasml 85-300 °c tidak berbeda nyata baik untuk air, pasir mauptUi udara.

ABSTRA CT

INFLUENCE OF HEAT TREA7MENT AND COOliNG MEDIA ON MECHANICAL CHARACTERISTICS OF FUELELEAfENT CLADDING MA 7ERIAL OF Ml.ILTIPllRPOSE REACTOR G.A. SIW ABESSY. Effect of heat treatment at

85 -500 'C for 3 -12 hours than cooled imnledieately by water, sands or air on mechanical characteristics, i.e.,tensile strength, elongation, elastic modulu., and hardness of fuel elem(~nt cladding nlaterial of Multipurpose ReactorG.A. Siwabessy, A/Afg2, has been carried out. The experinlents showed that the heat treatment at 85 -300 'C for 6hours using water, sands or air as cooling media caused the decn~asing of Ultimate Tensile Strength (lflS) frominitial condition 2.~4.09 Nlmnl to 170.5 Nlnlm1 and after 300 'C its decreased to 144,22 Nlmnl, 130,3 Nlmnr and99,58 Nlmm1 re.'pectiv(~{v. For water, sands or air cooling media at the temperature range of 28 to 200 'C, theelongation increased from 19,32 to 27,88 %, than increased quickly to 49.77 % at 300 'C and at 500 'C decreased to35,95 %, 31,55 % dan 12,62 % n~spectively. The hardness test showed that the heat treatment at 85 to 300 'Cfor 3hours decreased the hardness of A/Afg2 fronl 69 to 43 kgimm1, for 6 hours decrea.,ed from 58 to 43 kgimm1 and for12 hours decreasedfrom 70 to 42.5 kg/mm1. After 300 oC its decreasing was small relatively. The hardness of ALMg2before treated was 72 kglmm1. The lowest hardness was obtained at heat treatment condition of 500 'C for 3 hours, inair cooling media i.e., 39.2 kglnlm1. The cooling media, }I'Oter, sands or air did not influence significantly at the

heating temperature of 85 to 300 't'.

PENDAHULUANOi dalam reaktor, paduan aluminium

sebagai bahan struktur dan pendukung clemenbakar mengalami berbagai kondisi misalnyaradiasi pada tluks tinggi, kemungkinan korosikarena berada didalam air, perubahan suhu dIl.Hal ini tentu saja dapat mempengaruhi sifat-sifataluminium seperti sifat mekanik, fisik, nuklir,panas dsbI2.3].

Penguasaan teknologi fabrikasi elemenbakar nuklir secara penuh merupakan strategiBatan di bidang Teknologi prodliksi ElemenBakar baik untuk reaktor riset tipe MTR(Materials Testing Reactor) maupun untukreaktor daya. Khllsus untuk rcaktor riset,RSG-GAS Serpong telah menggunakan paduanaluminium sebagai bahan struktur dan pendukungelemen bakar. Bahan ini dipilih karenasifat-sifatnya yang memenuhi persyaratan sepcl1itahan korosi, mempunyai tam pang sera pan netronrendah, kekuatan dan ketangguhan yangmemadai, mudah dibenltlk, kondllktivitas panasbaik dll.II.21.

Dalam penelitian ini dipelajari karakteristikmekanik pra-iradiasi daTi paduan logamaluminium sebagai bahan struktur dan pendltkungyang digun~tkan pada RSG-GAS khususnyaAIMg2. Variabel yang dipelajari adalahpengaruh suhu, waklu pcmanasan dan jenis

152

Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakor NuklirPEBN.BATAN. Jakarta J8-J 9 Maret J996

media pendingin yaitu air, pasir daD udaraterhadap siCat mekanik berupa kekuatan tarik,modulus elastis, perpanjangan, dan kekerasan.

-Kekuatan luluh (yield strength) : cry = F/Ao(ditentukan dengan metoda off set (cro,v yaitutegangan yang menyebabkan terjadinyadeformasi plastik sebesar 0,2 %)

-Tegangan patah : f = Ff/ AoTEORI

Sifat mekanik yang dipelajan padapenelitian ini adalah kekuatan tank,perpanjangan, tegangan luluh, tagangan patah,modulus elastik serta kekerasan.

Kekerasan

Pengujian kekerasan bahan dapat dilakukandengan metoda penekanan atau indentasi yaituBrinell, Vickers, Rockwell dll. Pada pengujiankekerasan dengan tara Brinell, sebagai dasardigunakan luas bekas penekanan oleh bola bajapada beban tertentu. An2ka kekerasan Brinell (II)dapat dinyatakan sbb./S.6T:

Kekuatan tank

Untuk mengetahui sifat nlekanik, makasetelah sampel mengalami proses perlakuandilakukan pengujian tarik yang merupakan dasardalam mempelajari kekuatan bahan yang banyakdipakai untuk pengtljian bahan industri(3.41.

bebml pH=

lllaS bekas penekanan (0/2) {D -..J(D2 -d2)}

Pengujian tarik dilakukan terhadap sampel(benda uji) dengan bent uk daD ukuran tcrtentumengikuti standar ASTM, JIS, DIN atau ISO.Dalam pelaksanaannya, benda uji ditarik sampaipatah dengan beban yang kontinyu sambil diukurpertambahan panjangnya. Akibat penarikantersebut menyebabkan timbulnya tegangan(stress) dan regangan (strain). Bentuk kurvategangan- regangan dari suatu bahan tcrgantungpada komposisi, perlakuan panas, suhu, sejarahawal terbentuknya deformasi plastik daDkecepatan regangan/4J.

p=- (kg/mm1

xDtdengan P = behan, D = diameter bola,diameter lekukan, t = kedalaman jejak.

d =

TATA KERJA

Bahan

Bahan yang dipakai adalah skrap AIMg2yang diperoleh dari IPEBRR yang mempakansisa-sisa pembuatan kelongsong lemen bakar.Paduan aluminium AIMg2 telah mengalamireduksi 55 % dari ketebalan awalnya. Komposisiawal dari kedua bahan tersebut adalah adalahsbb. : AIMg2 : Si = 0,130/0, Mg = 2,07 %, Cr =0,0 I %, Ti = 0,005 % 2. Sebagai bahanpembersih oli, minyak, lemak dsb. digunakantetrachloroethene extra pure (C2CI4) untuk prosesdegrea.\"ing.

Besaran tegangan, (J , daD regangan, & , dapat

ditulis:

(J = F/A

dengan A adalah lllas penampang. Satllantegangan yaitu N/mm2, MPa atau kgf/mm2.

& = (I -10)/10

Alatdcngan 10 = palljang awal, 1 = panjang pada s.1at

patah. Regangan dapat dinyatakan dengan %.Terjadinya deformasi di daerah elastikmemperlihatkan sifat bcrbanding turns dengantegangan. Hubungan lurns ini disebut modulus

elastik, E, (Modulus Young).

1. Pemotong logam2. Bor listrik3. Alat ukur dimensi4.Mesin Instron 1185 kapasitas 10 ton danpencatat5. Alat uji kekeras.1n

E=cr/e

Cara kerjaDari kurva tegangan-regangan dapat

dihitung :-Kekuatan tarik (Ultimate tensile .'itrength):

o"u = Frnak.lAo. (Ao = luas penampang

mula-mula)

I. Bahan AIMg2 dipotong kecil-kecil laindibersihkan dari kotoran daD dikenai prosesdegreasing dengan menggunakan C2C14.

2. Bahan tersebot dibentuk menjadi benda ujitarik menurut standar JIS 7 menggunakan

153

Prosiding Presentosi /lmioh Dour Bahan Bakor NuklirPEBN-BATAN. Jakarta 18-19 Maret 1996

pisau potong logam, bor dan alat ukurdimensi.

3. Benda uji tarik dikenai proses perlakuanpanas pada suhu 85, 200, 300 dan 500 °Cdengan waktu 3, 6 dan 12 jam.

4. Setelah mengalami perlakuan panas, benda ujididinginkan mendadak dengan air, pasir atauudara.

5. Selanjutnya dilakukan pengukuran kekuatantarik atas benda uji pasca perlakuan panas danpendinginan menggunakan mesin Instron.Juga dilakukan pengukuran kekeras...n denganmetoda Brinell.

100 200 400 500 800300

Suhu, oCBASIL DAN BARASANG8Inbar Penganlh Sultll terhadap kekuatan tank

AIMg2 dengan parameter jenispendingin. Waktll pemanasan 6 jam.

Pengaruh suhu

Untuk mengetahui sifat mekanik yaitukekuatan tarik, pcrpanjangan, modulus elastik,tegangan patah daD kekerasan, sampcl AlMg2yang telah mengalami pcrlakuan panas daD pend-inginan dikenai uji tarik dan kekerasan. Berbagaimacam media pcndingin yaitu air, pasir daDudara digunakan guna mendinginkan sampclbegitu selesai mengalami perlakuan panas.Pengaruh suhu dengan parameter jenis mediapendingin dapat dilihat pada gambar 1-3. Sampaidengan suhu 300 °C pcrbedaan jenis pendinginbaik air, pc1sir maupun udara tidak memberikandampak terhadap variasi sifat mekanik yaitukekuatan tarik, perpanjangan serta kekerasan.Tetapi di atas 300 °C perbcdaan pendinginansecara kualitatif sudah memberikan pengaruhterhadap kekuatan mekanik. Hal ini mungkinterkait dengan perubahan struktur mikro yangdipengaruhi oleh laju pendinginan.

Gambar 2. Pengaruh suhu terhadap perpanjanganAIMg2 dengan parameter jenispendingin. Waktu petnanasan 6 jam.

Di sini tampak pula bahwa kenaikan suhumenurunkan kekuatan tarik dari keadaan awal234,09 N/mm2 meltjadi 144,22 N/mm2, 130,3N/mm2 daD 99,58 N/mm2 masing-masing untukpendinginan dengan air, pasir dan udara (gambarI). Hal ini diduga karena adanya perubahanmekanisme defornlasi pada suhu yang lebih

tinggi[5).

Kenaikan suhu menyebabkan pertambahanperpanjangan (gambar 2) sebaliknya menurunkankekerasan (gambar 3). Hal ini dapat dimaklumikarena makin tinggi suhu maka keuletan(ductility) bahan bertambah sedangkankekerasannya berku-

Gambar 3. Pengaruh suhu terhadap kekerasaJl AIMg2dengan parameter jenis pendingin.Waktu pemanasan 6 jam.

rang. Keadaan ini berlangsung hingga suhu 300°C. Pada interval suhu 300-500 °c terjadi halyang sebaliknya yaitu perpanjangan menurun(keuletan berkurang) daD kckerasan bertambah.

,Ii

Prosiding Presentasi Ilmiah Dour Bahan Bakar NuklirPEBN-BATAN. Jakarta 18-19 Maret 1996

Selanjutnya pengaruh suhu terhadaptegangan patah (O"f) daD tegangan luluh (yieldstrengthl 0"0,2) dapat dilihat pada gambar 4.Dengan naiknya suhu maka tegangan patall daDtegangan luIuh menurun sampai 300 °C. Namunseperti halnya grafik pengaruh suhu terhadapkekuatan tank, perpanjangan dan kekerasan,maka setelah 300 0 k\lrva O"f dan 0"0.2 relatif

tetap.

terhadapAIMg2

Pengaruh waktu pemanasankekuatan tank dan perpanjangandisajikan pada gambar 5 daD 6.

Tidak seperti variabel suhu, pengaruh waktuhampir tidak ada baik terhadap kekuatan tarikmaupun perpanjangan, terutama yang ditentukanpada suhu 85 °C, 200 °C dan 300 °C karenadiduga belum cukup energi yang dapatmenyebabkan perubahan. Namun untuk suhu 500°C, terjadi kelainan yaitu terjadinya penurunankekuatan tarik daD perpanjangan dari waktupemanasan 3 sid 6 jam, tetapi setelah 6 jamkekuatan tank dan perpanjangan bertambah. Halini mungkin disebabkan pada suhu tinggi (500°C) telah terjadi perubahan-perubahan selamaproses pemanasan berlangsung seperti misalnyaperubahan rasa, struktur mikro, komposisi dsb.yang memerlukan pengamatan lebih Ian jut.Kejadian serupa tampak pula pada kekerasan,waktu juga tidak begitu nampak pengaruhnyakecuali pada suhu 500 °C (gambar 7) di manakekerasan bertambah pada saat pemanasan 3-6jam yang kemudian menurun sedikit pada waktupemanas.'\n selama 12 jam.

Sementara itu basil perhitunganmenunjukkan bahwa semakin tinggi suhu makamodulus elastik (modulus Young) menurun (tabel1). Secara teoritis harga tersebut adalah tetapwalaupun bahan AIMg2 mengalami perlakuanpanas.

Modulus elastik sebenarnya merupakan sifatmekanik bahan yang sulit mengalami perubahankarena ditentukan oleh gaya ikat antar atom yangtidak dapat diubah tanpa adanya perubahaDmendasar dari sifat bahannya. Adapunfaktor-faktor yang dapat mengubah sifat inisehingga terjadi perbedaan modulus elastikadalah adanya penambahan logam paduan,perlakuan panas atau pengerjaan dingiw5J.

...0 bl.. .e

Gambar 5. Penganlh WakUI terhadap kekuatan tarikAIMg2 pada berbagai suhu. Jenispendingin udara.

Gambar 4. Pengarub subu pada O"f dan 0"0.2.waktu pemanasan 6 jam. media pendingin udara.

Pengaroh waktu

155

Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar NuklirPEBN-BATAN. Jakarta 18-19 Maret 1996

°C terjadi penurunan kekuatan tarik daDperpanjangan untuk waktu pemanasan 3-6jam, kemudian mengalami kenaikan padakurun waktu 6-12jam.

3. Untuk waktu pemanasan 6 jam, jenispendingin udara, kenaikan suhu dari 28-300°C menyebabkan kekuatan tarik menurun dari234,09 N/mm2 menjadi 170,5 N/mm2,perpanjangan naik dari 19,32 % menjadi49,77 0/0, kekerasan turun dari 72 kg/mm243 kg/mm2, sedangkan pada 500 °C hargakekuatan tarik, perpanjangan dan kekerasanmasing-masing adalah 99,58 N/mm2, 12,62 %daD 39,2 kg/mm2.

Gmubar 6. Peng8l11h waktu terhadap perpanjmlganAlMg2 pads berbagai suhll. Jenispelldingin IIdara.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepadaSaudara Ir. Petrus Zacharias, Isfandi, SlametPribadi dan Hadijaya BSc. yang telah membantupenelitian hingga penulisan laporan.

DAFTARPUSTAKA

SIMPULAN

I. MONDOLFO, L,F., "Aluminum AlloyStructure and Properties", Butterworth,London, 1976.

2. HOLLINGSWORl1I, E.H., "CorrosionResistance of Aluminum and AluminumAlloys", Aluminum Company of America.

3. TAT A SURDIA, SAITO, S., "PengetahuanBahan Teknik", ed.I, Pradnya Paramita,Jakarta (1985).

4. IRMA, R.D., JOHNNY, S., WIWIEK, I.,DWIJO, M., DARLIS, MUDI, H., "AnalisisIntegritas Bahan Strnktur Reaktor SernaGuna", PPTKR BAT AN, Serpong.

5. SRI A TI DJAPRlE, DIETER. G.E., "MetalurgiMekanik", ed. 3, jilid I, Penerbit Erlangga.Jakarta, 1988. 6. MARDJONO, S.,"Pengujian Mekanik: Metoda. Interpretasidan Penggunaannya", ITB, Bandung

7. RAGHAYAN, Y., "Meterials Science andEngineering", 2nd ed., Prentice-Hall of IndiaPrivate Ltd., pp. 204 -205, New Delhi (1981).

TANYAJAWAB

I. Dari percobaan yang dilakukan, mediapendingin baik air ,pasir maupun udarn tidakmemberikan perbedaan yang berarti terhadapsifat mekanik seperti kekuatan tarik,perpanjangan, tegangan patah daD luluhmaupun kekerasan dari bahan struktur danpendukung reaktor riset AIMg2 terutama padasuhu pemanas.'ln ant.'lra 85-JOO°C. Antarasuhu 300-500 °C hanya terdapat sedikitperbedaan, namun tidak terlalu besar.

2. Demikian juga halnya dengan waktu, makauntuk lama pemanas.'ln dari 3-12 jam tidakmemberikan perbedaan harga kekuatan tarikdaD perpanjangan yang menyolok baikperlakuan panas dilakukan pada suhu 85°C,200 °C maupun 300°C. Hanya pada suhu 500

FRANSISCA A.E.T..Kekuatan tank terhadap suhu/temperatur

>300 °C berbeda untuk pendingin air, pasir,daD udara, sedangkan di bawah 300 °C tidakada perbedaan yang berarti. Apa yangmenyebabkannya ?

.Dari percobaan yang anda lakukan tampaktem-peratur 300 DC dan 500 °C menjadi

156

Pro.riding Pre.renta.ri /lmiah Dour Bahal! Bakar NllklirPEBN-BATAN, Jakarta /8-/9 Maret /996

patokan adanya perubahan yang berartiterhadap karak-teristik mekanik bahan. Kira-kira apa penyebabnya atau mekanisme apayang terjadi pada temperatur tersebut ?

SIGIT.Pada suhu < 300 °C diduga belurn cukup

energi untuk rnengadakan suatu perubahankarakteristik, di Sc1rnping itu perlu di lihatstruktur rnikronya.

.Benar, penjelasannya sarna dengan no.l.Khusus untuk kekerasan, hal ini rnungkindisebabkan oleh terbentuknya presipit.at yang

rnenyebabkan pengerasan.

NIT A. S..Apakah alasan anda

air. udara, dan pasir.Pendingin apakah

digunakan ?

SIGIT.Untuk mendapatkan laju pendinginan yang

berbeda-beda..Untuk suhu 85-300 DC relatif Sc1ma. Untuk

suhu di atas 300 DC tergantung sifat yangdikehendaki dan hams di cari mana yang

optimum.

SRI MUDJAJA TI.Apa dasar pemilihan variabel suhu 85-500

°C dan apa alasan pemilihan pasir sebagaimedia pendingin dan bagaimana tarapendinginan terscbul mengingatkeseragaman tara perlakuan ?

SIGIT.Pemilihan variabel suhu dida&1rkan pada

suhu operasi di reaktor ( kurang Iebih 70 °C) selanjutnya untuk mengetahui karakteristikpaduan Al suhu dinaikkan ~lmpai mendekatititik Ieburnya. Pendingin pasir digunakansebagai perbandingan dengan pendingin lain( air daD udara ). Caranya sampel dipanaskanIalu segera dimasukkanke dcllam pasir.

157

menggtmakan pendingin?yang

paling baik untuk