Fraktografl dun Metalografl Sampel Hasil Uji Tarik Incoloy 800H Non Iradiasi dun Pasca Iradiasi (Budi B. 18 -22)

FRAKTOGRAFI DAN MET ALOGRAFI SAMPEL HASIL UJI T ARIKINCOLOY 800H NON IRADIASI DAN P ASCA IRADIASI

Budi Briyatmokot, Nusin Samosirl daD SuryantoZ'P2TBDU- BATAN. Kawasan Puspiptek, ,~erpnng. Tangerang 1531./, Banten

2p2PN- BATAN, Kawa.\'an Pu.\'piptek, ,~erpong, Tan""eral)KI531./. B£mten

ABSTRAK

FRAKTOGRAFI DAN MET ALOGRAFI SAMPEL HASIL UJI T ARIK INCOLOY 800H NON IRADIASI DANPASCA IRADIASI. Telah dilakukan fraktografi dan metalografi sampel hasil uji tarik Incoloy 800H non iradiasi dan pasca

iradiasi, Sampel tersebut telah diiradiasi dalam realtor pada temperatur 375 °C denganjluence netron termall, I x 1021 n/ cm2 dan

netron cepat (E>O, I MeV) 1,0 x 1021 n/ cm2, Sampel non iradiasi dikcnai pcrlakuan panas pada suhu 375 °C sclama 126 hari dalam

media helium, Uji tarik telah dilakukan pads suhu 600 °C dan 850 °C dengan waktu penahanan masing-mlL~ing I jam pad a kondisi

atmosfir, Patahan sampel uji tarik tersebut diamati dengan menggunakan mikroskop optik. Fraktografi dilakukan untuk melihat

bentuk patahan secara makroskopik, Metalograti dilakukan didaerah patahan sarnpai dengan 15 mm dari ujung patahan. Karaktcristik

patahan sampel non iradiasi pada suhu 600 °C dun 850 °(.: uduluh du(.'tile ji'(J(.'fur,', Sumpc! puscu iradiusi pudu suhu bOO "c..'

mempunyai karaktcristik du(.'tile!racture, scdangkan pada suhu 850 °(' karaktcristik palahannya adalah ill/('r,l,'rallular/i"acturc,

Jadi dapat diduga bahwa telah te~jadi irradiation emhrilllement pada Incoloy 800H pada suhu 850 °('.

ABSTRACT

FRACTOGRAPHY AND META LLOGRAPHY OF TENSILE TESTED SA MPLES OF NON IRRADIA TED ANDPOST IRRADIATED INCOLOY 800H. Fractography and metallography of tensile tested samples of non irradiated and postirradiated Incoloy 800H had been conducted. The samples had been irradiated in reactor at 375 °<'; with thermal neutron 11u~nc~of 1,1 x 1021 n/ cm2 and fast neutron (E>O, I MeV) of 1,0 x 1021 n/ cm2. Non irradiated samples were heat treated attemperaturcof 375 °C for 126 days in the medium of helium. Tensile tests had been conducted at temperatures of 600 °C and 850 °C \\'ithholding time each for I hour in the atmosphere condition. The tensile tested samples were examined by using optical microscopc.Fractography has been conducted on the samples to examine fracture mode macroscopicly. Metallography observations \\crcdone in the fracture area up to 15 mm from point of the fracture. The characteristic of non irradiated samples at temperatllrC5 of600 °C and 850 °C is ductile fracture. Post irradiated samples at 600 °C have characteristic of ductile fracture. while attemperature of850 °C the fracture characteristic is intergranular fracture, So, it can be predicted that irradiation cmbrittlcmcntwas occur in Incoloy 80011 at temperature of 850 °C .

1. PENDAHULUAN

Paduan Incoloy 800H merupakan paduan superalloy yang berbasis campuran nikel-besi, Paduan inimempunyai struktur FCC dan mengandung presipitat y'dengan struktur NiJAI yang bersifat mengeraskan bahan,Presipitat tersebut dapat dilihat dengan mikroskopoptik[l]. Paduan ini memiliki sifat ketahanan korosi tinggidan tahan suhu tinggi. Karena sifat keunggulan yangdimiliki tersebut maka paduan ini dipakai sebagai mate-rial struktur pacta reaktor suhu tinggi, misalnya sebagaikomponen intermediate heat exchanger, [1,2] Materialtersebut hams mampu menahan kegetasan yang terjadipacta suhu tinggi akibat oleh adanya helium menurutreaksi s8Ni (n,y) s9Ni (n,a) s6Fe.[3] Terjadinya kegetasan

pada bahan sangat tidak diharapkan. Pad a penclitian ini

dipelajari kemungkinan terjadinya kegetasan(embrittlement) pad a Incoloy 800H dengan mengamati

patahan hasil uji tarik menggunakan mikroskop optik.

2. TATAKERJA

Bahan yang dipelajari adalah patahan sam pellncoloy 800H hasil uji tarik pad a suhu 600 dan 850 DCdalam kondisi atmosfir, Komposisi materiallncoloy 800Htertulis dalam Tabel I. Sebagian sam pel uji tarik telahmengalami iradiasi pacta suhu 375 DC dengan fluef7(""netron termal 1,1 x 1021 n cm-2 dan netron cepat

Tabel Komposisi kimia Incoloy 800H (dalam %)

J. Mikro.~kopi dun Mikrounu/isis Vo/.3 No.ll00018

J. Mikroskopi dun Mikroanalisis Vol.3 No.2 2000 ISSN /4/0-5594

(u)

(II)

Gambar 1. Strukturmikro bahan non iradiasi (a) dan pa~cairadiu£i (b); pcrbl:~urul1 100 x

Namun demikian, karena pada bahan yang tclahdiiradiasi umumnya terbentuk cacat titik akibat tumbukan

neutron dengan atom-atom bahan, makn kckuatan hahan

yang telah diiradiasi akan tetap lebih tinggi. Hal ini karcna

dengan adanya cacat titik maka pergerakan dislokasi Yallg

terjadi pada saat bahan mengalami peregangan akan

terhambat. Tertahannya laju dislokasi terse but

menyebabkan tegangan menjadi naik atau bahan mcnjadikuat, namun keuletannya menjadi berkurang. Pad a kcdua

gambar terse but nampak adanya bintik-bintik kccil yang

terdistribusi merata baik di dalam butir maupul1 di batas

butir. Bintik-bintik terse but kemungkinan adalah

presipitat yang terbentuk dari unsur paduano Struktur

presipitat tersebut dapat berupa Ni,AI. MC. M,.C. danM2)C", dimana M adalah unsur logam dan C adalah

karbon[ I]. Namun demikian, karcna pada paduan ini

kandungan C sangat kecil maka kemul1~kinan

presipitatnya ban yak yang mempunyai struktur Ni,AI.

(E>O, I MeV) 1,0 x 1021 n cm-2. Sampel non iradiasi telah

mengalami perlakuan panas pada suhu 375 °C denganwaktu sarna dengan waktu iradiasi yaitu 126 hari dalam

media helium.

Bentuk sampel uji tarik adalah silinder dengan

ukuran panjang gauge 28 mm dan diameter gauge

4,5 mm. Patahan sampel hasil uji tarik diamati dengan

menggunakan mikroskop optik untuk melihat strukturmikro sampel sebelum dan sesudah iradiasi pada suhu

tinggi. Pengamatan fraktografi dan metalografi dilakukan

dengan menggunakan periskop dan mikroskop optik,keduanya dilengkapi dengan alat fotografi. Fraktografidilakukan untuk melihat bentuk patahan sampel secara

makroskopik. Sedangkan metalografi dilakukan di daerahpatahan sampel non iradiasi dan pasca iradiasi pada posisikurang lebih 15 mm dari ujung patahan (di daerah

necking). Pada daerah tersebut sampel dipotong dengan

menggunakan abrasive diamond cutter, kemudianpotongan dibelah menjadi dua. Hasil belahan tersebut di

mounting dan digerinda. Penggerindaan dilakukan

dengan piringan intan dengan grit 320 selama 6 menitmemakai pendingin kerosin. Selanjutnya. penggerindaan

dilakukan dengan menggunakan abrasifsilikon karbit grit

400 selama 50 detik dengan pendingin terpentin.

Berikutnya sampel dipoles dengan pasta intan grit 3dan I mm masing-masing selama 3 dan 2 men it. Sampel

kemudian dietsa dengan reagen kimia V2A-Beize selama

5.10 detik.

Pemeriksaan metalografi dilakukan dengan

mikroskop optik. Analisis kekerasan sampel uji tarik noniradiasi dan pasca iradiasi dilakukan dengan

menggunakan uji kekerasan mikro Vi(,'kers Hardness Hv

0,1 yaitu dengan menggunakan beban 100 gram danwaktu indentasi 15 menit. Titik pengujian pada sampel

dimulai dari ujung patahan sampel sampai dengan 15 mm

dari ujung patahan.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Pad a Gambar I a clan 1 b ditunjukkan perbedaan

strukturmikro hasil pengamatan dengan mikroskop optik

masing-masing untuk bahan non iradiasi clan bahan

pasca iradiasi. Dari gambar tersebut nampak bahwa

ukuran butir dipengaruhi oleh iradiasi. Pada bahan pasca

iradiasi ukuran butimya lebih besar dari pada ukuranbutir bahan non iradiasi. Kedua bahan terse but

dipanaskan pada suhu 375 °C clan waktu 126 hari, bahan

non iradiasi dipanasi di dalam tungku clan bahan yang

lain diiradiasi di dalam reaktor. Adanya pertumbuhan butir

pada bahan pasca iradiasi dimungkinkan karena adanya

gradien suhu di dalam reaktor sehingga dapat timbul

adanya regangan (strain) di dalam bahan. Bila bahan

mengalami strain maka dimungkinkan dapat terjadi

pertumbuhan butir. Ukuran butir sangat mempengaruhisifat mekanik bahan. Makin besar ukuran butir makin

rendah kekuatan mekanik dan mudah patah[4].

(a)

(b)

Gambar 2 Strukturmakro patahan sampcl uji tarik non

iradiasi (a) dan pa.~'a iradiasi (h): pcrhcsaran 2 x

19

Fraktografi don Meta/ografi Sampe/ Has;/ Uj; Tar;k Inc%y 800H Non Irad;as; don Pasco Irad;as; (Budi B. 18 -22)

Pada sampel pasca iradiasi presipitat masih tetap nampak.Artinya, presipitat tidak larut oleh akibat adanya iradiasidan masih stabil sampai dengan suhu iradiasi 375 DC.

Pada Gambar 2a dan 2b ditunjukkan bentuk makropatahan sampel uji tarik pada suhu 600 DC masing-masingberturut-turut adalah sam pel non iradiasi dan pascairadiasi. Pad a kedua gambar tersebut nampak bahwakedua sampel sebelum patah pada ujungnya mengalamipengecilan diameter (necking). Besamya necknig untukkedua sampel nampak hampir sarna. Dengan demikiandapat dimengerti bahwa keuletan kedua sampel adalahrelatif sarna. Terjadinya necking pada ujung patahansampel uji tarikjuga dapat dianalisis dari data hasil ujikekerasan patahan sampel di daerah necking seperti yangditunjukkan dalam Tabel2.

(a)

...

Tabel 2. Kekerasan patahan sarnpel uji tarik Incoloy800H non iradiasi dan pasca iradiasi pada tcmpcraturuji 600 dan 850. C.

Jarak Kekerasan patahan '

dari ujung sam~~ji tarik, HV 0,1

patahan(~ m)

(b)

Posisi Pa.o;ca iradiasi

I

Non iradlaSI -1600°('

I R50°C !242 '

262

-6~'

~425 I

383 I

394425382390359329292304

-:ij5()OC 224

195

189

215

178

219

225

201

199201

I~atahan I 300

600

1000

1500

2000

3000

5000

7000I 10000

15000

341

308~~14 319 I

I 327

260

ill114

, .'" ' ,

{iambar 3 Strukturmikm ujung patahan ~ampcl uji tarik

non iradia~i (a) dan ~ampcl pa~ca iradia~i (bl pada ~lIhll

600 °('; pcrbc~aran 100 x

329ill

304m221211202205183190

I 5

8tile fracture). Karakteristik terjadinya patah ulet dapat

ditunjukkan dengan adanya pergeseran balas butir.

dimana bentuk butimya memanjang searah legangan,

Lebih dari itu, juga ditunjukkan dengan adanya lubang-lubang yang memanjang searah tegangan yang dilerimaoleh bahan tersebut. Lubang-lubang tersebul berada di

dekat ujung patahan. Lubang (void) dapat timbul karcna

adanya pengaruh suhu tinggi, tegangan linggi. dan

komposisi matrik yang heterogen,[5) Lubang tersebut

juga dapat timbul pada inklusi dan dapat bergabungmenjadi satu karena terjadinya internal net'kin"". [5]

Sedangkan lubang (\'oid) pada sampel pasta iradiasi(Gambar 3b), selain dari adanya inklusi atau presipilat

juga dapat berasal dari penggabungan vakansi yang

timbul akibat iradiasi. ~'oid at au ca\'ii)' umumnya lebih

mudah terbentuk pada batas butir dim ana lerjadi

konsentrasi tegangan. Salah satu cacat di dalam batas

butir yang dapat menyebabkan timbulnya void adalah

partikcl presipitat,[5) Partikel ini sangat efeklif sebagai

pusat konsentrasi tegangan, ~'oid dapat tumbuh mcnjadi

besar dengan menyerap vakansi-vakansi schingga dapalsaling bergabung menjadi satu dan menjadi lebih bcsaryang akhimya dapat menyebabkan tcr:iadinya patah. Pad a

suhu 600 °C, sampel non iradiasi dan pasta iradiasi masih

menunjukkan sifat keuletannya, Kcdua sampcllersebutpatah setelah mcncrima tegilngan yang cukup tinggi, dan

sebelum patah menunjukkan adanya necking sehingga

nilai elongasinya tinggi,

~

O4- 297

311

9~'-n-

Adanya necking rnenunjukkan bahwa di daerah

terse but terjadi penurnpukan dislokasi yang bergerakrnenuju ujung patahan akibat adanya uji tarik. Dengan

menurnpuknya dislokasi pada ujung sam pel rnaka pada

daerah itu kekerasannya menjadi tinggi. Pada suhu

600 °C untuk sarnpel non iradiasi, pengerasan karena

necking terjadi mulai dari ujung patahan sampai dengan3000 j.lm dari ujung patahan. Sedangkan untuk kondisi

yang sarna pada sarnpel pasca iradiasi, pengerasan karena

necking terjadi rnulai dari ujung patahan sarnpai dengan

2000 j.lrn dari ujung patahan. Artinya necking yang terjadipada sampel pasca iradiasi relatif sedikit lebih pendek.

Jadi panjang necking untuk kedua sarnpel tersebut dapat

dianalisis dari hasil uji kekerasan. Dengan demikian dapatdikatakan bahwa Incoloy 800H yang telah diiradiasi clan

diuji tarik pada suhu 600 °C rnasih rnenunjukkan keuletan

yang hampir sarna dengan bahan yang tidak diiradiasi.

Artinya, bahan tersebut rnasih tahan iradiasi sampai

dengan suhu 600 °C.Pada Gambar 3a clan 3b ditunjukkan struklum,ikro

ujung patahan sarnpel uji tarik pada suhu 600 °C masing-masing berturut-turut adalah sampcl non iradiasi dan

sarnpel pasca iradiasi. Dari gambar terse but narnpak

bahwa pada sarnpel non iradiasi terjadi patah ulet (duc-

J. M;kro.fkop; dun M;kroana/is;s Vo/.j No.2 200020

J. Mikroskopi dan Mikroanalisis Vol.) No.2 2000/SSN /4/0-.i'.i'94

dekat ujung patahan menunjukkan retakan yang

berbentuk w (wedReJ. dan sedikit yang berbentuk lobang

(cavity) atau void. Dimungkinkan bentuk patahannya

dapat mengikuti bat as butir bila di dalam batas butirtersebut terdapat banyak rctakan yang berbentuk wedge.

Biasanya retak kecil yang berbentuk II'ed",,(' terbentuksecara spontan pad a titik temu tiga batas butir (Rrain

houndaryi triple pni"t.~) yang mcngalami tegangan.rS]Sedangkan pada sampcl pasc;a ir"dia~i I1\cnunjukknntclah terjadi patah getns (hrittl(',ji'/I,.tur('I. Iial ini nan1J'1nk

dari tidak adanya lobang atau retak kecil disekitar ujung

patahan, dan bentuk butirannyn tidak n1emanjang dan

secara mnkroskopik tidak terjndi ",'cki"",. Pada sam pel

pasca iradiasi juga mcnunjukkan adanya bcntuk patahan

imergranular yaitu putah yang mcngikuti batas butir(grain boundary fracture). Tidak adanya in/ernal,'rackatau kavitasi di dekat permukaan patahan dan tidak

adanya deformasi butir pad a sampel pasco iradiasi dapatdiscbabkan karena terjadinya proses pcngcrasan akibat

radiasi (radia/ion har,Ienin",) pada butir. Adanya

radiation hardeninR tersebut menyebabkan terjadinya

patah get as ~cpanjal1g bat as butir. Scdangkan patal1 uici

yang terjadi pada sampel non iradiasi dapat disebabkankarena retak-retak kecil atau kavitasi yang ada 111cngalan1i

pertumbuhan sangat lambat akibat dari proses difusipergeseran batas butir.

(a)

(b)

Gambar 4. Strukturmikro patahan semper uji tarik noniradiasi (a) dan pasca iradiasi (b); pcrbcsaran 7 :<

(3)

(b)

Pada Gambar 4a dan 4b ditunjukkan gambar

struktum1akro patahan sam pel hasil uji tarik pada suhu850 °C masing-masing berturut-turut adalah sampel non

iradiasi dan sampel pasca iradiasi. Patahan sampel non

iradiasi (Gambar 4a) menunjukkan telah terjadi necking

yang cukup tinggi dan nampak jelas berbeda bila

dibandingkan dengan patahan sampel pasca iradiasi(Gambar 4b). Artinya, sampel non iradiasi masih

menunjukkan keuletannya, sedangkan sampel pascairadiasi sudah menunjukkan kegetasannya karena pada

sam pel pasca iradiasi sebelum patah tidak terjadi

necking. Jadi secara makroskopik sudah dapat dimengerti

bahwa sampeJ pasca iradiasi sudah menunjukkan

terjadinya patah getas. Seperti diuraikan di atas,

tcrjadinya IIt:cking pada ujung patahan sampcl uji tarikjuga dapat dianalisis dari data hasil uji kekerasan seperti

yang tertulis daJam TabeJ 2. Pada suhu 850 °C untuk

sampel non iradiasi, pengerasan karena necking ter:iadi

mulai dari ujung patahan sampai dengan 7000 f.1m dari

ujung patahan. Sedangkan untuk kondisi yang sarna pada

sampel pasca iradiasi. pengerasan karena necking hanya

terjadi pada ujung patahan. Dengan demikian dapat

dikatakan bahwa untuk sampeJ pasca iradiasi sebeJum

patah tidak terjadi necking. Jadijelas bahwa Incoloy 800H

yang telah diiradiasi clan diuji tarik pad a suhu 850 °C

menunjukkan adanya patahan yang bersifat getas.

Artinya bahan tersebut tidak tahan iradiasi pada

suhu 850 °C.Pada Gambar 5a clan 5b ditunjukkan struktum1ikro

ujung patahan sampeJ uji tarik pad a suhu 850 °C masing-

masing berturut-turut adalah sampel non iradiasi clansampel pasca iradiasi. Dari gambar tersebut nampak

bahwa pada sampel non iradiasi telah tcrjadi patah ulct

(ductile fracture). Karakteristik terjadinya patah ulet

dapat ditunjukkan dengan adanya bentuk butir yangmemanjang clan adanya lobang-iobang di d,kat ujung

patahan yang memanjang searah tegangan yaAg diterima

oJeh bahan tersebut. Pada sampeJ non iradiasi didaerah

Gambar 5. Slruklurmikro ujung palahan samp.:1 uji tarik

non iradiasi (a) dan pas.:a iradia.'ii (h); p.:rh.:saral1 100 x

Tcrjadinya kegetasan bahan pasta iradiasi padasuhu tinggi juga dapat disebabkan olch adanya helium

yang dihasilkan dari proses transmutasi komponcn

Fraktografi don Metalografi Sampel Hasil Uji Tarik Incoloy 800H Non lradiasi don Pasco lradiasi (Budi B. 18 -22)

paduano Adanya He tidak dapat diamati dengan

mikroskop optik, tetapi pengamatannya harusmenggunakan SEM atau TEM dimana pada penelitianini tidak dilakukan.

5. DAFT AR rUST AKA

4. KESIMPULAN

2.

[I]. JASTRZEBSKI, Z.D., 'The Nature And PropertiesofEngineeringMaterials',3fd edition, 331-332,1987,New York, John Wiley & Sons.

[2]. ANONIM, Metals Handbook, IO'hedition., VoI.I, p.950, ASM International. 1990.

[3]. OLANDER, D.R., 'Fundamental Aspects of NuclearReactor Fuel Elements', 1976,418-462, Berkeley,Dept. of Nuclcar Enginl)cring Univcrsity ofCalifornia.

[4]. FURUTA, D. and KAWASAKI, S., ,!uurnlll c?f!\'uclearMutc.'riuls. 1973,47,102-104.

[5]. 11ARRIES, .!ullrnlll rift/'I.' British ."'III.'/!.'ur En"r,~\',<;'()cic.'(v, 1966,5,74.87.

4.

Pada bahan pasta iradiasi ukuran butirnya secara

visuallebih besar dari pad a ukuran butir bahan non

iradiasi, diduga karena regangan (strain) yangtimbul akibat adanya gradien suhu sehingga

menurunkan kekuatan bahan.

Sampel non iradiasi dan pasta iradiasi pada suhu

600°C mengalami patah ulet (ductile fracture)

sehingga timbul neckiI1,1,'.Pad a suhu 850°C karakteristik patahan sampelnon

iradiasi masih sarna dengan yang terjadi pada suhu

600 °C, sedangkan pada suhu 850°C untuk sampel

pasca iradiasi karakteristik patahannya menunjukkanbentuk patahan intergranular.

Incoloy 8OOH masih tahan iradiasi sampai dengansuhu 600°C, namun pada suhu 850°C sudahmengalami kegetasan akibat iradiasi.

22 J. Mikroskopi dun .Wikrounu/i.\"is Vo/..~ No.2 2000