JENIS PADUAN BAJA

DAN

APLIKASINYA

Hubungan diantara komposisi, proses

pengerjaan , mikrostruktur dan sifat

Proses pengerjaan mempengaruhi:Pengontrolan dan pembentukan mikrostruktur

(hot rolling, quenching)

Untuk menseleksi material diperlukan pengetahuan:

- Komposisi kimia

-Sifat mekanis

-Sifat fisik

Pemilihan Bahan:

- Faktor lingkungan (korosifitas, temperatur tinggi)

- Fabrikasi (Pengelasan, pembautan)

Beam Steel untuk jembatan rel kereta

-Kekuatan untuk menahan beban

-Ketahanan menahan pertumbuhan dan propagasi crack

-Dapat dilas (digabung) tanpa kehilangan kekuatan dan ketangguhan

-Tahan korosi (pengecatan atau Cu/Cr alloying)

Seleksi Material

Beam Steel

High strength low alloy (HSLA) steel

HSLA Steel:

-Ferrite-Pearlite Microstructure

-Micro alloying for strengthening (Vanadium / niobium)

Micro alloying:

Proses penambahan sejumlah kecil dari elemen pembentuk carbonitride, seperti Ti, V dan Nb, untuk memperkuat baja dengan mekanisme grain refinement dan precipitation hardening

Mikrostruktur dari baja HSLA , 2 % nital, 4% picral, 200 x

Rail Steel

-Kekuatan tinggi

-Tahan gesekan

Seleksi Material

Rail Steel

Fully pearlitic rail steel

Rail steel microstructure:

Fully pearlitic microstructure dengan jarak antara lamel-lamel pearlite yang halus

Pearlite

Unik, merupakan lamel-lamel komposit yang terdiri dari 88% ferrite (lunak dan ulet) dan 12 % cementite (keras dan getas). Pelat-pelat cementite yang keras didalam ferrite yang lunak menyebabkan ketahanan aus yang tinggi

Memiliki kekuatan tinggi dan sangat kuat untuk menahan beban berat (beban tekan) dari lokomotif dan gerbong

tetapi, ketangguhan rendah dan tidak dapat menahan impak

Mikrostruktur dari fully pearlitic rail steel, yang memperlihatkan jarak diantara lamel-lamel perlite yang halus, 2 % nital, 4% picral, 500 x

Dudukan mesin bubut

-Kekuatan tinggi dan rigid

-Memiliki kapasitas peredaman dari vibrasi

-Dapat mudah dicor dan murah

Seleksi Material

Dudukan Mesin Bubut

Flake Graphite Cast Iron (Besi Tuang Kelabu)

Flake graphite cast iron:

Mikro struktur dengan graphite flake di dalam ferrite-pearlite matrix

Grafit adalah unsur bukan logam di dalam besi tuang, yang menyebakan perambatan getaran dikurangi dan diserap

Mikrostruktur dari besi tuang kelabu yang memiliki matrik ferrite-pearlite 4% picral, 320x

Jaw Crusher

-Tahan aus tinggi

-Kekerasan tinggi

-Produk cor untuk meminimalkan permesinan

Seleksi Material

Jaw Crusher

White cast iron (Besi tuang putih)

White cast iron:

Memiliki mikrostruktur martensite (bebas graphite) di dalam matriks cementite

Martensite dan cementite adalah sangat keras dan diaplikasikan untuk ketahanan aus

Struktur mikro dari paduan besi tuang putih. Unsur yang putih adalah cementite, dan yang abu-abu adalah martensit dengan beberapa austenite sisa

Peran Mikrostruktur

• Baja dan besi tuang dapat memiliki mikrostruktur : ferrite, pearlite, bainite, martensite, cementite dan austenite

• Perbedaan mikrostruktur dapat menyebabkan perbedaan sifat mekanis, sebagai contoh baja struktural (ferrite dan pearlite), rel baja (full pearlite), rumah mesin bubut (graphite flake didalam matriks ferrite-pearlite), jaw crusher (martensite dan cementite)

• Pengetahuan tentang mikrostruktur sangat penting untuk mendisain komponen dan pengembangan material

FERRITE

• Hampir semua baja dan besi tuang dipengaruhi sifat ferrite, tetapi hanya sebagian baja komersil saja yang seluruhnya memiliki struktur mikro seluruhnya ferrite, sebagai contoh ultralow carbon steel

• Ferite secara esensial adalah larutan padat besi yang mengandung karbon atau satu/lebih unsur pemadu lain (Si, Cr, Mn, Ni)

• Ada 2 jenis larutan padat: - interstitial solid solution (elemen dengan diameter atom yang lebih kecil secara interstisi mengisi kisi kristal besi , BCC)- substitutional solid solution (Elemen dengan diameter atomic hampir serupa, menggantikan posisi Fe di dalam kisi kristal BCC)

Mikrostruktur fully ferritic , ultra low carbon steelmarshal+HF 300x

Diagram fasa besi-karbon yang memperlihatkan daerah fasa austenite (γ-Fe) dan ferrite (α-Fe), serta komposisi dan temperatur eutectoid. Garis putus-putus adalah kondisi kesetimbangan besi graphite, dan garis penuh adalah kondisi kesetimbangan besi cementite. Hanya garis penuh yang penting untuk baja.

Diagram fasa besi-karbon yang memperlihatkan daerah eutectoid dan eutectic . Garis putus-putus adalah kondisi kesetimbangan besi-graphite, dan garis penuh adalah kondisi kesetimbangan besi-cementite. Garis penuh pada eutectic adalah penting untuk besi tuang putih, dan garis putus-putus adalah penting untuk besi tuang kelabu.

Peningkatan kekuatan yield besi pada temperatur kamar dengan sejumlah kecil penambahan karbon

Meskipun kelarutan karbon sangat rendah di dalam larutan padat besi , kelarutan karbon akan meningkatkan kekuatan yield hingga menjadi 5 kali lipat pada temperatur ruang

Struktur mikro dari lembaran baja karbon rendah yang dianil , dengan cementite pada batas butir 2%nital+4%picral, 1000x

Bila kadar karbon melebihi batas 0.022% maka akan membentuk fasa lain yang disebut cementite

Struktur mikro dari pearlite didalam lembaran baja karbon rendah

2%nital+4%picral, 1000x

Cementite dapat juga merupakan bagian dari pearlite

Pengaruh dari elemen larutan padat pada perubahan tegangan yield dari

baja feritik karbon rendah

Efek karbon dan nitrogen sangat jelas pada kekuatan yield (interstitial elements)

Phosphor juga sebagai penguat ferrite (rephosphorized steel : tipe 1211-1215 series)

Elemen larutan padat substitusi (Si, Cu,Mn,Mo,Ni,Al,Cr) memiliki pengaruh lebih kecil dibandingkan elemen interstisi

σy = σ0 + kyd-1/2

Hall-Petch Relationship

σy adalah kekuatan yield (Mpa)

σ0 adalah konstan

ky adalah konstan

d adalah diameter butir (mm) , adalah ukuran dari butir-butir ferrite di dalam mikrostruktur Hubungan Hall-Petch pada

low carbon-ferritic steel

Menstabilkan Ferrite

Memperluas daerah ferrite di dalam diagram fasa besi-karbon: menambahkan elemen penstabil ferrite (Si, Cr, Mo)

Elemen penstabil ferrite akan menstabilkan ferrite dengan membentuk -loop (mengurangi area larutan padat )

Penambahan Cr diatas 12% menstabilkan ferrite hingga melting point

Diagram fasa besi-krom

Iron-Chromium Ferritic Stainless Steel

• Fully ferritic steel yang penting adalah iron-chromium ferritic stainless steel, yang tahan korosi dan diklasifikasikan sebagai stainless steel tipe 405, 409, 429, 430, 434, 436, 439, 442, 444, dan 446

• Iron-chromium steel memiliki kadar Cr dari 11 hingga 30%• Penambahan Mo, Si,Nb,Al,Ti , akan menghasilkan sifat yang spesifik• Ferritic stainless steel memiliki keuletan yang baik (total elongasi hingga

30% dan pengurangan area hingga 60%)serta memiliki mampu bentuk yang baik, tetapi pada temperatur tinggi kekuatannya akan menurun (lebih rendah dibanding austenitic stainless steel)

• Pada temperatur ruang iron chromium ferritic stainless steel memiliki yield strength berkisar dari 170 hingga 440 MPa(25-64 ksi), dan tensile strength berkisar dari 380 hingga 550 MPa (55-80 ksi)

• Tipe stainless steel 409 digunakan untuk automotive exhaust system

Silicon Ferritic Stainless Steel

• Silicon ferritic stainless steel mengandung hingga 6.5% Si• Memiliki permeability magnet dan low core loss yang bagus • High efficiency motors dan transformers dihasilkan dari iron-silicon

electrical steel (alumunium dapat menggantikan posisi silicon)

Very-Low-Carbon Fully Ferritic Sheet Steel/ IF Steel

• Memiliki sifat mampu bentuk yang luar biasa• Disebut juga sebagai interstitial free (IF) Steel, karena karbon dan

nitrogen diturunkan ke level yang sangat rendah di dalam proses pembuatan baja, dengan cara mengikat interstitial carbon/nitrogen sisa dengan sejumlah kecil elemen pemadu (Ti atau Nb) untuk membentuk carbide dan nitride

• Baja ini memiliki kekuatan yang sangat rendah tetapi dapat dibentuk dengan sangat mudah, dibandingkan baja lain

• Saat ini dipakai untuk komponen otomotif dengan kadar karbon sangat rendah (0.001%C) dengan menggunakan hardening selama proses pengeringan cat

• Dikenal juga sebagai bake-hardening steel, dengan proses pengerasan melalui mekanisme kombinasi dari karbon dan nitrogen dengan Ti/Nb selama proses pemanggangan (1750C selama 30 menit)

• Proses pengerasan ini disebut aging, dan kekuatan diperoleh dari pengendapan Ti/Nb carbonitride pada temperatur tinggi

Decarburized (Carbon Free) Ferritic Steel/ Motor Lamination steel

• Carbon dihilangkan dengan proses decarburizatin• Dercarburized ferritic steel mempunyai sifat permeabilitas magnet low

core loss yang baik, walaupun tidak sebaik iron-silicon stainless steel • Digunakan untuk electric motor lamination, yaitu tumpukan lapisan

baja pada rotor dan stator motor

FULLY FERRITIC STEEL RESUME

• Iron-silicon steel: Electrical properties yang baik sekali• Iron chromium steel: Ketahanan korosi yang baik• Intestitial-free steel: Mampu bentuk yang baik sekali• Bake hardening steel: Diperkuat selama proses

pengeringan cat• Lamination steel: Sifat listrik yang baik

• Selagi kadar karbon melebihi batas kelarutannya (0.02%C), pearlite akan terbentuk.

• Pearlite dibentuk dari pendinginan baja yang melewati eutectoid temperatur (7270C) melalui reaksi

• Cementite dan ferrite membentuk plat-plat yang paralel• Pearlite merupakan mikrostruktur komposit yang terdiri dari

fasa carbide/cementite yang sangat keras dan fasa ferrite yang sangat lunak dan ulet

• Mikrostruktur fully pearlite dihasilkan pada komposisi eutectoid (0.78%C). Dimana pearlite akan membentuk koloni-koloni, yang setiap koloni memiliki lamel-lamel dengan orientasi yang sama

Austenite Cementite + ferrite

PEARLITE

SEM micrograph dari pearlite yang memperihatkan lamel-lamel ferrite dan cementite 4% picral, 10.000x

σy = -85.9 + 8.3 (λ-1/2)

Hubungan Antara Jarak Lamel-Lamel ferrite-Cementite (Interlamellar Spacing) Dengan Yield Strength

•σy adalah kekuatan yield (Mpa)

•λ adalah interlamellar spacing (mm)

Hubungan diantara pearlite interlamellar spacing dan kekuatan yield untuk baja eutectoid

Hubungan Antara Kekuatan Dengan Interlamellar Spacing, Ukuran Pearlite Koloni , dan Ukuran Butir Austenite Awal

•YS adalah kekuatan yield (Mpa)

•dc adalah ukuran koloni pearlite (mm)

•d adalah ukurun butir austenite terdahul (mm)

YS = 52.3 + 2.18(λ-1/2)-0.4(dc-1/2) – 2.88(d-1/2)

Fully Pearlitic steel

• Ketebalan lamel-lamel cementite dapat mempengaruhi sifat pearlite. Lamel-lamel cementite yang halus akan lebih mudah diderformasi dibandingkan lamel-lamel yang kasar, yang akan mudah crack selama deformasi

• Walaupun fully pearlitic steel mempunyai ketahanan aus dan kekuatan yang tinggi, baja ini memiliki keuletan dan ketangguhan yang rendah

• Sebagai perbandingan sifat mekanis dengan low carbon fully ferritic steel dapat memiliki elongasi lebih dari 50 %, sedangkan fully pearlitic steel (tipe 1080) memiliki elongasi sekitar 10%. Low carbon fully ferritic steel pada temperatur kamar memiliki kekuatan impak sekitar 200 joule, fully pearlitic steel hanya di bawah 10 joule

• Karena ketangguhan dan keuletan rendah, baja ini hanya sedikit diaplikasikan, termasuk diantaranya rel (aplikasi terbesar) dan roda kereta api, serta kawat kekuatan tinggi

• Ketahanan aus dari fully pearlitic rail steel timbul dari morfologi unik lamel-lamel komposit ferrite-cementite, dimana bagian yang keras tertanam di dalam bagian yang lunak dan ulet (plat yang keras tidak mudah terkikis, berbeda bila cementite berbentuk partikel bulat)

Hubungan diantara kekerasan dan dan ketahanan aus (weight loss) untuk baja rel

Ketahanan aus dari baja rel secara proporsional berhubungan dengan kekerasan

Hubungan diantara pearlite interlamellar spacing dan ketahanan aus (weight loss) untuk baja rel

Ketahanan aus dari baja rel akan menurun dengan semakin besarnya pearlite spacing

Mikrostruktur sangat penting untuk mengontrol kekerasan dan ketahanan aus

Interlamelar spacing mudah dikontrol dan semata-mata tergantung pada transformation temperatur

Tabel Komposisi Kimia Baja Dan

Sifat Mekanis