Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996

PENGUKURAN TEGANGAN SISA PADA PADUAN ALUMUNIUM-SILIKONDENGAN TEKNIK DIFRAKSI NEUTRONl

Parikin: GUI1awan2, W. Prasuad2, A. Purwanto2, Yatno2, Setiawan.

ABSTRAKPENGUKURAN TEGANGAN SISA PADA PADUAN ALUMUNIUM-SILIKON DENGAN TEKNIK DIFRAKSI

NEUTRON. Teknologi kendali mutu (quality control) diterapkan pada proses pemeriksaan bahan pasca produksi. Ini sangatmenentukan dalam menghasilkan barang-barang bermutu, seperti pada industri penghasil bahan logam. Permasalahan yang sangatmenarik adalah distribusi tegangan sisa dalam bahan. Pengukuran menggunakan teknik difraksi neutron mampu mengkomplementasiketerbatasan pengukuran dengan teknik difraksi sinar-X, teknik strain gauge clan teknik ultrasonik. Neutron dengan panjang gelombangseorde jarak antar atom dapat mengamati perubahan yang kecil pada jarak antar bidang kristal Disamping itu, karena neutron tidakbermuatan, berkas ini mampu mengukur sampai jauh kedalam bahan (Iebih kurang 3-4 em), sehingga diharapkan pemeriksaan bahanlebih realistis. Paduan AlSi banyak dipakai karena sifatnya yang menguntungkan yakni: ringan, mudah dibentuk clan memiliki koefisienmuai panas yang kecil. Bahan ini biasanya digunakan untuk melapisi logam agar tahan terhadap lingkungan garam. Bahan dengankomposisi silikon lebih besar dari 20% telah banyak dijumpai di paSaran Indonesia. Kekerasan bahan berkomposisi silikon 3%, 20%clan 40% diukur dengan metode Vickers clan sebagai pembanding, komposisi silikon dalam paduan ditentukan dengan SEM-EDAX.Metode Rietveld (program RIET AN'94) mampu mendapatkan parameter fraksi rasa clan regangan rata-rata dalam paduano AnalisisRietveld memperlihatkan bahwa rasa alumunium mengalami tensil stress sedang rasa silikon mengalami tegangan compressive. Hasilpenelitian menyimpulkan, ketika komposisi silikon bertambah kekerasan bahan meningkat clan kurva tegangan sisa semakin tinggi.

ABSTRACTRESIDUAL STRESS MEASUREMENTS ON ALUMINIUM-SILICON ALLOYS USING NEUTRON

DIFFRACTION TECHNIQUE. The quality control technique is usually applied on post product material investigation. .The quality ofproducts are very much dependent on this work. One example of the problem in quality control is residual stress. Usually, the residualstress measurements are done by X-ray diffraction, ultrasonic and strain gauge technique, the measurements using neutron diffractiontechnique has complemented on that three techniques. The neutron whose the wavelength same as atom displacement in the crystallitescould observed the internal lattice stress from the measured elastic lattice strain. Because neutron have no electric charge they couldpenetrate 3 to 4 cm along the thickness of material, so it seems the measurements more reality. The AlSi alloy has the advantageproperties ie light, formidable, low corrosion and low dilatation coefficient. Usually, it is applied for coating the material that use in saltfield The samples contain silicon composition of3%, 20% and 40%. The hardness measurements were done by the Vickers method andfor comparison, the silicon compositions were measured by SEM-EDAX The Rietveld method was able to predict thc importantparameters (the phase fraction and profile of the peak) required for studying residual stress distribution in AlSi alloys The Rietveldanalysis showed that aluminium phase was in tension and silicon phase was in compression It can be concluded that the morecomposition of silikon, the residual stress curve raised, the harder of the material.

tcrdistribusi tidak sccara random akan tetapitcrsusun sccara pcriodik. Bila suatu gaya luarmempengaruhi sistem ini, maka dapatmenimbulkan tegangan internal (internalstre..,..,). Tegangan internal salah satukomponennya dapat ditelusuri dari tegangansisa (residual stre,.,s) yang terdistribusi didalambahan. Tegangan ini didetinisikan sebagaitegangan elastik yang dapat mengubah jarakantar bidang kristal tanpa dipengaruhi gayaluar[ 4 ]. Pacta daerah yang terkena tegangan iniakan mengalami kelelahan (fatigue). Akibatperlakuan termal tegangan ini dapat menjalarkeseluruh bagian bahan, dan selanjutnya pactabagian ini akan mudah terkena korosi (stres,.,corrosion cracking) sehingga bahan akanmenjadi rapuh (brittle).

Pengukuran tegangan sisa rata-ratayang tertinggal didalam bahan dapat dilakukandengan mengevaluasi sifat elastis struktur daribcsaran regangan (strain) rata-rata yang terjadi.Rcgangan dalam zat padat tidak dapatdiprcdiksi langsung akan tetapi secaramikroskopis rcgangan tcramati scbagaircgangan ncgatip (compressive) dan rcganganpositip (expansive).

PENDAHULUANBahan-bahan logam komersial yang

sering diproduksi dalam industri logamumumnya berupa paduano Salah satunya adalahpaduan alumunium silikon (AISi). Paduan inibanyak dipakai karena sifatnya yangmenguntungkan yakni; ringan, mudahdibentuk, tahan terhadap korosi clan memilikikoefisien muai panas yang kecil. Salah satusifat yang penting adalah kekerasan bahan.Sifat ini umumnya dipakai sebagai parameteruntuk mengetahui ketahanan suatu bahanlogam terhadap deformasi permanen atauplastis[ I]. Paduan alumunium silikon dengankomposisi sekitar 11,7% berat silikon,merupakan paduan eutektik sederhana yangmempunyai titik cutektik pada suhu 577°C[2,3]. Bahan dengan komposisi silikon lebihbesar dari 20% telah banyak dijumpai dipasaran Indonesia. Bahan ini didatangkan dariluar negeri daD biasanya belum dilengkapidengan spesifikasi sepcrti; komposisi unsur atausifat-sifat mekaniknya.

Paduan ini merupakan bcnda rigidyang kontinu, yang sccara mikroskopis tertataoleh atom-atom yang diskrit. Atom-atom ini

I Diprescntasikan pada seminar PPSM 19962 Pusat Pcnelitian Sains Materi, BAT AN, Scrpong

89

sinar-X, Difraktometer neutron clanSpektrometer neutron, maka pada kondisi inidigunakan suku kedua daTi persamaan 2)

besaran regangan (strain) rata-rata yang terjadi.Regangan dalam zat padat tidak dapat diprediksilangsung akan tetapi secara mikroskopisregangan teramati sebagai regangan negatip(compressive) dan regangan positip (expansive).

Tujuan dari penelitian ini adalah untukmengetahui besamya regangan elastik rata-ratadan tegangan sisa yang terjadi, akibat pengaruhpenambahan komposisi silikon dalam bahanpactuM alumunium.

TEORI?engamatan tegangan internal daiam

bahan dapat ditelusuri daTi fenomena teganganinternal kisi dalam suatu kristal. Tegangan iniberbanding langsung dengan regangan elastikkisi yang terjadi di dalam kristal yang menyusunbahan. Besaran regangan dapat diturunkan daTihukum difraksi Bragg,

2 dhkl sin 9hkl = A. I)

dimana dhkl adalah jarak bidang kisi kristal

yang berkaitan dengan bidang refleksi Bragg(hkl) yang teramati pacta suatu sudut hambur 29hkl, A. adalah panjang gelombang neutron daD

(hkl) adalah indeks Miller bidang difraksi.Menurut konstruksi Ewald[5] untuk hamburanelastik, dapat didetinisikan vektor <Q = Ikn -Ikjf

dengan kn (kif) adalah vektor gelombang neutron

datang (terhambur) yang besarnya 2n/A.. Syaratterjadinya difraksi adalah vektor <Q harus tegak[urns terhadap bidang difraksi dan besarnya2n/d. Jika persamaan 1) diturunkan terhadap A.dan e dan dengan memperhatikan persyaratandifraksi maka dapat diturunkan persamaan;

!!.d/d = -cot 8 !!.8 4)Persamaan ini mengilustrasikan regangan kisi, E= (d-do)/do = !!.d/do yang kecil dalam kristal

bahan yang dapat diidentifikasi daTi sedikitpergeseran puncak difraksi. Dari pengukuranperubahan sudut hamburan!!.28 = -2 E tan 8,

regangan E dapat diprediksi. Pada cuplikan yangberukuran besar, regangan E merupakan hargarata-rata daTi regangan yang terjadi didalambahan untuk bidang (hkl) tertentu. Pada kasusini E akan diukur untuk arah sumbu kristalografia. Arah pengukuran regangan dalam cuplikanmerupakan arab hamburan vektor Q. Dalambahan ada sejumlah kristal dengan bidangham bur (hkl) tegak lurus terhadap arabpengukuran regangan yang diamati daTi sudutpuncak difraksi. Jarak antar bidang kristal bahanyang tidak mengalami regangan harusditentukan dengan cermat agar regangan mutlak(absolute strain) dapat ditentukan dengan pasti.Oleh karena perubahan yang bervariasi terhadapnilai do akibat perubahan komposisi rasa dalam

bahan, sangat mempengaruhi terjadinyaregangan, hila fluktuasi selisih do yang

dibandingkan dengan do mengakibatkanperubahan tegangan pada besaran skalar danvolume (spatia/).

Regangan yang didiskusikan diatasmerupakan harga rata-rata untuk seluruh volumeyang diiradiasi, karena tegangan sisa dalamkebanyakan bahan padat tidak homogen.Ketidak-homogenan medan regangan dapat

menghasilkan pelebaran (broadening) pada poladifraksi. Pelebaran daTi suatu puncak difraksi inidapat diberikan sebagai[7];(L\d/dr

2(L\/JA) + 2cot 8 88).2)

2tan ePersamaan ini juga dapat dikaitkan pada dayapisah (resolusi)-alat[6]. Persamaan ini memilikidua suku untuk kondisi pengukuran yangberbeda. Pada alat yang menggunakan metodepengukuran dengan menjaga sudut hamburan 28tetap, seperti LlNAC elektron dan SNS(Spallation Neutron Source) yang prinsipkerjanya menggunakan berkas pulsa yangmengandung daerah panjang gelombang, makabesar regangan dapat ditentukan dari sukupertama.

2 2 28 =80 + 32 (In 2) (ehkl)

= U tan2 e + V tan e + W

5)

dimana B adalah FWHM (/iill wave halfmaximum) dari pelebaran puncak, U, V, W adalahkonstanta-konstanta penghalusan (refinement)puncak dari analisis Rietveld, ehki adalah harga

rata-rata regangan rms bahan anisotropis dan BQ

adalah resolusi alat, yang bervariasi terhadap 9,

menurut persamaan Cagliotti[81L\d/d = L\')JA. .3)

Sedang banyak alat yang metodepengukurannya mengunakan panjanggelombang yang tetap, seperti Difraktometer

Vo tan e +Wo.6)

90

ini dimaksudkan agar korclasi antara kalanganindustri daD masyarakat ilmiah (pcneliti) dapatlcbih di\vujudkan, dalam upaya pendayagunaanpcmanfaatan hasil-hasil pcnelitian. Cuplikanpaduan ada empat buah dcngan komposisi

masing-masing AI(99,99%), AISi(1,5%),AISi(3%), AISi(20%), AISi(40%) danSi(99,99%). Yang disebut tcrdahulu dantcrakhir dipakai scbagai bahan acuan untukpcngamatan struktur kristal yang selanjutnyadiscbut ALI00P dan SII00P. Scdang yangkcdua scbagai asmnsi untuk mendapatkanparameter awal jarak antar bidang (do) kristalyang bcbas stress pacta bahan uji. Empat buahcuplikan paduan diatas sclanjutnya discbutpaduan SIOIP, paduan SI03P, paduan SI20Pdan paduan SI40P. Scmua bahan bcrbentukbalok dcngan ukuran rata-rata 10 x 10 x 5 mm3.Kckerasan bahan diukur dengan menggunakanmctode Vickers. Komposisi bahan di prediksidari pcngukuran SEM-EDAX yang didapatdengan cara menganalisis intensitas radiasisinar-X karaktcristik yang dipancarkan dariunsur alumunimn dan silikon dalam paduanoHasil pcngukuran ini dicocokkan denganmcngglmakan mctode difraksi neutron. Sctiapcuplikan diambil polanya dcngan Difraktomcterneutron cmpat lingkaran (Follr CircleDiffractometer), yang mcmiliki panjanggclombang bcrkas neutron monokhromatis

kurang lcbih 1,0 A. Data intcnsitas tcrhadap 28

dianalisis dcngan menggunakan program

RIETAN'94[11]. Sclanjutnya parameterpenting scbagai data hasil analisis di plot dan

diintcrpolasikan dcngan pcngolah data,pcrangkat lunak Igor Pro[ 12].

Dari persamaan 5) daD 6) dapat ditumnkan

pcrsamaan;

2u = Uo + 32 (In 2) (chkl

7)

Dalam pcrhitungan parameter U diperolch darianalisis data cuplikan paduan AISi danparameter Uo dipcrolch dari analisis data

cuplikan AISi dcngan komposisi silikon terkccil(diasumsikan tidak bcrbcda jauh dengan AI

murni).Selanjutnya setelah regangan rata-rata

dapat dikarakterisasi, tegangan sisa dalamsetiap bahan dapat ditentukan secara deduksi.Eksperimen terhadap cuplikan paduan AISidilakukan pada tekanan dan suhu mang,sehingga diharapkan setiap rasa berada dalamkeadaan hidrostatik. Tegangan hidrostatik,cr(9)

sebanding dengan regangan hidrostatik,E dapatdirumuskan sebagai :

cr = [E/(1 -2v)] Eav.8)

dimana E adalah modulus Young dan v adalahpcmbanding Poisson yang ditcntukan daripcngtlkuran tcrscndiri untuk sctiap rasa. Untuktegangan keadaan hidrostatik, ~:av dapatdihitung pada sclumh arah cuplikan,Eav =

(1/47t) In Eltkl dn dimana Ehkl adalah

rcgangan dalam butiran (grain) yang bidang[hklJ-nya terlctak pada arah yang diamati.Integrasi dilakukan untuk scluruh arah randombutiran didalam bahan. Untuk kasus dua rasadimana di dalam paduan AISi terdapat fa saAlumunium (fcc) dan rasa silikon (dia/1/on(/),maka dapat diturunkan;

HASIL DAN PEMBAHASANAnalisis data struktur dilakukan

dcngan program RIET AN'94 yang tclahdikcmbangkan olch Izumi! I I]. Pada bahan AlSimcngandung dua unsur bcrbcda dan memilikistruktur kristalografi yang tidak sarna,pcnclaahan bahan mirip seperti bahan kompositdan analisis data struktur dilakukan dengananalisis dua rasa. Fasa Al mcnggunakan grupruang Fm3m (1-225) dengan simetri kristalFCC, parameter kisi awal, a = 4,05 A, dan rasa

Si menggunakan grup ruang Fd3m (1-227)dengan simetri kristal kubus dimnond,parameter kisi awal, a = 5,43 A, memberikan

parameter-paramcter analisis data struktur.Profil bcntuk puncak untuk setiap fa sa

dimodelkan dengan fungsi pseudo ,'oight yangmerupakan kombinasi linear antara fungsiGauss dan fungsi Lorenztian. Kesesuaianstatistik data pengamatan yang memadai dapat

.9)f:av = (I/3) [

Tegangan sisa d.1lam ballaD yang mcngandungdua rasa tidak bcrdiri bcbas, akan tctapi

mcrupakan pcrsamaan hubungankesctimbangan[IO] dari sctiap butiran partikclyang menyusun ballaD. Pcrsamaankesctimbangan dapat dituliskan scbagai

.t: cr +.1:. cr = 0, dimana.t: I dan.l:s adalahAI AI S. S. A.bcrturut-turut fraksi volume rasa alumuniumdaD rasa silikon. Pcrsamaan ini dapatdigunakan untllk mcmeriksa apakah pcrsamaanasumsi hidrostatik diatas valid.

METODOLOGIBahan dipcroleh dari pasaran yang

merupakan bahan komcrsial. Pcmilihan bahan

91

+&AI &Si

mcnambah kebcrhasilan analisis data.Parameter-parameter ini nicliputi parameterkisi, koordinat atom clan parameter tcrmalisotropik. Tabel 1 mcmbcrikan paramctcr-parameter tcrscbut untuk cuplikan S120P.Cuplikan ALIOOP clan SIIOOP dihaluskan daribahan polikristal yang dimampatkan padawadah vanadium CO/1. Pola difraksi cuplikanALIOOP, SIOIP, SIO3P, SI20P clan SI40Pdiukur dengan dirraktometcr neutron cmpatlingkaran (FCD), scdang Cuplikan SI lOOPdiukur dcngan difraktomctcr ncutron scrbukrcsolusi tinggi (HRPD). Walaupun dcmikiantidak bcrarti mcmbuat analisis data strukturberbcda tclapi hanya mcmbcrikan pola puncakdifraksi yang bcrgcscr akibat pcrbcdaan

panjang gclombang yang digunakan.

program RJETAN'94. Garis pcnuh (solid line)adalah hasil pcrhitungan, tanda 'dots' adalahdata pcngamatan dan garis putus-putus (gridline) mcrupakan sclisih antara intensitaspcngamatan dan perhitungan. Garis-garisvertikal dibawah pola adalah posisi bidangrcflcksi dari rasa AI (atas) dan rasa Si (bawah).Hasil analisis data struktur dcngan mctodeRictvcld pada cuplikan uji dapat dilihat padaTabcl 2. Pada kolom parametcr kisi, cuplikanALIOOP dan SIOIP memiliki harga paramctcrkisi yang hampir sarna (ditcntukan darikcSc11ahan pcngukuran), ini dapat dimengertikarcna dominasi unsur alumuniummcnycbabkan paduan scpcrti bcrada padakcadaan mumi, subsitusi atom AI olch Sihanyamcrubah scdikit kisi struktur dan pada sistemperiodik, kcdua unsur ini tcrlctak padagolongan yang bcrdckatan.Tab,'11. Par,.mel.'r nll,.li,;s 1I:lla slruklur krisl:.1 ulllllk

ellnlik:ln SI2(lp.

.,..,H,I.

"wl',Io' .,..".. ""p = 8.740.

Pada Gambilr 1 dibcrikan POlil difrilksicuplikan SIO3P. SI20P dan SI40P hilSilpcngukuriln dcngan difraktomctcr ncutronempat lingkaran sumbu. Pada pola difraksiterlihat puncak silikon scmakin tumbuh scjalandengan mcningkatnya komposisi. Untukcuplikan SIO3P dominasi fa sa alumuniummcnycbabkan puncak-puncak silikon tcnggclamdalam cacallan Jatar bcJakang. Efck Gl1Iorj{181bahan silikon dapat mcnaikkan lluktuasicacahan latar dan tidak discrtai kcnaikanintcnsitas profil difraksi.

(;'IIIIIIar 2. P"l,a difr'lk.j 1I(,(llr"1I '1I1,.lj,j. d,ala l~i"I\Ndc"plik"" SI2()P Y"lIg 1II"lIIp"rlillalk,all ad" d"" f"s't

dOlllill"1I I"rpi"a" y,ail" ',a", AI d'llI '""a Si.

T'III,,1 2. Param"',,r ki,j rasa lIa,il allali,is Ri"'v,,ld

K61i~iiISili~~(%);!;fa"""""" ,.c;cc ";;:"" "";;~" ;;4.04 .

3.9.1 _:.4.02 5.3!(~)-

~

(!AI,IOOI''SIOIPSIO3PSI20PSI40PSIIOOP

~

18.2641.33100

5.24(11)

I ,5.42(5)

I '5,43(0) I

4,05(4):i~~~i

'.,.I;",r..,"",...,I'p" k"""IIRPr:

Pcngukur,ln kuantitas unsur AI dan Si

dcugan mcmbandingkal1 puncak-puncakkaraktcristik alumul1ium dan silikol1 untukcuplikan SIO3P, SI20P dan SI40P tclahdilakukan[15]. Gambar 3 mempcrlihalkanpuncak karaklcrislik ul1sur AI dan Si unluk

kulil Ka. Hasil pcl1gamatan dcngan SEM-EDAX mcmpcrlihalkal1 komposisi silikon padacuplik,ln cukup bcf\'ariasi. Pada cuplikan SIO3Pbcn'ariasi dari 3,3'X, -3.7'X), cuplikal1 SI20Pbcf\'ariasi dari 19.7'X. -22.8'10 scdang pada

Gambar 1. Pula difrak."i ",'"Iro" rliplik.11I paduall ,\ISiuliluk komp()"i"j "ilikoll (a) 3% (b) 211% (r) -to%.

Pacta Gambar 2 dipcrlihatkan pola diCraksicuplikan SI20P, hasil analisis data dcngan

92

cuplikan SI40P jangkauan variasi cukup lcbaryakni dari 37,4% -51,4%. Kcbolchjadianvariasi ini akibat terjadi pcngelompokkan unsursilikon yang tidak larut semakin mcnUlllpuk. Iniscsuai dcngan diagram dua rasa A1Si, bah,,'akclarutan silikon dalam alumunium sangat kccilsckitar scperscpuluhnya[2]. Butiran-butiran rasadapat diperlihatkan pada pengamatan strukturmikro pennukaan bahan. Untuk melihat polastruktur mikro ini, pennukaan cuplikan SIO3P,SI20P dan SI40P dipolcs sampai halus danmengkilap kemudian dietsa dcngan larutanyang dibuat dari campuran 1,8 ml HF, 2,5 mlHNO3, 1,5 ml HCl dan 95 ml H2O. Struktur

mikro pcnnukaan cuplikan diamati dcnganmikroskop metalurgi. Kchati-hatian dalampemolesan dan kctepatan pcngetsaan pcnnukansangat mcnunjang pada hasil pcngamatan ini,

dan silikon tcrlihat lcbih dominan. Fa sa-fa sa iniakan membcri kontribusi dalam pcrscntuhan

intergranular yang menyebabkan terdapattegangan internal (internal stress) dalam bahan.Pcnambahan silikon akan meningkatkankckcrasan bahan, akibat terbentuknya rasakedua (fasa Si) yang mcrupakan pcnyebabtimbulnya pcngerasan dispcrsi. Pola strukturmikro pennukaan ketiga cuplikan diatasdipcrlihatkan pada Gambar 4. Dari gambartcrscbut, pada cuplikan SIO3P unsur silikontampak seperti jarum-jarum kecil memanjang,tcrurai merata kcscluruh bahan daD silikon initidak larut dalam alumunium. Gumpalansilikon scmakin tcrlihat pada cuplikan SI20P,rasa silikon scmakin menumpuk dan membckumembcntuk Icmpcngan-lcmpengan yang besardan tcrlokalisasi. Saat komposisi silikonbcrtambah lagi scpcrti pada cuplikan SI40P,Icmpcngan-lcmpcngan ini mcmanjangmcmbcntuk balok yang scmakin banyak danbahan mcngalami pcningkatan pengerasansccara dispcrsi. Pcngcrasan ini umumnya tidakdikchcndaki[15], karcna dapat mengurangikckuatan bahan. Pcningkatan kckcrasan inidikarcnakan sifat silikon itu scndiri, yang hiladipadukan dcngan alumunium akan mcnambahkckcrasan lcbih daTi logam alumunium murni.Pcnambahan komposisi silikon yangmcnumpuk dapat mcmbcntuk dendritik yangdcngan proses pcnuaan (ageing) tumbuhmcl1jadi jaruln/lcmpcng silikon yang

mcmanjang, scbagaimana yang diharapkanuntuk kepcrluan tertentu. Scmakin banyakjarun1/lcmpcng silikon, bahan scmakin keras.Efck pcnuaan bahan alumunium silikon tclahdiamati olch Gunawan dkk.[15]. Pola kurva

mcmpcrlihatkan tcrdapat pcningkatankckcrasan bahan yang bcsar terjadi padakomposisi silikon 2()(Yo dan 4()(Yo. Scdang padakomposisi 3(Yo silikon pcningkatannya rclatiflcbih kccil. Pcngukuran kckcrasan cuplikanSIO3P, SI20P dan SI40P dilakukan denganmctode Vickers mcnggunakan bcban 10 kgdcngan waktu pcnckanan sclama 15 detik.Tabcl 3 mcnyusun hasil pcngukuran kckerasan

tanpa pcrlakuan pcnuaan. Pcrllitungankckcrasan dilakukan dcngan hubungan HV =

1,8544 x (pfD1, dimana HV adalah kckerasan(kg/mm2), p adalah bcban yang dibcrikan padacuplikan uji (kg) dan D adalah panjang garisdiagonal jcjak indentor pada cuplikan uji (mm).Dari kurva hubungan kckcrasan dcngankomposisi silikon yang diilustrasikan padaGambar 5, tcrdapat pcningkatan kekcrasanyang tajam. Kckerasan ini telah diinfonnasikanakibat adanya pcnimbunan silikon yang tidaklarut yang mcngcras sccara dispcrsi[2].

,a'f:.I

S,r.,.

-_J~,.., .'.- .'_..'.",,--:o..,\) ..'.c" b:'" U' , '0Ct-4T 0.I'j""<I;:V;:C'-""hEJEDI'1"

Gambar 3. Pullrak radia.i sillar-X k:lI":lkt('ristik ruplik:11IAlSI dillkllr drllgall SEM-EDAX,

Dari Tabcl 2 komposisi silikon basil analisisRietveld sesuai dengan basil pcngamatan yangdilakukan dcngan SEM-EDAX. Kcsalahanpcngukuran rclatif tcrhadap basil kcduapengukuran paling bcsar tcrjadi pacta cuplikanSIO3P sckitar 3 1.,2 I. %, kondisi pcrbcdaan inidapat dimengcrti karcna mctodc SEM-EDAXmendetcksi unsur per unsur dcllganpemancaran sinar-X karaktcristik unsur tanpamemperhatikan rasa yang tcrbcntuk. Scdangdari basil anal.isis data Rietvel.d mcnunjukkan,nil.ai kecocokan antara data pcngamatan danperhitungan, R\\'P scbcsar 27,93%. Dapatdimungkinkan pacta komposisi ini, rasa AI.Sisudah mcmbcntuk kristal tcrscndiri dcngansuatu proses substitusi scbagian atom AI. dcnganSi, schingga silikon yang tercacah adal.ah yangtidak tcrl.arut sccara padat. Kcuntungan mctodcini adal.ah mampu mcmbcdakan adanya fasa-rasa yang bcrlainan dal.am suatu komposisibahan akibat adanya pcl.arutan padat. Scpcrtiyang tcrjadi pacta paduan al.umunium-silikonrasa-rasa yang mungkin terbcntuk adal.ah rasaAI, rasa Si dan faS<1 AI.Si. Akan tctapi daTi husil.pcngamatan struktur mikro rasa al.umunium

93

Rcgangan adalah bcsaran tcnsor yangpada umumnya mcmiliki cnam komponcn )'3ngtak bcrgantung, tctapi kctika dikonfirmasikanpada simctri kristal, jumlah komponennyadapat Icbih discdcrhanakan. Untuk kasussimctri kristal sumbu tcrpusat, scperti pada rasaAI dan rasa Si, hanya satu komponcn bcbasyang dipcrlukan untuk mcnyatakan sirat tensorsccara Icngkap[ 17]. Rcgangan pada arah yanglain dapat ditentukan dcngan mcngglmakanpcrhitungan aljabar tcnsor. Pada bahan AISidimana terdapat rasa AI dan rasa Si, komponcnrcgangan dipilih pada sepanjang arahkristalografi sumbu-a dalam strukturkonvcnsional. Parameter struktur hasil analisisRictvcd tcrsusun pada Tabcl 2. Gambar 6mcmpcrlihatkan pcrcgangan kisi scpanjangarah kristalografi a untuk rasa AI daD rasa Si.

Tab('13. K('k(,I':I!ia" baba" ;\ISi

9[~!'~

;~9,ii~i::$~

::;::::J(f!1);;:;;::1\SIO3PSI20PSI40P

32040

Pel1umbuhan jaruln/lcmpcng yangdapat meningkat ini, mcnimbulkan clastisitasstruktur akibat interaksi antar butiran rasadalam bahan, scrupa dcngan tcrjadi pada bahankomposit[9,16]. Dinamika pcrcgangan strukturdalam bahan ini mcmbuktikan adanya ,\'Iress.Tcrlihat pada Tabcl 2 kisi alumuniummengalami clastisitas saat ditambahkan unsursilikon. Kisi ini mula-mula mcngkcrut dankemudian mcngcmbang kcmbali. Untukkescluruhan cuplikan uji, kisi a untuk rasaalumunium mcngalami rcgangan positip(ckspansi), scmcntara kisi a rasa silikonmengalami rcgangan ncgatip (komprcsi). Pactalokasi tcl1cntu :,.tress dapat tcrjcbak dclntcl1inggal dalam bahan. Stress ini dikcnalscbagai tcgangan sisa (residllal stre ,"). Stressdalam bahan sangat bcrnuktuasi dari butir kcbutir. Para praktisi cnjincring sangat tcrtarikhanya pacta hargcl rclta-rata scluruh j:lrakmakroskopik yang dikcnal dcngan tinjilu:lnmacrostre, , karcncl kaitannya crat dcngilnukuran dan \\'Ujud pcnampilan bahan.

"EE"'-01'~Cto

II)

~G>

.¥G>:.:

(;alll";I" 5. I':fl'k kolllp.",j"j "ilikoll pad;, kl'kl"';.";11I";1";.11 ,\ISi.

SIO3P SI20P

SI40P

Gambar 4. PIlla struktur mikro Pl""Jl\ukaau I:uplikauSI03P, SI20P dan SI"OP dilill;., d"ngau mikro,;kop

m,,',"urgi(;"111";11' 6o 111I"lIlIg'llI I'log;'"g;'" ki"j dlo"g;'"

k"IIIJI""j"j Silik,,"

94

Tabe' 4. Jarak antar bidang dllkl rasa Aillmllnillm "".il all"li.isRietveld

f~']~~n(lIt~j4'1"~~d hkl(!\)

':'~k(::~

~~~~~

1,00942~~

~~

077705o:7ij""76"

~~

~~~

~~~~

~0,77500

:$iJj~~~;~;~

~~

~~~~~

~0,77337~0.71039~

;Siliktii.idhffi~

Jl!1:!l:2~~].,}..§!:!1~~~~~

~~

0,611433

311

531

~

0.68069

Peregangan (ekspansi/ komprcsi)stmktur yang kccil dapat pula diamati dariadanya pcrcgangan bidang kristal. Pcrcgangantidak mcrata untuk sctiap bidang kristal.Pcngamatan pcrcgangan yang paling bcsardapat dilakukan dcngan mcnarik hubunganantara pcrcgangan jarak antar bidang dcngannonnalisasi bidang kristal. Pacta Gambar 7adipcrlihatkan pola rcgangan yang tcrjadi untuksctiap variasi komposisi silikon. SiCat clast iskisi tcrlihat jclas dcngan tcrjadinya komprcsidan ckspansi sccara bcrgantian. Kcbolclljadianrcgangan yang paling ckstrim pacta bahan dapatditunjukkan dan pacta kondisi ini bahan mudahtcrkorosi lingkungan. Tabcl 4 mcmbcrikan datajarak antar bidang ~lkl dari masing-masing

cuplikan dcngan komposisi silikon yangbcrbcda. Bcsaran rcgangan dihitungbcrdasarkan hubungan mInus (d'-do)/do dimana

d' adalah jarak antar bidang cuplikan yangdibcri unsur silikon dan do adalah jarak antar

bidang cuplikan yang mcngandung unsursilikon paling minimum. Pol a pcrgcscranpuncak alumunium akibat bcrtambahnyakomposisi silikon yang diambil pacta bidang(Ill) dapat dilihat pacta Gambar 7b. Sclisihsudut puncak diCraksi yang tcrjadi scsuaidcngan pola rcgangan kisi scperti pada Gambar

(;"",h"r 7b. Pl'rgl"'l'..a" p"""ak AI pada p""mdif..ak...i.

0 10 20 ~ on

h'.,'."

Sctclah rcgangan kisi dapatdikarakterisasi, tcgangan sisa pada sctiap rasadapat ditcntukan dcngan asumsi tak adatckanan yang dikenakan pada saat pengukurancuplikan, schingga bahan dapat dikatakandalam kcadaan hidrostatik. Stress hidrostatik,cr

bcrhubungan dcngan rcgangan hidrostatik,chklyang dirclasikan dcngan pcrsamaan 8).Rcgangan ini mcrupakan rcgangan rata-ratacfcktif yang terjadi didalam bahan dan dapatdicstimasi berdasarkan paramctcr pcnghalusanbcnluk puncak, U dengan hubungan persamaan7). Pada pcrhilungan, paramcter Uo didapatdari basil analisis data pola difraksi AISidcngan komposisi silikon tcrkecil. Pada Tabcl5 harga rcgangan,cllkl hidrostatis hasilpcrhitungan disusun. Sccara keseluruhanrcgangan rata-rata cfcktif (rills) yang tcrjadidalam bahan, akibat variasi komposisi silikondapat ditentukan dcngan pcrsamaan 9).Rcgangan yang diakibatkan adanya intcraksibutiran rasa AI dan rasa Si ini sclanjutnyadigunakan unluk mcnghitung stress rata-ratayang tcrtinggal didalam bahan. Hasilpcrhilungan diplot scpcrti tcrlihat pada

Gambar 8. Pcncntuan harga modulus Young,E

dan pcmbanding Poisson, V didapat dcnganmcnghitung dari bcsaran konstanta clastikyang tclah dikctahui. Harga konstanta clastikuntuk bahan alumunium dapat diperolch padalilcratur [13] dan [14]. Harga komponcn CII'

C1~ dan C44 bcrturut-turut adalah 1,068 x 1012,

0,068 X 101~ dan 0,282 x 101~ dyne/cm~.Sclanjutnya dcngan pcrumusan yang terterapada literatur [6], konstanta pcrsyaratan clastikditcnlukan dari hubungan;0 10 20 30 40

,,'..'. r(;amh,.r 7a. hf!hol('hjadian rf!gangan hidang p"ling

f!k...trim p"da h"h'lII p"duan MSi.

95

alumunium, bahan mcngalami pcnurunantcgangan kctika komposisi silikon bcrtambah.

S11 -S12 = 1/(C11 -C12)

811 + 2812 = 1/(C11 + 2C1J

S44=1/C4410)

Didapat harga unluk Sil ' SI2 dan S44 bcrlurul-

hlmt adalah 1,595 x 10.]2, -0,579 X ]0.12 dan

3,546 x ]0-12 cm2/dync. Kcmudian unlukmcncntukan konstanta modulus Young danpcmbanding Poisson dapat digunakan rclasiyang tclah dijclaskan pada lilcralur []] dan

[16];

SII = liE

SJ2 = -viE

S44 = 2(1 + v)/E

Harga konstanta modulus Young danpcmbanding Poisson untuk bahan alumumumyang didapat bcrturut-lurut adalah 62,696 OPadan 0,363.

KES.lMPULANHasil pcngamatan struktur mikro,

pcngukuran SEM-EDAX dan analisis Rich'cldn1cmpcrlilmtkan bahwa paduan AISimcngandung rasa AI, rasa Si dan rasa AISi,Fasa alumunium dan rasa silikon terlihatdominan, sedang rasa AISi menjadi faktor yangminor (terlihat sepcrti impuritas). Hal ini dapatdimungkinkan dari pcrbandingan kuantitas rasadan nilai kecocokan analisis data Rictveld yang

saling mcnginfonnasikan, Tcrbentuknyabutiran-butiran rasa ini mcnyimpulkan bahwabahan dapat dipcrlakukan mirip scperti bahankomposit. Hasil pcngukuran kekcrasan dcnganmctodc Vickers, balmn scmakin kcras saarkomposisi silikon bcrtambah, Dari fcnomcnapcrcgangan kisi dan jarak antar bidang kristalbah\\'a kcbolchjadian tcrjadinya tegangan sisasangat bcsar, Rcgangan rata-rata efcktif (rms)balmn dihitung dari parameter profil puncak,Udcngan mctode Rictvcld. Hasil pcngukuranrcgangan dan pcrhitungan tcgangan sisamcmpcrlihatkan bah\\'a rasa alumuniummcngalami tcgangan tcnsil d:m rasa silikonmcngalami tcgangan kompresi, Dari hasilpcnclitian ini inronnasi yang mcnarik adalahkctika komposisi silikon bcrtambah, kekcrasanbalmn mcningkat dan kun'a tcgangan sisa yangtcrtinggal didalam bahan scmakin tinggi.

:rah~15.

lIa"il "("rhit"n!!an r(",.an!!an rm.' rata-r~lta. t',.,.

.;C\il\tik@::

;.u

:i!!ii

%

SIOIPSIO3PSI20PSI40P

:3,3711(9).0,3530(9)-Q0330()).d;~,,""., .dJ'i'i p~I"'~ Ii, --

Pcrhitungan stre.\'s untuk rasa silikon

dilakukan dcngan hubungan pcrsamaankcsctimbangan dua rasa, scpcrti yang tclahtcruji olch Xun Li Wang dkk.[9], yangpcnurunan rumusnya dilakukan olch I.C.Noyan[lO], karcna tcgangan sisa dalam bahanyang mengandung dua rasa tidak bcrdiri bcbas,akan tctapi mcrupakan rclasi kcsctimbangandaTi sctiap butiran partikcl yangmcngkomposisi bahan. Dcngan pcrbandinganfraksi rasa alumunium dan rraksi fa sa silikonhasil analisis data dan dipcrbanyak dcnganstress rasa alumunium, bcsaran stress rasasilikon dapat dihitung. Gambar 8mcmpcrlihatkan pol a tcgangan sisa untuk rasaAI daD rasa Si. Tcrlihat, rasa alumuniummcngalami tegangan tensil dan rasa silikonmcngalami tcgangan komprcsi. Pada rasasilikon yang lcbih kcras, pcningkatankomposisi silikon mcnycbabkan tcganganmenuju positip, kcjadian bcrlangsung hinggakomposisi silikon sckitar 30%, tctapi Ic\\"at daTi

komposisi itu tcgangan mcnuju ncgatip.Kcjadian scbaliknya tcrjadi radiI rasa

UCAPAN TERIMA KASIHPcnulis bcrtcrima kasih pacta Bapak

Drs. Sutiarso M.Sc. dan Drs. Syahril M.Sc. alassaral1/diskusinya d.ln Kcpala PRSG Bapak DR.Jr. Bakric Arbic & star yang tclah ikut mcmbcriandil dalam pcnclitian ini.

96

PUSTAKA1. DJAPRIE SRIATI, DIETER GEORGE E.,

"Metalurgi Mekanik", Erlangga,Jakarta,1993.

2. SURDIA TATA, SAITO SHINROKU,"Pengetahuan Bahan Teknik", PT.Pradnya Paramita, Jakarta,1995.

3. DAVID JOSEPH R. ET.ALL, "ASMHandbook", ASM International, USA,1992.

4. MARSONGKOHADI, RIDW AN,GUNAWAN dan PRASUAD W.,Penelitian ilmu bahan menggunakan teknikhamburan neutron di Pusat PenelitianSains Materi (pPSM-BATAN), disajikandalam Kongres IImu pengetahuan Nasional(KIPNAS) VI di Serpong, 11-15 september1995.

5. BACON G. E.," Neutron Di./Jraction II

Oxford University Press, 1962.6. ALLEN A. J., HUTCHINGS M. T., dan

WINDSOR C. G. " Neutron Di./Jraction

Methodes for Residual Stress Fields ",Advances in Physics, 34,No.4, 1985, 445-473.

7. KLUG,H.P. and ALEXANDER,L.E.,x-rayDi./Jraction Procedures, 2nd ed.,pp.618-708,Wiley, New York, (1974).

.CAGLIOTTI, G., PAOLETTI, A. andRICCI, F. P., Choice of Collimation for aCrystal Spectrometer for NeutronDiffraction,Nuc. Instrum.,3, 223-28 (1958).

-.WANG. XUN-LI, HUBBARD, C.R.,ALEXANDER, K. B., BECHER, P. F.,FERNANDEZ-BACA,J. A.,SPOONER,S.,J.Am. Ceram. Soc.,77 [6] 1569-75 (1994).

10 NOY AN, I.C. and COHEN,J.B., ResidualStress Measurement by Diffraction andInterpretation, Springer-Verlag, New York,1987.

11. IZUMI FUJIO, A. Rietveld -RefinementProgram RIETAN-94 for Angle-DispersiveX-Ray and Neutron Powder Di./Jraction.NIRIM, Japan, (1994).

12. IGOR -PRO, Perangkat lunak pengolahdata, (1995).

13. COOPER,M.J. and NATHANS,R., ActaCryst., 23, 357 (1967).

14. SVENSSON, E.C., BROCKHOUSE, B.N.and ROWE, J.M., Phys. Rev. 155, 619(1967).

15. GUNAWAN,SUTIARSO, MAULANA,A,RACHMAN,E.G.,PARIKIN, SETIAWAN

Y A TNO, Efek Komposisi dan PerlakuanPanas Terhadap Kekerasan Paduan AISi,Basi1-hasi1 Pene1itian PPSM (1996).

16. HUTCHINGS,M.T. and KRAWITZ,A.D.,Measurement of Residual and AppliedStress Using Neutron Diffraction, 115-130,(1992), K1uwer Academic Publishers,Nederlands.

17. NYE, J. F., Physical Properties ofCrystals, Oxford University Press, Oxford,U.K.(1985).

18. SUTIARSO, PARIKINdan GUNAWAN,Analisis Kuantitaf Dengan Teknik DifraksiNeutron Dan Metode Rietveld, Proc. sem.Hasil Penelitian daD PengembanganBidang Fisika Terapan, LIPI, Bandung,(1995).

8

Q

()7