II. DASAR-DASAR METALURGI METAL FORMING
Transcript of II. DASAR-DASAR METALURGI METAL FORMING
w J OS I
II. DASAR-DASAR METALURGI METAL FORMING
Agar proses metal forming dapat berlangsung, haruslah bahan dari material
yang akan dikcrjakan memiliki persyaratan sebagai berikut :
- Material hams dapat memberikan perubahan plastis tanpa berakibat lepasnya
ikatan materi material terscbut (rusak/pecah) apabila mendapat gaya/tekanan dari
luar.
- Sifat plastis dari bahan yang dikerjakan. Hal ini merupakan karakteristik yang
sangat menentukan. Sifat ini dapat diteliti dengan uji tarik, dimana pada
pcrcobaan uji tarik, benda ditarik secara pcrlahan dan terus menerus sampai
patah.
Dalam pcrcobaan material, tegangan (stress) didefmisikan sebagai gaya per
satuan luas penampang :
G = F/Ao (1) [2.1]
Lange, Kurt, Handbook of Metal Forming. McGraw-Hill, p. 3.2
Dan regangan (strain) didefinisikan sebagai pcrtambahan panjang (Al) dibagi
dcngan panjang mula-mula (lo) :
e = Al/lo (2)
© © (T
.[2.2]
GAMBAR 2.
GRAFIK TEGANGAN-REGANGAN
Pada pcrcobaan uji tarik menghasilkan diagram tegangan-regangan sepcrti
yang ditunjukkan gambar 2.1. Pada gambar (a) dapat dilihat 2 daerah yang
mcmpunyai sifat berlainan :
- Daerah elastis (I).
Apabila bcnda mendapat gaya, maka pcrtambahan panjang ecl= Al/lo adalah murni
claslis, bcrarti apabila gaya dihilangkan maka dimensi benda akan kembali pada
keadaan semula. Pada daerah ini tidak mungkin terjadi suatu perubahan bentuk
yang permancn. Daerah ini ditandai dcngan suatu hubungan linier antara
10
gaya/tegangan dengan pemuaian panjang (garis lurus I), dengan persamaan (Ilk.
I looke):
a = E.e (3) [2.3]
dimana E adalah modulus elastisitas.
- Daerah elastis-plastis (II).
Apabila benda diberi beban lebih besar dari batas elastisnya maka benda akan
mulai mengalir (flow). Dengan dihilangkannya tegangan maka akan terlihat
pertambahan panjang atau perubahan bentuk yang permanen. Sesungguhnya
pertambahan panjang yang terjadi adalah jumlah pertambahan panjang elastis (ed)
dengan pertambahan panjang plastis (epl). Jika tegangan dihilangkan maka yang
sisa adalah pertambahan panjang plastis saja. Pada gambar terlihat bahwa
pcmbebanan bcrjalan dari titik O ke A dan pada saat beban dihilangkan dari A ke
B, akan mcninggalkan pertambahan panjang yang permanen OB=epl. Walaupun ecl
cukup kecil dibandingkan dengan epl tapi pengaruh dari ec, pada dimensi benda
jadi cukup besar, hal ini terjadi terutama pada proses bending. Oleh karena itu ec|
pcrlu diperhitungkan pada setiap proses agar benda jadi dapat sesuai dengan yang
diinginkan.
1. STRUKTUR KRISTAL DAN POLA DARI LOGAM
I I
Logain murni adalah elemen-elemen kimiawi yang secara teknik digunakan
hanya untuk kcperluan yang khusus (misalnya tembaga untuk konduktor). Tapi
. . fe :o-W-10 ' 'm «-)r : c - i.BT-W'm Mq • o -32-ia"n,c-5.2X)'"m
F<cB-centered Body-c»ntor»d Htx»gonal A. B. C, D, E, cubic IFCCI cubic (BCCI cloM-pscktd F, C. H
GAMBAR 2.2
SEL ELEMEN DARI SISTIM KRISTAL
scbagian besar bahan logam adalah campuran dari dua atau lebih logam lain. Sifat
mekanis dapat diketahui dari campuran logam tersebut.
Suatu logam mengandung sejumlah besar butiran tunggal yang dipisahkan oleh
batas butiran (grain boundaries). Butiran-butiran ini mempunyai struktur kristal
tersendiri. Bergantung pada perlakuan awal dan komposisi, ukuran butiran dapat
bcrvariasi (dari 10"4 mm sampai beberapa mm). Orientasi butiran termasuk batas
butiran dan cacat struktur, dinamakan pola (texture).
Dalam sebuah kristal, atom-atom berada pada posisi sedemikian rupa sehingga
jarak antara atom diulangi secara periodik dalam semua arah. Susunan atom yang
teratur ini dinamakan lapisan/kisi-kisi kristal (crystal lattice). Susunan atom pada
sctiap lapisan kristal dapat dijelaskan dengan konsep dari sebuah elemen sel
12
(gambar 2.2). Atom-atom tersebut berada pada keadaan seimbang pada posisi
lapisannya tcrhadap gaya tarik dan berlawanan arah, yang disebabkan
elektron-elektron dan nukleon. Strukur kristal dapat diperiksa dengan penyinaran
sinar X.
Pada umumnya tcrdapat 3 bentuk umum dari struktur kristal :
° Body centered cubic lattice
° Face centered cubic lattice
° Hexagonal lattice
Crystal structure
Fnce-cenlercd cubic (FCC)
Body-centered cubic (DCC)
Hexagonal
Metals having only one structure
Aluminum (Al) Nickel (Ni) Cop[>er (Cu) Silver (Ag) Platinum (Pt) Cold (Au) Lead (Pb)
Vanadium (V) Chromium (Cr) Niobium (Nb) Molybdenum (Mo) Tantalum (Ta) Tungsten (W)
Beryllium (Be) Magnesium (Mg) Zinc (Zn)
Metals having several structures and their temperature ranges
Iron (Fe) 911-I392°C (1672-2538°K) Cobalt (Co) > 1120°C (2048°F)
Iron (Fe) except 91I-1392°C (1672-2538°F) Titanium (Ti) >882°C (1620°F) Zirconium (Zr) >852°C (1566°F) 1 lafnium (Hf) > 1975°C (3587"^)
Titanium (Ti) <882°C (1620°F) Cobalt (Co) <1120<>C(2048°F) Zirconium (Zr) <852°C (1566°F) Hafnium (Hf) < 1975°C (3587°F)
TABEL 2.1
STRUKTUR KRISTAL BEBERAPA MATERIAL
Struktur dari beberapa logam penting diberikan pada tabel 2.1 . Sejumlah
logam mempunyai staiktur kristal yang berbeda pada suhu yang bcrbeda.
Pcmbahan struktur dari satu ke lainnya ini dinamakan perubahan fasa.
Bcntuk-bcntuk dari transformasi fasa ini scring timbul dalam bentuk campuran
13
logam (alloy) daripada logam murni, dan digunakan untuk mendapatkan sifat-sifat
tertentu.
2. DEFORMASI ELASTIS DAN PLASTIS PADA KRTSTAL TUNGGAL
DARI KRISTAL-KRISTAL SEMPURNA
2.1 Deformasi Elnstis
Mirip dengan hk. Hooke untuk gaya tarik atau tekan, terdapat hubungan
linier antara tcgangan geser Y dan pemindahan akhir y :
Y = G.y(4) [2.4]
tShtntt (a) (b)
GAMBAR 2.3
PERUBAHAN ELASTIS PADA LAPISAN KRISTAL
Dimana G adalah Modulus Elastisitas. Perubahan bentuk didasarkan pada
translasi atom-atom di dalam lapisan kristal. Hal ini dapat dijelaskan dengan
bantuan lapisan kubus sedcrhana, dimana atom-atom ditempatkan pada tepi
14
kubus. Gambar 2.3 menunjukkan bagaimana sebuah perubahan sudut pada
kristal sempurna dihubungkan dengan pergerakan atom keluar dari posisi
keseimbangan mereka. Pada perubahan elastis, perpindahan atom sangat
kecil sehingga mereka akan kembali ke posisi semula setelah gaya dilepas.
2.2 Dcformnsi Plastis
Terdapat dua mekanisme dasar yang menyebabkan deformasi plastis pada
metal. Kristal-kristal tunggal yang terdeformasi menunjukkan gradasi/
perubahan pada pcrmukaan yang dapat dijelaskan melalui kenyataan bahwa
bagian-bagian kristal bergeser satu dengan lainnya.
Percobaan-pcrcobaan pada kristal-kristal tunggal di dalam sistim
pergeseran menunjukkan hasil bahwa deformasi plastis mulai terjadi ketika
tegangan geser kritis tercapai. Proses lain yang dapat menyebabkan
deformasi plastis adalah proses pengembaran mekanis (mechanical
twinning) seperti pada gambar 2.4. Proses pengembaran mekanis ini dapat
dijelaskan sebagai berikut, dengan tegangan geser yang cukup besar, suatu
bagian dari pola/potongan kristal ditransformasikan menjadi sebuah posisi
yang kembar/sama. Bidang yang simetri disebut bidang kembar.
Berlawanan dengan pergeseran, dimana orientasi/arah tetap tidak berubah
di atas dan di bawah bidang geser, bentuk kembar mengacu pada perubahan
orientasi/arah di atas bidang kembar. Yang terpenting dari bentuk kembar
15
tcrletak pada kenyataan bahwa pergeseran yang baru masih akan terjadi
setelah perubahan orientasi.
* » » » »-» • - • • » » » j M » * » » • » » • • * - » - * • • • » » t » • * — T,vvin
i -9 ^ . t # » » • » » • p
V * ^ 1 *~~̂ » • 1 • 1 » • - •—•- •—»-# > • • k » »
GAMBAR 2.4
PENGEMBARAN MEKANIS
3. CACAT POLA/STRUKTUR LOGAM
Pada kenyalaannya, struktur kristal dari bahan metal terganggu oleh
bcrmacam-macam jenis cacat. Kristal yang mempunyai cacat struktur ini disebut
scbagai kristal yang scbenarnya.
3.1 Disloknsi
Dalam jangka waktu yang lama, para ilmuwan tidak dapat menjelaskan
mengapa kekuatan luluh material logam selalu lebih rendah dibandingkan
perhitungan teoritisnya. Berdasarkan ikatan antar atom, diperlukan gaya
yang lebih besar untuk menggeser suatu kristal secara serempak melewati
seluruh bidang geser. Kemudian penelitian selanjutnya menemukan terdapat
cacat struktur satu dimensi yang dapat inenyebabkan terjadinya pergerakan
16
pada struktur kristal yang discbut dislokasi. Relatif diperlukan gaya yang
lcbih kccil untuk menggerakkan dislokasi dalam suatu kristal. Terdapat dua
konsep untuk mempelajari pergeseran yang terjadi ini, yaitu :
1. Pergeseran serempak atau pergeseran homogen, dimana pergeseran
terjadi melewati seluruh bidang geser secara serempak atau dalam satu
kali pergeseran.
2. Pergeseran bcrurutan, dimana pergeseran terjadi secara bertahap
melewati bidang pergeseran dengan pergerakan dari suatu dislokasi,
sehingga memerlukan gaya yang lebih kecil.
GAMBAR2.5
KRISTAL SEMPURNA
GAMBAR 2.6
STEP DISLOCATION
17
GAMBAR 2.7
SCREW DISLOCATION
3.2 Tine-tine Dislokasi
Tipe-tipe dasar dislokasi dapat dijelaskan dengan bantuan struktur kubus
sederhana dimana di dalamnya atom-atom digambarkan sebagai
bulatan-bulatan (gambar 2.5-2.7). Pada gambar 2.5 ditunjukkan struktur
dari kristal yang sempurna. Sedangkan pada gambar 2.6 dan 2.7
ditunjukkan dislokasi kristal yaitu jenis step dislocation dan screw
dislocation.
3.3 Deformasi Plastis olch Pergerakan Dislokasi
Pergerakan dari dislokasi adalah mekanisme dasar dari deformasi plastis.
Gaya-gaya luar menyebabkan medan tegangan yang terpusat pada daerah
dislokasi. Jika gaya-gaya tersebut telah mencukupi maka dislokasi mulai
bergerak. Pada gambar 2.8, tampak atas dari struktur kristal step
dislocation, dimana setengah bidang H melewati struktur secara penuh dari
IS
MI n 111:11
1 1 1 I I • I I I
» WM
GAMBAR 2.8
LAPISAN KRISTAL STEP DISLOCATION
depan ke belakang dan mempunyai batas pada bidang geser G. Pergerakan
dislokasi karena tegangan geser Y dapat dijelaskan dengan kenyataan
bahwa kumpulan atom di bawah bidang geser menentang atom-atom lain
yang berada di atas dengan jarak satu atom ke kanan. Gambar 2.9a
menunjukkan kristal dengan step dislocation atom-atom pada bidang y
bergerak ke kanan selama terjadinya tegangan geser. Atom A beralih ke
posisi A' dan seterusnya seperti yang terlihat pada gambar 2.9b. Sekarang
bidang x mempunyai susunan atom lengkap dari atas sampai
m . . .
• i • • • • * » • * • • • • « • • • • • • « • • • a
• • • • • • • • • • • • • • • • • •
• i
• • • f • > • J » . . • . . • « • i | • > i • • • • • -*4£ • • • • • « • • * ] • • • » • • • t • ! • • • • • •
r (b)
GAMBAR 2.9
(cl
TAHAPAN PERGESERAN STEP DISLOCATION
19
bawah, dan bidang y berakhir pada bidang geser. Dengan demikian
dislokasi telah bergcrak I atom ke kanan. Gambar 2.9c menunjukkan kristal
setelah pergerakan dislokasi berakhir setengah bagian dari kristal telah
bergeser 1 atom sepanjang bidang geser terhadap bagian bawah.
4. ANISOTROPI
Dalam banyak proses pembentukan adalah memungkinkan untuk memulai
dengan konsep bahwa bahan metal kristal banyak (polikristal) mempunyai gejala
scperti sebuah isotropik dan mempunyai sifat yang sama di scmua bagian. Sebagian
besar material yang digunakan dalam teknik pembentukan adalah anisotropis, yaitu
mempunyai sifat yang berbeda dalam arah yang berbeda. Anisotropi dapat ditinjau
secara mekanis dan kristal. Anisotropi mekanis adalah ha! yang penting dalam
hubungannya dengan keretakan, sedangkan anisotropi kristal berhubungan dengan
kcluluhan dan deformasi plastis. Anisotropi mekanis, discbut juga dengan
penyeratan (fibering), dapat disebabkan oleh orientasi dan distribusi dari
kandungan bukan Iogam di dalam material, misalnya terak (slag) silikat.
Kandungan terak ini mempunyai kekuatan tarik kira-kira 30 % lebih kecil dalam
arah yang tegak lurus dengan arah pengerolan, dibandingkan dengan arah
pengerolannya. Anisotropi kristal disebabkan orientasi tertentu dari butir-butir
kristal yang membentuk material kristal banyak (polycristalline material), dimana
orientasi kristal ini ditentukan dari proses yang dilakukan. Hasil pengaturan arah
20
kristal ini disebut juga dengan tekstur. Karena kristal-kristal material mempunyai
sifat yang berbeda dalam arah yang berbeda, maka material bertekstur ini adalah
anisotropi. Sifat anisotropi ini terbukti dengan bervariasinya nilai-nilai seperti
modulus elastisitas, tegangan luluh, tegangan tarik, elongation dan sifat-sifat
lainnya.
Dalam perjanjian, besar relatif dari regangan dinyatakan sebagai nilai-r,
yaitu perbandingan regangan dalam arah lebar (ew) dengan regangan dalam arah
tebal (et):
r = e A (5)
Maka beberapa hal yang mungkin terjadi adalah :
1. Jika material adalah isotropik, ew = et dan r = 1. Dalam sebuah material
isotropik :
r 0 _ ^90 ~ r45 ~ 1
2. Nilai-r bervariasi dalam hubungannya dengan arah pengerolan :
r 0 ^ r90 ^ r45
Hal ini dinyatakan sebagai anisotropi planar yang menyebabkan timbulnya
beberapa masalah seperti timbulnya kupingan dalam proses deep drawing.
3. Jika nilai-r yang diukur pada permukaan plat sama dalam semua arah tetapi
tidak bernilai satu :
r 0 ~ r90 _ r45 ^ *
21
maka anisotropi yang terjadi adalah anisotropi normal, karena deformasi dari
spesimen yang diuji dalam arah tebal (normal terhadap permukaan plat),
mcmpunyai nilai yang lebih besar atau lebih kecil daripada dalam arah lebar.
4. Hal yang memungkinkan dan sering terjadi adalah anisotropi normal dan
planar timbul secara bersamaan :
5. DASAR-DASAR TEORI PLASTISITAS
Pada dasarnya teori plastisitas berhubungan dengan perhitungan tegangan,
gaya-gaya dan deformasi. Teori plastisitas lebih didasarkan pada gejala-gejala
makroskopis, atau dengan kata lain, sifat-sifat material dapat diteiiti dan diukur
secara langsung dalam proses deformasi, seperti percobaan tekan dan tarik. Hal ini
menuju pada penjelasan sederhana mengenai bentuk plastis.
Plastisitas adalah kemampuan dari material untuk berubah bentuk secara
permanen di bawah gaya-gaya yang bekerja ketika tegangan yang diberikan
mencapai titik yield strength atau initial flow stress. Hal ini dapat dilihat pada
percobaan jika gaya yang diberikan di bawah titik mulur (yield), maka deformasi
akan hilang saat beban dihilangkan (material menunjukkan gejala elastis). Jika gaya
mencapai titik mulur, deformasi yang permanen mulai terjadi dimana jika beban
22
dihilangkan maka benda kerja mcmpunyai bcntuk yang baru (berubah dari bentuk
asal). Dikatakan benda telah mengalami deformasi permanen/plastis.
6. REGANGAN
Dalam proses teknik pembentukan, regangan plastis atau regangan
permanen adalah jauh lebih besar dari yang elastis, sehingga regangan elastis sering
diabaikan. Percobaan-percobaan menunjukkan bahwa regangan plastis
berhubungan dcngan volume konstan material. Hal ini menjadi dasar dari
keseluruhan metal forming, yaitu selama proses pembentukan, volume selalu
konstan.
Atau bisa ditunjukkan dengan :
ex + ey + ez = 0