## Pengaruh Holding Time Annealing terhadap Perubahan Mikrostruktur Baja Struktur S690QL dan S235JR
Ari Wibowo * , Hanifah Widiastuti * , Nurul Laili Arifin*, Nugroho Pratomo Aryanto *
* Batam Polytechnics
Mechanical Engineering Study Program
Jl. Ahmad Yani, Batam Centre, Batam 29461, Indonesia
E-mail: ariwibowo@polibatam.ac.id , hanifah@polibatam.ac.id , laili@polibatam.ac.id , nugroho@polibatam.ac

## Abstrak
Baja  struktur  S690  dan  S235JR  banyak  digunakan  pada  peralatan  berat  untuk  struktur  kerangka  utama.  Pada umumnya, proses fabrikasi peralatan berat selalu melibatkan proses pengelasan yang berpotensi mengubah sifat mekanis material. Oleh karena itu, pada proses fabrikasi yang melibatkan kedua baja tersebut, dilakukan proses perlakuan panas setelah pengelasan untuk memodifikasi sifat mekanisnya. Proses perlakukan panas ini dilakukan terutama  untuk  menghilangkan  tegangan  sisa  dan  menurunkan  kegetasan  melalui  proses annealing .  Dalam penelitian ini, annealing dilakukan pada kedua baja tersebut untuk melihat pengaruh proses perlakuan panas pada kekerasan dan struktur mikro material. Pada kedua baja tersebut dilakukan proses annealing dengan suhu 760 o C, holding time 2, 4, 6, 8, dan 10 jam serta laju pendinginan 20 o C/jam. Setelah proses annealing, pengamatan dengan mikroskop  metalurgi  dilakukan  untuk  melihat  struktur  mikro  akhir  dilanjutkan  dengan  pengujian  kekerasan material  menggunakan  metode  Rockwell  B.  Hasil  pengujian  menunjukkan  bahwa holding  time  annealing mempengaruhi  fasa  dan  ukuran  butir  serta  kekerasan  baja  S690  dan  S235JR.  Ukuran  butir  terbesar  terbentuk dengan holding time 10 jam sementara kekerasan terendah juga didapatkan pada holding time 10 jam. Holding time annealing juga mempengaruhi perubahan fasa dari fine bainite menjadi ferrite dengan butir yang besar pada S690 dan menurunkan ukuran pearlite pada S235JR. Hasil pengujian juga menunjukkan bahwa holding time yang lama berpotensi menimbulkan efek dekarburisasi pada baja.
Kata kunci: Annealing, S690QL, S235JR, Struktur mikro, Kekerasan

## Abstract
The S690 and S235JR structural steels are widely used in heavy equipment for the main frame structure. In general, the  fabrication  processes  of  heavy  equipment  involve  welding  processes  that  could  change  the  mechanical properties of the materials. Therefore, in the fabrication process involving those steels, a heat treatment process is carried out after welding to modify the mechanical properties. The heat treatment process is conducted mainly to eliminate residual stresses and  to reduce brittleness through the annealing process. In this study, annealing was carried out on the two steels to observe the effect of the heat treatment process on the hardness and microstructure of the material. The annealing process was conducted at 760 o C, holding time varied at 2, 4, 6, 8 and 10 hours, and a cooling rate of 20 o C/hour. After the annealing process, observations with a metallurgical microscope were done to see the final microstructure, followed by testing material hardness using the Rockwell B method. The test results showed that the annealing holding time affected the phases and grain size as well as the hardness of the steel S690 and S235JR. The largest grain size is formed with a holding time of 10 hours while the lowest  hardness is also obtained at a holding time of 10 hours. Annealing holding time also affects the phase change from fine bainite to ferrite with large grains on S690 and reduces the size of pearlite on S235JR. The test results also show that long holding time has the potential to cause a decarburization effect on steel.
Keywords: Annealing, S690QL, S235JR, Microstructure, Hardness

## 1. Pendahuluan
Baja struktur S690QL dan S235JR banyak digunakan
sebagai  struktur  kerangka  utama  peralatan  berat, bangunan  maupun  jembatan  [1].  Baja  tersebut memiliki  komposisi  karbon  yang  rendah  namun
Jurnal Integrasi Vol. 13 No. 1, April 2021, 46-52 e -ISSN: 2548-9828
Accepted April 2021
memiliki kekuatan yang sangat tinggi. Klasifikasi baja tersebut  masuk  ke  dalam  golongan mild  steel yang memiliki pearlite dan ferrite dengan sifat mekaniknya yang  mudah  diubah.  Pada  proses  fabrikasinya,  baja tersebut  melalui  proses  perlakuan  panas  ( heat treatment ).  Dalam  standar  EN,  baja  S690QL dikategorikan  sebagai high  strength  steel (HSS) sedangkan baja S235JR dikategorikan sebagai normal strength  steel  (NSS).  Baja  S690QL  memiliki yield strength minimal 690 MPa dan karbon ekivalen (Cev) 0,65  yang  merupakan  produk quenching dan tempering ,  sedangkan  baja  S235JR  memiliki yield strength minimal  235  MPa  dan  Cev  0,35  yang merupakan  produk normalizing [2]–[4].  Perlakuan panas  setelah  proses  pengelasan/ Post  Weld  Heat Treatment (PWHT)  berupa annealing sering dilakukan  pada  material  hasil  pengelasan  dengan karbon  ekivalen  tinggi  karena  kecenderungan  untuk terjadinya  penggetasan  ( embrittlement )  pada  baja dengan  Cev  tinggi  sangat  sering  terjadi  yang mengakibatkan adanya keretakan setelah pengelasan [4], [5].  Baja  S690QL termasuk baja  yang memiliki Cev  tinggi  (Cev>0,52),  sehingga  diperlukan perlakuan  panas  pada  proses  fabrikasi  untuk menghilangkan  tegangan  sisa  dan  mengembalikan deformasi  yang  terjadi  akibat  pengelasan.  Proses perlakuan panas berpotensi mengubah mikrostruktur dan  kekerasan  material  sesuai  dengan  metode  yang digunakan.  Perubahan  yang terjadi dipengaruhi oleh suhu proses, waktu penahanan ( holding time ), dan laju pendinginan ( cooling rate ). Salah satu metode PWHT yang banyak digunakan adalah annealing . Proses ini dilakukan dengan cara memanaskan material sampai suhu  tinggi  yang  memungkinkan  terjadinya rekristalisasi  dan/atau  transformasi  fase  kemudian material  didinginkan  secara  perlahan,  biasanya dibiarkan  mendingin  di  dalam  tungku.    Pada penelitian ini, suhu yang digunakan merupakan suhu yang  umum  untuk  PWHT  [2],[6].  Periode holding time untuk  setiap  golongan  material  berbeda-beda sehingga waktu yang tepat perlu untuk diketahui agar karakteristik  material  akhir  yang  diinginkan  sesuai dengan  yang  diinginkan.  Oleh  karena  itu,  perlu dilakukan  pengujian  mikrostruktur  dan  kekerasan pada  baja S690QL  dan  S235JR  setelah  proses annealing dengan  variasi holding  time untuk mengetahui perubahan fasa dan kekerasannya.

## 2. Metodologi Penelitian
Spesimen dibuat dari  plat baja S690QL dan S235JR yang  dipotong  dengan  ukuran  15x15x15mm menggunakan bandsaw seperti  ditunjukkan  pada Gambar 1. Pada specimen ini dilakukan karakterisasi komposisi  kimia  dari  material  baja  S690QL  dan S235JR menggunakan Optical Emission Spectroscopy (OES)  untuk  membandingkan  apakah  komposisi kimia material sesuai dengan standar spesifikasi yang disajikan pada Tabel 2.
Persiapan spesimen sebelum proses perlakuan panas
dilakukan dengan cara menghaluskan dan meratakan salah  satu  permukaannya  setelah  pemotongan. Selanjutnya spesimen dipanaskan dalam tungku pada suhu  760 o C  [2],[6].  Mekanisme  pemanasan  yang dilakukan  pada  penelitian  ini  ditunjukkan  pada Gambar  2  dan  Tabel  2.    Heat  treatment  dilakukan dengan menggunakan tungku carbolite 1600 dengan pengendali  kecepatan  pendinginan.  Annealing dilakukan  dengan  kecepatan  pendinginan  20 o C/jam untuk semua material sampai pada suhu kamar. Waktu yang dibutuhkan untuk pendinginan dari suhu 760 o C sampai 15 o C sekitar 38 jam.
Gambar 1. Dimensi Spesimen yang Digunakan

## Tabel 1. Komposisi kimia baja S690QL dan S235JR
[7], [8]
Grade C Mn Si Ni S Cr P S235J R ≤0,1 7 ≤1,4 0 - - ≤0,03 5 ≤0,03 5 S690Q L ≤0,2 ≤1,7 0 ≤0,8 0 ≤2, 0 ≤0,01 ≤1, 5 ≤0,2 Tabel 2. Variable heat treatment Nomor Specimen (S690QL dan S235JR) Holding time 1 10 jam 2 8 jam 3 6 jam 4 4 jam 5 2 jam
Gambar 2. Mekanisme Perlakuan Panas
Setelah  proses annealing ,  selanjutnya  specimen digerinda  dengan  kedalaman  5  mm  untuk  diuji kekerasan  dan  struktur  mikronya.  Hal  ini  dilakukan
untuk  menghindari  efek  dekarburisasi  (hilangnya karbon  dari  paduan  akibat  reaksi  dengan  oksigen) karena penggunaan tungku atmosfer. Efek dekarburisasi bisa mempengaruhi perubahan kekerasan dan struktur mikro dari baja.
Pengujian kekerasan yang digunakan adalah metode Rockwell  B  [9].  Material  dipreparasi  melalui pengamplasan  dengan  grit  60  dan  grit  800  masing- masing  selama  10  menit.  Pengujian  kekerasan dilakukan pada material masing-masing sebanyak tiga titik.
Pengujian struktur mikro dilakukan di bagian tengah material atau pada titik yang berjarak minimal 5 mm dari tepi material. Preparasi pengujian struktur mikro dilakukan dengan pengamplasan material dengan grit 60,  800  dan  1200  masing-masing  selama  10  menit. Setelah  pengamplasan,  dilakukan polishing dengan menggunakan  magicsoll  sebagai  pengganti  pasta alumina  selama  5  menit.  Preparasi  specimen dilanjutkan dengan etching natal  (3% NaOH  +  97% Ethanol) [10]. Pengamatan terhadap persentase fase- fase  material  dan  ukuran  butir  dilakukan  dengan bantuan software open source ImageJ [11].

## 3. Hasil dan Pembahasan
Hasil pengujian spektroskopi (Tabel 3) menunjukkan bahwa  material yang digunakan telah sesuai  dengan standar  spesifikasi  seperti  yang  ditampilkan  pada Tabel  2.  Hasil  pengujian  struktur  mikro  sebelum perlakuan panas annealing ditunjukkan pada Gambar 3. Struktur mikro baja S690QL (Gambar 3a) sebelum annealing menunjukkan  fase bainite [3],  [4], sedangkan struktur mikro baja S235JR (Gambar 3b) sebelum annealing menunjukkan  kombinasi  fase ferrite dengan warna putih dan pearlite dengan warna gelap  [3].  Persentase pearlite pada  gambar  mikro tersebut  adalah  ±20%.  Pada  Gambar  4,  dua  gambar mikro tersebut menunjukkan mikrostruktur dari baja S690QL (Gambar 4a) dan S235JR (Gambar 4b) yang mengalami  perubahan  akibat annealing dengan kecepatan yang sangat rendah. Gambar diambil dari permukaan baja dengan kedalaman kurang dari 50µm. Kedua  gambar  tersebut  menunjukkkan  fase ferrite 100%  akibat  terjadinya  dekarburisasi.  Ukuran  butir dari  permukaan  baja  tersebut  juga  mengalami perubahan  menjadi  lebih  besar  dibanding  dengan material  awal.  Diameter  rata-rata  ukuran  butir S690QL  sebesar  30±10µm  sedangkan  ukuran  butir S235JR adalah 23+9µm.
Kedalaman atau penetrasi dari dekarburisasi baja yang terjadi  pada  material  tersebut  bisa  dilihat  pada Gambar  5.  Dekarburisasi  pada  baja  S690QL  terjadi sampai  kedalaman  ±200µm  (Gambar  5a)  sedangkan pada  baja  S235JR  sampai  ±400µm  (Gambar  5b). Perbedaan  kedalaman  dekarburisasi  ini  disebabkan oleh  komposisi  karbon  pada  kedua  baja  tersebut dengan  S690QL  memiliki  kandungan  karbon  lebih tinggi.  Gambar  mikro  dekarburisasi  pada  Gambar  5
didapatkan pada holding time 6 jam.
Tabel 3. Komposisi kimia baja S690QL dan S235JR

## hasil pengujian OES
Grade C M n Si Ni S Cr P S235JR 0,1 6 1,1 0,1 0,01 2 0,01 0,0 2 0,0 2 S690Q L 0,1 9 1,6 0,6 3 0,9 0,00 8 0,0 2 0,1
Gambar 3. Struktur mikro material asal a) S690QL, b) S235JR
Bainite Ferrite Pearlite b a a
Gambar 4. Struktur mikro permukaan baja akibat dekarburisasi a) S690QL, b) S235JR
Gambar 5. Profil samping struktur mikro baja yang mengalami dekarburisasi a) S690QL, b) S235JR
Hasil  pengujian  struktur  mikro  akibat  perbedaan holding  time  dipresentasikan pada  Gambar 6  dan  7. Dibandingkan dengan material asal pada Gambar 3a, baja  S690QL  mengalami  peningkatan  ukuran  butir yang cukup signifikan, namun peningkatannya  tidak bisa  dikuantifikasi  karena  keterbatasan software . Sebagian dari fase bainite pada S690QL juga berubah menjadi  ferrite  dan  sebagian  tetap  bainite  [3].  Dari kedua  gambar  tersebut,  dapat  dilihat  bahwa  ukuran butir  pada holding  time 10  jam  (Gambar  6a)  lebih besar  dibanding  dengan holding  time yang  lain (Gambar 6b-Gambar 6e). Hal ini menunjukkan bahwa
semakin lama holding time maka akan semakin besar ukuran butir yang disebabkan oleh tersedianya cukup waktu untuk butiran berkembang.
a b d c b b a
Gambar 6. Struktur mikro baja S690QL setelah annealing dengan holding time: a) 10 jam, b) 8 jam, c) 6 jam, d) 4 jam, e) 2 jam
Gambar  7  menunjukkan  mikrostruktur  dari  baja S235JR yang mengalami perubahan. Pada gambar 7a dapat  dapat  dilihat  bahwa holding  time 10  Jam meyebabkan jumlah dan ukuran butir pearlite paling kecil di antara holding time yang lain yaitu Gambar 7b untuk  8  Jam,  Gambar  7c  untuk  6  Jam,  Gambar  7d untuk 4 jam, dan Gambar 7e untuk 2 jam. Persentase fase pearlite ditunjukkan  oleh  Gambar  8.  Jumlah pearlite paling  sedikit  didapatkan  pada  specimen dengan holding time 10 jam yaitu sekitar 8%.
a b e e Pearlite c d d d
Gambar 8.  Persentase pearlite terhadap holding time annealing.
Hasil pengujian kekerasan ditampilkan pada Gambar 9.  Pengujian  kekerasan  menunjukkan  bahwa  terjadi penurunan kekerasan material yang cukup signifikan setelah annealing pada baja S690QL. Kekerasan baja S690QL  sebelum annealing adalah  38  HRC  (±110 HRB)  [12],  sedangkan  kekerasan  setelah annealing paling  rendah  adalah  64  HRB  yang  terjadi  pada spesimen  dengan holding  time 10  jam.  Penurunan kekerasan  tersebut  kemungkinan  disebabkan  oleh perubahan  mikrostruktur  dari fine  bainite menjadi ferrite dengan ukuran butir yang lebih besar. Di sisi lain,  hasil  pengujian  kekerasan  pada  baja  S235JR menunjukkan  perubahan  kekerasan  yang  tidak signifikan. Baja S235JR sebelum annealing memiliki kekerasan 80 HRB sedangkan paling rendah memiliki kekerasan 65 HRB. Dari hasil ini, maka dapat diamati bahwa penurunan nilai kekerasan pada high strength steel jauh  lebih  besar  dibanding  dengan normal strength steel [13].
Gambar 9. Hasil pengujian kekerasan

## 4 Kesimpulan
Annealing  pada  baja  S690QL  menyebabkan terjadinya  perubahan  mikrostruktur  dari fine  bainite menjadi ferrite dengan  ukuran  yang  lebih  besar. Perubahan  mikrostruktur  tersebut  juga  diiringi  oleh perubahan  nilai  kekerasan  menjadi  lebih  kecil. Annealing pada  baja  S235JR  tidak  menyebabkan perubahan  struktur  mikro  yang  cukup  signifikan dikarenakan  material  awal  sebelum annealing memiliki  ukuran  butir  yang  besar.  Penurunan
kekerasan  pada  baja  S690QL  jauh  lebih  besar dibanding  S235JR.  Terjadi  penurunan  presentase pearlite  pada  baja  S235JR. Annealing dengan kecepatan  yang  rendah  akan  menyebabkan dekarburisasi sampai pada kedalaman ±200µm untuk baja S690QL dan ±400µm pada baja S235JR.

## 5 Daftar Pustaka
[1]  X. Liu, K.-F. Chung, H.-C. Ho, M. Xiao, Z.-X. Hou, and D. A. Nethercot, “Mechanical behavior of high strength S690-QT steel welded sections with various heat input energy,” Eng. Struct., vol. 175, pp. 245–256, 2018.
[2]  H.  Cerjak,  O.  Caliskanoglu,  N.  Enzinger,  G. Figner, and M. Pudar, “Increasing of toughness of brittle type S690 HSS weld metal by application of reversible temper embrittlement (RTE),” Weld. World, vol. 61, no. 1, pp. 75–79, 2017.
[3]  R.  Lacalle  et  al.,  “Influence  of  the  Flame Straightening  Process  on  Microstructural,
Mechanical and Fracture Properties of S235 JR,
S460 ML and S690 QL Structural Steels,”  Exp. Mech., vol. 53, no. 6, pp. 893–909, 2013.
[4]  L.  Tuz,  “Evaluation  of  Microstructure  and Selected  Mechanical  Properties  of  Laser  Beal Welded  S690QL  High-Strength  Steel,”  Adv. Mater. Sci., vol. 18, no. 3, pp. 34–42, 2018.
[5]  M.  S.  Zhao,  S.  P.  Chiew,  and  C.  K.  Lee,  “Post weld  heat  treatment  for  high  strength  steel welded  connections,”  J.  Constr.  Steel  Res.,  vol. 122, pp. 167–177, 2016.
[6]  A.  Sharma,  D.  Kant  Verma,  and  S.  Kumaran, “Effect  of  post  weld  heat  treatment  on microstructure and mechanical properties of Hot Wire  GTA  welded  joints  of  SA213  T91  steel,”
Mater.  Today  Proc.,  vol.  5,  no.  2,  Part  2,  pp. 8049–8056, 2018.
[7]  European  Structural  Steel  Standard,  EN  10025:
2004 Part 2— Technical delivery conditions for non-alloy structural steels. .
[8]  European  Structural  Steel  Standard,  EN  10025: 2004 Part 6— Technical delivery conditions for flat  products  of  high  yield  strength  structural steels in the quenched and tempered condition. .
[9]  ASTM  E18:2016  Standard  Test  Methods  for
Rockwell Hardness of Metallic Materials. .
[10] ASTM  E407:2007  Standard  Practice  for
Microetching Metals and Alloys. .
[11] A. F. Ireti, A. E. Omeiza, K. M. Oluwasegun, I. D.  Adeyemi,  O.  A.  Adewale,  and  E.  Gnozi,
“Comparision of Imagej Analysis of Structure of Two  Constructional  Steel,” Am.  J.  Engineeding
Appl. Sci., vol. 11, no. 1, pp. 318–326, 2018.
[12] ASTM  A370:2016  Standard  Test  Methods  and Definitions  for  Mechanical  Testing  of  Steel
Products. .
[13] S.  P.  Chiew,  M.  S.  Zhao,  and  C.  K.  Lee, “Mechanical  properties  of  heat-treated  high strength steel under fire/post-fire conditions,” J.
Constr. Steel Res., vol. 98, pp. 12–19, Jul. 2014.