September 2017, Vol. 02, No. 01, hal 10 – 16 jurnal.untag-sby.ac.id/index.php/jhp17

## Studi Eksperimental Deformasi Kristal Pada Daerah Haz Dengan Menggunakan Xrd Dan Metode Scherrer
Hery Irawan 1 , Sukendro Broto S 2 , Anzhaldy 3
1 Jurusan Teknik Mesin, ITATS Email : hery@itats.ac.id
2 Jurusan Teknik Mesin, ITATS
3 Jurusan Teknik Mesin, ITATS

## Abstrak
Pengelasan merupakan teknologi sering digunakan untuk menggabungkan komponen menjadi bagunan rangka bodi mesin. Parameter las yang tepat dapat menhindari terjadinya cacat las, termasuk pada pengelasan baja AISI 1045. Studi mengenai deformasi hasil las diperlukan untuk menghindari cacat las
Parameter  las  digunakan  di  penelitian  ini  adalah  kuat  arus  las  dan  tebal  pelat.  Alat  las digunakan las GMAW dengan pengoperasian manual. Elektrode digunakan tipe AWS A/SFA 5.18ER. 70S-6.  Kuat  arus  digunakan  175  A,  225  A  dan  275.  Analisa  struktur  kristal  dengan  metode  X-Ray Deffractometer  dan  metode  scherrer  untuk  mengetahui  perkembangan  kristal  akibat  efek  kuat  arus dan laju pendinginan akibat dimensi benda kerja
Hasil pengujian XRD ditunjukkan kristal logam mengalami kenaikan peak gelombang X-Ray 40 % pada logam induk, 30 % pada HAZ dan 25 % pada logam las. Hasil pencocokan dengan kartu JCPDS  ( Joint Comittee Powder on Diffraction Standards )  #750910,  sudut  hamburan  dan  intensitas yang paling mendekati adalah 2 pada 44,713 0 , intensitas sebesar 338 pada sample base metal , dengan bidang  hkl  (022),  yang  merupakan  Fe 3 C  dengan  orthorombik  dan  parameter  kisi  a  =  4,518  Å,  b  = 5,069 Å dan c = 6,736 Å.
Kata Kunci :  HA Z , Struktur Kristal, XRD, JCPDS.

## Abstract
The  welding  process  as  technology  that  commonly  is  used  to  join  some  part  become  the engine frame. The correct parameter can avoid the welding defect on the weld result, i.e. the welding of AISI 1045. The study of welding deformation is needed to avoid the weld result from the welding defect.
The welding current and the plat thickness are as the research parameter. As the welding tool is  used  GMAW  that  manually  operated.  An  electrode  type  AWS  A/SFA  5.18ER.  70S-6  as  the welding  electrode.  The  welding  current  are  175  A,  225  A  and  275  A.  The  crystallic  structure  are analysed  by  using  X-Ray  Deffractrometer  and  Scherrer  methods  are  used  to  know  the  crystallic development as the weld current and the cooling rate as dimensional effect.
The result of metal structure at XRD test are showed increased about the peak of X-Ray wave about 25 % at the base metal, 30 % at the HAZ and 40 % at the weld metal that are seen from the wave reflection of X-Ray. The maching result by using JCPDS is 750910. The nearest spread angle about  2  =  44,713 ・ ,  the  X-ray  intensity  about  338,  at  hkl  plane  (022)  as  Fe 3 C  has  orthorhombic structure with a = 4,518 Å, b = 5,069 Å dan c = 6,736 Å.
Keyword  :  HAZ, crystallics structure, XRD, JCPDS.

## Pendahuluan
Perkembangan pengelasan sudah sangat  berkembang  dewasa  ini,  termasuk didalamnya  penelitian  mengenai  deformasi
hasil  las  sebagai  bentuk  cacat  las.  Teknologi pengelasan  SMAW  sering  dijumpai  dalam proses  produksi  masal,  dikarenakan  sangat murah  dan  mudah  pengoperasiannya.  Las
SMAW    memiliki  kekurangan  dari H nett yang sangat  tinggi  dan  susah  didalam  pengaturan, sehingga kemungkinan menghasilkan cacat las dalam  bentuk  deformasi  kristal  sangat  besar. Las  GMAW  merupakan  teknologi  las  terbaru yang  memliki  kemampuan  mengendalikan masukan  panas  ( H nett ) yang  sangat  baik  jika dibandingkan dengan las SMAW.
Salah  satu  bentuk  cacat  yang merugikan  pada  hasil  las  adalah  deformasi bentuk  yang  belebihan  setelah  proses pendinginan selesai akibat masukan panas dari proses  pengelasan  yang  berlebihan.  Untuk mengatasi  deformasi  yang  berlebihan  pada hasil  las  diperlukan  proses  pembentukan  atau thermal revealing yang  membutuhkan  biaya dan  waktu  jika  dilakukan  didalam  proses produksi  [1],  sehingga  perlu  dilakukan penelitian  untuk  melihat  pengaruh  efek masukan  panas  dan  laju  pendinginan  sebagai efek dimensi benda kerja.
Banyak  penelitian  sudah  dilakukan untuk  mengetahui  efek  masukan  panas  dan laju  pendinginan  pada  hasil  las  dalam  bentuk makro  struktur.  Penelitian  makro  struktur penting  untuk  melihat  bentuk  deformasi  yang terjadi,  akan  tetapi  belum  dapat  menjelaskan perkembangan  mikro  struktur  [1][8][11][13] Perkembangan  mikro  struktur  didalam  logam akan  sangat  menentukan  hasil  makro  struktur dari  hasil  las.  Distorsi  kristal  yang  tidak seragam  dan  merata  dapat  menimbulkan tegangan  sisa  pada  batas  butir  yang  memicu terjadinya distorsi.
Penelitian ini dilakukan pada  material baja  medium,  dimana  karakteristik  sifat mekanik  baja  medium  mudah  diperbaiki secara  thermal  dan  pengunaannya  banyak digunakan  didalam  industri  otomotif  maupun struktur rangka bangunan.

## Kajian pustaka
Baja karbon AISI 1045 diklasifikasikan  menurut  standar American International and Steel Iron (AISI)  dalam  4 digit kode. Dua angka pertama adalah 10 yang menujukan  nominal  1/100  %  sebagai  contoh AISI 1045 menunjukan  kadar karbon 0,45 %. Baja  AISI  1045  adalah  jenis heat treatable steel dan  sering  digunakan  sebagai  bahan pembuatan komponen-komponen mesin [1][6]. Baja  kelompok heat treatable memiliki keuntungan  yaitu  sifat  mekanik  baja  yang dapat dimodifikasi dengan menggunakan heat treatment . Struktur yang dihasilkan dari proses
pemanasan  dan  pendinginan  yang  lambat adalah fasa ferit dan fasa perlit. Struktur mikro baja karbon medium (AISI 1045) dinormalisasi  menghasilkan  hasil  austenisasi pada  temperature  1095 0 C  pendinginan  di udara [1][6][7]. Mikro struktur baja AISI 1045 ditunjukkan pada gambar 1.
Gambar 1. Struktur mikro baja karbon medium AISI 1045.
Pemanasan  pada  suhu  723 0 C  dengan komposisi  0,8  %  C  disebut  dengan    titik eutectoid ,  jika  dilakukan  pemanasan  sebelum mencapai titik eutectoid , pada titik hypoeutectoid terbentuk fasa pearli t dan ferrit . Sedangkan dibawah hypereutectoid mempunyai  fasa pearlit dan cementit .  Pada pemanasan  melewati  garis eutectoid ,  terjadi perubahan  fasa  pearlit  menjadi austenite. Diagram phase baja ditunjukkan pada gambar 2. Daerah HAZ pada pengelasan baja medium mudah  keras  bila  dibandingkan  baja  karbon rendah  [1][6].  Sifatnya  yang  mudah  menjadi keras  ditambah  dengan  adanya  presipitasi hydrogen menyebabkan  baja  ini  sangat  peka terhadap  retak  las.  Ketika  dipanaskan  sampai pada  suhu  800-1200 0 C  dengan  komposisi 0,68  %  karbon  mencapai  fase austenite , kemudian  didinginkan  sampai  600 0 C menghasilkan  fase pearlit tetapi  bila didinginkan sampai batas kritis 738 0 C, fasa γ sebagian  akan  terdistorsi  menjadi  fase  α,  dan bila  dilanjutan  pendinginan  di  bawah  sedikit batas  kritis, ferrit akan  bergabung  didalam pearlit dan austenite akan  bertransformasi menjadi  besi  karbida  ( cementit ).  Pada  daerah dibawah A 1 didinginkan cepat, struktur kristal bertransformasi  menjadi cementit dan pearlit , dan holding time saat fase pendinginan sangat menentukan  perkembangan  butir  kristal [1][4][5][6].
Gambar 2. Diagram fasa besi karbon (Fe-C) [3].
Elektroda  tipe  ER70S-6  memiliki kandungan  silikon  terbesar  (1,15  %)  dan mangan  yang  besar  (1,85  %)  sebagai  elemen doksidasi  [3][11]  dan  sering  digunakan  untuk baja  karbon  rendah  menggunakan  gas pelindung  CO 2 dan  arus  listrik  yang  tinggi [1][5][6][7][11].  Komposisi  kimia  elektroda ditunjukkan pada tabel 1.
Tabel 1. Komposisi electrode standar AWS [3].
Pada pengelasan baja sering digunakan  gas  pelindung  CO 2 dengan  alasan faktor  ekonomis, welding speed yang  tinggi dan  penetrasi  yang  dalam,  jika  dibandingkan dengan  gas  pelindung  campuran  [3][5][6][7]. Pengelasan  carbon  steel  sering  menggunakan debit gas pelindung 10÷20 Lt/min.
Las  listrik  gas  metal atau gas metal arc welding (GMAW) adalah  alat  las  listrik yang  menggunakan  nyala  busur  listrik  yang berasal  dari  elektroda  yang  dipasok  terus- menerus  dalam  suatau  mekanisme  yang  tetap kedalam  kampuh  las.  Alat  las  ini  digunakan untuk  mengelas  baja  karbon,  baja  paduan rendah  berkekuatan  tinggi, stainless steel ,
aluminium,  tembaga,  titanium  dan  paduan nikel  dalam  segala  posisi  dengan  merubah jenis gas pelindung, elektroda, dan variabel las lainnya  [3][4][11].  Daya  generator  mesin  las ini digunakan jenis DC 9,5 ÷ 15KVA  dengan frekuensi  baik  50  maupun  60  Hz.  Skema  las GMAW ditunjukkan pada gambar 3.
Gambar 3. Mesin Las GMAW semi otomatis. (a) rangkaian alat las GMAW secara keseluruhan dan (b) proses pengelasan pada las GMAW [3].
Pemasok tenaga tipe pulsa terdiri dari dua  jenis  arus,  yaitu:  Arus  background  yang menahan  busur  tanpa  memberikan  cukup tenaga  untuk  melelehkan  logam  las  dan  arus yang berpulsa tumpang tindih (superimpossed) yang  beramplitudo  lebih      besar      dari      arus transisi      yang      berfungsi      menciptakan transfer    berbentuk  spray.  Karakteritik  arus busur  spray  dengan  berbentuk    pulsa ditunjukkan  pada  gambar 4.  Amplitudo  dan frekuensi   berfungsi   mengendalikan  tenaga busur,  yang  berperan  didalam  pengendalian laju  pencairan  logam  las.  Sehingga  dengan adanya  pembangkit  tenaga,  maka  transfer metal  tipe  pulsa  dapat  digunakan  untuk mengelas  pelat  tebal  dan  dalam  segala  posisi. Metal  transfer  tipe  pulsa  menggunakan  arus transisi,  yang  berada  diantara  globular  dan spray.
Gambar 4. Karakteristik arus busur spray berbentuk pulsa [3].
Proses  analisis  menggunakan X-ray diffraction (XRD)  merupakan  salah  satu metode  karakterisasi material yang paling tua dan paling sering digunakan hingga sekarang. Teknik  ini  digunakan  untuk  mengidentifikasi fase  kristal  dalam  material  dengan  cara menentukan parameter struktur kisi serta untuk mendapatkan  ukuran  partikel  [1][2][4].  Sinar- X  merupakan  radiasi  elektromagnetik  yang memiliki energi tinggi sekitar 200 eV sampai 1 MeV. Sinar-X dihasilkan oleh interaksi antara berkas elektron eksternal dengan elektron pada kulit atom. Spektrum sinar-X memilki panjang gelombang  10 -10 s/d  5 -10 nm,  berfrekuensi 1017-1020  Hz  dan  memiliki  energi  103-106 eV. Panjang gelombang sinar-X memiliki orde yang  sama  dengan  jarak  antar  atom  sehingga dapat  digunakan  sebagai  sumber  difraksi kristal. Tahapan kerja XRD terdiri dari empat tahap,  yaitu:  produksi  sinar-X,  difraksi, deteksi, dan interpretasi. Komponen utama X- ray diffraction ditunjukkan pada gambar 5.
Gambar 5. Komponen-komponen XRD [10]. Sinar-X  diarahkan  pada  bidang-bidang  kristal akan  timbul  pola-pola  difraksi  ketika  sinar-X melewati  celah-celah  kecil  di  antara  bidang- bidang  Kristal  tersebut.  Gambar  2.20 menunjukkan  difraksi  yang  terjadi.  Pola-pola difraksi  tersebut  sebenarnya  menyerupai  pola gelap  dan  terang.  Pola  gelap  terbentuk  ketika terjadi  interferensi  destruktif,  sedangkan  pola terang  terbentuk  ketika  terjadi  interferensi konstruktif dari pantulan gelombang- gelombang sinar-X yang saling bertemu. Pola refleksi  sinar  X  yang  memantul  ditunjukkan pada  gambar  6.  Interferensi  konstruktif tersebut  terjadi  sesuai  dengan  Hukum Bragg [10] berikut ini:
n = 2d sin θ dimana,  n  =  urutan  difraksi;    =  panjang gelombang  sinar-X;  d  =  jarak  antar  bidang kristal; dan θ = sudut difraksi.
Gambar 6. Refleksi sinar X yang mengenai objek [2].
Metode Penelitian
Metode  penelitian  ini  ditunjukkan pada gambar 7.
Gambar 7. Alur penelitian.
Spesimen  yang  digunakan  baja medium AISI  1045 dengan  komposisi  kimia Mn (0,7 %), P (0,01 %), S (0,02 %), Si (0,3 %) dan C (0,45 %). Spesimen benda kerja berasal dari  satu  lot  produksi  dalam  satu  pabrik pembuatan  baja.  Komposisi  elektroda  yang digunakan C (0,06 %), Si (0,9 %), Mn (1,7 %), P (0,02 %), S (0.03).
Start Perumusan Masalah Studi Penentuan Tujuan Persiapan Instrument Penelitian: Persiapan benda kerja Persiapan las GMAW. Variabel Respon (Pengujian) Pengamatan strukturbmakro. Pengukuran kristal logam daerah Variabel Bebas Arus (175 A, 225 A dan 275 A). Tebal pelat (5 mm,10 mm dan 15 mm). Analisa Analisa secara grafik hasil
pengujian XRD.
Kesimpulan End

## Studi Eksperimental Deformasi Kristal Pada Daerah Haz
Pelaksanaan eksperimen meliputi pengelasan  dengan  alat  las  GMAW,  foto makro,  dan  pengujian  XRD.  Data  hasil pengujian  XRD  berupa  informasi-informasi grafik, puncak difraksi, dan sudut Bragg yang nantinya digunakan sebagai perhitungan besar butir  kristal  logam  Hasil  perhitungan  kristal kemudian  diolah  dengan  menggunakan software origin .  Hasil  pengolahan  grafik dengan software origin nantinya  akan digunakan  untuk  menganalisa  pengaruh  kuat arus dan tebal pelat terhadap besar butir kristal di daerah HAZ tersebut. Kemudian disesuaikan  dengan  data  standart  difraksi sinar-X  (JCPDS).  Dari  data  grafik  XRD dilakukan  pencocokan  dengan  JCPDS,  dan foto  makro.  Kemudian  dianalisa  dan  ditarik kesimpulan.
Pengujian X-ray diffraction menggunakan mesin PANalytical X’Pert PRO MPD X-ray diffraction system type PW3040/60 dengan  spesifikasi  mesin  200  – 240  V,  single  phase  (50  atau  60  Hz),    arus maksimum 45 A, dimensi sistem (1975 mm x 1132  mm  x  1371  mm),  berat  mesin  1100  kg hingga  1250  kg  dan  maksimum  pembebanan 3200  kN/m 2 (3,2  Mpa  pada  sistem pembebanan four feet )  atau  12,8  kN/m 2 12,8 pada sistem tekanan rata – rata lantai).

## Hasil dan Pembahasan
Hasil pengujian dengan XRD dlakukan  pada  daerah  HAZ  pada  variasi  arus dan  tebal  pelat,  dimana  untuk  mengetahui perubahan  kristal  dilakukan  perbandingan dengan  logam  induk.  Hasil  pengujian  dengan menggunakan  XRD  pada  logam  induk ditunjukkan pada gambar 8.
Gambar 8. Hasil pengujian kristal pada logam induk sebelum dilakukan pengelasan.
Efek  masukan  panas  (H nett )  yang ditimbulkan  oleh  kuat  arus  memberikan perubahan peak difraksi  akibat  perubahan kecepatan  pendinginan  yang  ditimbulkan dimensi  benda  kerja.  Pengaruh  kecepatan pendinginan akibat perubahan tebal ditunjukkan pada gambar 9. Pada tebal 5 mm terlihat  tinggi peak tertinggi  diantara  tebal pelat  yang  lain,  dimana  mengindikasikan bahwa  kristal  yang  terbentuk  cenderung  lebih halus  didaerah  HAZ.  Sehingga peak yang terbentuk dari difraksi sinar X lebih tinggi jika dibandingkan  dengan  yang  lain  akan  tetapi masih  dibawah  peak  dari  logam  induk.  Dari hasil  menunjukkan  bahwa  dengan  ketebalan yang  tinggi,  masukkan  panas  belum  bisa ditanggulangi pendinginan akibat perpindahan panas dari dimensi kulit benda kerja, sehingga kristal  masih  bisa  berkembang  dengan  residu panas yang tertinggal didalam benda kerja. Efek  perubahan  masukkan  panas akibat  perubahan  kuat  arus  ditunjukkan  pada gambar  9.  Efek  arus  pengelasan  ditunjukkan bahwa  arus  275  A  menimbulkan  ketinggian peak tertinggi, jika dibandingkan dengan yang lain.  Kejadian  tersebut  mengindikasikan bahwa  butir  kristal  didaerah  HAZ  lebih  halus jika  dibandingkan  dengan  yang  lain,  akan tetapi  masih  lebih  kasar  jika  dibandingkan dengan  logam  induk  yang  terlihat  tinggi peak masih lebih rendah dari logam induk. Masukan panas  yang  ditimbulkan  pemakaian  arus pengelasan.  Hasil  perhitungan  besar  butir kristal  ditunjukkan  pada  gambar  11  dan gambar 12.
Gambar 9. Peak difraksi arus 275 A terhadap ketebalan 5,10 dan 15 mm.
Gambar 10. Peak difraksi tebal 15 mm terhadap variasi arus 125, 150 dan 175 A.
Gambar 11. Perbandingan ukuran butir kristal logam di daerah HAZ akibat efek tebal pelat.
Gambar 12. Perbandingan ukuran butir kristal logam didaerah HAZ akibat efek kuat arus pengelasan.

## Kesimpulan
Dari  pembahasan  hasil  pengujian  XRD  dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut ini,
1. Efek  tebal  pelat  dapat  menimbulkan perpindahan panas yang menghasilkan phenomena pendinginan, dimana tebal pelat  5  mm  memberikan  memberikan kecepatan  pendinginan  tercepat  jika dibandingkan dengan tebal pelat yang lain.
2. Efek  kuat  arus  memberikan  bentuk masukkan  panas  kedalam  kristal logam  yang  memungkinkan  kristal berkembang,  dimana  arus  175  A memberikan  masukan  panas  yang merata  sehingga  butir  kristal  paling
halus  jika  dibandingkan  dengan  arus yang lain.
3. Pada  hasil  perbandingan  antara treatment dengan logam induk terlihat perbedaan  yang  signifikan  dalam ukuran butir kristal.

## Ucapan Terima Kasih
Penelitian ini terlaksana dengan sistem pendanaan  yang  berasal  dari  Kemenristek Dikti  dalam  bentuk  Hibah  skema  penelitian Dosen Pemula tahun pembiayaan 2017.

## Daftar Pustaka
[1] Amanto, H. dan Daryanto, (1999), Ilmu Bahan , Bumi Aksara, Jakarta. [2] Asis  J.T.,  Monin  V,  Teodosio  J.R.,
Gurova2  T.,  (2002),  “ X-Ray Analysis Of Residual Stress Distribution In Weld Region ”  Advances  in  X-ray  Analysis,
Vol 45 pp 225- 231.
[3] AWS  D1.1/D1.1  M  –  2002, Struktur Welding Code – Steel ,  American Welding Society, An American National Standart. [4] J.I.  Langford  and  A.J.C.  Wilson,
“ Scherrer after Sixty Years: A Survey and Some New Results in the
Determination of Crystallite Size ”,  J. Appl. Cryst. 11 (1978) pp 102-113. [5] Kou, Sindo, (2003), Welding Metallurgy, 2th Edition ,  John  Wiley and Sons, Canada.
[6] Kusmayadi, dkk, Analisa Hasil
Pengelasan SMAW Butt Join Pada
Baja AISI 1020 Dengan Variasi Tebal Pelat, Jurnal  Jurusan  Teknik  Material dan Metalurgi, Fakultas Teknik Industri, ITS, Surabaya.
[7] Smallman,  R.E.,  (1991), Metalurgi Fisik Modern ,  Gramedia  Pustaka Utama, Jakarta.
[8] Sukendro, BS., (2010), Analisa
Pengaruh Tebal Pelat Dan Kuat Arus Terhadap Distorsi Sudut Pada Pengelasan Multilayer Pelat Datar Dengan Metal Transfer Tipe Pulsa ,
ITS, Surabaya.
[9] Susita, Lely, R.M., dkk (2008), Analisa Struktur Kristal Lapisan Tipis Aluminium Pada Substrat Kaca Menggunakan XRD, ISSN  1411-1349, Vol 10.

## Studi Eksperimental Deformasi Kristal Pada Daerah Haz
[10] Warren,  8.E.,  1969 . X-Ray Diffraction, Addittionwesley. Messachssetfs.
[11] Widharto,  Sri,  (2001), Petunjuk Kerja Las , PT. Pradnya Paramita, Jakarta.
[12] Wiryosumarto,  Harsono  dan  Toshie Okumura
(2004),
Teknologi Pengelasan Logam ,  PT.  Pradnya
Paramita, Jakarta.
[13] ________,    2004. Metal  Hand  Book vol. 9 . ASM Hand Book Committee.