## Makrostruktur dan Permukaan Patah dalam Uji Tarik Terhadap Perlakuan Panas pada Baja Karbon Rendah
Nofriady. H dan Ismet Eka. P Jurusan Teknik Mesin - Institut Teknologi Padang Jl. Gajah Mada Kandis Nanggalo – Padang Tlp. 0751-443317

## Abstract
Baja karbon rendah kekuatan tinggi memperlihatkan kombinasi yang baik dalam kekuatan dan keuletan yang  menarik  perhatian  dari  berbagai  penelitian.  Tujuan  dari  kajian  ini  adalah  untuk  menyelidiki  dan mempelajari dalam analisa mikrostruktur dan perilaku permukaan patah pada tensile properties dengan variasi temperatur  pada  baja  dual  phase.  Sebelumnya,bahan  telah  di  austenised  pada  temperatur  1000  C  selama  30 menit dan diikuti dengan water quench untuk menghasilkan full martensit pada specimen. Kemudian bahan di anneal  dalam  kawasan  interkritikal  untuk  mendapatkan  20,  50  dan  80%  ’.  Mikrostruktur  baja  dual  phase setelah  di  annealing  pada  daerah  dual  phase  dan  water  quenching,  kekerasan  baja  dual  phase  ini  meningkat dengan seiring meningkatnya vol.% martensit. Disamping itu, volume % martensit yang dihasilkan adalah lebih banyak  dari  pada  ferit.Perubahan  tegangan  dan  regangan  lebih  tinggi/meningkat  dari  pada  kondisi  20%  dan 50%.  Dari  kondisi  pengujian  tarik  ini  dapat  disimpulkan  bahwa  dengan  meningkatnya  vol.%  martensit  maka tegangan  maupun  regangan  bahan  meningkat.Kekerasan  bahan  meningkat  dengan  meningkatnya  %vol. martensit, ini terlihat bahwa kekerasan baja Cu adalah lebih tinggi dari baja base.
Kata Kunci :  Uji Tarik, Mikrostruktur, Baja Karbon Rendah dan Perlakuan.

## PENDAHULUAN
Material  baja dual  phase saat  ini  menjadi lebih  penting  di  dalam  industri  otomotif,  dimana kekuatan tinggi dan elastisitasnya yang tinggi tanpa mengurangi reduksi pengurangan berat, formability dan  karbon  rendah.  Salah  satu  cara  untuk meningkatkan mikrostruktur baja adalah dipanaskan  kedalam  daerahintercritikal (α+γ), dimana antara temperatur kritikal Ac 1 dan Ac 3 [1]. Mikrostruktur yang diperoleh, dimana utamanya berisikan ferit dan martensit, adalah suatu syarat  pilihan  yang  terbaik  untuk  aplikasi  dimana low yield strength , high tensile strength , continuous yielding dan gooduniform  elongation .  Baja  DP mengandung  penguatan  struktur-struktur  ferit  dan martensit  ulet  yang  ditunjukkan  seperti  pulau– pulau,  ciri-ciri  mekanik  untuk  kekuatan  tinggi secara  komersial  yang  bisa  didapati  pada  baja campuran  rendah.  Ini  diketahui  bahwa  kekuatan baja  dapat  dengan  mudah  ditingkatkan  dengan meningkatkan  kandungan  karbon,  tetapi ductility dan toughness akan  menjadi  lebih  rendah  sehingga meningkatkan  kandungan  karbon  tidak  dapat digunakan.  Disisi  lain,  penambahan  elemen pengganti seperti  Cu dapat  meningkatkan  kekuatan dan kekerasan pada baja [3].
Kekuatan baja dual phase dapat ditingkatkan dengan  meningkatkan  jumlah  karbon,  karena karbon  sangat  berpengaruh  dalam  meningkatkan kekuatan martensit. Akan tetapi ia akan
menurunkan  keuletan  dan  rasio  kekuatan  dengan keuletan  baja  tersebut.  Maka  dari  itu,  salah  satu cara  untuk  meningkatkan  sifat  mekanik  baja dual phase adalah  dengan  penambahan  unsur  pengganti seperti Cu. Penambahan Cu dapat digunakan dalam meningkatkan  sifat  mekanik  baja  karena  unsur  Cu ke  dalam  baja  akan  meningkatkan  kekuatan  dan keuletan serta kekerasan baja [5].
Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk mengetahui perbedaan dalam perilaku uji tarik baja base  dengan  tambahan  unsur  Cu  pada  baja  dengan metoda perlakuan panas.

## METODE EKSPERIMEN
Bahan yang digunakan dalam eksperimen ini adalah  baja  dengan  0.1%  C  dan  sampel  Gambar  1 adalah  bahan  uji  komposisi  kimia  yang  di  analisa dengan  menggunakan  mesin FoundryDry-Master Xpert dan  hasil  seperti  terlihat  pada  komposisi kimia  bahan  Tabel  1.  Bahan  telah  di austenised pada  temperatur  1000  C  selama  30  menit  dan diikuti  dengan water  quenching .  Kemudian  bahan di anneal didalam  kawasan  intercritical  untuk mendapatkan 20, 50 dan 80 vol% martensit.Temperatur untuk annealing telah ditentukan  dengan  menggunakan  program  JMatPro ( Java-based  Materials  Properties) .  Program  ini bertujuan untuk mendapatkan temperatur pemanasan  pada  20,  50  dan  80  vol%  sebagaimana yang ditunjukkan pada grafik Gambar 2. Specimen untuk uji tarik telah dipotong bentuk dumbell untuk
eksperimen  pengujian  tarik.  Pembentukan  sampel untuk proses pengujian tarik menurut standar ASTM E  8M ,  seperti  terlihat  pada  Gambar  3.  Proses perlakuan  panas  baja  untuk  perlakuan  masing- masing temperatur dan diikuti dengan water quench seperti skema pada Gambar 4, sedangkan Universal Testing  Machine  (UTM) yang  digunakan  dalam
melakukan  uji  tarik  adalah  jenis  Shimadzu kapasitas 300 kN pada Gambar 5.
Gambar  1.  Sampel  uji  untuk  proses  komposisi bahan baja.
Tabel 1. Komposisi kimia baja (wt%).
wt% C Cr Si Mo Mn Cu Ni Fe Baja base 0.10 0.50 0.48 0.12 1.57 0.01 0.01 Bal Baja Cu 0.11 0.54 0.51 0.10 1.65 1.0 0.01 Bal
Gambar 2. Grafik hubungan antara temperatur dengan vol.% α’ untuk memperoleh suhu pemanasan pada proses sebelum perlakuan panas pada 20, 50 dan 80 vol%.
Gambar 3.  Dimensi sampel untuk uji tarik menurut standar ASTM  E 8M (mm).
t = 5 mm 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 600 650 700 750 800 850 900 Tem peratur (C) Vo lu me % ma rte nsi te baja base baja Cu 20% 50% 80% 8 9 54 4 5
Gambar  4.  Grafik  proses austenised dan anneal yang  diikuti  dengan water  quench, baja  base  dan baja Cu.
Gambar  5. Universal  Testing  Machine  (UTM) kapasitas 300 kN

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 6 adalah hasil makrostruktur bahan, pada  area  20%  martensit  untuk  baja  base  dan  Cu, fasa  ferit  secara  umum  masih  lebih  terlihat  lebih banyak dari pada 50% dan 80% martensit. Susunan struktur ferit yang terbentuk lebih halus dan merata dan  mikrostruktur  tidak  menunjukkan  perbedaan yang  signifikan  dalam  kedua  baja  tersebut. Disamping  itu,  ada  area  20%,  50%  dan  80% martensit  pada  bagian  permukaan  patah  untuk semua bahan, terjadi pemisahan antara struktur ferit dengan  martensit  seperti  yang  ditunjukkan  pada Gambar  6  (tanda  panah).  Ini  disebabkan  karena pada bagian patah bahan terlebih dahulu mengalami deformasi akibat tarikan.
Pada  baja  base,  struktur  permukaan  patah yang  terjadi  secara  makro  terlihat  lebih  cepat mengalami  tarikan  dan  rata  pada  20%  dan  80%, jika  dibandingkan  dengan  baja  Cu  pada20%,  50% dan  80%.  Akibat  perubahan  deformasi  yang  besar,
patah ulet menunjukkan struktur yang berserat pada permukaan  patah.  Bentuk  patah  yang  terjadi  pada bahan  juga  dipengaruhi  oleh  kandungan  vol% martensit.  Perlakuan  patah  baja dual  phase juga dipengaruhi juga oleh jumlah martensit dan ukuran fasa [13].
Baja Cu Gambar 6 (b), morfologi permukaan  patah  akibat  tarikan  yang  terjadi  lebih ulet  dan  berserabut  serta elongation baja  dengan unsur  Cu  adalah  lebih  tinggi  dari  pada  tanpa  Cu. Pada gambar dapat dilihat bahwa bahan memperlihatkan dimple  fracture  surfaces dan  baja Cu rougher surface atau patah liat (ductile fracture) dibandingkan dengan baja base.
Suhu °C A3 A1 wq 730/710 °C 785/760 °C 1000 °C – 30 sec 820/800 °C – 30 sec wq
Gambar 6. Permukaan patah bahan setelah mengalami penarikan, baja base (a) dan baja cu (b), pada 20%, 50% dan 80 vol%.

## Analisa Tegangan
Pengujian  sifat  mekanik  dilakukan  adalah bertujuan  untuk  melihat  pengaruh  perubahan makrostruktur dan pengaruh penambahan unsur Cu pada baja. Variasi sifat mekanik seperti pengurangan luas permukaan dan kekuatan tegangan  akan  berpengaruh  terhadap  perubahan mikrostruktur  saat  penarikan.  Bentuk  martensit akan  menyebabkan  terjadinya  kondisi    maksimum dalam  pengecilan  luas  permukaan,  mengubah kekuatan  tegangan.  Ruang  antara  butir  yang  lebih halus akibat pembesaran volume martensit menyebabkan  kekuatan  tegangan  menjadi  lebih tinggi.  Sifat-sifat  tegangan  baja  yang  annealing, terlihat  bahwa yield dan  regangan  baja  meningkat dengan  meningkatnya %vol. martensit. Sebaliknya, pemanjangan  baja  akan  berkurang  saat  %  vol martensit meningkat.
Gambar 7 adalah grafik dari hasil pengujian tarik  baja  base  dan  Cu.  Gambar  7(a)  adalah  grafik pengujian  tarik  untuk  kedua  bahan  baja  pada kondisi 20%. Terlihat bahwa baja yang mengandung  unsur  Cu  1%  mempunyai  kekuatan tegangan  dan  regangan  yang  lebih  tinggi  jika dibandingkan  dengan  baja  base,  dimana  nilai UTS(ultimate  tensile  strength) dari  baja  Cu  pada 80%  adalah  sebesar  1410  Mpa  dan  baja  base  1351 Mpa.  Sementara  itu,  nilai YS(yield  stress) pada kondisi 80% untuk baja Cu juga menghasilkan nilai yang  tinggi  berbanding  baja  base  yaitu  575  Mpa. Pada kondisi ini, regangan bahan yang terjadi lebih tinggi  berbanding  pada  kondisi  50%  dan  80%.
Gambar 7(b) pada kondisi 50%, nilai tegangan baja meningkat  lebih  tinggi  jika  dibandingkan  pada kondisi 20%  untuk  kedua baja. Dalam  hal ini, baja Cu  juga  lebih  tinggi  dari  baja  base.  Grafik  gambar 7(c),  adalah  kondisi  pada  80%  martensit.  Grafik menghasilkan  perubahan  tegangan  dan  regangan yang lebih tinggi/meningkat dari pada kondisi 20% dan  50%.  Dari  kondisi  pengujian  tarik  ini  dapat disimpulkan  bahwa  dengan  meningkatnya  vol.% martensit  maka  tegangan  maupun  regangan  bahan meningkat.
20% a 20  m 20  m b 50% 80% 20% martensit 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Regangan (%) Te g a n g a n ( M P a ) base Cu a 50% martensit 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Regangan (%) T e g a n g a n ( M P a )
base Cu b
261 248 341,8 296 255 392 200 230 260 290 320 350 380 410 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Vol.% K e k e ra s a n ( H v ) base Cu Kesimpulan
Gambar 7. Grafik pengujian tarik kedua bahan pada kondisi area 20%, 50% dan 80%.

## Analisa Kekerasan
Pada Gambar 8 menunjukkan hasil pengujian kekerasan bahan yang dilakukan terhadap bahan yang telah diannealing pada % vol. martensit 20%, 50% dan 80%. Grafik menunjukkan perubahan  dalam  nilai  kekerasan  baja  sebagai fungsi  dari  %  vol.  martensit  dengan  meningkatkan temperatur  annealing.  Kekerasan  bahan  meningkat dengan  meningkatnya  %vol.  martensit,  ini  terlihat bahwa  kekerasan  baja  Cu  adalah  lebih  tinggi  dari baja base.
Walaupun kekerasan baja dengan penambahan  unsur  Cu  lebih  tinggi,  peningkatan nilai  kekerasan  pada  20%  tidak  menunjukkan perbedaan nilai yang signifikan keduanya. Sementara  itu,  pada  50%  dan  80%  baja  Cu  nilai kekerasannya  lebih  tinggi  dari  baja  base.  Oleh kerana  itu,  dapat  disimpulkan  bahwa  penambahan jumlah martensit dan penambahan unsur Cu mampu meningkatkan kekerasan baja.

## KESIMPULAN
Kesimpulan yang dapat diambil dari hasil penelitian ini adalah :
1. Morfologi  permukaan  patah  akibat  tarikan yang  terjadi  lebih  ulet  dan  berserabut  serta elongation baja  dengan  unsur  Cu  adalah  lebih tinggi dari baja base atau tanpa unsur Cu.
2. Sifat-sifat  tegangan  baja  yang  annealing, terlihat  bahwa yield dan  regangan  baja meningkat  dengan  meningkatnya  %  vol. martensit.
3. Kekerasan bahan meningkat dengan meningkatnya  %vol.  martensit,  ini  terlihat bahwa  kekerasan  baja  Cu  adalah  lebih  tinggi dari baja base.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Tayanc,  M.  Aytac,  A,  A.  Bayram.  (2007). A. The  Effect  of  Carbon  Content  on Fatigue  Strength  of  Dual-phase  steels. Materials  and  Design ,  Vol.  28,  pp.  1827-
1835 [2] Maleque, M.A. Poon, Y.M. Masjuki. H.H. (2004).  The  Effect  of  Intercritical  Heat
Treatment on the Mechanical Properties of
AISI  3115  steel. Journal  Materials Processing Technology, Elsevier, 152-154: pp. 482 - 487.
80% martensit 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Regangan (%) T e g a n g a n ( M P a ) Base Cu c
Gambar  8.  Grafik  nilai  kekerasan  bahan  pada masing-masing % area.
[3] H . Nofriady,  H.,  Syarif,  J.,  Omar,
M.Z. & Sajuri,  Z. (2009).  Influence of Cu on  Strength  and  Elongation  of  dual  phase steel. IJMME International . 4: pp.1-3.
[4] Seung  Chan  Hong,  Kyung  Sub  Lee. (2002).  Influence  of  deformation  induced ferrite  transformation  on  grain  refinement of dual phase steels. Materials Science and
Engineering , A323 : pp. 148-159.
[5] Syarif,  J.,  Nakashima,  K.,  Tsuchiyama,  T.
&  Takaki,  S.  (2007).  Effect  of  Solute
Copper  on  Yield  Strength  in  Dislocation- Strengthened  Steels. ISIJ  International
Vol.47: No.2: pp.340-345.
[6] Nobuo  Nakada,  Junaidi.  S,  Toshihro
Tsuchiyama, Setsuo Takaki. (2003).
Improvement of Strength-ductility Balance by  Copper  Addition  in  9%Ni  steels. Materials Science and Engineering, A374: pp.137-144.
[7] Ekrami,  A.  (2005).  High  Temperature Mechanical  Properties  of  Dual  phase steels. Material Letter , 59: pp. 2027-2074.
[8] Yoshiyuki  Tomita.  (1990).  Effect  of Morphology  of  Second  Phase  Martensite on  Tensile  Properties  of  Fe-0.1C  Dual phase  steels. Journal  Material  Science , Vol. 25, pp. 5179 - 5184.
[9] Sawar,  M.  Priestner,  R.  (1996).  Influence of  Ferrite  -  mertensite  Microstructural Morphology on Tensile Properties of Dual Phase  steels. Journal  Material  Science , Vol. 31, pp. 2091-2095.
[10] Annual Book of ASTM Standards. (2003). Metals  Test  Methods  and  Analytical Procedures.  Section  Three  Vol.  03.01. Pennsylvania: ASTM International.
[11] Callister,  W.D.  (2007).  Material  Science and Engineering : An Introduction . Seventh
Edition.  New  York:  John  Willey  &  Sons, Inc.
[12] Honeycombe, R.W.K. & Bhadeshia, H.K.D.H.  (2006).  Steels ,  Microstructures and  Properties .  Third  Edition.  Oxford:
Butterworth-Heinemann.
[13] Bayram  Ali,  Agah  Uguz,  &  Murat  Ula..
(1999).  Effects  of  microstructure  and notches  on  the  mechanical  properties  of dual-phase steels. Materials Characterization 43:259-269.