## ANALISA FRAKTOGRAFI PADUAN Cu-Zn 70/30 PADA BERBAGAI % DEFORMASI CANAI HANGAT
Eka Febriyanti 1,2 , Amin Suhadi 2 , Dedi Priadi 1 , Rini Riastuti 1
1 Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok, Indonesia
2 Balai Besar Teknologi Kekuatan Struktur (B2TKS), Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi PUSPIPTEK, Serpong, 16314, Indonesia
Email : eka.febriyanti@bppt.go.id

## ABSTRAK
TMCP  ( Thermo  mechanical  controlled  process )  merupakan  suatu  proses perubahan bentuk suatu material dengan cara memberikan regangan plastis yang besar dan terkontrol terhadap material. Salah satu metode TMCP yang sedang dikembangkan adalah pengerjaan canai hangat karena memiliki banyak kegunaan seperti dapat memberikan efisiensi energi dan kemudahan dalam  pengontrolan  dimensi.  Pengerjaan  canai  hangat  dengan  menggunakan  variasi persentase  deformasi  sebanyak  32,25%;  35,48%;  dan  38,7%  dari  penelitian  canai  hangat  di suhu 500°C secara double pass reversible dilakukan pada pelat paduan Cu-Zn 70/30. Dengan melakukan  pemeriksaan  fraktografi  menggunakan  analisa field  emission  scanning  electron microscope (FESEM)  dapat  dilihat  bahwa  patahan  uji  tarik  pada  material  paduan  Cu-Zn 70/30  memiliki  ukuran  dimple  yang  semakin  kecil  dan  bentuk  dimple  yang  lebih  dangkal seiring dengan bertambahnya persentase deformasi dan regangan canai hangat.
Kata kunci : TMCP , canai hangat, persentase deformasi, ukuran dimple

## 1. PENDAHULUAN
Pengerjaan  canai  hangat  merupakan salah  satu  metode  TMCP  yang  sedang dikembangkan  karena  memiliki  banyak kegunaan seperti dapat memberikan efisiensi energi dan kemudahan pengontrolan  dimensi  yang  lebih  baik dibandingkan  canai  dingin  [1].  Apabila dibandingkan  dengan  canai  panas,  canai hangat  akan  menghasilkan  morfologi struktur  butiran  yang  lebih  halus  dengan sifat  mekanis  yang  lebih  tinggi,  kualitas permukaan dan pengendalian dimensi yang lebih  baik,  serta  elemen  yang  terbuang akibat  proses  dekarburisasi  atau  oksidasi yang lebih rendah [2].
Deformasi  canai  hangat  dilakukan pada  suhu  kerja  di  antara  canai  panas  dan canai dingin yang bertujuan untuk menghasilkan  butiran  yang  halus.  Suhu canai  hangat  berada  pada  range  di  atas suhu ruang, namun lebih rendah
dibandingkan  suhu  rekristalisasi  yaitu 0.4-0.6 Tm ( melting temperature )[3].
Berdasarkan  range  suhu  pengerjaan canai
hangat,  setelah  terjadi  deformasi  plastis, material  sebagian  mengalami  pengerasan regangan dan sebagian mengalami rekristalisasi.  Selain  menghasilkan  butir yang  lebih  halus,  proses  canai  hangat menyebabkan material mengalami pembentukan  sub-butir (subgrain) baru yang  berukuran  kecil  pada  butir  yang berukuran lebih besar atau kasar[4].
Dengan semakin meningkatnya persentase  deformasi  menunjukkan  tren positif  terhadap  peningkatan  regangan serta  menghasilkan  patahan  uji  tarik  yaitu ukuran  dimple  yang  semakin  kecil  dan bentuk  dimple  yang  lebih  dangkal  seiring dengan  bertambah  regangan  canai  hangat. Pengamatan  patahan  hasil  uji  tarik  setelah canai  hangat  dilakukan  menggunakan
analisa fraktografi.
Pada dasarnya analisa fraktografi memiliki fungsi sebagai alat untuk melihat dan mengamati permukaan material dengan  resolusi  tinggi.  Sedangkan  alat yang  digunakan  untuk  analisa  fraktografi adalah  FE-SEM  ( field  emission  scanning electron  microscope )  dengan  perbesaran bervariasi  yaitu  1000X,  2000X,  5000X, 10000X, dan 20000X.
Selain  untuk  mengamati  permukaan patahan,  fungsi-fungsi  lain  dari  FE-SEM yaitu  melihat  morfologi  struktur  mikro seperti  ukuran  butir  dan  bentuk  butir; melihat  tekstur  permukaan  butir  seperti deformation band dan distribusinya; melihat  orientasi  kristalografi  material, batas  butir  material,  dan  perbedaan  fasa serta material.
Oleh  karena  itu,  untuk  mengetahui permukaan  patahan  hasil  uji  tarik  akibat pengaruh  deformasi  dari  proses  canai hangat pada benda uji paduan Cu-Zn 70/30 maka  dilakukan  observasi  penampang patahan hasil uji tarik dengan FE-SEM.

## 2. MATERIAL DAN METODE
Benda  uji  yang  digunakan  adalah paduan Cu-Zn 70/30 dengan hasil komposisi yang terlihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Komposisi benda uji paduan
Cu-Zn 70/30 Unsur Penelitian (wt%) UNS C 26000 (wt%)[5] Cu 69,5 69,5-72 Zn 30,7 sisa Fe 0,026 ~ max. 0,05 Sn 0,0062 ~ max. 0,03 Al < 0,002 ~ max. 0,03 Ni - ~ max. 0,2 As < 0,001 ~ max. 0,02 Pb < 0,005 ~ max. 0,05 Si < 0,005 ~ max.
0,01 Mn 0,0052 ~ max. 0,04 P < 0,003 ~ max. 0,05 Sb - ~ max. 0,01 Bi - ~ max. 0,04 Pengujian  komposisi  material  paduan Cu-Zn 70/30 dilakukan dengan menggunakan Optical Emission Spectroscopy (OES) di laboratorium. Ukuran  material  paduan  Cu-Zn  70/30 yang  digunakan  dalam  penelitian  ini adalah  pelat  berdimensi  100  mm  x  100 mm  x  3,1  mm  seperti  yang  ditampilkan pada  Gambar  3,  lalu  dihubungkan  dengan kawat    termokopel    tipe K berdiameter 2 mm.  Pengukuran    suhu    menggunakan data acquisition system yang
dihubungkan
dengan perangkat komputer. Gambar 2. Contoh rangkaian pengujian canai hangat[2]
Proses deformasi canai hangat didahului  dengan  pemanasan  sampel  pada dapur  karbolit  dengan  temperature  700 o C selama 90 menit, yang kemudian dilanjutkan  proses  canai  pada  mesin  canai kapasitas  20  tonF  dengan  parameter deformasi  canai double  pass  reverse , secara  bolak-balik  sebanyak  32,25%; 35,48%,  dan  38,7%  yang  dilanjutkan dengan pendinginan udara.
Penelitian ini diawali dengan pemanasan awal benda uji dari suhu ruang ke  suhu  700 o C  selama  30  menit  lalu
ditahan  selama  90  menit  untuk  proses homogenisasi yang bertujuan untuk menghasilkan  ukuran  butir  yang  lebih seragam dan menghilangkan tegangan sisa dari  proses  manufaktur  pelat  sebelumnya, kemudian  dilanjutkan  dengan  pendinginan dalam  oven  ke  suhu  ruang  seperti  yang terlihat  pada  Gambar  3.  Selanjutnya dilakukan  pemanasan  ke  suhu  500 o C dengan waktu 15 menit dan ditahan selama 15  menit  lalu  dilakukan  canai  hangat secara double  pass  reversible dengan derajat  deformasi  32,25%;  35,48%;  dan 38.7%  kemudian  dilanjutkan  dengan pendinginan  di  udara,  tahapan  proses ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 3. Diagram tahapan homogenisasi di temperatur 700 o C selama 90 menit[2]
Gambar 4. Diagram tahapan canai hangat pada temperatur 500 o C dengan metode double pass reversible [2]
Proses canai hangat dilanjutkan dengan pengujian  tarik.  Pengujian  tarik  dilakukan untuk  mengetahui  kekuatan tarik dan nilai
keuletan.  Sampel  uji  tarik  mengacu  pada standard
ASTM E8[6]
dengan menggunakan  mesin  uji  tarik Servopulser
Shimadzu dan  peralatan  tambahan  seperti jangka sorong dial indicator , dan perlengkapannya.
Sedangkan  benda  uji  untuk  pengujian tarik seperti yang terlihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Sampel uji tarik dimana L = minimal 100 mm, G = 25 mm, dan C = 10
mm
Untuk menghitung nilai UTS ( ultimate tensile  strength ),  YS  ( yield  strength ),  dan Ɛ  (elongasi)  dari  material  paduan  Cu-Zn 70/30  menggunakan  persamaan  sebagai berikut :
Setelah  dilakukan  pengujian  tarik selanjutnya dilakukan
pengamatan
FE-SEM ( Field Emission-Scanning Electron Microscope ). Pengamatan FE-SEM bertujuan untuk mengetahui sifat dan morfologi permukaan patahan hasil uji tarik  akibat  pengaruh  deformasi  dari proses  canai  hangat.  Pengamatan  FESEM dilakukan  dengan  perbesaran  1000  X, 2000  X,  5000  X,  10000  X,  dan  20000  X. Sebelum  dilakukan  pengamatan  FE-SEM maka  diperlukan  preparasi  benda  uji berdasarkan standard ASTM E3-01[7].
Sedangkan  alat  uji  FE-SEM  seperti yang terlihat pada Gambar 6.
σ UTS = Fmax/A o
ε = (lmax-l o )/lo (1) (2)

## Gambar 6. Alat uji FE-SEM

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah  dilakukan  proses  canai  hangat maka dilakukan pengukuran tingkat deformasi  melalui  persamaan  sebagai berikut :
dimana : % deformasi, Ho = tebal awal benda uji (mm), Hf = tebal akhir benda uji (mm). Sedangkan untuk menghitung besar regangan  yang  terjadi  saat  proses  canai hangat maka digunakan persamaan berikut [8]:
Sedangkan  data  %  deformasi    dan regangan  canai  hangat  dapat  dilihat  pada Tabel 2.
Tabel 2.Hasil pengukuran dimensi material paduan Cu-Zn 70/30    dan regangan setelah canai hangat
Ho (mm) Hf (mm) Deformasi (%) Regangan Hasil Canai Hangat 3,1 2,1 32,25 0,449832 3,1 2 35,48 0,506184 3,1 1,9 38,7 0,565428
material paduan Cu-Zn 70/30 Sedangkan Gambar 7 menunjukkan hubungan  antara  deformasi  (%)  dengan regangan  canai  hangat  pada  material paduan  Cu-Zn 70/30. Dari gambar tersebut terlihat bahwa dengan semakin meningkatnya % deformasi hingga mencapai  38,7%  menunjukkan  tren  positif terhadap  peningkatan  regangan  hingga 0,565423.
Tabel 3.Data hasil uji tarik paduan Cu-Zn
70/30 setelah diproses canai hangat[2] Regangan Canai Hangat UTS (MPa) YS[9] Ɛ (%) - 308,58 174,53 68 0,449832 505,18 402,04 21 0,506184 502,29 437,50 6 0,565428 533,05 435,26 10
Gambar 8.Hubungan antara regangan canai hangat dengan kekuatan tarik (MPa)
Gambar 9.Hubungan antara regangan canai hangat dengan persen elongasi
Peningkatan % deformasi aktual berbanding  lurus  dan  menunjukkan  tren positif dengan penambahan regangan canai
(3)
(4)
hangat seperti yang terlihat pada Gambar 8 dimana  %  deformasi  aktual  mencapai 38,7%  regangannya  meningkat  hingga mencapai 0,5654. Hal ini berdampak pada meningkatnya  nilai  kekuatan  tarik  seperti yang  terlihat  pada  Tabel  3  dan  Gambar  8 dan menurunnya persentasi elongasi seperti  yang  terlihat  pada  Tabel  3  dan Gambar 9.
Patahan hasil uji tarik pada Gambar 10 menunjukkan  permukaan  patahan  pelat Cu-Zn  70/30  setelah  homogenisasi  700 o C selama 90 menit tanpa proses canai hangat. Kedua  foto  tersebut  menunjukkan  bahwa patahan  yang  terjadi  adalah  patah  ulet. Selain  itu  kedua  foto  tersebut  juga memperlihatkan dimple-dimple yang dalam dan berukuran besar (lingkaran).
Untuk paduan Cu-Zn 70/30 yang telah diproses canai hangat menunjukkan ukuran  dimple  yang  relatif  makin  kecil dengan  lubang/lembah  yang  semakin dangkal  dengan  semakin  meningkatnya regangan  canai  hangat.  Namun,  tetap menunjukkan  patah  ulet  pada  batas  butir seperti yang terlihat pada Gambar 11.
Gambar 10. Foto SEM penampang patahan benda uji tarik paduan Cu-Zn 70/30 setelah homogenisasi pada suhu 700 o C selama 90 menit dimple Dimple Dimple
Gambar 11.Pengamatan hasil uji tarik (a,b) deformasi aktual 32,25%; (c,d) deformasi aktual 35,48%; (e,f) deformasi aktual
38,7%
Peningkatan % deformasi aktual berbanding  lurus  dengan  penambahan regangan canai hangat seperti yang terlihat pada  Gambar  7  dimana  dengan  semakin meningkatnya  derajat  deformasi  aktual hingga mencapai 38.7% menunjukkan tren positif  terhadap  peningkatan  regangan mencapai  0,565428  yang  menyebabkan ukuran  dimple  semakin  kecil  dengan bentuk  dimple  yang  lebih  dangkal  seiring dengan  bertambahnya  regangan  canai hangat  seperti  yang  ditunjukkan  pada Gambar  11.  Hal  tersebut  juga  sesuai dengan beberapa penelitian yang
dilakukan  terhadap  logam  Cu-Zn  dan tembaga murni juga menunjukkan kecenderungan  yang  sama  dimana  dengan semakin  besar  regangan  maka  ukuran
dimple  semakin  dangkal  dan  semakin kecil.
Menurut  Mallakova[10],  dkk  melaporkan bahwa  fraktografi  penampang  putus  dari tembaga  murni  yang  diproses  dengan Equal  Channel  Angular  Rolling (ECAR) sampai  33  pass  menunjukkan  bahwa tembaga  yang  diproses  ECAR  adalah transcrystalline  ductile dengan  morfologi dimple yang  disertai  dengan  deformasi yang cukup besar. Hasil  uji  tarik  sampel  paduan  Cu-Zn yang  telah  diproses  ARB  sampai  6  pass yang dilakukan Pasebani, dkk[11]
menunjukkan  patahan  dimple  yang  lebih dangkal.  Hal  ini  menunjukkan  paduan Cu-Zn  telah  menerima  regangan  yang lebih  besar  terlihat  lebih  getas  dengan dimple yang lebih halus.
Sedangkan  menurut  Higuera,  dkk  [12] menunjukkan  penampang  putus  hasil  uji tarik yang diproses cryogenic DSD dengan regangan  1,6  terlihat  lebih  ulet  dengan lembah yang lebih dalam. Jadi,  dalam  penelitian  ini  dengan semakin  meningkatnya  regangan  canai hangat hingga mencapai 0,565428 menunjukkan  tren  yang  semakin  negatif dengan lebar dimple atau dengan kata lain dengan  semakin  besar  regangan  ketika deformasi  canai  hangat  maka  ukuran dimple  makin  dangkal  dan  lebar  dimple makin  kecil  seperti  yang  terlihat  pada Tabel 4 dan Gambar 12.
Tabel 4.Data ukuran lebar dimple penampang uji tarik paduan Cu-Zn 70/30 setelah diproses canai hangat
Regangan Canai Hangat Lebar Dimple (µm) - 2.541±0.87 0,449832 1.13±0.31 0,506184 1.005±0.10 0,565428 0.82±0.23 Dimple
Gambar 12. Hubungan antara regangan canai hangat dengan lebar dimple pada benda uji paduan Cu-Zn 70/30
Hasil  pengamatan  fraktografi  sampel  uji tarik  material  paduan  Cu-Zn  70/30  apabila dihubungkan dengan pengamatan metalografi  maka  pada  material  paduan Cu-Zn  70/30  yang  dilakukan  canai  hangat dengan  %  deformasi  38,7%  menunjukkan bahwa  struktur  mikronya  terdiri  atas  butir yang  lebih  halus  dan  mengarah  ke  bentuk equiaxed .  Hal  ini  menandakan  bahwa struktur  butiran  sudah  mendekati fully recrystallized atau  terekristalisasi  secara sempurna  seperti  yang  terlihat  pada Gambar Gambar 13 (A) dan (B).
Gambar  13. Pengamatan  struktur  mikro dari mikroskop optik untuk benda uji canai hangat,  %  deformasi  aktual  38,7%  (E) Bagian  tepi,  (F)  Bagian  tengah.  Etsa  10% FeCl 3
Menurut  Radovic,  dkk  [13]  yang melakukan thermomechanical  treatment pada  paduan  AlMg4.5Cu0.5  menunjukkan bahwa  pertumbuhan  mikrostruktur  setelah canai  dingin  dan  anil  berhubungan  erat dengan dengan % deformasi dan suhu anil, peningkatan  reduksi  canai,  dan  temperatur anil yang menyebabkan terjadinya rekristalisasi  yang  menghasilkan  struktur butir partial  recrystallized dan fully recrystallized . Setelah anil pada suhu 250 o C terjadi recovery (pemulihan)  untuk  semua persen reduksi. Sedangkan setelah anil pada suhu  350 o C  terjadi partial  recrystallized pada  reduksi  20%  dan  terjadi fully recrystallized pada reduksi 40-60%. Ukuran butir yang terekristalisasi sangat dipengaruhi  oleh  reduksi  canai  dingin sebelum  anil  dan  diperhalus  lagi  dengan reduksi canai dingin.

## KESIMPULAN
Dengan  bertambahnya  regangan  canai hangat  mencapai  0,565428  maka  ukuran dimple  yang  dihasilkan  dari  pengujian tarik akan semakin kecil ukuran dimplenya. Hal  ini    menunjukkan  bahwa  material akan  semakin  lebih  getas  yang  dibuktikan dengan  hasil  dari  pengujian  tarik  seperti kekuatan  tarik  (UTS  dan  YS)  yang  lebih besar  dan  %  elongasi  yang  lebih  kecil pada % deformasi yang lebih tinggi.
B
A
Selain  itu,  apabila  dilihat  dari  hasil canai  hangat  di  suhu  500°C  dengan reduksi  38,7%  menghasilkan  butiran  yang halus dan terekristalisasi mendekati sempurna  ( fully  recrystallized )  sesuai dengan  hasil  uji  tarik  dan  pengamatan fraktografi .

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Yajima, dkk. 2007.  “Extensive Application  of  TMCP-manufactured High Tensile SteelPlates to Ship Hulls and  Offshore  Structures.” Mitsubishi Heavy  Industries  Technical  Review. Vol 24, No. 1
[2]  Febriyanti,  Eka,  Dedi  Priadi,  dan  Rini Riastuti.  2015.  Pengaruh  Thermo Mechanical Controlled Processed (TMCP)  terhadap  Penghalusan  Butir dan  Sifat  Mekanik  Paduan  Cu-Zn 70/30. Majalah  Metalurgi .  Vol.30, No.3, hal. 141-148
[3]  Altan,  T.,  Oh  S.,  dan  Gegel  H.  2012. Forming
Fundamentals and
Applications  :  Plastic  Deformation  of
Metals and Related Properties .
American Soc. for Metals. Metal Park. OH. [4] Dobatkin,S, J. Zrnik. ”Ultrafine-Grained Low Carbon  Steels  by  Severe  Plastic
Deformation.” Journal  Metalurgija .
Vol. 47. (2008) hal.181-186
[5]  ASTM  B36M-13.  2003.  Standard Specification  for  Brass  Plate,  Sheet, Strip,  and  Rolled  Bar. American Standard for Testing Materials Press
[6]  ASTM  E8.  2012.  Standard  Test Method for Tensile Testing of Metallic Materials. American  Standard  for Testing Materials Press
[7]  ASTM  E3-01.  2012.  Standard  Guide for  Preparation  for  Metallographic Specimens. American  Standard  for Testing Materials Press
[8]  Callister,  William  D.,  Jr.  2007. An
Introduction  :  Material  Science  and Engineering .  John  Wiley  &  Son. Inc.,hal.373.2007
[9]  Krishna  Chenna,  S.,  dkk.  2013.  “On the  Prediction  of  Strength  from Hardness for Copper Alloys.” Journal of  Materials .  article  ID  352578.
Hindawi Publishing Corporation.
hal.1-6 [10]Mallakova, Beata dkk. 2013. “Fracture Analysis and Local Mechanical Properties  of  Copper  Processed  by ECAR.” Acta Metall-Slovaca Conference . Vol.3, hal.259-263
[11]  Pasebani,  Somayeh,  Toroghinejad M.Reza.  2010.  “Nano-grained  70/30
Brass Strip Produced by Accumulative Roll-Bonding
(ARB) Process.”
Material  Science  &  Engineering  A , Vol. 527, No.3. hal.491-497
[12]Higuera, Cobos, J.M.Cabrera,
“ Mechanical  ,  Microstructural  and Electrical  Evolution  of  Commercially Pure  Copper  Produced  by  ECAP” , Mater.  Sci.  and  Eng.  A ,  571  (2013), pp.103-114
[13]  Radovic,  L.J.,  et.al.  2008.  “The Influence of Thermomechanical Treatment  on  Recrystallization  of  Al Mg4,5Cu0,5 Alloy. “ Metallurgija Journal  of  Metallurgy,  Review  Paper AMES . hal.83-88