[Material] Hardening

[Material]_Hardening Rangkuman Diskusi Mailing List Migas Indonesia Online bulan Maret 2006 tentang material ini membahas mengenai Material Hardening. Apakah dengan menaikkan kekerasan material akan mengurangi elastisitasnya? Material yang dibahas adalah AISI 4140 yang digunakan untuk shaft. Secara prinsip semakin keras suatu material atau mengalami proses pengerasan, maka ductility a/ keuletannya akan menurun dan cenderung brittle/ rapuh/ mudah pecah, karena secara mikrostruktur kepadatan struktur semakin rapat sehingga tegangan muka antar atom nya tinggi, dan terjadi perubahan mikrostruktur, tapi hal ini dapat diminimalisasi setelah proses pengerasan, dilakukan proses anealing/ pemanasan ulang sampai titik transformasi, untuk menghilangkan tegangan antar atom juga mengembalikan struktur molekul kebentuk awal. Penyebab patahnya logam dapat diketahui lewat fractography, e.g. dengan mengamati permukaan patahan. Jika bentuk patahannya rata dan mengkilap, ini kemungkinan patah getas (brittle fracture). Patah getas ini biasanya disebabkan fatigue loading (baik amplitudo konstan atau amplitudo berubah). Jika patahannya berbentuk "cup and cone", ini kemungkinan patah ulet (ductile fracture). Hardening (dengan strain rate rendah) dan tempering (dalam durasi tertentu) dapat meningkatkan kekuatan logam. Kekuatan ini diukur dengan dua parameter, yaitu yield strength (kekuatan luluh) dan ultimate strength (kekuatan maksimum). Jika ingin melakukan hardening dan tempering, mungkin ada baiknya memperhatikan (1) temperatur, (2) yield strength increment, (3) durasi heat treatment. Pada saat operasi, mohon diamati besar pembebanan (load maksimum) yang dialami shaft. Diskusi lebih lengkap dapat dilihat dalam file berikut : Pertanyaan : Zulfahmi Dear All, Boleh sedikit pencerahan nya. Apakah dengan menaikan kekerasan material akan mengurangi elastisitas material. material : AISI 4140 material ini digunakan untuk shaft. Thanks Tanggapan 1 : amal ashardian Elastisitas ini constanta Pak.... elastisitas (young modulus) untuk steel 200 - 207 GPa........Konstanta ini berguna selama material melentur dalam batas elastis...yaitu yield point. Gunanya menghitung lenturan .... defleksi...elastisitas = stress / strain... Kekerasan ini gunanya untuk wear resistante... ketahanan terhadap keausan. Kalau material dikeraskan... biasanya yield point-nya juga naik (dengan asumsi seluruh body keras semua)...elastisitasnya sama saja. Tapi kalau terlalu keras... yaa yield pointnya... jadi nggak jelas....istilahnya materialnya jadi getas...tahu-tahu patah....aduhhh..

Makanya hardening cuman di permukaan....tujuannya ya untuk wear resistante...misal sampai kedalaman 1mm dari luar. Dalamnya jangan ikut-ikutan keras............... Tanggapan 2 : Sudira, Andi Mas Zulfahmi, Secara prinsip semakin keras suatu material atau mengalami proses pengerasan, maka ductility a/ keuletannya akan menurun dan cenderung brittle/ rapuh/ mudah pecah, karena secara mikrostruktur kepadatan struktur semakin rapat sehingga tegangan muka antar atom nya tinggi, dan terjadi perubahan mikrostruktur, tapi hal ini dapat diminimalisasi setelah proses pengerasan, dilakukan proses anealing/ pemanasan ulang sampai titik transformasi, untuk menghilangkan tegangan antar atom juga mengembalikan struktur molekul kebentuk awal. Semoga terjawab. Tanggapan 3 : Zulfahmi Thanks mas andi, Sebenarnya ini berangkat dari kasus yang baru terjadi di plan kami. Kami baru mengganti gear box cooling tower. baru running 7 hari, shaft nya patah. Dalam proses pembuatan shaft nya kami lakukan hardening + tempering. Banyak dugaan untuk kasus ini dan salah satu nya ya pengaruh pengerasan dari material ini. thanks atas respon nya. Tanggapan 4 : aang Pak Zul; Kekerasan material dilihat dari f yield nya, dan kalo dilihat dari grafik antara stress dan axial strain maka nggak akan merubah elastisitasnya. yang berubah adalah yield nya saja. Tanggapan 5 : Ilham B Santoso Salam, Maaf baru ngikuti diskusi. Sebenarnya dari profil patahan material, sering kali dapat diketahui penyebab terjadinya patah tersebut. Apakah karena patah getas, atau karena ada initial crack, atau patah karena fatigue..dll. Mungkin ada baiknya, foto-foto pada daerah patahan diambil dengan detail..dan bisa dikirimkan ke moderator untuk dimuat dimilis ini. Siapa tahu bisa jadi bahan menarik untuk diskusi failure analysis. Tanggapan 6 : Arief Yudhanto Mungkin Pak Zulfahmi saat ini sudah menemukan data baru mengenai penyebab patahnya shaft. Saya hanya ingin urun rembug sedikit saja.

Sependapat dengan Pak Ilham, penyebab patahnya logam dapat diketahui lewat fractography, e.g. dengan mengamati permukaan patahan. Jika bentuk patahannya rata dan mengkilap, ini kemungkinan patah getas (brittle fracture). Patah getas ini biasanya disebabkan fatigue loading (baik amplitudo konstan atau amplitudo berubah). Jika patahannya berbentuk "cup and cone", ini kemungkinan patah ulet (ductile fracture). Hardening (dengan strain rate rendah) dan tempering (dalam durasi tertentu) dapat meningkatkan kekuatan logam. Kekuatan ini diukur dengan dua parameter, yaitu yield strength (kekuatan luluh) dan ultimate strength (kekuatan maksimum). Saran saya: jika ingin melakukan hardening dan tempering, mungkin ada baiknya memperhatikan (1) temperatur, (2) yield strength increment, (3) durasi heat treatment. Pada saat operasi, mohon diamati besar pembebanan (load maksimum) yang dialami shaft. Mudah2an selanjutnya tidak ada failure lagi. Mengenai istilah-istilah: Elastisitas bukanlah konstanta. Elastisitas ada sebuah terminologi untuk mendeskripsikan kemampuan suatu bahan untuk kembali ke kondisi awal setelah beban dipindahkan. Untuk mengukurnya, ada suatu besaran yang menghubungkan antara tegangan (gaya per satuan luas) yang diberikan kepada bahan dan regangan (selisih perpindahan dibagi ukuran awal), yaitu Young's Modulus. Kekerasan, pada umumnya, diterjemahkan dari kata hardness, yang menunjukkan ketahanan suatu bahan terhadap deformasi plastis. Kalau ada kekurangan, mohon maaf. Rekan2 lain mungkin ada yang menambahkan atau meluruskan. Terima kasih. Tanggapan 7 : farabirazy albiruni Sorry baru bergabung lagi coz ada pekerjaan yang cukup menyita waktu dan pas liat diskusi bidang material ternyata sudah cukup ramai lagi... Pertanyaan mengenai apakah elastisitas material berubah dengan dilakukan perlakuan panas, sampai saat ini saya belum menemukan literatur yang mengatakan terjadi perubahan elastisitas (perubahan modulus young) bila suatu material dilakukan proses perlakuan panas. (Kalo bapak2 menemukan dan sudah melakukan penelitian tentang ini, tolong dishare ke saya via japri please..). Yang saya tahu, elastisitas terkait dengan stiffness material yang hubungan secara kasar berbanding lurus dengan temperatur melting material. Dengan kata lain, semakin stiff material, maka nilai modulus youngnya makin tinggi dan temperatur meltingnya semakin tinggi (ex.Epolimer < E logam < E ceramic dan T melting Polimer < T melting logam < T melting ceramic). Kalau proses perlakuan panas merubah tensile stregth dan ductility itu pasti bila perlakuan panasnya dilakukan di atas`temperatur A1 (liat diagram Fe-Fe3C). kalaupun dilakukan di bawah temperatur A1, maka butuh waktu yang relatif lama untuk merubah fasa pearlite (kasus AISI 4140) menjadi spheroidise carbide. Lalu mengenai failure shaft dalam jangka waktu yang relatif pendek, ada 3 kemungkinan: 1. Material terlalu getas akibat tidak dilakukan proses tempering setelah hardening sehingga struktur mikro masih dalam kondisi untemperd martensite.

2. Tidak dilakukan proses hardening sama sekali, dengan kata lain material berada dalam kondisi as anneal karena AISI 4140 bila sudah di (Hardening dan Tempering) disuplai dengan kode AISI 4140 HT dalam mill certificate-nya. 3. Ada takik yang cukup tajam misal pada step diameter shaft or pada keyway (takik tidak diberikan fillet radius untuk mengurangi notch stress). Lalu bagaimana cara efektif dan cepat untuk mengetahui penyebab kegagalan (1 dan 2)? Lakukan hardness test dan metalografi. Struktur as anneal, untempered martensite, maupun tempered martensite bisa dibedakan dengan mudah. Untuk penyebab no.3, cukup lihat fraktografinya saja, kalo memang fatigue penyebabnya, cukup amati permukaan shaft dimana inisiasi fatigue berasal. Barangkali paper saya di majalah Korosi & Material Indocor terbaru dengan judul "Failure of a Vertical Ammonia Transfer Pump" bisa jadi rujukan untuk kasus ini, dimana shaft patah dalam waktu 2000 jam saja. Tanggapan 8 : Arief Yudhanto "Material" yang dibahas Mas Abhi tentunya logam, dan Mechanical Metallurgy karangan Dieter adalah yg paling bagus dalam menjelaskan elastic moduli logam. Saya juga sempat membaca sumber lain, dan senada dengan Mas Abhi, bahwa perlakuan panas pada baja memberikan efek yg kecil pada perubahan modulus elastisitas. Sepengetahuan saya, modulus elastisitas ditentukan oleh degree of anisotropy. Untuk logam: (1) setelah mengalami cold working (rolling), stiffness bisa berbeda-beda untuk arah orientasi tertentu, (2) karena ukuran crystal carbon dan konsentrasinya di dalam baja sangat kecil, maka pengaruh carbon terhadap degree of anisotropy juga kecil (oleh karena itu modulus of elasticity juga tidak banyak berubah), (3) heat treatment sedikit sekali memberikan pengaruh terhadap slope elastic stress - strain curve. Untuk komposit: bahan komposit paling sederhana dikategorikan transversely isotropic, selebihnya anisotropic. Jika sudah meluas dan membahas masalah polymer, kita berada di luar jangkauan buku Dieter. Polymer bersifat viscoelastic, dimana modulus elastisitasnya merupakan fungsi dari applied stress, strain rate, time dan temperature. Modulus elastisitas polymer akan menurun jika temperatur yang diberikan pada polymer itu ditingkatkan. Pada temperatur rendah, polymer cenderung getas dan kaku, pada temperatur intermediate, polymer mengalami penurunan modulus secara drastis, dan pada temperatur tinggi polymer hampir seperti liquid dengan modulus yang sangat rendah. Material komposit juga sensitif terhadap temperatur (dan juga hygrothermal), tapi hal ini di luar scope diskusi. Tanggapan 9 : Hadi subiantoro Sedikit koreksi mas abi... stiffness tidak berbanding lurus dengan temperatur melting material .. sebagai contoh: Baja dengan kandungan karbon yang berbeda mempunyai temperatur melting yang berbeda beda ... semakin tinggi kadar karbonya maka temperatur meltinganya akan menurun ....(bisa dilihat diagram Fe-C) ,bagaimana stiffnesnya?,setau saya meningkat.

keep writing mas abi Tanggapan 10 : farabirazy albiruni Thanx Pak Hadi buat masukannya. Akhirnya setelah buka2 referensi, saya nemu juga (Mechanical Metallurgy by George E Dieter SI Metric Edition Tahun 1988 hal 280): "The modulus of elasticity is determined by binding forces between atoms. Since these forces cannot be changed without changing the basic nature of the material, it follows that the modulus of elasticity is one of the most structure-in-sensitive of the mechanical properties. It is only slightly affected by alloying additions, heat treatment, or cold work". Selain itu dalam Materials Science and Engineering as an Introduction by Wiiliam D Callister, Jr, 6th Ed. tahun 2003 hal 119): " On the atomic scale, macroscopic elastic strain is manifested as small changes in the interatomic spacing and the streching of interatomic bonds. As consequences, the magnitude of the modulus of elasticity is a measure of the resistance to separation of adjacent atoms, that is, the interatomic bonding forces". Dengan kata lain, secara kasar, nilai modulus young atau stiffness material berbanding lurus dengan melting temperaturnya. Penambahan paduan (ex carbon dalam diagram Fe-Fe3C), mungkin hanya merubah sedikit nilai modulus young ini. Tanggapan 11 : ir_winarto Dear MILIS MIGAS Yth. Cukup menarik diskusi tentang "Hubungan antara KEKERASAN vs ELASTISITAS" yang dilontarkan dari Bapak ZULFAHMI tentang permasalahan patahnya poros (shaft) Gear Box Cooling Tower yang terbuat dari baja AISI 4140 dan patah dalam waktu cuma 7 hari. Permasalahan tsb dibahas oleh beberapa anggota Komunitas Migas Indonesia (KMI) yaitu: - Pak Andi Sudira - Pak Amal Ashardian - Pak R. gautama - Pak Raharjo - Pak Ilham Budi Santoso - Pak Arief Yudhanto (KBK Material) - Pak Hadi - Pak Farabirazy A (Abhie) Saya ingin sedikit memberikan tanggapan dan masukan dari diskusi tersebut yaitu bahwa : Antara KEKERASAN dan ELASTISITAS (atau biasa disebut MODULUS ELASTISITAS - E) merupakan dua hal yang cukup berbeda dilihat dari Definisinya. KEKERASAN (HARDNESS) The Metals Handbook defines hardness as "Resistance of metal to plastic deformation, usually by indentation. However, or to resistance to scratching, abrasion, or cutting. It

is the property of a metal,which gives it the ability to resist being permanently, deformed (bent, broken, or have its shape changed), when a load is applied. The greater the hardness of the metal, the greater resistance it has to deformation. In mineralogy the property of matter commonly described as the resistance of a substance to being scratched by another substance. In metallurgy hardness is defined as the ability of a material to resist plastic deformation. ELASTISITAS (biasa disebut : Modulus of Elasticity) modulus of elasticity - the ratio of the applied stress to the change in shape of an elastic body The relationship between stress and strain is expressed in terms of a property called the Modulus (or Young Modulus, named after the originator). The linear portion of the stress-strain curve can be used to determine the modulus which correspond to the slope of the curve before the yield point, up to which all deformation is elastic and, therefore, recoverable. In other words, The slope (modulus) at any point in the linear portion of the line gives the same result. The modulus, in effect, denotes stiffness or rigidity for any kind of applied load, i.e. tension, compression or shear. Stiff materials have a high modulus. This means that the deformation (strain) resulting from the applied force (stress) is low. Flexible materials have a low modulus. They undergo large deformations with relatively low applied forces, normally. Dari dua definisi tsb diatas, saya simpulkan bahwa : 1. Kekerasan adalah ukuran sifat mekanis material yang diperoleh dari DEFORMASI PLASTIS (deformasi yang diberikan dan setelah dilepaskan, tidak kembali ke bentuk semula akibat indentasi oleh intan untuk uji Vickers & Rockwell atau oleh bola baja keras untuk uji Brinell), sedangkan 2. Elastisitas (Mod Elastisitas) adalah ukuran sifat mekanis material yang diperoleh dari DEFORMASI ELASTIS (deformasi yang diberikan dan setelah dilepaskan akan kembali ke bentuk semula) Sehingga, Secara PRINSIP keduanya hampir tidak dapat (sulit) untuk dikaitkan satu sama lain. Namun, Kekerasan (Hardness) secara empiris ada hubungannya dengan KEKUATAN TARIK (Ultimate Tensile Strength-UTS), mengingat kekuatan tarik diukur pada saat benda mengalami DEFORMASI PLASTIS. Sesuai dengan beberapa literatur bahwa : UTS(MPa) = 3.38 x HB (untuk HB>175) atau UTS(MPa) = 3.55 x HB (untuk HB