BAB II DASAR TEORI
2.3. Struktur Mikro Besi dan Baja
Dari unsur besi berbagai bentuk struktur logam dapat dibuat, itulah sebabnya besi dan baja kaya dengan sifat-sifat. Sifat unsur penyusun baja dan besi dapat dilihat secara jelas dalam diagram fasa besi karbon, seperti pada gambar 2.1. Gambar tersebut menunjukan gambar keseimbangan besi karbon sebagai dasar dari bahan yang berupa besi baja. Selain karbon pada besi dan baja, terkandung kira-kira 0,25 % Si, 0,3 – 1,5 % Mn, dan unsur pengotor lain P, S dan sebagainya. Karena unsur-unsur ini tidak memberikan pengaruh utama kepada diagram fasa, maka diagram fasa tersebut dapat dipergunakan tanpa menghiraukan adanya unsur-unsur tersebut.
Pada paduan besi karbon fasa karbida yang disebut simentit, dan juga grafit, grafit lebih stabil dari pada simentit. Yang akan dibahas disini hanyalah diagram Fe-Fe3C (simentit mempunyai kadar C = 6,67 %). Titik-titik penting pada diagram fasa ini adalah :
6 A. Titik cair besi
B. Titik pada cairan yang ada hubungannya dengan reaksi peritektik
H. Larutan padat δ yang da hubungannya dengan reaksi peritektik. Kelarutan karbon maksimum, adalah 0,10 %.
J. Titik peritektik selama pendinginan eustenit, pada komposisi J, fase γ
terbebtuk dari larutan padat δ, pada komposisi H, dan cairan komposisi B.
N. Titik transformasi dari besi δ↔ besi γ, titik transformasi A4 dari besi murni.
C. Titik eutektik. Selama pendinginan fasa γ dengan komposisi E dan sementit pada komposisi F (6,67 % C) terbentuk dari cairan pada komposisi C, fasa eutektik ini disebut ledeburit.
E. Titik yang menyatakan fasa γ, ada hubungan dengan reaksi eutektik. Kelarutan maksimum dari karbon 2,14 %. Paduan besi karbon sampai pada komposisi ini disebut baja.
G. Titik transformasi besi δ↔α. Titik transformasi A3 untuk besi. P. Titik yang menyatakan ferit, fasa α ada hubungannya dengan reaksi
eutektoid. Kelarutan maksimum dari karbon kira-kira 0,02 %.
S. Titik eutectoid. Selama pendinginan, ferit pada komposisi P dan sementiti pada komposisi K (sama dengan F) terbentuk simultat dari austenit pada komposisi S. Reaksi eutektoid ini dinamakan transformasi A1, dan fasa eutektoid ini dinamakan perlit.
GS. Garis yang menyatakan hubungan antara temperatur dengan komposisi di mana mulai terbentuk ferit dari austenit. Garis ini disebut garis A3. ES. Garis yang menyatakan hubungan antara temperatur dan komposisi, di
mana mulai terbentuk simentit dari austenit dinamakan garis Acm A . Titik transformasi magnetik untuk besi atau ferit. 2
A . Titik transformasi magnetik untuk sementit. 0
Gambar 2.1 : Diagram fasa besi karbon
8
a b
c d
e f
Gambar 2.2 : Struktur mikro baja karbon
Sumber : Prof. Ir. Tata Surdia, M.S. Met.E : Pengetahuan Bahan Teknik, hal 71
Keterangan Gambar 2.2 :
a. Menunjukkan stuktur mikro baja yang mempunyai kandungan karbon sebesar 0,06 % C.
b. Menunjukkan stuktur mikro baja mempunyai kandungan karbon sebesar 0,25 %. Baja ini dinormalkan pada suhu 930ºC.
c. Menunjukkan stuktur mikro baja mempunyai kandungan karbon sebesar 0,30 %. Baja ini diaustenitkan pada suhu 930ºC dan ditransformasikan isothermal pada suhu 700ºC.
d. Menunjukkan stuktur mikro baja mempunyai kandungan karbon sebesar 0,45 %. Baja ini dinormalkan pada suhu 840ºC.
e. Menunjukkan stuktur mikro baja mempunyai kandungan karbon 0,80 %. Baja ini diaustenitkan pada suhu 1150ºC dan didinginkan pada tungku.
f. Menunjukkan stuktur mikro baja mempunyai kandungan karbon sebesar 1 %. Baja ini dirol pada suhu 1050ºC dan pendinginannya dilakukan dengan udara.
Baja yang berkadar karbon sama dengan komposisi eutektoid dinamakan baja eutektoid, yang berkadar kurang dari komposisi eutektoid disebut baja hypoeutektoid dan yang berkadar karbon lebih dari komposisi eutektoid disebut baja hypopereutektoid.
2.3.2 Perubahan Struktur Pada Perlakuan Panas
Besi dan baja diharapkan mempunyai kekuatan statis dan dinamik, ulet, mudah diolah, tahan korosi dan mempunyai sifat elektromagnet agar dapat dipakai sebagai bahan untuk konstruksi dan mesin-mesin. Dilihat dari transformasi ada tiga macam baja yaitu :
10 1. Baja dengan titik transformasi A1 berupa ferit di bawah A1 dan
austenit pada A atau diatas A3 1.
2. Baja dengan titik transformasi A1 di bawah temperatur kamar, berupa austenit pada temperatur kamar.
3. Baja dengan daerah austenit yang kecil, berupa ferit sampai temperatur tinggi pada daerah komposisi tertentu.
Baja yang tergolong macam 1 berupa ferit pada temperatur kamar (dalam keseimbangan), dapat diproses menjadi berbagai struktur dengan jalan perlakuan panas. Struktur tersebut diiktisarkan pada Gambar 2.1. Fasa yang ada pada baja. Fasa-fasa tersebut memiliki sifat-sifat khas, sebagai berikut :
1. Ferit mempunyai sel satuan kubus pusat badan atau body centered cubic (bcc), menunjukan titik mulur yang jelas dan menjadi getas pada temperatur rendah.
2. Austenit mempunyai sel satuan kubus pusat muka atau face centered cubic (fcc), menunjukan titik mulur yang jelas tanpa kegetasan pada keadaan dingin. Akan tetapi kalau berupa fasa metastabil bisa berubah menjadi α’ pada temperatur rendah, dengan pengerjaan.
3. Martensit adalah fasa larutan padat lewat jenuh dari karbon dalam sel satuan tetragonal pusat badan atau body centered tetragonal
perbandingan satuan sumbu sel satuannya dan makin keras serta makin getas martensit tersebut.
4. Bainitmempunyai sifat-sifat antara martensit dan ferit.
Sesuai dengan keanekaragaman strukturnya, maka dapat diperoleh berbagai sifat baja termasuk kekuatan dan keuletan. Faktor-faktor yang menentukan sifat-sifat mekanik adalah macam fasa, kadar unsur paduan dalam fasa, ukuran dan bentuk senyawa. Untuk mendapatkan sifat-sifat mekanik yang diinginkan perlu mendapat struktur yang cocok dengan komposisi kimia dan perlakuan panas yang tepat.
2.4 Klasifikasi Baja
Berdasarkan unsur paduannya, klasifikasi baja mengikuti SAE (Society of Automotive Engineers ) dan AISI ( American Iron and Steel Institute ).
Macam-macam kategori baja diantaranya sebagai berikut : - Baja karbon biasa (plain-carbon steel).
- Baja paduan rendah (hight-strength, low alloy steel).
- Low alloy structural steel.
- Baja tahan karat (stainless steel).
- Baja tuang / cor (cast steel). - Baja perkakas (tool steel).
12
Tabel 2.1. Klasifikasi baja menurut SAE dan AISI
Sumber : Budi Setyahandana. S.T, M.T. : Diktat Material Teknik, hal 12
2.4.1 Baja karbon biasa
Baja karbon biasa merupakan jenis baja yang paling awal dikenal orang. Baja ini mempunyai komponen utama Fe dan C, baja ini dibedakan lagi menjadi :
1. Baja karbon rendah dengan kandungan karbon berkisar 0,05 – 0,30 % 2. Baja karbon sedang dengan kandungan karbon berkisar 0,30 – 0,50 % 3. Baja karbon tinggi dengan kandungan karbon lebih besar dari 0,50 % Sifat umum baja karbon berdasarkan kadar % C :
1. Baja karbon rendah (0,05 – 0,30 %)
- Kekuatan sedang, liat dan tangguh tapi lunak. - Untuk komponen dengan tegangan rendah. - Mudah dimesin dan dilas.
2. Baja karbon sedang (0,3 – 0,6 %)
- Lebih keras dari pada baja karbon rendah. - Lebih kuat dan tangguh, tetapi kurang liat. - Sifat dapat diubah dengan heat treatment. 3. Baja karbon tinggi (0,6 – 0,95 %)
- Lebih keras tetapi kurang liat dan tangguh.
- Dapat di heat treatment untuk memperkeras dan mempertinggi ketahanan arus.
- Untuk C > 0,96 % digunakan untuk tool steel. 2.4.2 Baja paduan rendah
Baja paduan rendah mengandung unsur-unsur paduan sebagai elemen tambahan pada Fe dan C, Mo (Molibden), Si (Silicon) dan lain-lain. Umumnya kandungan masing-masing elemen paduan lebih kecil dari 5 %. Baja ini pada umunya telah mendapat perlakuan panas (heat treatment) oleh pabrik pembuatnya. Baja paduan dipisah menjadi :
14 1. Baja paduan rendah (jumlah unsur paduan khusus < 8,0 %)
2. Baja paduan tinggi (jumlah unsur paduan khusus > 8,0 %) Maksud penambahan unsur-unsur paduan :
1. Meningkatkan kekerasan dan kekuatan baja. 2. Memperbaiki sifat-sifat baja.
Unsur-unsur paduan pada baja dapat digolongkan menjadi :
1. Membuat baja lebih kuat dan ulet yang bereaksi dengan Fe seperti Ni, Mn, Cr dan Mo.
2. Membuat baja lebih keras jika bereaksi dengan C seperti Cr, W, Mo dan V.
Penggolongan 1 terutama digunakan untuk baja konstruksi, sedang 2 terutama digunakan untuk baja perkakas dan baja pembentuk seperti pembentuk huruf nama. Dari segi ilmu bahan, unsur-unsur paduan pada baja akan memberi pengaruh dalam hal :
1. Perubahan struktur fcc – bcc, suhu kritis akan berpindah ke atas (Cr, W, Mo, Si) atau ke bawah (Ni, Mn).
Penyimpangan diagram sebanding dengan kadar unsur-unsur paduan yang terdapat pada baja. Peningkatan cukup banyak kadar Mn dan Ni (12 – 14 %) dapat mengubah suhu kritis bawah, dibawah suhu kamar.
2. Titik eutektik (titik dimana suhu kritis atas dan bawah berada pada tempat yang sama) akan bergeser ke kiri pada diagram Fe-C.
2.4.3 Baja tahan karat
Baja tahan karat pada umumnya yang berlaku dipasaran dapat dibedakan menjadi sebagai berikut :
- Baja tahan karat austenit (Austenite stainlees steel).
- Baja tahan karat ferit (ferit stainlees steel).
- Baja tahan karat martensit (martensite stainlees steel).
Semua jenis baja tahan karat ini mempunyai daya tahan terhadap korosi yang berbeda, tergantung pada kandungan cromium (Cr). Baja austenit termasuk kelompok baja Cr – Ni (seri 300). Baja ferit (masuk dalam seri 400) tidak dapat dikeraskan dengan perlakuan panas.
2.4.4 Baja cor
Baja cor mempunyai komposisi yang hampir sama dengan baja tempa, kecuali pada komposisi Si dan Mn mempunyai jumlah lebih besar yang berfungsi untuk mengikat O dan gas-gas lainnya. Baja cor komersial masih dibedakan atas :
2
- Baja karbon rendah dengan C < 0,2 %. - Baja karbon sedang dengan C 0,20 – 0 ,50 %. - Baja karbon tinggi dengan C < 0,50 %.
- Baja paduan rendah dengan jumlah total elemen paduan C < 8 %. - Baja paduan tinggi dengan jumlah total elemen paduan C > 8 %. 2.4.5 Baja perkakas
Baja perkakas yang beredar secara internasional pada umumnya harus mempunyai persyaratan sebagai berikut :
16 - Kemampuan mempertahankan kekerasan dan kekuatan pada suhu tinggi. - Kemampuan terhadap beban kejut/impact.
- Kemampuan untuk mempertahankan diri terhadap keausan dan gesekan. Baja perkakas biasanya mengandung unsur-unsur Cr, W, V dan Mo dengan jumlah cukup besar, sehingga baja tersebut menjadi lebih keras dan tahan terhadap keausan.
2.4.6 Baja Spesial
Baja special pada umumnya digunakan untuk maksud-maksud tertentu sebagai berikut :
- Baja tahan suhu tinggi. - Baja tahan suhu rendah. - Baja kekuatan tinggi.
Untuk penggunaan pada suhu tinggi (950 – 1100 ºC) dapat dipilih baja tahan karat austenik (misal seri 302, 309, 310, 316, 321, 327) tetapi kekuatannya turun dratis sampai pada temperatur 1100 ºC. Dapat juga digunakan baja tahan karat jenis martensit dan feritik.