Perhitungan muatan pada proses peleburan atau pengecoran logam (AA)
Jurnal jominy test (pengujian mampu keras baja) melalui program MATLAB (AA)
1. APLIKASI SOFTWARE MATLAB DALAM MEMPREDIKSI
KEMAMPUKERASAN BAJA
Abrianto Akuan
ABSTRAKSI
Baja merupakan material yang sangat banyak penggunaannya. Hal ini dikarenakan, baja
mempunyai sifat yang relatif keras dibandingkan material non logam pada umumnya.
Salah satu teknik untuk meningkatkan kekerasan baja adalah melalui proses perlakukan
panas (heat treatment). Tetapi sebelum itu kita harus mengetahui terlebih dahulu sifat
mampu keras (hardenability) dari baja yang akan dikeraskan, salah satunya yang
dilakukan dilaboratorium adalah melalui metode jominy test yaitu spesimen baja
(standar ASTM A255 dan SAE J406) yang telah dipanaskan sampai temperatur
austenisasi, disemprot air pada salah satu ujungnya sampai temperatur kamar.
Kemudian dilakukan pengujian distribusi kekerasan dan akan menghasilkan kurva pita
hardenability, kurva tersebut kemudian akan dibandingkan dengan hasil prediksi
kemampukerasan (hardenability) yang telah dibuat dengan bantuan software MATLAB
(Matrix Labratory).
Setelah pengujian dilakukan, terlihat perbedan kekerasan dari ujung quench sampai
jarak tertentu yang semakin menurun, hal ini diakibatkan perbedaan kecepatan
pendinginan yang semakin lambat, sehingga semakin jauh dari ujung quench,
kesempatan atom karbon untuk berdifusi semakin banyak, yang mengakibatkan fasa
martensit sulit terbentuk. Dilihat dari kurva kekerasan hasil pengujian, baja AISI 4140
mempunyai sifat mampu keras yang baik dengan nilai diameter kritis ideal (Di) 0.5576
in. Hasil verifikasi prediksi kekerasan dari program dengan kekerasan hasil pengujian,
ternyata menghasilkan kurva dengan kecenderungan yang sama, sehingga program
tersebut bisa digunakan sebagai program untuk memprediksi sifat mampu keras dari
baja yang akan dikeraskan yang dapat menggantikan pengujian secara praktek di
laboratorium.
I. Pendahuluan
Baja merupakan suatu material yang sangat luas dalam penggunaannya. Hal ini
disebabkan karena keberadaannya yang mudah diperoleh, ketersediaannya yang relatif
tinggi dan berbagai sifat lainnya yang dapat memenuhi kebutuhan dalam aplikasinya.
Pada umumnya penggunaan baja adalah dikarenakan material tersebut mempunyai sifat
dasar yang lebih keras dibandingkan dengan material lainnya, karena pada aplikasinya
baja-baja tersebut dapat menerima beban luar, baik itu beban tekan, geser ataupun
puntir, dan tidak jarang pula menerima beban gesek yang akan menyebabkan keausan
pada baja tersebut. Sehubungan dengan itu diperlukan teknik atau proses khusus dalam
2. ilmu logam untuk mendapatkan baja dengan sifat yang sesuai dengan aplikasinya, yaitu
melalui proses perlakuan panas (heat treatment).
Proses perlakuan panas pada baja dilakukan dengan cara memanaskan material hingga
temperatur austenit, kemudian ditahan pada temperatur tersebut pada selang waktu
tertentu yang bertujuan untuk memberikan waktu pada baja agar semua bagiannya
berubah menjadi fasa austenit yang homogen. Kemudian selanjutnya didinginkan
sampai temperatur kamar dengan laju pendinginan tertentu. Laju pendinginan ini sangat
menentukan fasa akhir yang akan mempengaruhikekerasan atau kekuatan baja tersebut.
Laju pendinginan yang cepat akan mengakibatkan fasa austenit tidak akan berubah
menjadi ferit atau perlit, akan tetapi fasa austenit ini akan berubah menjadi fasa
martensit yang bersifat sangat keras.
Oleh karena itu kemampuan atau kemudahan suatu baja untuk membentuk fasa
martensit merupakan suatu hal yang akan sangat membantu untuk mengetahui sejauh
mana baja tersebut bisa dikeraskan. Kemampuan suatu baja untuk membentuk fasa
martensit biasa kita kenal dengan sifat mampu keras atau hardenability, setiap baja atau
paduan ferrous lainnya akan memiliki hardenability yang berbeda-beda. Dengan
demikian hardenability suatu paduan dalam hal ini baja merupakan suatu hal yang
penting untuk diketahui ataupun diprediksi.
Dalam pengujian hardenability secara praktek, ada serangkaian proses yang harus
diselesaikan. Mulai dari perhitungan awal, untuk mendapatkan daerah mampu keras
(hardenability band) baja yang sedang di uji, dari data-data yang sudah tersedia.
Tentunya hal ini memerlukan banyak waktu dan ketelitian yang baik supaya hasil yang
diperoleh cukup akurat. Untuk mempermudah proses tersebut maka perlu dibuat suatu
program/software untuk mendapatkan karakteristik sifat mampu keras dari baja dan
paduannya dengan memanfaatkan software aplikasi yang telah tersedia yaitu Matlab.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan suatu program yang akan
mempermudah proses pengujian hardenability, dengan cara membuat suatu program
yang dapat memunculkan kurva hardenability band dan atau kurva prediksi kekerasan
3. yang didasarkan pada komposisi kimia standar atau hasil uji komposisi dari baja yang
akan di uji.
II. Prosedur Penelitian
Gambar II.1 Skema penelitian.
4. Gambar II.2 Skema proses pemrograman.
1.25”
3.8”
4”
1”
Gambar II.3 Geometri spesimen pada pengujian hardenability (jominy test).
5. Gambar II.4 Peralatan dalam pengujian hardenability metoda jominy test.
III. Hasil dan Pembahasan
Jenis baja yang digunakan pada pengujian hardenability ini adalah baja AISI
4140, yang merupakan salah satu jenis baja paduan rendah, baja tersebut kemudian
dibentuk spesimen sesuai dengan standar ASTM A255 dan SAE J406, hasil yang
diperoleh setelah pengujian disampaikan dibawah ini.
Tabel III.1 Hasil pengujian kekerasan setelah pengujian hardenability
metode jominy test pada baja AISI 4140.
Kekerasan
Jarak dari (HRC)
ujung quench
(in)
1∕16 57,5
4∕16 52,5
6∕16 45,5
8∕16 40,2
12∕16 39
20∕16 36
24∕16 34,4
28∕16 31,2
32∕16 30,7
6. Gambar III.1 Kurva hardenability hasil pengujian jominy test.
Program prediksi sifat mampu keras baja, di buat dengan menggunakan software
matlab, yang dibagi ke dalam dua bagian, yaitu:
1. Kulit. Untuk membuat program kulit ini (tampilan luar), digunakan GUI (Graphical
User Interfaces) yang merupakan fasilitas matlab, dimana objek-objek matlab yang
digunakan adalah figure, axes dan uicontrol (checkbox, edit, text, frame,
popupmenu, pushbutton dan radiobutton).
2. Isi. Untuk membuat program isi ini (fungsi-fungsi penggerak program) digunakan
fungsi-fungsi matlab, yaitu: set, get, interp1, str2num, num2str, questdlg, hold on
dan fungsi-fungsi matematika lainnya. Selain itu dimasukan juga database menjadi
satu kesatuan dalam program isi ini.
Di bawah ini ditunjukkan penggunaan dari program hardenability yang telah dibuat,
serta hasil pengujian secara prakteknya.
7. Gambar III.2 Data hasil prediksi hardenability baja AISI 4140 melalui pemrograman
software Matlab (garis merah), prediksi berdasarkan hasil pengujian komposisi kimia
(garis hijau) dan hasil pengujian jominy test secara praktek (garis biru).
Gambar III.3 Diagram CCT (continuous cooling transformation) baja AISI 4140.
8. Dari data hasil pengujian kekerasan seperti ditunjukkan pada Tabel III.1 dan Gambar
III.2 terlihat bahwa kekerasan yang diperoleh sudah cukup sesuai, kurva hardenability
hasil prediksi dan hasil pengujian secara praktek berada didalam pita hardenability
untuk baja berdasarkan unsur-unsur yang diketahui atau berdasarkan standar komposisi
dengan kandungan nilai maksimum dan minimum.
Software yang digunakan untuk membuat program hardenability ini adalah matlab yang
merupakan jenis software interpreter, yaitu program yang dibuat tidak bias berdiri
sendiri ketika program ini akan digunakan, maka kita harus meng-instal, master
software matlab terlebih dahulu.
Dalam pembuatan program ini yang paling ditekankan adalah keakuratan data base,
karena data base ini yang sangat menentukan hasil dari program yang dibuat ini, berupa
tampilan kurva pada sumbu koordinat x-y.
Pada Gambar III.2, terlihat bahwa kurva hasil eksperimen (berwarna hijau) semakin
menurun dengan bertambahnya jarak. Hal ini disebabkan karena terjadi perbedaan laju
pendinginan, dimana semakin dekat dengan ujung quench, laju pendinginannya semakin
cepat dan sebaliknya, semakin jauh dengan ujung quench laju pendinginannya semakin
lambat, akibatnya fasa-fasa yang terbentuk akan berbeda-beda. Laju pendinginan dan
perubahan fasa ini dapat diterangkan melalui diagram CCT (Gambar III.3).
Hasil prediksi kurva kekerasan berdasarkan unsur-unsur paduan yang ditunjukkan pada
Gambar III.2 (garis kurva berwarna merah) merupakan grafik kekerasan hasil prediksi
berdasarkan unsur-unsur yang diketahui berdasarkan standar materialnya, dan garis biru
merupakan kurva kekerasan berdasarkan unsur-unsur hasil pengujian komposisi kimia
melalui spekrometer, sedangkan kurva berwarna hijau adalah kurva kekerasan hasil
eksperimen (pengujian jominy test). Pada Gambar tersebut terlihat pula adanya
perbedaan harga distribusi kekerasan, kekerasan hasil prediksi relatif lebih tinggi dari
hasil pengujian secara praktek. Hal ini diakibatkan oleh beberapa hal:
1. Terjadi dekarburisasi pada permukaan, sehingga jumlah karbon pada permukaan
berkurang, yang mengakibatkan menurunnya kekerasan permukaan.
9. 2. Ukuran butir austenit baja AISI 4140 untuk prediksi ini diperkirakan No.7, pada
kenyataannya dapat diluar nilai tersebut sehingga akan membuat kurva kekerasan
berubah, karena besar butir austenit akan mempengaruhi kekerasan baja.
Setelah melihat hasil verifikasi program dengan hasil pengujian baja AISI 4140 sebagai
sampel dari baja paduan rendah, maka secara keseluruhan kurva prediksi hasil
pemrograman dan hasil pengujian mempunyai kecendrungan yang sama (garis biru dan
garis hijau). Sehingga program ini dapat digunakan sebagai pengganti pengujian
hardenability secara praktek atau dengan kata lain dapat dipergunakan untuk
memprediksi sifat mampu keras dari baja karbon atau baja paduan rendah.
IV. Kesimpulan
Dari serangkaian proses pemrograman dan studi hardenability baja dengan metode
jominy test ini dapat disimpulkan beberapa hal yaitu sebagai berikut:
1. Baja AISI 4140 mempunyai hardenability yang baik dengan harga diameter kritis
ideal (diameter yang dapat menghasilkan 50 % martensit) sebesar 0.5576 in.
2. Semakin menurunnya laju pendinginan baja pada setiap jarak dari ujung quench
dalam pengujian jominy, akan menghasilkan fasa yang berbeda-beda sehingga kurva
kekerasan baja semakin menurun terhadap jarak.
3. Perbedaan prediksi kekerasan dengan menggunakan program dan kekerasan hasil
eksperimen jominy test adalah sekitar 3,3 HRC.
4. Program Matlab hasil penelitian ini dapat digunakan sebagai pengganti pengujian
hardenability metode jominy test secara praktek untuk baja karbon dan baja paduan
rendah lainnya.
Referensi
1. Reed Hill,”Physical Metallurgy Principles”, PWS-Kent Publishing Company,
Boston, 1992.
2. K. E. Thelning, “Steel and Its Heat Treatment”, Butterwoths, London, 1984.
3. Kusharjanto, “Perlakuan Panas dan Metalografi”,Labotaria Teknik Metalurgi
Unjani, Bandung, 1998.
4. www.tf.uni-kiel.de/matwis/matu/pdf/met/met_18y.pdf, “Alloy Steels”.
5. Rochim Suratman, “Panduan Proses Perlakuan Panas”, Lembaga Penelitian ITB,
1994.
6. R. E. Smallman, “Metalurgi Fisik Modern”, PT Gramedia, Jakarta1991.
10. 7. www.mae.cornell.edu/zabaras/course/MAE212/modulII.pdf, “Hardenability of
Carbon and Alloy Steels”.
8. B. J. Moniz, “Metallurgy”, American publishers, America, 1994.
9. Donald S. Clark, “Metallurgy for Engineers”, American book, Ney York, 1962.
10. Glyn Meyrick, “Physical Metallurgy of Steel”, Westwood, Ohio, 2001.
11. Duane Hanselman, “MATLAB”, ANDI Yogyakarta, 2000.
12. Bruce Littlefield, “Mastering MATLAB 5”, Upper Saddle River, New Jersey, 1998.
13. Anil Kumar Sinha, “Ferrous Physical Metallurgy”, Butterworths.