Docstoc

PENGARUH KADAR Fe DAN Ni TERHADAP SIFAT MEKANIKDAN MIKROSTRUKTUR PADUAN AlFeNi

Document Sample
PENGARUH KADAR Fe DAN Ni TERHADAP SIFAT MEKANIKDAN MIKROSTRUKTUR PADUAN AlFeNi Powered By Docstoc
					ISSN 0854 – 5561                                           Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2006



   PENGARUH KADAR Fe DAN Ni TERHADAP SIFAT MEKANIK
          DAN MIKROSTRUKTUR PADUAN AlFeNi


                      M.Husna Al Hasa, Yatno Dwi Agus, Martoyo


      ABSTRAK

      PENGARUH KADAR Fe TERHADAP SIFAT MEKANIK DAN MIKRO-STRUKTUR
      PADUAN AlFeNi. Paduan AlFeNi merupakan bahan yang dikembangkan sebagai
      bahan struktur cladding untuk membungkus bahan bakar.Pemaduan AlFeNi
      dilakukan dengan prosess kompaksi dan peleburan menggunakan tungku busur
      listrik. Analisis sifat mekanik paduan dilakukan dengan pengujian kekerasan
      menggunakan metoda Vicker. Pengamatan mikrostruktur dilakukan dengan analisis
      metalografi dan mikroskop optik. Analisis besaran struktur butir mikrostruktur
      menggunakan metode DASS. Analisis fasa dilakukan berdasarkan topografi
      mikrostruktur dan diagram kesetimbangan fasa. Hasil pengukuran sifat kekerasan
      paduan AlFeNi dengan kadar 2%, 2,5%, 3% , 3,5% Fe dan 1,5% Ni masing-masing
      berkisar 51 VHN, 58 VHN, 59 VHN dan 62 VHN. Sifat kekerasan paduan AlFeNi
      menunjukkan peningkatan dengan meningkatnya unsur pemadu Fe dalam paduan.
      Hasil pengamatan metalografi optik memperlihatkan mikrostruktur paduan berbentuk
      dendrit dan cenderung mengalami perubahan seiring dengan meningkatnya kadar
      Fe dalam paduan. Hasil analisis struktur butir menunjukkan besaran struktur butir
      dendrit cenderung menurun dengan meningkatnya kadar Fe dalam paduan dari 20,2
      µm menjadi 11,4 µm. Mikrostruktur butir paduan memperlihatkan berbentuk struktur
      butir dendrit yang diduga merupakan struktur fasa α+τ+κ.




PENDAHULUAN

         Bahan bakar maju berdensitas tinggi yang sedang dikembangkan, seperti bahan bakar
silisida dan molibdenum dilakukan untuk mendapatkan tingkat muat yang relatif tinggi.
Peningkatan tingkat muat akan berdampak pula terhadap sifat kekerasan bahan bakar (fuel
core). Sifat kekerasan bahan bakar (fuel core) yang meningkat akan mengakibatkan perbedaan
kekerasan antar cladding dengan bahan bakar menjadi relatif besar. Perbedaan kekerasan ini
akan berpotensi terhadap kegagalan proses fabrikasi elemen bakar, seperti penumpukan bahan
bakar pada sisi ujung cladding. Keadaan ini dikenal dengan sebutan dog-boning. Selain itu,
berpotensi pula terjadi penyebaran meat yang menyebar melebar ke arah sisi cladding sehingga
ukuran lebar meat di dalam pelat cladding tidak sesuai dengan spesifikasi yang ditentukan.
Problema ini dapat dicegah dengan mengurangi perbedaan sifat kekerasan antara fuel core dan
cladding agar tidak terlalu tinggi. Hal ini dapat diantisipasi dengan mengimbangi sifat kekerasan
                                                                                                [1]
cladding dengan bahan bakar melalui pengembangan bahan struktur paduan aluminium
                                                                [2]
sebagai material cladding alternatif, seperti paduan AlFeNi . Pengkajian dan pengembangan
bahan struktur cladding telah dilakukan oleh berbagai pihak didunia seiring dengan


                                                89
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2006                                          ISSN 0854 - 5561


pengembangan bahan bakar maju berdensitas tinggi. Pengembangan bahan bakar maju
berdensitas tinggi dilakukan searah dengan program RERTR yang beroerientasi kepada
                                              [3,4]
penggunaan uranium pengkayaan rendah                . Hal ini merupakan suatu konsekuensi suatu
negara produksi dan pengguna bahan bakar untuk mengikuti program konversi pemakaian
uranium dari pengayaan tinggi ke pengayaan rendah. Beberapa negara di dunia, seperti Perancis
telah melakukan pengembangan bahan struktur paduan AlFeNi sebagai cladding bahan bakar
berdensitas tingi. Selain itu, beberapa negara eropa lainnya telah pula melakukan pengkajian
                                                       [5]
penggunaan AlFeNi sebagai cladding bahan bakar . Berdasarkan kajian yang telah dilakukan
menunjukkan bahwa paduan AlFeNi memiliki sifat mekanik dan ketahanan korosi yang relatif
            [5,6]
lebih baik        . Penelitian ini akan mengkaji lebih jauh tentang penggunaan paduan AlFeNi
sebagai cladding alternatif pembungkus bahan bakar berdensitas tinggi dimasa mendatang
dengan melakukan eksperimen berbagai variasi pemaduan AlFeNi dengan metoda peleburan
menggunakan arc furnace dan karakterisasi sifat paduannya. Peningkatan kadar Fe dalam
paduan aluminium akan berdampak terhadap mikrostruktur dan diharapkan akan meningkatkan
sifat kekerasan bahan cladding. Sifat kekerasan, topografi mikrostruktur dan ukuran struktur butir
dendrit paduan AlFeNi masing-masing akan diamati menggunakan metode Vicker, mikroskop
optik dan metode DASS (Dendrite Arm Spacing Secondary).




                     Gambar 1. Diagram kesetimbangan paduan AlFeNi [7].

TATA KERJA

        Bahan berupa logam aluminium, fero dan nikel berbentuk serbuk. Bahan dasar
Aluminium dipadukan dengan unsur pemadu utama Fe dan Ni. Pemaduan dilakukan bervariasi
berdasarkan persentase kadar berat unsur pemadu, yaitu (2% Fe, 1,5% Ni), (2,5% Fe, 1,5% Ni),
(3% Fe, 1,5% Ni) dan (3,5% Fe, 1,5% Ni) dengan teknik kompaksi dan peleburan menggunakan
tungku busur listrik. Proses kompaksi dilakukan secara mekanik dengan tekanan sekitar 300-350
kN. Penekanan ditingkatkan seiring dengan meningkatnya kadar komposisi paduan. Peleburan
lempengan hasil kompaksi dilakukan secara berulang hingga 4 kali pelelehan dan setiap kali
peleburan ditahan sekitar 4-5 menit. Ingot paduan AlFeNi hasil peleburan sebelum dikenai
pengujian sifat mekanik dan uji metalografi terlebih dahulu permukaannya dibersihkan dan
dihaluskan. Permukaan spesimen AlFeNi diratakan dengan penggerindaan dan dipoles secara
bertahap menggunakan mesin poles. Spesimen AlFeNi hasil poles kemudian permukaannya




                                               90
ISSN 0854 – 5561                                                           Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2006


dietsa menggunakan larutan etsa tertentu untuk memunculkan mikrostruktur fasa. Penambahan
unsur pemadu dalam paduan AlFeNi dari (2% Fe, 1,5% Ni), (2,5% Fe, 1,5% Ni), (3% Fe,1,5%
Ni), dan (3,5% Fe, 1,5% Ni) diamati efeknya terhadap sifat mekanik, mikrostruktur dan struktur
fasanya. Pengamatan sifat mekanik dilakukan dengan uji kekerasan menggunakan metoda
Vicker. Analisis mikrostruktur paduan AlFeNi diamati dengan menggunakan mikroskop optik.
Pembentukan fasa paduan          di analisis melalui topografi mikrostruktur dan diagram
kesetimbangan fasa.




HASIL DAN BAHASAN

       Hasil pengamatan yang dilakukan pada paduan AlFeNi berupa pengukuran kekerasan,
metalografi-optik, besaran butir dendrit masing-masing diperlihatkan secara berturut-turut pada
Gambar 2, 3dan 4.

          Gambar 2 memperlihatkan hasil pengukuran kekerasan ingot paduan AlFeNi pada
berbagai konsentrasi Fe. Dari Gambar 2 menunjukkan bahwa kekerasan paduan AlFeNi relatif
semakin meningkat seiring dengan semakin meningkat kadar paduan mencapai kekerasan 62
VHN dengan konsentrasi (3,5%Fe, 1,5%Ni). Hal ini terjadi karena paduan AlFeNi mengalami
                                                                        [7]
penguatan larut-padat hingga mencapai sekitar 0,05% kadar Fe dan Ni ke dalam struktur fasa
α-Al. Penguatan larut-padat pada struktur fasa α-Al terjadi secara substitusi dengan menempati
kisi sel-satuan FCC. Proses larut-padat atom Fe dan Ni ke dalam kisi struktur fasa α-Al
cenderung mengakibatkan terjadinya distorsi parameter kisi yang berakibat menimbulkan medan
tegangan disekitar atom yang larut. Kondisi seperti ini semakin berpotensi menghambat gerakan
dislokasi yang mengarah kepada penguatan bahan. Kekerasan paduan AlFeNi dengan 3,5%Fe
relatif tinggi karena pada konsentrasi ini dimungkinkan pembentukan fasa kedua semakin
meninigkat dari hasil reaksi antara Fe dengan Al dan Ni dengan Al membentuk senyawa fasa
                         [7,8]
FeAl3, FeNiAl9 dan NiAl3 . Senyawa fasa yang yang terbentuk dalam paduan ini berkontribusi
pula merintangi gerakan dislokasi, yang berdampak terhadap peningkatan kekerasan bahan.
 Kekerasan (VHN), N/mm2




                          100
                           90
                           80
                           70
                           60
                           50
                           40
                           30
                           20
                           10
                            0
                                1,5   2         2,5             3             3,5           4
                                          Kadar Fe Pada Paduan AlFeNi, %

Gambar 2. Hubungan sifat kekerasan paduan AlFeNi terhadap kadar Fe dalam paduan
       Gambar 2 menunjukan pula bahwa sifat kekerasan paduan AlFeNi sangat dipengaruhi
oleh peningkatan kadar Fe dalam paduan. Pada konsentrasi di atas 2% Fe terjadi kenaikan
kekerasan dengan semakin meningkatnya kandungan Fe, yaitu 51 VHN pada 2% Fe, 58 VHN
pada 2,5% Fe, 59 VHN pada 3% Fe dan 62 VHN pada 3,5% Fe. Hal ini terjadi dimungkinkan
karena adanya pertumbuhan fasa kedua yang semakin tinggi seiring dengan meningkatnya
prosentase kadar Fe. Peningkatan fasa kedua yang semakin tinggi akan berdampak terhadap



                                                              91
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2006                                            ISSN 0854 - 5561


peningkatan kekerasan karena kehadiran fasa kedua tersebut berpotensi merintangi pergerakan
dislokasi. Pembentukan fasa kedua ini ditandai dengan perubahan struktur butir dendrit
berbentuk memanjang mengarah menjadi bentuk struktur butir dendrit yang cenderung mengecil,
seperti ditunjukkan pada Gambar 3.b dan 3.c. Struktur butir fasa mengalami perubahan dari
bentuk butir dendrit pada Gambar 3.a menjadi bentuk butir dendrit seperti ditunjukkan pada
Gambar 3.b dan 3.c karena sebagian fasa α.Al bertransformasi menjadi fasa τ dan κ. Fasa τ
berupa FeAl3 berselsatuan monoklinik dan κ berupa senyawa NiAl3 yang berselsatuan
orthorombik bersifat relatif lebih keras dari fasa α Al. Kondisi struktur butir dendrit yang relatif
kecil memungkinkan memberi dampak terhadap peningkatan penguatan logam. Hal ini karena
struktur butir yang lebih kecil relatif lebih banyak butir dendrit dan dengan demikian akan
memperbanyak batas butir. Batas butir yang semakin banyak akan semakin memperbesar
peranannya terhadap penghambatan pergerakan dislokasi karena batas butir merupakan
                                       [7]
rintangan terhadap gerakan dislokasi .

           Mikrostruktur paduan AlFeNi dengan kadar (2%.Fe, 1,5 % Ni), (2,5% Fe, 1,5% Ni), (3%
e, 1,5% Ni) dan (3,5% Fe,1,5% Ni) diperlihatkan pada Gambar 3. Gambar 3.a memperlihatkan
mikrostruktur paduan AlFeNi dengan struktur butir dendrid memanjang yang memiliki fasa θ
(FeAl3), κ (NiAl3) dan fasa α Al yang relatif lebih banyak dan dominan, sedangkan fasa θ dan κ
yang berbentuk dendrit relatif lebih sedikit. Pembentukan fasa θ dan κ diawali pada batas butir
karena energi pada daerah batas butir relatif tinggi daripada di daerah butir, sehingga
menyebabkan daerah batas butir menjadi lebih reaktif daripada di butir. Energi pada batas butir
relatif tinggi karena batas butir adalah daerah yang sangat tidak stabil dan batas butir merupakan
daerah pertemuan kristal-kristal atom dengan orientasi yang berbeda atau acak. Fasa yang
terbentuk pada paduan AlFeNi merupakan rejeksi dari larutan padat aluminium bila kadar Fe atau
Ni yang terkandung dalam paduan tersebut melebihi kemampuan larut-padat fasa α-Al.

         Gambar 3.b memperlihatkan mikrostruktur paduan AlFeNi dengan kadar 2,5% Fe,1,5%
Ni cenderung mengalami pertumbuhan struktur butir fasa θ dan κ yang semakin meningkat.
Gambar 3.b memperlihatkan pula kecenderungan perubahan struktur butir dari bentuk dendrit
yang memanjang mengarah ke bentuk dendrit yang mengecil. Perubahan struktur butir denrit ini
terjadi karena jumlah kadar unsur Fe dalam paduan semakin meningkat. Sebagai akibatnya
unsur Fe yang bereaksi dengan Al membentuk senyawa FeAl3 menjadi semakin bertambah.
Kondisi ini ditandai dengan pertumbuhan struktur butir dendrit fasa θ dan κ yang semakin besar,
seperti diperlihatkan pada Gambar 3.b.

         Mikrostruktur paduan AlFeNi dengan kadar 3% Fe, 1,5% Ni dan 3,5% Fe, 1,5% Ni yang
ditunjukkan pada Gambar 3.c dan 3.d memperlihatkan bahwa struktur butir dendrit memanjang
relatif berkurang karena bertransformasi membentuk struktur butir yang semakin mengecil.
Struktur butir fasa θ, κ dan τ semakin meningkat seperti tampak secara jelas dalam bentuk
struktur butir dendrit pipih mengecil pada Gambar 3 c dan 3d. Struktur butir dendrit pada Gambar
3c relatif lebih kecil daripada struktur butir dendrit yang ditunjukkan pada Gambar 3b dan struktur
dendrit Gambar 3d relatif lebih kecil dari Gambar 3c. Penghalusan butir tersebut dimungkinkan
karena dipacu oleh kadar Fe yang semakin tinggi yang berdampak terhadap peningkatan energi
dalam paduan. Energi dalam paduan yang tinggi mendorong percepatan pengintian butir,
sehingga butir dendrit yang terbentuk semakin banyak dan relatif kecil. Struktur butir fasa θ, κ
dan τ relatif lebih dominan pada mikrostruktur 3,5% Fe,1,5%Ni seperti ditunjukkan pada Gambar
3.d.




                                                92
ISSN 0854 – 5561                                        Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2006




                                                 Al-α

                                                      Paduan Al-Fe-Ni




                                                (a)




                                                                          25 µm

       Gambar 3.a. Struktur mikro paduan Al 2%Fe 1,5%Ni




                                                                           25 µm


       Gambar 3.b. Mikrostruktur paduan Al 2,5%Fe, 1,5%Ni




                                           93
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2006                         ISSN 0854 - 5561




                                 Al-α

                            Paduan Al-Fe-Ni




                                                            25 µm


       Gambar 3.c. Mikrostruktur paduan Al 3%Fe, 1,5%Ni




                                                            25 µm
                                         (a)

       Gambar 3.d. Mikrostruktur paduan Al 3,5%Fe, 1,5%Ni



                                               94
ISSN 0854 – 5561                                                                          Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2006


                      26
                      24
                      22
                      20
 Ukuran dendrit, um




                      18
                      16
                      14
                      12
                      10
                      8
                      6
                      4
                      2
                      0
                           1,5        2         2,5             3          3,5   4
                                          Kadar Fe Pada Paduan AlFeNi, %



Gambar 4. Variasi ukuran butir dendrit terhadap peningkatan unsur Fe dalam paduan

         Gambar 4 memperlihatkan variasi besaran ukuran dendrit paduan Al-Fe-Ni hasil
                                                                         [9]
perhitungan mengunakan metode Dendrite Arm Spacing Secondary(DASS) . Ukuran dendrit
terjadi perubahan seting dengan peningkatan kadar unsur Fe dari 2 Fe, 2,5 Fe, 3Fe, 3,5Fe
dengan unsur Ni tetap sebesar 1,5Ni. Gambar 4 menunjukkan besaran dendrit semakin menurun
dengan semakin meningkatnya kadar Fe dalam paduan. Penurunan ukuran dendrit terjadi
karena adanya peningkatan kadar Fe dalam paduan Al-Fe-Ni. sehingga unsur Fe yang
terkandung dalam paduan tersebut melebihi kemampuan larut padat fasa Al-α. Kelebihan unsur
Fe tersebut kemudian bereaksi dengan unsur Ni dan Al yang membentuk senyawa paduan
berupa fasa kedua.




KESIMPULAN

       Sifat kekerasan paduan AlFeNi mengalami peningkatan dengan semakin tinggi kadar
paduan. Sifat kekerasan paduan AlFeNi sebesar 51 VHN pada 2Fe1,5Ni dan mencapai 62 VHN
pada 3,5Fe1,5Ni . Peningkatan kekerasan ini sekaligus menunjukkan adanya kaitan terjadinya
perubahan mikrostruktur akibat semakin tinggi kadar paduan. Mikrostruktur paduan AlFeNi
dengan kadar 2Fe1,5Ni berbentuk struktur butir dendrit memanjang. Struktur butir dendrit
memanjang cenderung mengarah ke bentuk strutur dendrit yang relatif semakin mengecil dengan
semakin meningkat kadar Fe. Seiring dengan itu, besaran dendrit semakin menurun dengan
semakin meningkatnya kadar Fe dalam paduan dari 20 µm pada 2Fe1,5Ni menjadi 11,4 µm pada
3,5Fe1,5Ni.




DAFTAR PUSTAKA

[1]                              BENJAMIN M.MA, Nuclear Reactor Materials and Applications, VNR Company Inc, USA,
                                 1983.

[2]                              FANJAS, Y., Status of LEU Fuels At CERCA, 1991.

[3]                              TRAVELLI, A., Status and Progress of The RERTR Program, Proceedings, The 19 th
                                 International Meeting on Reduced Enrichment for Reseach and Test Reactors, Seoul,
                                 Korea, page 4-8, 1996.



                                                                                     95
Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2006                                      ISSN 0854 - 5561


[4]   DAVID, G.H., United States Policy Intiatives in Promoting The RERTR Program,
      Proceedings, The 19 th International Meeting on Reduced Enrichment for Research and
      Test reactors, Seoul, Korea, Page 14, 1996.

[5]   BALLAGNY, A., Situation of technological Irradiation Reactors A Progress Report On The
      Jules Horowitz Reactor Project.

[6]   BALLAGNY, A., Main Technical of The Jules Horowitz Reactor Project to Achieve High
      Flux Performances and High Safety Level.

[7]   MONDOLFO, L.F, Aluminium Alloys, Structure and Properties, London, 1976

[8]   PETZOW, G.,        EFFENBERG, G., Ternary Alloy AlFeNi, Vol.15, Germany: ASM,
      International, 1992.

[4]   HAKKA, Manual Dendrite Arm Spacing, DAS Measure.




                                            96

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Categories:
Stats:
views:206
posted:4/23/2011
language:Malay
pages:8
Description: PENGARUH KADAR Fe DAN Ni TERHADAP SIFAT MEKANIK DAN MIKROSTRUKTUR PADUAN AlFeNi