Baja
Baja
adalah besi karbon campuran logam yang dapat berisi kosentrasi dari element
campuran lainnya, ada ribuan campuran logam lainnya yang memunyai perlakuan
bahan dan komposisi berbeda. Sifat mekanis adalah sensitive kepada isi dari
pada karbon, yang mana secara normal kurang dari 1,0 %C. sebagian dari baja
umum digolongkan menurut kosentarsi karbon, yakni kedalam rendah, medium dan
jenis karbon tinggi.
Baja merupakan bahan dasar vital untuk industri. Semua segmen kehidupan,
mulai dari peralatan dapur, transportasi, generator pembangkit listrik, sampai
kerangka gedung dan jembatan mengunakan baja. Besi baja menduduki peringkat
pertama diantara barang tambang logam dan produknya melingkupi hamper 90% dari
barang berbahan logam.
Baja merupakan paduan besi ( Fe) dengan karbon (C), dimana kandungan
karbon tidak lebih dari 2%
Baja banyak digunakan karena baja mempunyai sifat mekanis lebih baik
daripada besi, sifat baja antara lain :
·
Tanguh dan
ulet
·
Mudah
ditempa
·
Mudah diproses
·
Sifatnya
dapat diubah dengan mengubah karbon
·
Sifatnya
dapat diubah dengan perlakuan panas
·
Kadar
karbon lebih rendah dibandingkan besi
·
Banyak
dipakaiuntuk berbagai bahan peralatan
Walaupun baja lebih sering digunakan, namun baja mempunyai kelemahan
yaitu ketahanan terhadap korosinya rendah. Baja dapat (dua unsure atau lebih
digabung sehingga dihasilkan sifat lain). Hasil pemaduannya yaitu:
·
Larutan
padat/solid solufion ( dapat memperbaiki sifat fisik/kimia)
·
Senyawa (
lebih keras dari larutan padat, dapat memperbaiki sifat mekanik)
Sifat
Mekanis Baja
Sifat - sifat mekanis baja ditentukan oleh kombinasi faktor – faktor
berikut ini:
- Komposisi
kimia,
- Perlakuan
panas (heat treatment).
- Proses
pembuatan (manufacturing procces).
Walaupun baja sebagian besar terdiri dari besi (Fe),
penambahan unsur – unsur lain dalam jumlah yang relatif kecil sangat menentukan
jenis dan sifat mekanis akhir dari baja tersebut.
Komposisi dari unsur – unsur ini juga memberikan reaksi yang
berbeda – beda pada saat baja menjalani proses perlakuan panas (heat treatment)
atau pada saat proses pendinginan dari suhu yang tinggi.
Ada dua masalah utama dalam pemakaian material baja yaitu:
sifat korosif dan sifat tahan terhadap panas. Untuk mengantisipasi kelemahan
baja terhadap kedua masalah diatas dapat diperbaiki dengan menggunakan baja
dengan komposisi kimia dan heat treatment yang sesuai dengan kebutuhan.
Selain itu sesuai dengan perkembangan tuntutan sifat – sifat
tertentu material baja, perlu diimbangi dengan teknologi pembuatannya. Tambahan
dan kombinasi unsur – unsur lain menjadi satu alternatif jalan keluar di
samping penggunaan jenis heat treatment yang sesuai. Komposisi kimia baja dan
heat treatment pada dasarnya saling mempengaruhi hingga dapat dikatakan
keduanya saling berinteraksi.
- Komposisi
Kimia Baja
Baja pada dasarnya ialah besi (Fe)
dengan tambahan unsur Karbon ( C ) sampai
dengan 1.67% (maksimal). Bila kadar unsur karbon ( C) lebih dari 1.67%, maka material
tersebut biasanya disebut sebagai besi
cor (Cast Iron). Makin tinggi kadar karbon dalam baja, maka akan
mengakibatkan hal- hal sbb:
Ø Kuat leleh dan kuat tarik baja kan
naik,
Ø Keliatan / elongasi baja
berkurang,
Ø Semakin sukar dilas.
Oleh karena itu adalah penting agar kita dapat menekan kandungan karbon pada kadar serendah mungkin
untuk dapat mengantisipasi berkurangnya keliatan dan sifat sulit dilas diatas,
tetapi sifat kuat leleh dan kuat tariknya tetap tinggi. Penambahan unsur –
unsur ini dikombinasikan dengan proses heat treatment akan menghasilkan kuat
tekan yang lebih tinggi, tetapi keuletan dan keliatan, dan kemampuan khusus
lainnya tetap baik. Unsur – unsur tersebut antara lain: Mangaan (Mn), Chromium (Cr), Molybdenum (Mo), Nikel (Ni) dan tembaga (Cu).
Tetapi proporsional pertambahan kekuatannya tidak sebesar karbon. Pertambahan
kekuatannya semata –mata karena unsur tersebut memperbaiki struktur mikro baja.
Untuk memahami pengaruh komposisi kimia dan heat treat
terhadap sifat akhir baja, maka kita perlu menganal factor – factor sbb:
Ø Struktur mikro,
Ø Ukuran butiran,
Ø Kandungan nonlogam.
Ø Endapan dipermukaan antar butiran.
Ø Keberadaan gas – gas yang terserap atau terlarut
1. Struktur Mikro
Unsur
Fe dan C menyususn diri dalam suatu struktur
berulang dalam pola tiga dimensi
yang dinamakan dengan kristal.
Kristal –kristal yang berorientasi
(arah pengulangan / susunan ) sama
disebut sebagai butir.Susunan kumpulan butir satu dengan yang lain
pada suatu fasa tertentu
dinamakan struktur mikro, contoh
struktur mikro antara lain: ferit,
perlit dan sementit.
2.
Ukuran butir
Penghalusan
butir baja akan menghasilkan: Peningkatan
kuat leleh (yield strength), Perbaikan
sifat keuletan (toughness) dan keliatan
(ductility), Penghalusan butiran dapat dilakukan dengan penambahan unsur
niobium, vanadium dan aluminium dengan jumlah maksimal 0.05% atau dengan heat treatment.
3.
Kandungan non logam
Unsur
– unsur non-logam yang umumnya dibatasi jumlahnya didalam produk baja adalah Sulfur (S) dan Fosfor (P). Tinggi kadar kedua unsur tersebut bisa menurunkan keliatan (ductility) baja
dan meningkatkan kemungkinan retak pada
sambungan las. Pada baja khusus mampu las, kandungan kedua unsur diatas
dibatasi kurang dari 0.05%.
4. Endapan dipermukaan antar butiran
Unsur – unsur lain yang juga dapat menurunkan
keuletan baja baja anatar lain: timah
(Sn), antimon (Sb) dan arsen (As) hingga baja menjadi getas. Sifat getas
ini ditimbulkan oleh pengendapan atau berkumpulnya unsur – unsur diatas
dibidang batas antar butir baja pada suhu 500 – 600o .
5. Kandungan gas-gas
Baja
yang mengandung gas – gas terlarut dalam kadar yang tinggi terutama: Oksigen (O) dan Nitrogen (N) dapat menimbulkan sifat
getas. Untuk mengurangi kadar gas tersebut biasa digunakan unsur - unsur
yang dapat mengikat kedua unsur gas diatas menjadi senyawa yang cukup ringan
sehinggan senyawa tersebut akan mengapung ke permukaan baja yang masih panas
dan cair. Unsur - unsur pengikat gas N dan O biasanya digunakan
unsur silicon (Si) dan atau aluminium (Al) yang fungsinya disebut sebagai Deoxidant.
2.10.1. Klasifikasi Baja
Berdasarkan Prosentase Karbon
Berdasarkan tinggi rendahnya
prosentase karbon di dalam baja, baja karbon diklasifikasikan sebagai berikut:
- Baja Karbon Rendah (
low carbon stell)
Baja karbon rendah mengandung karbon antara 1.10 s/d 0.30%.
baja karbon ini dalam perdangan dibuat dalam olat baja, baja strip dan baja
batangan atau profil. Berdasarkan jumlah karbon yang terkandung dalam baja,
maka baja karbon rendah dapat digunakan atau dijadikan baja-baja sebagai
berikut :
- Baja karbon rendah yang
mengandung 0.04%-0.10%C. untuk dijadikan baja-baja plat atau strip
2. Baja karbon rendah yang mengandung
0.05% C digunakan untuk keperluan badan-badan kendraan.
- Baja karbon rendah yang
mengandung 0.15%-0.30%C digunakan untuk kontruksi jembatan, bangunan,
membuat baut atau dijadikan baja kontruksi.
- Baja Karbon Menengah ( medium cabon steel)
Baja karbon menengah mengandung karbon antara 0.30-0.60 % C.
baja karbon menengah ini banyak digunakan untuk keperluan alat-alat perkakas
bagian mesin. Berdasarkan jumlah karbon yang terkandungdalam baja maka baja
karbon ini dapat digunakan untuk berbagai keperluan seperti untuk keperluan
industri kendaraan, roda gigi, pegas dan sebagai nya.
- Baja Karbon Tinggi (
High carbon steel)
Baja karbon tinggi mengandung kadar karbon antara 0.60-1.7 %
C. dan setiap satu ton baja karbon tinggi mengandung karbon antara 70-130 kg.
baja ini mempunyai tegangan tarik paling tinggi dan banyak digunakan untuk
material tools. Salah satu aplikasi dari baja ini adalah dalam pembuatan kawat
baja dan kabel baja.berdasarkan jumlah karbon yang terkandung didalam baja maka
baja ini banyak digunakan dalam pembuatan pegas, alat-alat perkakas seperti ;
palu,gergaji atau pahat potong. Selain itu baja jenis ini banyak digunakan
untuk keperluan industri lain seperti pembuatan kikir, pisau cukur, mata
gergaji dan lain sebagainya.
2.10.2. Berdasarkan komposisi
Dalam prakteknya baja terdiri dari
beberapa macam yaitu:
- Baja
Karbon (Carbon Steel)
Terdiri atas beberapa unsure, yang
paling utama adalah carbon ( C ), unsure yang lainnya, yaitu Si ( dari batu
tahan api) Mn,S dan P ( dari kokas untuk Carbon encrichment,S dan P maksimum
0.05% )
Beberapa macam baja karbon, yaitu:
- Baja karbon rendah
- Baja karbon medium
- Baja karbon tinggi
Sebagian kelompok baja didesain
untuk laku panas dalam daerah austenit, disusul dengan pendinginan dan
dekomposisi austenit secara lansung atau tak lansung membentuk ferit dan
karbida. Bila baja hanya mengandung besi dan karbon, paduan disebut baja karbon
- Baja
Paduan ( alloyed steel)
Baja paduan adalah campuran antara
baja karbon dengan unsur-unsur lain yang mempengaruhi sifat-sifat baja misalnya
sifat kekerasan,liat, kecepatan membeku, titik cair, dan sebagainya yang
bertujuan memperbaiki kualitas dan kemampuannya. Penambahan unsure-unsur lain
dalam baja karbondapat dilakukan dengan satu unsure atau lebih, tergantung dari
karekteristik atau sifat khusus yang dikehendaki.
Unsur-unsur paduan untuk baja ini
dibagi dalam 2 golongan yaitu :
- Unsur yang membuat baja menjadi kuat dan ulet,
dengan menguraikannya kedalam feritte ( misalnya Ni,Mn,sedikit Cr dan Mo).
Unsure ini terutama digunakan untuk pembuatan baja kontruksi.
- Unsure yang bereaksi dengan karbon dalam baja
dan membentuk karbida yang keras dari sementit ( misalnya unsure Cr,W,Mo
dan V) unsure ini terutama digunakan untuk pembuatan baja perkakas
- Baja
Paduan Rendah
Baja
paduan rendah adalah baja paduan yang mempunyai kadar karbon sama dengan baja
lunak, tetapi ditambah dengan sedikit unsur-unsur paduan. Penambahan unsur ini
dapat meningkatkan kekuatan baja tanpa mengurangi keuletannya. Baja paduan
banyak digunakan untuk kapal, jembatan, roda kerta api, ketel uap,
tangki-tangki dan dalam permesinan. Baja paduan rendah dibagi menurut sifatnya
yaitu baja tahan suhu rendah, baja kuat dan baja tahan panas (Wiryosumarto,
2000).
- Baja tahan suhu rendah. Baja
ini mempunyai kekuatan tumbuk yang tinggi dan suhu transisi yang renda,
karena itu dapat digunakan dalam kontruksi untuk suhu yang lebih rendah
dari suhu biasa.
- Baja kuat. Baja ini dibagi
dalam dua kelompok yaitu kekuatan tinggi dan kelompok ketangguhan tinggi. Kelompok
kekuatan tinggi mempunyai sifat mampu las yang baik karena kadar karbonnya
rendah. Kelompok ini sering digunakan dalam kontruksi las. Kelompok yang
kedua mempunyai ketangguhan dan sifat mekanik yang sangat baik. Kekuatan
tarik untuk baja kuat berkisar antara 50 sampai 100 kg/mm2.
- Baja tahan panas adalah baja
paduan yang tahan terhadap panas, asam dan mulur. Baja tahan panas yang
terkenal adalah baja paduan jenis Cr-Moyang tahan pada suhu 6000C.
Pengelasan
yang banyak digunakan untuk baja paduan rendah adalah las busur elektroda
terbungkus, las busur rendam dan las MIG (las logam gas mulia). Perubahan struktur daerah las selama
pengelasan, karena danya pemanasan dan pendinginan yang cepat menyebabkan
daerah HAZ menjadi keras. Kekerasan yang tertinggi terdapat pada daerah HAZ.
1. Steel
40 ( ST 40 )
Baja ST 40
termasuk baja karbon rendah
dengan kandungan karbon kurang dari
0,3%. ST 40 ini menunjukkan bahwa baja ini
dengan kekuatan tarik =
40 kg /
mm². (diawali dengan
ST dan diikuti
bilangan yang menunjukan kekuatan tarik minimumnya dalam
kg/mm²).
Baja ST 40
ini secara teori
mempunyai nilai kekerasan
yang lebih rendah dibandingkan
dengan besi cor, dengan
adanya perlit dan ferit
karena perlit yang ada lebih
banyak dari pada ferit Aplikasi baja ST
40 antara lain
- Digunakan untuk kawat,
paku, wire mesh,
peralatan automotif dan sebagai bahan baku welded
fabrication ( kisi – kisi jendela atau pintu dan jeruji)
- Aplikasi khusus seperti
untuk kawat elektroda berlapis
untuk keperluan pengelasan.
Walaupun baja sebagian besar terdiri dari besi (Fe),
penambahan unsur – unsur lain dalam jumlah yang relatif kecil sangat menentukan
jenis dan sifat mekanis akhir dari baja tersebut.
Komposisi dari unsur – unsur ini juga memberikan reaksi yang
berbeda – beda pada saat baja menjalani proses perlakuan panas (heat treatment)
atau pada saat proses pendinginan dari suhu yang tinggi.
Ada dua masalah utama dalam pemakaian material baja yaitu:
sifat korosif dan sifat tahan terhadap panas. Untuk mengantisipasi kelemahan
baja terhadap kedua masalah diatas dapat diperbaiki dengan menggunakan baja
dengan komposisi kimia dan heat treatment yang sesuai dengan kebutuhan.
Selain itu sesuai dengan perkembangan tuntutan sifat – sifat
tertentu material baja, perlu diimbangi dengan teknologi pembuatannya. Tambahan
dan kombinasi unsur – unsur lain menjadi satu alternatif jalan keluar di
samping penggunaan jenis heat treatment yang sesuai. Komposisi kimia baja dan
heat treatment pada dasarnya saling mempengaruhi hingga dapat dikatakan
keduanya saling berinteraksi.
Berdasarkan
uji komposisi pada penelitian ini dilakukan dengan metode sampel. Sampel 1
untuk uji komposisi adalah dari kelompok raw material, maka dapat
digeneralisasikan komposisi kimia seperti yang tercantum pada tabel 3.1 dapat
diklasifikasikan ke dalam jenis baja karbon rendah (mild steel).
Table 3.1. Komposisi kimia Baja ST
40
2.
Pengelasan Baja Karbon
Baja
adalah merupakan suatu campuran dari besi (Fe) dan karbon (C), dimana unsur
karbon (C) menjadi dasar. Disamping unsur Fe Dan C, baja juga mengandung unsur
campuran lain seperti sulfur (S), fosfor (P), silikon (Si), dan mangan (Mn)
yang jumlahnya dibatasi. Baja karbon sedang dan baja karbon tinggi mengandung
banyak karbon dan unsur lain dapat memperkeras baja, karena itu daerah pengaruh
panas atau HAZ pada baja ini mudah menjadi keras bila dibandingkan baja
karbon rendah. Sifatnya yang mudah menjadi keras ditambah dengan adanya
hydrogen difusi menyebabkan baja ini sangat peka terhadap retak las. Disamping
itu pengelasan dengan menggunakan elektroda yang sama kuat dengan logam lasnya
dengan pemanasan mula dan suhu pemanasan tergantung dari kadar karbon. Baja
karbon adalah baja yang mengandung karbon antara 0,1% - 1,7%. Berdasarkan
tingkatan banyaknya kadar karbon, baja digolongkan menjadi tiga tingkatan :
- Baja karbon rendah Yaitu baja
yang mengandung karbon kurang dari 0,30%. Baja karbon rendah dalam perdagangan
dibuat dalam bentuk pelat, profil, batangan untuk keperluan tempa,
pekerjaan mesin, dan lain-lain.
- Baja karbon sedang Baja ini
mengandung karbon antara 0,30% – 0,60 %. Didalam perdagangan biasanya
dipakai sebagai alat-alat perkakas, baut, poros engkol, roda gigi, ragum,
pegas dan lain-lain.
- Baja karbon tinggi Baja karbon tinggi
ialah baja yang mengandung kerbon antara 0,6% – 1,5%. Baja ini biasanya
digunakan untuk keperluan alat-alat konstruksi yang berhubungan dengan
panas yang tinggi atau dalam penggunaannya akan menerima atau mengalami panas,
misalnya landasan, palu, gergaji, pahat, kikir, bor, bantalan peluru, dan
sebagainya (Amanto,1999).
2.11. Pengujian Tarik
Proses
pengujian tarik bertujuan untuk mengetahui kekuatan tarik benda uji. Pengujian
tarik untuk kekuatan tarik daerah las dimaksudkan untuk mengetahui apakan
kekuatan las mempunyai nilai yang sama, lebih rendah atau lebih tinggi dari
kelompok raw materials. Pengujian tarik untuk kualitas kekuatan tarik
dimaksudkan untuk mengetahui berapa nilai kekuatannya dan dimanakah letak putusnya
suatu sambungan las. Pembebanan tarik adalah pembebanan yang diberikan pada
benda dengan memberikan gaya tarik berlawanan arah pada salah satu ujung benda.
Penarikan
gaya terhadap beban akan mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk (deformasi)
bahan tersebut. Proses terjadinya deformasi pada bahan uji adalah proses
pergeseran butiran kristal logam yang mengakibatkan melemahnya gaya
elektromagnetik setiap atom logam hinggaterlepas ikatan tersebut oleh penarikan
gaya maksimum.
Pada
pengujian tarik beban diberikan secara kontinu dan pelan–pelan bertambah besar,
bersamaan dengan itu dilakukan pengamatan mengenai perpanjangan yang dialami
benda uji dan dihasilkan kurva teganganregangan.
Gambar
2.12 Kurva tegangan-regangan
Pada
pengujian tarik beban diberikan secara kontinu dan pelan–pelan bertambah besar,
bersamaan dengan itu dilakukan pengamatan mengenai perpanjangan yang dialami
benda uji dan dihasilkan kurva tegangan-regangan. Tegangan dapat diperoleh
dengan membagi beban dengan luas penampang mula benda uji.
Dimana:
σu =
Tegangan nominal (kg/mm2)
Fu =
Beban maksimal (kg)
Ao = Luas penampang mula dari penampang
batang (mm2)
Regangan
(persentase pertambahan panjang) yang diperoleh dengan membagi perpanjangan
panjang ukur (ΔL) dengan panjang ukur mula-mula benda uji.
Dimana:
ε = Regangan
(%)
L = Panjang
akhir (mm)
Lo =
Panjang awal (mm)
Pembebanan
tarik dilakukan terus-menerus dengan menambahkan beban sehingga akan
mengakibatkan perubahan bentuk pada benda berupa pertambahan panjang dan
pengecilan luas permukaan dan akan mengakibatkan kepatahan pada beban.
Persentase pengecilan yang terjadi dapat dinyatakan dengan rumus sebagai
berikut:
Dimana:
q = Reduksi
penampang (%)
Ao = Luas
penampang mula (mm2)
A1 =
Luas penampang akhir (mm2)
Gambar
2.13. Batas elastis dan tegangan luluh
Gaya tarik yang diberikan pada mesin pengujian tarik yang
selama pengujian akan mencatat setiap kondisi bahan sampai terjadinya tegangan
maksimum, juga sekaligus akan menggambarkan diagram tarik dari benda uji,
adapun panjang Lf akan diketahui setelah benda uji patah dengan menggunakan
pengukuran secara normal tegangan maksimum adalah tegangan tertinggi yang
bekerja pada luas penampang semula.
Gambar 2.14 Kurva tegangan-regangan
Bentuk dan besaran pada kurva tegangan-regangan suatu logam
tergantung pada komposisi, perlakuan panas, deformasi plastis yang pernah
dialami, laju regangan, suhu dan keadaan tegangan yang menentukan selama
pengujian. Parameter-parameter yang digunakan untuk menggambarkan kurva
tegangan-regangan logam yaitu:
§ Kekuatan tarik Kekuatan tarik adalah
beban maksimum dibagi luas penampang lintang awal benda uji. Kekuatan ini
berguna untuk keperluan spesifikasi dan kontrol kualitas bahan.
§ Kekuatan luluh Kekuatan luluh adalah
tegangan yang dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah kecil deformasi plastis
yang ditetapkan. Kekuatan luluh yang diperoleh dengan metode offset biasanya
dipergunakan untuk perancangan dan keperluan spesifikasi.
§ Perpanjangan. Perpanjangan diperoleh
dengan cara membagi perpanjangan panjang ukur dengan panjang awal dan
dinyatakan dalam parsen.