TEKNIK PEMBENTUKAN MATERIAL

Teknik Pembentukan Material

20 Februari 2010 pada 11:46 am (JORNAL ILMIAH)
Tags: Pembentukan Material, Prinsip Dasar Pembentukan

Prinsip dasar pembentukan logam : melakukan perubahan bentuk pada benda kerja dengan cara memberikan gaya luar sehingga terjadi deformasi plastis, contoh : pengerolan, tempa, ekstrusi, penarikan kawan, penarikan dalam, dll.

Proses pemebentukan logam dengan pengerjaan Teknik pengecoran, Teknik pembentukan, Teknik permesinan, Teknik pengelasan, merupakan proses yang mengubah bentuk benda kerja.

Proses pengerjaan panas, digunakan pemanasan, dimaksudkan untuk memudahkan terjadinya deformasi plastis dalam pengerjaannya dan tidak untuk mencairkan logam benda kerja.

Tujuan proses pembentukan logam :
1. mengubah bentuk benda kerja menjadi bentuk yang diinginkan.
2. memperbaiki sifat logam dengan jalan memperbaiki struktur mikronya, misalnya dengan menghomogenkan dan menghaluskan butir, memecah dan mendistribusikan inklusi, menutup rongga cacat cor-an, serta memperkuat logam dengan mekanisme pengerasan regangan.

Proses pembentukan logam, yg diklasifikasikan dengan berbagai cara, yaitu dikarenakan :
1. berdasarkan daerah temperature pengerjaan
2. berdasarkan jenis gaya pembentukan
3. berdasarkan bentuk benda kerja
4. berdasarkan tahapan produk

Klasifikasi berdasarkan temperature pengerjaan :
1. Proses pengerjaan panas : proses pembentukan yang dilakukan pada daerah temperature rekristalisasi logam yang diproses. Akibat konkretnya ialah logam bersifat lunak pada temperature tinggi. Keuntungannya : bahwa deformasi yang diberikan kepada benda kerja dapat relative besar, hal ini dikarenakan sifat lunak dan sifat ulet pada benda kerja, sehingga gaya pembentukan yang dibutuhkan relative kecil, serta benda kerja mampu menerima perubahan bentuk yang besar tanpa retak.
2. Proses pengerjaan dingin : proses pembentukan yang dilakukan pada daerah temperature dibawah temperature rekristalisasi, pada umumnya pengerjaan dingin dilakukan pada suhu temperature kamar, atau tanpa pemanasan. Pada kondisi ini, logam yang dideformasi terjadi peristiwa pengerasan regangan. Logam akan bersifat makin keras dan makin kuat, tetapi makin getas bila mengalami deformasi, bila dipaksakan adanya suatu perubahan bentuk yang besar, maka benda kerja akan retak akibat sifat getasnya. Keunggulan : kondisi permukaan benda kerja yang lebih baik dari pada yang diproses dengan pengerjaan panas, hal ini dikarenakan tidak adanya proses pemanasan yang dapat menimbulkan kerak pada permukaan. Contoh, proses penarikan kawat, dan pembentukan pelat.

Klasifikasi berdasarkan gaya pembentukan :
1. pembentukan dengan tekanan, contoh tempa, pengerolan, ekstrusi, pukul putar.
2. pembentukan dengan tekanan dan tarikan, contoh : penarikan kawat, pipa, penarikan dalam, dan penipisan dinding tabung.
3. pembentukan dengan tarikan, contoh : tarik regang, ekspansi.
4. pembentukan dengan tekukan, contoh : proses tekuk, proses rol tekuk.
5. pembentukan dengan geseran.

Klasifikasi berdasarkan bentuk benda kerja :
1. pembentukan benda kerja masif atau pejal, ciri : terjadinya perubahan tebal pada benda kerja secara maksimal, atau mencolok selama diproses.
2. pembentukan benda kerja pelat, ciri : tebal dianggap tetap, karena perubahan tebal sangat kecil, tetapi perubahan bentuk tertentu saat dideformasi.

Klasifikasi berdasarkan tahapan produk :
1. proses pembentukan primer, proses ini menghasilkan produk setengah jadi. Contoh : pelat dan profil dari bahan baku berupa ingot, slab dan billet.
2. proses pembentukan sekunder, proses lebih lanjut yang dihasilkan oleh proses primer, atau proses final. Contoh, penarikan kawat, penarikan dalam, dan pembuatan pipa dan plat.

Secara makrokopis, deformasi dapat dilihat sebagai perubahan bentuk dan ukuran. Deformasi dibedakan atas deformasi elastis dan plastis. Deformasi elastis, perubahan bentuk yang terjadi bila ada gaya yang berkerja, serta akan hilang bila bebannya ditiadakan (benda akan kembali kebentuk dan ukuran semula). Deformasi plastis, perubahan bentuk yang permanen, meskipun bebannya dihilangkan.

Mekanisme deformasi secara mikro. Secara mikro, perubahan bentuk baik deformasi elastis maupun plastis disebabkan oleh bergesernya kedudukan atom-atom dari tempatnya semula. Pada deformasi elasitis adanya tegangan akan menggeser atom-atom ke tempat kedudukannya yang baru, dan atom-atom tersebut akan kembali ke tempatnya yang semula bila tegangan tersebut ditiadakan. Jarak pergeseran atom secara elastis, yaitu tidak kuran dari 0,5%. Pada deformasi plastis, atom-atom yang bergeser menempati kedudukannya yang baru dan stabil, meskipun beban (tegangan) dihilangkan, atom-atom tersebut tetap berada pada kedudukan yang baru. Model pergeseran atom-atom tersebut disebut slip.

Mekanisme slip.
Atom-atom logam tersusun secara teratur mengikuti pola geometris yang tertentu. Adanya tegangan geser yang cukup besar, maka atom akan bergeser dan berpindah serta menempati posisinya yang baru. Bidang-bidang atom yang jaraknay berjauhan adalah yang kerapatan atomnya tinggi. Maka, bidang slip adalah bidang yang rapat atomnya tinggi. Pergeseran atom-atom ini juga mempunyai arah, yang disebut arah slip.

Hubungan antara deformasi dengan teori dislokasi.
Dislokasi yaitu, cacat bidang atau cata garis yang mempermudah terjadinya slip. Dengan demikian adanya dislokasi akan menurunkan kekuatan logam. Hal ini disebabkan adanya tegangan geser. Dislokasi yang mencapai permukaan luar dapat diartikan menimbulakan suatu deformasi, dalam skala mikroskopis. Dislokasi dibedaka atas 2 jenis, secara model ekstrem :
1. dislokasi sisi, (garis dislokasi tegak lurus terhadap vektor slipnya, dan arah gerakan dislokasi searah dengan vektor Burgernya).
2. dislokasi ulir, (garis dislokasi searah dengan vektor Burger, arah gerakan dislokasi tegak lurus terhadap vektor Burger).

Pengaruh pengerjaan dingin terhadap sifat logam adalah, deformasi akan menyebabkan naiknya kekerasan, naiknya kekuatan, tatapi disertai dengan turunyanya keuletan. Untuk mengembalikan logam kesifat semula (lunak dan ulet) perlu dilakukan proses pemanasan terhadap benda kerja yang telah mengalami pengerjaan dingin.
Pengaruh pemanasan setalah pegerjaan dingin, perubahan sifat akibat pemanasan tergantung pada temperatur dan waktu pemanasan. Prinsip dasarnya ialah bahawa pemanasan terhadap benda kerja yang telah mengalami deformasi akan menurunkan kerapatan dislokasinya. Pemanasan pada daerah yang dibawah temperatur rekristalisasai akan menyebabkan dua hal :
1. terjadinya gerakan dislokasi difusi yang disebut gerakan memanjat (climb).
2. adanya pengaturan kembali susunan dislokasi yang tadinya kurang teratur menajdi lebih teratur. Peristiwa ini disebut poligonisasi.

Pengaruh deformasi terhadap temperatur rekristalisasi. Temperatur rekristalisasi, yaitu pada mulai terjadinya nukleasi inti-inti baru, bukanlah suatu titik yang tetap sebagimana halnya titik cair logam. Deformasi menyebabkan kenaikan energi dalam pada logam, yaitu dalam bentuk kerapatan dislokasi yang lebih tinggi.

*Proses pembentukan selalu diberikan gaya pembentukan agar deformasi plastic terjadi. Gaya apa saja yang menghasilkan deformasi plastic dan berikan contohnya !
Dalam grafik tegangan-regangan terdapat yang namanya batas luluh (yield strength). Deformasi elastis berada dibawah batas luluh, sedangkan untuk deformasi plastis berada/melawati batas luluh suatu material. Sedangkan pengertian batas luluh (Titik Luluh/Yield Point) adalah batas dimana material akan terus mengalami deformasi tanpa adanya penambahan beban. Gaya yang menghasilkan deformasi plastis adalah dilakukannya pembakaran dengan temperature pengerjaan, baik panas maupun dingin serta perlakuan terhadap material dengan gaya tarik, dan gaya tekan. Pipa jenis API 5L dimana yield strengthnya (kekuatan luluh) adalah 52000 psi yang artinya karakter elastis pada material tersebut adalah 52000 psi.

*Mekanisme deformasi logam dalam kaitannya dengan teknik pembentukan logam, Deformasi dapat dilihat sebagai perubahan bentuk dan ukuran, secara makroskopis. Perubahan tersebut dibedakan atas deformasi elastis dan deformasi plastis. Sedangkan, hakekat proses pembentukan logam adalah menggusahakan deformasi plastis yang terkontrol, namun dalam berbagai hal pengaruh deformasi elastis cukup besar sehingga tidak dapat diabaikan begitu saja. Dari penjelasan awal diatas, dapat dijelaskan mekanisme deformasi logam dalam kaitannya dengan teknik pembentukan logam, yaitu : Perubahan bentuk, secara mikro, baik deformasi elastis maupun deformasi plastis, disebabkan oleh bergesernya kedudukan atom-atom dari tempatnya yang semula.

*Pengaruh temperatur terhadap sifat mekanik material dalam proses pengerjaan panas, dikarenakan temperatur dan waktu pemanasannya. Kekuatan dan keuletan logam yang telah dideformasi dapat diukur dengan mengubah kondisi pemanasannya. Logam yang dikerjakan dengan pengerjaan dingin, akan bersifat keras dan kuat, tetapi relatif getas. Sedangkan pengerjaan panas pada logam akan bersifat lunak dan ulet, proses ini disebut dengan ”fully annealed”.

*Hubungan deformasi dengan dislokasi :
a. Akibat adanya tegangan, maka dislokasi akan bergerak menuju permukaan luar, sehingga terjadi deformasi.
b. Selama bergerak, dislokasi – dislokasi tersebut bereaksi satu dengan yang lainnya. Hasil reaksinya ada yang mudah bergerak dan ada pula yang sukar bergerak.
c. Hasil reaksi yang sukar bergerak justru akan berfungsi sebagai sumber dislokasi baru, sehingga kecepatan dislokasi akan bertambah (dari 106 : 108 dislokasi per cm2 dapat naik menjadi 1010 :1011 dislokasi per cm2 ).
d. Akibat naiknya kerapatan dislokasi, maka gerakan dislokasi akan lebih sulit akibat makin banyaknya hasil reaksi yang sukar bergerak.
e. Akibat nyata dari sukarnya gerakan dislokasi adalah naiknya kekuatan logam.

1. Kenapa proses penempaan logam sangat banyak diaplikasikan di Industri, dikarenakan logam memiliki ketangguhan (tough) serta sifat bahan yang “ulet” (ductile) sehingga dapat dibentuk melalui proses penempaan. Proses tempa juga memiliki keunggulan berupa kekuatan dan ketangguhan yang lebih baik dibanding dengan proses lainnya, sehingga sangat cocok untuk membuat komponen yang aplikasinya handal terhadap tegangan yang tinggi ( highly stress ). Keuntungan dari operasi penempaan lainnya yaitu struktur kristal yang halus dari logam, tertutup lubang-lubang, waktu pemesinan yang menyebabkan meningkatnya sifat-sifat fisis.
Bagaimana proses penempaan digunakan di Industri, proses penempaan dilakukan dengan cara menaikkan temperature dan tekanan yang bertujuan untuk menambah kekuatan ikatan antar benda yang akan digabungkan.
2. Perbedaan antara penempaan dengan cetakan terbuka dan cetakan tertutup :
Penempaan dengan cetakan terbuka, dilakukan diantara dua cetakan datar atau cetakan yang bentuknya sangat sederhana. Penempaan cetakan terbuka digunakan pada pembentukan awal benda kerja untuk penempaan cetakan tertutup.
Sedangkan penempaan dengan cetakan tertutup, benda kerja dibentuk diantara dua pasang cetakan yang akan menghasilkan bentuk akhir yang diinginkan. Benda kerja dibentuk dibawah tekanan tinggi dalam suatu rongga tertutup, dan demikian dapat dihasilkan produk yang mempunyai dimensi yang ketat. Pada penempaan cetakan tertutup, semula bilet-bilet tempa diatur pinggirannya agar dapat diletakkan di tempat yang tepat untuk proses penenmpaan berikutnya.
3. Pemahaman saya tentang penempaan metalurgi serbuk,, adalah penempaan yang menggunakan serbuk metal (powder) yang dimana logam lebih tercampur secara homogeny dalam pemaduaan beberapa material yang tidak sama dan lebih mampu untuk mengendalikan porositas.
4. Mengapa proses pengerolan sangat banyak digunakan di Industri.
Rolling adalah proses pembentukan logam dengan cara menggiling logam tersebut di antara dua atau lebih rol-rol penggiling yang berputar. Penggunaan rolling dalam dunia Industri dikarenakan, sebuah kemudahan dalam proses pengerjaan untuk mengurangi ketebalan logam dan kemudahan dalam membentuk suatu logam. Rolling Mill bisa dilakukan dengan pengerjaan panas maupun pengerjaan dingin. Mesin pembentukan rol terdiri dari pasangan rol yang secara progresif memberi bentuk pada lembaran logam yang diumpankan secara continue. Salah satu akibat dari proses dari pengolahan adalah penghalusan butir yang disebabkan rekristalisasi. Struktur yang kasar, kembali menjadi struktur memanjang akibat pengaruh penggilingan. Pada proses pengerolan suatu logam, ketebalan logam mengalami deformasi terbanyak. Adapun lebarnya hanya bertambah sedikit. Pada operasi pengerolan, keseragaman suhu sangat penting karena berpengaruh pada aliran logam dan plastisitas. Proses pengerjaan panas dengan pengerolan ini biasanya digunakan untuk membuat rel, bentuk profil, pelat dan batang. Keuntungan dari pengerolan adalah benda kerja memiliki strength tinggi, biaya cost produksi lebih rendah dan laju produksi lebih tinggi dibanding dengan proses cuttin
5. Perbedaan antara pengerolan panas dan pengerolan dingin.
Pengerjaan panas ialah proses pembentukan logam di atas dari suhu rekristalisasi. Pada proses pengerjaan ini tidak terjadi kenaikan tegangan lulur, kekerasan dan penurunan keuletan bahan, contohnya Shape Rolling dan Rolling Forging Shape Rolling yang umumnya mengerjakan bagian-bagian yang kecil, misalnya ulir dan dikerjakan pada pengerjaan panas. Sedangkan pengerolan dingin logam berada dibawah suhu rekristalisasi, pengerolan logam dengan proses seperti ini menggunakan gaya yang lebih besar dari pengerolan panas. Biasanya, pengerolan dingin dilakukan pada baja karbon rendah, contoh Rolling Forging yang dikhususkan pada pengerjaan dingin dan bagian yang besar.
Roll Bending biasanya digunakan untuk membentuk silinder. Bentuk-bentuk lengkung atau lingkaran dari pelat logam.

1. Kriteria Luluh :
Suatu logam terdeformasi merupakan hal yang penting dari proses pembentukan logam, menuju deformasi plastis. Secara umum, titik luluh tergantung pada material berhubungan dengan mobilitas geser dari atom-atom.
Kriteria luluh dalam proses pembentukan logam, secara umum adalah peristiwa penyusunan kembali atom-atom atau molekul secara permanen. Penyusunan kembali atom-atom ditandai dengan adanya tegangan luluh, (yield) yaitu tegangan dimana logam mulai terdeformasi plastis, yang merupakan salah satu sifat material yang sensitive terhadap mikrostruktur. Pada logam khususnya, kekuatan luluh tergantung pada susunan-susunan atom di dalam Kristal dan mekanisme deformasi geser yang terjadi.
Fakta penting dari kriteria luluh, adalah tidak boleh tergantungnya sumbu atau orientasi bidang terhadap bahan isotropis. Artinya, kriteria luluh haruslah merupakan fungsi invariant tegangan yang tidak tergantun pada pilihan sumbu atau bidang orientasi yang kita pilih. Untuk logam ulet (ductile) terdapat dua buah kriteria luluh yang penting, yaitu Kriteria Von Mises dan Kriteria Tresca.
2. Kriterial luluh Tresca :
Teori Tegangan Geser Maksimum, atau Tresca berisi bahwa luluh akan terjadi pada saat tegangan geser maksimum (terbesar) mencapai nilai kritisnya. Criteria luluh tresca tidak semata-mata tergantung pada nilai tegangan normal, tetapi tergantung pada tegangan geser maksimum yang dihasilkan oleh suatu system tegangan tertentu.
Kriteria luluh tresca dengan mudah dijelaskan menggunakan lingkaran Mohr dari suatu system tegangan. Peluluhan akan tergantun pada ukuran dari lingkaran Mohr, tidak pada posisinya.
3. Kriteria luluh Von Mises :
Pada tahun 1913 Von Mises mengajukan pendapatnya bahwa luluh pada system tegangan yang kompleks akan terjadi pada saat deviator kedua dari invariant tegangannya melewati suatu nilai kritis tertentu. Persamaan ini adalah persamaan matematis yang ternyata konsisten dengan fakta empiris. Hasil percobaan menunjukkan bahwa material yang bersifat anisotropis, kriteria luluh tidak tergantung pada sumbu atau orientasi bidang, atau dengan kata lain merupakan suatu fungsi invarian dari tegangan.
Sedangkan, Hencky (1924) memberikan tafsir persamaan matematis yang telah diajukan oleh Von Mises tersebut. Hencky mengajukan pendapatnya bahwa luluh akan terjadi pada saat energi distorsi atau energi regangan geser dari material mencapai suatu nilai kritis tertentu. Secara sederhana dapat dikatakan bahwa energi distorsi adalah bagian dari energi regangan total per unit volume yang terlibat di dalam perubahan bentuk. Bagian lain adalah bagian yang berhubungan dengan perubahan volume.
4. Perbedaan Antara Kriteria Luluh Tresca Dengan Kriteria Von Mises :
Perbandingan/perbedaan keduanya secara umum dapat dilihat dari superposisi lokus luluh untuk kedua kriteria tersebut. Walaupun pada beberapa titik kedua kurva tersebut saling berhimpit, tampak bahwa titik-titik luluh untuk Tresca lebih kecil nilainya pada titiktitik yang lain jika dibandingkan dengan Von Mises. Dengan selisih terbesar pada keadaan tegangan geser murni, yaitu sebesar 115.5%.
Secara umum di dalam konteks desain, dapat dikatakan bahwa kriteria Tresca lebih bersifat konservatif, karena memprediksi luluh pada nilai yang sama atau lebih rendah dari pada criteria Von Mises. Atau dengan kata lain, di dalam desain, di mana tidak diharapkan terjadi luluh, kriteria Tresca lebih memberikan ’jaminan’. Namun sebaliknya, di dalam proses pembentukan logam, di mana yang diharapkan adalah deformasi plastis, terlihat bahwa kriteria Von Mises akan lebih memberikan kepastian