PENGARUH W AKTU PENUAAN TERHADAP SIFATSUPERELASTISITAS PADUAN SHAPE MEMORY Ti-50.85% at.Ni

Elman Panjaitan clan Sulistioso Giat SukarjoBidang Bahan lndustri -Pusat Penelitian dan Pengembangan

IImu Pengetahuan Teknologi Bahan-BATAN

ABSTRACTTHE AGING TIME EFFECT ON SUPERELASTICITY CHARACTERISTIC

OF Ti-50.85%at.Ni SHAPE MEMORY ALLOY. The stressed and strained recoverablephenomenon on fix temperature is observation used optical microscope and tensile testmethods on TiNi alloy resulted from solution treatmen on 1000°C for I hour followed bywater quenching and aging treatment on 500°C for 1,5,10,30 hours. Observation resultsshowed that superelasticities are affected by aging treatment, and aging time for 10 hoursyielded SME at about 4.48% martensite phase arranged by fine laths.

ABSTRAK

PENGARUH WAKTU PENUAAN TERHADAP SIFAT SUPERELASTISITASPADUAN SHAPE MEMORY Ti-50.85%at.Ni. Fenomena kemampuan paduan TiNi untukmemulihkan tegangan dan regangan dengan perubahan temperatur tertentu, merupakanlandasan peneltian sifat superelastisitas yang terdapat pacta paduan TiNi. Penelitian dilakukanmenggunakan metoda mikroskop optik dan uji tarik pacta bahan Ti-50.85%at.Ni hasil prosespanas pelarutan pacta temperatu 1000°C selama 1 jam yang diikuti pendinginan cepat danproses penentuan pacta temperatur 500°C selama 1, 5, 10 dan 30 jam. Hasil penelitianmenunjukkan bahwa pelakuan panas penuaan mempengaruhi sifat superelastisitas dan sifattersebut dicapai hingga 4,48% pacta penuaan 10 jam dengan struktur rasa martensit tersusun

oleh pelat-pelat halus.

PENDAHULUAN

Paduan biller TiNi, pada komposisi tertentu, merupakan salah satukelompok paduan yang digunakan sebagai bahan paduan shape memory,karena paduan ini memiliki sifat pemulihan tegangan dan regangan padaperubahan temperatur tertentu. Sifat pemulihan regangan clan tegangan inidikenal sebagai fenomena shape memory effect (SME) clan paduan shapememory termasuk dalam kategori material cerdas (smart material) sedangkanpaduan TiNi ditemukan pertama kali oleh ahli dari Naval OrdinanceLaboratory (NOL) pada tahun 1963 di Amerika Serikat clan sejak itu paduanTiNi yang bersifat shape memory dikenal dengan istilah NITINOL (NIckle-TItanium Naval Ordinance Laboratory)[l].

Paduan nitinol memiliki beberapa kelebihan dibandingkan denganpaduan shape memory lainnya (misalnya: AgCd, CuZn, NiAI, FePd, FeMNSiclan lain-lain). Kelebihan tersebut diantaranya [2]; ulet, ketahanan korosiyang lebih baik, sifat mekanik yang lebih baik, tahan listrik yang relatiftinggiserta memiliki stabilitas sifat ingat bentuk yang lebih baik, sehingga paduan

75

ini lebih banyak dikembangkan dalam aplikasinya, untuk digunakan/dioperasikan pada temperatur yang lebih tinggi tanpa menimbulkandegradasi terhadap sifat shape memory-nya.

Salah satu sifat nitinol, yaitu temperatur transformasi martensitik,dapat dimodifikasi dengan mengubah komposisi paduan, pengerjaan danperlakuan panas, sehingga dapat digunakan dalam berbagai aplikasi sesuaibatasan pemanfaatannya.

Perlakuan panas yang lazim dimanfaatkan untuk mengubah temperaturtransformasi martensitik paduan nitinol adalah: perlakuan panas pelarutan(solution treatment) yang diikuti pendinginan cepat (quenching) dan panaspenuaan (aging), dimana pendinginan cepat setelah perlakuan rasa martensityang berupa pelat-pelat atau lameiar-lamelar sedangkan perlakuan penuaandapat memperbaiki sifat superelastisitas [3].

Seperti telah dilakukan pada penelitian-penelitian terdahulu, perlakuanpenuaan pada temperatur penuaan 500°C hingga 700°C dengan waktupenuaan I. 0 jam pada paduan Ti-50,04%at.Ni mengakibatkan temperaturtransformasi rasa austenit-martensit menjadi stabil [4]. Sedangkan akibatpenuaan 550°C selama I. -30 jam menunjukkan pertumbuhan presipitat TiNi3yang membesar dengan orientasi [.,1 I.I.]TiNi3 //[l I. O]Matriks, dan tidakmengakibatkan tumbuhnya rasa commensurate [5,6].

Dilain pihak S. Miyazaki dan K. Otsuka[7], memunjukkan bahwaakibat penemuan menumbuhkan presipitat Ti3Ni4. Kerapatan presipitat yangsemakin meningkat menyebabkan semakin meningkatnya kekuatan padadaerah-daerah yang kaya Ni, karena struktur internal mencegah pergerakandislokasi. Konsekuensinya tegangan untuk terjadinya slip menjadimeningkat. Kondisi tegangan slip yang lebih besar dari tegangan induksimartensit sangat diperlukan agar tidak terjadi strain permanen yang menjadilandasan suatu bahan atau paduan bercirikan elastisitas tinggi

(superelastisitas).Kemampuan shape memory dan sifat superelastisitas pada paduan TiNi

ini sangat bermanfaat dalam berbagai penggunaan bidang industri yangdikategorikan berdasarkan fungsinya, diantaranya: penyambung dan penyekat(fasteners, connectors and seals), alat kontrol, alat pengaman (safety) dan alat

peredam (damping)[1. 7].Dalam makalah ini akan dibahas pengaruh waktu penuaan paduan

shape memory Ti-50,85% at. Ni pada temperatur 500°C terhadap sifatsuperelastisitas dan struktur mikronya. Pengamatan sifat superelastisitasdilakukan dengan pengujian tarik dengan besaran-besaran fisis yangdigunakan bersesuaian dengan persamaan-persamaan berikut:

76

I: =~ xIOO% (%)10

8ME = .,. (0/0)II -springback

dimana1A = -trd2 = 3,14 mm24

Besaran-besaran yang termaksud pada persamaan tersebut diatasmasing-masing menyatakan: cry adalah tensile stress arah vertikal, E adalahtensile strain, Fy adalah gaya tarik arah vertikal, A adalah luas penampangcuplikan, d diameter cuplikan (d = 2 mm), 1 clan 10 masing-masingmenyatakan panjang cuplikan setelah clan sebelum ditarik.

BAHAN DAN TATAKERJABahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah kawat TiNi

(dia = 2 mm) dengan komposisi 50,85% atom Ni, yang diperoleh daTi Jepang.Kawat TiNi tersebut di-solution treatment pada temperatur 1000°C selama1 jam yang diikuti pendinginan cepat pada media air, selanjutnya kawatdituakan pada temperatur 500°C dengan variasi waktu 1, 5,10 daD 30 jam.

Pengamatan struktur mikro dilakukan laboratorium bidang bahanindustri P3IB-BA T AN Serpong, dengan menggunakan metode mikroskopoptik, Nikon. Cuplikan TiNi terlebih dahulu dietsa menggunakan larutan44% HNO3 + 12% HF + 44% H2O dalam persentase volume. Sedangkanpengamatan superelastisitas dilakukan di Laboratorium Metalurgi UniversitasIndonesia Depok, menggunakan metode uji tarik, Servopulser Shimadzu,dengan panjang kawat uji sebesar 10 cm.

BASIL DAN PEMBAHASANMekanisme shape memory adalah transformasi rasa yang reversibel

antara rasa austenit dan martensit, transformasi terjadi tanpa melalui prosesdifusi (diffusionless). Ketika rasa induk (austenit) pada temperatur tinggididinginkan dengan cepat (quenching) dan terbentuk rasa martensit[8].

Gambar I menunjukkan ilustrasi dari mekanisme perubahan rasa yangreversibel dari paduan shape memory dimana rasa austenit memiliki strukurkubus dengan susunan atom yang teratur (ordered). Bila paduan tersebutdidinginkan, terjadi transformasi ke rasa martensit yang memiliki strukturdimana atom-atomnya tersusun secara kembar (twinned). Ketika dibebani,

\

77

atom-atom terse but akall tergeser pada bidallg batas butir kristal kern bar(twin boundaries) clan kemudian membentuk susunan dellgan orientasi yangsarna yaitu, kombinasi alltara detwinning dengan reorientation. Oleh karenaitu ketika be ball dilepaskan terjadi perubahan tetap.

;"

7

101-"

-.f-dol_by

~ Dof- M-.1t>J 1;1"'-"".

Gambar Ilustrasi mekanismeshape memory[8].

perubahan rasa pada paduan

Dalam proses pemanasan, struktur martensit clan deformasi yangtersimpan di dalam material akan menghilang clan berubah menjadi rasaaustenit yang disertai dengan proses pengambilan bentuk (shape recovery).

Fenomena transformasi rasa martensit termaksud terlihat juga padastruktur mikro paduan Ti-50.85%at.Ni basil perlakuan panas pelarutan padatemperatur ] OOO°C selama ] jam yang diikuti pendinginan cepat pada mediaair. Gambar 2 menampakkan adanya pelat-pelat yang teratur pada setiapbutirnya. Secara makroskopis ada dua orientasi pertumbuhan pelat padasetiap butirnya, yaitu pertumbuhan pelat kontinu (A) daD pertumbuhan pelatdiskontinu (B).

78

Gambar 2 Struktur mikro Ti-50.85%at.Ni basil perlakuan panas pelarutanyang diikuti pendinginan cepat pada media air, dimana (A)menunjukkan pertumbuhan pelat kontinu clan (B) pertumbuhanpelat diskontinu.

Perlakuan penuaan pada temperatur 500°C menimbulkan perubahanstruktur mikro paduan yaitu: pada tahap awal penuaan (waktu 1 jam), pelat-pelat martensit tumbuh acak pada setiap butir (Gambar 3a), dengan dimensipelat relatip lebih panjang dibandingkan pelat basil perlakuan panaspelarutan. Tumbuhnya pelat-pelat martensit yang acak tersebutmengakibatkan penampakan batas butir tidakjelas.

Untuk waktu penuaan 5 jam, pelat-pelat martensit tersebut tumbuhbertambah kasar dan p enampakan batas butir semakin tidak jelas(Gambar 3b). Waktu penuaan 10 jam, menunjukkan pola pelat-pelatmartensit yang hampir mirip dengan pelat martens it basil perlakuan panaspelarutan, akan tetapi struktur ini lebih mudah dideformasi (Gambar 3c).Sedangkan struktur mikro basil penuaan selama 30 jam, menunjukkan polasemakin berkurangnya pelat martensit yang teratur pada setiap butirnya danmulai tampak kasar kembali (Gambar 3 d).

79

Gambar 3. Struktur mikro paduan Ti-50.85% at.Ni hasil penuaan 500°C,dimana (a) selama 1 jam, (b) selama 5 jam, (c) selama 10 jamclan (d) selama 30 jam.

80

Transformasi rasa martensit berkaitan dengan sifat superelastisitas.Sifat ini dapat diamati dengan cara mengamati perubahan struktur martensityang diberi pembebanan. Melalui pembebanan tersebut akan terjadi strukturmartesit terinduksi oleh tegangan (stress-induced martensite), terbentuknyastruktur tersebut mengakibatkan logam mampu menyerap clan menyimpandeformasi yang ditandai dengan terjadinya tegangan plateau, sepertiditunjukkan pada ilustrasi Gambar 4 [9]. Ketika beban dihilangkan, strukturmartensit tersebut menjadi tidak stabil clan dengan pemanasan, strukturmartensit clan deformasi yang tersimpan akan menyusut clan menghilang yangakhirnya menjadi struktur austenit, sehingga logam tersebut dapat kembali

kebentuk semula.

Ilustrasi fenomena sifat superelastisitas pada logam clanpaduannya yang mempunyai sifat shape memory [9].

Gambar 4.

Pengamatan hasil uji tarik, juga ditunjukkan dalam bentuk kurva hasilpengujian tarik pada benda uji Ti-50.85% at.Ni seperti ditunjukkan padaGambar 5. Kurva tersebut memperlihatkan bahwa, variasi waktu penuaanmengakibatkan perbedaan shape memory effect (SM£). Pada penuaan I jam,Gambar Sa, SME yang dihasilkan tidak terlalu besar yaitu 0,96%. Hal inidimungkinkan karena pelat-pelat martens it yang terbentuk masih tumbuhsecara acak pada setiap butimya clan penampakan pelat-pelat tersebut tidakbegitujelas. Waktu penuaan 5 jam, Gambar 5b, SME yang dihasilkan sebesar3,96%, relatif lebih baik dibandingkan waktu penuaan I jam.Bila diperbandingkan dengan pola pelat martens it yang tumbuh, tampak

KI

adanya pelat yang bertambah kasar. Hal ini menunjukkan waktu transisiuntuk mendapatkan SME yang lebih baik.

{--~.-.a) + b) ~

~---

(

I.-v..) .)

c) d)-.-

-

,

...

Gambar 5. Kurva tegangan terhadap regangan basil pengujian tarik padabenda uji Ti-50,85%at.Ni basil penuaan 500°C (a) selama I jam,(b) selama 5 jam, (c) selama 10 jam dan (d) selama 30 jam.

Perlakuan penuaan selama 10 jam, Gambar 5 (c), menghasilkan SME4,48% clan lebih baik dibandingkan penuaan 1 clan 5 jam, penomena iniberkorelasi dengan struktur mikro yang dihasilkan. Penuaan sepuluh jammenunjukkan pola pelat matensit yang teratur clan halus pada setiap butirnyaclan penampakan batas butir yang jelas, bahkan pada Gambar 3 (c), terlihatmulai tumbuhnya twin. Sedangkan pada basil penuaan selama 30 jam, SMEyang dihasilkan menurun menjadi 3,45 %, Gambar 5 (d), dengan pola pelatmartesit yang tumbuh semakin kasar. Besaran -besaran basil pengamatan ujitarik tersebut ditabelkan pada Tabel 1.

Tabel Hasil pengujian tarik pada paduan Ti-50,85 %. Ni basil penuaan5000 C, dimana sb merupakan spring back.

10

rFv~1

E I sb

lO~t

~

406-]274

L105--L~10,5

55

li

ME 0,96 3,39

4,48

510

406 10,15 406

~I

10,5 406 ~45

82

Untuk membuktikan bahwa keempat kawat Ti-50,85% at.Ni bersifatshape memory, dilakukan pengujian one way shape memory effect, Gambar 6,yaitu dengan memperhatikan respon kawat terhadap perubahan temperatursetelah terlebih dahulu kawat tersebut diberi deformasi (berupatekukan).

Gambar 6.. llustrasi dari mekanisme one-way shape memory effe~t[9].

Pengamatan respon kawat. terhadap perubahan temperaturmenunjukkan bahwa, kawat hasil penuaan selama I jam menunjukkan responyang lambat dibandingkan perlakuan penuaan selama 5, 10, clan 30 jam clanrespon yang terbaik terlihat pada kawat Ti-50,85%at.Ni hasil penuaanselama 10jam.

KESIMPULAN

Penuaan pada temperatur 500°C, dapat meningkatkan sifat

superelastisitas paduan Ti-50,85%at.Ni.Perubahan struktur mikro pelat-pelat martensit yang terbentukmempengaruhi sifat superelastisitas Ti-50,85%at.Ni, dimana semakinbanyak kuantitas pelat martensit maka sifat superelastisitas semakin baik.

Sifat superelastisitas paling baik dihasi!kan pada kawat Ti-50,85% at.Niyang dituakan selama ! 0 jam, dengan SME sebesar 4,48%.

83

DAFTARPUSTAKA

ADNY ANA, D.N.. Teknologi Paduan Logam Shape Memory clanPenerapannya Untuk Industri, Kongres Ilmu Pengetahuan Nasional IV,Jakarta (1986)

2. OTSUKA, K., SHIMIZU, K., "Pseudoelasticity and Shape MemoryEffect in Alloys", International Metals Reviews, 31 (3) (1986)

3. MIYAZAKI, S., OTSUKA, K., "Development of Shape Memory Allys",ISIJ International, 29 (5) (1986)

4. ELMAN PANJAITAN, SURIAN PINEM, Pengaruh Proses Laku PanasTerhadap Karakteristik Ingat Bentuk Paduan Ti-50,04%at,Ni, Jurnal Ilmuclan Rekayasa Teknologi Industri (JIRTI) 1 (1) April (2000)

5. ELMAN PANJAITAN, D.N. ADNYANA, Pengaruh Laku PanasPenuaan Terhadap Presipitat TiNi3 Paduan Ti-50,04%at.Ni, Jurnal Ilmuclan Rekayasa Material, 1 (3) Des. (1999)

6. ELMAN PANJAITAN, Perilaku Presipitat TiNi3 Paduan NITINOLAkibat Perlakuan Panas Penuaan, Prosiding Seminar NasionalMikroskopi clan Mikroanalisis IV, Sept~ (1999)

7. Mc.DONALD SCHETKY, L., "Shape Memory Alloys", ECT 3rd Ed., V

(20)(1994)

8. GISSER, K. R. C., ELLISA, A.B., PEREPEZKO, J.H., MOBERLY, W.,BUSCH, J.C.,"Principles of the Shape Memory Effect In Nickel -Titanium", Chemistry of Advenced Materials, IUPAC, (1992)

9. http://www.nitinol.com/4applications.htm

84