Kekerasan Material pada AISI 4140

Rangkuman Diskusi Mailing List Migas Indonesia Online bulan Maret 2006 tentang material ini membahas mengenai Material Hardening.

Apakah dengan menaikkan kekerasan material akan mengurangi elastisitasnya? (Material yang dibahas adalah AISI 4140 yang digunakan untuk shaft).

Secara prinsip semakin keras suatu material atau mengalami proses pengerasan, maka ductility a/ keuletannya akan menurun dan cenderung brittle/ rapuh/ mudah pecah, karena secara mikrostruktur kepadatan struktur semakin rapat sehingga tegangan muka antar atom nya tinggi, dan terjadi perubahan mikrostruktur, tapi hal ini dapat diminimalisasi setelah proses pengerasan, dilakukan proses anealing/ pemanasan ulang sampai titik transformasi, untuk menghilangkan tegangan antar atom juga mengembalikan struktur molekul kebentuk awal.

Penyebab patahnya logam dapat diketahui lewat fractography, e.g. dengan mengamati permukaan patahan. Jika bentuk patahannya rata dan mengkilap, ini kemungkinan patah getas (brittle fracture). Patah getas ini biasanya disebabkan fatigue loading (baik amplitudo konstan atau amplitudo berubah). Jika patahannya berbentuk "cup and cone", ini kemungkinan patah ulet (ductile fracture). Hardening (dengan strain rate rendah) dan tempering (dalam durasi tertentu) dapat meningkatkan kekuatan logam. Kekuatan ini diukur dengan dua parameter, yaitu yield strength (kekuatan luluh) dan ultimate strength (kekuatan maksimum).

  

   Jika ingin melakukan hardening dan tempering, mungkin ada baiknya memperhatikan

 (1) temperatur,

(2) yield strength increment,

(3) durasi heat treatment.

   Pada saat operasi, mohon diamati besar pembebanan (load maksimum) yang dialami shaft. 

Elastisitas (young modulus) untuk steel 200 - 207 GPa.Konstanta ini berguna selama material melentur dalam batas elastis...yaitu yield point. Gunanya menghitung lenturan.

Kalau material dikeraskan... biasanya yield point-nya juga naik (dengan asumsi seluruh body keras semua)...elastisitasnya sama saja. Tapi kalau terlalu keras, yaa yield pointnya, jadi nggak jelas, istilahnya materialnya jadi getas, tahu-tahu patah....aduhhh..

  

Makanya hardening cuman di permukaan....tujuannya ya untuk wear resistante...misal sampai kedalaman 1 mm dari luar.

Elastisitas bukanlah konstanta. Elastisitas ada sebuah terminologi untuk mendeskripsikan kemampuan suatu bahan untuk kembali ke kondisi awal setelah beban dipindahkan. Untuk mengukurnya, ada suatu besaran yang menghubungkan antara tegangan (gaya per satuan luas) yang diberikan kepada bahan dan regangan (selisih perpindahan dibagi ukuran awal), yaitu Young's Modulus.  

 

Lalu mengenai failure shaft dalam jangka waktu yang relatif pendek, ada 3 kemungkinan:

1. Material terlalu getas akibat tidak dilakukan proses tempering setelah hardening sehingga struktur mikro masih dalam kondisi untemperd martensite.

2. Tidak dilakukan proses hardening sama sekali, dengan kata lain material berada dalam kondisi as anneal  karena AISI 4140 bila sudah di (Hardening dan Tempering) disuplai dengan kode AISI 4140 HT dalam mill certificate-nya.

3. Ada takik yang cukup tajam misal pada step diameter shaft or pada keyway (takik tidak diberikan fillet radius untuk mengurangi notch stress).

Lalu bagaimana cara efektif dan cepat untuk mengetahui penyebab kegagalan (1 dan 2)? Lakukan hardness test dan metalografi. Struktur as anneal, untempered martensite, maupun tempered martensite bisa dibedakan dengan mudah. Untuk penyebab no.3, cukup lihat fraktografinya saja, kalo memang fatigue penyebabnya, cukup amati permukaan shaft dimana inisiasi fatigue berasal.