Pengaruh siklus termal terhadap kekuatan mekanis komposit matrik (Al2O3+20 persen berat SiO2) yang diperkuat dengan partikel Cr

SUSANTO, Iwan, Ir. M. Waziz Wildan, MSc.,Ph.D

2004 | Tesis | S2 Teknik Mesin

Komposit matrik keramik merupakan salah satu cara yang digunakan untuk menanggulangi sifat getas keramik. Namun demikian adanya perbedaan nilai koefisien ekspansi panas antara penguat dan matrik dapat menyebabkan tegangan sisa dan retak mikro selama proses pendinginan dari suhu pembuatannya. Jika keramik matrik komposit mengalami pemanasan berulang maka akibat proses pemanasan dan pendingian tersebut dapat menimbulkan kelelahan panas (thermal fatigue) dan kerusakan. Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki pengaruh siklus termal terhadap kekuatan bending komposit matrik (Al2O3+20 % berat SiO2) yang diperkuat dengan partikel chromium (Cr). Bahan penelitian yang digunakan dalam penelitian ini adalah serbuk (Al2O3 + 20 % berat SiO2) sebagai matrik dan 0, 3, 9, and 15 % volume partikel Cr sebagai penguatnya. Masing-masing komposisi dibuat menjadi green body yang berukuran 8 x 7 x 50 (mm3) dengan tekanan 120 MPa menggunakan uniaxial single acting dan kemudian disinter tanpa tekanan pada 1450 oC di lingkungan gas argon selama 60 menit. Spesimen hasil sintering dihaluskan permukaannya dan disiklus termal dalam lingkungan udara dari suhu ruangan ke suhu 400 oC, kemudian ditahan selama 30 menit dan didinginkan hingga suhu ruangan. Jumlah variasi siklus 0, 10, 20, 50 dan 200 kali. Densitas spesimen diukur dengan metode Archimedes sedangkan kekuatan bending diuji dengan metode Four Point Bending. Struktur mikro dan distribusi partikel diamati dengan menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM) dan Optical Microscope. Hasil pengujian menunjukkan bahwa kekuatan bending komposit meningkat dengan meningkatnya kandungan Cr. Kekuatan bending komposit meningkat dari 31,68 MPa (0 % vol Cr) ke 36,32 MPa (15 % vol Cr). Masing-masing komposisi komposit hingga 9 % vol Cr mengalami penurunan kekuatan bending setelah disiklus termal hingga 200 kali. Kekuatan bending komposit yang tidak diperkuat Cr (0 % vol Cr) menurun dari 31,68 MPa (0 siklus) menjadi 28,17 MPa (200 siklus) dan kekuatan bending komposit yang diperkuat 3 % vol Cr menurun dari 30,60 MPa (0 siklus) ke 25,54 MPa (200 siklus) serta kekuatan bending komposit yang diperkuat 9 % vol Cr menurun dari 34,26 MPa (0 siklus) ke 31,54 MPa (200 siklus) sedangkan kekuatan bending komposit yang diperkuat 15 % vol Cr belum mengalami penurunan hingga 200 siklus.

Ceramic matrix composites (CMC) are one of methods to overcome the inherent brittleness of ceramics. However, the difference of thermal expansion coefficient between reinforcement and matrix can cause residual stress and microcracking during cooling from fabrication temperature. If the CMC experience thermal cycles during heating and cooling cycles, they will experience thermal fatigue and damage. This research aims to investigate the effect of thermal cycling on the mechanical strength of (Al2O3+20 % weight of SiO2) matrix composites reinforced by chromium particles. The materials used in this research were (Al2O3+20 % weight of SiO2) as a matrix and 0, 3, 9, and 15 % volume Cr as reinforcement. Each composition was formed into green bodies with a dimensions of 8 x 7 x 50 mm3 using a pressure of 120 MPa by uni-axial single acting method. The green bodies were then pressureless sintered at 1450 o C for 60 minutes in argon gas atmosphere. The surfaces of sintered specimen were polished and then the specimens were thermal cycled in air atmosphere from room temperature to 400 o C with a holding time of 30 minutes, then they were cooled to room temperature. The cycling variations were 0, 10, 20, 50 and 200 times. The density of specimens was measured using Archimedes method and the bending strength was tested using four point bending method. The microstructures and particle distribution were observed using scanning electron microscope (SEM) and optical microscope. The results show that the bending strength of the composites increases with increasing Cr content. The bending strength increases from 31.68 (0 % volume Cr) to 36.32 MPa (15 % volume Cr). Each composition of the composites up to 9 % volume Cr tends to decrease the bending strength after thermal cycled up to 200 times. The bending strength of the composites without reinforcment (0 % volume Cr) decreases from 31.68 (0 cycles) to 28.17 MPa (200 cycles), similarly the composites reinforced by 3 % volume Cr decreases from 30.60 (0 cycles) to 25.54 MPa (200 cycles) and the composites reinforced by 9 % volume Cr decreases from 34.26 (0 cycles) to 31.54 MPa (200 cycles). However, the bending strength of the composites reinforced by 15 % volume Cr has not decreased up to 200 cycles.

Kata Kunci : Material Teknik,Komposit Matrik (Al2O3 + 20 Persen Berat SiO2),Cr