FATIGUE CRACK GROWTH OF RAILWAY TRACK MATERIAL
Transcript of FATIGUE CRACK GROWTH OF RAILWAY TRACK MATERIAL
KESAN RAWATAN HABA TERHADAP SIFAT MEKANIKAL INCONEL 718
PADA SUHU TINGGI
OMAR BIN BAPOKUTTY
TESIS YANG DIKEMUKAKAN UNTUK MEMPEROLEHI IJAZAH DOKTOR FALSAFAH
FAKULTI KEJURUTERAAN DAN ALAM BINA UNIVERSITI KEBANGSAAN MALAYSIA
BANGI
2015
ii
PENGAKUAN
Saya akui karya ini adalah hasil kerja saya sendiri kecuali nukilan dan ringkasan yang
setiap satunya telah saya jelaskan sumbernya.
25 Ogos 2015 OMAR BIN BAPOKUTTY P45954
iii
PENGHARGAAN
Syukur Alhamdulillah kepada Allah S.W.T kerana memberikan kesihatan yang baik,
kekuatan, masa dan kematangan fikiran untuk menyiapkan kajian tesis ini dalam
bentuk sebegini rupa dan pada masa yang ditetapkan. Dan tidak lupa kepada Nabi
Muhammad S. A. W yang menjadi contoh terbaik bagi umat manusia.
Setinggi-tinggi penghargaan dan jutaan terima kasih kepada Prof Madya Dr
Zainuddin bin Sajuri sebagai penyelia utama diatas segala bimbingan, tunjuk ajar,
teguran dan nasihat sepanjang kajian ini. Tenaga dan masa yang diperuntukkan oleh
beliau begitu bermakna terhadap kesempurnaan projek ini dan akan dikenang
sepanjang hayat. Tidak lupa juga ucapan terima kasih kepada Dr Syarif bin Junaidi
sebagai penyelia kedua atas teguran dan tunjuk ajar yang diberikan.
Ucapan penghargaan dan terima kasih juga diberikan kepada Universiti
Teknikal Malaysia, Melaka (UTeM) kerana telah memberikan biasiswa untuk
pengajian saya ke peringkat Ijazah Kedoktoran di Universiti Kebangsaan Malaysia
(UKM). Tidak lupa juga penghargaan buat rakan-rakan seperjuangan, Mohd Ahadlin
Mohd Daud, Norie, Zulaini, Azrie dan juruteknik di Jabatan Kejuruteraan Mekanik
dan Bahan, UKM serta pihak-pihak lain yang turut membantu dalam memberi idea,
pendapat dan sokongan. Semoga jasa baik yang diberikan mendapat keberkatan dari
Allah.
Akhir sekali ucapan terima kasih yang tak terhingga ditujukan kepada keluarga
yang dikasihi terutamanya buat almarhum ibu dan ayahanda, isteri tercinta Roshidah
Mohamad Yusof, anak-anak tersayang Asyraf Farhan, Arif Syafie, Muhammad Alif
Irfan, Muhammad Ammar Danish, Sayang Iris & Bunga Qaseh serta ahli keluarga
yang sering memberi semangat dan dorongan sepanjang tempoh pengajian di UKM.
Segala kekurangan yang terdapat di dalam kajian ini adalah disebabkan oleh
kelemahan diri penulis sendiri. Sesungguhnya yang terbaik itu hanyalah dari Allah
S.W.T.
iv
ABSTRAK
Inconel adalah superaloi berasaskan nikel digunakan dalam keadaan suhu tinggi melampau. Inconel 718 digunakan sebagai cakera turbin di dalam penjana kuasa turbin. Ia berfungsi memegang bilah turbin yang diperbuat daripada Inconel 738 dan beroperasi pada suhu yang sangat tinggi. Suhu tinggi boleh menurunkan sifat-sifat mekanik dengan melemahkan sempadan ira dan meningkatkan pembentukan liang yang memacu keretakan. Penyelidikan ini bertujuan mengenal pasti sifat-sifat rayapan dan kelakuan patah Inconel 718 berserta perubahan mikrostruktur Inconel 718 pada keadaan suhu yang tinggi. Bahan awal melalui proses rawatan haba untuk meningkatkan kekuatan bahan pada suhu tinggi. Bagi membandingkan bahan awal Inconel 718 dan terawat haba, ujian tegangan dan rayapan telah dijalankan pada suhu 550 dan 650oC yang memberikan sifat-sifat bahan sebelum dan selepas rawatan haba. Ujian tegasan santaian dan lesu kitar rendah (LKR) bagi Inconel 718 terawat haba telah disiasat pada suhu 550, 650 dan 750oC. Ujian tegasan santaian telah dijalankan pada terikan 1% dan 2% selama 3 hari (72 jam). Bagi terikan 1%, ujian telah dihentikan pada 3 dan 48 jam untuk melihat perubahan mikrostruktur dan sifat-sifat bahan dengan menggunakan mikroskopi imbasan elektron (SEM) dan pembelauan sinar-x (XRD). Keputusan menunjukkan rawatan haba telah meningkatkan kekuatan tegangan dan rintangan kegagalan rayapan tetapi kemuluran atau pemanjangan sampel terawat haba menurun secara drastik kepada 4 hingga 5% dibandingkan dengan bahan awal yang menunjukkan pemanjangan melebihi 30%. Pemendakan gama perdana (γʹ), gama perdana berganda (γʺ) dan fasa delta (δ) berupa jejarum panjang diperhatikan berlaku di sempadan ira dan merentas ira yang mana ianya menghadkan pertumbuhan ira dan menghalang gelongsoran ira. Mekanisma ini dipercayai bertanggungjawab meningkatkan sifat-sifat mekanikal Inconel 718 tetapi kehadiran mendakan ini telah menyebabkan bahan menjadi keras dan rapuh. Apabila beban bertambah dari 70% kepada 90% kekuatan tegangan muktamad dan kenaikan suhu telah mempercepatkan kadar rayapan. Tegasan tergantung-haba meningkat dengan pengurangan suhu semasa ujian tegasan santaian tetapi kadar tegasan santaian meningkat dengan penambahan suhu. Pemerhatian mikrostruktur SEM menunjukkan proses pemulihan berlaku dan disokong dengan bukti penurunan dalam ketumpatan kehelan dengan penambahan masa dan suhu yang mana sejajar dengan keputusan kekuatan-mikro Vickers. Pada 550oC ketumpatan kehelan yang diukur selepas 72 jam adalah lebih tinggi bagi terikan 2% berbanding 1% dan perbezaan ketumpatan kehelan semakin mengecil apabila suhu dinaikkan ke 750oC. Keputusan LKR menunjukkan peningkatan suhu akan mengurangkan hayat Inconel 718 dan penambahan frekuensi akan meningkatkan hayat Inconel 718 tetapi masa kegagalan sebenarnya menurun dengan penambahan frekuensi. Kesimpulannya, sifat rayapan dan kelakuan patah Inconel 718 boleh ditoleransi melebihi separuh suhu takat lebur sehingga optimumnya. Penemuan kajian ini boleh digunakan sebagai rujukan asas dalam merekabentuk cakera turbin bagi mengurangkan kegagalan komponen semasa beroperasi dalam suhu tinggi.
v
EFFECT OF HEAT TREATMENT ON HIGH TEMPERATURE MECHANICAL PROPERTIES OF INCONEL 718
ABSTRACT
Inconel, a nickel based superalloy is one of the best advanced engineering materials for the purpose of working in the extreme temperature environments. Inconel 718 which commonly used as a turbine disc in turbine power generation, holds turbine blades made of Inconel 738 and operate at very high temperature. High temperature may degrades mechanical properties of Inconel 718 due to weakening of the grain boundaries and enhancing the cavity formation which lead to cracking. This research is aimed to determine the mechanical properties and fracture behaviour as well as the microstructural evolutions of Inconel 718 at high temperature conditions. The as-received Inconel 718 were heat treated to develop its high temperature strength. To compare as-received and heat treated Inconel 718, tensile and creep tests, have been conducted at 550 and 650oC which give the material properties of as received and after heat treatment. Then stress relaxation and low cycle fatigue (LCF) for heat treated Inconel 718 at 550, 650 and 750oC has been investigated. The stress relaxation test was conducted at 1% and 2% strain and carried out for 3 days (72 hours). For 1% strain, the tests were stop at 3 and 48 hours to investigate the evolution of microstructure and changes in material properties by using scanning electron microscope (SEM) and x-ray diffraction (XRD), respectively. The results showed that heat treatment significantly improved the tensile strength and creep rupture properties. However, the ductility or elongation of heat treated samples drastically reduced to 4 to 5% compared to that of the as-received materials which exhibited more than 30% elongation. It was found that precipitations of gamma prime (γʹ), gamma double prime (γʺ) and long needle-like delta (δ) phase observed at the grain boundary which restricted the grain growth and block grain boundary sliding. These mechanisms are believed to be the reasons for increase in mechanical properties of Inconel 718. However, the presence of these precipitates caused the material to become harder and more brittle. Moreover, the increase in loads from 70% to 90% of the ultimate tensile strength and in temperature significantly accelerated the creep rate. From stress relaxation tests, it was found that thermal dependent stress increased with decreasing temperature. In contrast, stress relaxation rate increased with increasing temperature. Microstructure observation by SEM shows that recovery process has occurred. This was further supported by the evidence of decreased in dislocation density with increase in time and temperature which in-line with the Vickers micro-hardness results obtained. The dislocation density level for 2% strain measured at 72 hours was higher compared to that of 1% for 550oC temperature condition. However, the difference of the dislocation density decreased as the temperature increased to 750oC. The result from LCF showed that increasing temperature reduced the life of Inconel 718. The LCF conducted in temperature 650oC showed that increasing frequency will increased the life cycle for Inconel 718 but time to failure decreased with increasing frequency. As a conclusion, heat treatment improved mechanical properties at high temperature of Inconel 718 until beyond half melting temperature up to optimum. The finding of this study can be used as a basic reference for designing of turbine disc to reduce the failure of component during service at high temperature.
vi
KANDUNGAN
Halaman
PENGAKUAN ii
PENGHARGAAN iii
ABSTRAK iv
ABSTRACT v
KANDUNGAN vi
SENARAI JADUAL x
SENARAI ILUSTRASI xii
SENARAI SIMBOL xvi
BAB 1 PENGENALAN
1.1 Pendahuluan 1
1.2 Permasaalahan Kajian 4
1.3 Objektif Kajian 6
1.4 Skop Kajian 7
1.5 Struktur Tesis 9
BAB II KAJIAN PERPUSTAKAAN
2.1 Pengenalan 10
2.2 Superaloi Berasaskan Nikel 15
2.3 Inconel 718 18
2.4 Aplikasi Inconel Dalam Industri Penjanaan Tenaga 22
2.5 Rawatan Haba dan sifat Mekanik Inconel 718 25
2.6 Mikrostruktur Inconel 718 32
2.7 Sifat Mekanik 33
2.7.1 Sifat Kekerasan 33 2.7.1.1 Pengukuran Kekerasan 33 2.7.1.2 Kaedah Pengukuran Kekerasan 34
2.7.2 Sifat Kekuatan Tegangan 36 2.7.3 Rayapan Suhu Tinggi 38
2.7.3.1 Mekanisma Kegagalan Rayapan 41 2.7.4 Kegagalan Santaian 51
2.7.4.1 Mekanisma Kegagalan Santaian 53
vii
2.7.5 Mekanisma Ketumpatan Kehelan 56 2.7.5.1 Kecacatan Bahan 56 2.7.5.2 Kehelan 59
2.8 Tegasan Kitaran 63
2.9 Lesu 65
2.9.1 Lesu Kitar Rendah 67 2.9.2 Pengenalan Kepada Kegagalan Lesu 69 2.9.3 Mekanisma Kegagalan Lesu 69
2.10 Rumusan 72 BAB III METODOLOGI
3.1 Pendahaluan 74
3.2 Prosedur Kajian 76
3.3 Bahan Kajian 77
3.4 Proses Rawatan Haba 79
3.5 Ujian Kekerasan 81
3.5.1 Ujian Kekerasan Rockwell B 81 3.5.2 Ujian Kekerasan Mikro Vickers 82 3.6 Ujian Tegangan 83
3.6.1 Jig 84 3.6.2 Spesimen 86 3.6.3 Prosedur Ujikaji 87 3.6.4 Analisa Data 87
3.7 Ujian Rayapan 89
3.7.1 Prosedur Ujikaji 89 3.7.2 Analisa Data 90 3.8 Ujian Santaian 91 3.9 Ujian Lesu Kitaran Rendah 92
3.9.1 Pendahuluan 92
3.9.2 Spesimen 93 3.9.3 Prosedur Ujikaji 93 3.9.4 Analisa Data 95
3.10 Pencirian Bahan 95
viii
3.10.1 Mikroskop Optik 95 3.10.1.1 Penyediaan Bahan 95 3.10.2 Pemikroskopian Elektron Pengimbas 96 3.10.2.1 Pengukuran Saiz Ira 96 3.10.3 Pembelauan Sinar X 97 3.10.3.1 Prosedur Ujikaji 3.10.4 Analisa 98 3.11 Kesimpulan 98
BAB IV KEPUTUSAN DAN PERBINCANGAN
4.1 Pendahuluan 99
4.2 Kesan Rawatan Haba Terhadap Kekuatan Tegangan Bagi Inconel 718 99 4.2.1 Pendahuluan 99
4.2.2 Mikrostruktur (optic dan SEM) 100 4.2.3 Ujian Kekerasan Rockwell B 105
4.3 Kekuatan Tegangan Inconel 718 106 . 4.3.1 Pendahuluan 106
4.3.2 Ujian Tegangan 107 4.3.3 Pemerhatian Permukaan Sampel (SEM) 109 4.3.4 Pemerhatian Permukaan Patah 111
4.4 Sifat Rayapan Inconel 718 114
4.4.1 Kesan Suhu dan Beban Terhadap Rayapan 114 4.4.2 Mikrostruktur Rayapan 116 4.4.3 Pemerhatian Permukaan Patah Rayapan 118
4.5 Sifat Tegasan Santaian 118
4.5.1 Ujian Santaian Pada Suhu Tinggi dan Terikan Berlainan 118 4.5.2 Mikrostruktur Santaian 121 4.5.3 Ujian Kekerasan Mikro Vickers 123 4.5.4 Ujian Ketumpatan Kehelaan 124 4.6 Kesan Suhu Tinggi Terhadap Lesu Kitar Rendah 126
4.6.1 Pendahuluan 126 4.6.2 Ujian Lesu Kitar Rendah Pada Suhu Tinggi 127 4.6.3 Ujian Lesu Kitar Rendah pada Suhu 650oC
Pada Frekuensi Berbeza 129
ix
4.6.4 Ujian Lesu Kitar Rendah pada Suhu 650oC Pada Terikan Berbeza 132
4.6.5 Pemerhatian Permukaan Patah 134 4.6.6 Mikrostruktur Selepas Ujian LKR 138
4.7 Rumusan 141
BAB V KESIMPULAN DAN CADANGAN
5.1 Pendahuluan 143
5.2 Kesimpulan Kajian 5.2.1 Kesan Rawatan Haba Terhadap Kekuatan Tegangan
Bagi Inconel 718 143 5.2.2 Sifat Rayapan Inconel 718 144 5.2.3 Sifat Tegasan Santaian 144 5.2.4 Kesan Suhu Tinggi Terhadap Lesu Kitar Rendah 145
5.3 Sumbangan Kajian 145
5.4 Cadangan Kajian 146 5.4.1 Cadangan Untuk Memperbaiki Keputusan Kajian 146 5.4.2 Cadangan Kajian Akan Datang 146
RUJUKAN 148
x
SENARAI JADUAL
No. Jadual Halaman
2.1 Komposisi (% berat) Inconel melalui teknik tuangan 17 2.2 Komposisi (% berat) Inconel melalui teknik tempawan 17 2.3 Kegunaan Inconel dalam industri 18 2.4 Komposisi elemen dalam peratusan berat (%) bagi aloi Inconel 718 21 2.5 Sifat-sifat fizikal Inconel 718 22 2.6 Modulus elastik Inconel 718 22 2.7 Sifat mekanikal Inconel 718 terawat haba
(1037 hingga 1065 oC) pada suhu bilik 32 2.8 Sifat-sifat mekanikal Inconel 718 terawat haba
(926 hingga 1010 oC) pada suhu bilik 32
2.9 Sifat kekerasan Rockwell 35
2.10 Sifat mekanikal Inconel 718 38 2.11 Sifat rayapan Inconel 718 dengan tegasan tegangan tetap
625 MPa dan 650 oC 48
2.12 Contoh FWHM dari profil XRD 63
3.1 Komposisi Kimia bagi Inconel 718 (% berat) 77 3.2 Kajian Santaian 92 3.3 Kajian LKR 94 4.1 Keputusan EDX 104 4.2 Bacaan Ujian Kekerasan Rockwell B (HRB) 106 4.3 Sifat mekanikal Inconel 718 pada suhu yang berlainan 109
xi
4.4 Kadar rayapan sekunder bagi spesimen terawat haba Inconel 718 116 4.5 Tegasan dalam aras terikan dan suhu berbeza 121 4.6 Kekuatan-mikro Vickers 124 4.7 Ketumpatan kehelaan 125 4.8 Kadar pemulihan 126
xii
SENARAI ILUSTRASI
No. Rajah Halaman
1.1 Carta alir stesen penjana turbin gas 2
2.1 Pandangan keseluruhan turbin gas 12
2.2 Pandangan bahagian dalaman enjin turbin 12
2.3 Komponen turbin gas terdiri daripada (a) Cakera (b) Bilah (c) Pemasangan bilah kepada cakera 13
2.4 Mikrostruktur Hastelloy X yang tipikal 15
2.5 Imej mikrostruktur Inconel 718 menggunakan mikroskop optik 16
2.6 Bahagian-bahagian dalam enjin gas 24
2.7 Suhu dalam enjin gas 24
2.8 Rajah fasa pertigaan untuk Ni-Al-Ti (a) Larutan dan tiga penuaan (b) Larutan dan dua penuaan (c) Larutan dan tiga penuaan 28
2.9 Skema rawatan haba yang berbeza 31
2.10 Tegasan melawan terikan 37
2.11 Rayapan klasik bagi logam 39
2.12 Garis lengkung (keadaan beban tetap) bagi nikel tulin pada suhu 371oC 42
2.13 Garis lengkung rayapan 43
2.14 Perbezaan mekanisma kegagalan pada suhu rendah dan rayapan 46
2.15 Pembentukan lompang di mana (a) Contoh retak baji dan (b) Lompang pada sempadan ira 47
2.16 Kadar rayapan (έs) dengan saiz partikel γʺ 51
2.17 Pemasangan bilah dan turbin 52
2.18 Garis lengkung bagi keadaan (a) mampatan dan (b) tegangan untuk tegasan santaian bagi rencam 53
2.19 Garis lengkung tegasan santaian yang tipikal 56
2.20 Kecacatan titik yang biasa berlaku iaitu kekosongan 57
2.21 Kecacatan titik yang digelar kecelahan 57
xiii
2.22 Kecacatan garis yang berlaku pada logam (a) Kehelaan pinggir Positif (b) Kehelaan pinggir yang menunjukkan orientasi Burgers atau vektor gelincir b 58
2.23 Profil puncak pembelauan sinar-X 61
2.24 Contoh Profil XRD 62
2.25 Terikan tempatan melawan vector Burgers 63
2.26 Tegasan melawan kitaran (a) Tegasan kitaran berbalik sepenuhnya (b) Tegasan kitaran berulang dengan δmax dan δmin yang sama (c) Tegasan kitaran rawak 65
2.27 Kegagalan lesu pada aci 67
2.28 Penggunaan turbin gas mengikut jangkamasa tertentu 68
3.1 Carta alir prosedur penyelidikan 76
3.2 Lakaran pemotongan jig dan spesimen daripada bahan Inconel 718 78
3.3 Spesimen-spesimen (dalam mm) (a) Ujian mekanikal (b) Ujian Lesu Kitar Rendah 79
3.4 Skema Rawatan Haba 80
3.5 Alat ujian tegangan (Zwick/Roell Z030) 84
3.6 Pandangan dalaman relau pada alat ujian tegangan 85
3.7 Dimensi pemegang spesimen (dalam mm) 85
3.8 Jig dari Inconel 718 sebagai pemegang spesimen 86
3.9 Jig dan spesimen dalam kedudukan (dimensi dalam mm) 86
3.10 Data daripada mesin yang dianalisa 88
4.1 Mikrostruktur Inconel 718 dengan mikroskop optik 103
4.2 Mikrostruktur Inconel 718 dengan SEM dan EDX 104
4.3 Geraf Kekerasan Rockwell B 106
4.4 Kesan suhu kepada kelakuan tegasan-terikan terhadap spesimen tegangan (a) bahan awal dan (b) bahan terawat haba 108
4.5 Mikrostruktur SEM diperhatikan pada permukaan spesimen tegangan untuk bahan awal pada (a) 550oC dan (b) 650oC 111
4.6 Mikrostruktur SEM diperhatikan pada permukaan spesimen tegangan untuk bahan terawat haba pada (a) 550oC dan (b) 650oC 111
4.7 Permukaan patah spesimen bahan awal (a) 550oC dan (b) 650oC 113
xiv
4.8 Permukaan patah spesimen bahan terawat haba (a) 550oC dan (b) 650oC 113
4.9 Ujian rayapan pada beban dan suhu berbeza bagi bahan terawat haba 116
4.10 Mikrostruktur SEM permukaan spesimen bahan terawat haba bagi sampel selepas ujian rayapan pada suhu berlainan. (a) 550oC-70%UTS, (b) 650oC-70%UTS and (c) 650oC-90%UTS 117
4.11 Keretakan permukaan bahan terawat haba sampel selepas ujian rayapan pada keadaan suhu 650oC (a) 70%UTS dan (b) 90%UTS 118
4.12 Kesan suhu terhadap tegasan santaian pada terikan 1% 120
4.13 Kesan suhu terhadap tegasan santaian pada terikan 2% 120
4.14 Kesan terikan 1% dan 2% 121
4.15 Mikrograf SEM selepas ujian santaian pada terikan 1% bagi suhu 550, 650 dan 750oC untuk 3, 48 dan 72 jam 122
4.16 Kekuatan-mikro dengan masa 124
4.17 Ketumpatan kehelaan dengan masa 125
4.18 LKR pada suhu yang berbeza dengan julat tegasan dan bilangan kitaran 129
4.19 LKR pada suhu yang berbeza dengan tegasan maksimum dan bilangan kitaran 129
4.20 LKR pada suhu 650oC dengan julat tegasan dan bilangan kitaran 130
4.21 LKR pada suhu 650oC dengan tegasan maksimum dan bilangan kitaran 131
4.22 LKR pada suhu 650oC dengan julat tegasan dan masa 131
4.23 LKR pada suhu 650oC dengan tegasan maksimum dan masa 132
4.24 LKR pada suhu 650oC dengan julat tegasan dan bilangan kitaran 133
4.25 LKR pada suhu 650oC dengan tegasan maksimum dan bilangan kitaran 133
4.26 LKR pada suhu berbeza, R=0.1 dan F=0.1 Hz 135
4.27 LKR pada frekuensi berbeza, R=0.1 dan 650oC 136
4.28 LKR pada nisbah terikan berbeza, F=0.1 Hz dan 650oC 137
4.29 LKR pada R=0.1, F=0.1 Hz di mana (a) 550oC, (b) 650oC dan (c) 750oC 139
4.30 LKR pada R=0.1, 650oC di mana (a) 0.1 Hz dan (b) 0.01 Hz 140
xv
4.31 LKR pada F=0.1 Hz, 650oC di mana (a) terikan1% dan (b) terikan 0.5% 141
xvi
SENARAI SIMBOL
Simbol Unit
2N bilangan kitaran -
ASTM American Standard Testing Material -
b Vektor Burgers nm
bcc Kiub Berpusat Jasad -
D Saiz Kristal nm
EDM Mesin Nyahcas Elektrik -
fcc Kiub Muka Tengah -
G Angkatap Bahan -
hcp Terpadat Rapat Hexagon -
HRB Hardness Rockwell B -
HRC Rockwell C -
Hv Kekerasan Mikro Vickers -
Hz Hertz -
Kα Puncak Pembelauan Sinar-X -
LKR Lesu Kitar Rendah -
Pos Position -
Q Tenaga Pengaktifan Tegasan Terubahsuai -
R Angkatap Udara Jmol-1K-1
RT Suhu Bilik oC
SEM Mikroskop Imbasan Elektron -
T Darjah Celsius oC
TEM Mikroskop Elektron Transmisi -
Th. Theta -
Tm Suhu Takat Lebur oC
USD Ringgit Amerika Syarikat -
xvii
UTS Kekuatan Tegangan Muktamad MPa
wt% Peratus Berat %
XRD Pembelauan Sinar X -
λ Panjang Gelombang nm
βo Ketebalan Penuh Yang Sebenar (sampel tulin) cts
βm Ketebalan Penuh Yang Sebenar (sampel Fe-8% Ni-Cu) cts
βt Ketebalan Penuh Yang Sebenar cts
δ Delta -
ε Terikan MPa
ε’f Pekali Kemuluran Lesu MPa
Δεp Julat Terikan Plastik MPa
γʹ Gama Perdana -
γʺ Gama Perdana Berganda -
ρ Ketumpatan Kehelan -
σa Tegasan Amplitud MPa
σm Tegasan Purata MPa
σmax Tegasan Maksimum MPa
σmin Tegasan Minimum MPa
σuts Kekuatan Tegangan Muktamad MPa
σy Tegasan Alah MPa
BAB I
PENGENALAN
1.1 PENDAHULUAN
Kuasa elektrik adalah satu sumber tenaga yang amat penting dalam kehidupan
manusia seharian pada zaman moden ini. Elektrik ialah istilah am bagi fenomena yang
terhasil akibat kewujudan dan aliran cas elektrik. Kegunaan elektrik di dalam
kehidupan menjadikan kehidupan lebih selesa dan memudahkan kerja. Contoh
kegunaannya adalah pada peralatan yang besar seperti mesin dikilang-kilang hingga
peralatan yang kecil seperti lampu suluh.
Kuasa elektrik memerlukan peralatan atau proses untuk menghasilkannya
daripada tenaga bentuk lain. Prinsip asas penghasilan elektrik ditemui pada tahun
1820-an dan awal 1830-an oleh ahli sains British yang bernama Michael Faraday.
Kaedah asasnya masih digunakan sehingga kini iaitu elektrik dijana oleh pergerakan
gegelung dawai atau kepingan cakera tembaga antara kutub-kutub magnet (Arkam,
2008).
Penjanaan elektrik boleh dilakukan dengan menggunakan punca-punca seperti
arang batu, gas, minyak, nuklear, air, stim dan lain-lain unsur. Punca-punca tenaga ini
adalah sebagai satu media yang akan menggerakkan atau memutarkan turbin yang
seterusnya akan menghasilkan tenaga elektrik seperti yang diterangkan diperengan
atas. Carta alir stesen penjana turbin gas adalah seperti ditunjukkan dalam Rajah 1.1.
Proses yang berlaku didalam stesen penjana turbin gas adalah dimana udara
pada suhu biasa (+ 30oC) akan disedut dengan menggunakan kipas ke tempat
pembakaran atau pemampat. Udara akan dipanaskan dalam pemampat dengan
2
menggunakan bahan api seperti gas atau arangbatu sehingga mencecah suhu 1080oC
dan tekanan 30 bar akan dipaksa melalui turbin dengan kelajuan yang tinggi dimana
tenaga mekanikal akan ditukarkan kepada tenaga elektrikal (Elgerd 1982).
Rajah 1.1 Carta alir stesen penjana turbin gas
Turbin merupakan bahagian yang paling penting dalam menghasilkan tenaga
elektrik dimana penukaran tenaga kepada bentuk tenaga elektrikal berlaku didalam
turbin. Turbin adalah satu alat yang komplek dengan beberapa bahagian yang
menggunakan aliran gas untuk menghasilkan tenaga elektrik. Gas dipaksa melalui
bilah yang dipasangkan kepada rotor yang menyebabkan rotor tersebut berputar.
Tenaga yang dihasilkan daripada pusingan rotor akan dikumpulkan oleh penjana yang
akan menukarkan daya pusingan kepada tenaga elektrik menggunakan medan magnet.
Tenaga haba terhasil daripada pembakaran digunakan untuk memanaskan air di dalam
Pemampat
Udara Biasa
Bahan Bakar
Kipas
Turbin
Penjana
Elektrik terhasil
3
dandang. Air bertukar menjadi wap stim dan dipaksa melalui paip yang
menghantarnya ke bahagian yang terletak turbin. Wap stim yang bertekanan tinggi
dan bersuhu tinggi menyalurkan tenaga kepada bilah dan rotor turbin akan
memutarkan penjana kuasa. Tenaga putaran mekanikal akan ditukar kepada tenaga
elektrik melalui penjana kuasa.
Wap stim yang dihasilkan daripada dandang memasuki ruangan turbin dengan
suhu mencecah 1086oC dan keluar daripada ruangan turbin dengan penurunan suhu
sehingga 571oC (Mazur et al. 2005). Bahan yang digunakan untuk ruangan turbin
mestilah tahan kepanasan melampau ini. Salah satu bahan yang digunakan adalah
superaloi.
Superaloi berasaskan-nikel adalah salah satu bahan yang paling sesuai
digunakan dalam keadaan yang melampau seperti pada suhu dan tegasan yang tinggi.
Beberapa contoh superaloi berasaskan-nikel adalah Nimonic, Udimet, Waspaloy,
Astroloy, Hastelloy dan Inconel (Sims et al. 1987). Bahan-bahan ini telah digunakan
dalam pelbagai industri seperti aeroangkasa, pemprosesan kimia, kejuruteraan marin,
reaktor nuklear dan sebagainya. Daripada senarai di atas, Inconel adalah bahan yang
paling popular dan mempunyai gred yang banyak bergantung kepada aplikasi seperti
Inconel 738 dan Inconel 718. Selain mengekalkan kekuatan mekanikal di bawah
keadaan yang bersuhu tinggi, kelebihan aloi ini adalah tahan kelesuan haba,
pengoksidaan, kakisan, penempaan dan keupayaan pematerian keras (Ghosh et al.
2008, Kuo et al. 2009 dan Kim et al. 2008). Sifat mekanikal dikekalkan melalui
pembentukan pemendakan elemen-elemen tertentu yang akan dijelaskan dalam bab 2.
Turbin adalah terdiri daripada dua bahagian yang utama iaitu bilah dan cakera.
Bilah merupakan bahagian yang berinteraksi secara langsung dengan wap stim yang
dipaksa masuk dan boleh beroperasi pada suhu kira-kira 1000oC. Bilah boleh
diperbuat daripada beberapa jenis bahan superaloi berasaskan nikel tetapi daripada
kajian didapati bilah diperbuat terutamanya daripada Inconel 738. Bilah akan
dipegang kepada saf melalui cakera turbin yang diperbuat terutamanya daripada
Inconel 718 yang beroperasi pada suhu yang lebih rendah jika dibandingkan dengan
Inconel 738. Kekuatan superaloi berasaskan-nikel adalah dipromosikan oleh
4
pemendakan fasa sekunder (contohnya gama perdana dan gama perdana berganda) ke
dalam matriks logam melalui proses rawatan haba. Rawatan haba yang paling biasa
digunakan untuk Inconel adalah proses rawatan haba piawai (Liu et al. 2005, Ghosh et
al. 2008 dan Zhao et al. 2008). Proses rawatan haba piawai adalah satu proses untuk
mengembalikan keadaan Inconel yang dirawat kepada keadaan atau kekuatan asal
setelah Inconel tersebut melalui proses yang melemahkan strukturnya seperti
pemotongan kepada bentuk dan saiz yang dikehendaki.
1.2 PERMASAALAHAN KAJIAN
Enjin turbin gas atau turbin stim menggunakan bahan-bahan yang berbeza mengikut
keperluan atau suhu pada setiap komponennya. Turbin gas atau turbin stim
mempunyai tiga bahagian utama iaitu bilah, cakera dan rotor. Bilah yang berinteraksi
secara langsung dengan stim pada suhu tinggi adalah diperbuat daripada Inconel 738,
Inconel 718, Nimonic, keluli dan lain-lain. Cakera yang mengalami suhu sederhana
pula diperbuat daripada Inconel 718 dan keluli. Sementara rotor yang berada di
bahagian dalam mengalami suhu yang rendah diperbuat daripada keluli. Pemasangan
komponen dalam enjin turbin membabitkan bahan yang berbeza dimana kadar
pengembangan haba juga berbeza. Ini boleh menyebabkan tegasan yang tinggi
dikenakan pada penyambungan komponen. Contohnya adalah pemasangan bilah
Inconel 738 kepada cakera turbin Inconel 718.
Pemasangan bilah yang diperbuat daripada Inconel 738 kepada cakera turbin
yang diperbuat daripada Inconel 718 akan menghasilkan tegasan yang bertujuan
memegang bilah pada kedudukannya. Tegasan ini terhasil akibat persentuhan
permukaan antara bilah dan cakera turbin yang terjadi apabila pemasangannya
mestilah ketat. Semasa beroperasi, pergerakan putaran menyebabkan titik persentuhan
antara bilah dan cakera akan menghasilkan tegasan. Putaran juga menghasilkan daya
emparan yang cuba menarik bilah keluar dari cakera. Ini seterusnya akan
menyebabkan tegasan yang bertambah kepada tegasan yang sedia ada. Cakera turbin
yang digunakan sentiasa menerima tegasan yang tinggi semasa ianya diaplikasikan,
tambahan pula wap stim yang mengerakkan rotor mempunyai suhu yang tinggi. Ini
5
mengakibatkan cakera turbin menerima tegasan dalam keadaan suhu tinggi.
Berdasarkan ini, permulaan retak akan terjana pada Inconel 718 yang digunakan
akibat daripada tegasan setempat pada titik persentuhan yang bertindak sebagai
peningkat tegasan dimana masa keretakan tidak dapat dijangkakan, seterusnya retak
tersebut akan merambat dan akhir sekali menyebabkan komponen struktur tersebut
mengalami kegagalan patah. Sebenarnya kegagalan ini boleh dihindar dengan
membuat ramalan hayat berpandu kepada hasil kajian tentang sifat-sifat mekanikalnya
seperti sifat rayapan, sifat santaian dan sifat lesu kitaran rendah yang bertujuan untuk
menentukan sebab-sebab komponen struktur tersebut akan mengalami kegagalan.
Mekanisma kegagalan boleh dikenalpasti dan seterusnya dapat meramalkan jangka
hayat cakera turbin yang digunakan.
Cakera turbin yang digunakan untuk penjanaan tenaga menggunakan wap stim
perlu tahan kepada kepanasan yang disebabkan oleh keadaannya. Suhu masuk
mencecah sehingga 1086oC seperti diterangkan oleh Mazur et al. (2004) adalah sangat
tinggi, walau pun bahagian cakera turbin akan lebih sejuk disebabkan berada di
bahagian tengah tetapi kesan suhu tetap ada. Witek (2006) menerangkan fenomena
kepatahan boleh berlaku kepada cakera turbin yang mana berlaku akibat kelesuan dan
hakisan tegasan atau tegasan santaian. Mazur et al. (2004) telah menerangkan
mekanisma kerosakan yang boleh berlaku kepada bilah adalah rayapan, lesu kitar
rendah (kelesuan termal), lesu kitar tinggi (kelesuan termomekanikal), hakisan,
kakisan dan pengoksidaan.
Suhu yang tinggi boleh menyebabkan sifat mekanik menurun yang akan
mengurangkan hayat komponen tersebut. Rawatan haba yang sesuai dilihat dapat
mengekalkan sifat mekanik pada suhu yang tinggi. Sifat rayapan dan santaian selepas
rawatan haba masih tidak mencukupi. Ianya perlu bagi menjalankan kajian lanjut
mengenainya dan ianya boleh dilaksanakan melalui kajian mikrostrukturnya.
Pada suhu yang tinggi atau sama, kelakuan atau sifat rayapan pada bahan yang
mempunyai sifat mekanik yang lebih tinggi adalah berbeza dengan kelakuan rayapan
bahan yang mempunyai sifat mekaniknya yang lebih rendah. Contohnya adalah bilah
6
daripada Inconel 738 dan cakera daripada Inconel 718. Oleh itu, sifat rayapan Inconel
718 pada suhu yang lebih tinggi perlu dikenalpasti.
Suhu yang tinggi menyebabkan berlakunya santaian pada tegasan.
Pemasangan bilah dan cakera adalah dipasang dengan ketat supaya tidak berlaku
penurunan tegasan pada pasangan komponen. Ini boleh menyebabkan kegagalan
disebabkan santaian boleh berlaku kepada komponen yang bahannya mempunyai sifat
mekanik yang lebih rendah (Inconel 718 berbanding Inconel 738). Sifat santaian bagi
Inconel 718 adalah sedikit atau kurang dikaji. Jadi kajian lanjut perlu dijalankan untuk
mengetahui sifat santaian ini. Kajian evolusi mikrostruktur, kekerasan dan ketumpatan
kehelan perlu diberi perhatian.
Kegagalan lesu berlaku bukan sahaja pada bilah atau pangkal bilah turbin
tetapi ianya boleh berlaku kepada cakera yang memegang bilah. Kesan suhu yang
tinggi terhadap lesu akan mengurangkan hayat komponen turbin. Kesan
pengoperasian turbin perlu diambilkira dimana suhu tinggi ketika operasi turbin
berjalan dan suhu rendah ketika rehat (tidak beroperasi). Ini mengakibatkan cakera
dan bilah mengalami tegasan turun naik disebabkan perubahan suhu dan boleh
menyebabkan kegagalan lesu haba. Oleh itu, amat perlu bagi mengetahui dengan
lanjut kesan suhu dan frekuensi terhadap sifat lesu haba bahan.
1.3 OBJEKTIF KAJIAN
Terdapat beberapa objektif kajian ini dijalankan. Objektif-objektif ini adalah seperti
berikut:
a) Mengenalpasti kesan rawatan haba terhadap mikrostruktur dan sifat mekanik
Inconel 718 dan kesan suhu serta beban terhadap sifat rayapan bahan terawat
haba Inconel 718.
b) Mengenalpasti kesan tegasan santaian dengan menggunakan suhu yang tinggi
dan terikan yang berbeza melalui evolusi mikrostruktur, kekerasan mikro
Vickers dan ketumpatan kehelan.
7
c) Mengenalpasti kesan suhu, frekuensi dan terikan terhadap lesu kitaran rendah
bagi Inconel 718.
1.4 SKOP KAJIAN
Kajian ini dijalankan adalah untuk mengkaji kesan rawatan haba terhadap
mikrostruktur, sifat kekerasan, sifat tegangan, sifat rayapan, sifat santaian dan sifat
lesu kitar rendah. Bahan yang digunakan di dalam kajian ini adalah superaloi
berasaskan nikel iaitu Inconel 718. Kajian ini memfokus kepada Inconel 718 kerana
bahan ini digunakan dalam turbin untuk penjanaan tenaga elektrik dan hasil kajian
boleh memanjangkan hayat turbin dan seterusnya boleh menjimatkan kos
penyelengaraannya.
Proses rawatan haba dijalankan keatas spesimen dan kajian terhadap
mikrostruktur, sifat kekerasan dan kekuatan tegangan telah diperolehi. Perbandingan
telah dibuat dengan bahan yang belum menjalani rawatan haba.
Perubahan mikrostruktur sebelum dan selepas proses rawatan haba dibuat
perbandingan dari segi pemendakan gama perdana (γʹ), gama perdana berganda (γʺ),
fasa delta (δ) dan sempadan ira serta saiz ira. Terdapat tiga keadaan yang diperhatikan
iaitu bahan awal, setelah rawatan haba larutan dan setelah rawatan penuaan berganda.
Peralatan yang digunakan adalah mikroskop optik yang dilengkapi dengan program
yang boleh mengambil imej yang terhasil.
Penggunaan mikroskop elektron imbasan (SEM) adalah untuk mengkaji
mikrostruktur secara lebih terperinci. Ianya digunakan bagi memeriksa permukaan
patah dan permukaan spesimen selepas ujian-ujian dijalankan. Ini bagi mengesan
sebarang ketidaknormalan atau keganjilan terhadap mikrostruktur yang dapat
menerangkan kelakuan bahan semasa ujian dijalankan. Sebarang fenomena yang
berlaku adalah berdasarkan pemerhatian pada permukaan patah dan permukaan
spesimen.