1

EQUAL CHANNEL ANGULAR EXTRUSION (ECAE)

AN ALTERNATIVE METHOD TO IMPROVE

MECHANICAL PROPERTIES OF METALS

FX Catur Ari Setiyawan

Mechanical Metallurgy Laboratory, Dept. of Mechanical Engineering

FTI – ITB Ganesha 10 Bandung 40132

e-mail : fx_catur@yahoo.com

ABSTRACT

Equal Channel Angular Extrusion (ECAE) is an innovative process to

improve metal properties through plastic deformation during cold working. This

process was invented by Russian scientist Vladimir Segal in 1977. ECAE process

makes possible the occurrence of large amounts of plastic deformation without

causing significant change in the geometric shape or cross-section. The die angle is

a determining factor that contributes to the magnitude of plastic strain. The

occurence of large plastic strain causes an increasing material strength through a

strain (or work) hardening mechanism.

One of the quick and economically methods that could be used to analyze the

ECAE is a numerical method with a finite element approach. Simulate metal forming

is not an easy task. It deals with many parameters involved and the non-linear

characteristic of plastic deformation and requires a specific and powerful software

such as MSC.Superform 2002. Using this software, the ECAE 2D Route-A process

had been modeled with a combination of eight repeated process and varied extrusion

angles (15°, 30°, 45°, 60°, 75°, and 90°). The model uses an aluminum billet (Al

1100 – O) that has a dimension of 10x10x30 mm as a worpiece, and a hydraulic

extrusion machine with a constant speed of 1 mm/s as a pressing mechanism.

The data obtained from the model include :

1. Flowlines.

2. Equivalent plastic strain.

3. Yield Strength.

4. Grain size prediction using Hall-Petch equation.

Keywords : Equal Channel Angular Extrusion/Pressing (ECAE/ECAP), Severe

Plastic Deformation (SPD).

2

EQUAL CHANNEL ANGULAR EXTRUSION (ECAE)

SEBAGAI METODE ALTERNATIF

UNTUK MEMPERBAIKI SIFAT MEKANIK LOGAM

FX Catur Ari Setiyawan

Laboratorium Metalurgi Mekanik, Departemen Teknik Mesin

FTI – ITB Ganesha 10 Bandung 40132

e-mail : fx_catur@yahoo.com

ABSTRAK

Equal Channel Angular Extrusion (ECAE) adalah sebuah proses inovatif

untuk memperbaiki sifat logam melalui deformasi plastis pada pengerjaan dingin

(cold working). Proses ini pertama kali dikemukakan oleh seorang ilmuwan Rusia

bernama Vladimir Segal pada tahun 1977. Ekstrusi sudut pada ECAE

memungkinkan terjadinya deformasi plastis yang besar tanpa mengakibatkan

perubahan bentuk penampang. Sudut cetakan (die) merupakan faktor penentu

besarnya regangan plastis yang terjadi. Regangan plastis yang besar ini akan

mengakibatkan bertambahnya kekuatan material melalui mekanisme penguatan

regangan atau strain-hardening.

Salah satu metode yang dapat digunakan untuk menganalisis proses ECAE

secara cepat dan ekonomis adalah metode numerik dengan pendekatan elemen

hingga (finite element). Banyaknya parameter yang terlibat dan faktor

ketidaklinieran pada deformasi plastis menuntut digunakannya perangkat lunak

yang khusus seperti MSC Superform 2002. Dengan menggunakan perangkat lunak

ini, proses ECAE 2D rute-A telah dapat dimodelkan dengan kombinasi antara

delapan kali tahapan proses dan sudut ekstrusi 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, dan 90°.

Pemodelan menggunakan billet dari aluminium (Al 1100 – O) yang memiliki dimensi

10x10x30 mm dengan memakai mesin ekstrusi hidrolik berkecepatan konstan

sebesar 1 mm/s.

Data yang dapat diperoleh dari pemodelan meliputi :

1. Data aliran material (flowlines).

2. Regangan plastis total ekivalen.

3. Perubahan kekuatan luluh (yield strength).

4. Prediksi diameter butir menggunakan persamaan Hall-Petch.

Kata kuci : Equal Channel Angular Extrusion/Pressing (ECAE/ECAP), Severe

Plastic Deformation (SPD).

3

1. PENDAHULUAN

Equal-channel angular extrusion (ECAE) merupakan salah satu metode yang

digunakan untuk meningkatkan kekuatan logam dengan cara deformasi plastis

berulang-ulang (severe plastic deformation). Illustrasi dari proses ECAE dapat

dilihat dalam Gbr.1.

Gambar 1 Illustrasi proses ECAE.

Cetakan ekstrusi dari proses ECAE terdiri dari dua jalur dengan bentuk dan luas

penampang yang sama. Kedua jalur ini saling bertemu dan membentuk sudut ekstrusi

Φ satu sama lain. Untuk setiap ekstrusi, benda kerja yang berupa billet ditempatkan

pada jalur 1 dan kemudian diekstrusi oleh plunyer hingga keluar melewati jalur 2.

Setelah proses ekstrusi dilakukan, benda kerja kemudian diputar terhadap sumbu

vertikalnya sesuai dengan jenis rute ECAE yang diinginkan. Sudut rotasi tersebut

untuk benda kerja yang berpenampang segi empat sama sisi adalah 0° untuk ECAE

rute A, 90° atau -90° untuk ECAE rute B, dan 180° untuk ECAE rute C.

Perulangan Proses

Φ

ROTASI

ECAE – A = 0°

ECAE – B = 90° / -90°

ECAE – C = 180°

benda kerja

plunyer jalur 1

jalur 2

P

4

Pada proses ECAE, cara yang digunakan untuk memperoleh regangan plastis

yang besar adalah dengan memperkecil sudut Φ (Φmin = 90°) dan menambah jumlah

perulangan ekstrusi. Semakin besar regangan plastis yang terjadi maka semakin

bertambah juga kekuatan logam (untuk logam yang memiliki kurva tegangan-

regangan dengan karakteristik parabolic strain hardening). Bentuk dari deformasi

elemen yang terjadi pada proses ECAE ditunjukkan dalam Gbr.2.

Gambar 2 Deformasi elemen pada proses ECAE.

Gambar 3 Regangan total pada proses ECAE.

A B

C D

a b

c d

A

’

B

’

C

’ D

’

a'

c'

b' d'

(a) Keadaan awal

elemen.

(b) Keadaan elemen yang terdeformasi.

= +

a"

b"

c"

d"

2"

1" a b

c d

b'

c'

d'

a'

b' d"

a"

b"

β

ωij

1’

2’

1"

2"

regangan geser rotasi c d

a b c'

εij

5

Deformasi yang ditunjukkan oleh Gbr.2 dibentuk dari dua jenis regangan

plastis yang dialami elemen secara bersamaan. Kedua jenis regangan tersebut adalah

regangan geser dan rotasi. Illustrasi dari regangan plastis yang terlibat dapat dilihat

dalam Gbr.3. Sudut ekstrusi ECAE merupakan faktor utama yang memegang

peranan penting dalam menentukan besar regangan total yang terjadi. Besar regangan

total yang terjadi dapat dinyatakan dengan persamaan (1).

ijijije (1)

dengan, ije = tensor regangan total

ij = tensor regangan geser

ij = tensor rotasi

2. METODE PENELITIAN

Penelitian yang dilakukan adalah dengan melakukan simulasi pemodelan

numerik proses ekstrusi ECAE, menggunakan perangkat lunak berbasis elemen

hingga MSC.SuperForm 2002. Simulasi dilakukan dengan paramater-parameter

berikut :

1. Rute ECAE : A dan C

2. Sudut Φ : 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, dan 90°

3. Perulangan proses : 8 kali ekstrusi

4. Dimensi benda kerja : 10x10x30 mm

5. Jenis material : Aluminium 1100 – O

Hasil yang diinginkan dari pemodelan adalah :

1. Data aliran material (flowlines).

2. Regangan plastis total ekivalen.

6

Dari hasil pemodelan yang berupa regangan plastis total ekivalen dapat digunakan

untuk mencari :

1. Perubahan kekuatan luluh (yield strength) material.

2. Prediksi perubahan diameter butir material, menggunakan pendekatan

persamaan Hall-Petch.

3. DATA DAN ANALISIS

3.1. DATA

3.1.1. Data Awal Pemodelan

Aluminium 1100 – O yang digunakan dalam pemodelan memiliki sifat

mekanik sebagai berikut1 :

Rapat massa (ρ) : 2,71 gr/cm3

Modulus Elastis (E) : 69 GPa

Poisson Ratio (v) : 0,33

Yield Strength (σy) : 35 Mpa

Persamaan Kurva Tegangan Alir : 2,0.180 tt MPa

Sedangkan parameter pemodelan yang digunakan dalam MSC.SuperForm 2002

antara lain :

Menggunakan analisis 2D plane strain.

Analisis yang digunakan adalah analisis elastis-plastis dengan kriteria alir

plastis berdasarkan kriteria von Mises.

Jumlah elemen awal 374 elemen, maksimum elemen setelah remeshing

adalah 900 elemen.

Koefisien gesek yang digunakan adalah 0,15 untuk cetakan dan 0,4 untuk

plunyer.

Menggunakan mesin press hidrolik dengan kecepatan konstan 1 mm/s.

Toleransi untuk kekonvergenan solusi adalah 10% (0,1).

1 Berdasarkan Ref.[2] Tabel 2.1, Tabel 2.2, dan Tabel 6.2.

7

3.1.2. Data Pola Aliran Material

Gbr.4 – Gbr.9 menunjukkan perubahan pola yang terjadi untuk setiap

kombinasi perubahan sudut ekstrusi (Φ) dan perulangan proses ekstrusi.

Gambar 4 Pola elemen untuk ECAE – A, dengan sudut ekstrusi Φ = 165°.

Gambar 5 Pola elemen untuk ECAE – A, dengan sudut ekstrusi Φ = 150°.

(a) 2x ekstrusi (b) 4x ekstrusi (c) 6x ekstrusi (d) 8x ekstrusi

(a) 2x ekstrusi (b) 4x ekstrusi (c) 6x ekstrusi (d) 8x ekstrusi

8

Gambar 6 Pola elemen untuk ECAE – A, dengan sudut ekstrusi Φ = 135°

Gambar 7 Pola elemen untuk ECAE – A, dengan sudut ekstrusi Φ = 120°.

(a) 2x ekstrusi (b) 4x ekstrusi (c) 6x ekstrusi (d) 8x ekstrusi

(a) 2x ekstrusi (b) 4x ekstrusi (c) 6x ekstrusi (d) 8x ekstrusi

9

Gambar 8 Pola elemen untuk ECAE – A, dengan sudut cetakan Φ = 105°.

Gambar 9 Pola elemen untuk ECAE – C, dengan sudut cetakan Φ = 90°.

(a) 2x ekstrusi (b) 4x ekstrusi (c) 6x ekstrusi (d) 8x ekstrusi

(a) 2x ekstrusi (b) 4x ekstrusi (c) 6x ekstrusi (d) 8x ekstrusi

10

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Posisi Elemen (mm)

Re

ga

ng

an

Pla

sti

s T

ota

l

ECAE - A sudut 165

ECAE - A sudut 150

ECAE - A sudut 135

ECAE - A sudut 120

ECAE - A sudut 105

ECAE - A sudut 90

ECAE - C sudut 90

3.1.3. Data Regangan Plastis Total Ekivalen

Gbr.10 menunjukkan daerah elemen

yang dianalisis untuk diambil datanya

sedangkan Gbr.11 menunjukkan grafik

perbandingan regangan plastis total ekivalen

untuk kombinasi perubahan sudut cetakan

terhadap posisi elemen horisontal pada benda

kerja (Gbr.10) setelah 8 kali ekstrusi.

Gambar 11 Grafik perbandingan regangan plastis total ekivalen setelah 8x ekstrusi.

Elemen yang dianalisis

0 10 (mm)

Gambar 10 Daerah elemen yang dianalisis.

Benda kerja

11

150

170

190

210

230

250

270

290

310

330

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Posisi Elemen (mm)

Keku

ata

n L

ulu

h (

MP

a)

ECAE - A, sudut 165

ECAE - A, sudut 150

ECAE - A, sudut 135

ECAE - A, sudut 120

ECAE - A, sudut 105

ECAE - A, sudut 90

ECAE - C, sudut 90

3.1.4. Data Kekuatan Luluh (Yield Strength)

Gbr.12 menunjukkan grafik perbandingan kekuatan luluh Al – 1100 untuk

kombinasi perubahan sudut cetakan terhadap posisi elemen horisontal pada benda

kerja (Gbr.10) setelah 8 kali ekstrusi. Kekuatan luluh awal aluminium 1100 – O

adalah 35 MPa.

Gambar 12 Grafik perbandingan kekuatan luluh (yield strength) Al – 1100 setelah 8x ekstrusi.

12

0,05

0,075

0,1

0,125

0,15

0,175

0,2

0,225

0,25

0,275

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Posisi Elemen (mm)

Dia

mete

r B

uti

r (μ

m)

ECAE - A, sudut 165

ECAE - A, sudut 150

ECAE - A, sudut 135

ECAE - A, sudut 120

ECAE - A, sudut 105

ECAE - A, sudut 90

ECAE - C, sudut 90

3.1.5. Data Prediksi Perubahan Diameter Butir

Gbr.13 menunjukkan grafik prediksi perbandingan diameter butir Al – 1100

untuk kombinasi perubahan sudut cetakan terhadap posisi elemen horisontal pada

benda kerja (Gbr.10) setelah 8 kali ekstrusi. Diameter butir awal aluminium 1100 –

O adalah 13,14 μm.

Gambar 13 Grafik prediksi perbandingan diameter butir Al – 1100 setelah 8x ekstrusi.

13

3.2. ANALISIS

Sudut cetakan ECAE memegang peranan yang penting untuk membentuk

pola aliran material. Semakin kecil sudut Φ (Φmin = 90°) maka pola aliran yang

terbentuk semakin rumit (Gbr.4 – Gbr.9). Hal ini terlihat jelas untuk geometri

cetakan dengan Φ < 150°. Regangan plastis total yang terjadi juga akan bertambah

besar dengan semakin kecilnya sudut ekstrusi Φ (Gbr.11). Bertambah besarnya

regangan plastis untuk proses ECAE yang menggunakan sudut ekstrusi Φ lebih kecil

mengakibatkan Al – 1100 akan memiliki kekuatan luluh yang lebih besar (Gbr.12)

dan diameter butir yang lebih kecil (Gbr.13).

Jumlah perulangan proses ECAE terutama mempengaruhi kerumitan pola

aliran dan besar regangan plastis total. Semakin banyak jumlah perulangan proses

maka semakin rumit pola aliran dan semakin besar regangan plastis. Dengan semakin

besarnya regangan plastis maka kekuatan Al – 1100 akan semakin tinggi sedangkan

diameter butirnya akan semakin kecil (hingga batas tertentu).

Rute perulangan ekstrusi selain mempengaruhi kerumitan pola, juga

mempengaruhi kehomogenan regangan plastis yang terjadi. Ini ditunjukkan dengan

bentuk kurva ECAE rute C pada Gbr.11 yang mendekati garis lurus (bandingkan

dengan bentuk kurva ECAE rute A). Regangan plastis yang lebih homogen untuk

ECAE rute C mengakibatkan distribusi perubahan kekuatan dan diameter butir Al –

1100 juga akan lebih homogen (Gbr.12 dan Gbr.13).

4. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil pemodelan dari proses Equal Channel Angular Extrusion

(ECAE) maka dapat diambil kesimpulan bahwa proses ini dapat memperbaiki sifat

mekanik logam terutama dengan meningkatkan kekuatan logam, tanpa melibatkan

adanya perubahan bentuk penampang. Sudut cetakan, jumlah perulangan proses, dan

rute perulangan ekstrusi merupakan faktor utama yang mempengaruhi hasil yang

diperoleh. Data hasil pemodelan secara kuantitatif ditunjukkan dengan Tabel 1.

14

Tabel 1 Data Hasil Pemodelan ECAE

PARAMETER KONDISI AWAL

SETELAH 8 KALI EKSTRUSI

ECAE – A ECAE – C

Φ = 135° Φ = 120° Φ = 105° Φ = 90° Φ = 90°

Regangan Plastis

Total Ekivalen 0 2,5 – 3,9 2,7 – 4,6 4,5 – 8,8 6,6 – 16,7 9,2

Kekuatan Luluh (MPa)

35 216 – 236 220 – 245 243 – 278 262 – 316 280

Diameter Butir (μm) 13,14 0,10-0,12 0,09-0,11 0,07-0,09 0,05-0,08 0,07

5. REFERENSI

[1] Meyers, Marc A., Mechanical Metallurgy : Principles and Applications, Prentice-Hall, Inc.,

New Jersey, 1984.

[2] S. Kalpakjian, Manufacturing Process for Engineering Materials, Addison-Wesley Publishing

Co., 1984.

[3] Segal VM, Materials Processing by Simple Shear, Materials Science and Engineering A

(Switzerland), vol. 197, no.2, pp. 157-164, 1 July 1995.

[4] Cui HJ, Goforth, Hartwig KT, The Three – Dimensional Simulation of Flow Pattern in Equal –

Channel Angular Extrusion, JOM vol. 50, no. 8, August 1998.

[5] STWW-IWT project, Ultra Fine Structured MetallicMaterials, Department of Metallurgy and

Materials Engineering, Katholieke Universiteit Leuven 1999.