Post on 06-Dec-2020
INVESTIGASI KARAKTERISTIK LELAH
BAJA KARBON JIS S45C
SKRIPSI
Diajukan Sebagai Salah Satu Persyaratan
Guna Memperoleh Gelar Sarja Teknik (S.T)
Program Studi Teknik Mesin
Disusun Oleh :
ALEXANDER EKA SUSANTO
NIM : 165214141
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2020
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
ii
FATIGUE CHARACTHERISTICS INVESTIGATION
OF CARBON STEEL JIS S45C
FINAL PROJECT
Submitted As One of Requirements
To Obtain the Engineering Degree (S.T)
Mechanical Engineering
Arranged by :
ALEXANDER EKA SUSANTO
STUDENT NUMBER : 165214141
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2020
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
vii
ABSTRAK
Tujuan utama dari penelitian merupakan investigasi karakteristik mekanis dari
baja karbon JIS S45C. Untuk menginvesitigasi karateristik mekanis baja karbon JIS
S45C dilakukan pengujian tarik, kekerasan, kelelahan, dan struktur mikro. Hasil data
beberapa pengujian kemudian dibandingkan dan dievaluasi dengan data dari beberapa
sumber pustaka. Data kekuatan tarik (σu), tegangan luluh (σy), regangan (ɛ), dan
modulus elastisitas (E) didapat dari pengujian tarik. Dari pengujian tersebut didapat
nilai σu sebesar 717,17 MPa, σy sebesar 478,03 MPa, ɛ sebesar 0,179, dan E sebesar
11,97 MPa. Karakteristik pengujan tarik tidak berbeda secara signifikan terhadap
beberapa hasil penelitian dari beberapa pustaka yang ada. Hasil dari pengujian
kekerasan menunjukan nilai rata-rata kekerasan Brinell sebesar 178,27 BHN. Untuk
mendapatkan karakteristik kelelahan baja karbon JIS S45C, pengujian kelelahan
dilakukan dengan menerapkan rasio pembebanan dari 70% hingga 30% kekuatan baja
karbon. Regresi garis digunakan untuk mengevaluasi persebaran data yang diperoleh
dari data pengujian kelelahan. Batas kelelahan (fatigue limit) ditentukan melalui
penentuan regresi garis yang sesuai dengan nilai R-square di atas 0,9. Hasil evaluasi
menunjukan bahwa nilai fatigue limit dari baja karbon JIS S45C sebesar 226 MPa.
Dari hasil perbandingan dengan beberapa pustaka lain, terlihat bahwa tidak semua
jenis logam memiliki karakteristik fatigue limit. Fatigue limit dipengaruhi oleh nilai
rasio tegangan (R), semakin kecil nilai R maka semakin besar nilai fatigue limit. Dari
pengamatan makro, patahan getas terlihat pada rasio pembebanan 70% dari kekuatan
baja karbon dengan indikasi adanya cleavage. Penurunan rasio pembebanan
menunjukan material cenderung memiliki patah ulet. Hal itu terlihat dari adanya
pertumbuhan slip, yang merupakan insiasi awal retakan (crack initiation) di
permukaan penampang spesimen. Selain itu, indikasi karakteristik patahan dapat
dilihat dari diameter patahan yang semakin berkurang dengan menurunnya beban
pada pengujian kelelahan.
Kata kunci : Baja karbon JIS S45C, cleavage, crack initiation, fatigue limit.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
viii
ABSTRACT
The purpose of this research is to investigate mechanical properties of carbon
steel JIS S45C. The Mechanical properties of carbon steel JIS S45C were
investigated by conducting the tensile test, hardness test, fatigue test, and
microstructure observation. All experimental data were then evaluated and compared
with the data from several works of literature. The tensile strength (σu), yield stress
(σy), strain (ɛ), and modulus elasticity (E) were obtained from the tensile test, with a
value of 717,17 MPa, 478,03 MPa, 0,179, and 11,97 MPa, respectively. The hardness
test was obtained by Brinell’s method with 178,27 BHN. The fatigue test was carried
out by varying the load from 70% to 30% of the strength of carbon steel JIS S45C to
evaluate the fatigue characteristics. A regression line was then fitted through the
fatigue data. The result showed that the fatigue limit of carbon steel JIS S45C was
226 MPa, with the R-square value above 0,9. From the results of comparasion with
few literature review, it can be seen not all types of metal have fatigue limit. Fatigue
limit’s value is influenced by stress ratio (R), the smaller value of R, the greater the
value of fatigue limit. From fractography observation, the brittle fractured was
observed at a 70% loading ratio indicated by cleavage existence. The steel tends to
experience plastic deformation with the reduction of fatigue load ratio. It was
indicated by the growth of slip on the fractured specimens. The plastic deformation
could also be indicated by measuring the reduction of fractured diameter.
Keywords : Carbon steel JIS S45C, cleavage, crack initiation, fatigue limit.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
ix
KATA PENGANTAR
Namo Buddhaya,
Terpujilah kepada Sanghyang Adi Buddha, Sang Tri Ratna, dan Boddhisatva-
Mahasatva sehingga skripsi tugas akhir yang berjudul “INVESTIGASI
KARAKTERISTIK MEKANIS BAJA KARBON JIS S45C” dapat berjalan dari awal
hingga akhir dengan lancar. Skripsi tugas akhir ini dibuat guna menjadi syarat
kelulusan untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik di Program Studi Teknik Mesin,
Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma .
Pada kesempatan yang dapat dituliskan ini, penulis menyadari bahwa
pembuatan skripsi tugas akhir masih jauh dari kata sempurna, baik dari segi tata
tulisan, pemilihan diksi kata-kata, maupun pembahasaannya dikarenakan
kurangnya ilmu pengetahuan bagi penulis. Maka dari itu, penulis berharap adanya
kritik, dan saran dalam penulisan pada tugas akhir skripsi ini. Penulis juga menyadari
bahwa banyaknya dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis ingin
menyampaikan rasa apresiasi kepada beberapa pihak :
1. Sudi Mungkasi, Ph.D., selaku dekan Fakultas Sains dan Teknologi
Universitas Sanata Dharma.
2. Budi Setyahandana, S.T., M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin
Universitas Sanata Dharma.
3. Dr.Eng., I Made Wicaksana Ekaputra, M.Eng., selaku dosen pembimbing
yang telah banyak memberi dorongan, kritik, dan saran untuk skripsi tugas
akhir.
4. Bapak Achilleus Hermawan Astyanto, S.T., M.Eng., dan Bapak Wibowo
Kusbandono, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing yang telah banyak
memberikan petunjuk akademik serta non-akademik dari awal hingga akhir
perkuliahan.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
x
5. Papa (馬春風), mama (賴順信), serta keluarga besar 馬 dan 賴 yang banyak
sekali memberi support dan semangat.
6. Teman satu-satunya, dan seperjuangan saat pengambilan data tugas akhir
skripsi, Freddy.
7. Teman-teman kelas C dari awal hingga akhir semester yang selalu bersama,
serta teman-teman saat penjurusan material.
8. Teman-teman dari Universitas Sanata Dharma, Universitas Atma Jaya, dan
Universitas Gadjah Mada, yang tidak bisa disebutkan satu per satu namanya.
9. Segenap dosen, laboran, karyawan, dan staff sekretariat Teknik Mesin,
Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, yang telah banyak
membagikan ilmu serta pengalamannya dari awal hingga akhir perkuliahan.
10. Serta seluruh pihak yang tidak bisa disebutkan satu per satu yang telah
memberikan banyak dukungan dan bantuan.
Dengan segala ketidaksempurnaan dan kekurangan dalam penulisan skripsi
tugas akhir ini, penulis berharap bahwa skripsi tugas akhir dapat menjadi manfaat,
informasi, dan acuan dalam kemajuan penulisan penulisan skripsi tugas akhir
selanjutnya.
Sabbe Satta Bhavantu Sukhitta, Semoga Semua Mahluk Hidup Berbahagia
Sadhu... Sadhu... Sadhu...
Yogyakarta, 18 Mei 2019
Penulis
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xi
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL .................................................................................................... i
HALAMAN JUDUL BAHASA INGGRIS ............................................................... ii
LEMBAR PENGESAHAN ....................................................................................... iii
LEMBAR PERSETUJUAN ...................................................................................... iii
LEMBAR PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI ................................................. v
LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK
KEPENTINGAN AKADEMIS ................................................................................. vi
ABSTRAK ................................................................................................................. vii
ABSTRACT .............................................................................................................. viii
KATA PENGANTAR ................................................................................................ ix
DAFTAR ISI ............................................................................................................... xi
DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ xiv
DAFTAR TABEL ................................................................................................... xvii
BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................ 1
1.1 Latar Belakang ............................................................................................... 1
1.2 Identifikasi Masalah ....................................................................................... 2
1.3 Rumusan Masalah .......................................................................................... 2
1.4 Tujuan Penelitian ............................................................................................ 2
1.5 Batasan Masalah ............................................................................................. 3
1.6 Manfaat Penelitian .......................................................................................... 3
BAB II LANDASAN TEORI ..................................................................................... 4
2.1 Tinjauan Pustaka ............................................................................................ 4
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xii
2.2 Paduan Baja Karbon Sedang .......................................................................... 5
2.3 Uji Tarik ......................................................................................................... 6
2.3.1 Deformasi Elastis .................................................................................... 7
2.3.2 Deformasi Plastis .................................................................................... 8
2.4 Uji kekerasan ................................................................................................ 10
2.5 Pengujian Kekerasan Brinell ........................................................................ 11
2.6 Kegagalan Akibat Kelelahan ........................................................................ 12
2.7 Normalizing .................................................................................................. 17
BAB III METODE PENELITIAN .......................................................................... 18
3.1 Diagram Alir Penelitian ................................................................................ 18
3.2 Alat Penelitian .............................................................................................. 19
3.3 Sample Pengujian ......................................................................................... 23
3.4 Prosedur Penelitian ....................................................................................... 24
3.4.1 Proses Normalizing Material Mentah ................................................... 24
3.4.2 Pembuatan Spesimen Benda Uji ........................................................... 25
3.4.3 Pengujian Tarik ..................................................................................... 27
3.4.4 Pengujian Kelelahan.............................................................................. 28
3.4.5 Uji Kekerasan Brinell ............................................................................ 28
3.4.6 Pengambilan Gambar Struktur Makro dan Mikro ................................ 29
BAB IV HASIL DAN ANALISIS DATA ................................................................ 30
4.1 Pengamatan Struktur Mikro ......................................................................... 30
4.2 Hasil Uji Tarik .............................................................................................. 32
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xiii
4.3 Hasil Uji Fatigue .......................................................................................... 37
4.3.1 Kurva S-N. ............................................................................................ 37
4.3.2 Analisis Struktur Makro (fractography) ............................................... 45
4.4 Hasil Uji Kekerasan ...................................................................................... 48
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .................................................................... 51
5.1 Kesimpulan ................................................................................................... 51
5.2 Saran ............................................................................................................. 52
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ 53
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Diagram fasa besi-karbon (Callister, 2007) .............................................. 6
Gambar 2.2 Skema grafik tegangan regangan pada daerah elastis dengan garis linear
saat pembebanan dan pada saat beban dilepaskan (Callister, 2007) ............................. 9
Gambar 2.3 Kurva tegangan regangan. a) Kurva umum pada material. b) Kurva pada
beberapa Baja yang menunjukan fenomena luluh (Callister, 2007) ........................... 10
Gambar 2.4. Kurva tegangan regangan untuk material getas dan ulet (Dowling, 1993)
..................................................................................................................................... 10
Gambar 2.5 Deformasi Plastis yang terjadi akibat indentor pada uji kekerasan Brinell
(Dowling,1993) ........................................................................................................... 11
Gambar 2.6 Grafik variasi tegangan terhadap waktu. A) Reversed stress cycle.
B)Repeated stress cycle. C)Random stress cycle (Callister, 2007) ............................. 15
Gambar 2.7 Kurva Tegangan terhadap jumlah siklus dalam skala logaritma. A)
Material yang menunjukan adanya Fatigue Limit. B) Material yang tidak menunjukan
adanya Fatigue Limit (Callister, 2007) ....................................................................... 16
Gambar 2.8 Efek dari penghalus butir saat normalizing pada baja karbon 0,5%C . a)
saat terkena canai panas (hot rolling) atau tempa. b) sesudah normalizing (Totten,
2007) ........................................................................................................................... 17
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ............................................................................ 19
Gambar 3.2 Mesin bubut CNC ................................................................................... 20
Gambar 3.3 Alat uji kekerasan Brinell ........................................................................ 20
Gambar 3.4 Mesin uji tarik universal .......................................................................... 21
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xv
Gambar 3.5 Mesin uji kelelahan ................................................................................. 22
Gambar 3.6 Furnace ................................................................................................... 22
Gambar 3.7 Material mentah baja karbon JIS S45C dengan ukuran panjang 20 cm.. 23
Gambar 3.8 Grafik Temperature vs Waktu pada proses normalizing (Dowling, 1993)
..................................................................................................................................... 25
Gambar 3.9 Material mentah baja karbon JIS S45C setelah normalizing .................. 25
Gambar 3.10 Spesimen uji tarik standard ASTM E-8 ................................................ 26
Gambar 3.11 Spesimen uji kelelahan standard ASTM E-466 (ASTM, 2002)............ 27
Gambar 3.12 Dimensi spesimen uji kekerasan ........................................................... 29
Gambar 4.1 Foto struktur mikro baja karbon S45C, setelah normalizing dalam suhu
900oC, etsa Nital 2% (perbesaran 200x) ..................................................................... 31
Gambar 4.2 Foto struktur mikro baja AISI 1045 (Dowling, 1993) ............................ 31
Gambar 4.3 Grafik tegangan regangan baja karbon JIS S45C.................................... 34
Gambar 4.4 Penentuan nilai modulus elastisitas baja karbon JIS S45C ..................... 35
Gambar 4.5 Grafik tegangan regangan tiga jenis stainless steel dengan suhu ruangan
(Morrall dkk., 2018) .................................................................................................... 36
Gambar 4.6 Grafik tegangan regangan tiga jenis baja Fe-Mn-Si-C (K.Y.Lee, 2008) 36
Gambar 4.7 Grafik tegangan regangan baja karbon dua fasa dengan perbedaan
kandungan karbon dan pemasan suhu intercritical (De la Concepción, Lorusso dan
Svoboda, 2015) ........................................................................................................... 37
Gambar 4.8 Kurva S-N baja karbon JIS S45C dalam keadaan normalizing .............. 42
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xvi
Gambar 4.9 Kurva S-N paduan Ti-6Al-4V dengan variasi perbedaan rasio tegangan
(Ono dkk., 2014) ......................................................................................................... 43
Gambar 4.10 Kurva S-N baja AISI 4340 dengan variasi perbedaan perlakuan panas
(Chmelko, Berta dan Margetin, 2019) ........................................................................ 43
Gambar 4.11 Kurvaa S-N baja plat DP600 dengan komparasi literature (Onn, Ahmad
dan Tamin, 2015) ........................................................................................................ 44
Gambar 4.12 Kurva S-N baja baja pipa bor S135 (Luo, Wang dan Zhao, 2013) ....... 44
Gambar 4.13 Foto struktur makro permukaan spesimen fatigue pada beban 287,19
MPa ............................................................................................................................. 46
Gambar 4.14 Foto struktur makro permukaan spesimen fatigue pada beban 359 MPa
..................................................................................................................................... 47
Gambar 4.15 Foto struktur makro permukaan spesimen fatigue pada beban 502 MPa
..................................................................................................................................... 47
Gambar 4.16 Hubungan antara diameter setelah patah terhadap jumlah siklus ......... 48
Gambar 4.17 Grafik hubungan antara nilai rata-rata BHN terhadap diameter indentasi
..................................................................................................................................... 50
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xvii
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Komposisi kimia baja karbon S45C (wt%) (Rifai dkk., 2016) ................... 23
Tabel 3.2 Dimensi spesimen uji tarik .......................................................................... 26
Tabel 3.3 Dimensi spesimen uji kelelahan .................................................................. 27
Tabel 4.1 Hasil uji tarik baja karbon S45C ................................................................. 35
Tabel 4.2 Nilai konstanta parameter regresi dari baja JIS S45C................................. 42
Tabel 4.3 Data uji kekerasan Brinell baja karbon S45C ............................................. 49
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Logam baja karbon sedang memiliki beberapa kelebihan dibandingkan
dengan baja karbon yang lain, diantaranya memiliki kekuatan yang cukup besar untuk
menahan beban tarik, mudah dibentuk, dapat diberi perlakuan panas, serta harganya
yang relatif murah (Totten, 2007). Salah satu jenis material baja karbon sedang
dengan kode JIS S45C atau sering disebut dengan baja struktural banyak digunakan
di dunia perindustrian, terutama di bagian struktur permesinan, gear, dan bagian
untuk aktuator atau sensor, dikarenakan baja karbon JIS S45C mempunyai sifat
permersinan yang baik dan kemampuan las yang baik (Kuo dkk, 2018).
Penurunan dari kualitas sifat mekanis yang menyebabkan terjadinya
kegagalan pada suatu material atau komponen saat terkena beban siklik disebut
dengan fenomena kelelahan (fatigue). Secara umum, fatigue menjadi permasalahan
dalam komponen struktural atau bagian komponen yang bergerak, layaknya, pesawat
terbang di udara, dan otomobil yang sedang berada di jalan. Sekitar 90% dari
komponen permesinan yang sedang bekerja mengalami kegagalan akibat fatigue
(Meyers, Marc André dan Chawla, 1999). Fatigue sendiri sangat berperan terhadap
kerugian ekonomi, seperti pembiayaan penanganan terhadap beban siklik, setidaknya
80% biaya digunakan untuk penangangan dan pencegahan fatigue (Dowling, 1993).
Baja karbon JIS S45C sering kali dijadikan komponen dasar pembuatan
poros engkol (Handoyo, 2015). Banyak komponen dari mesin diesel seperti poros
engkol terkena pembebanan siklik sehingga ada kemungkinan terjadinya kegagalan
akibat fatigue (Ktari, Haddar dan Ayedi, 2011). Dengan adanya variasi pembebanan,
maka kegagalan pada baja karbon JIS S45C akan sulit untuk diprediksi. Maka dari
itu, investigasi mendalam terkait sifat mekanis baja karbon JIS S45C perlu dilakukan
untuk tujuan desain dan pertimbangan keamanan. Penelitian ini difokuskan untuk
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
2
mengevaluasi sifat-sifat mekanis seperti kekuatan tarik, nilai kekerasan, struktur
mikro, serta sifat kelelahan pada baja karbon JIS S45C untuk kemudian
dibandingkan dengan data pengujian pustaka yang ada.
1.2 Identifikasi Masalah
Dari latar belakang di atas, identifikasi masalah yang akan dijadikan bahan
eveluasi penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Karakteristik pembebanan yang bervariasi menyebabkan terjadinya degradasi
sifat mekanis dan menyebabkan ketidakpastian dalam proses desain.
2. Adanya perbedaan hasil pengujian yang diperoleh dari beberapa kajian
pustaka.
1.3 Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah :
1. Bagaimana pengaruh pembebanan terhadap kekuatan tarik, kekerasan, dan
karakteristik kelelahan, baja karbon JIS S45C?
2. Bagaimana pengaruh pembebanan terhadap karakteristik struktur makro dan
mikro baja karbon JIS S45C?
3. Bagaimana perbandingan sifat mekanis hasil pengujian baja karbon JIS S45C
terhadap data yang diperoleh dari hasil kajian pustaka?
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menginvestigasi karakteristik mekanis
baja karbon S45C secara komprehensif melalui pengujian tarik, kekerasan, kelelahan,
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
3
dan pengamatan makro dan mikro, serta komparasi dengan jenis lainnya melalui
kajian pustaka.
1.5 Batasan Masalah
Agar tearah dan sistematis, penulis memberikan batasan masalah sebagai
berikut :
1. Pengujian dilakukan dengan suhu ruangan.
2. Komposisi material dianggap homogen.
3. Rasio pembebanan yang digunakan sebesar 70% sampai dengan 30%
4. Pengujian mekanis yang dilakukan meliputi : pengujian kekerasan Brinell, Uji
tarik, struktur mikro dan uji kelelahan.
1.6 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian dari investigasi sifat mekanis baja karbon JIS S45C
adalah :
1. Memperkaya dan menambah referensi hasil pengujian dengan kondisi
pengujian yang dilakukan.
2. Menjadi referensi untuk pengembangan dan penelitian selanjutnya dalam
lingkup teknik mesin.
3. Sebagai bahan pertimbangan dalam industri agar mendapat kualitas barang
yang lebih baik.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
4
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka
Fenomena kelelahan merupakan performa logam di bawah beban siklik yang
berulang-ulang (Mehdizadeh, McGLASSON dan E.landers, 1966). Aldeeb dan
Abduelmula (2018) menegaskan bahwa kelelahan sering dikatakan sebagai salah satu
penyebab kegagalan utama pada struktur dan komponen logam, dan hal tersebut
merupakan salah satu yang bertanggung jawab pada kegagalan logam. Ditambah,
dengan perkembangan teknologi dan jaman sehingga bertambahnya jumlah
perusahaan industri, sehingga mendorong para peneliti untuk melakukan penelitian
tentang kelelahan pada material.
Terdapat beberapa hasil penelitian mengenai fenomena kelelahan pada logam
beserta variasi-variasi yang telah dilakukan. Penelitian sifat kelelahan baja S135 yang
terkorosi oleh H2S dilakukan oleh (Huang et al., 2017). Pada penelitian tersebut,
diperoleh hasil fatigue limit 104, ketika tegangan yang diaplikasikan sebesar 540
MPa. Penelitian tentang sifat kelelahan pada baja AISI 4130 yang dikenakan upset
welding dan mendapat perlakuan panas Annealing, Quencing, dan Tempering telah
dilakukan oleh (Mollazadeh, Noruzi dan Eskandarzade 2015). Penelitian tersebut
mengatakan bahwa baja AISI 4130 yang mendapat perlakukan Tempering merupakan
baja yang mempunyai nilai Fatigue Limit yang paling tinggi diantara jenis dua variasi
lainnya. Penelitian kelelahan lainnya menggunakan material baja poros DIN
42CrMo4 yang bertakik U dan V akibat beban amplitudo konstan dan beban tiba-tiba.
Pada penelitian tersebut, didapatkan hasil fatigue strength pada beban amplitude
konstan spesimen dengan takik U dan V sebesar 215 MPa dan 225 MPa, lalu hasil
Fatigue Strength pada gabungan beban amplitudo konstan dan beban tiba-tiba sebesar
146 MPa dan 132 MPa (Subarmono dan Sinta, 2014).
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
5
2.2 Paduan Baja Karbon Sedang
Baja karbon merupakan baja yang mempunyai kandungan utama karbon,
kandungan elemen seperti silikon dan aluminium ditambahkan untuk proses
deoxidation dan kandungan mangan dan serium ditambahkan agar mengurangi kadar
sulfur yang berada pada baja karbon (Callister, 2007). Variasi dari komponen karbon
(C) dapat mempengaruhi sifat mekanis, dengan menambahkan komponen C dapat
meningkatkan kekuatan dan kekerasan dari baja tersebut. Baja karbon sedang
mengandung Karbon 0,3 - 0,5% dan kandungan Mangan sekitar 0,6 - 1,65% ketika
digunakan untuk meningkatkan sifat mekanis yang diinginkan (Totten, 2007).
Menurut Callister (2007), besi murni saat pemanasan akan mengalami dua
perubahan di dalam struktur kristal sebelum besi murni tersebut meleleh. Pada
temperature ruangan, fasa yang diperoleh merupakan besi α (ferrite), dan mempunyai
struktur kristal Body Cubic Center (BCC). Ketika ferrite dipanaskan sampai dengan
temperature sebesar 912oC, maka akan mengalami perubahan polymorphic menjadi
besi γ (austenite) yang mempunyai struktur kristal Face Cubic Center (FCC).
Austenite sendiri ketika dipadukan hanya dengan karbon, maka austenite tidak akan
stabil pada suhu dibawah 727oC. Kelarutan maksimum karbon pada austenite sebesar
2,14%, dan hanya terjadi pada suhu 1147oC.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
6
Gambar 0.1 Diagram fasa besi-karbon (Callister, 2007)
2.3 Uji Tarik
Salah satu pengujian mekanis tegangan-regangan yang paling umum
digunakan adalah pengujian tarik. Uji tarik sering digunakan untuk mengetahui sifat
mekanis dari suatu material, dan hal tersebut sangat berguna untuk perancangan
(desain). Spesimen pada uji tarik akan terdeformasi, biasanya sampai patah, dengan
beban tarik uniaksial searah dengan sumbu spesimen dan beban akan bertambah
seiring dengan berjalannya waktu. Data yang didapat dari pengujian tarik berupa
tegangan rekayasa (engineering stress) atau gaya di plot dengan regangan rekayasa
(engineering strain). Karakteristik deformasi bergantung pada ukuran spesimen.
Umumnya pengujian tarik digunakan untuk mengetahui kekuatan dan keuletan suatu
material. Dengan, tegangan rekayasa (σ) didapat dari membagi nilai gaya (F) yang
diberikan terhadap luas penampang (A) sample spesimen, seperti pada persamaan
2.1.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
7
𝜎 =𝐹
𝐴 (2.1)
Dengan F merupakan beban yang diberikan, dan A adalah luas penampang
awal, dalam m2.
Selanjutnya, Engineering Strain (ɛ) dapat dirumuskan :
ɛ =∆𝑙
𝑙𝑜=
𝑙𝑖 − 𝑙𝑜
𝑙𝑜 (2.2)
Dimana lo merupakan panjang awal sebelum adanya beban yang
diaplikasikan, dan li adalah panjang spesimen setelah terkena beban. Seringkali
jumlah dari li – lo didefinisikan sebagai ∆l, dan deformasi elongasi atau perubahan
pada panjang seperti yang dirujuk terhadap panjang awal.
2.3.1 Deformasi Elastis
Ketika suatu material yang diberikan beban, dan material tersebut tidak akan
berubah bentuk ketika beban tersebut dielepaskan kembali, disebut dengan deformasi
elastis (Dowling, 1993). Dimana, tegangan dan regangan biasanya sama
(proporsional). Lekukan (Slope) yang diakibatkan saat beban dilepaskan kembali
pada garis linear yang berada di gambar 2.2 dinamakan dengan modulus elastisitas
(E). Modulus elastisitas (E) didefinisikan sebagai kekakuan atau bisa disebut dengan
daya tahan material saat terjadi deformasi elastis (Callister, 2007). Semakin besar
modulus elastisitasnya maka akan semakin kaku juga material tersebut. E didapat dari
perbandingan tegangan (σ) dengan regangan (ɛ), didapat dari rumus berikut:
𝐸 =𝜎
𝜀 (2.3)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
8
2.3.2 Deformasi Plastis
Deformasi plastis merupakan deformasi yang terjadi ketika suatu material
yang diberikan beban tidak akan kembali seperti semula saat beban tersebut
dilepaskan (Dowling, 1993). Untuk beberapa material logam, deformasi elastis hanya
terjadi pada regangan 0.005. Jika material logam terdeformasi melewati 0.005, maka
tegangan sudah tidak proporsional dengan regangannya dan bersifat permanen yang
berarti tidak bisa kembali seperti semula. Selanjutnya, deformasi plastis pada material
logam tersebut akan terjadi. Perubahan dari daerah elastis menjadi plastis pada
material logam terjadi bertahap, terjadi perubahan pada garis linear grafik tegangan
regangan seiring dengan pertambahan tegangan.
Material pada umumnya hanya dirancang untuk menahan deformasi elastis
ketika suatu beban diaplikasikan. Suatu komponen dan struktur yang telah mengalami
deformasi plastis atau terjadi perubahan bentuk mungkin tidak bisa berfungsi dengan
semestinya. Pada kurva uji tarik terdapat fenomena luluh (yielding), fenomena
dimana deformasi plastis dimulai. Pada logam yang mengalami tingkat transisi dari
elastis menuju ke plastis, titik luluh bisa ditentukan dari titik awal dari garis linear
kurva tegangan-regangan, hal ini biasanya disebut dengan batas proporsional. Titik
proporsional di tunjukan pada gambar 2.3. Maka, dari hal tersebut untuk menentukan
titik luluh harus menarik garis linear offset 0,2% setara dengan daerah elastis.
Bersamaan dengan hal ini, tegangan akan berpotongan dengan garis dan kurva
tegangan-regangan yang tidak linear pada daerah plastis, tegangan ini disebut dengan
tegangan luluh (yield point) σy.
Setelah melewati titik luluh, tegangan yang diberikan akan memaksa material
untuk mengalami deformasi plastis sampai pada titik maksimum. Titik maksimum ini
disebut dengan kekuatan tarik (tensile strength) σu. Pada titik maksimum ini dapat
diartikan sebagai tegangan maksimum yang dapat ditahan pada suatu struktur dalam
tension, jika tegangan ini diaplikasikan dan dipertahankan maka kegagalan pada
material akan terjadi. Namun, pada tegangan maksimum, suatu penyempitan akan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
9
terbentuk pada titik tertentu. Fenomena ini disebut dengan necking, setelah material
tidak mampu menahan beban yang terjadi terus menerus, maka akan mengalami
patah (fracture). Material yang mampu menahan deformasi plastis dalam jumlah
yang cukup banyak disebut dengan material ulet. Sedangkan, material getas disebut
dengan material yang hanya mengalami sedikit deformasi plastis atau tanpa sama
sekali, seperti yang ditunjukan pada gambar 2.4.
Gambar 0.2 Skema grafik tegangan regangan pada daerah elastis dengan garis linear
saat pembebanan dan pada saat beban dilepaskan (Callister, 2007)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
10
Gambar 0.3 Kurva tegangan regangan. a) Kurva umum pada material. b) Kurva pada
beberapa Baja yang menunjukan fenomena luluh (Callister, 2007)
Gambar 0.4. Kurva tegangan regangan untuk material getas dan ulet (Dowling, 1993)
2.4 Uji kekerasan
Pengujian yang digunakan untuk mengukur resistensi terhadap indentasi
disebut dengan pengujian kekerasan (Dowling, 1993). Identasi adalah penekanan
gaya yang diberikan pada spesimen pengujian sehingga terbentuk lekukan (indentasi).
Lekukan hasil injakan indentor yang berada pada spesimen pengujian berupa
deformasi plastis seperti yang ditunjukan pada gambar 2.5. Kedalaman atau ukuran
diameter jejak indentasi yang diukur dapat dikorelasikan dengan angka kekerasan.
Jika material tersebut lunak maka kedalaman dan diameter dari jejak indentasi
tersebut semakin besar, ketika material tersebut bersifat getas maka sebaliknya.
Pengujian kekersan sering dilakukan karena beberapa alasan seperti : pengujiannya
mudah dan simple, serta ada sifat mekanis yang bisa ditentukan dari data pengujian
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
11
kekerasan (seperti kekuatan tarik). Ada beberapa jenis pengujian kekerasan diantara
lain : Brinell, Rockwell, Knoop, dan Vickers.
Gambar 0.5 Deformasi Plastis yang terjadi akibat indentor pada uji kekerasan Brinell
(Dowling,1993)
2.5 Pengujian Kekerasan Brinell
Pada pengujian kekerasan Brinell identor yang digunakan berbentuk bola
dengan diameter 10 mm. Pada material yang cukup keras, seperti baja dan besi cor
digunakan beban penekanan sebesar 3000 kg, dan pada material yang lunak seperti
tembaga dan aluminium hanya digunakan beban penekanan sebesar 500 kg. Apabila
material tersebut bersifat sangat keras, material indentor bola yang digunakan adalah
karbida Tungsten, jika kita tidak menggunakan material yang lebih keras, maka bola
indentor yang akan mengalami deformasi (Dowling, 1993). Angka kekerasan Brinell
(HB) dapat didapat dari membagi nilai beban yang diberikan (P) dalam kilogram,
dengan luas daerah permukaan yang terkenda jejak indentasi, yang berbentuk bola.
Dengan rumus angka kekerasan Brinell ditunjukan pada persamaan (2.4):
𝐻𝐵 = 2𝑃
𝜋𝑃(𝐷 − √𝐷2 − 𝑑2)
(2.4)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
12
2.6 Kegagalan Akibat Kelelahan
Kegagalan merupakan penyebab utama kerusakan yang sering terjadi pada
beberapa macam material. Kegagalan yang disebabkan oleh tegangan yang dinamis
dan berfluktuasi disebut dengan fatigue (Callister, 2007) dan (Ekaputra dkk., 2020).
Umumnya kegagalan yang diakibatkan oleh fatigue mempunyai tegangan yang lebih
rendah dari kekuatan tarik dan kekuatan luluh saat beban statik diaplikasikan. Istilah
fatigue digunakan ketika kegagalan terjadi setelah diberikan tegangan berulang-ulang
dalam beberapa siklus. Setidaknya kurang lebih 90% material seperti logam,
polymers, dan keramik mengalami kegagalan fatigue.
Tegangan yang dapat diberikan berupa tegangan aksial (tension-compression),
bending (flexural), dan torsional (twisting). Pada gambar 2.6.A dapat dilihat bahwa
keadaan awal tidak mengalami tegangan dan pemberian tegangan dimulai dari titik
nol. Dengan seiring berjalannya waktu tengangan mengalami kenaikan yang
diakibatkan oleh tension menjadi σmax dan pada waktu tertentu mengalamin
penurunan yang diakibatkan oleh compression menjadi σmin, pada gambar 2.6.A
disebut dengan grafik sinusoida. Gambar 2.6.B, Tegangan tidak dimulai pada titik nol
akan tetapi dimulai pada titik tertentu tetapi tegangan maksimum dan tegangan
minimumnya relative asimetis pada tegangan di titik nol. Sedangan gambar 2.6.C
mempunyai amplitude dan variasi tengangan yang acak.
Tegangan rata-rata dapat dijelaskan menggunakan rumus :
σm =σmax + σmin
2 (2.5)
Untuk mencari amplitudo tegangan dapat dicari dengan menggunakan rumus :
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
13
σa =σr
2
(2.6)
Dengan jarak tegangan,
𝜎𝑟 = 𝜎𝑚𝑎𝑥 − 𝜎𝑚𝑖𝑛 (2.7)
Dan perbandingan tegangan (stress ratio) yang merupakan perbandingan
antara tegangan minimum dan tegangan maksimum menggunakan rumus :
𝑅 =𝑅𝑚𝑖𝑛
𝑅𝑚𝑎𝑥
(2.8)
Pengujian fatigue biasanya digunakan untuk mengetahui umur suatu material
dan melihat bagaimana efek dari fatigue mempengaruhi suatu material. Hasil yang
diperoleh dari pengujian fatigue biasanya berupa kurva S-N, biasanya kurva ini
digunakan memperlihatkan bagaimana pengaruh tegangan yang dinamis dan
fluktuatif dapat berpengaruh terhadap kegagalan suatu material. Kurva S-N
merupakan sebuah kurva berupa plot tegangan (S) pada sumbu Y dan jumlah siklus
(N) pada sumbu X.
Pada gambar 2.7 diindikasikan semakin besar beban pada tegangannya dan
semakin kecil jumlah siklus yang dihasilkan oleh material maka semakin mampu
material tersebut untuk bertahan sebelum terjadi kegagalan. Pada kurva S-N material
ferrous dan paduan titanium mempunya batas kelelahan (fatigue limit), dibawah garis
fatigue limit tidak akan terjadi kegagalan. fatigue limit dapat ditentukan dengan
melihat garis pada kurva S-N, semakin besar jumlah siklus maka garis kurva S-N
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
14
akan menjadi horizontal yang diilustrasikan pada gambar 2.7.A. Pada kurva S-N
material non-ferrous tidak mempunyai fatigue limit. Semakin besar jumlah siklus
yang dihasilkan maka garis pada kurva S-N tersebut semakin turun. Dengan
demikian kegagalan akan terjadi tanpa memperhatikan beban tegangan tersebut. Pada
gambar 2.7.B ada parameter yang bernama fatigue strength, yang didefinisikan
sebagai tegangan saat kegagalan yang akan terjadi pada jumlah siklus tertentu. Lalu,
ada juga yang dinamakan fatigue life yaitu jumlah siklus yang mengakibatkan
kegagalan pada level tegangan tertentu.
Fatigue terbagi menjadi dua jenis yaitu : fatigue siklus rendah (low cycles
fatigue) (Haryadi, Dewa dan Ekaputra, 2018), (Dewa dkk., 2018), dan (Made
Wicaksana Ekaputra dkk., 2019) dan fatigue siklus tinggi (high cycles fatigue). Pada
material yang terkena pembebanan yang rendah deformasi elastis hanya akan terjadi,
maka dari itu, material tersebut mempunyai siklus yang panjang.
(a)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
15
(b)
(c)
Gambar 0.6 Grafik variasi tegangan terhadap waktu. A) Reversed stress cycle.
B)Repeated stress cycle. C)Random stress cycle (Callister, 2007)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
16
(a)
(b)
Gambar 0.7 Kurva Tegangan terhadap jumlah siklus dalam skala logaritma.
A) Material yang menunjukan adanya Fatigue Limit. B) Material yang tidak
menunjukan adanya Fatigue Limit (Callister, 2007)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
17
2.7 Normalizing
Normalizing merupakan suatu perlakuan panas annealing yang prosesnya
terdiri dari austenisasi pada suhu 30 – 80oC di atas garis perubahan suhu, lalu diikuti
dengan pendinginan yang lambat (umumnya di udara) (Totten, 2007). Tujuan
digunakannya normalizing supaya materialnya mempunyai butir yang halus,
terdistribusi secara merata struktur pearlite-ferrite, seperti pada gambar 2.8.b.
Gambar 0.8 Efek dari penghalus butir saat normalizing pada baja karbon 0,5%C . a)
saat terkena canai panas (hot rolling) atau tempa. b) sesudah normalizing (Totten,
2007)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
18
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian
Penelitian ini menggunakan metodologi eksperimental. Gambar diagram alir
penelitian ditunjukan pada gambar 3.1. Penelitian ini dimulai dengan studi literature,
pembuatan spesimen, preparasi spesimen, keseluruhan pengujian mekanis, setelah
data penelitian didapat maka dilanjutkan dengan analisa data penelitian, ketika data
yang didapat tidak sesuai dengan literature acuan maka dilakukan lagi pengujian
mekanisnya, yang terakhir dilanjutkan dengan penarikan.
Pembuatan Spesimen
Preparasi Spesimen
Pengujian Tarik, Kelelahan, Kerasan, dan
Struktur Mikro
Mulai
Kajian Pustaka
A1
A2
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
19
Gambar 0.1 Diagram alir penelitian
3.2 Alat Penelitian
Pada penelitian ini, digunakan beberapa peralatan yang mendukung penelitian
ini :
1) Mesin Bubut (Headman HCL 300, Taiwan)
Pembuatan spesimen dilakukan dengan menggunakan mesin bubut CNC
(Model: Headman HCL 300 CNC, Taiwan) . Pada penelitian ini putaran
yang digunakan sebesar 1200 rpm, laju pemakanan (feed rate) yang
digunakan sebesar 60 mm/rev, dan pendingin (coolant) yang digunakan
adalah hydro mousse. Gambar mesin bubutr CNC terdapat pada gambar 3.2.
Ya
Kesimpulan
Selesai
Analisa Data Penelitian
dan Kajian Pustaka
Tidak
A1
A2
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
20
Gambar 0.2 Mesin bubut CNC
2) Mesin Uji Kekerasan Brinell
Pengujian kekerasan Brinell dilakukan dengan mesin manual uji kekerasan
Brinell (Model: O.M.A.G. AFFRI, MOD 100MR, ITALY), seperti pada
gambar 3.3. Berfungsi untuk mengambil nilai kekerasan Brinell pada
spesimen baja karbon JIS S45C.
Gambar 0.3 Alat uji kekerasan Brinell
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
21
3) Mesin Uji Tarik Universal
Uji tarik dilakukan dengan mesin uji tarik universal dengan kapasitas 30 ton,
seperti pada gambar 3.4. Mesin uji tarik terhubung dengan komputer dan
monitor yang digunakan untuk menampilkan grafik.
Gambar 0.4 Mesin uji tarik universal
4) Mesin Uji Kelelahan
Jenis mesin uji kelelahan yang digunakan adalah rotary bending (model :
HUNG-TA, Taiwan), seperti pada gambar 3.5. Pengujian dilakukan dengan
putaran sebesar 1800 rpm, dan miliki rasio tegangan (R) sebesar -1. Mesin uji
kelelahan terhubung dengan pencata data berupa monitor kecil.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
22
Gambar 0.5 Mesin uji kelelahan
5) Furnace
Digunakan untuk proses normalizing spesimen baja karbon JIS S45C sebelum
dilakukan pembubutan untuk proses pembuatan spesimen. Furnace
tersambung dengan termokopel di atasnya. Gambar Furnace terdapat pada
gambar 3.6.
Gambar 0.6 Furnace
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
23
3.3 Sample Pengujian
Bahan yang digunakan pada penelitian ini merupakan material baja karbon
sedang seri JIS S45C berbentuk silinder, dengan dimensi 16 mm × 6 m (Diameter ×
Panjang). Kemudian, dipotong-potong menggunakan gerinda menjadi 20 cm, dan
didapat 30 bagian material mentah, seperti pada gambar 3.7. Komposisi kimia dari
baja karbon S45C dapat dilihat pada tabel 3.1.
Tabel 0.1 Komposisi kimia baja karbon S45C (wt%) (Rifai dkk., 2016)
Gambar 0.7 Material mentah baja karbon JIS S45C dengan ukuran panjang 20 cm
C Mn S Si Ni Cr P
0,42 – 0,50 0,50 – 0,80 0,035 maks. 0,17 – 0,37 0,25 maks. 0,25 maks. 0,035 maks.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
24
3.4 Prosedur Penelitian
Prosedur pada penelitian ini adalah perlakuan panas normalizing pada
material mentah baja karbon JIS S45C, pembuatan spesimen benda uji, pengujian
tarik, pengamatan struktur mikro, pengujian kekerasan,dan pengujian kelelahan.
3.4.1 Proses Normalizing Material Mentah
Material mentah baja karbon JIS S45C yang sudah dipotong-potong menjadi
30 bagian harus mendapat proses normalizing. Grafik proses normalizing terdapat
pada gambar 3.8. Awal mula proses normalizing yaitu proses pemanasan (heating)
yang dilakukan sampai melewati garis Ac1, dan harus di atas garis Ac3 sebesar 30 –
80oC. Proses selanjutnya merupakan proses penahanan (holding). Pada penelitian ini,
suhu holding yang digunakan sebesar 900oC. Waktu holding didapat dari persamaan
3.1.
t = 60 + D (3.1)
dengan t merupakan lama waktu holding dalam menit, dan D merupakan
diameter maksimum material mentah dalam millimeter (mm). Dari perhitungan
persamaan 3.1, didapat waktu holding sebesar 76 menit. Setelah selesai, dilakukan
proses pendinginan (cooling) di udara luar. Gambar 3.9 menunjukan bahwa material
mentah sesudah proses normalizing akan ada kotoran pada permukaannya.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
25
Gambar 0.8 Grafik Temperature vs Waktu pada proses normalizing (Dowling, 1993)
Gambar 0.9 Material mentah baja karbon JIS S45C setelah normalizing
3.4.2 Pembuatan Spesimen Benda Uji
Material mentah baja JIS S45C yang sudah di normalizing, material mentah
baja JIS S45C tersebut kemudian dibuat menjadi spesimen benda uji dengan cara
dibubut, pembubutan spesimen benda uji dilakukan di SMK Kristen Pedan (Pedan,
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
26
Klaten). Pembuatan spesimen tidak boleh dilakukan dengan kecepatan putaran yang
besar. Dikarenakan, jika kecepatan putaran yang digunakan saat pembubutan terlalu
cepat, maka fasa bajanya akan berubah menjadi campuran antara besi α dan besi γ
atau kemungkinan hanya besi γ, seperti yang ditunjukan pada gambar 2.1. Akan
tetapi, suatu lapisan putih (white layer) akan terbentuk jika suatu material terkena
permesinan secara thermal yang disebabkan oleh pemanasan yang cepat dan adanya
quenching (Han dkk, 2008). Lapisan putih tersebut tidak terlalu berpengaruh terhadap
sifat mekanis material. Dimensi spesimen benda uji menyesuaikan dengan standard
manual ASTM E-8 untuk pengujian tarik seperti yang ditunjukan pada gambar 3.10
dan pada gambar 3.11 merupakan gambar pengujian kelelahan mengikuti standard
ASTM E-466. Dimensi spesimen yang digunakan pada setiap pengujian di atas,
terdapat pada tabel 3.2 dan 3.3. Kemudian setelah proses pembubutan, masing-
masing spesimen benda uji, dilakukan proses polishing menggunakan autosol.
Gambar 0.10 Spesimen uji tarik standard ASTM E-8
Tabel 0.2 Dimensi spesimen uji tarik
Spesimen benda uji Dimensi spesimen (mm)
Baja Karbon JIS S45C
Do Lo R Dg Lg
8 60 15 12 60
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
27
Gambar 0.11 Spesimen uji kelelahan standard ASTM E-466 (ASTM, 2002)
Tabel 0.3 Dimensi spesimen uji kelelahan
Spesimen benda uji Dimensi spesimen (mm)
Baja Karbon JIS S45C
Do Lo R Dg Lg
8 15,4 15 13 35
3.4.3 Pengujian Tarik
Pengujian tarik dilakukan pada mesin uji tarik universal dengan kapasitas
pembebanan 30 ton. Pembebanan tarik yang digunakan pada spesimen menggunakan
motor listrik. Mesin uji tarik dihubungkan ke peralatan pengambilan data yaitu :
komputer, dan monitor. Sebelum melakukan pengujian tarik, dilakukan pengukuran
diameter menggunakan jangka sorong pada 4 titik pada bagian panjang terukur
(gauge length), dan diambil nilai diameter yang terkecil diantara 4 yang lainnya,
dikarenakan pada bagian tersebut, diasumsikan akan terjadi patahan saat pengujian
berlangsung. Pengujian tarik dilakukan di Laboratorium Pengujian Bahan IST
AKPRIND (Yogyakarta).
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
28
3.4.4 Pengujian Kelelahan
Pada pengujian kelelahan, tahapan awal yang dilakukan saat melakukan
pengujian kelelahan merupakan pengukuran diameter pada 4 titik pada panjang
terukur. Selanjutnya, penentuan rasio pembebanan yang diambil dari nilai kekuatan
tarik spesimen benda uji sebesar 70% dari kekuatan tarik, lalu beban diturunkan
sebesar 10% setiap spesimen. Setelah pengujian selesai dilakukan, maka akan
didapat jumlah siklus dari spesimen pengujian saat patah. Untuk mendapatkan fatigue
limit seperti yang ditunjukan pada gambar 2.7.A, dilakukan menggunakan analisis
regressi (regression analysis). Analisis regressi merupakan suatu ilmu statistik yang
digunakan untuk meneliti dan memodelkan hubungan antara varibel (Douglas, C.
Montgomery Elizabeth, A. Peck G. Geoffrey, 2013). Pada penelitian ini variable Y
(variable terikat) merupakan tegangan yang diberikan, dan jumlah siklus merupakan
variable X (variabel bebas). Lalu, dilakukan penarikan garis fitting yang memiliki
nilai R-square yang mendekati nilai 1.
3.4.5 Uji Kekerasan Brinell
Dimensi spesimen uji kekerasan Brinell dapat dilihat pada gambar 3.12.
Tahapan pertama saat pengujian kekerasan Brinell merupakan preparasi yang dimulai
dari pengamplasan. Pengamplasan pada permukaan spesimen dilakukan
menggunakan kertas amplas sampai permukaan spesimen halus, sejajar, dan rata.
Penggunaan kertas amplas yang digunakan adalah : #800, #1200, #2000, #4000
(dalam mesh). Setelah permukaan halus dan rata, dilanjutkan dengan pemolesan
permukaan dengan menggunakan autosol. Langkah selanjutnya merupakan penentuan
beban penekanan yang sesuai dengan material yang digunakan, penelitian ini
menggunakan paduan baja karbon sedang, beban penekanan yang digunakan sebesar
187,5 kg, dan lama waktu penekanannya sebesar 15 detik. Apabila sudah selesai
melakukan penekanan indentor, akan ada jejak bekas injakan indentor. Selanjutya,
bekas injakan indentor diamati menggunakan mikroskop metallurgi.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
29
Gambar 0.12 Dimensi spesimen uji kekerasan
3.4.6 Pengambilan Gambar Struktur Makro dan Mikro
Pengambilan gambar struktur makro dilakukan menggunakan kamera
handphone (HP). Pengambilan gambar menggunakan perbesaran 2×. Pengambilan
gambar struktur makro digunakan untuk melihat inisiasi retakan akibat slip yang ada
pada permukaan sample spesimen saat patah. Gambar struktur makro juga digunakan
melihat arah patahannya.
Untuk pengambilan gambar struktur mikro, dimensi spesimen yang digunakan
sama seperti pengujian kekerasan. Tahap awal yang adalah melakukan pengamplasan
pada satu sisi permukaan spesimen. Setelah permukaan spesimen terlihat cukup
bersih, maka tahap selanjutnya merupakan pemolesan dengan autosol sampai cukup
mengkilap dan bersih, serta tidak ada goresan. Tahap selanjutnya merupakan,
pemberian larutan etsa pada permukaan yang sudah terkena autosol, dengan cara
direndam dalam larutan Nital 2% selama 45 detik. Setelah itu, pengamatan struktur
mikro dilakukan dengan perbesaran 200x menggunakan lensa okuler HWF 15 × dan
lensa objektif M20/0,4.
Ø = 13 mm
t = 2 cm
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
30
BAB IV
HASIL DAN ANALISIS DATA
Penelitian yang dilakukan mencakup uji tarik, uji kekerasan, uji kelelahan
(fatigue), serta pengamatan struktur makro dan mikro. Awal mula penelitian ini
dilakukan pengujian tarik. Dari pengujian tarik akan didapat hasil kekuatan tarik baja
karbon S45C. Kemudian, penentuan beban awal untuk pengujian fatigue dapat
ditentukan dari kekuatan tarik. Data yang didapat dari pengujian fatigue berupa
persebaran data dari tegangan (stress) dan jumlah siklus (cycles). Data eksperimen
dari uji fatigue diolah dengan menggunakan pendekatan persamaan garis regresi,
untuk mengetahui nilai fatigue limit. Pengujian ketiga, merupakan pengujian
kekerasan secara Brinell. Pada pengujian kekerasan, diambil sepuluh titik, lalu nilai
kekerasan Brinell diolah satu persatu kemudian dirata-rata.
4.1 Pengamatan Struktur Mikro
Pada pengamatan struktur mikro baja karbon S45C, terdapat dua morfologi
luasan yaitu luasan putih ferrite dan luasan hitam pearlite, seperti yang terlihat pada
gambar 4.1. Untuk menentukan kedua jenis morfologi luasan tersebut dilakukan
perbandingan hasil pengamatan struktur mikro baja AISI 1045. Gambar 4.2
menegaskan bahwa, morfologi luasan putih tersebut adalah ferrite dan morfologi
luasan hitam tersebut merupakan pearlite.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
31
Gambar 0.1 Foto struktur mikro baja karbon S45C, setelah normalizing dalam suhu
900oC, etsa Nital 2% (perbesaran 200x)
Gambar 0.2 Foto struktur mikro baja AISI 1045 (Dowling, 1993)
Pearlite
Ferrite
Ferrite
Pearlite
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
32
4.2 Hasil Uji Tarik
Pada penelitian ini, pengujian tarik hanya dilakukan dengan satu spesimen.
Pada awal pengujian tarik, ada fenomena penyesuaian beban yang awal garisnya
tidak linear, dikarenakan tidak adanya extensometer pada mesin uji tarik, seperti
pada gambar 4.3. Sehingga, pengukuran regangan hanya didasarkan pada pengukuran
awal saat sebelum melakukan pengujian tarik, yang diukur memakai jangka sorong.
Analisis awal yang dilakukan pada pengujian tarik, merupakan penarikan garis linear
y = a + bx pada daerah elastis untuk menentukan modulus elastisitas (E), seperti pada
gambar 4.4. Nilai E baja karbon JIS S45C memiliki nilai yang lebih rendah
dibandingkan dengan baja karbon AISI 1018 (Thamir, 2018), dikarenakan pada
mesin uji tarik yang tidak mempunyai extensometer perhitungan regangan (ɛ)
menggunakan perubahan jarak yang terjadi pada crossheads, sehingga hal tersebut
sangat mempengaruhi nilai E. Penentuan tegangan luluh pada baja karbon S45C
seperti gambar 2.3.B, dengan mengambil nilai tegangan pada bagian bawah titik
luluh.
Data uji tarik yang didapat dari penelitian dapat dilihat pada tabel 4.1. Pada
nilai kekuatan tarik yang didapat sebesar 717,17 MPa, nilai ini berbeda dengan
penelitian yang dilakukan oleh Kuo dkk (2018). Pada normalizing sendiri sangat
dipengaruhi oleh beberapa parameter, seperti laju pemanasan, suhu penahanan saat
austenisasi (holding), dan laju pendinginan (Totten, 2007). Dikarenakan, saat proses
normalizing yang dilakukan, furnace yang digunakan tidak bisa diatur suhu untuk laju
pemanasannya, dan suhu saat austenisasi (holding) tidak bisa dipertahankan tetap.
Pada penelitian yang dilakukan oleh Morrall dkk (2018) menyatakan bahwa
baja anti karat (stainless steel) austenite yang dipadukan dengan Zicronium
(MA304LZ) memiliki kekuatan tarik yang lebih tinggi daripada dua jenis stainless
steel (SUS304L, dan SUS316L) yang tidak dipadukan dengan substansi apapun,
seperti pada gambar 4.5. Akan tetapi dengan adanya work hardening pada material
SUS304L, maka nilai kekuatan tariknya tidak terlalu berbeda dengan material
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
33
MA304LZ. Gambar 4.6 menunjukan grafik tegangan regangan tiga jenis paduan baja
Fe-Mn-Si-C, yaitu HS, HC, dan HM. Baja HS merupakan baja yang dijadikan acuan
dengan kandungan Fe-0,15C-1,37Si-1,93Mn, sedangkan baja HC kandungan C
menjadi 0,27%, pada baja HM kandungan Si ditambah menjadi 0,86%. Baja HM
mempunyai nilai kekuatan tarik dan nilai regangan yang relatif rendah, daripada baja
HC dan HS (K.Y.Lee, 2008). De la Concepción, Lorusso dan Svoboda (2015)
membuktikan bahwa baja karbon yang mempunyai dua fasa (dual phase) ditambah
dengan perlakuan panas dengan suhu 740oC dan 750oC memiliki nilai kekuatan tarik
tinggi akan tetapi nilai regangannya sangat rendah, dan hanya terjadi sedikit
deformasi plastis, seperti pada gambar 4.7.
Ada beberapa baja yang memiliki kekuatan tarik yang lebih tinggi daripada
baja karbon JIS S45C, seperti stainless steel MA304LZ, SUS304L (Morrall dkk.,
2018), paduan baja Fe-Mn-Si-C HM, HC (K.Y.Lee, 2008), dan baja karbon S4-74,
S4-80 (De la Concepción, Lorusso dan Svoboda, 2015). Masing-masing dari baja
tersebut mempunyai perbedaan kekuatan tarik yang lebih besar daripada baja karbon
JIS S45C, seperti material baja karbon S4-74, dan S4-80 yang mempunyai kekuatan
tarik yang jauh lebih tinggi, dikarenakan semakin banyak kadar karbon yang dimiliki
oleh baja, maka semakin peka juga baja tersebut terhadap variasi suhu dalam
perlakuan panas (De la Concepción, Lorusso dan Svoboda, 2015). Pada material
MA304LZ, dan SUS304L perbedaan kekuatan tariknya terhadap baja karbon JIS
S45C tidak terlalu signifikan berbeda. Sedangkan baja Fe-Mn-Si-C jenis HM
mempunyai kekuatan tarik yang jauh lebih tinggi daripada baja karbon JIS S45C,
dikarenakan adanya pengurangan kadar Si sebesar 0,86%, dan jenis HC dengan
tambahan kadar C sebesar 0,27% mempunyai kekuatan tarik yang tidak jauh terlalu
signifikan.
Akan tetapi, ada beberapa baja yang mempunyai nilai kekuatan tarik di bawah
baja karbon JIS S45C. Material SUS316L mempunyai nilai kekuatan tarik yang lebih
rendah daripada baja karbon JIS S45C, dikarenakan material SUS316L mempunyai
kadar Si, dan Ni yang lebih tinggi daripada material MA304LZ, dan SUS304L.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
34
Sedangkan baja HS, yang merupakan baja standard Fe-Mn-Si-C mempunyai
kekuatan tarik yang lebih rendah daripada baja karbon JIS S45C, dikarenakan tidak
adanya variasi komposisi.
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.200
100
200
300
400
500
600
700
800
T
eg
an
ga
n (
MP
a)
Regangan
Tegangan
Gambar 0.3 Grafik tegangan regangan baja karbon JIS S45C
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
35
0.00 0.03 0.06
200
400
Te
ga
ng
an
(M
Pa
)
Regangan
Tegangan
Linear Fit of Tegangan
Gambar 0.4 Penentuan nilai modulus elastisitas baja karbon JIS S45C
Tabel 0.1 Hasil uji tarik baja karbon S45C
No σy (MPa) σu (MPa) ɛ E (GPa)
1 478,03 717,17 0,179 11,97
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
36
Gambar 0.5 Grafik tegangan regangan tiga jenis stainless steel dengan suhu ruangan
(Morrall dkk., 2018)
Gambar 0.6 Grafik tegangan regangan tiga jenis baja Fe-Mn-Si-C (K.Y.Lee, 2008)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
37
Gambar 0.7 Grafik tegangan regangan baja karbon dua fasa dengan perbedaan
kandungan karbon dan pemasan suhu intercritical (De la Concepción, Lorusso dan
Svoboda, 2015)
4.3 Hasil Uji Fatigue
4.3.1 Kurva S-N.
Pada gambar 4.8 menunjukan kurva S-N baja karbon JIS S45C pada
amplitude tegangan yang berbeda-beda. Untuk melihat hubungan antara amplitudo
tegangan dengan jumlah siklus dilakukan fitting garis regresi non-linear
menggunakan persamaan eksponensial seperti yang ditunjukan pada persamaan (4.1)
𝑦 = 𝑎[1 − exp (−𝑏𝑥)]𝑐 (4.1)
Dimana y adalah amplitudo tegangan, x adalah jumlah siklus, sedangkan a, b, dan c
merupakan konstanta. Tabel 4.2 menunjukan nilai-nilai dari konstanta parameter
regresi dari persamaan (4.1).
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
38
Pada persebaran data yang ada pada gambar 4.8 ada beberapa titik yang
memiliki tanda anak panah, hal tersebut menunjukan bahwa spesimen tersebut tidak
patah saat pengujian. Ada fenomena fatigue limit (Callister, 2007) yang terjadi pada
sample spesimen, sebesar 226 MPa. Penelitian yang dilakukan oleh Haftirman (2009)
menyatakan bahwa baja karbon JIS S45C dengan diameter 8 mm yang diuji dengan
kelembaban udara laboratorium mempunyai nilai fatigue limit sebesar 400 MPa,
dikarenakan dengan adanya kekasaran permukaan (surface roughness) pada sample
spesimen, hal tersebut dapat mempengaruhi fatigue limit atau fatigue strength (Lai,
Huang dan Buising, 2016) dan (N.A.Alang, N.A.Razak dan A.K.Miskam, 1971).
Ono dkk (2014) melakukan penelitian tentang paduan Ti-6Al-4V. Paduan ini
dibuat dengan penempaan panas (hot forging) pada suhu 1193 K, dengan variasi
perbedaan rasio tegangan (stress ratio) fatigue (R). Para peneliti ini mengatakan
bahwa paduan Ti-6Al-4V dengan pengujian nilai R = -1, mempunyai fatigue strength
yang paling tinggi. Sedangkan pengujian dengan nilai R = 0,01, R = 0,5, dan R = 0,4
– 0,85 mempunyai nilai fatigue strength yang lebih rendah daripada pengujian
dengan nilai R = -1, seperti yang ditunjukan pada gambar 4.9.
Gambar 4.10 menunjukan kurva S-N baja AISI 4340 dengan variasi perlakuan
panas (Chmelko, Berta dan Margetin, 2019). Material A mendapat perlakuan panas
awal (preheating) selama 2:30 dalam suhu 600oC, kemudian dilakukan hardening
pada suhu 870oC dengan rentan 6 menit dan didinginkan dengan air, terakhir
dilakukan tempering dengan suhu 530oC dalam waktu 8:40. Material B tidak
mendapat preaheating, dan mendapat hardening dilakukan pada suhu 890oC dalam
waktu 9 menit, terakhir didinginkan dengan polymer, lalu dilakukan tempering pada
suhu 540oC selama 11 menit, kemudian didinginkan dengan udara (Chmelko, Berta
dan Margetin, 2019). Dapat dilihat pada gambar 4.10, material A memiliki nilai
fatigue strength yang lebih tinggi daripada material B. Chmelko, Berta dan Margetin
(2019) menggunakan persamaan Basquin untuk fitting garis regresi pada gambar
4.10, seperti yang ditunjukan pada persamaan (4.2).
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
39
𝜎𝑎 = 𝜎𝑓′(2𝑁𝑖)
𝑏 (4.2)
Dengan σa merupakan amplitude tegangan, Ni merupakan jumlah siklus sampai patah,
𝜎𝑓′ merupakan koefisin dari fatigue strength, dan b adalah konstanta. Untuk nilai
amplitudo tegangan masing-masing material pada siklus 2×106 saat terjadinya
inisiasi retakan dapat dihitung dari penarikan garis regresi, dan hasilnya dapat dilihat
pada persamaan (4.3) dan (4.4).
𝜎𝑎2×106
= 520 𝑀𝑃𝑎 𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝐴 (4.3)
𝜎𝑎2×106
= 330 𝑀𝑃𝑎 𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝐵 (4.4)
Onn, Ahmad dan Tamin (2015) melakukan penelitian tentang lembar baja seri
DP600, dua fasa ferrite dan martensite, yang terkena perlakuan canai dingin (cold
rolling) sampai menjadi tebal 1,2 mm. Para peneliti ini melakukan komparasi hasil
yang didapat dari penelitian dengan beberapa literature. Pada gambar 4.11
menunjukan kurva S-N baja lembar DP600 dengan komparasi dua literature. Untuk
penentuan garis di kurva S-N, para peneliti ini melakukan fitting garis regresi pada
siklus 1,3×104 sampai dengan 106, dengan menggunakan persamaan Basquin, seperti
pada persamaan (4.5)
𝑁𝑓 = (𝑆𝑎
𝑆𝑓′)
−1𝑏
(4.5)
Dengan Nf merupakan jumlah siklus, Sa merupakan Amplitudo tegangan, 𝑆𝑓′
merupakan fatigue strength, dan b adalah parameter material. Dengan nilai 𝑆𝑓′ dan b
adalah 921,2 MPa dan 0,093. Fitting fatigue limit pada daerah high cycles fatigue
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
40
baja lembar DP600 menggunakan skala log-life yang berbeda, seperti pada gambar
4.11. Dari hasil komparasi yang dilakukan, terlihat bahwa nilai fatigue limit sebesar
255 Mpa didapat oleh penelitian Onn, Ahmad dan Tamin (2015). Nilai fatigue limit
tersebut lebih rendah daripada komparasi yang dilakukan.
Sedangkan penelitian yang dilakukan oleh Luo, Wang and Zhao (2013)
menyatakan bahwa performa fatigue baja pipa bor (drill pipe steel) S135 dengan
beban tarik-tekan mempunyai nilai fatigue life yang lebih dari 105 saat beban 650
MPa diaplikasikan. Para peneliti ini mengatakan bahwa fitting garis regresi didapat
dari teori regangan fatigue, seperti pada persamaan (4.6 )
𝑁-𝑓 = 𝐴(Sa − Sc)−2 (4.6)
Dengan A merupakan koeifisien resistansi fatigue, dan Sc adalah fatigue limit. Ketika
nilai Sa > Sc, fatigue life mempunyai nilai terbatas. Sedangkan ketika nilai Sa ≤ Sc,
fatigue life akan mempunyai nilai tidak terbatas. Untuk mendapatkan nilai fatigue life
pada drill pipe steel, Luo, Wang and Zhao (2013) menggunakan transformasi
logaritma pada persamaan (4.6) untuk analisis regresi di software komputer, dan
menjadikannya seperti persamaan (4.7).
lg 𝑁-𝑓 = lg 𝐴 − 2 lg(Sa − Sc) (4.6)
Ketika fitting regresi dilakukan, parameter dari analisis fitting regresi yang dilakukan
mempunyai nilai : dengan A sebesar 4,64 × 108, Sc sebesar 577,9 MPa, koefisien
korelasi r sebesar -0,9588, dan nilai standar deviasi S sebesar 0,2985.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
41
Berdasarkan pernyataan para peneliti di atas, ada perbedaan penggunaan
persamaan yang digunakan untuk fitting garis regresi. Penelitian yang dilakukan oleh
Chmelko, Berta dan Margetin (2019) menggunakan persamaan garis lurus (Basquin)
untuk melakukan fitting garis regresi, dan digunakan untuk menemukan fatigue
strength pada siklus 2 × 106 , dan masing-masing nilai fatigue strength dari material
A dan B dapat dilihat pada persamaan (4.3) dan (4.4). Hasil dari fitting garis regresi
terdapat pada gambar 4.10, dengan tidak adanya fenomena fatigue limit, sehingga hal
tersebeut cukup membedakan dengan kurva S-N dari hasil eksperimen baja karbon
JIS S45C. Onn, Ahmad dan Tamin (2015) melakukan fitting garis regresi
menggunakan persamaan Basquin, yang digunakan untuk mendapatkan fatigue life.
Akan tetapi hasil dari fitting garis regresi oleh Onn, Ahmad dan Tamin (2015)
terdapat fenomena fatigue limit, seperti pada gambar 4.11. Hal tersebut, tidak berbeda
dengan adanya fenomena fatigue limit dari hasil eksperimen. Yang membedakan hasil
eksperimen dan penelitian yang dilakukan oleh Onn, Ahmad dan Tamin (2015) dan
Chmelko, Berta dan Margetin (2019) hanyalah penggunaan persamaan untuk fitting
garis regresi. Baja plat DP600 mempunyai nilai fatigue limit yang lebih tinggi
daripada baja karbon JIS S45C. Sedangkan hasil fitting garis regresi yang digunakan
oleh Luo, Wang dan Zhao (2013) menggunakan teori regangan fatigue. Hal ini
digunakan untuk mencari nilai fatigue life baja pipa bor. Gambar 4.12 yang
merupakan hasil dari fitting garis regresi memperlihatkan tidak adanya fenomena
fatigue limit. Hal ini berbeda dengan hasil eksperimental.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
42
1000 10000 100000 1000000 1E7 1E8
200
300
400
500
Amplitudo Tegangan
Chapman Fit of Sheet1 StressA
mp
litu
do
Te
ga
ng
an
(M
Pa
)
Siklus (N)
Gambar 0.8 Kurva S-N baja karbon JIS S45C dalam keadaan normalizing
Tabel 0.2 Nilai konstanta parameter regresi dari baja JIS S45C
Spesimen a b c
JIS S45C 226,01595 2,55809 × 10-7 -0,09482
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
43
Gambar 0.9 Kurva S-N paduan Ti-6Al-4V dengan variasi perbedaan rasio tegangan
(Ono dkk., 2014)
Gambar 0.10 Kurva S-N baja AISI 4340 dengan variasi perbedaan perlakuan panas
(Chmelko, Berta dan Margetin, 2019)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
44
Gambar 0.11 Kurvaa S-N baja plat DP600 dengan komparasi literature (Onn, Ahmad
dan Tamin, 2015)
Gambar 0.12 Kurva S-N baja baja pipa bor S135 (Luo, Wang dan Zhao, 2013)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
45
4.3.2 Analisis Struktur Makro (fractography)
Stuktur makro pada daerah patahan fatigue dibagi menjadi tiga bagian yaitu :
insiasi awal retakan (crack iniation), daerah perambatan patah (crack propagation),
dan daerah patahan akhir (final fracture) dari spesimen fatigue (Sachs, 2005). Inisiasi
awal retakan dikarenakan adanya slip yang diakibatkan oleh beban fluktuatif (Becker
dan Lampman, 2018), seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.13.
Inisiasi awal retakan umumnya berada di daerah permukaan yang berbeda
dengan daerah patahan akhir. Lalu, dengan terus menerus retakan awal akan
merambat ke daerah yang lainnya. Setelah beberapa saat, dengan adanya fatigue step
yang timbul di daerah permbatan retak. Dengan adanya retakan awal yang merambat
ke bagian fatigue step, maka fatigue step tersebut akan menjadi retakan fatigue. Pada
gambar 4.13, daerah patahan akhir umumnya berwana lebih gelap daripada daerah
inisiasi retakan awal. Pada beberapa sample spesimen, daerah patahan akhir ada yang
berada di tengah dengan warna gelap.
Pada sample spesimen yang terkena beban yang paling besar, terlihat bahwa
hampir tidak adanya ratchet marks yang diakibatkan oleh deformasi plastis dari slip.
Dengan adanya ratchet marks yang berada di sekitar permukaan sample spesimen,
hal tersebut mengindikasikan inisiasi retakan terjadi di beberapa lokasi permukaan
spesimen (Sachs, 2005) dan masing-masing dari ratchet marks menyebabkan
terjadinya daerah patahan tersendiri(Campbell,F, 1996), seperti pada gambar 4.14.
Sedangkan, pada gambar 4.15 terlihat bahwa patahan yang diakibatkan oleh beban
yang besar berbentuk cleavage. Pada umumnya cleavage terlihat lebih mengkilap
(Callister, 2007). Sedangkan pada beban yang lebih rendah, terlihat bahwa banyaknya
ratchet mark yang terbentuk. Hal tersebut menandakan bahwa ratchet mark
bergantung pada waktu, sehingga semakin banyak jumlah siklusnya maka ratchet
mark akan semakin bertambah banyak (Phung et al., 2013) .
Gambar 4.16 merupakan grafik persebaran data diameter setelah patah
terhadap jumlah siklus. Grafik tersebut menjelaskan diameter sebelum patah dan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
46
setelah patah berbeda, dan hal tersebut dipengaruhi oleh jumlah siklus. Pada gambar
4.16, persebaran data diameter setelah patah yang didapat sangat acak, dikarenakan
diameter setiap sample spesimen berbeda. Dapat dikatakan bahwa saat material ulet
patah, maka material tersebut mengalami pengurangan diameter yang cukup
signifikan. Material getas berbanding terbalik dengan material ulet, yang patahnya
tidak mengalami atau hanya sedikit terjadi pengurangan pada diameter. Pada beban
502 MPa yang merupakan beban paling tinggi, terjadi penurunan diameter sebesar
0,15 mm yang awalnya sebesar 7,90 mm dan 7,85 mm. Hal tersebut menunjukan
bahwa spesimen yang terkena beban beban 502 MPa terjadi patah getas. Sedangkan
pada spesimen yang terkena beban sebesar 297,96 MPa terjadi patah ulet, dengan
nilai awal diameter sebesar 8 mm, dan setelah patah menjadi sebesar 7,6 mm.
Gambar 0.13 Foto struktur makro permukaan spesimen fatigue pada beban 287,19
MPa
Insiasi Retakan Perambatan Retakan
Patahan Akhir
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
47
Gambar 0.14 Foto struktur makro permukaan spesimen fatigue pada beban 359 MPa
Gambar 0.15 Foto struktur makro permukaan spesimen fatigue pada beban 502 MPa
Ratchet Marks
Ratchet Marks
Ratchet Marks
Cleavage
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
48
100 1000 10000 100000 10000006.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
Diameter Setelah Patah
Dia
me
ter
Se
tela
h P
ata
h (
mm
)
Siklus (N)
Gambar 0.16 Hubungan antara diameter setelah patah terhadap jumlah siklus
4.4 Hasil Uji Kekerasan
Uji kekerasan dilakukan dengan menggunakan standard ASTM E-10 (ASTM
E10-15 International, 2010). Pada penelitian ini penekanan yang dilakukan sebanyak
sepuluh kali, seperti yang ada pada tabel 4.4. Dari data hasil pengujian kekerasan
Brinell, dapat dilihat bahwa baja karbon S45C mempunyai nilai kekerasan yang tidak
jauh berbeda satu sama lain. Sehingga, persebaran data lebih kecil. Hal ini bisa dilihat
bahwa nilai standard deviasi yang didapat sebesar 4,56. ASTM E-10
merekomendasikan bahwa suatu material yang diuji menggunakan diameter indentor
sebesar 2,5 mm dan beban sebesar 187,5 mempunyai nilai Angka Kekerasan Brinell
(BHN) diantara 95,5 – 650 BHN (ASTM E10-15 International, 2010). Pada
penelitian ini, nilai rata-rata Angka Kekerasan Brinell (BHN) kekerasan yang didapat
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
49
sebesar 178,27 BHN, yang berarti nilai tersebut masuk dalam kategori yang
direkomendasikan oleh ASTM E-10 (ASTM E10-15 International, 2010). Hubungan
antara angka kekerasan Brinell terhadap diameter terdapat pada gambar 4.17.
Tabel 0.3 Data uji kekerasan Brinell baja karbon S45C
No Gaya
(kg)
Diameter Indentor
(mm)
Diameter Indentasi
(mm)
Angka Kekerasan Brinell
(BHN)
1 187,5 2,5 1,1 187,23
2 187,5 2,5 1,14 173,59
3 187,5 2,5 1,12 180,23
4 187,5 2,5 1,12 180,23
5 187,5 2,5 1,12 180,23
6 187,5 2,5 1,14 173,59
7 187,5 2,5 1,12 180,23
8 187,5 2,5 1,14 173,59
9 187,5 2,5 1,14 173,59
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
50
10 187,5 2,5 1,12 180,23
Nilai Rata-Rata Angka Kekerasan Brinell 178,27
Standard Deviasi 4,56
1.10 1.11 1.12 1.13 1.140
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Nila
i B
HN
Diameter Indentasi (mm)
Nilai BHN
Gambar 0.17 Grafik hubungan antara nilai rata-rata BHN terhadap diameter indentasi
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
51
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dari investigasi pengujian mekanis baja karbon JIS S45C, diperoleh beberapa
hasil:
1. Baja karbon JIS S45C mempunyai nilai σy 478,03 MPa, σu sebesar 717,17
MPa, dan E sebesar 11,97 GPa. Dengan nilai rata-rata kekerasan baja karbon
JIS S45C sebesar 178,27 BHN.
2. Dari hasil kajian pustaka, nilai kekuatan tarik baja karbon JIS S45C umumnya
lebih rendah daripada data-data yang ada dari kajian pustaka.
3. Baja karbon JIS S45C mempunyai nilai fatigue limit sebesar 226 MPa. Kajian
pustaka menunjukan bahwa, nilai fatigue limit yang dimiliki baja karbon JIS
S45C lebih rendah daripada data dari kajian pustaka, akan tetapi ada beberapa
tidak adanya fenomena fatigue limit yang ada pada data kajian pustaka.
4. Terdapat tiga daerah patah fatigue yaitu: insiasi retakan awal (crack
initiation), perambatan retakan (crack propagation), dan daerah patahan akhir
(final fracture).
5. Dari foto struktur makro beban 502 MPa terjadi patah getas, dengan adanya
cleavage, sedangkan pada beban 359 MPa insiasi retakan awal dimulai
dengan adanya slip yang lebih dari satu. Patah ulet umumnya teridentifikasi
dengan adanya slip.
6. Pada sample spesimen yang terjadi patah getas, adanya pengurangan diameter,
akan tetapi sample spesimen yang mengalami patah ulet terjadi pengurangan
diameter yang cukup signifikan daripada yang patah getas.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
52
5.2 Saran
1. Untuk pengujian selanjutnya dapat dilakukan penambahan perlakuan
pelapisan (surface treatments), atau perlakuan mekanis berupa shot peening
untuk mengetahui karateristik lelahnya.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
53
DAFTAR PUSTAKA
Aldeeb, T. and Abduelmula, M. (2018) ‘Fatigue Strength of S275 Mild Steel under
Cyclic Loading’, (October).
ASTM (2002) ‘Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant
Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials’, Test, 03, pp. 4–8. doi:
10.1520/E0466-07.2.
ASTM E10-15 International (2010) ‘Standard Test Method for Brinell Hardness of
Metallic Materials’, (C), pp. 1–32. doi: 10.1520/E0010-10.2.
Becker, W. T. and Lampman, S. (2018) ‘Fracture Appearance and Mechanisms of
Deformation and Fracture’, Failure Analysis and Prevention, pp. 559–586. doi:
10.31399/asm.hb.v11.a0003537.
Callister, W. D. (2007) Materials Science and Engineering 7th Ed. : An Introduction,
John Wiley & Sons, Inc. doi: 10.1007/BF01184995.
Campbell,F, C. (1996) ASM handbook. Volume 19, Fatigue and fracture. Materials
Park, Ohio : ASM International, c1996. Available at:
https://search.library.wisc.edu/catalog/9984110543602122.
Chmelko, V., Berta, I. and Margetin, M. (2019) ‘Influence of Heat Treatment Process
to the Fatigue Properties of High Strength Steel’, in Correia, J. A. F. O. et al. (eds).
Cham: Springer International Publishing, pp. 35–40. doi: 10.1007/978-3-030-13980-
3_5.
Dewa, R. T. et al. (2018) ‘A review of low-cycle fatigue of Alloy 617 for use in
VHTR components: Experimental outlook’, MATEC Web of Conferences, 159, pp. 1–
6. doi: 10.1051/matecconf/201815902049.
Douglas, C. Montgomery Elizabeth, A. Peck G. Geoffrey, V. (2013) ‘Introduction to
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
54
Linear Regression Analysis’, International Statistical Review, 81. doi:
10.1111/insr.12020_10.
Dowling, N. E. (1993) Mechanical behavior of materials : engineering methods for
deformation, fracture, and fatigue. Englewood Cliffs, N.J. : Prentice Hall, [1993]
©1993. Available at: https://search.library.wisc.edu/catalog/999708920502121.
Ekaputra, I. M. W. et al. (2020) ‘Fatigue Strength Analysis of S34MnV Steel by
Accelerated Staircase Test’, Open Engineering, 10(1), pp. 394–400. doi:
10.1515/eng-2020-0048.
Haftirman (2009) ‘The Size Effect on Fatigue Strength of Structural Steel Materials
in High-humidity Environment’, (October), pp. 11–13.
Han, S. et al. (2008) ‘White layer formation due to phase transformation in
orthogonal machining of AISI 1045 annealed steel’, Materials Science and
Engineering A, 488(1–2), pp. 195–204. doi: 10.1016/j.msea.2007.11.081.
Handoyo, Y. (2015) ‘Pengaruh Quenching Dan Tempering Pada Baja JIS Grade
S45C Terhadap Sifat Mekanis Dan Struktur Mikro Crankshaft’, Jurnal Ilmiah Teknik
Mesin Unisma ‘45’ Bekasi, 3(2), p. 97782.
Haryadi, G. D., Dewa, R. T. and Ekaputra, I. M. W. (2018) ‘Fatigue crack growth and
probability assessment for transverse tig welded aluminum alloy 6013-T4’, Journal
of Theoretical and Applied Mechanics (Poland), 56(1), pp. 179–190. doi:
10.15632/jtam-pl.56.1.179.
Huang, B. et al. (2017) ‘Influence of H 2 S Corrosion on Rotating Bending Fatigue
Properties of S135 Drill Pipe Steel’, Transactions of the Indian Institute of Metals.
Springer India. doi: 10.1007/s12666-017-1135-5.
K.Y.Lee (2008) ‘TENSILE PROPERTIES OF DIFFERENT CHEMICAL
COMPOSITIONS FOR TRIP-ASSISTED MULTIPHASE STEEL FOR
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
55
AUTOMOBILE STRUCTURES’, International Journal of …, 9(2), pp. 87–93. doi:
10.1007/s12239.
Ktari, A., Haddar, N. and Ayedi, H. F. (2011) ‘Fatigue fracture expertise of train
engine crankshafts’, Engineering Failure Analysis. Elsevier Ltd, 18(3), pp. 1085–
1093. doi: 10.1016/j.engfailanal.2011.02.007.
Kuo, C. G. et al. (2018) ‘Welding microstructure and tensile properties of s45c
carbon steel’, Sensors and Materials, 30(3), pp. 675–681. doi:
10.18494/SAM.2018.1826.
de la Concepción, V. L., Lorusso, H. N. and Svoboda, H. G. (2015) ‘Effect of Carbon
Content on Microstructure and Mechanical Properties of Dual Phase Steels’,
Procedia Materials Science. Elsevier B.V., 8, pp. 1047–1056. doi:
10.1016/j.mspro.2015.04.167.
Lai, J., Huang, H. and Buising, W. (2016) ‘Effects of microstructure and surface
roughness on the fatigue strength of high-strength steels’, Procedia Structural
Integrity. Elsevier B.V., 2, pp. 1213–1220. doi: 10.1016/j.prostr.2016.06.155.
Luo, S. J., Wang, R. and Zhao, K. (2013) ‘Investigations of fatigue performance of
S135 drill pipe steel under uniaxial loading’, Advanced Materials Research, 716, pp.
418–422. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.716.418.
Made Wicaksana Ekaputra, I. et al. (2019) ‘Probabilistic evaluation of fatigue crack
growth rate for longitudinal tungsten inert gas welded al 6013-T4 under various
postweld heat treatment conditions’, E3S Web of Conferences, 130. doi:
10.1051/e3sconf/201913001016.
Mehdizadeh, P., McGLASSON, R. L. and E.landers, J. (1966) Corrosion Fatigue
Performance of a Carbon Steel in Brine Containing Air, H 2 S and CO 2, Corrosion.
doi: 10.5006/0010-9312-22.12.325.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
56
Meyers, Marc André and Chawla, K. K. (1999) Mechanical Behavior of Materials,
Prentice-Hall. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. Available at:
http://cds.cern.ch/record/456488.
Mollazadeh, H., Noruzi, R. and Eskandarzade, M. (2015) ‘A STUDY OF FATIGUE
PROPERTIES OF STEEL AISI4130 ( 30KhMF ) AFTER UPSET WELDING’, 57,
pp. 52–56.
Morrall, D. et al. (2018) ‘Tensile properties of mechanically alloyed Zr added
austenitic stainless steel’, Nuclear Materials and Energy. Elsevier, 15(December
2017), pp. 92–96. doi: 10.1016/j.nme.2018.03.002.
N.A.Alang, N.A.Razak and A.K.Miskam (1971) ‘Effect of Surface Roughness on
Fatigue Life of Notched Carbon Steel’, Journal of Chronic Diseases, 23(10–11), pp.
723–754. doi: 10.1016/0021-9681(71)90005-1.
Onn, I. H., Ahmad, N. and Tamin, M. N. (2015) ‘Fatigue characteristics of dual-
phase steel sheets’, Journal of Mechanical Science and Technology, 29(1), pp. 51–57.
doi: 10.1007/s12206-014-1208-x.
Ono, Y. et al. (2014) ‘Effect of stress ratio on high-cycle fatigue properties of Ti-6Al-
4V ELI alloy forging at low temperature’, AIP Conference Proceedings, 1574
60(January 2014), pp. 23–26. doi: 10.1063/1.4860599.
Phung, N. L. et al. (2013) ‘Very High Cycle Fatigue for single phase ductile
materials: Slip band appearance criterion’, Procedia Engineering. Elsevier B.V., 66,
pp. 615–625. doi: 10.1016/j.proeng.2013.12.113.
Rifai, D. et al. (2016) ‘Subsurface defects evaluation using eddy current testing’,
Indian Journal of Science and Technology, 9(9). doi: 10.17485/ijst/2016/v9i9/88724.
Sachs, N. W. (2005) ‘Understanding the surface features of fatigue fractures: How
they describe the failure cause and the failure history’, Journal of Failure Analysis
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
57
and Prevention, 5(2), pp. 11–15. doi: 10.1361/15477020522924.
Subarmono and Sinta, A. (2014) ‘KARAKTERISTIK LELAH BAJA POROS DIN
42CrMo4 BERTAKIK U DAN V AKIBAT BEBAN AMPLITUDO KONSTAN
DAN BEBAN TIBA-TIBA’, pp. 159–164.
Thamir, H. Y. (2018) ‘Structure-Properties Relationships in Heat Treated Low
Carbon Steel’, Al-Qadisiyah Journal for Engineering Sciences, 10(4). doi:
10.30772/qjes.v10i4.496.
Totten, G. E. (2007) ‘Steel heat treatment : metallurgy and technologies’. Boca
Raton, FL: Taylor & Francis. Available at:
http://www.crcnetbase.com/isbn/9780849384554.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI