Eva/uasi Perambatan Retak Mikro Pada Pembebanan Tarik-Tekan don Torsi (H. Agus Suhartono 14 -17)

EV ALUASI PERAMBA TAN RET AK MIKROP ADA PEMBEBANAN T ARIK- TEKAN DAN TORSI

H. Agus SuhartonoUPT LUK BPP1; Bidang Penglljian Mal£'riul

Kawa.\'an Pu.\'piplek. ,flerpong, Tanf(eranf( /53/-1. lJ,m/l'/1

ABSTRAK

EV ALUASI PERAMBA T AN RET AK MIKRO PADA PEMBEBANAN T ARIK- TEKAN DAN TORSI. Karnktcristik

perambatan retak mikro pada pembebanan aksial dan torsi dipcriksa dcngan mcnggunakan mikroskop optik dan S,'unnin.l,'

Electron Microscope. Pcnclitian dilakukan tcrhadap paduan I\lumunium I\IMgSi. Pcrhitungan distribusi rctak mikro dilakukan

untuk menentukan karaktcristik pembentukan dan perambatan rctak pada pembcbanan dinamis. Perambatan rctak mikro dianalisis

menggunakan hukum-hukum mekanika dengan mempertimbangkan beban yang terjadi pada bahan. Pcrambatan retak mikro y,mgdominan ditemukan paralel terhadap arah tegangan geser.

ABSTRACT

MICRO CRACK GROWTH EV ALVA TION ON THE AXIAL AND TORSIONAL LOADING. The gro\\1h charac-

teristics of short fatigue cracks of the AIMgSi specimen under axial loading and torsion loading were investigated \,'jth optical

microscope and Scanning Electron Microscope. A distribution counting of micro crack orientations is performed to determine till:

nature of micro cracks under dynamics loading. The micro cracks growth is analyzcd using mcchanics rulc depending on till:

applied loading, Crack initiations in slip plane parallel to the shear stress direction proved to he the dominant mechanisms of

crack growth

1. PENDAHULUAN

Akurasi perhitungan umur operasi suatu mate-

rial/komponen masih belum memuaskan. Hal ini

disebabkan oleh kurangnya pengetahuan tentangmekanisme kerusakan bahan akibat bcban dinamis. Bila

kita membandingkan penyimpangan hasil perhitungan

dan metoda peramalan umur, maka timbul penyimpangan

besar hila terjadi efek urutan pembebanan tarik/tekan-

torsi atau torsi-tarik/tekan [I].

Evaluasi terhadap pembentukan dan perambatanretak mikro dilaksanakan terhadap paduan Alumunium

AIMgSi untuk mendapatkan deskripsi yang lebih baik

tentang proses kerusakan pada pembebanan tarik dantorsi. Dengan perbaikan pemahaman terhadap proses

kerusakan maka diharapkan ketepatan peramalan umur

kerja suatu bahan atau komponen dapat diperbaiki.

Logam terbentuk dalam susunan kristal padat.

Atom-atomnya tersusun dalam satu susunan ruang yangteratur. Perbedaan dalam susunan kristal terletak pad a

bentuk dan hubungan an tar masing-masing atom.

Keteraturan letak atom mem bentuk suatu struktur kristal.

Struktur sederhana yang menggambarkan struktur kristaladalah sel kristal. Beberapa sifat mekanis seperti

kemampuan perubahan bentuk, perambatan rctak dapatditelusuri dari bentuk set kristal tunggal ini. Dalam satuset kristal tunggal jarak antar atom pada berbagai arah

berbeda-beda. Sebagai contoh pada logam alumunium,

jarak terjauh terdapat pada diagonal ruang dan jarak

terdekat tcrdapat pada diagonal muka. Scdang pada bc~i

bajajarak terjauh pad a diagonal muka danjarak tcrdckilt

terdapat pada diagonal ruang. Perbedaan jarak atomtersebut mengakibatkan scbagian sifat logam tcrgantungdari arah [2], tetapi logam teknik umumnya terdiri dari

banyak kristal.

Pergerakan dislokasi tidak memiliki kemungkinanyang sarna ke segala arah. Pergcscran hanya tcrjadi pada

bidang yang memiliki atom paling parlato Pada logam bcsi

terdapat 4 bidang geser yang mcmiliki rapat atom tcrpadat.

Sedangkan pada logam alumunium terdapat 4 bidanggeser dengan 3 arab, sehingga terdapat 12 buah sistem

geser [3]. Pada bahan polikristalin setiap butir memilikisistem geser tersendiri, seh ingga pada saat terjadi

pergeseran hanya pad a beberapa butir yang memilikiorientasi yang paling menguntungkan.

Batas butir berpengaruh dalam mcnghambat

pergerakan dislokasi. Bila dalam butir yang memiliki

orientasi yang menguntungkan tcrcapai tegangan gcserkritis dislokasi dapat bergerak hinggu batas butir. Bila

tegangan geser meningkat hingga tingkat tcrtcntu makahambatan batas butir ini dapat dilewati. Untuk

menerangkan perambatan retak mclcwati batas blltir inibcberapa model dikembangkan lihat Gambar I. Hall danretch menyampaikan bahwa batas butir di ujung rl:tilk

dapat te~buka Gambar I a. Cotrell menyampaikan bah\,'a

plastisitas ke butir tetangga tcrjadi bila konscntra~i

14

J. Mikroskopi dan Mikroanalisis VoL3 No.2 2000ISSN 1410-5594

tegangan yang dlakibatkan pemampatan dislokasimemiliki jarak r dari sumber dislokasi Q diaktitKanGambar 1 b. Menurut Gambar I c dinyatakan bahwa batasbutir dapat berfungsi sebagai sumber dislokasi [3].

Gambar 2. Mikrostruktur paduan AIMgSi

Untuk mengamati perambatan retak padapermukaan benda uji, maka benda uji diamati dan difotodi bawah mikroskop setelah siklus pembebanan tertentu.Titik pengamatan pada benda uji dibuat sedemikian rupasehingga dapat ditemukan kembali pada pemeriksaanmikroskopi setelah pembebanan berikutnya.

Jumlah dan orientasi retak pada hasil Col\!mikroskop permukaan benda uji tersebut dievaluasiuntuk mengetahui karakteristik perambatan rctak padaberbagai pembebanan. Pengamatan dilakukan padajcnispembebanan yang berbeda. sehingga pengaruh jenispembebanan dapat diamati.

3. BASIL PENGUJIANGambar I. Model perambatan retak yang melintasi butir L' -diameter butir, r -jarak antara bundal dislokasi dan sumbcrdislokasi. Q -sumber dislokasi [3]

2. PENGUJIAN

Pengamatan retak mikro dilakukan pada bebel:apalokasi benda uji dengan pengambilan data berupapanjang retak dan orientasi retak. Pada Gambar 3 secara

exemplari.\' diperlihatkan foto mikroskopi permukaanbend a uji AIMgSi setelah pembebanan tarik/tekan.

Pengambilan foto ini merupakan dasar untuk perhitungan

jumlah retak mikro dan orientasinya pada benda uji yang

telah dibebani.

Untuk pengamatan lebih teliti tentang timbulnyainisiasi retak dan perambatannya dilakukan pengamatan

Sebagai bahan penelitian adalah paduan AIMgSi,yaitu paduan alumunium teknis yang berpenampangbulat. Pengujian dilakukan berdasarkan pertimbanganpengenalan karakteristik material clan pertimbanganpenggunaan teknis bahan tersebut. Untuk pengujian fatikdigunakan silinder dengan tebal dinding 1,5 mm (Faktorkonsentrasi tegangan Kt ~ I. Sisi dalam clan sisi luar di-poles halus hingga mencapai kekasaran permukaanRa ~ 1 Jim).

Untuk pelaksanaan pengujian dibangun mesin ujiservohidraulik untuk tarik/tekan clan torsi. Pemberiangaya dilakukan dengan kontrol regangan. Bahan yangdigunakan memiliki sifat sebagai berikut.

Tegangan tarik O'rn = 436 MPa, Tegangan geser0' = 420 MPa, elongas; & = 37,3% clan Modulus Young

yY = 86.000 MPa

Gambar 2. memperlihatkan foto mikrostrukturpaduan AIMgSi. Partikel Mg2Si tersebar di seluruh butir.Paduan paduan AIMgSi memiliki besar butir rata-rata10 Jim. Endapan Mg2Si yang terlihat sebagai partikel-partikel kecil terjadi saat pembekuan logam.

Gambar 3. Foto permukaan dari benda uji AIMgSi. dengansejumlah retak mikro. pembebanan: tarik-tekan. amplitudoregangan &. = 0.6%. jumlah siklus N=lOO

Evaluasi Perambatan Retak Mikro Pada Pembebanan Tarik-Tekan don Torsi (H. Agus Suhartono 14 -17)

pembebanan terhadap benda uji setelah mengalami beban

torsi ditunjukkan pada Gambar 6.

20

'"0'~].~is

10

0

-90 -45 45 90

Arnhretaklll(O)Gambar 4 Foto hasil SEM permukaan bends uji setelahpembebanan tarik-tekan jumlah siklus N = 66, tampak partikel

yang terangkat dari matrik logamGambar 7. Distribusi retak mikro tergantung dari arah padaExperiment, AISiMg, tarik-tekan. N = 30. E. = 0,6 °/0

'0'"

20. -,II' - ~ -

~ Tors, I.~ -;I.. Rolak-h.lik

".""'.1 /"'--",\ """'~"""'"

I )' , G \ 1 X@:

.8.~is

~10

..\/

0.45 0

Arah retal- {,j (O)

45 90-90

(lambar R [)istribusi rclak mikr,' dan hubungannya dcnganarah rctak dalam cksperiment. ..\ISiMg. Torsi. N = QOO. 'f, =

0.6 %

Gambar 5 Foto mikro permukaan benda uji AIMgSi.pembebanan: torsi, amplituda regangan puntir Y,= 0.7%. jumlahsiklus N=IO80

Oari data-data orientasi retak pada permukaanbenda uji hasil pengamatan dibuat kurva distribusi arah

retak mikro. Oistribusi arah retak pad a pembebanan tarik-

tekan diperlihatkan pada Gambar 7 sedangkan pada

pembebanan torsi ditunjukkan pada Gambar 8.

4. PEMBAHASAN

Gambar 6. Foto hasil SEM pcrmukaan bcnda uji setcluhpcmbcbanan torsi jumlah siklus N = (i(i. lampak rctak yang

bcruwal dari tempat kedudukan partikcl.

Sifat mekanis dari logam tergantung pad a stuktur

kristal, cacat kristal dan dimensi butir (besar dan bentuk

butir). Deformasi secara makroskopis bisa dibedakan

dalam perubahan panjang dan perubahan sudut(geseran). Bila gaya yang bekerja dibagi dengan luaspermukaan, maka akan didapat tegangan mckanik. Pad a

dcforlllasi gescr dinamakan tegangan gcscr 'to

Sesuai dengan hukum mekanik dapat ditarik

kesimpulan pada pembebanan luar tcrhadap masing-masing butir. maka akan timbul tegangan tarik di setiapbutir, pada sudut 450 tcrhadap tegangan larik ini timbultegangan geser maksimal. yang memiliki bcsar 1/2 dari

tegangan tarik tersebut. Sesuai dengan persamaan-

persamaan berikut [4) :

dengan SEM di daerah terjadinya patahan. Hasil

pengamatan SEM untuk pembebanan tarik tekanditunjukkan pada Gambar 4. Foto mikro pennukaan benda

uji setelah mengalami pembebanan torsi ditunjukkanpada Gambar 5. Hasil pengamatan SEM untuk

16

J.

Mikjoskopi don Mikroanalisis Vol.3 No.2 2000ISSN 1410-.~594

5. KESIMPULAN

(I)

Tegangan utama 0', und 0'2:

0"'.2 =~(O"r +O"y):t~~~::Y-:~:

tegangan geser maksimal :

Dari hasil eksperimen dapat ditarik kesimpulan

sebagai berikut :

Sebagian besar awal retak fatik ditemukan pad a

bidang yang paralel dengan tegangan geser maksimum.Berdasarkan hasil eksperimen dapat diusulkan suatu

model perambatan retak dengan mengikuti hukum

mekanika retak yang diawali dengan retak pada bidang

dengan tegangan gcscr maksilllulll.

~2

=0',-0'22" / )

Arah tegangan utama dihitung berdasarkan rumus:

1 2, ,..

Tmax == T. == +'xy (2)

6. DAFT AR PUST AKA9'0 = 2" arctan 0" -0" x y

Arah tegangan geser maksimum :

80 = 9'() ::I: 45() (4)

Pada pembebanan tarik-tekan arah tegangan gesermaksimal ditunjukkan pada persamaan (4) yaitu

I 2rxv 45fJ() = -arctan .:I: ° .2 ax-a..

Oari hasil perhitungan tegangan didapat arah tegangangesermaksimal =:1: 45 °.

Oistribusi retak pada pembebanan tarik-tekanpada eksperimen menyebar pada semua sudut dengankecenderungan pada arah yang paralel dengan arahtegangan geser yaitu :I: 45 °.

Pada pembebanan torsi arah tegangan gesermaksimal yang dihitung berdasarkan persamaan (4)

1 21"

(3)[I]. H. A. SUHARTONO.. K. P6TTER. H. ZENNER. in

Proc. of Symposium on Multiaxial Fatigue andDefonnation.. Seattle. Washington. May 19-20.1999,ASTM.

[2]. H. J. BARGEL. G. SCHULZE. ~Verk,\'I()tfk/(ndc, lID/-Verlag. DUsseldorf, 1988.

[3]. W. SCHA TT. H. WORCH. 1t'erk,\'II"!tf-Wi.\'.\'en\'chqti.1996, Deutscher Verlag filr Grundstoffindustrie.

Stuttgart.[4]. L. ISSLER, H. RUO/3, P. HAFELE. Fe.\'ligkeil.\'lclll'c

Grundlagen, 1995. Berlin .'cidclbcrg. Springer-

Verlag.

yaitu = ':'-arctan -ry :!: 45 ° yaitu 0 ° dan 90°.2 O'.-O'y

Hasil eksperimen pada pembebanan torsi

menunjukkan retak mikro yang timbul dengan orientasike segala arah dengan jumlah retak terbesar pada

arah OOyaitu arah tegangan geser maksimal.

Timbulnya arah retakan pad a arah yang berbeda

dari arah tegangan geser maksimum disebabkan

perambatan retak yang merambat selain pad a perrnukaan

juga ke dalam penampang bahan.

1'7