Andryansyah ISSN 0216 - 3128 209

KUALIFIKASI SPESIMEN MINI UJI TARIK TUBE ARAHTRANSVERSAL

AndryansyahPusat Pengembangan Teknologi Keselamatan Nuklir. Badan Tenaga Nuklir Nasional

ABSTRAK

KUALIFIKASI SPESIMEN MINI WI TARIK TUBE ARAH TRANSVERSAL. Telah dilakukan u}i kualifikasispesimen mini u}i tarik tube arah transversal dengan menggunakan tube yang umum digunakan sebagaikelongsong bahan bakar nuklir. U}i kualifikasi dilakukan dengan memilih dimensi spesimen u}i dengan

ukuran perbandingan antara panjang ukur dan lebarnya adalah 4/2. 4/1.3 dan 4/1. Hasil u}i kualifikasiyang dilakukan belum berhasil. Penyebabnya adalah adanya gesekan yang sangat besar antara spesimenu}i dan pemegang spesimen dan ter}adinya pembebanan yang tidak simetris pada kedua sisi bagian daerahu}i. Penggunaan pemegang dengan dua bentuk separuh lingkaran dan peletakan daerah ukur spesimenpada salah satu dari pemegangnya diharapkan akan menghasilkan regangan yang seragam.

Kata kunci: spesimen mini. u}i tarik. tube. transversal.

ABSTRACT

QUALIFICATION OF MINI SPESIMEN USED FOR TENSILE TESTING OF TUBE IN THETRANSVERSAL DIRECTION. Qualification testing of mini specimen used for tensile testing of tube in thetransversal direction using tube which is common as cladding of nuclear fuel has been done. Specimendimensions which have ratio of its gauge length to its width as 4/2.4/1.3. and 4/1 have been chosen. Resultof the qualification testing was not success yet. The failure causes were high friction between the specimenand its fixture and asymmetric load on two gauge length. By using two parts of half cylinder as a fIXture andputting the gauge length on one side of it may be used to get uniform strain.

Key word: mini specimen. tensile testing. llIbe. transversal

PENDAHULUAN

Pengujian mekanik merupakan salah satu bentukpengujian yang sangat diperlukan untukmengetahui kekuatan suatu material atau komponen.Data kekuatan material yang diperoleh dari peng­lIjian tersebut dapat digunakan dalam perhitungandisain maupun untllk memprediksi kemungkinanyang akan terjadi bila disain operasi yang adaterlewati batasannya. Salah satu bentuk pengujianmekanik adalah uji tarik. Uji ini umumnya dilakukandengan menggunakan spesimen atau alat yang telahterstandard isasi.

Perkembangan teknologi pengujian telahmenghasilkan beberapa bentuk dan ukuran spesimenuji yang berbeda dengan standar yang ada, salahsatunya dalam bentuk mini. Spesimen mini iniberkembang seiring dengan berkembangnyapengujian pasca iradiasi. Hal ini disebabkan karenauntuk melakukan proses iradiasi terhadap materialyang akan diuji, maka umumnya dibatasi bahwa

spesimen yang bisa diiradiasi adalah dengan ukuranked I (mini) karena umumnya proses iradiasi terjadidalam reaktor nuklir. Dengan ukuran spesimen yangtidak mini maka diperlukan ruang yang besar,disamping itu juga akan mengakibatkan terganggu­nya ekonomi netron dalam reaktor.

Pengujian tube arah transversal sangatpenting dilakukan karena beban yang akan diterimaoleh tube untuk tekanan operasi yang sarna akanlebih besar ke arah transversal dibanding ke arahlongitudinal. Dengan demikian kemungkinankegagalan tube karena pecah ke arah longitudinalakan lebih besar dibanding pecahnya tube ke arahtransversal. Untuk mengetahui berapa kekuatan tariktube bila diberi beban ke arah transversal maka

harus dilakukan pengujian tarik ke arah transversaltersebut.

Pada makalah ini akan dibahas hasil ujikualifikasi terhadap beberapa dimensi spesimen tubedengan melakukan pengujian tarik pad a arah

Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

2/0- ISSN 0216 - 3128 Andryallsyah

transversal. Tube yang digunakan adalah Zircaloy-4

yang biasa digunakan sebagat kelongsong bahanbakar pada reaktor jenis PWR (Pressurized WaterReactor). Tujuan dari uji kualifikasi ini adalahdidapatkannya dimensi spesimen uji yang memenuhiprinsip dasar pengujian tarik, sehingga dapatdigunakan sebagai spesimen standar.

TEORI

Mengacu pada salah satu standar pengujiantarik[I], maka ukuran spesimen yang harus dipenuhiadalah seperti yang terdapat pada Gambar 1.Berdasarkan standar tersebut, perbandingan antarapanjang daerah ukur (gauge length, G) dan lebarnya(width, w) adalah 4. Bagian yang mengecil (reducesection, A) dapat pula dipakai sebagai acuan, karenapad a bagian ini akan terjadi konsentrasi tegangan.Dalam hal ini bila diinginkan untuk membuatspesimen mini yang proporsional dengan ukuranstandar seharusnya diacu perbandingan antara A/w.

Dasar penetapan rasio A/w atupun G/wadalah didapatkannya regangan yang seragamsepanjang daerah ukur G, ketika spesimen ditarikhingga mencapai kekuatan maksimumnya. Dasarinilah yang menjadi acuan untuk memilih dimensispesimen mini sehingga bisa dinyatakan sebagaispesimen yang mempunyai ukuran yang standar.

pengujian tarik adalah pengujian yangdigunakan untuk mengetahui kekuatan tarik suatumaterial ketika menerima beban statis. Karena untuk

melakukan pengujian dalam bentuk penarikanhingga putus untuk mengetahui kekuatan maksimummaterial yang diuji tidak mungkin dilakukan denganpembebanan statis, maka digunakan laju pereganganselambat mungkin. Setiap alat uji tarik mempunyaikemampuan tertentu untuk dapat melakukan

penarikan dengan kecepatan yang sangat rendah.

Kecepatan penarikan ini biasa dikenal dengankecepatan crosshead.

Untuk melakukan pengukuran regangan yangterjadi selama pengujian pada tube yang kecilukurannya, akan sangat sulit bila dilakukan denganstrain gauge. Salah satu cara yang pernah dilakukanadalah dengan membentuk indentasi padapermukaan spesimen dengan menggunakan micro­hardness tester menggunakan indentor Vickersdengan beban I kgf, yang akan membentuk

kedalaman indentasi sekitar 30 mikron. Pengaruhadanya indentasi dengan cara tersebut terhadapterbentuknya retak atau penjalaran retak tidakdidapatYJ Permasalahan yang timbul bila diguna­kannya proses tersebut adalah sulitnya mendapatkanjarak yang sarna antara titik-titik indentasi. Cara lainyang dapat diguakan adalah dengan membentukindentasi dengan menggunakan mesin laser.

TAT A KERJA

Berdasarkan pad a prinsip pengujian tarik,maka syarat yang harus dipenuhi adalah bahwaselama pengujian dilakukan, distribusi reganganyang terjadi pad a daerah ukur (gauge length) harussarna selama beban penarikan itu masih berada dibawah kekuatan maksimum material yang diuji. Bilabeban yang diberikan telah melebihi kekuatanmaksimumnya, maka baru akan terjadi pembentukannecking. Prinsip ini akan diacu untuk menentukandimensi spesimen uji tarik.

Peralatan uji yang digunakan adalah mesin ujitarik, pemegang spesimen khusus (Gambar 2), danmikroskop. Sedangkan bahan yang digunakan adalahpelumas (grease) DSF 3000 dan Molykote P.3?untuk mengurangi gesekan.

~~- LA

GR

Gambar I. Spesimen uji tarik bentuk rectangularYI

Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

AfI{lryamyah ISSN 0216-3128 2//

GambaI' 2. Pemegang spesimen khusus danbentuk spesimen uji.

Oimensi tube yang akan digunakan padapcnelitian ini mempunyai diameter luar 9,5 mmdcngan tcbal sekitar 0,57 mm. Geometri spesimenyang dipilih adalah dengan panjang ukur 4mm danlebaI' bervariasi yaitu I mm, 1,3 mm, dan 2 mm.

Pembebanan selama pengujian dilakukandengan beberapa variasi kecepatan crosshead.Kecepatan crosshead yang dipilih adalah 0, Imm/menit, 0,01 mm/menit, dan 0,03 mm/menit.

Pembebanan dihentikan beberapa saat sebelumkekuatan maksimum dicapai.

Untuk mengetahui regangan yang terjadimaka pad a permukaan luar tube dibuat indentasidengan menggunakan bantuan alat laser. Bentukindentasi yang dipilih adalah berbentuk titik dengandiameter sekitar 30 mikron dan kedalaman sekitar 10

mikron. Regangan yang terjadi setelah pembebanandicari dengan mengurangkan jarak antar indentasisebelum pengujian dan jarak yang terbentuk setelahpembebanan diberikan.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hampir semua grafik hasil pengujian tarik,yaitu antara besamya pergeseran crosshead danbeban menunjukkan terjadinya slack. Ini men un­jukkan bahwa dalam pergerakannya selama peng­ujian terjadi perubahan bentuk dari bentuk me-

lingkar menjadi bentuk yang tidak mumi melingkar.Kemungkinan terbesar dad letak terjadinyaperubahan bent uk ini adalah antara pemegang atasdan bawah dengan penahan di tengah. Adanya slackini menunjukkan bahwa grafik tegangan-reganganyang dibuat dengan berdasarkan pad a grafik per­gerakan crosshead-beban tidak dapat digunakansebagai acuan untuk menentukan besamya per­tambahan panjang yang terjadi yang mencerminkanbesamya keuletan dari bahan yang diuji.

Oari pengamatan terhadap spesimen yangtelah diuji diperoleh bahwa sebagian besar spesimentersebut mengalami perubahan bentuk daerah ukuryang berbeda antara satu sisi dengan sisi yanglainnya. Perbedaan perubahan bentuk ini menunjuk­kan bahwa pembebanan yang terjadi selamapengujian terhadap kedua sisi daerah uji tidaklahsimetris. Kejadian ini sangat wajar karena bilaselama pengujian terjadi necking pada salah satusisi, tentu konsentrasi beban yang diberikan akanterpusat pada sisi yang mengalami necking tersebut.Hal ini menunjukkan bahwa pengujian denganmenggunakan dua sisi daerah ukur tidak dapatdigunakan. Cara terbaik yang diharapkan bisadilakukan untuk mengatasi kegagalan tersebutadalah dengan hanya menggunakan satu sisi daerahukur.

Pada pengujian kualifikasi, untuk membeda­kan konciisi pengujian maka dibuatlah identifikasi.Tanda (I) dan (I, retest) mengindikasikan bahwaspesimen diuji dengan kecepatan crosshead 0,03mm/menit. Tanda (I, retest) digunakan untuk me­nyatakan pengujian yang sarna kondisinya sepertipad a kondisi pengujian dengan tanda (I). Hal itudilakukan karena adanya kecurigaan terhadap hasilyang diperoleh, yaitu terjadinya regangan maksimumyang tidak terletak pada posisi sekitar pertengahanpanjang ukur. Tanda (2) digunakan untuk pengujiandengan kecepatan crosshead 0,01 mm/men it, se­dangkan tanda (3) menyatakan bahwa spesimen diujidengan kecepatan cross head 0,1 mm/menit. Grafikhasil pengolahan data yang menunjukkan distribusiregangan yang terjadi setelah spesimen ditarikhingga beberapa saat sebelum kekuatan maksimundicapai diberikan pada Gambar 3 hingga 5.

Oari grafik yang dihasilkan terlihat bahwaregangan yang terjadi tidak seragam sepanjangpanjang ukur spesimen. Juga terlihat bahwaregangan lokal minimum terjadi pad a posisi tengahdari panjang ukur, sedangkan regangan lokalmaksimum terjadi pada posisi dekat ujung panjangukur. Hasil ini menunjukkan bahwa proseskualifikasi untuk menentukan dimensi spesimenyang memenuhi kaidah pengujian tarik telah gagal.

Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Jull 2006

212 ISSN 0216 - 3128 Andryunsyu"

~4-2 (1)

~ ~

r I \.r.::::~ ..:j ·V' .xv-·

u . , . ~I

f..1 "",,'",' I •I\'~""""I LQ1P'" ,$

u

u

4-2 (2)

\i\1:::::::1

V"-!\':x:~.+

,.

u

4-2 (3)

,..

Gambar 3. Distribusi regangan pada spesimen dengan perbandingan G/w = 4/2.

,.4-1.3(1)

.>

"

,..

4- 1.3 (2)

I.'

Gambar 4. Distribusi regangan pad a spesimen dengan perbandingan G/w = 4/1,3.

Prosldlng PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

Andryansyah ISSN 0216 - 3128 2/3~

4·1 (1)

4i

r\/\ 6

sl

J~\/{.Jl4j 2

~ }"'B

J ~ l1

~

~~~

~l~4~6~a1~ ~OFr.cO::ti.1 LGf'gd'l

4·1 (2)

~4 ~6 ~a~r.clJorl.1LAf'I!lfw

4· 1 (3)s

4

~4 ~6 ~a~r.cdOfl.at ~gdt

Gambar 5. Oistribusi regangan pada spesimen dengan perbandingan G/w = 4/1.

Berdasarkan prinsip pengujian tarik,seharusnya regangan lokal sepanjang daerah ukuradalah seragam hingga dicapainya kekuatan tarikmaksimum logam yang diuji. Setelah melewatikekuatan tarik maksimumnya, maka seharusnyaregangan maksimum terjadi pada pertengahanpanjang ukur. Gambar 3 hingga 5 memperlihatkanbahwa prinsip pengujian tarik tersebut tidakterpenuhi. Kemungkinan yang terjadi. sehingga adapenyimpangan terhadap prinsip itu adalah terjadinyagesekan yang sangat besar pad a pertengahan panjangukur. Regangan yang sangat besar pad a sekitar ujungpanjang ukur sangat mungkin disebabkan karenakecilnya gesekan antara pemegang dan spesimen.Hal ini disebabkan karena pada saat pengujianpemegang atas dan bawah akan berpisah daripenahan tengah, sehingga tidak terjadi gesekan padadaerah yang terpisah itu.

Besamya gesekan yang terjadi padapertengahan panjang ukur mengindikasikan bahwapelumas yang digunakan tidak memenuhi tujuanyang diharapkan yaitu sebagai penghilang gesekan.Gesekan selama pengujian sangat sulit dihindari,sehingga yang dapat dilakukan adalah mendapatkangesekan yang seragam sepanjang panjang ukur.Salah satu cara yang mungkin dapat digunakan

untuk memperoleh gesekan yang seragam dan kecilyaitu dengan menggunakan tetlon tape yang diberipelumas.

Untuk mendapatkan regangan lokal yangseragam, pemegang yang digunakan seharusnyatidak berpisah pada lokasi panjang ukur. Penelitianlain menggunakan bentuk spesimen dan pemegang­nya seperti pada Gambar 6pJ Bentuk spesimen yangdigunakan dalam penelitian tersebut tidak dapatdigunakan karena tidak adanya daerah yangmengecil (reduce section), sehingga tidak mungkintegangan yang terjadi selama pengujian akanterpusat pada daerah ukumya. Bila digunakan modelpemegang separuh lingkaran tersebut maka panjangukur seharusnya diletakkan pad a bagian yang tidakberpisah selama pengujian dilakukan agardidapatkan gesekan yang seragam pada panjangukumya.

Meskipun penentuan dimensi spesimen yangdilakukan belum berhasil, informasi yang diperolehdari penelitian ini dapat digunakan sebagai acuanuntuk perbaikan pada penelitian selanjutnya, denganharapan akan didapat dimensi yang paling baikuntuk dapat digunakan sebagai spesimen uji tariktube pada arah transversal. Bentuk spesimen standar

Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

2/4- ISSN 0216-3128 Alldryallsyalt

yang ada dapat digunakan sebagai acuan dalammembuat spesimen mini yaitu dengan mengambilukuran yang proporsional. Tetapi berhubung ukurantube pada umumnya berdiameter kecil, maka perludilakukan dahulu pengujian spesimen bentukrectangular yang ukurannya tidak proporsionaldengan spesimen standar yaitu dengan memperbesarnilai perbandingan antara panjang ukur danlebarnya. Bila dengan nilai perbandingan yang lebihbesar tersebut bisa didapatkan distribusi reganganyang juga seragam ketika spesimen ditarik denganbeban yang masih berada di bawah kekuatanmaksimumnya, maka hal itu akan sangat membantudalam preparasi pembuatan spesimen uji.

TemUe c&ecticn ~I~ iI Ii•••.

•,i•!V Tensile direction

Gambar 6. Bentuk lain spesimen uji dan pe­megangnya.1I1

KESIMPULAN

Uji kualifikasi spesimen mini uji tarik tubearah transversal yang dilakukan belum berhasil.Kegagalan terutama disebabkan karena terjadinya

gesekan yang sangat besar antam spesimen uji danpemegang spesimen. Penyebab lain adalahterjadinya pembebanan yang tidak simetris padakedua sisi bagian daerah uji, sehingga seharusnyahanya digunakan satu sisi panjang ukur. Disampingitu bentuk pemegang perlu diubah denganmenggunakan dua bentuk separuh lingkaran danmeletakkan daerah ukur pada salah satu daripemegang agar regangan yang terjadi dapat seragam.

DAFT AR PUST AKA

I. ASTM INTERNATIONAL, ASTM E 8M-04,Standard Test Methods for Tension Testing ofMetallic Materials [Metric).

2. LINK, T.M., KOSS, D.A., MOTTA, A.T.,

Failure ofZircaloy Cladding Under TransversePlain-Strain Deformation, Nuclear Engineeringand Design 186 (I 998) 379-394.

3. S.I. HONG, K.W. LEE, K.T. KIM., Effect ofthe Circumferential Hydrides on the Defor­mation and Fracture of Zircaloy CladdingTubes, Journal of Nuclear Materials 303 (2002)169-176 .

TANYAJAWAB

Gatot Suhariyono

- Kenapa spesimen mini jika ditarik TensileStrength selalu patah dipinggir bukan ditengah?

Andryansyah

- Hal itu disebabkan karena fIXture yangdigunakan akan terpisah pada kedua posisididekat ujung spesimen dan pada tengah daerahuji jadi seolah tertahan oleh fIXture tengah.Pemecahannya diusu/kan seperti yang ada padakesimpulan.

Prosldlng PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006