Prosiding Pertemuan /lmiah llmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002Serpong, 22 -23 Oktober 2002 ISSN 1411-2213

PENERAPAN EFEKTIF METODEANAL ISIS KEGAGALAN

Mardjono SiswosuwarnoProgram Studi Teknik Material -ITB

II. GaneshaNo. 10. Bandung

ABSTRAK

PENERAPAN EFEKTIF METODE ANALISIS KEGAGALAN. Rangkaian pertanyaan yang pertama kali harusdijawab dalam analisis kegagalan adalah: "Apa yang terjadi? Bagaimanakah kejadiannya? Mengapa hal itu terjadi?" Setelahterjawab, langkah selanjutnya adalah memberikan rekomendasi perbaikan, agar kejadian serupa dapat dihindarkan. Analisiskegagalan seyogyanya menggunakan teknik-teknik yang efektit: sehingga tepat, cermat dan cepat. Metode/teknik yangtersedia sangat beragam. Untuk itu kita perlu memilih daD menerapkan teknik-teknik yang efektif agar penyebab kegagalansegera ditemukan. Tahap awal adalah memahami sistem dan cara kerja peralatan, termasuk pula kondisi operasinya.Selanjutnya adalah menyelidiki kemungkinan-kemungkinan modus kegagalan. Penentuan modus kegagalan haros didasarkanpada bukti-bukti yang ada. Akan lebih baik bila penentuan modus kegagalan didukung oleh beberapa fakta ataupun berbagaicara pembuktian. Dalam tulisan ini dikemukakan berbagai contoh penggunaan beberapa teknik pengamatan/metode.

PENDAHULUAN

tree analysis. Dengan pengalaman yang cukup, prose:inidapat dilakukan secara cermat clan cepat.

KEGAGALAN KOMPONEN

Komponen akan gagal hila kondisi kerjamenyebabkan besaran operasi mencapai ataumelampaui batas kritis sifat material. Pemyataantersebut dapat dinyatakan dalam bentuk umum sebagaiberikut:

Besaran akibat kondisi operasi ;?; SiCat kritis material

Penggunaannya untuk berbagai moduskegagalan dirangkUffi pada Tabell.

Tabel rangkuman berikut hendaknya diartikanbahwa hila besaran akibat kondisi operasi (mas kiri)mencapai atau melampaui batas kritis sifat material (maskanan), maka komponen akan mengalami kegagalan.

Arti lanjut daTi bentuk umum kriteria kegagalantersebut diatas adalah bahwa kegagalan akan terjadihila:

1. Ruas kiri membesar, dan atau2. Ruas kanan bembah menjadi kecil.

Dari logika ini kita perin mengembangkan semuakemungkinan yang dapat memperbesar mas kiri(= memperparah kondisi operasi), serta kemungkinan-kemungkinan yang menyebabkan mengecilnya maskanan (= menurunkan sifat kritis material).

Seringkali kegagalan terjadi setelah beberapawaktu beroperasi normal daD aman. Pertanyaannya

Di negara industri maju,failure analysis pactaumumnya dikerjakan oleh industri. Mengingatketerbatasan sarana laboratorium di industri Indonesia,maka atas permintaan industri analisis kegagalandilakukan di laboratorium perguruan tinggi atau pun

lembaga penelitian.Mengingat hasilnya akan segera dipakai untuk

memutuskan tindakan perbaikan, industri seringkalimenuntut analisis kegagalan yang segera selesai tuntas.Untuk itu analisis kegagalan perin menggunakanmetoda/teknik yang efektif, sehingga menghasilkansolusi daD rekomendasi yang tepat daD cermat dalamwaktu singkat.

Tersedianya teknik/peralatan laboratoriumadalah modal yang sangat bermakna. Namun jangansampai kita terjebak dengan penggunaan metodepengamatan yang terlampau beragam dan terlalu rumit(...ophisticated) yang berlebihan. Selain waktupelaksanaannya akan lama, biayanyapun akan lebihmahal. Pemilihan metode pengamatan yang akandigunakan perin diawali dengan pertanyaan "apa yangman diamati", sehingga tekniklmetode pengamatanyang dipilih akan tepat guna (appropriate).

Teknik/metode pengamatan apapun yangdigunakan, analisisnya harus cermat. Hasil pengamatanharus diinterpretasikan secara benar.

Segala kemungkinan modus kegagalan yangmungkin terjadi harus ditinjau. Berdasarkan bukti daDfakta yang ada, barulah dilakukan analisis berjenjanguntuk mengeliminir hal-hal yang tidak mungkin terjadiataupun yang terbukti tidak terjadi, sehingga sampailahpacta penyebab utamanya. Langkah ini disebutfault

26

Pen era pan Efektif Metode Analisis Kegagalan (Mardjono Siswosuwarno)

Tabell. Kegagalan komponen untuk berbagai modus kegagalan.

Besaranakibat kondisi operasi Sifat kritis material

Tegangan kerja()"w

Peristiwa yang akan terjadi

Defonnasi plastis

Tegangan kerjaaw

Patah statik

Tegangan amplitudacr- -

Patah lelah

Tegangan dinamik setempato-?= K,. (jnom

Kekuatan luluh

cry

Kekuatan tarikcru

Batas lelah (Fatigue limit)df

Kekuatan luluh Awal retal lelah

Ketangguhan retak (Fracture toughness)Kc atau KIc

Komponen yang retak lelahakan patah

Deformasi plastis akibat creep(pada temperatur tinggi)

Intensitas teganganK = B.cr-.J(~~~

Tegangan kerja~

Tegangan kerja(jW

Batas mulur

(Creep limit)

Rupture Strength Patah akibat creep(pada temperatur tinggi)

Tegangan kerjacrw

Kekuatan terhadap retak korosi tegangancr." --

Retak akibat korosi tegangan

TemIJeratur transisi material Pat~ g~ (~e f~cture )Temperatur lingkungan terlalu rendah I

Lindungan terlalu korosif Bataskorosivitas Laiu korosi yang tinggi

tentu saja: "Mengapa komponen itu gagal'?,'. peIbaikanbumeragarpolanyalaapinyabenardantidakMungkinkab telab terjadi hal /kondisi yang memperbesar mengenai pipa secara langsung. Di pihak lain, thick-lipmas kiri hingga melampaui mas kanan (sifat kritis rupture mengarah ke masalah water treatment,material)'? khususnya demineralisasi untuk mencegah

Berikut ini diuraikan contoh kasus yang relatif pembentukan kerak.

sederhana. Suatu pipa nap boiler pecah dalam arabmemanjang, dan di lokasi yang pecah terjadi penipisanyang hebat. Kasus ini dikenal dengan istilah thin-liprupture. Dari sistem peralatan boiler tersebut dapatdipastikan babwa tekanan operasi tidak melampaui bataskarena adanya safety valve yang berfungsi normal.Penipisan hebat tersebut menunjukkan terjadinyadeformasi plastis. Hal ini menunjukkan babwa tegangantangensial pada pipa telah mencapai kekuatan luluhmaterial, bahkan pada akhimya mencapai kekuatan tarikmaterial pipa. Karena mas kiri tidak dapat membesar,maka mas kananlah yang perin dikaji kenapa mengecil.Apa saja yang menyebabkan penumnan kekuatanmaterial secara lokal. Penurunan kekuatan material pipanap terjadi bila suhunya naik melampaui batas.Kenaikan suhu pipa yang drastis iniakan terjadi, hila

nyala api langsung mengenai dinding pipa.Berikut ini adalah kasus yang sangat mirip pada

pipa boiler seperti contoh diatas, namun sebenarnyaberbeda. Pipa juga pecah pada arab memanjang, nanluntebal di tepi pecahannya relatiftetap. Kasus semacamini dikenal dengan istilah thick-lip rupture. Mekanismekegagalannya adalah creep. Modus creep ini dapatdibuktikan secara makro oleh adanya retakan-retakansekunder di sekitar lokasi pecahan, maupun secaramikroskopis oleh adanya micro-voids pada batar butir.

Meskipun dua macam kasus diatas sekilasnampak mirip, namun sebenarnya kedua hal itu sangatberbeda pada fenomena daD penyebabnya, apalagi padarekomendasi untuk mengatasinya. Rekomendasi untukmencegah kasus thin-lip rupture tertuju kepada

LANGKAH KRITIS DALAM ANALISIS

Pengalaman menunjukkan bahwa da1.ammelakukan analisis kegagalan kita menghad4pi betbagailangkah "kritis" yang memerlukan pe1.aksanaansecaracermat dan tepat:1. Pengambilan sample yang mempakan representasi

daTi peristiwa kegagalan peralatan/komponen.2. Pemahaman mengenai fungsi sistem peralatan dan

kondisi operasi, termasuk pula kondisi

lingkungannya.3. Perkiraan yang cermat dan cerdas tentang modus

kegagalan pacta komponen yang gagal. Biasanyaperkiraan ini dapat dilakukan berdasarkanpengamatan visual, dan pacta beberapa kasus perIndibantu dengan peralatan lain. "Jumping intoconclusions" itu sangat berbahaya.

4. Perkiraan penyebab kegagalan komponen perIndilakukan berdasarkan prinsip yang tercantum pactaTabel diatas, temtama untuk meninjau kemungkinanmembesarnya mas kiri, dan atau menumnnya maskanan. Peninjauan terhadap kemungkinan yangmenyebabkan mas kiri membesar, pacta dasarnyadilakukan dengan analisis tegangan.

5. Demikian pula analisis hams dilakukan terhadapkemungkinan-kemungkinan mengecilnya maskanan, biasanya dengan ilmu material yang meninjaukaitan antara stmkturmikro dengan sifat material.

6. Komponen yang gagal perIn diamati lebih jauh,terutama dengan teknik fraktografi ataupun

27

Prosiding Pertemuan llmiah lbnu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002Serpong, 22 -23 Oktober 2002 ISSN1411-2213

metalografi, serta pengukuran kekerasan mikrountuk mencari bukti perihal modus kegagalan

(butir 2) ataupun kemungkinan penurunan sifatmaterial (butir 5).

7. Selanjutnya dari berbagai data dan bukti yangditemukan dapat dirangkai menj adi skenario yangmenggambarkan urutan terjadinya kegagalan.Dengan demikian dapatlah ditentukan faktor-faktoryang berkontribusi terhadap peristiwa kegagalan.

8. Setelah penentuan faktor-faktor yang menyebabkankegagalan, disusunlah rekomendasi berupa langkah-langkah perbaikan untuk mencegah terulangnya

peristiwa kegagalan.

KEMUNGKINANKENAIKANRUASKIRI (= TEGANGAN KERJA)

menyingkatnya menjadi ASTRa. Kepanjangannyadalam bahasa Belanda adalah sebagai berikut:

A = Analyse = komposisi kimiaS = Structuur = struktunnikroT = Textuur = tekstur kristalografisR = Restspanning = tegangan sisaa = Oppervlak = kondisi pennukaan

Dalam proses pengerjaan dan penggunaan,

komponen dapat mengalami perubahan struktunnikro,contohnya akibat pengelasan ataupun akibat suhuyang terlalu tinggi pada saat beroperasi. Demikian jugakomposisi kimia di pennukaan dapat berubah, apalagihila atmosfir lingkungannya tidak netral, sebagai contohperistiwa dekarburisasi ataupun karburisasi pada baja.Perubahan komposisi kimia material pasti diikuti puladengan perubahan struktur mikro dan sifat material.

Peristiwa dekarburisasi sangat mungkin terjadipada saat proses heat treatment. Pada pennukaan bajaterjadi penurunan kadar karbon. Bila komponenberoperasi pada kondisi beban dinamik, maka retak lelahakan segera berawal daTi permukaan yang kekuatannyamenurun itu.

Contoh pengaruh tegangan sisa terhadap sifatmaterial adalah pada komponen yang dilas. Tegangansisa dapat timbul pada proses pengelasan. Tegangansisa tarik pada pennukaan akan menurunkan umur lelah

(fatigue life) komponen.Kondisi permukaan mungkin pula berubah

selama operasi, sebagai contoh akibat terjadinya korosi,khususnya pitting corrosion dan intergranularcorrosion. Dari lokasi inilah retakfatigue terbentuk danmerambat.

PEMILmAN METODA PEN GAMA TAN

Sebagai ilustrasi, berikut ini dibahas suatukomponen yang patah lelah. Pada umumnya moduspatah lelah mudah ditentukan, meskipun hanya denganmengamati permukaan patahan secara visual. Adanyaciri garis-garis pantai (beach marks) memastikan modusperambatan retak lelah. Namun kita tidak boleh berhenti

pada pernyataan: Patahfatigue.Pertanyaan yang harus dijawab adalah mengapa

komponen tersebut patah lelah, padahal telah lamaberoperasi tanpa masalah. Untuk menjawab pertanyaanitu perlulah kita meninjau mas kiri daD mas kanan.

Untuk besaran mas kiri, paling tidak kita perlumeninjau dua besaran, yaitu:1. Besarnya tegangan lokal: apakah melampaui

kekuatan luluh material?2. Besarnya intensitas tegangan pada saat patah akhir

(final fracture): apakah mencapai fracturetoughness material?

Tegangan lokal adalah tegangan nominaldikalikan dengan faktor konsentrasi tegangan.

Besarnya tegangan nominal dapat dihitungdengan analisis tegangan yang didasarkan beban-beban yang bekerja pada komponen. Tegangan nominaldihitung daTi beban kerja dengan memperhatikankemungkinan adanya beban tambahan yang mungkintidak diperhitungkan sebelumnya.

Besarnya faktor konsentrasi tegangantergantung pada dimensi lokal. Untuk itu perIn ditinjauapakah ada cacat atau diskontinuitas geometri yangakan memperbesar tegangan setempat.

KEMUNGKINANPENURUNANRUASKANAN (=SIFAT MATERIAL)

Sifat material dipengarnhi oleh berbagai faktor.Untuk mempermudah analisis, kelompok star daDpeneliti di Departement MTM (Metallurgie enToegepaste Materiaalkunde) di Katholieke UniversiteitLeuven, Belgia merumuskan faktor-faktor tersebut daD

Dari uraian dan contoh-contoh diatas kiranyadapat dikatakan bahwa rangkaian metoda yang efektifadalah lebih kurang sebagaiberikut:I.Pemahaman mengenai prinsip kerja dan fungsi

peralatan berikut kondisi operasi, serta bila tersediadata operasi menjelang kegagalan. Pengumpulandata daTi operator peralatan akan terhambat bila adasuasana "takut disalahkan". Untuk menjaringinformasi yang akurat diperlukan komitmen daTimanajemen yang didasari prinsip non punitiveterhadap karyawan, kecuali bila terbukti adanya

kesengajaan yang menyebabkan kegagalan. Tujuananalisis kegagalan hendaknya tetap diarahkan untukmencari jawaban terhadap tiga pertanyaan, yaitu:

-What happened?-How it happened?-Why it happened?

2. Pengamatan cermat terhadap komponen yang gagal,dimulai dengan observasi visual, bila perlu dibantudengan kaca pembesar. Dasar pemahaman mengenaiciri dan modus kegagalan adalah syarat mutlaksebagai landasan observasi.

28

Penerapan J:.lektif Metode Analisis Kegagalan (Mardj(Jno Siswosuwarno)

lebih kecil dari pada spesimen standar. Uji impackdilakukan hila ada dugaan penggetasan, misalnya padadaerah las dan sekitarnya (HAZ).

BEBERAPA TIPS

Pengalaman-pengalaman dalam analisis telahbanyak dibukukan ataupun dibahas dalam berbagaimakalah ilmiah dan dibicarakan da1am pettemuan ilmiah.Dalam bentuk itulah kita seharusnya menyerappengalaman orang lain. Perlu kita tekankan bahwapenyerapan alas suatu pengalaman itu harusmenyeluruh untuk tiap kasus. Jangan sampaipemahaman itu hanya sepotong-sepotong saja. Contoh

jelek yang sering dijumpai khususnya pacta pemulaadalah langsung menyamakan kasus yang dihadapinya

dengan hanya membandingkannya dengan gambarfraktografi atapun metalografi yang tersedia dibuku-buku.

3. Pengamatan dapat ditemskan dengan alat bantuberupa mikroskop stereo. Dalam hal tertentuobservasi ini perIn dilanjutkan dengan pemeriksaanpada SEM (Scanning Electron Microscope) yangdilengkapi dengan fasilitas Spectroscopy yntukanalisis komposisi kimia (EDS ataupun WDS).

4. Sejalan dengan itu semua perIn dilakukan ana.lisisterhadap kemungkinan "membesamya ruas kiri danatau mengecilnya mas kanan". Hal ini dilakukandengan pengumpulan data dan analisis tentangkemungkinan lebih parahnya kondisi operasi danatau penumnan sifat material.

5. Bukti mengenai pembahan sifat material dapatditemukan melalui pemeriksaan struktunnikro secarametalografi dan pengukuran angka kekerasanmaterial, khususnya kekerasan mikro. Kuncikeberhasilan metalografi adalah pemilihan lokasi/titik pengamatan yang re.levan.

6. Kebanyakan kasus kegagalan dapat ditemukanpenyebabnya setelah langkah-langkah diatasdilakukan berdasarkan data yang akurat sellaanalisis yang cermat.

TEKNIK OBSERVASI KHUSUS

Kumulasi pengalaman adalah sangat pentingdalam melaksanakan analisis kegagalan. Penggunaanmetode/teknik yang tepat dan cennat memerlukan ..jamterbang". Dalam hal ini diperlukan ketekunan untukterus-menerus secara konsisten berkecimpung dalambidang yang sarna.

Dalam analisis kegagalan akan lebih baik bilapelaksanaannya dilakukan oleh tim kecil yang secaraterbuka mendiskusikannya. Tim yang efektif akan

menghasilkan sinergi.

KESIMPULANDANSARAN

Pada umumnya pemahaman terhadap fungsiperalatan clan kondisi operasi yang akurat, sertapenggunaan teknik yang tepat clan tidak usah terlalurumit akan dapat dipakai untuk analisis kegagalan.Namun untuk beberapa kasus perin disertai denganpenggunaan teknik khusus, yang contoh-contohnyaakan diuraikan dalam uraian berikut ini.

Untuk kasus yang tidak memungkinkan

pengambilan spesimen, pengamatan metalografidilakukan dengan teknik replika. Permukaan yang akandiamati dipoles clan die/sa seperti prosedur nomlal,kemudian pada permukaan tersebut ditempeli lembaranplastik yang dilembekkan. Seluruh tonjolan mikro akantercetak pada plastik lembek tersebut sebagai replika.Pemotretan terhadap replika dapat dilakukan dilaboratorium.

Beberapa kasus memerlukan dukungan dataanalisis komposisi kimia, sebagai contoh terhad~pkerak, produk korosi, minyak pelumas dan fluida proses.Untuk ini diperlukan teknik spektroskopi ataupundifraksi sinar X yang dapat mengindikasikan senyawayang terbentuk

Bila ada indikasi adanya tegangan sisa ikutberkontribusi terhadap terjadinya kegagalan, maka perindigunakan tenik pengukuran tegangan sisa dengandifraksi sinar X.

Berbagai uji mekanik juga sering dipakai untukmemberikan data tambahan. Sebagai contoh, uji tarikdipakai untuk membuktikan apakah material yang gagalsesuai dengan spesifikasi. Seringkali karena ukurankomponen yang gagal tidak cukup besar, maka untukuji tarik ini diperlukan spesimen uji yang bentuknya

Dari uraian diatas dapat ditarik beberapa butirkesimpulan sebagai berikut:I. Landasan awal dalam melakukan analisis kegagalan

adalah pemahaman tentang prinsip kerja peralatanyang gagal, berikut data operasinya.

2. Pemilihan sampel harus tepat, serta carapengambilannya jangan sampai mengubah kondisi

sampel.3. Pengamatan terhadap komponen yang gagal perlu

dilakukan dengan teknik observasi yang tepat, yangdisertai dengan pemahaman akan modus/ciri-cirikegagalan.. Seringkali justm teknik yang tidakterlalu rumit, namun dilakukannya secara cermat,serta interpretasinya tepat, akan menghasilkan datayang akurat.

4. Perlu dilakukan analisis yang menyeluruh (overall)dan cermat terhadap kemungkinan kondisi operasiyang memperbesar besaran "'mas kiri" ataupunkondisi material yang memperkecil besaran di ""ruaskanan".

5. Analisis yang menyeluruh dan cermat akanmenghindarkan dati pengambilan kesimpulan yanggegabah (jumping into conclusions).

6. Data operasi, khususnya data mengenai gejala atautanda-tanda yang menyimpang menjelang

29

Pro.fiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan dun Teknologi Bahan 2002Serpong, 22 -23 Oktober 2002 ISSN 1411-2213

Ridwan, P31B -BAT AN

Pertanyaan1. Informasi terkait dengan anaiisa tegangan sisa, P3 IB

mempunyai fasilitas neutron yang penetrasinyalebih baik dibandingkan dengan sinar- X dan fasilitastersebut dipunyai oleh Jepang dan Indonesia padatingkat Asia. Apakah fasilitas neutron tersebut dapatberkontribusi dalam anaiisa kegagaian.

kegagalan akan mudah diperoleh hila suasanapenyelidikan "terbuka". Hal ini akan didukung olehkomitmen manajemen untuk memegang prinsip "nonpunitive", kecuali hila terbukti ada kesengajaan yang

menyebabkan kegagalan.7. Kumulasi pengalaman adalah sangat penting dalam

melaksanakan analisis kegagalan, termasuk puladalam menyerap pengalaman orang lain.

8. Pelaksanaan analisis kegagaian sebaiknya dilakukanoleh tim kecil yang secara terbukamendiskusikannya. Suatu tim yang efektif akan

menghasilkan sinergi.

Jawaban

1. Dalam analisa kegagalan memer1ukan komitmen danwaktu yang cepat. Fasilitas neutron dapat digunakanbi1a reaktor beroperasi. Birokrasi seharusnya tidakmenghambat tetapi memfasi1itasi dan mengatur.DAFTARPUSTAKA

[1]. ASM Metals Handbook, Failure .4nalysis andPrevention. 9-th Ed., Metals Park, Ohio, (1987)

[2J. ASM Metals Handbook, Fractography, 9-th Ed.,Metals Park, Ohio, (1987)

[3J. ASM, Handbook of Case Hi.\'tories in Failure.4nalysi:,', 1 & 2, Metals Park, Ohio, (1994)

[4J. LANGE, G.A, Systematic .4nalysis of TechnicalFailure:'~ DGMVerlag, Oberursel, (1986)

[5). JONES, D.R.R. Engineering Failure Analysis,Pergamon, Oxford, (1994)

[6J. WULPI.D.J., Understanding How Component.\'Fail, ASM, Metals Park, Ohio, (1985)

Syahril, P3ffi -BATANPertanyaan1. Analisa kegagalan merupakanjasa bukan penelitian

murni. Apakah konsultatif dapat dilaksanakan.2. Ilustrasi/gambaryang ditampilkan dalam presentasi,

apakah dapat dimasukkan dalam publikasi.

Jawaban1. Penelitian rnurni, terapan danjasa tidak beIbeda satu

sarna lain, yang terpenting profesionalisrne hamssarna. Konsultatif dapat dilakukan dalarn kerangkabisnis. Di negara rnaju analisa kegagalan pactaindustri dilakukan sendiri rnengingat pihak lain tidak

perlu tabu dan dikerjakan dalarn waktu yang singkat.

2. Tidak perlu ilustrasi/garnbar dipublikasi

TANYAJAWAB

Rukihati, P3IB -BATAN

Pertanyaan1. Apakah analisa kegagalan hanya diterapkan daD

di1akukan pada waktu ada kegagalan. Sebagai Pakarsudah berapa kali menggagalkan ana1isa kegagalanyang akibatnya cukup parah untuk pesawat.

Jawaban

1. Analisa kegagalan ini bukan hanya untuk pesawatsaja tetapi untuk industri, seperti contoh kebakaranplan. Apakah tangki (dengan tekanan tinggi) rnasihdapat digunakan setelah rnengalami kebakaran.Analisa tersebut tidak saja analisa kegagalanrnengenai deforrnasi plastis tetapi jugarnenyelarnatkan dotal, karena harga tangki tersebutsangat rnahal. Tujuan analisa kegagalan adalah tidakterjadi kesalahan yang sarna.

Yuswono, P2M -LIPIPertanyaan1. Apakah analisa kegagalan yang telah dijelaskan

dapat diterapkan pacta kegagalan produk.

Jawabm

1. Pacta prinsipnya analisis kegagalan dapat diterapkandalam analisis kegagalan produk tennasuk kegagalan

proses.

~fi