Prediksi tak-rusak lokasi inisiasi retak pada proses fatik ... (Dr. Roziq Himawan, M.Eng.)

PREDIKSI TAK-RUSAK LOKASIINISIASI RETAK PADAPROSES FATIK SIKLUS RENDAH PADUAN TEMBAGA

MENGGUNAKAN ULTRASONIK

Roziq HimawanPusat Teknologi Bahan Industri Nuklir, BATAN, Serpong

e-mail: ptbin@batan.go.id

ABSTRAK

PREDIKSI TAK-RUSAK LOKASI INISIASI RETAK PADA PROSES FATIK SIKLUS

RENDAH PADUAN TEMBAGA MENGGUNAKAN ULTRASONIK. Fatik logam merupakan faktordominan penyebab kegagalan komponen struktur, dibandingkan dengan penyebab lainnya seperticreep dan beban berlebih. Fenomena fatik ini juga terjadi pad a beberapa struktur PLTN misalnyabejana tekan reaktor, pipa-pipa pendingin primer dan pressurizer. Fatik pada struktur-struktur tersebutmerupakan fatik siklus rendah yang dipicu oleh beban siklus yang terjadi sa at reaktor start-up dan shutdown. Untuk menjamin integritas struktur, dalam pelaksanaan in-service inspection dilakukan uji tak-rusak untuk mendeteksi te~adinya retak dalam memonitor proses terjadinya fatik. Penelitian terkaitdengan pengembangan metode monitoring proses fatik telah dilakukan dengan objek pengamatan retakmikro atau monitoring pertumbuhan retak. Dalam penelitian ini, dilakukan uji tak-rusak menggunakanultrasonik terhadap spesimen yang sedang mengalami uji fatik siklus rendah yang bertujuan untukmengembangkan metode untuk memprediksi lokasi inisiasi retak. Selama uji fatik berlangsung, ujiultrasonik dilakukan beberapa kali dengan menghentikan sementara uji fatiknya. Uji ultrasonik dilakukandengan metode water immersion yang menggunakan focusing probe 15MHz. Analisis hasil uji ultrasonikdilakukan melalui analisis spektrum frekuensi dengan dua parameter yaitu intensitas puncak spektrumfrekuensi dan gradien fungsi atenuasi. Dari hasil analisis diketahui bahwa seiring dengan kenaikansiklus pembebanan, intensitas puncak spektrum frekuensi mengalami kenaikan yang selanjutnya turundan gradien fungsi atenuasi mengalami penurunan di awal proses fatik, selanjutnya meningkat secarakonsisten. Dari hasil eksperimen disimpulkan, proses fatik logam dapat dimonitor secara tak-rusakdengan ultrasonik saat pengujian tetapi belum mampu menunjukkan lokasi inisiasi retak.

Kata kunci: Fatik siklus rendah, uji tak-rusak, uji ultrasonik, metode water immersion, analisis spektrum.

ABSTRACT

NON-DESTRUCTIVE PREDICTION OF CRACK INITIATION LOCATION OF COPPER

ALLOY ON LOW-CYCLE FATIGUE PROCESS USING ULTRASONIC. Metal fatigue is a dominantfactor to structure's component failure compared to the other factors such as creep and over load.Fatigue phenomenon can occur in nuclear power plant's structure such as reactor pressure vessel,primary coolant pipe and pressurizer. Fatigue in these structures is a low-cycle fatigue due to cyclicload when reactor start-up and shut down. To assure the structure integrity, non-destructive testingswere performed along in-service inspection to detect the crack occurence to monitor fatigue process.Research on development of fatigue monitoring method has been conducted subjected to micro cracksdetection or crack growth monitoring. In this study, ultrasonic non-destructive tests were performed tospecimens subjected to low-cycle fatigue test, in order to predict location of crack initiation. Ultrasonictests were performed using water immersion method with focusing probe of 15MHz frequency. Resultsof ultrasonic tests were analyzed by spectrum analysis with two parameters, that are peak intensity andgradient of atenuation function. Analysis results show that peak intensity of frequency spectrumincreases and then decreases due to increasing of cycle number. Gradient of attenuation functiondecreases then increases consistently. It's concluded that metal fatigue process could be monitorednon-destructively using ultrasonic, but crack initiation location could not be detected yet.

Key words: Low-cycle Fatigue, non-destructive testing, Ultrasonic Testing, water immersion method,spectrum analysis

315

Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti

BABI PENDAHULUAN

ISSN 2087-8079

Komponen-komponen penyusun sistem umumnya akan menerima beban selamamasa operasi, baik beban yang sifatnya statis atau dinamis (beban siklus). Terjadinya bebansiklus pada suatu material dapat mengakibatkan terjadinya patah fatik (fatigue fracture).Berdasarkan jumlah siklus pembebanan pada saat terjadi patah fatik, maka fatikdikelompokkan menjadi dua, yaitu fatik siklus rendah dan fatik siklus tinggi. Fatik siklusrendah didefinisikan jika patah fatik terjadi pada pengulangan beban kurang dari 100.000 kali,sedangkan fatik siklus tinggi adalah jika pengulangan beban lebih dari 100.000 kali. Padasuatu instalasi PLTN, banyak komponen yang mengalami beban berulang yang dapatmengakibatkan kegagalan, baik berupa fatik siklus rendah maupun fatik siklus tinggi. Fatiksiklus rendah misalnya dapat terjadi pada bejana tekan reaktor, pipa pendingin primer,pressurizer, katup isolasi uap utama dan pompa resirkulasi, sedangkan, fatik siklus tinggimisalnya dapat terjadi pada pompa dan tube-tube pada penukar panas.

Proses fatik material, secara garis besar dapat dibedakan menjadi dua tahap yaitusebelum terjadi retak dan sesudah terjadi retak. Proses sebelum terjadi retak meliputiterjadinya deformasi plastis dan terjadinya slip band yang peristiwanya terjadi dalam skalamikro. Pada proses setelah terjadinya retak pada dasarnya merupakan proses perambatan(growth) retak hingga terjadinya patah.

Untuk menghindari terjadinya patah fatik selama sistem beroperasi maka perludilakukan pengelolaan terhadap umur (lifetime management), yang salah satunya melaluipelaksanaan in-service inspection (/SI). Oalam pelaksanaan ISI umumnya digunakanberbagai macam metode pengujian yang sifatnya tidak merusak objek yang diuji yang disebutuji tak-rusak, seperti uji penetrant, uji partikel magnet, uji ultrasonik dan uji eddy current. Ujitak-rusak ini bertujuan untuk mendeteksi adanya retak, yang merupakan akibat dari prosesfatik.

Telah banyak dilakukan penelitian dalam rangka pengembangan teknik pemantauanproses degradasi material akibat fatik, yang umumnya pada objek pasca terjadinya retak[1-5].Selain itu, Ching, et.al melakukan monitoring secara tak-rusak dengan metode ultrasonikterhadap struktur mikro material akibat deformasi plastis dengan kuantitas regangan yangberbeda-beda, di mana deformasi plastis merupakan awal dari terbentuknya suatu retak[6].Oalam penelitian tersebut diketahui bahwa parameter-parameter gelombang ultrasonikmengalami perubahan seiring dengan kuantitas perubahan deformasi plastis. Pada penelitiansebelumnya[7], proses degradasi fatik siklus tinggi dipantau dengan metode ultrasonik yangbertujuan untuk memprediksi lokasi terjadinya retak. Meskipun parameter ultrasonikmenunjukkan perubahan seiring dengan jumlah pembebanan berulang, namun lokasi retakbelum dapat diketahui.

Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan suatu metode pemantauan prosesdegradasi material akibat fatik, khususnya untuk memprediksi lokasi terjadinya retak.Berdasarkan kondisi operasi PLTN, terjadinya fatik siklus rendah pada bejana tekan reaktormengakibatkan deformasi plastis besar, maka uji fatik dilakukan pada fatik siklus rendahsedangkan pemantauan secara tak-rusak menggunakan metode ultrasonic water immersiondengan focusing probe 15 MHz. Metode ultrasonik dipilih karena di samping memiliki sifatnon-radiasi, gelombang ultrasonik juga mampu mendeteksi kodisi di dalam material.Spesimen dibuat menggunakan material kuningan (brass). Meskipun material ini tidakdigunakan secara langsung terkait dengan reaktor nuklir, namun karena material ini memilikielongation yang besar yang mana diharapkan dapat memberikan dampak pada parametergelombang ultrasonik secara signifikan. Sehingga, dalam tahap awal pengembangan ini akanlebih mempermudah diperoleh hubungan antara proses fatik dan parameter dalam pengujianultrasonik. Hasil uji ultrasonik dianalisis dengan analisis spektrum frekuensi gelombangultrasonik.

Melalui penelitian ini diharapkan akan diperoleh metode untuk memprediksi lokasiinisiasi retak pada proses fatik, sehingga dapat diaplikasikan dalam pelaksanaan ISI yangakan menjamin integritas struktur dalam PLTN. Selain itu penelitian ini juga menunjang tugasbidang dalam evaluasi integritas struktur reaktor.

316

Prediksi tak-rusak lokasi inisiasi retak pada proses tatik ... (Dr. Roziq Himawan, M.Eng.)

BAB II TEORI

2.1. Fatik Dalam Material Logam

Banyak struktur mekanik yang mengalami kegagalan meskipun struktur tersebuthanya menerima beban yang jauh di bawah kuat tarik material penyusun struktur tersebut.Hal ini dapat terjadi karena beban terse but bekerja secara dinamis atau berulang-ulangterhadap waktu. Fenomena ini disebut fatik, yang didefinisikan sebagai perubahan sifat(mekanik) yang dapat terjadi pada material logam akibat adanya tegangan atau regangansecara berulang. Secara umum perubahan sifat ini akan mengakibatkan retak atau bahkanpatah. Definisi ini juga berlaku untuk material non-Iogam seperti material polimer.

Jika suatu material logam diberi beban, misalnya dalam uji tarik, seiring dengansemakin bertambahnya tegangan, material akan mengalami deformasi elastis sampai padategangan luluh (ays) material tersebut dan setelah itu material akan mengalami deformasiplastis. Meskipun dalam proses fatik material log am tegangan yang bekerja lebih kecil daritegangan luluhnya, namun proses fatik diawali oleh terjadinya deformasi plastis lokal, yangkemudian memicu terjadinya retak kecil, selanjutnya tumbuh menjadi retak besar danakhirnya mengakibatkan patah. Deformasi plastik yang terjadi pad a proses fatik inidisebabkan oleh beban yang bekerja secara siklus.

Deformasi plastis dapat terjadi karena di dalam struktur material terdapat bidanggeser (slip plane) di mana jika ada beban bekerja akan timbul pergeseran yangmengakibatkan deformasi plastis. Karena bidang geser ini dalam satuan terkecil dimiliki olehkristal, maka dalam suatu material terdapat bidang geser yang sangat banyak. Jika materialmemperoleh beban dalam satu arah, misalnya pad a saat uji tarik, maka arah pergeserannyake satu arah. Namun, jika pembebanan dilakukan berulang-ulang secara siklus, di manasecara relatif beban bekerja ke dua arah yang berlawanan secara bergantian, maka arahpergeserannyapun ke dua arah yang berlawanan. Jika dilihat secara mikro, hal ini akanmengakibatkan bentuk jejak pergeseran yang menyerupai gunung dan lembah padapermukaan material. Bagian yang berbentuk gunung ini disebut extrusion, sedangkan bagianlembah disebut intrusion (Lihat Gambar 1). Jika beban berulang terus terjadi, maka intrusionakan berevolusi menjadi retak mikro, yang selanjutnya retak mikro ini akan tumbuh menjadiretak makro .

.....•.... --- --- ----.-..••....,/ Slip pklnes "'.

1/ . ,.,,:::;. '\/ExtruslO~ ..:::::::~= \

i./:~;Y~· \ ._"[: ~ ,~ ~o(".

~ : 1 .~• J , •

, J • I ,\ ; .~•....... ,• J, .. ,"'\""" •.~,~l

." ..,.--------- ---..-...•....

Gambar 1. Skema terjadinya extrusion dan intrusion

2.2. Uji Tak-rusak

Untuk menjamin integritas struktur pada suatu instalasi setelah instalasi beroperasi,. dilakukan In-service Inspection (/SI). ISI yang dilakukan terhadap struktur termasuk

komponen penyusunnya harus tidak berdampak pada penurunan sifat-sifat mekaniknya. Olehkarena itu, ISI umumnya dilakukan dengan metode yang tidak menimbulkan kerusakan padaobjek yang diujinya yang disebut uji tak- rusak (Non-destructive Testing). Meskipun demikian,dalam instalasi PLTN dilakukan juga uji rusak yang ditujukan untuk melakukan surveilanceprogramme bejana tekan reaktor. Uji rusak yang biasanya dilakukan misalnya uji tarik, ujiimpak dan uji kekerasan. Metode ini dilakukan untuk mengetahui secara aktual kekuatan sifatmekanik bejana tekan.

317

Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN 2087-8079

Dalam uji tak-rusak terdapat beberapa metode, di mana metode-metode yangditetapkan sebagai metode uji tak-rusak untuk satu negara berbeda dengan negara lain.Metode-metode yang dikategorikan sebagai metode uji tak-rusak hampir di semua negaraadalah:

1. Visual Testing (VT)2. Eddy Current Testing (ET)3. Magnetic Particle Testing (MPT)4. Ultrasonic Testing (UT)5. Radiography Testing (RT)

Sebagaimana namanya, VT dilakukan melalui pengamatan visual terhadap objekpengujian. Untuk metode ET dan MPT disebut surface method, karena secara umumdigunakan untuk melakukan deteksi cacat-cacat permukaan, sedangkan metode UT dan RTdisebut volumetric method, karena mampu digunakan untuk mendeteksi cacat-cacat yangterdapat di dalam material.

Kelima metode uji tak-rusak di atas, masing-masing memiliki keunggulan dankekurangan sehingga dalam uji tak-rusak tidak ada metode yang paling baik dan metodeyang tidak baik. Masing-masing metode digunakan untuk tujuan tertentu yangmempertimbangkan kondisi cacat, lokasi cacat, lokasi objek pengujian, faktor ekonomis danlain sebagainya. Bahkan, dalam suatu pengujian tidak dapat ditentukan hanya dengan satujenis metode saja. Dalam hal ini, satu metode merupakan pelengkap atau pendukung metodeyang lainnya.

2.3. Uji Tak-rusak MetodeUltrasonik

Sebagaimana namanya, uji tak-rusak metode ultrasonik adalah metode pengujianyang mengaplikasikan gelombang ultrasonik. Dalam pengujiannya, gelombang ultrasonikdibangkitkan oleh rangkaian elektronik yang disebut pulser, selanjutnya gelombang ultrasonikdalam bentuk energi listrik ini diubah menjadi energi mekanik untuk diteruskan ke benda ujioleh sensor yang disebut probe. Jika gelombang ultrasonik mengenai suatu inhomogenitaskarakteristik akustik, maka akan terjadi pemantulan. Gelombang pantul tersebut akanditangkap oleh probe dan diubah lagi menjadi energi listrik.

Dalam pelaksanaan pengujian ultrasonik, terdapat berbagai jenis gelombangultrasonik, tipe probe, dan metode pengujian yang disesuaikan dengan objek dan tujuanpengujiannya. Saat ini metode ultrasonik banyak digunakan untuk mendeteksi adanya cacatyang sering muncul dalam sambungan las atau metode fabrikasi yang lainnya. Selain itu,metode ultrasonik dapat juga digunakan untuk memprediksi modulus Young, E, kekerasanmaterial logam, menentukan porositas dan lain-lain, yang dilakukan dengan penyusunansuatu rumus empiris untuk suatu material tertentu.

2.4. PengujianUltrasonik Untuk Monitor Proses Fatik

Dalam studi Ching etal., diketahui bahwa bahwa parameter-parameter pengujianultrasonik memiliki korelasi dengan kuantitas deformasi pada material logam[6]. Oleh karenaitu, berdasarkan hasil tadi, dilakukan studi untuk memprediksi lokasi inisiasi retak padaproses fatik menggunakan metode ultrasonik.

Dalam pengujian ultrasonik, hasil pengujian diperoleh berupa sinyal gelombangpantul, gelombang transmisi atau gelombang hambur di mana sinyal-sinyal tersebut beradadalam domain waktu. Untuk melakukan analisis kuantitatif di dalam domain waktu, kadangkala terdapat kesulitan karena perubahan nilai-nilai parameter terlalu kecil, di mana nilaiperubahan ini lebih kecil dari derau (noise) atau fluktuasi hasilnya. Parameter yang biasadigunakan dalam domain waktu adalah amplitudo sinyal, nilai atenuasi dan cepat rambatgelombang dalam spesimen.

Dalam penelitian ini, analisis hasil pengujian ultrasonik dilakukan dalam domainfrekuensi. Untuk mengubah dari domain waktu ke domain frekuensi diperlukan suatu fungsimatematika yang disebut Fourier Transform. Jika f(t) adalah suatu fungsi dalam domainwaktu, dan F(w) adalah suatu fungsi dalam domain frekuensi, Fourier Transform dinyatakandengan persamaan

318

Prediksi tak-rusak lokasi inisiasi retak pada proses tatik ... (Or. Roziq Himawan, M.Eng.)

00

F(m)= ff(t)e-j{Ufdt (1 )

(2)

dengan t adalah waktu, w adalah frekuensi dan j adalah bilangan imajiner.Oalam pelaksanaan analisis, sinyal ultrasonik di-digitalisasi untuk mendapatkan data

numerik. Karena persamaan (1) merupakan fungsi kontinyu, maka dalam pelaksanaananalisis digital diperlukan fungsi diskrit. Fungsi Fourier Transform dalam persamaan (1),dapat dinyatakan dengan persamaan diskrit

2 .n-l -~ jk

fj = LXke nk=O

Nilai x dalam persamaan (2) adalah data numerik hasil pengujian ultrasonik dan n adalahjumlah data. Algoritme untuk melakukan komputasi persamaan (2) dengan cepat disebut FastFourier Transform (FFT) dan yang paling umum digunakan adalah algoritme Cooley- Tukey.Gambar 2 memperlihatkan contoh sinyal ultrasonik dan spektrum frekuensi hasil FFT.

Untuk melakukan kuantifikasi digunakan dua parameter, yaitu:1. Intensitas puncak spektrum2. Gradien fungsi atenuasi

Intensitas puncak spektrum adalah nilai maksimum yang ditunjukkan dalam Gambar 2(b),sedangkan gradien fungsi atenuasi didefinisikan sebagaimana diuraikan berikut.

4

-2

-4

6 7 8 9 10

Time (l-1s)

(a) Sinyal gelombang pantul

II

16

12

.G-.;;;~ 8.•.=-

4

0

0

5 to 15 20 25 30

Frequency (MHz)

(b) Spektrum frekuensi geJombang pantul

Gambar 2. Contoh sinyal ultrasonik dan spektrum frekuensi hasil FFT

319

Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN 2087-8079

Pada pengujian ultrasonik dalam penelitian ini, diambil 2 (dua) data yaitu sinyalgelombang pantul dari permukaan atas spesimen standar dan dari permukaan bawahspesimen. Jika spektrum frekuensi gelombang pantul permukaan atas spesimen standardinyatakan dengan 'R(w) dan spektrum frekuensi gelombang pantul permukaan bawahspesimen uji dinyatakan dengan 'B(w) , perbandingan kedua parameter terse but dinyatakandengan persamaan

(3)

Persamaan ini disebut dengan transfer function[8]. Namun karena persamaan inimenunjukkan rasio atenuasi pada domain frekuensi, maka selanjutnya disebut fungsiatenuasi[8]. Selanjutnya, untuk mencari gradien fungsi atenuasi dilakukan regresi dalamrentang frekuensi antara 1OMHz-20MHz seperti yang diperlihatkan pad a Gambar 3.

Rentang gradienfungsi atenuasi

140

CC

2- 120c0u 100c =""-c.2 80§ cQ) 60::;:

400

5 10 15

Frequency (MHz)

20 25 30

BAB III METODOLOGI

3.1. Bahan

Gambar 3. Contoh hasil fungsi atenuasi

Pada penelitian ini digunakan spesimen yang terbuat dari material paduan tembaga(Cu-40Zn) berbentuk pelat dengan ketebalan 4mm. Komposisi unsur paduan tembaga inidiperlihatkan pada Tabel 1 sedangkan bentuk dan ukuran spesimen diperlihatkan pad aGambar 4. Seperti diperlihatkan pad a Gambar 4, bagian tengah spesimen dibuat melengkungdengan jari-jari 100 mm, dengan tujuan agar tegangan terkonsentrasi di bagian tengahspesimen sehingga deformasi plastis dan retak akan mudah terjadi di bagian tengah ini.Untuk menghilangkan tegangan sisa (residual stress), spesimen diberi perlakuan panasmelalui proses annealing yang dilakukan pada temperatur 837 K(600°C) dan waktu tahanselama 4 jam. Untuk menghindari besarnya hamburan gelombang ultrasonik padapermukaan spesimen, maka spesimen dipoles menggunakan amplas dengan tingkatkekasaran #100 - #800.

320

Prediksi tak-rusak takasi inisiasi retak pada proses tatik. .. (Dr. Raziq Himawan, M.Eng.)

Tabel 1. Komposisi unsur paduan Cu-40Zn (wt%)

No. Komponen Komposisi1

Cu 59,0-62,02

Pb

Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN 2087-8079

Pengujian ultrasonik dilakukan dengan metode Ultrasonic Water Immersion (UWI).Set-up pengujian ultrasonik diperlihatkan pada Gambar 5. Pengujian dilakukan menggunakanprobe tipe focusing dengan jarak fokus 25 mm dan memiliki frekuensi tengah/nominal 15 MHz.Pada saat pengujian, titik fokus probe diposisikan pada permukaan bawah spesimen dengancara sedemikian rupa sehingga amplitudo gelombang balik pertama mencapai maksimum.Untuk melakukan pengujian pengaruh luas penampang karena terjadinya deformasi plastis,dilakukan pengujian ultrasonik di sepanjang garis tengah spesimen (arah memanjang)dengan interval titik pengujian 5 mm (Gambar 6(a)). Pada daerah yang diperkirakanmengalami regangan (strain) besar yaitu di bagian tengah spesimen, dilakukan pengujianultrasonik dengan interval 1 mm (berjumlah 14 titik ke arah panjang spesimen dan 23 titik kearah tegak) seperti diperlihatkan pad a Gambar 6(b). Pengujian pada area ini dilakukandengan menganalisis gelombang pantul dari permukaan atas (surface reflected wave) dangelombang pantul dari permukaan bawah pertama (backwall reflected wave). Data pengujianyang berupa gelombang ultrasonik didigitalisasi dan diakuisisi secara langsung dengankomputer. Digitalisasi dilakukan dengan laju akuisisi (sampling rate) 0,2 ns dan setiap datagelombang terdiri dari 10.020 titik data. Untuk mengeliminasi fluktuasi hasil pengukuran yangbersumber dari alat uji, maka dibuat spesimen standar dari material yang sama danmengalami perlakuan yang sama. Setiap pengujian diawali dengan pengujian spesimenstandar yang hasilnya digunakan untuk menormalisasi hasil pengujian terhadap spesimen uji.Untuk menganalisis gelombang pantul ultrasonik, dilakukan analisis spektrum sebagaimanadiuraikan pada bab sebelumnya.

Arah beban

Load Direction

-50

000000000000000

o

(a)

(b)

50

Arah beba

Load direction

Gambar 6. Titik dan area pengujian ultrasonik

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Gambar 7 memperlihatkan intensitas puncak spektrum frekuensi dari gelombangpantul permukaan bawah pada masing-masing titik pengukuran di sepanjang garis tengah

322

Prediksi tak-rusak takasi inisiasi retak pada proses tatik ... (Dr. Raziq Himawan, M.Eng.)

spesimen (titik-titik yang tersusun memanjang ke arah sumbu spesimen pada Gambar 6 (a)).Masing-masing simbol dalam grafik menunjukkan jumlah siklus pembebanan pada saatpengujian ultrasonik. Oari gambar ini dapat diketahui beberapa hal. Pertama, sejak awalpengujian ultrasonik (sebelum spesimen diberi beban) nilai intensitas spektrum berbeda-bedatergantung pada posisinya. Hal ini menunjukkan bahwa kondisi material tidak homogensecara akustik (dampaknya terhadap gelombang ultrasonik), di mana karena gelombangultrasonik merambat menembus material, maka inhomogenitas ini disebabkan oleh kondisistruktur mikro di dalam material.

o

Position from center line [mm]

Ket: N adalah jumlah siklus pembebanan

0.008

Q:)

2-~~0.007

U()Cor/)>, 0.006

()c:()""()~Il. 0.0050 ~.~

-+-N=O

"...•..• N=50.000

c:

0.004 +N=70.000.:<

-+- N=90.000

.,+- N=1l0.000() c. ...g... N=130.000

0.003-50

-25

25 50

Gambar 7. Intensitas puncak spektrum frekuensi pada garis tengah spesimen

Kedua; meskipun di semua titik memiliki pola perubahan nilai intensitas puncakspektrum yang sama, namun tidak terlihat hubungan yang jelas antara kenaikan sikluspembebanan dengan intensitas puncak spektrum frekuensi. Ketiga, secara kualitatif, di awalpembebanan, intensitas puncak spektrum frekuensi di bagian tengah spesimen mengal amikenaikan secara drastis, setelah itu mengalami kenaikan sedikit dan akhirnya mengalamipenurunan. Kenaikan di awal pembebanan ini disebabkan karena besarnya tegangan yangbekerja pada spesimen saat uji fatik siklus rendah, sehingga spesimen mengalami deformasiplastis besar yang mengakibatkan penipisan tebal spesimen akibat efek poisson ratio.Deformasi plastis ini memberikan dampak pada kenaikan intensitas puncak spektrum,sedangkan di bagian pinggir spesimen rentang perubahan intensitas puncak spektrum tidakselebar pada bagian tengah spesimen.

Gambar 8 memperlihatkan hasil pengujian di bagian tengah spesimen (Iokasipengujian ultrasonik yang diperlihatkan pada Gambar 6 (b), berupa 14 titikx23 titik). Gambarini menunjukkan kontur intensitas puncak spektrum frekuensi dari gelombang pantulpermukaan bawah. Arah mendatar pada gambar searah dengan arah pembebanan. Warna-warna di dalam gambar menunjukkan nilai intensitas puncak spektrum, di mana warna hijauadalah nilai terendah dan semakin beralih ke warna hijau muda, kuning, oranye dan merahnilai semakin besar. Nilai intensitas puncak spektrum tidak memiliki satuan. Oari gambar inidapat diketahui bahwa distribusi intensitas puncak spektrum frekuensi mengalami perubahanselama proses degradasi fatik.

Oalam Gambar 8 dapat diamati bahwa sebelum spesimen mengalami pembebanan,N=O, hasil pengujian ultrasonik menunjukkan hasil yang hampir sama di semua lokasi,kecuali di beberapa tempat menunjukkan nilai yang lebih besar. Hal ini memperkuat hasilpengujian pad a Gambar 7, bahwa secara akustik material memiliki inhomogenitas. Selain itu,distribusi intensitas puncak spektrum frekuensi menunjukkan adanya pola berbentukmemanjang ke arah sumbu pembebanan. Karena arahnya yang sama dengan arahpengerolan saat fabrikasi material, maka pola ini terbentuk karena kondisi struktur mikro yangdiakibatkan ketika proses pengerolan.

323

Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN 2087-8079

Setelah dilakukan pembebanan pada spesimen (pada N=50.000), terjadi kenaikanintensitas puncak spektrum frekuensi yang ditandai dengan perubahan warna. Perubahan iniumumnya terjadi pad a daerah di mana pada saat N=O memiliki nilai yang relatif tinggi. Oisamping mengalami kenaikan intensitas, daerah ini mengalami pelebaran juga.

Seiring dengan pertambahan jumlah siklus pembebanan (dari N=70.000 -N=110.000) pola ini hampir tidak mengalami pergeseran lokasi. Oi dalam daerah sabuk ininilai intensitas puncak spektrum mengalami kenaikan dibandingkan kondisi awal. Karena diawal pembebanan, spesimen menerima tegangan yang besar, maka hal ini menimbulkandeformasi plastis sehingga terbentuknya pola sabuk ini merupakan perwujudan terjadinya slipband pada spesimen[8,9]. Oari pengamatan ini (hasil pengujian sebelum pembebanan dansetelah dilakukan pembebanan) maka dapat diketahui bahwa pola-pola yang terbentuk padakontur hasil pengujian merupakan refleksi atau pengaruh dari struktur dalam material (strukturmikro).

Pada N=130.000, daerah sabuk yang memiliki nilai intensitas puncak spektrum tinggimengalami penurunan intensitas (membelah warna merah). Penurunan ini diakibatkan olehadanya proses hardening pada material. Oi mana pada proses hardening ini terjadi vortex(patahan) slip band selama material mengalami deformasi. Selain itu, dalam pengujian fatik,retak pertama kali diamati pada saat jumlah pembebanan N mencapai 130.000, sedangkanspesimen mengalami patah pada NF133.900. Meskipun retak diamati pada N=130.000 tetapihasil pengujian ultrasonik (dalam hal ini intensitas puncak spektrum frekuensi) tidakmemperlihatkan tanda-tanda kejadian retak. Oari pengamatan visual yang dilakukan denganmikroskop diketahui bahwa inisiasi retak terjadi dari sisi samping spesimen (bukanpermukaan), sehingga tidak terefleksikan pada gelombang pantul permukaan bawah. Oarijumlah siklus pembebanan saat terjadinya inisiasi retak dibandingkan jumlah sikluspembebanan saat spesimen patah, dapat diketahui bahwa umur fatik didominasi oleh umurterjadinya inisiasi retak. Hal ini menunjukkan monitoring degradasi fatik pra terjadinya retakperlu dilakukan.

Gambar 9 memperlihatkan hubungan antara nilai gradien fungsi atenuasi di bagiantengah dan bagian ujung posisi pengujian yang diperlihatkan pada Gambar 6(a) denganjumlah siklus pembebanan. Sumbu mendatar menunjukkan jumlah pembebanan, sedangkansumbu tegak menunjukkan nilai gradien fungsi atenuasi. Simbol hitam (closed) menunjukkanhasil pengujian di bagian ujung, sedangkan simbol putih (open) menunjukkan hasil pengujiandi bagian tengah.

(a)

5

i9111315Ii192123-(Y) •...M'"r--0\•...M•... •...

(b)

324

(c)

Prediksi tak-rusak lokasi inisiasi retak pada proses tatik ... (Dr. Roziq Himawan, M.Eng.)

11

13

15

17

19

21

(d) (e)

• < 0,004 D 0,004 - 0,0045 D 0,0045 - 0,005D 0,005 - 0,0055 • 0,0055 - 0,006

(f)

(a) N=O, (b) N=50.000, (c) N=70.000, (d) N=90.000, (e) N=110.000, (f) N=130.000N indicates number of load cycle

Gambar 8. Oistribusi intensitas puncak spektrum frekuensi hasil pengujian ultrasonik padamasing-masing jumlah pengulangan pembebanan (N)

Dari gambar ini diketahui bahwa sebelum spesimen men gal ami pembebanan, nilaigradien atenuasi menunjukkan perbedaan. Setelah beban diberikan pada spesimen, gradienfungsi atenuasi men gal ami penurunan, setelah nilai minimum tercapai mengalami kenaikansecara gradual seiring dengan kenaikan jumlah siklus pembebanan. Pad a tahap akhir,menjelang spesimen patah, gradien fungsi atenuasi mengalami stagnan atau sedikitpenurunan. Kecenderungan atau trend ini terjadi baik di bagian tengah maupun ujungspesimen, namun perubahan di bagian tengah mengalami perubahan yang lebih besar.

••••

•

3.5

:i ~~

3.3

~ c.9Uc3.]:: ~c.9~:: 2.9

c E

Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN 2087-8079

(4)

Interaksi gelombang ultrasonik dengan material yang berdampak pada atenuasidipengaruhi oleh dua hal utama, yaitu dislokasi dan hamburan oleh batas butir material. Jikagelombang ultrasonik dimasukkan ke dalam material, maka dislokasi yang ada di dalammaterial tersebut akan mengalami vibrasi menggunakan energi gelombang ultrasonik,sehingga energi gelombang ultrasonik mengalami penurunan atau atenuasi.

Interaksi antara atenuasi dan dislokasi di dalam material dijelaskan oleh Granato[10],yang dinyatakan dalam persamaan berikut ini.

a = (1~~~~}L4/'dengan, (J. adalah atenuasi gelombang ultrasonik, G adalah shear modulus, B adalah specificdamping constant, A adalah densitas dislokasi, L adalah panjang rata-rata loop dislokasi, fadalah komponen frekuensi gelombang ultrasonik yang digunakan, b nilai Burgers vector,

dan C adalah dislocation-line tension dan dinyatakan dengan AGb2 , A adalah konstantayang nilainya 0,5.

Pada awal proses fatik, dalam waktu yang pendek terjadi deformasi plastis yangbesar dan menimbulkan terjadinya slip band. Terjadinya slip band akan meningkatkandensitas dislokasi yang kemudian dislokasi bergerak menuju ke subsurface[11].Peningkatkan densitas dislokasi memberikan konsekuensi meningkatnya panjang loopdislokasi (L). Berdasarkan persamaan (8), karena A dan L meningkat maka atenuasimeningkat. Selain itu, terjadinya deformasi plastis berdampak juga pad a spektrum frekuensi,dimana spektrum frekuensi akan mengalami ke arah frekuensi yang lebih tinggi [8]. Dua hal inimengakibatkan penurunan nilai gradien atenuasi sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 9.

Pada proses fatik selanjutnya, deformasi plastis relatif konstan dan pada tahap initerjadi hardening (pengerasan). Pad a saat ini densitas dislokasi mengalami penurunan dangerak/mobilitasnyapun berkurang. Sehingga hal ini akan mengurangi atenuai. Kondisi inimengakibatkan kenaikan gradien fungsi atenuasi pada Gambar 9.

Hubungan antara atenuasi dan hamburan batas butir dinyatakan denganpersamaan[12].

(5)

dengan (J. atenuasi gelombang ultrasonik, a konstanta absorbsi, S koefisien hamburan, 0diameter rata-rata butiran dan f frekuensi gelombang ultrasonik yang digunakan. Daripersamaan (5) dapat diketahui bahwa ukuran butir dalam material memberikan dampak padaatenuasi sebanding dengan pangkat 3. Selama proses fatik, pad a arah sumbu memanjangspesimen akan mengalami elongasi sebaliknya, karena efek poisson ratio pada arahketebalan akan mengalami penipisan. Hal ini berdampak pada bentuk mikrostruktur yangberubah menjadi kecil memanjang. Ukuran mikrostruktur ini berhubungan erat dengankuantitas regangan (strain) E. pengaruh regangan terhadap atenuasi ini dinyatakan dengan[8]

dengan (J. atenuasi, B konstanta, E regangan dan f frekuensi gelombang ultrasonik yangdigunakan.

Dari persamaan (6) diketahui bahwa atenuasi merupakan fungsi dari regangan danfrekuensi. Peningkatan regangan akan meningkatkan atenuasi, dalam parameter penelitianini akan berdampak pada penurunan gradien fungsi atenuasi.

Berdasarkan kedua teori di atas, maka proses perubahan gradien fungsi atenuasiselama proses fatik dapat dijelaskan sebagai berikut. Proses fatik dapat dibedakan menjadi 3tahap. Pertama, terjadinya deformasi plastis secara signifikan di awal-awal pemberian beban.Deformasi plastis ini mengakibatkan penurunan gradien frekuensi. Dalam saat yangbersamaan, deformasi plastis ini mengakibatkan kenaikan densitas dislokasi yang akanmeningkatkan gradien fungsi atenuasi. Namun, karena dampak perubahan struktur mikroakibat deformasi terhadap gradien fungsi atenuasi lebih besar daripada dampak dislokasi

326

Prediksi tak-rusak lokasi inisiasi retak pada proses fatik ... (Dr. Roziq Himawan, M.Eng.)

terhadap gradien fungsi atenuasi, maka penurunan gradien fungsi atenuasi mendominasiperubahan.

Kedua, setelah deformasi plastis besar terjadi, deformasi plastis tetap berlangsungmeskipun keci!. Pada tahap ini peran peningkatan densitas dislokasi lebih dominan, sehinggagradien fungsi atenuasi mengalami peningkatan.

Ketiga, tahap terakhir dalam proses fatik, deformasi plastis telah selesai yang diikutidengan proses pengerasan (hardening) pada material, di mana pada proses penegrasan inidislokasi mengalami pengungkungan sehingga tidak bisa bergerak. Oleh karena dislokasitidak memerlukan energi untuk bergerak, maka gelombang ultrasonik tidak kehilangan energi,yang ditunjukkan dengan gradien fungsi atenuasi yang konstan atau relatif turun.

Jika melihat kedua spektrum pengujian (spektrum gelombang pantul dari permukaanspesimen standar dan spektrum gelombang pantul dari permukaan bawah spesimen uji),penurunan gradien fungsi atenuasi kemungkinan disebabkan oleh pergeseran spektrumfrekuensi gelombang pantul dari permukaan bawah spesimen uji ke arah frekuensi tinggi.Untuk memastikan hal ini, selanjutnya dilakukan simulasi perubahan gradien fungsi atenuasimenggunakan sinyal gelombang pantul permukaan atas spesimen standar dan sinyalgelombang pantul permukaan bawah spesimen uji yang belum diberi beban, dengan tatacara sebagai berikut.

Pertama-tama, dicari spektrum frekuensi dari kedua sinyal tersebut, selanjutnyaspektrum frekuensi gelombang pantul permukaan bawah spesimen uji digeser ke arahkomponen frekuensi tinggi sedikit demi sedikit sebesar 1 MHz seperti diperlihatkan pad aGambar 10. Pada Gambar 10, spektrum yang lebih besar adalah spektrum gelombang pantuldari permukaan spesimen standar yang menggunakan skala di sebelah kanan, sedangkanspektrum yang kecil adalah spektrum gelombang pantul dari permukaan bawah spesimen ujiyang menggunakan skala di sebelah kiri. 4 spektrum frekuensi kecil menunjukkan pergeseranatau perubahan posisi spektrum dari frekuensi rendah ke frekuensi tinggi.

Setelah itu, untuk masing-masing posisi spektrum frekuensi yang kecil dicarispektrum fungsi atenuasinya, di mana hasilnya diperlihatkan pada Gambar 11. Oari Gambar11 dapat diketahui bahwa jika spektrum frekuensi kecil mengalami pergeseran ke arahfrekuensi tinggi, grafik fungsi atenuasi mengalami penurunan di bagian kanan.

0.015 I , 15

Frequency Spectrum from front surface reflected wave

//--''

Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN 2087-8079

110

coU 90c::J

(.L.

Co..;:ro::JC(!j 70~

50

o

Initial atenuation function diagram

Atenuation Function arter I MHz shirtnlg

Atenuation Function arter 2 M Hz shilling

Atenuation Function arter 3 MHz shirtnlg

10

Frequency (MHz)

20 30

3

2

1

o

-1

Gambar 11. Perubahan fungsi atenuasi da/am simu/asi

o 1 2 3 4

Shifting ofbackwall reflected wave (MHz)

Gambar 12. HasH Simu/asi Pergeseran Spektrum

Terakhir, dari grafik fungsi atenuasi dieari gradien fungsi atenuasi untuk komponenfrekuensi di dalam rentang frekuensi 10-20 MHz. Hasil perhitungan gradien fungsi atenuasidiperlihatkan pada Gambar 12. Oari Gambar 11 dan 12 dapat diketahui bahwa semakinspektrum frekuensi bergeser ke arah frekuensi tinggi, grafik fungsi atenuasi semakin landai(Gambar 11) dan ini mengakibatkan gradien fungsi atenuasi berkurang (Gambar 12).

Oari simulasi ini diketahui bahwa untuk penurunan gradien fungsi atenuasi sebesar 1dB/MHz, spektrum frekuensi perlu bergeser sekitar 0,5MHz ke arah frekuensi tinggi. Namun,dalam penelitian ini perubahan gradien fungsi atenuasi dalam pengujian ultrasonik lebih keeildari 0,5dB/MHz. Pad a Gambar 9 diperlihatkan bahwa perubahan gradien fungsi atenuasi

328

Prediksi tak-rusak takasi inisiasi retak pada proses (atik ... (Dr. Raziq Himawan, M.Eng.)

pada pengujian ultrasonik besarnya sekitar 0,1 dB/MHz. Sehingga perubahan puncakfrekuensi tidak akan dapat terdeteksi sebagai frekuensi puncak dalam spektrum frekuensi.Oari hal ini diketahui bahwa resolusi alat ukur tidak cukup untuk mendeteksi perubahan yangterjadi selama proses fatik untuk dapat memprediksi lokasi retak. Pada pengujian takmerusak menggunakan ultrasonik, resolusi sistem terkait dengan frekuensi probe gelombangultrasonik yang digunakan. Semakin tinggi frekuensi gelombang ultrasonik yang digunakan,akan semakin meningkatkan resolusi sekaligus sensitivitas pengujian.

BAB V KESIMPULAN

Telah dilakukan pengujian ultrasonik terhadap material yang diberi beban siklus untukmemprediksi lokasi inisiasi retak selama proses degradasi fatik berlangsung. Pengujianultrasonik dilakukan dengan metode water immersion menggunakan probe fokus denganfrekuensi 15 MHz. Oari hasil pengujian diketahui bahwa intensitas puncak spektrumfrekuensi tidak menunjukkan kecenderungan yang baku terhadap kenaikan jumlah sikluspembebanan, sedangkan gradien fungsi atenuasi mengalami penurunan di awal proses fatik,selanjutnya meningkat secara konsisten. Oengan demikian metode tak-rusak denganultrasonik dapat digunakan untuk melakukan monitoring proses fatik, namun perubahan yangmenunjukkan lokasi retak atau daerah plastis tidak dapat diamati dengan metode yangditerapkan pada penelitian ini.

SARAN

Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan, untuk dapat memperoleh hasilpengujian yang dapat memonitor lokasi retak, maka dalam penelitian berikutnya disarankanuntuk:

1. Menggunakan frekuensi yang lebih tinggi untuk meningkatkan ketelitian pengukuran,sehingga area deformasi yang diamati lebih kecil.

2. Memperkecil jarak jumlah pembebanan antara satu pengujian ultrasonik denganpengujian berikutnya.

DAFTAR PUSTAKA

[1] HIRAO, M., et ai, Small Fatigue Crack Behavior in 7075- T651 Aluminum as Monitoredwith Rayleigh Wave Reflection, Metallurgical Transaction A, Vol. 24A, (1998) 1773-1782.

[2] J. Lankford, The Growth of Small Fatigue cracks in 7075-T6 Aluminum, Fatigue of Eng.Mat. And Struc., Vol. 5(3) 233-248.

[3] R.L. Jungerman, et aI., Optical Detection of Acoustic Displacement for theCharacterization of Surface Defects, Material Evaluation, Vol. 42 (4) 444-450.

[4] R. Himawan, Deteksi Retak Permukaan Akibat Fatik Siklus Rendah Dengan MetodeWater Immersion Transduser Tunggal, Pros. Pertemuan dan Presentasi IImiahPenelitian Oasar IImu Pengetahuan Oan Teknologi Nuklir, (2003) 107-114.

[5] TRUELL, et aI., Ultrasonic Methods in Solid State Physics, Academy Press, New York,1969.

[6] CHING, et aI., Influences of Tensile Direction and Plastic Strain on Ultrasonic

Parameters Measured with Rolled Brass Plates, NDT&E International, Vol. 32 (1999)355-361.

[7] Roziq Himawan, Perubahan Spektrum Frekuensi Gelombang Ultrasonik pada ProsesRusak Fatik Siklus Tinggi, Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Kalibrasi,Instrumentasi dan Metrologi (PPI-KIM) (2003) 256-268.

[8] KATO, et aI., Relationship Between Ultrasonic Parameters and Local Strain in PlasticallyDeformed Brass Plates, JSNOI, Vol. 50, No.1, (2001) 34-40.

329

Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti ISSN 2087-8079

[9] Suprapedi and Toyooka, Time-division Observation of Plastic Deformation ProcessUsing Digital Speckle Pattern Interferometry, Optical Review, 4, (1997) 284-287,.

[10] GRANATO, et. aI., Theory of Mechanical Damping due to Dislocation, Journal of AppliedPhysics, 27 (1956) 583.

[11] HIRAO, M., et aI., Ultrasonic Attenuation Peak During fatigue of Polycrystalline, ActaMaterialia, Vol. 48, (2000) 517-524.

[12] ANONYMOUS, Ultrasonic Flaw Detection Method, Japanese Industrial Newspaper,(1974)13.

330