ANALISIS HASIL PENGUJIAN UJI FATIK ROTATING BENDING DENGAN MENGGUNAKAN MATERIAL SS304

UNTUK VERIFIKASI MESIN

Oleh : Alim Mardhi, HistoriPusat Teknologi Reaktor Dan Keselamatan Nuklir – BATAN

alim_mardhi@yahoo.com; histori@yahoo.com

ABSTRAK Analisis Hasil Pengujian Uji Fatik Rotating Bending Dengan

Menggunakan Material SS304 Untuk Verifikasi Mesin. PTRKN-BATAN memiliki fasilitas mesin uji fatik tipe rotating bending yang dibeli pada tahun 1989. Untuk memastikan kinerja mesin sebelum dilakukan pengujian fatik, diperlukan verifikasi. Pada makalah ini dibahas tentang pengujian uji fatik rotating bending dengan menggunakan material SS304. Pengujian ini bertujuan untuk memverifikasi mesin uji fatik sehingga dapat digunakan pada penelitian fatik. Verifikasi mesin dilakukan dengan cara melakukan pengujian fatik dan validasi hasil pengujian dengan membandingkan nilai tegangan lentur pada penampang yang fatik antara nilai dari standar mesin dan nilai hasil perhitungan mekanika. Dari perbandingan ini diperoleh penyimpangan sebesar 5,89% . Sebagai hasil verifikasi berdasarkan hasil pengujian dan analisis disimpulkan bahwa mesin uji fatik dinyatakan layak untuk dipergunakan dalam penelitian dan nilai 5,89% akan dijadikan sebagai faktor koreksi terhadap data hasil pengujian.

Kata kunci : Fatik; Mesin Uji Fatik; Rotating Bending;

ABSTRACTExperimental Data Analysis of Rotating Bending Fatigue Tests by Using

Metal SS304 for Machine Verification. PTRKN-BATAN has a rotating bending fatigue machine that was bought in 1989. To ensure the performance ability of this facility, the verification of the machine is needed. The topic of this paper is make an explanation about rotating bending fatigue test by using metal SS304. The objective is to provide data for supporting verification of fatigue machine that will be use in fatigue research. The verification methods are by doing fatigue experiment and analytical experimental results validation by make the bending stress comparison between test results and the machine reference standard. From the verification justification can be conclude that rotating bending fatigue machine is ready to use in fatigue research.

Key word: Fatigue; Fatigue machine; Rotating Bending;

PENDAHULUANFatik adalah salah satu fenomena kegagalan material setelah kekuatan

material tidak dapat menahan tegangan yang diakibatkan beban berulang dalam jumlah siklus tertentu.[1] Fenomena ini merupakan penyebab utama dari banyak kegagalan yang terjadi pada integritas struktur. Sehingga penelitian fatik masih terus dilakukan sampai saaat ini.

Untuk mendukung penelitian fatik, secara experimental yang paling mendasar adalah diperlukan pengujian fatik. Sebagaimana pada pengujian yang menggunakan mesin uji, ada beberapa faktor yang mempengaruhi keakuratan dan kevalidan data yaitu faktor performa mesin uji, fabrikasi dan perlakuan terhadap benda uji dan kondisi lingkungan pada saat pengujian. Untuk mengetahui performa mesin dalam kondisi layak atau tidaknya dipergunakan maka harus dilakukan verifikasi terlebih dahulu.

Methodologi yang dipakai adalah dengan melakukan uji fungsi mesin secara keseluruhan seperti layaknya sebuah pengujian fatik untuk kemudian dilakukan validasi hasil pengujian tersebut secara analitik dengan menggunakan perhitungan mekanika kekuatan bahan. Hasil pengujian dan validasi kemudian dibandingkan dengan spesifikasi standar yang dikeluarkan oleh pabrik pembuat mesin tersebut. Dari hasil perbandingan data tersebut dapat dijadikan referensi untuk menyatakan status kelayakan mesin untuk dapat dipergunakan dalam penelitian.

PTRKN-BATAN memiliki mesin uji fatik tipe rotating bending. Mesin ini dibeli tahun 1989 dan dipasang di laboratorium uji merusak. Gedung no 80 kawasan Puspiptek Serpong. Usia mesin yang sudah tua memerlukan kepastian agar dapat dipergunakan sesuai fungsinya. Diharapkan pengujian ini akan dapat memberikan verifikasi fungsional mesin.

TEORIUji Fatik

Prinsip kerja pengujian fatik secara umum adalah dengan mengaplikasikan beban bolak balik pada benda uji. Klasifikasi pengujian fatik didasarkan pada jenis pembebanan yang diterima oleh benda uji antara lain pengujian fatik dengan arah pembebanan axial (direct axial stress) berupa pembebanan tarik-tekan, arah bidang bending (plane bending), batang berputar (rotating beam), torsi bolak-balik (alternating torsion), atau beban kombinasi (combined stress).[2]

Tipe pembebanan rotating bending adalah salah satu tipe yang tergolong beban kombinasi dikarenakan benda uji akan mendapat beban bending sekaligus diputar sehingga permukaan benda uji akan mengalami distribusi tegangan tarik dan tegangan tekan yang merata secara bergantian di permukaannya. Sehingga efek beban bolak-balik (reversible) terjadi pada benda uji yang berakibat benda uji dapat mengalami kegagalan fatik (fatigue failure) setelah mengalami sejumlah putaran. Biasanya posisi yang patah selalu terjadi pada daerah yang mendapatkan konsentrasi tegangan paling besar.

Data yang dapat diperoleh dari pengujian fatik tipe rotating bending adalah tingkat tegangan atau nilai pembebanan yang diaplikasikan pada benda uji serta jumlah siklus atau putaran yang dicapai benda uji sampai mengalami patah. Data ini kemudian di plot dalam sebuah grafik yang disebut grafik S-N.

Grafik S-NGrafik S-N adalah grafik yang didapat dari hasil pengujian fatik tipe

pembebanan rotating bending. Hasil pengujian akan diplot dalam sebuah grafik yang merupakan fungsi beban, tegangan, amplitudo tegangan atau kekuatan fatik versus jumlah siklus operasi. Contoh grafik S-N diperlihatkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Grafik hasil pengujian fatik (fatigue test)[3]

Dari grafik Gambar 1 di atas terdapat informasi mengenai karakteristik fatik dari material, dimana sumbu horizontal berisi data jumlah siklus dan sumbu vertikal berisi data tingkatan tegangan pada saat patah pada jumlah siklus tertentu disebut kekuatan fatik (fatigue strength). Pada bagian dalam grafik terdapat titik hitam yang merupakan data hasil pengujian pada satu benda uji. Pada kondisi beban tertentu, pengujian dapat dihentikan walau benda uji tersebut tidak patah dikarenakan jumlah siklus operasi yang sangat tinggi. Hal ini ditunjukkan oleh grafik di atas dengan garis horizontal dan tanda panah yang berarti pada saat dihentikan, sedangkan pengujian masih berlangsung. Kondisi ini dinamakan batas ketahanan material dalam menerima beban fatik (endurance limit). Tingkatan tegangannya dinamakan tegangan endurance (σe). Untuk merencanakan komponen yang dengan umur pakai yang aman bahkan umur tak hingga maka tingkat tegangan yang diaplikasikan harus berada di bawah batas tegangan endurance nya. Tegangan Lentur (Bending Stress)

Dalam ilmu mekanika bahan, untuk menghitung tegangan yang terjadi pada balok atau poros akibat menerima beban lentur menggunakan persamaan 1.[4]

………………………………………(pers.1)

Dengan : M = F x L, dan untuk penampang berdiameter d nilai

Keterangan:

= Tegangan akibat momen lentur.M = Momen yang disebabkan beban F sejauh L dari titik tumpu.

F = Beban yang dikenakan pada porosL = Panjang lengan momen.I = Momen Inersia bahan.S = Modulus penampang.c = Jarak dari sumbu netral ke serat extrim tegangan.d = Diameter poros.

METODOLOGI 1. Spesimen

Material yang dipakai adalah baja tahan karat jenis SS304, material jenis ini digunakan karena banyak digunakan sebagai komponen di dalam reaktor nuklir. Berdasarkan hasil uji material dengan menggunakan alat uji Alloy Analyzer XMET 3000 dan dari hasil pengujian tarik didapat sifat-sifat material seperti yang ditampilkan pada Tabel 1 berikut:

Tabel 1. Data sifat-sifat material SS304Kandungan Unsur Material

Jenis Unsur Persentase (%)Khromium Cr 18,08Vanadium V 0,24Mangan Mn 0,63Besi Fe 73,22Kobalt Co 0,1Nikel Ni 7,63Tembaga Cu 0,53Molibden Mo 0,312

Sifat-sifat Mekanik MaterialTegangan Patah (MPa) 586Tegangan Luluh (Mpa) 241Elongation (%) 55

Bentuk dan dimensi spesimen untuk pengujian fatik mengacu pada standar pengujian fatik ISO 1143 dan ISO R375 [6] dan disesuaikan dengan spesifikasi mesin uji fatik yang digunakan. Pada pengujian ini digunakan jenis benda uji Toroidal sebagaimana di tampilkan dalam Gambar 2. Jenis pembebanan untuk benda uji jenis ini adalah tipe cantilever yaitu dengan ujung yang digantung beban sebesar P pada jarak 155 mm dari titik tumpu kemudian diputar sehingga menjadi pembebanan bolak-balik yang merupakan jenis pembebanan dalam fenomena fatik.

Gambar 2. Benda uji pengujian fatik jenis pembebanan rotating bending [7]

2. Uji Fatik

Mesin yang digunakan dalam pengujian ini adalah mesin uji fatik dengan tipe pembebanan rotating bending, jenis benda uji toroida. Adapun spesifikasi selengkapnya seperti ditampilkan dalam Tabel 2.

Gambar keseluruhan alat uji ini dapat dilihat pada Gambar 3. prinsip operasinya adalah setelah benda uji terpasang pada clamp hex nut (9) dan rumah bantalan (13), benda uji di beri beban dengan piringan baja yang memiliki berat tertentu pada dudukan beban (18). Setelah tombol mulai (start) (23) ditekan maka motor listrik akan berputar. Untuk transmisi putaran ke poros benda uji, dari poros motor ditransmisikan melalui pulley motor ke pulley poros benda uji dimana antara keduanya dihubungkan dengan sabuk transmisi (2). Setelah poros benda uji berputar, rumah bantalan yang terpasang dengan benda uji akan memutar pencatat siklus (counter) (11). Dari pencatat siklus inilah akan diketahui jumlah siklus yang telah dicapai oleh benda uji. Pencatat siklus ini bersifat berjenis analog dengan kemampuan menunjukkan angka sampai 107 digit. Selanjutnya apabila benda uji mengalami patah maka dudukan beban akan jatuh mengenai sensor dan otomatis operasi mesin akan terhenti. Hasil akhir dari pencatat siklus akan di catat dan dijadikan data bersama beban yang terpasang.

Nilai tegangan pada permukaan patah menurut buku petunjuk penggunaan mesin yang dikeluarkan oleh perusahaan pembuatnya setara dengan beban yang diberikan per satuan luas permukaan yang patah (Kg/mm2)[7]. Namu perlu diketahui bahwa beban yang terpasang pada mesin uji harus dikurangi dengan bobot dudukan beban dan rumah bantalan sebesar 2 Kg. Jadi untuk mendapatkan tegangan pada saat patah sebesar 25 Kg/mm2 maka operator hanya memasang beban sebesar 23 Kg.

Hasil yang telah diperoleh berupa jumlah siklus dan tegangan pada saat patah kemudian diplot dalam sebuah grafik S-N dengan nilai jumlah siklus pada sumbu absis dan nilai tegangan dalam

sumbu ordinat. Untuk satu benda uji akan didapat satu data, sehingga diperlukan banyak benda uji untuk mendapatkan data yang akurat.

Kondisi pengujian fatik untuk spesimen jenis SUS304 adalah dengan kondisi temperatur suhu ruang. Untuk beban 22 sampai 30 Kg menggunakan kecepatan putaran motor 1000 rpm dan untuk pengujian dengan beban 21 Kg menggunakan putaran motor 2000 rpm.

Tabel 2. Spesifikasi mesin uji fatik di Lab DT-PTRKN[7]

Nama Mesin Rotating Bending Fatigue MachineMerek ANSALDONegara Pembuat ItaliaJenis Spesimen Toroidal Kapasitas Beban 1 Kg – 60 Kg ~ 10 Mpa – 600 Mpa Max Siklus Counter 9x106 Siklus.Speed 1000, 2000, 3000 (Rpm)Standar Pengujian ISO 1143; ISO R 373

Gambar 3. Mesin uji fatik rotating bending[7]

3. Perhitungan AnalitikPerhitungan analitik dilakukan dengan tujuan mendapatkan nilai pembanding

dengan hasil pengujian untuk selanjutnya di validasi dengan standar yang ditetapkan oleh buku pedoman.

Benda uji pada saat pengujian diberi beban sebesar P secara kantilever di ujungnya seperti ditampilkan pada Gambar 4. Akibat pembebanan ini, benda uji akan

mendapatkan beban lentur sehingga terjadi distribusi tegangan pada luasan penampang berupa tegangan tarik (tension) dan tegangan tekan (compression) seperti ditampilkan pada Gambar 5. Putaran pada benda uji akan mendistribusikan efek beban lentur merata di seluruh sisi benda uji sehingga satu sisi benda uji akan mendapat dua jenis tegangan secara bergantian (reversible) yang pada akhirnya akan menyebabkan kegagalan fatik.

Untuk menghitung besar tegangan yang diterima pada saat mengalami patah, dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan 1 diatas. Data yang diperlukan untuk melakukan perhitungan tegangan adalah berupa jarak sejauh L dari bagian yang patah ke pusat pembebanan dan diameter (d) dari penampang yang patah.

Gambar 4. Arah dan dimensi pembebanan pada benda uji.

Gambar 5. Distribusi tegangan akibat beban lentur.[4]

HASIL DAN PEMBAHASAN1. Hasil Uji Fatik

Dari hasil pengujian fatik dengan mesin uji fatik tipe beban rotating bending didapat data tingkat tegangan versus jumlah putaran, data selengkapnya seperti ditampilkan pada Tabel 3 dan di plot dalam bentuk grafik S-N seperti ditampilkan pada Gambar 6.

Tabel 3.Hasil uji rotating bending fatik material SS304No. Tegangan (MPa) Jumlah siklus (N)1 300 70502 280 190003 270 171704 260 27200

5 260 9200

180

200

220

240

260

280

300

1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07

Log N (Cycles)

Fat

igu

e S

tren

gth

(M

Pa)

6 250 421907 240 627208 220 1500000*9 221 1500000*

Keterangan * : Spesimen tidak mengalami patah

Gambar 6. Grafik S-N hasil pengujian

2. Perhitungan AnalitikDari benda uji yang telah patah pada saat pengujian dapat diperoleh data

seperti ditampilkan pada Tabel 4 dan kemudian digunakan untuk menghitung secara manual tegangan lentur yang terjadi pada bagian yang patah. Data tersebut kemudian dibandingkan dengan nilai tegangan lentur yang telah distandarkan dari pabrik pembuat mesin seperti yang tertera pada buku petunjuk pengoperasian mesin uji.

Tabel 4.Hasil perhitungan analitik tegangan lentur benda uji

DiameterLengan Momen Beban Momen

Modulus Penampang

Tegangan Lentur

Tegangan Standar

Galat Error

Nod

(mm)L

(mm)P

(Kg)M

(Kg.mm) Sσ

(Kg/mm2)σ

(Kg/mm2) (%)1 10,2 108 30 3240 104,131 31,114 30 3,712 10,33 108,35 28 3033,8 108,163 28,048 28 0,173 9,6 90 26 2340 86,815 26,954 27 0,174 9,6 90 26 2340 86,815 26,954 26 3,675 9,44 82 27 2214 82,546 26,821 26 3,166 10,08 94,58 25 2364,5 100,499 23,528 25 5,897 10,12 98 24 2352 101,700 23,127 24 3,64

Persentase penyimpangan dari hasil perhitungan terhadap nilai standar seperti ditampilkan pada Tabel 4 memiliki nilai berkisar dari 0,17 % sampai 5,89 %. Artinya data yang diperoleh dari hasil pengujian memiliki nilai penyimpangan terbesar

Endurance line

sebesar 5,89 %. Sebagai evaluasi untuk verifikasi mesin Faktor penyebab dari penyimpangan ini tidak dapat secara mutlak diindentifikasi sebagai penyimpangan performa alat, karena selain faktor alat ada juga faktor kondisi pengujian dan faktor fabrikasi spesimen. Namun nilai tersebut dapat dijadikan sebagai faktor koreksi terhadap data hasil pengujian menggunakan mesin uji tersebut, sehingga mesin uji tersebut dapat dinyatakan layak untuk digunakan dalam penelitian fatik.KESIMPULAN

Pengujian fatik sangat diperlukan dalam rangka penelitian mengenai kegagalan fatik dimana fenomena ini sangat berpengaruh terhadap integritas struktur material.

Pengujian fatik yang telah dilakukan pada material logam SUS304 dengan menggunakan mesin uji fatik tipe rotating bending menghasilkan gambaran karakteristik kekuatan fatik material secara keseluruhan yang ditampilkan dalam sebuah grafik S-N.

Dari validasi secara analitik terhadap hasil pengujian menghasilkan nilai penyimpangan maksimum sebesar 5,89%. Nilai ini merupakan faktor koreksi terhadap data hasil pengujian. Artinya data hasil pengujian dapat dipergunakan secara valid apabila dengan disertai faktor koreksi tersebut.

Nilai penyimpangan tersebut dapat dijadikan sebagai acuan dalam memverifikasi mesin untuk menunjukkan bahwa performa mesin dapat dinyatakan layak untuk dapat dijadikan sebagai mesin uji fatik pada penelitian fatik.

DAFTAR PUSTAKA

1. H.O.FUCHS, RALPH I STEPHEN, Metal Fatigue in Engineering, John Willey & Sons, New York,1983.

2. ASM INTERNATIONAL, ASM Metal Handbook, Vol 19 Fatigue and Fracture,1996.

3. J.E. SHIGLEY AND C.R. MISCHKE, Mechanical Engineering Design, 5th Ed., John Willey & Sons, 1991

4. GEORGE E. DIETER, Mechanical Metallurgy, Second Edition, Mc Graw Hill Int. Tokyo, 1982.

5. --------,International Standard ISO 1143, 1975.6. --------,International Standard ISO R 373, 1964.7. --------,Fatigue Bending Test Machines Operation and Maintenance Manual,

Ansaldo ESL 35820I0003, Italy, 1989.