JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
1
Analisa Kegagalan Pada Inboard Wheel Hub #4 Pesawat B737-800 PK-GEN Di PT. GMF AEROASIA - Cengkareng Edith Setia Ginanjar, Rochman Rochiem Jurusan Teknik Material & Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail:
[email protected] Abstrak— Tujuan penelitian ini adalah untuk menganalisa penyebab terjadinya kegagalan pada inboard Wheel Hub #4 pesawat B737-800 PK-GEN. Dari hasil pengujian XRF diketahui material komponen ini adalah Aluminium 2014. Untuk melakukan penelitian ini, dilakukan analisis kegagalan dalam aspek metalurgi berupa uji makro, mikro, kekerasan vickers, SEM-EDX, XRD, dan permodelan dengan nastran. Dari hasil penelitian ini diperoleh data nilai kekerasan pada daerah yang mengalami patahan sebesar 84,4 HV dan daerah yang jauh dari patahan sebesar 72.9 HV. Analisa struktur mikro dan makro pada aluminium seri 2014 ini dan analisa karakterisasi material dari XRD dan SEM-EDX menunjukkan penyebaran unsur yang terdapat pada permukaan patahan dan daerah yang jauh dari patahan. Dari hasil permodelan diketahui penyebaran tegangan yang tersebar dalam komponen ini sehingga mengakibatkan kegagalan. Kata Kunci— Main wheel, Inboard hub, Aluminium 2014, Fraktografi
I. PENDAHULUAN ADA tanggal 22 mei 2012, Pesawat terbang Boeing 737-800 PK-GEN milik maskapai Garuda Indonesia diharuskan RTA (Return To Apron) dikarenakan brake nomor 4 jammed. Hal ini dikarenakan inboard hub pada main wheel nomor 4 dengan part number 26123111 pecah menjadi tiga bagian sehingga menyebabkan brake unit P/N 26123121 jummed. Inboard hub ini dibuat pada tahun 2004, masuk GMF untuk pertama kali tire change adalah pada tanggal 13 Juni 2009. pada tire change terakhir, tanggal 20 April 2012 tidak terdapat task NDT. Sesuai ref CMM (Component Maintenance Manual) 32-40-14 rev/date : 9/30 Juni 2011 page 504, pelaksanaan NDT pada area inboard hub dilakukan saat overhaul. Overhaul hub assy dilaksanakan setiap 2 tahun atau telah mencapai 1800 cycle. Sampai saat mengalami kegagalan main wheel nomor 4 ini telah bekerja sebanyak 58 cycle sejak pergantian tire terakhir, 868 cycle sejak overhaul terakhir, dan 6185 cycle sejak baru. B737-800 didesain dengan tricycle type landing gear, yaitu dengan memiliki dua main landing gear dan satu nose landing gear. Terdapat masing-masing dua roda dan ban pada setiap main landing gear dan nose landing gear-nya. Dalam kerjanya, main landing gear menerima
P
beban yang besar pada saat pesawat landing dan taxing. Main wheel pada B737-800 terbagi menjadi dua bagian yaitu bagian inner dan outer yang dihubungkan oleh tie bolts (Aircraft Maintenance Manual B737600/700/800/900, ATA 54-32-00, 2012). Diketahui jenis material ini adalah aluminium 2014, setelah dilakukan penelitian sebelumnya dilaboratorium PT.GMF AeroAsia menggunakan pengujian XRF Flourescene seperti pada tabel 1.1 dengan match quantity 10.0 Tabel 1 Komposisi kimia inboard wheel hub (Al 2014)
Unsur
Komposisi (%)
Cu Mn Si Mg Fe Ti Ni Al
4.07 0.79 0.61 0.19 0.12 0.03 0.01 Balance
Paduan aluminium seri 2xxx dengan paduan utamanya Cu sangat cocok untuk bagian atau struktur yang membutuhkan kekuatan yang tinggi. Untuk pemeriksaan selanjutnya, pengerjaan dilakukan pada laboratorium. Mengamati pola patahan makro dan mikro menggunakan stereo microscope dan SEM. Pengujian karakterisasi material menggunakan SEMEDX dan XRD digunakan untuk mengetahui unsur dan senyawa apa saja yang terbentuk pada komponen ini sehingga mengalami kegagalan. Pengujian kekerasan vickers digunakan untuk mendapatkan data kekerasan pada komponen dan dibandingkan dengan data kekerasan minimal yang tercantum pada CMM (Component Maintenance Manual). Pengujian permodelan menggunakan software nastran untuk mendapatkan data distribusi tegangan yang terjadi pada inboard main wheel hub .
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6 II.
METODE PENELITIAN
A. Pengambilan dan Preparasi Spesimen Dilakukan proses cutting pada bagian ujung pecahan inboard main wheel yang diindikasi terdapat initial crack. Kemudian dijadikan spesimen untuk karakterisasi material menggunakan pengujian Fraktografi, XRD dan SEM-EDX, sedangkan bagian yang letaknya jauh dari crack digunakan untuk pengujian XRD dan SEM-EDX untuk membandingkan hasil yang di dapat dengan spesimen yang terdapat initial crack. Proses sectioning dilakukan untuk mendapatkan ukuran spesimen yang lebih proporsional lagi untuk pengujian fraktografi. Hal ini berdasarkan pada standar ukuran spesimen untuk pengujian dengan mesin XRD, Stereo Microscope, dan mesin Scanning Electron Microscopy. B. Pengujian fraktografi Pengamatan fraktografi dilakukan untuk mengetahui profil permukaan retak secara makro dan mikro pada spesimen yang mengalami crack. Pengamatan secara makro menggunakan kamera digital dan stereomicroscopy. Sedangkan pengamatan secara mikro menggunakan Mesin SEM, ini untuk mempermudah analisa proses terjadinya kegagalan pada komponen.
2 III.
HASIL & DISKUSI
A. Pengujian Fraktografi Dari pengamatan secara makro menggunakan kamera SLR pada daerah komponen main wheel yang mengalami kerusakan terlihat pada gambar 1, didapat gambar patahan yang terlihat pada gambar 2. Terlihat kegagalan pada inboard hub ini terjadi pada daerah diameter dalam tempat bearing menjalar hingga ke diameter luar inboard hub. Arah rambatan retak terlihat dari tanda panah yang berwarna merah dan kuning yang menunjukkan bahwa arah rambatan tegak lurus dengan pembebanan pada komponen ini.
Gambar 1 Skema daerah main wheel B737-800 yang mengalami kegagalan (ATSB Transport Safety Report, 2010)
C. Pengujian SEM-EDX Identifikasi komposisi kimia dilakukan untuk mengetahui komposisi kimia pada komponen dan membandingkan spesimen yang mengalami patahan dan spesimen yang jauh dari patahan. D. Pengujian Kekerasan Vickers Pengujian kekerasan vickers digunakan untuk mengetahui nilai kekerasan spesimen yang mengalami patah dan spesimen yang letaknya jauh dari patahan kemudian dibandingkan dengan nilai kekerasan minimal komponen inboard main wheel yang tertera pada CMM (Component Maintenance Manual). E. Pengujian XRD Pengujian XRD dilakukan untuk melihat struktur kristal dan fase-fase yang terbentuk. Tujuan pengujian struktur kristal adalah untuk mengetahui perubahan fase struktur bahan dan mengetahui fase-fase apa saja yang terbentuk selama proses pembuatan sampel uji. Pengujian ini dilakukan pada spesimen yang mengalami patahan dibandingkan dengan spesimen yang letaknya jauh dari patahan. F. Pengujian Permodelan Pengujian permodelan dengan software Nastran didapat hasil pembebanan yang disimulasikan pada komponen dikondisikan sama dengan data aterial yang diperoleh. Hasil analisa dari MSC Nastran ini adalah berupa distribusi tegangan yang terjadi pada komponen dengan persebarannya ditunjukkan dengan indikator warna.
Gambar 2 Pembagian daerah retak awal (a), penjalaran retak (b), dan daerah patah akhir (c) pada material yang mengalami kegagalan
Pada bagian (a) adalah daerah initiation crack, daerah ini terletak pada permukaan diameter dalam dari main wheel hub, ini adalah tempat bearing yang berfungsi sebagai penahan beban yang diberikan oleh pesawat. Dengan permukaan yang terilat terang dan halus bila dibandingkan dengan daerah b yang merupakan daerah rambatan dari retak, terdapat beachmarks dan striasi yang terlihat dengan bantuan stereomicroscope
Gambar 3 Perbesaran pada daerah initial crack (a) diambil dengan stereomicroscope perbesaran 20x
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
3
\
Gambar 4 Hasil SEM pada material main wheel hub dalam berbagai macam perbesaran (a) Perbesaran 27x pada sampel yang mengalami kegagalan (b) Perbesaran 500x pada daerah rambatan initial crack (c) Perbesaran 1000x pada daerah awal initial crack
Pada gambar 2 (b) adalah daerah rambatan retak (crack propagation) pada main wheel hub yang mengalami kegagalan. Permukaan yang berwarna lebih gelap dan perbedaan ketinggian yang terlihat secara makro bila dibandingkan dengan daerah initial crack, daerah ini berbentuk berupa butir-butir kasar (coarse grains) dan terdapat beachmarks ditunjukkan pada gambar 4.5 adalah pola patahan gabungan (mix-mode appearence) diduga terjadi dari patah getas bertransformasi menjadi patah ulet, hal ini terlihat dari posisi beachmarks daerah ini terletak pada sebelah kiri dari initial crack setelah pola dari patah getas.
Gambar 6 Hasil SEM pada material main wheel hub dalam berbagai macam perbesaran (a) Perbesaran 27x pada sampel yang mengalami kegagalan, (b) perbesaran 250x pada daerah patah getas, (c) Perbesaran 1000x pada daerah patah getas
Pada gambar 2 (c) adalah daerah patah akhir (final crack) pada main wheel hub yang mengalami kegagalan. Permukaan yang kasar dengan butir-butir yang kasar (coarse grains) tidak adanya beachmarks yang terlihat pada hasil pengamatan secara makro menggunakan stereomicroscope. Daerah c tidak memiliki ciri tersebut bahkan pada rambatan patah akhir tidak terlihat adanya striasi, hal ini mengindikasi bahwa rambatan ini adalah rambatan akhir saat komponen tidak lagi bisa menerima beban yang diberikan dengan luasan penampang yang tersisa sehingga terjadi kegagalan pada komponen ini.
c
Gambar 5 Perbesaran pada daerah crack propagation (b) diambil dengan stereomicroscope perbesaran 20x
Gambar 7 Perbesaran pada daerah patah akhir (c) dengan stereomicroscope dengan perbesaran 20x
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
4 Hasil identifikasi unsur ini dilakukan pada permukaan spesimen yang terletak jauh dari patahan. Tabel 2 Nilai komposisi unsur spesimen pada daerah yang mengalami kegagalan
Gambar 8 Hasil SEM pada material main wheel hub dalam berbagai macam perbesaran (a) Perbesaran 27x pada sampel yang mengalami kegagalan, (b) perbesaran 100x pada rambatan patah akhir, (c) Perbesaran 100x pada daerah patah akhir
B. Pengujian SEM-EDX Pengujian SEM-EDX dilakukan untuk mengetahui komposisi kimia penyusunnya, sehingga diketahui unsur apa yang menyebabkan material itu retak dan sampai patah. Sampel yang digunakan untuk pengujian SEMEDX adalah spesimen yang jauh dari retakan dan spesimen yang berada pada daerah retakan. Jika dilihat dari hasil uji EDX pada tabel 1, maka terlihat bahwa unsur paduan utama Al, Cu, dan Si yang merata pada seluruh permukaan yang terletak jauh dari patahan. Adanya unsur O yang terbentuk adalah hasil dari fenomena pasivasi yang terjadi pada aluminium. Lapisan ini sangat mudah terbentuk ketika aluminium kontak langsung dengan udara. Tabel 1 Hasil maping tiap unsur EDX dengan perbesaran 50x pada daerah yang terletak jauh dari retakan, dimana:
Bila dibandingkan dengan daerah yang mengalami retakan tidak ada unsur yang berbeda dari hasil EDX. Terlihat pada tabel 2, tabel ini menunjukkan komposisi unsur paduan yang dominan pada spesimen yang mengalami kegagalan yaitu Al, Cu, O, Si, Mg, Mn, Fe, Ti dan Ni. Kesembilan unsur tersebut yang memiliki kandungan paling banyak adalah Al, dimana aluminium ini sebagai paduan utama. Sedangkan unsur lain yang paling dominan ialah Cu dan O setelah itu Si dan Mg dilanjutkan dengan Mn dan Fe kemudian Ti dan Ni.
Hasil SEM-EDX didapat dari spesimen yang terletak jauh dari retakan dan daerah retakan tidak ada perbedaan, tetapi pada setiap spesimen di dapat unsur Cu yang terbaca oleh EDX hal ini diindikasi dari senyawa dari CuAl2 yang terbentuk pada komponen ini. Komponen ini telah mengalami proses forging (CMM ATA 32-40-14) dan mengalami perlakuan solution treatment serta aging. Pada proses ini unsur Cu tidak terlihat, dan ini tersebar pada spesimen dengan ukuran submikroskopik. Bila ukuran presipitat bertambah besar dan terlihat dimikroskop, maka spesimen telah mengalami overaged sehingga kekuatannya menurun. C. Pengujian Kekerassan Vickers Pengujian Hardness ini diperlukan untuk mengetahui distribusi kekerasan dari diameter dalam hingga diameter luar pada daerah main wheel hub yang mengalami kegagalan dan yang berada jauh dari kegagalan diperlihatkan pada gambar 9, pengujian ini menggunakan ASTM E92-82, Indentasi dilakukan pada daerah yang mengalami kegagalan dengan jumlah indentasi 5 titik dan beban yang sebesar 15-kgf. Pada table 3 diperlihatkan nilai kekerasan yang di dapat pada daerah yang mengalami kegagalan dan daerah yang jauh dari kegagalan, serta grafik distribusi kekerasan dari diameter dalam hingga diameter luar inboard hub terlihat pada gambar 10
Gambar 9 (a) Posisi indentasi pada material daerah patahan (b) Posisi indentasi pada material daerah jauh dari patahan
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6 Tabel 2 Nilai kekerasan komponen main wheel
5
Dari dua grafik yang didapat hasil keduanya tidak ada perbedaan dari 2θ pada peak yang terbentuk pada tiap grafiknya, hasilnya bersesuaian dengan JCPDF nomor 03-0932 dan 03-1079 yang menunjukkan bahwa tiga peak tertinggi bersesuaian dengan fasa Al dan fasa CuAl2 telah terbentuk pada spesimen yang berada pada daerah retakan dan yang terletak jauh dari retakan. E. Pengujian Permodelan Pembebanan berasal dari tekanan pada daerah bearing sebesar 79.010 kg/mm2 sehingga diperoleh distribusi beban pada seluruh daerah analisis pada inboard main wheel hub terlihat pada gambar 13 Tahap pra permodelan merupakan tahapan pembuatan geometri model dan pembagian elemen pada permukaan model. Gambar 12 menunjukkan hasil pembagian elemen atau meshing.
Gambar 10 Grafik distribusi kekerasan pada daerah main wheel yang mengalami patahan dan yang berada jauh dari patahan
Menurut CMM 32-40-14, dijelaskan bahwa pada proses inspeksi nilai kekerasan minimal pada bagian inboard hub dan outboard hub adalah 75 HRB atau 119 HB, bila nilai kekerasan ini di konversikan ke dalam vickers menurut ASTM 140-02, maka didapat nilai kekerasan dengan kisaran 147HV. Dari data distribusi yang didapat pada pengujian pada daerah kegagalan ini didapat nilai rata-rata kekerasan sebesar 84.4 HV, sedangkan pada daerah yang jauh dari kegagalan didapat nilai rata-rata kekerasan sebesar 72.9 HV. Dari data yang didapat terlihat bahwa komponen ini mengalami penurunan kekerasan sebesar 42.58% pada daerah yang mengalami patahan dan sebesar 50,4% pada daerah yang berada jauh dari patahan. D. Pengujian XRD Hasil pengujian XRD dilakukan pada spesimen yang berada pada daerah retakan dan pada spesimen yang berada jauh dari retakan. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui perubahan fasa yang terbentuk dari kedua spesimen. Dari hasil pengujian sampel didapat grafik pada gambar 11
Gambar 11 Hasil pengujian XRD pada komponen main wheel yang berada pada daerah patahan dan yang berada jauh dari patahan
Gambar 12 Hasil meshing inboard main wheel hub
Gambar 13 Arah tumpuan dan pembebanan pada inboard main wheel hub. (a) Arah tumpuan, (b) Arah pembebanan
Tahap analisis model dimulai dengan menetukan kondisi batas berupa tumpuan dan beban. Pemberian tumpuan mengikuti Hukum Newton I, yaitu resultan gaya – gaya yang bekerja pada sumbu x, y, dan z adalah nol. Sehingga tumpuan yang diberikan harus dapat menahan model di ketiga arah tersebut. Tumpuan yang diberikan pada komponen ini terletak pada bagian bawah dimana bagian ini adalah bagian dari inboard wheel dan bagian diameter luar dari inboard wheel hub yang menjadi tempat untuk brake system hal ini terlihat pada gambar 13. Dari hasil pembebanan yang di berikan, didapat hasil analisa MSC Nastran adalah berupa distribusi tegangan yang terjadi pada komponen dengan
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6 persebarannya ditunjukkan dengan indikator warna yang terlihat pada gambar 14. Dari hasil tersebut didapat tegangan terendah sebesar 4,14 x 103 kg/mm2 pada daerah yang ditunjukkan pada node 282006 dan yang terbesar adalah 2,57x105 kg/mm2 ditunjukkan pada node 236539. Deformasi yang terbesar pada komponen ini terletak pada node 246157 sebesar 1,93x101 mm.
Gambar 14 Distribusi tegangan yang terjadi pada komponen inboard wheel hub
Dari hasil analisa yang didapat pada permodelan ini terlihat distribusi tegangan yang besar terletak pada daerah ujung dalam dari tempat bearing. Hal ini sama dengan hasil yang diperoleh dari pengujian fraktografi, terlihat inisiasi retakan berada pada ujung diameter dalam inboard wheel hub yang menjalar hingga ke arah diameter luar. IV.
KESIMPULAN
Faktor yang menyebabkan kegagalan komponen pada main wheel hub pesawat terbang Boeing 737-800 yaitu fatigue failure. Mekanisme kegagalan komponen main wheel hub ini terjadinya dikarenakan material pada komponen ini mengalami overaged sehingga kekerasan dan kekuatannya menurun. DAFTAR PUSTAKA [1]
______. 2002. ASM Handbook Vol.9 Metallographic and Microstructure. Material Park. Ohio. USA. ASM International. [2] ______. 2002. ASM Handbook Vol.12 Fractography. Material Park. Ohio. USA. ASM International. [3] ______. 2002. ASM Handbook Vol.19 Fatigue and Fracture. Material Park. Ohio. USA. ASM International. [4] ______. 2002. ASTM E140-02 Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope Hardness. USA. ASTM International. [5] ______. 2002. ASTM E92-82 Standard Test Method for Vickers Hardness of Metallic Materials. USA. ASTM International. [6] ______. 2008. B737-600/700/800/900 Aircraft Maintenance Manual (AMM). Seattle WA : Boeing Commercial Airplane Group. ATA 54-32-00 [7] ______. 2010. Main Landing Gear Failure – Melbourne Aerodrome 20 October 2009. Australia : Australian Transport Safety Bureau. [8] Allegrucci, L, Amura, M, Bagnoli, F, Bernabei, M. 2008. Fatigue of a Aircraft Canopy Lever Reverse. Rome. Italy. [9] Amura, M, Allegruci, L, De Paolis, F, Bernabei, M. 2012. Fatigue of an AMX Aircrft Main Wheel. Rome. Italy. [10] Astori, Paolo. 2009. Lecture Notes. Milan : Politecnico Di Milano-Dipartimento Di Ingegneria Aerospaziale Numerical Models For Aircraft System.
6 [11] Avner, Sidney H. 1974. Introduction To Physical Metallurgy. Singapore : McGraw-Hill Book Co. [12] Bradburry E. J. 1991. Dasar Metalurgi Untuk Rekayasawan. Indonesia : PT Gramedia Pustaka Utama. [13] Callister, William. 2007. Material Science and Engineering An Introduction. New York : John Wiley & Sons, Inc. [14] Colangelo, V.J. 1989. Analysis of Metallurgical Failures Second Edition. Singapore : John Wiley & Sons, Inc. [15] Courtney, Thomas H. 1990. Mechanical Behavior Of Materials. Singapore : McGraw-Hill Book Co. [16] Dieter, George E. 1987. Metalurgi Mekanik. Jakarta : Erlangga. [17] Gedde, U. W. 1995. Polymer in Chemical Sensors and Arrays. Germany : University of Regensburg. [18] Jamsari. 2005. Failure Analysis Of Wheel Hub Made From Al 2014-T61. UGM [19] Kroschwitz, J. 1990. Polymer Characterization and Analysis. Canada : John Wiley and Sons Inc. [20] Nishida, Shin-ichi.1992. Failure Analysis in Engineering Apllication. Jordan Hill. Oxford. Butterworth-Heinemann Ltd. [21] R. Brooks, Charlie and Choudhury, Ashok. 2002. Failure Analysis of Engineering Materials. New York : McGraw-Hill. [22] Smallman, R. E. and Bishop R.J. 1999. Metalurgi Fisik Modern dan rekayasa Material. Indonesia : Erlangga.
