BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Aluminium 2.1.1 Sejarah Aluminium Aluminium ditemukan kira-kira sekitar 160 tahun yang lalu dan mulai diproduksi skala industri sekitar 90 tahun yang lalu. Berikut sejarah perkembangan tentang penemuan aluminium: 1. Pada tahun 1782, seorang ilmuwan Prancis bernama Lavoiser telah menduga bahwa aluminium merupakan logam yang terkandung di dalam alumina. 2. Pada tahun 1807, ahli kimia Inggris bernama Humphrey Davy berhasil memisahkan alumina secara elektrokimia logam dan yang diperoleh dari pengujian tersebut adalah aluminium. 3. Pada tahun 1821, biji sumber aluminium ditemukan di Prancis Selatan, tepatnya di kota Lesbaux, yang dinamakan bauksit. 4. Pada tahun 1825, ahli kimia Denmark, Orsted berhasil memisahkan aluminium murni dengan cara memanaskan aluminium chloride dengan kalium amalgam dan kemudian memisahkan merkuri dengan cara destilasi. 5. Pada tahun 1886, mahasiswa Oberlin College di Ohio, Amerika Serikat bernama Charles Martin – Hall menemukan dengan cara melarutkan alumina (Al2O3) dalam lelehan kliorit (Na3AlF6) pada temperatur 960 OC dalam bentuk kotak yang dilapisi logam karbon dan kemudian melewatkan arus listrik melalui ruang tersebut. Cara ini dikenal dengan proses Hall – Heroult, karena ini terjadi pada tahun yang sama dengan seorang Prancis yang bernama Paul Heroult. 6. Pada tahun 1888, ahli kimia Jerman Karlf Josef Bayern menemukan cara memperoleh alumina dari bauksit secara pelarutan kimia. Sampai saat ini cara Bayer masih digunakan untuk memproduksi alumina dari bauksit secara industry dan disebut dengan proses Bayer. (Davis, Jr, 1993). 5 Universitas Sumatera Utara

Metoda penambangan logam Aluminium adalah dengan cara mengelektrolisis alumina yang terlarut dalam cryolite. metoda ini ditemukan oleh Hall di AS pada Tahun 1886 dan pada saat yang bersamaan oleh Heroult di Perancis. Crylite, bijih alami yang ditemukan di Greenland sekarang ini tidak lagi ditemukan untuk memproduksi Aluminium secara komersil. Penggabtinya adalah cairan buatan yang merupakan campuran natrium, Aluminium dan Kalsium Fluorida. Unsur ini ringan, tidak megnetik dan tidak mudah terpercik, merupakan logam kedua termudah dalam soal pembentukan, dan keenam dalam soal ductility. Aluminium banyak digunakan sebagai peralatan dapur, bahan kpntruksi bangunan dan ribuan aplikasi lainnya dimana logam yang mudah dibuat, kuat dan ringan diperlukan. Walau konduktivitas listriknya hanya 60% dari tembaga, Aluminium digunakan sebagai bahan transmisi karena ringan. Aluminium murni sangat lunak dan tidak kuat. Tetapi dapat dicampur dengan tembaga, magnesium, silikon, mangan,

dan

unsur-unsur

lainnya

untuk

membentuk

sifat-sifat

yang

menguntungkan. Campuran logam ini penting kegunaannya dalam kontruksi pesawat modern dan roket. Logam ini jika diuapkan divakum membentuk lapisan yang memiliki reflektivitas tinggi untuk cahaya yang tampak dan radiasi panas. Lapisan ini juga menjaga logam dibawahnya dari proses oksidasi sehingga tidak menurunkan nilai logam yang dilapisi. Lapisan ini juga digunakan untuk memproteksi kaca teleskop. Jenis Aluminium dibedakan berdasarkan kemurnian atau persentase aluminium murni dalam komposisi kimia materialnya. Pengelompokan ini diatur oleh Aluminium Association. Kode aluminium terdiri dari 4 digit dari 1XXX, 2XXX, 3XXX, …, 8XXX. Keterangan angka dapat dilihat sebagai berikut ; 1.

1 untuk Aluminium dengan kemurnian di atas 99%

2.

2 untuk paduan Coper

3.

3 untuk paduan Mangan

4.

4 untuk paduan Silikon

5.

5 untuk paduan Magnesium

6.

6 untuk paduan Magnesium Silikon

7.

7 untuk paduan zinc

6 Universitas Sumatera Utara

Pada aluminium tempa, seri 1xxx digunakan untuk aluminium murni. Digit kedua dari seri tersebut menunjukkan komposisi aluminium dengan limit pengotor alamiahnya, sedangkan dua digit terakhir menunjukkan angka kemurnian dua desimalnya. Contoh pada AA 1170, Aluminium ini memiliki kemurnian 99,70%. Digit pertama pada seri 2xxx sampai 7xxx menunjukkan kelompok paduannya berdasarkan unsur yang memiliki persentase komposisi terbesar dalam paduan. Digit kedua menunjukkan modifikasi dari unsur paduannya, jika digit kedua bernilai 0 maka paduan tersebut murni terdiri dari aluminium dan unsur paduan. Jika nilainya 1 – 9, maka paduan tersebut memiliki modifikasi dengan unsur lainnya. Dua angka terakhir untuk seri 2xxx – 8xxx tidak memiliki arti khusus,

hanya

untuk

membedakan

paduan

aluminium

tersebut

dalam

kelompoknya. 2.1.2 Sifat-sifat Aluminium Sifat-sifat penting lainnya yang dimiliki aluminium sehingga banyak digunakan sebagai material teknik, antara lain : 1.

Berat jenisnya ringan (hanya 2,7 gr/cm³, sedangkan besi ± 8,1 gr/ cm³)

2.

Tahan korosi

3.

Penghantar listrik dan panas yang baik

4.

Mudah di fabrikasi/di bentuk

5.

Kekuatannya

rendah

tetapi

pemaduan

(alloying)

kekuatannya

bisa

ditingkatkan. Selain sifat-sifat material teknik, aluminium pun memiliki sifat mekanik seperti: a.

Kekerasan Kekerasan bahan aluminium murni sangatlah kecil, yaitu sekitar 65 skala Brinnel, sehingga dengan sedikit gaya saja dapat mengubah bentuk logam. Untuk kebutuhan aplikasi yang membutuhkan kekerasan, aluminium perlu dipadukan dengan logam lain dan/atau diberi perlakuan termal atau fisik.

b.

Kekuatan tensile Kekuatan tensile pada aluminium murni pada berbagai perlakuan umumnya sangat rendah, yaitu sekitar 90 MPa, sehingga untuk penggunaan yang memerlukan kekuatan tensil yang tinggi, aluminium perlu dipadukan. Dengan


dipadukan dengan logam lain, ditambah dengan berbagai perlakuan termal, aluminium paduan akan memiliki kekuatan tensil hingga 580 Mpa (paduan 7075). c.

Ductility Ductility didefinisikan sebagai sifat mekanis dari suatu bahan untuk menerangkan seberapa jauh bahan dapat diubah bentuknya secara plastis tanpa terjadinya retakan. Aluminium murni memiliki ductility yang tinggi. Aluminium paduan memiliki ductility yang bervariasi, tergantung konsentrasi paduannya, namun pada umumnya memiliki ductility yang lebih rendah dari pada aluminium murni, karena ductility berbanding terbalik dengan kekuatan tensile, serta hampir semua aluminum paduan memiliki kekuatan tensil yang lebih tinggi dari pada aluminium murni.

2.2 Magnesium Magnesium adalah unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki simbol Mg dan nomor atom 12 serta berat atom 24,31. Magnesium adalah elemen terbanyak kedelapan yang membentuk 2% berat kulit bumi, serta merupakan unsur terlarut ketiga terbanyak pada air laut. Logam alkali tanah ini terutama digunakan sebagai zat campuran (alloy) untuk membuat campuran alumuniummagnesium yang sering disebut "magnalium" atau "magnelium".Magnesium ialah logam yang berwarna putih perak dan sangat mengkilap dengan titik cair 651 0C yang dapat digunakan sebagai bahan paduan ringan, sifat dan karakteristiknya sama dengan Aluminium. Perbedaan titik cairnya sangat kecil tetapi sedikit berbeda dengan Aluminium terutama pada permukaannya yang mudah keropos bila terjadi oxidasi dengan udara. Oxid film yang melapisi permukaan Magnesium hanya cukup melindunginya dari pengaruh udara kering, sedangkan udara lembab dengan kandungan unsur garam kekuatan oxid dari Magnesium akan menurun, oleh kerana itu perlindungan dengan cat atau lac (pernis) merupakan metoda dalam melidungi Magnesium dari pengaruh korosi kelembaban udara. Magnesium memiliki kekuatan tarik hingga 110 N/mm2 dan dapat ditingkatkan melalui proses pembentukan hingga 200 N/mm2


Magnesium merupakan salah satu jenis logam ringan dengan karakteritik sama dengan aluminium tetapi magnesium memiliki titik cair yang lebih rendah dari pada aluminium. Seperti pada aluminium, magnesium juga sangat mudah bersenyawa dengan udara (Oksigen).Perbedaannya dengan aluminium ialah dimana magnesium memiliki permukaan yang keropos yang disebabkan oleh serangan kelembaban udara karena oxid film yang terbentuk pada permukaan magnesium ini hanya mampu melindunginya dari udara yang kering. Unsur air dan garam pada kelembaban udara sangat mempengaruhi ketahanan lapisan oxid pada magnesium dalam melindunginya dari gangguan korosi.Untuk itu benda kerja yang menggunakan bahan magnesium ini diperlukan lapisan tambahan perlindungan seperti cat atau meni. Magnesium murni memiliki kekuatan tarik sebesar 110 N/mm 2 dalam bentuk hasil pengecoran (Casting), angka kekuatan tarik ini dapat ditingkatkan melalui proses pengerjaan. Magnesium bersifat lembut dengan modulus elsatis yang sangat rendah. Magnesium memiliki perbedaan dengan logam-logam lain termasuk dengan aluminium, besi tembaga dan nickel dalam sifat pengerjaannya dimana magnesium memiliki struktur yang berada didalam kisi hexagonal sehingga tidak mudah terjadi slip. Oleh karena itu,magnesium tidak mudah dibentuk dengan pengerjaan dingin.Disamping itu, presentase perpanjangannya hanya mencapai 5 % dan hanya mungkin dicapai melalui pengerjaan panas. Tabel 2.1 Sifat Fisik Magnesium

Sumber: http://bilangapax.blogspot.com/2011/02/magnesium-dan-paduannya.html 9 Universitas Sumatera Utara

1.

Magnesium dan paduan magnesium Magnesium (Mg) adalah logam teknik ringan yang ada, dan memiliki karakteristik meredam getaran yang baik. Paduan ini digunakan dalam aplikasi struktural dan non-struktural dimana berat sangat diutamakan. Magnesium juga merupakan unsur paduan dalam berbagai jenis logam nonferro. Paduan magnesium khusus digunakan di dalam pesawat terbang dan komponen rudal, peralatan penanganan material, perkakas listrik portabel, tangga, koper, sepeda, barang olahraga, dan komponen ringan umum. Paduan ini tersedia sebagai produk cor/tuang (seperti bingkai kamera) atau sebagai produk tempa (seperti kontruksi dan bentuk balok/batangan, benda tempa, dan gulungan dan lembar plat). Paduan magnesium juga digunakan dalam percetakan dan mesin tekstil untuk meminimalkan gaya inersia dalam komponen berkecepatan tinggi. Karena tidak cukup kuat dalam bentuk yang murni, magnesium dipaduankan dengan berbagai elemen untuk mendapatkan sifat khusus tertentu, terutama kekuatan untuk rasio berat yang tinggi. Berbagai paduan magnesium memiliki pengecoran, pembentukan, dan karakteristik permesinan yang baik. Karena magnesium mengoksidasi dengan cepat (pyrophpric), ada resiko/bahaya kebakaran, dan tindakan pencegahan yang harus diambil ketika proses permesinan, grindling, atau pengecoran pasir magnesium. Meskipun demikian produk yang terbuat dari magnesium dan paduannnya tidak menimbulkan bahaya kebakaran selama penggunaannya normal. Sifat-sifat mekanik magnesium terutama memiliki kekuatan tarik yang sangat rendah. Oleh karena itu magnesium murni tidak dibuat dalam teknik. Paduan magnesium memiliki sifat-sifat mekanik yang lebih baik serta banyak digunakan Unsur-unsur paduan dasar magnesium adalah aluminium, seng dan mangan. Penambahan Al diatas 11%, meningkatkan kekerasan, kuat tarik dan fluidity (keenceran) Penambahan seng meningkatkan ductility (perpanjangan relative) dan castability (mampu tuang).Penambahan 0,1 – 0,5 % meningkatkan ketahanan korosi.Penambahan sedikit cerium, zirconium dan


baryllium dapat membuat struktur butir yang halus dan meningkatkan ductility dan tahan oksidasi pada peningkatan suhu. 2.

Penerapan Magnesium paduan Magnesium paduan Cor yang dibentuk dengan cetakan pasir (Sand-Cast) banyak digunakan dalam pembuatan block-block engine pada Motor bakar, sedangkan Magnesium yang dibentuk dengan Pressure Die-Casting banyak digunanakan dalam pembuatan peralatan rumah tangga dan kelengkapan kantor. Magnesium Cor tempa dibentuk dengan cara extrusi dan digunakan sebagai Trap dan relling tangga. Magnesium paduan juga digunakan dalam Teknologi Nuclear sebagai tabung Uranium dimana Magnesium sangat rendah dalam penyerapan Neutron pada penampang lintang.

3.

Manfaat Magnesium a) Magnesium dapat digunakan untuk memberi warna putih terang pada kembang api dan pada lampu Blitz b) Senyawa MgO dapat digunakan untuk melapisi tungku, karena senyawa MgO memiliki titik leleh yang tinggi

2.3 Fatik Fatik atau kelelahan merupakan fenomena terjadinya kerusakan material karena pembebanan yang berulang-ulang, diketahui bahwa apabila pada suatu logam dikenai tegangan berulang maka logam tersebut akan patah pada tegangan yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan tegangan yang dibutuhkan untuk menimbulkan perpatahan pada beban statik. Kerusakan akibat beban berulang ini disebut patah lelah (fatigue failures) karena umumnya perpatahan tersebut terjadi setelah periode pemakaian yang cukup lama. Mekanisme terjadinya kegagalan fatik dapat dibagi menjadi tiga fase yaitu: awal retak (initiation crack), perambatan retak (crack propagation), dan perpatahan akhir (fracture failure). 2.3.1 Awal Retak (initiation crack) Cacat (defect) pada struktur dapat bertindak sebagai awal keretakan. Cacat pada struktur berdasarkan asal terbentuknya dapat dikategorikan menjadi dua kelompok.


Cacat yang terbentuk selama masa fabrikasi, disebabkan oleh : a. Cacat lateral yang terjadi pada material (material defect). b. Cacat

yang

disebabkan

karena

proses

pengerjaan

material

(manufacturing defect). Contohnya

seperti

tumpulnya

peralatan-peralatanyang

digunakan

untuk

pengerjaan material, panas yang berlebihan yang disebabkan karena pengelasan dan sebagainya. 2.3.2 Perambatan Retak (crack propagation ) Jumlah total siklus yang menyebabkan kegagalan fracture merupakan penjumlahan jumlah siklus yang menyebabkan retakan awal dan fase perambatannya.

Initiation

Crack

ini

berkembang menjadi

microcracks.

Perambatan atau perpaduan microcracks ini kemudian membentuk macrocracks yang akan berujung pada failure. 2.3.3 Perpatahan akhir (fracturefailure) Final fracture adalah proses akhir kerusakan pada struktur saat mengalami pembebanan, sehingga struktur tersebut mengalami kegagalan. Ketika terjadi penjalaran retak, penampang pada bagian tersebut akan berkurang. Sampai pada kondisi dimana penampang pada bagian tersebut tidak mampu menahan beban yang terakhir kalinya. Pada tahap ini penjalaran retak yang terjadi sangat cepat sehingga struktur akan pecah menjadi dua. Penjalaran yang cepat tersebut sering disebut fast fracture.

Gambar 2.1Skematis permukaan patah lelah rotary bendingpenampang bulat

Karakteristik kelelahan logam dapat dibedakan menjadi 2 karakteristik makro dan karakteristik mikro. Karakteristik makro merupakan ciri-ciri kelelahan yang dapat diamati secara visual (dengan mata telanjang dan kaca pembesar).


Sedangkan karateristik mikro hanya dapat diamati dengan menggunakan mikroskop. Fatigue atau kelelahan menurut ASM (1975) didefinisikan sebagai proses perubahan struktur permanen progressive localized pada kondisi yang menghasilkan fluktuasi regangan dan tegangan dibawah kekuatan tariknya dan pada satu titik atau banyak titik yang dapat memuncak menjadi retak (crack) atau patahan (fracture) secara keseluruhan sesudah fluktuasi tertentu. Progressive mengandung pengertian proses fatigue terjadi selama jangka waktu tertentu atau selama pemakaian, sejak komponen atau struktur digunakan. Localized berarti proses fatigue beroperasi pada luasan lokal yang mempunyai tegangan dan regangan yang tinggi karena pengaruh beban luar, perubahan geometri, perbedaan temperatur, tegangan sisa dan tidak kesempurnaan diri. Crack merupakan awal terjadinya kegagalan fatigue dimana kemudian crack merambat karena adanya beban berulang. Fracture merupakan tahap akhir dari proses fatigue dimana bahan tidak dapat menahan tegangan dan regangan yang ada sehingga patah menjadi dua bagian atau lebih. Konsep tegangan-siklus (S-N) merupakan pendekatan pertama untuk memahami fenomena kelelahan logam. Konsep ini secara luas dipergunakan dalam aplikasi perancangan material dimana tegangan yang terjadi dalam daerah elastik dan umur lelah yang panjang. Metode S-N ini tidak dapat diterapkan dalam kondisi sebaliknya ( tegangan dalam daerah plastis dan umur lelah yang relative pendek), hal ini dapat dilihat pada gambar 2.2.4 berikut ini:

Gambar 2.2 Pembagian daerah umur lelah dalam kurva S-N Sumber: http://blog.ub.ac.id


HCS = high cycles stress/strain

LCS = low cycles stress/strain

HCF = high cycles fatigue

LCF = low cycles fatigue

PCS = plastis cycles strain

ECS = elastic cycles strain

Penyajian data fatigue rekayasa adalah menggunakan kurva S-N yaitu pemetaan tegangan (S) terhadap jumlah siklus sampai terjadi kegagalan (N). Kurva S-N ini lebih diutamakan menggunakan skala semi log seperti ditunjukan pada gambar 2.2.5 Untuk beberapa bahan teknis yang penting.

Gambar 2.3 Kurva S-N Sumber: http://blog.ub.ac.id

Kurva tersebut didapat dari pemetaan tegangan terhadap jumlah siklus sampai terjadi kegagalan pada benda uji. Pada kurva ini siklus menggunakan skala logaritma. Batas ketahan fatigue (endurance limit ) baja ditentukan pada jumlah siklus N>107 (Dieter,1992). Persamaan umum kurva S-N dinyatakan oleh persamaan ( dowling,1991). S = B + C ln (Nf) Dengan : B dan C adalah konstanta empiris material Pengujian fatigue dilakukan dengan cara memberikan stress level tertentu sehingga spesimen patah pada siklus tertentu. Retak fatigue biasanya dimulai pada permukaan di mana lentur dan torsi menyebabkan terjadinya tegangan-tegangan yang tinggi atau di tempat-tempat yang tidak rata menyebabkan terjadinya konsentrasi tegangan. Oleh karena itu,


batas ketahanan (endurance limit) sangat tergantung pada kualitas penyelesaian permukaan (Van Vlack,1983).

2.4 Aspek Rekayasa Fatik Pada pengujian material di laboratorium, sistem tegangan biasanya disederhanakan, dan baik tipe uji Woehler dan tipe uji tekan-tarik lazim diterapkan. Hasil uji digambarkan dalam bentuk kurva S-N yang terkenal (yaitu kurva skala logaritma dari tegangan terhadap jumlah siklus hingga gagal). Baja feritik menghasilkan limit fatik sejati dengan rasio fatik S/TS ≈ 0,5. Namun, material lain seperti aluminium atau paduan berbasis-tembaga, khususnya jenis pengerasan-penuaan, jelas tidak menunjukkan diskontinuitas yang jelas pada kurva S-N. Material ini tidak memiliki limit fatik dan yang dispesifikasi hanyalah limit ketahanan pada sejumlah N siklus. Pentingnya efek ini digambarkan oleh perilaku paduan berbasis-aluminium yang mengandung seng, magnesium, dan tembaga. Paduan seperti ini mempunyai TS sebesar 617 MN/m2 tetapi tegangan umur fatik 108 siklus hanya 154 MN/m2 (dengan kata lain, sebuah rasio fatik pada 108 siklus sebesar 0,25). Amplitudo siklus tegangan yang diterapkan terhadap spesimen merupakan satu-satunya variabel tunggal penting untuk menentukan umurnya pada pembebanan fatik, tetapi kinerja material juga sangat dipengaruhi oleh berbagai kondisi, yang dapat dirangkum sebagai berikut : Persiapan permukaankarena retak fatik seringkali mulai terjadi di permukaan atau dekat permukaan komponen, kondisi permukaan merupakan hal pentingyang menentukan umur fatik. Penghilangan bekas pemesinan dan ketidakteraturan lain di permukaan hampir selalu akan meningkatkan sifat fatik. Lapisan permukaan dalam keadaan kompresi, misalnya oleh tumbukan peluru (shot peening) atau perlakuan-permukaan meningkatkan umur fatik. Efek termperaturmempengaruhi sifat fatik sama seperti pengaruhnya terhadap kekuatan tarik (tensile), kekuatan fatik paling tinggi terdapat pada temperatur rendah dan turun secara bertahap dengan meningkatnya temperatur. Untuk baja lunak, rasio limit fatik terhadap TS sekitar 0,5, sedangkan rasio limit fatik terhadap tegangan luluh memiliki rentang variasi limit yang lebih lebar.


Namun, apabila temperatur dinaikkan melampaui 100ºC, baik kekuatan tarik maupun kekuatan fatik baja-lunak meningkat, dan mencapai nilai maksimum antara 200ºC dan 400ºC. Peningkatan ini, yang jarang dijumpai pada material lain, disebabkan karena penuaan-regangan Frekuensi siklus teganganPada berbagai logam, pengaruh frekuensi siklus tegangan pada umur fatik kurang berarti, meskipun penurunan frekuensi biasanya menghasilkan umur fatik yang sedikit lebih rendah. Efeknya lebih besar apabila temperatur uji fatik dinaikkan, yaitu ketika umur fatik cenderung bergantung pada waktu pengujian keseluruhan dan tidak pada jumlah siklus. Namun, pada baja lunak, percobaan menunjukkan bahwa efek kecepatan normal berbalik pada rentang temperatur tertentu dan jumlah siklus yang gagal bertambah dengan berkurangnya frekuensi siklus tegangan. Efek ini dapat dikorelasikan dengan pengaruh temperatur dan laju-regangan pada kekuatan tarik. Temperatur di mana kekuatan tarik mencapai maksimum bergantung pada laju regangan. Oleh karena itu, tidak mengherankan bahwa temperatur dimana kekuatan fatik mencapai maksimum bergantung pada frekuensi siklus. Tegangan rata-rata Untuk kondisi fatik dimana tegangan rata-rata ∆𝜎𝑁𝑓𝑎 = (𝜎𝑚𝑎𝑘𝑠 + 𝜎𝑚𝑖𝑛 )/2 Tidak melebihi tegangan luluh 𝜎𝑦 , maka hubungan ∆𝜎𝑁𝑓𝑎 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛 Yang dikenal sebagai hukum Basquin, berlaku untuk rentang siklus 10 2 1

hingga ≈ 105, yaitu N kurang dari nilai ”lutut” kurva S-N, dimana𝑎 ≈ 10 dan 𝑁𝑓 adalah jumlah siklus hingga patah. Untuk fatik siklus rendah dimana ∆𝜎 > 𝜎𝑦 maka hukum Bisquin tidak berlaku lagi, tetapi berlaku hubungan ∆𝜀𝑝 𝑁𝑓𝑏 = 𝐷 𝑏 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛 Yang disebut hukum Coffinmanson, dimana ∆𝜀𝑝 adalah rentang plastis, 𝑏 ≈ 0,6 dan D adalah keuletan material. Apabila tegangan rata-rata berkurang. Telah diusulkan beberapa hubungan antara limit fatik dan tegangan tarik maka limit fatik berkurang. Telah diusulkan beberapa hungan antara limit fatik dan


tegangan rata-rata, seperti digambarkan pada Gambar 2.2.5, namun tidak ada alasan teoretis mengapa material mengikuti suatu hubungan tertentu dan satusatunya cara yang aman untuk dijadikan dasar desain adalah melakukan percobaan pendahuluan terhadap material yang digunakan untuk menentukan perilaku dengan kondisi yang sama dengan kondisi pemakaian. Hubungan rekayasa lain yang sering digunakan adalah konsep kerusakan kumulatif miner., yang diperlihatkan pada Gambar 2.3. hipotesis ini menyatakan bahwa kerusakan dapat dinyatakan dalam jumlah siklus yang diterapkan dibagi dengan jumlah yang menimbulkan kegagalan pada level tegangan tertentu. Jadi apabila nilai tegangan maksimum yang diterapkan adalah S 1 pada spesimen tertentu untuk n1 periode yang kurang dari umur fatik N1 , maka nilai tegangan maksimum berkurang menjadi S2, dan spesimen akan gagal setelah n2 siklus, 𝑛

karena sesuai dengan hukum Miner berlaku hubungan berikut : 𝑁1 + 𝑛2 𝑁2 + ⋯ = 1

𝑛

Σ𝑁 = 1 Lingkungan Fatik yang terjadi di lingkungan korosif disebut fatik korosi. Dan serangan korosi yang berjalan seiring dengan pembebanan fatik, menghasilkan efek perusakan yang jauh lebih besar dibandingkan dengan efek takik semata. Selain ituhasil observasi mikroskopik menunjukkan bahwa efek lingkungan terhadap perambatan retak lebih besar dibandingkan efek terhadap inisiasi retak. Untuk berbagai material di atmosfer, oksigen menurunkan umur fatik karena mempengaruhi kecepatan perambatan retak, dan dapat diperoleh hubungan antara umur fatik dengan derajat vakum di mana spesimen berada.

Gambar 2.4 Hubungan fatik 17 Universitas Sumatera Utara

2.5 Pengaruh Material pada Kelelahan Logam Sifat-sifat kelelahan logam sangat peka terhadap perubahan struktur, hingga saat ini cara untuk memperbaiki sifat-sifat lelah melalui proses metalurgi belum banyak berkembang. Perbaikan yang banyak dilakukan masih terhadap perubahan rancanganyang bertujuan untuk mengurangi konsentrasi tegangan, namun terdapat beberapa faktro metalurgi yang harus diperhatikan untuk memperbaiki performance lelah yang lebih baik terhadap logam atau paduan tertentu. Untuk mengetahui efek variabel metalurgi pada sifat lelah akibat perlakuan panas dapat melalui uji fatik rotating bending, biasanya dilakukan dengan benda uji yang halus dan dipoles serta diuji pada kondisi tegangan balik sempurna. Sifat lelah sering dihubungkan dengan kekuatan tarik namun juga berpengaruh pada ukuran butir seperti bahan kuningan yang menunjukkan pergelinciran yang menyebabkan perbatasan butir akan mengontrol terjadinya laju retakan dan secara pendekatan nilai ketahanan. Umumnya struktur mikro hasil temper mengakibatkan sifat-sifat lelah yang optimum pada baja paduan rendah yang mengalami perlakuan panas. Untuk kekerasan di atas 40 HRC struktur bainit yang diperoleh dengan proses temper menghasilkan sifat-sifat lelah yang lebih baik dibandingkan struktur hasil pencelupan dan temper dengan kekerasan yang sama. Mikroskop elektron menunjukkan bahwa sifat-sifat yang kurang baik dari struktur hasil pencelupan dan temper disebabkan oleh efek konsentrasi tegangan pada lapisan karbida tipis yang terbentuk selama proses temper.

2.5.1 Faktor yang Mempengaruhi Kekuatan Fatik Faktor yang mempengaruhi kekuatan fatik dari suatu bahan dapat dikelompokkan menjadi tiga bagian : Faktor mekanis yang terdiri dari : a. konsentrasi tegangan Kekuatan fatik sangat dipengaruhi oleh adanya alat pemicu naiknya tegangan secara lokal atau sering disebut konsentrasi tegangan (bukan tegangan akibat beban), seperti takikan, lubang, perubahan dimensi. Kebanyakan komponen-komponen mesin selalu mengandung konsentrasi


tegangan ini, seperti alur pasak ataupun lubang. Maka biasanya retak awal akibat lelah dimulai pada daerah ini. Salah satu cara terbaik untuk mengurangi kegagalan fatik adalah mengurangi naiknya alat pemicu naiknya tegangan secara lokal, melalui perencanaan yang cermat dan dengan permesinan yang baik. b. Pengaruh permukaan Pada dasarnya lelah terjadi pada semua permukaan bahan. Untuk sebagian jenis pembebanan yang umum, seperti lenturan dan puntiran tegangan maksimum terjadi pada permukaan sehingga merupakan yang logis bahwa retakan akan mulai pada permukaan tersebut. Cukup banyak bukti bahwa sifat-sifat lelah sangat peka terhadap kondisi permukaan. Faktor yang mempengaruhi permukaan benda uji dapat dibagi menjadi tiga

bagian,

yaitu:Kekerasan

permukaan,

perubahan

sifat-sifat

permukaan, tegangan sisa (Residual Stress). c. Pengaruh ukuran specimen Berdasarkan pengujian laboratorium dapat dinyatakan, bahwa pada komponen-komponen mesin menunjukkan adanya pengaruh ukuran terhadap kekuatan fatik yaitu terhadap komponen-komponen yang lebih besar mempunyai kekuatan fatik yang lebih rendah dibandingkan dengan komponen-komponen mesin yang lebih kecil. 1. Faktor metallurgi : yang terdiri dari besar dan arah orientasi butiran. 2. Faktor lingkungan : yang terdiri dari lelah korosi, temperature dan thermal Perubahan ukuran benda uji biasanya mengakibatkan variasi dalam dua faktor: Pertambahan diameter menyebabkan pertambahan volume atau luas penampang benda uji.Untuk benda uji tidak bertakik dan bertakik diberi beban lentur atau beban torsi, dengan pertambahan diameter biasanya menurunkan gradien tegangan disepanjang diameter dan pertambahan volume, pada beban yang mengalami tegangan-tegangan tinggi.


2.5.2 Faktor Metallurgi Sifat- sifat lelah logam-logam sangat peka terhadap struktur. Akan tetapi hingga saat ini cara untuk memperbaiki sifat-sifat metallurgi belum banyak berkembang. Namun demikian, terdapat beberapa faktor metallurgi yang terus diperhatikan untuk menjamin performance yang paling baik dari logam atau paduan tertentu. Dari penelitian menunjukkan bahwa efek metallurgi ini antara lain besar butiran dan arah butiran. Material yang mempunyai butiran harus menunjukkan sifat-sifat fatik yang lebih tinggi dibanding dengan material yang mempunyai butiran yang lebih kasar pada komposisi yang sama. Arah butiran menunjukkan pengaruh yang cukup signifikan terhadap kekuatan lelah dari suatu logam. 2.5.3 Faktor Lingkungan Proses yang berlangsung secara bersamaan antara tegangan berulang dan serangan kimia (korosi), dikenal sebagai lelah korosi. Serangan korosi tanpa diikuti beban tegangan biasanya mengakibatkan lubang pada permukaan. Lubang ini bertindak sebagai takik dan mengakibatkan berkurangnya kekuatan lelah, maka di hasilkan penurunan sifat-sifat lelah yang lebih besar dibandingkan dengan kerugian yang dialami akbiat terjadinya serangan korosi sebelumnya. Bila proses korosi dan fatik terjadi bersamaan, maka serangan korosi akan mempercepat laju rambat retak fatik.

2.6 SolidWorks SOLIDWORKS adalah salah satu CAD software yang dibuat oleh DASSAULT SYSTEMES dimana software ini digunakan untuk merancang part permesinan atau susunan part permesinan yang berupa assembling dengan tampilan 3D untuk merepresentasikan part sebelum real part nya dibuat atau tampilan 2D (drawing ) untuk gambar proses permesinan. Solidworks pertama kali diperkenalkan pada tahun 1995 sebagai pesaing untuk program CAD seperti Pro-ENGINEER, NX Siemens, I-Deas, Unigraphics, Autodesk Inventor, Autodeks AutoCAD dan CATIA. SolidWorks Corporation didirikan pada tahun 1993 oleh Jon Hirschtick, dengan merekrut tim insinyur profesional untuk membangun sebuah perusahaan yang mengembangkan


perangkat lunak CAD 3D, dengan kantor pusatnya di Concord, Massachusetts, dan merilis produk pertama, SolidWorks 95, pada tahun 1995. Pada tahun 1997 Dassault Systèmes, yang terkenal dengan CATIA CAD software, mengakuisisi perusahaan dan sekarang ini memiliki 100% dari saham SolidWorks. SolidWorks dipimpin oleh John McEleney dari tahun 2001 hingga Juli 2007, dan sekarang dipimpin oleh Jeff Ray. Saat ini banyak industri manufaktur yang sudah memakai software ini, menurut informasi WIKI , SolidWorks saat ini digunakan oleh lebih dari 3/4 juta insinyur dan desainer di lebih dari 80.000 perusahaan di seluruh dunia. Di Indonesia, dulu orang familiar dengan AUTOCAD untuk desain perancangan gambar teknik seperti yang penulis alami, tapi sekarang dengan mengenal SOLIDWORKS maka AUTOCAD sudah jarang saya pakai. Untuk permodelan pada industri pengecoran logam dalam hal pembuatan pattern nya, program program 3D seperti ini sangat membantu sebab akan memudahkan operator pattern untuk menterjemahkan gambar menjadi pattern/model casting pengecoran logam dan tentunya akan mengurangi kesalahan pembacaan gambar yang bisa mengakibatkan salah bentuk. Pada industri permesinan, selain dihasilkan gambar kerja untuk pengerjaan mesin manual juga hasil geometri dari dari suatu produk desain, aplikasi pada SolidWorks ini bisa secara langsung diproses dengan CAM program untuk membuat G Code yang dipakai untuk menjalankan proses permesinan automatic dengan CNC, software aplikasi CAM yang bisa digunakan antaralain:MASTERCAM, SOLIDCAM, VISUALMILL, dan lain-lain.

Gambar 2.5 Logo Software Solidworks


2.7 Ansys ANSYS adalah sebuah software analisis elemen hingga dengan kemampuan menganalisa dengan cakupan yang luas untuk berbagai jenis masalah ( Tim Langlais, 1999). ANSYS mampu memecahkan persamaan differensial dengan cara memecahnya menjadi elemen-elemen yang lebih kecil. Pada

awalnya

program

ini

bernama

STASYS

(Structural

Analysis

System),kemudian berganti nama menjadi ANSYS yang ditemukan pertama kali oleh Dr.John Swanson pada tahun 1970. ANSYS merupakan tujuan utama dari paket permodelan elemen hingga untuk secara numerik memecahkan masalah mekanis yang berbagai macam. Masalah yang ada termasuk analisa struktur statis dan dinamis (baik linear dan non-linear), distribusi panas dan masalah cairan, begitu juga dengan ilmu bunyi dan masalah elektromagnetik. Teknologi ANSYS mekanis mempersatukan struktur dan material yang bersifat non-linear. ANSYS multiphysic juga mengatasi masalah panas, struktur,elektromagnetik, dan ilmu bunyi. Program ANSYS dapat digunakan dalam tekniksipil, teknik listrik, fisika dan kimia.

Gambar 2.6 Logo Software Ansys

2.7.1 Cara Kerja ANSYS ANSYS

bekerja

dengan

sistem

metode

elemen

hingga,

dimana

penyelesaiannya pada suatu objek dilakukan dengan memecah satu rangkaian kesatuan menjadi bagian-bagian yang lebih kecil dan dihubungkan dengan node. Hasil yang diperoleh dari ANSYS ini berupa pendekatan dengan menggunakan analisa numerik. Ketelitiannya sangat bergantung pada cara kita memecah model tersebut dan menggabungkannya.


Tabel 2.2Satuan-satuan dalam SI

Gambar 2.7 Sistem Satuan dalam Ansys

2.7.2 Studi Pustaka SolidWorks dan Ansys a. Pembahasan Analisis fatik berbantuan komputer menggunakan hasil studi statis berupa besaran tegangan atau regangan sebagai input untuk kalkulasi umur fatik misal dari paket analisis FEM Algor dengan Fatigue Wizard dan Simulation: Static dan Fatigue pada SolidWorks. Studi statis diatur dengan pemilihan material yang sesuai, kondisi kontak, beban-beban dan fikstur. Jenis mesh elemen yang tersedia biasanya adalah solid, shell, dan


campurannya

dengan

objek-objek

berupa

permukaan

(surface),

bentangan (beam) dan padat (solid).

Gambar 2.8 Studi Statis Algor dan SolidWorks Sumber: Williams (2011)

Setelah mengatur properti awal (fatigue tool) untuk studi langkah selanjutnya adalah mengatur parameter-parameter studi fatik yang dapat sedikit berbeda urutan dan tampilan antar mukanya untuk masing-masing paket perangkat lunak tersebut, namun secara garis besar terdiri dari tiga permasalahan utama


yaitu penentuan material, melakukan analisis dan evaluasi hasil.Teknika, Vol. XXXII, No.1, Desember 2011 ISSN: 0854-3143 Irawan Malik 10.

Gambar 2.9 Pengaturan awal property studi fatik asnys workbench Sumber: Hancq (2011)

Gambar 2.10 Pengaturan Awal Properti Studi Fatik SolidWorks 2010

Jumlah siklus-siklus yang dibutuhkan untuk gagal fatik yang terjadi pada suatu lokasi tergantung pada material dan fluktuasi tegangan atau regangan. Informasi-informasi ini untuk material tertentu diberikan oleh suatu kurva yang disebut kurva S-N, ditampilkan pada gambarberikut ini. Nyatakan informasi material berupa modulus elastis (E, N/m2) dan kekutan tarik (σt, N/m2) menggunakan database secara ekstensif, mampu edit atau nilai-


nilai yang telah ditetapkan (custom). Kurva regangan (strain, E)-umur (life, N) atau tegangan (S)-umur (life, N) secara otomatis akan dimunculkan oleh paket perangkat lunak analisis fatik, yang dapat dilihat untuk memverifikasi akses (entry) data material. Selain itu, ada alternatif lain untuk mengetikkan data material yang didapat dari eksperimen atau sumber lain untuk menciptakan kurva khusus (customized). Faktor pengali (multiplier) dapat pula dimasukkan untuk mensimulasikan konsentrasi tegangan lokal seperti sambungan las atau faktor permukaan karena proses permesinan. Definisikan sejarah beban (load history), gambar a.6 dengan menyatakan nilai-nilai pengali beban terhadap waktu termasuk kasus-kasus pengali beban dan analisis transien. Kemudian nyatakan jumlah repitisi siklus beban yang dapat ditahan tanpa kerusakan (failure). Opsi-opsi lain juga disediakan oleh paket Fatigue Wizard untuk menghitung faktor keamanan dan jumlah siklus sampai kerusakan terjadi.Teknika, Vol. XXXII, No.1, Desember 2011 ISSN: 0854-3143 Irawan Malik 11.

Gambar 2.11 Pengaturan pemilihan material dan Kurva S-N dari SolidWorks 2010


Gambar 2.12 Pengaturan pemilihan material dan kurva S-N dari Fatigue Wizard Sumber: Williams (2011)

Gambar 2.13 Contoh tampilan kurva sejarah beban variabel Sumber: Teknika, Vol. XXXII, No.1, Desember 2011

Setelah menjalankan proses kalkulasi fatik dengan mengklik ikon run (ada kemungkinan berbeda untuk masing-masing paket perangkat lunak), sinopsis hasil-hasil (results) akan ditampilkan, yang menunjukkan apakah desain yang dibuat aman berdasarkan parameter-parameter yang telah diisikan termasuk menunjukkan prediksi jumlah siklus hingga terjadinya kegagalan (failure). Penampilan kontur hasil analisis dapat dilihat pada gambar-gambar berikut ini. Teknika, Vol. XXXII, No.1, Desember 2011 ISSN: 0854-3143 Irawan Malik 12.


Gambar 2.14 Hasil analisis fatik persentase kerusakan dan umur siklus kegagalan

Gambar kerusakan (damage factor) menampilkan persentase umur dari suatu bagian pada suatu asembling (gambar a.7 sebelah kiri) yang menunjukkan bahwa dari parameter yang diatur sebelumnya akan mengkonsumsi sekitar 9.036% umur model. Sedangkan gambar umur (life plot) menunjukkan kegagalan karena fatik dapat terjadi di sekitar poros horizontal (gambar a.7 sebelah kanan) pada ± 8019 siklus. Tampilan kurva Rainflow dari paket analisis fatik berbasis komputer dapat berupa gambar 2 dimensi (2D) dan 3 dimensi (3D) seperti ditampilkan pada gambar-gambar a.8, a.9 dan a.10 berikut ini. Ada dua pilihan dalam menampilkan rainflow di SolidWorks 2010 yaitu pertama, fast counting yang digunakan bila studi fatik berasal dari satu studi statis dan hanya memiliki satu even variabel amplitudo. Dalam hal ini, program mengekstraksi bin secara langsung dari rekaman orisinal dan mengevaluasi kerusakan (damage) yang dihasilkan dari setiap bin di setiap node dan kemudian mengkalkulasi kerusakan akumulatif, dan kedua, disebut analisis penuh apabila even variabel amplitudo jamak digunakan, program mengkalkulasi tegangantegangan di setiap titik terhadap waktu untuk setiap rekaman variabel amplitudo di setiap node. Di setiap node, program mengkombinasikan tegangan-tegangan dan mengekstrak bin rainflow yang kemudian digunakan untuk mengevaluasi kerusakkan. Cara ini juga digunakan bila rekaman variabel amplitudo berkaitan dengan lebih dari satu studi berbeda interval atau perubahan (shift).


Gambar 2.15 Kurva 2D Rainflow jumlah siklus di SolidWorks 2010

Gambar 2.16 Kurva 3D Rainflow persentase kerusakan di SolidWorks 2010 Teknika,Vol. XXXII, No.1, Desember 2011 ISSN: 0854-3143 Irawan Malik 13

Gambar 2.17 Kurva 3D Rainflow jumlah siklus di SolidWorks 2010


BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents