4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Rel 2.1.1. Pengertian Rel Kereta Api Rel pada jalan rel mempunyai fungsi sebagai pijakan mengglindingnya roda kereta api dan untuk meneruskan beban dari roda kereta api kebantalan. Rel ditumpu oleh bantalan-bantalan, sehingga rel merupakan batang yang ditumpu oleh penumpupenumpu. Tipe rel yang digunakan di Indonesia adalah tipe R54, R50, R42, R33, dan R25. Panjang jalan rel yang masih beroprasi di Indonesia adalah 4.360Km, di Sumatera 1.348Km, di Jawa 3.012Km, hampir seluruhnya sudah uzur, berusia lebih dari 50 tahun. Rel dapat aus, mengembang, melengkung, atau patah yang dapat mempengaruhi operasi bahkan mengakibatkan kereta api anjlok atau terguling. Komponen-komponen struktur jalan rel dikelompokkan menjadi 2 bagian yaitu : struktur bagian atas terdiri dari rel, bantalan dan penambat dan struktur bagian bawah yaitu bagian pondasi terdiri dari balas dan tanah dasar. (http://www.PTKAI/rel. co.id(2011))
2.1.2. Bantalan Rel Bantalan rel kereta api adalah suatu landasan tempat dimana rel tersebut bertumpu dan juga diikat dengan pemambat rel, sehingga bantalan rel tersebut harus kuat untuk menyangga atau menahan beban dari kereta api tersebut. Dengan demikian kereta api tersebut tidak terguling atau anjlok. Pada saat pemilihan bahan yang akan digunakan untuk bantalan rel kereta api, harus menggunakan bahan pilihan, baik dari kayu, beton maupun bahan – bahan bantalan rel yang lain. Dalam pemasangan bantalan untuk rel kereta api juga harus memperhatikan jarak dari setiap bantalan tersebut. Dengan memperhatikan jarak dari setiap bantalan tersebut maka akan mengurangi beban yang harus diterima oleh tiap bantalan rel. Jarak normal yang digunakan untuk jarak tiap bantalan adalah 0,6 m atau 60 cm. (http://www.PTKAI/rel. co.id.(2011)) Tiga jenis bantalan yang digunakan dalam jaringan kereta api di Indonesia yaitu :
5
1. Bantalan kayu Bantalan kayu adalah suatu bantalan yang pertama kali digunakan dalam bantalan rel. Bantalan kayu tersebut pertama digunakan karena pada waktu itu hanya masih mengenal kayu dan belum mengenal beton maupun baja. Bantalan kayu tersebut digunakan karena pada saat itu kayu mudah sekali didapatkan dan harganya relatif murah. Dalam pemakaian untuk bantalan rel, memiliki keuntungan dan kerugian dalam pemakaian tersebut. (http://www.PTKAI/rel. co.id.(2011)) Kelebihan dan kekurangan tersebut antara lain : Kelebihan bantalan kayu yaitu : 1. Memiliki tingkat elastisitas yang tinggi 2. Pada saat dilalui terasa nyaman karena tidak mengakibatkan getaran yang tinggi Kekuranngan bantalan kayu yaitu : 1. Tidak tahan lama, terutama pada yang memiliki curah hujan dan tingkat kelembaban yang tinggi yang mengakibatkan kayu mudah lapuk. 2. Sulit untuk mencari bahan yang cocok sehingga harganya mahal (Pada beberapa tahun ini)
Gambar 2.1. Rel dengan bantalan kayu (http://id.wikipedia.org/wiki/Rel)
2. Bantalan Baja Bantalan ini terbuat dari palat baja, dan biasanya dipasang pada lengkungan saja dan tidak pada seluruh bagian lintasan kereta api. Kelebihan dan kekurangan bantalan yang terbuat dari baja. (http://www.PTKAI/rel. co.id.(2011))
6 Kelebihan bantalan baja yaitu : 1. Lebih kuat untuk menahan beban 2. Lebih Tahan Lama Kekurangan bantalan baja yaitu : 1. Harganya yang mahal bahkan melebihi harga bantalan beton 2. Mudah anjlok terutama pada daerah yang berpasir karena memiliki beban yang lebih besar.
Gambar 2.2. Rel dengan bantalan baja (http://id.wikipedia.org/wiki/Rel)
3. Bantalan Beton Bantalan beton pada rel sendiri merupakan suatu bantalan yang terbuat dari beton tulangan prategang, dan juga pada bantalan beton ditempatkan angker penambat. Pada bantalan rel yang menggunakan beton memiliki beberapa keuntungan, tetapi juga memiliki kekurangan dari pada bantalan rel yang lain. (http://www.PTKAI/rel. co.id.(2011)) Kelebihan dan kekurangan tersebut antara lain : Kelebihan bantalan beton yaitu : 1. Memiliki daya tahan yang tinggi 2. Tahan terhadap cuaca dibandingkan dengan bantalan yang terbuat dari kayu 3. Lebih ekomonis, karena bisa tahan sampai 20 tahun 4. Lebih kuat untuk menahan tekanan beban kereta Kekurangan bantalan beton yaitu : 1. Harga bahan bantalan yang mahal 2. Memerlukan ketelitian yang cukup tinggi sehingga membutuhkan tenaga ahli 3. Lebih kaku, sehingga getaran yang ada cukup terasa
7
Gambar 2.3. Rel dengan bantalan beton (http://id.wikipedia.org/wiki/Rel)
2.1.3. Penambat rel Penambat rel adalah suatu komponen yang menambat rel pada bantalan sedemikian hingga kedudukan rel menjadi tetap, kokoh dan tidak tergeser terhadap bantalan. Penambat rel terdiri dari penambatan kaku dan penambatan elastic. Penambatan rel kaku terdiri atas paku rel, tarpon (firefond), atau mur dan baut dengan atau tanpa plat landas. Sedangkan struktur bagian bawah yaitu bagian pondasi terdiri dari balas dan tanah dasar. (http://www.PTKAI/rel. co.id.(2011)) 2.1.4. Balas Lapisan balas terletak di atas lapisan tanah datar. Balas berfungsi : meneruskan dan menyebarkan beban yang diterima bantalan ke tanah dasar, mencegah atau menahan bergesernya bantalan dan mengalirkan air sehingga tidak terjadi genangan air di sekitar bantalan dan rel serta mendukung bantalan dengan dukungan yang kenyal. (http://www.PTKAI/rel. co.id.(2011)) 2.1.5. Tanah dasar Tanah dasar jalan rel (subgrade) merupakan lapisan yang terbuat dari bahan geoteknik, yang dapat merupakan : bahan keadaan asli, bahan yang diperbaiki, dan bahan buatan. Tanah dasar jalan rel mempunyai fungsi : mendukung beban yang diteruskan oleh balas kepada tanah dasar, meneruskan beban kelapisan dibawahnya, (badan jalan), dan memberikan landasan yang rata pada kedudukan atau ketinggian atau evalasi di tempat balas diletakkan. (http://www.PTKAI/rel. co.id.(2011))
2.2 Baja Sebagai Bahan Rel Kereta Api Baja merupakan bahan dasar dari rel kereta api. Baja adalah logam paduan antara besi (Fe) dan karbon (C), dimana besi sebagai unsur dasar dan karbon sebagai unsur paduan utamanya. Kandungan karbon dalam baja berkisar antara 0.2 % hingga
8 1.7% berat sesuai grade-nya. Dalam proses pembuatan baja akan terdapat unsurunsur lain selain karbon yang akan tertinggal di dalam baja seperti mangan (Mn), silikon (Si), Kromium (Cr), Vanadium (V), dan unsur lainnya. Dalam hal aplikasi baja sering digunakan sebagai bahan baku untuk alat-alat perkakas, alat-alat pertanian, komponen-komponen otomotif, kebutuhan rumah tangga dan lain-lain. (Beumer dan Anwir (1994)) 2.2.1. Klasifikasi Baja Menurut ASM handbook vol.1:329 (1993), baja dapat diklasifikasi berdasarkan komposisi kimia seperti kadar karbon dan paduan yang digunakan. Berikut merupakan klasifikasi baja berdasarkan komposisi kimianya. (Beumer dan Anwir (1994)) 1. Baja Karbon Baja karbon terdiri dari dan karbon. Karbon merupakan unsur pengeras besi yang efektif dan murah. Oleh karena itu, pada umumnya sebagian besar baja hanya mengandung karbon dengan sedikit unsur paduan lainnya. Perbedaan persentase kandungan karbon dalam campuran logam baja menjadi salah satu pengklasifikasian baja. Berdasarkan kandungan karbon, baja dibagi ke dalam tiga macam yaitu : a. Baja Karbon Rendah (Low Carbon Steel) Baja karbon rendah adalah baja yang mengandung karbon kurang dari 0.3% C. baja karbon rendah merupakan baja yang paling murah diproduksi diantara semua karbon, mudah di quenching dan dilas, serta keuletan dan ketangguhannya sangat tinggi tetapi kekerasan rendah dan tahan aus. Sehingga pada penggunaannya, baja jenis ini dapat digunakan sebagai bahan baku untuk pembuatan komponen body mobil, struktur bangunan, pipa gedung, jembatan, kaleng, pagar, dan lain-lain. (Beumer dan Anwir, (1994)) b. Baja Karbon Menengah (Medium Carbon Steel) Baja karbon menengah adalah baja yang mengandung karbon 0.3% C-0.6%C. baja karbon menengah memiliki kelebihan jika dengan baja karbon rendah, kekuatan tarik dan batas renggang yang tinggi, tidak mudah di bentuk oleh mesin, lebih sulit dilakukan untuk pengelasan dan dapat dikeraskan di quenching dengan baik. Baja karbon menengah banyak digunakan untuk poros, rel kereta api, roda gigi, pegas,
9 baut, komponen mesin yang membutuhkan kekuatan tinggi dan lain-lain. (Beumer dan Anwir (1994)) c. Baja Karbon Tinggi (High Carbon Steel) Baja karbon tinggi adalah yang mengandung kandungan karbon 0,6% C1,7%C dan memiliki tahan panas yang tinggi, kekerasan tinggi, namun keuletannya lebih rendah. Baja karbon tinggi mempunyai kuat tarik paling tinggi dan banyak digunakan untuk material perkakas, salah satu aplikasi dari baja ini adalah dalam pembuatan kawat baja dan kabel baja. Berdasarkan jumlah karbon yang terkandung di dalam baja maka baja karbon ini banyak digunakan dalam pembuatan pegas dan alat-alat perkakas seperti palu, gergaji atau pahat potong. Selain itu, baja jenis ini banyak digunakan untuk keperluan industri lain seperti pembuatan kikir, rel kereta api, pisau cukur, mata gergaji, dan sebagainya. (Beumer dan Anwir (1994)) 2.2.2. Karakteristik Baja Sifat-sifat karakteristik yang dimiliki baja karbon antara lain: 1. Kestabilan dimensi pada saat perlakuan panas. 2. Mempunyai kemampuan diperkeras (hardenability) yang sangat tinggi. 3. Mempunyai tingkat kekerasan yang tinggi setelah pendinginan cepat (quench). 4. Mampu untuk diperkeras melalui pendinginan udara. 5. Ketahanan terhadap tumbukan mekanik yang cukup baik. 6. Permesinan yang cukup mudah pada kondisi lunak (annealedl). (Beumer dan Anwir (1994)) Sifat mekanis baja juga dipengaruhi oleh cara mengadakan ikatan karbon dengan besi. Menurut Schonmetz (1985) terdapat 3 struktur utama kristal saat karbon mengadakan ikatan dengan besi, yaitu : 1. Ferrite, yaitu besi murni (Fe) terletak rapat saling berdekatan tidak teratur, baik bentuk maupun besarnya. Ferrite merupakan bagian baja yang paling lunak, ferrite murni tidak akan cocok digunakan sebagai bahan untuk benda kerja yang menahan beban karena kekuatannya kecil. 2. Karbida besi (Fe3C) suatu senyawa kimia antara besi ( Fe) dengan karbon (C) sebagai unsur struktur tersendiri dinamakan cementite dan mengandung 6,7 % karbon.
10 3. Pearlite, merupakan campuran antara ferrit dan sementit dengan kandungan karbon sebesar 0,8%. Struktur pearlite mempunyai kristal ferrite tersendiri dari serpihan cementite halus yang saling berdampingan dalam lapisan tipis mirip lamel. (Beumer dan Anwir (1994)) 2.2.3
Sifat Umum Baja Baja mempunyai sejumlah sifat yang membuatnya menjadi bahan bangunan
dan perkakas hingga rel kereta api yang sangat berharga, beberapa sifat baja yang penting adalah : kekuatan, kelenturan, kealotan, kekerasan, dan ketahanan terhadap korosi. (Beumer dan Anwir (1994)) 2.2.3.1 Kekuatan Baja mempunyai daya tarik, lengkung dan tekan yang sangat besar. Pada setiap golongan baja, pabrikan baja menandai beberapa besar daya baja kekuatan baja itu. Pabrikan baja misalnya, memasukkan satu golongan baja batangan dan mencantumkan pada baja itu Fe 360. Disini Fe menunjukkan bahwa golongan itu merupakan produk dari besi, sementara angka itu menunjukkan daya kekuatan (minimum) tarikan atau daya tarik baja itu. Yang dimaksud dengan istilah tersebut adalah gaya tarik N yang dapat dilakukan baja bergaris tengah 1 mm² sebelum baja itu menjadi patah. Dalam hal ini daya tarik itu adalah 360 N/mm². Dahulu kita mencantumkan daya tarik baja itu Fe 37 karena daya tariknya adalah 37 kgf/mm². Karena mengandung sedikit kadar karbon, maka semua jenis baja mempunyai daya tarik yang kuat. Oleh karena daya tarik baja yang kuat, maka baja dapat menahan berbagai tegangan seperti tegangan lentur. (Beumer dan Anwir (1994)) 2.2.3.1 Kelenturan Baja tidak hanya kuat tetapi juga memiliki sifat kelenturan 2.2.3.2 Keuletan Pada umumnya baja bersifat sangat alot sehingga tidak cepat mengalami patah. 2.2.3.3 Kekerasan Baja itu sendiri sangat keras sekali sehingga sebagai bahan kontruksi, baja mungkin saja untuk digunakan dalam berbagai tujuan. Apabila untuk produk-produk baja tertentu ada suatu keausan maka bisa saja baja tersebut dikeraskan dengan cara dipanaskan agar kekerasannya meningkat. (Beumer dan Anwir (1994))
11 2.2.3.4 Ketahanan Terhadap Korosi Tanpa perlindungan baja sangat cepat berkarat, untung saja baja dapat diberikan perlindungan yang efektip dengan berbagai cara salah satunya dengan perlakuan panas. (Beumer dan Anwir (1994)) Tabel 2.1 Klasifikasi Baja Karbon Menurut AISI/SAE.
Lanjutan table 2.1
12 2.2.4 Perlakuan Panas Kekerasan yang lebih besar adalah sangat penting untuk benda-benda tertentu yang dibuat dari baja. Yang dimaksud dengan kekerasan dari suatu bahan yang lain untuk dapat mencapai kekerasan yang tinggi diperlukan benda baru yang dapat dikuatkan sesudah benda-benda di produksikan. Ada beberapa cara untuk mengeraskan : Mengeraskan secara mendalam : Benda dari baja baik bagian luar maupun bagian dalam dibuat menjadi sangat keras. Mengeraskan permukaan : Hanya bagian luarnya saja yang sedangkan bagian intinya tidak dapat perlakuan. (Beumer dan Anwir (1994)) 2.2.4.1 Pengerasan yang mendalam Pada pengerasan mendalam, benda yang sudah terbentuk, dipanaskan dengan temperatur yang cukup tinggi. Kemudian dengan cepat didinginkan tindakan ini disebut “mengejutkan” baja dilakukan di dalam air, minyak atau di udara. Benda itu menjadi keras bukan hanya bagian luarnya saja tetapi juga intinya menjadi keras benar. Dengan cara ini baja menjadi cepat rapuh, berarti baja itu dapat dengan cepat patah. Beberapa peralatan dikeraskan dengan cara ini. Kita semua paham betapa mudah patahnya ulir mata bor dari baja yang berukuran kecil. (Beumer dan Anwir (1994)) 2.2.4.2 Pengerasan permukaan Untuk peralatan-peralatan tertentu hanya bagian luarnya saja yang harus diperkeras. Untuk dapat menerima tekanan yang besar, inti benda itu harus tetap lentur. Hal ini dapat dicapai dengan hanya mengeraskan bagian permukaan dari benda tersebut. Pengerasan permukaan dipakai pada poros dan berbagai kopling. (Beumer dan Anwir (1994))
13 2.2.5 Spesifikasi Bahan Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah baja AISI 1065 yang dibuat menjadi tiga benda kerja atau spesimen dengan komposisi kimia adalah : Sumber : George E. Totten, ph.D.,FASM, Steel Heat Treatment Second Edition. Karbon (C)
=
0,65 – 0,75%
Mangan (Mn)
=
0,60 – 0,90%
Phospor (P)
=
0,040 Max
Sulfur (S)
=
0,050 Max
2.3 Beban Normal Sebuah Kereta api terdiri dari lokomotif dan 10 kereta dengan berat 520 ton, sehingga berat untuk satu kereta sebesar 52 ton. Satu kereta menggunakan dua buah bogie ( satu bogie terdiri dari 4 buah roda ). Sehingga masing masing roda mendapat beban sebesar 6,5 ton. Dengan luas bidang kontak yang sangat kecil dari 80 – 120 mm2 maka disetarakan luas kontak yang dipakai 100 mm2 (Marsahal dkk,(2006)). Jadi beban normal yang diterima rel dari roda jika diketahui ; gravitasi 10 m/s2
𝑃 =
𝐹 𝐴
…………………………………………………(2.1)
2.4 Kontak Mekanik (Kontak Silinder) Pada tipe kontak yang berbentuk dua bidang silinder dengan masing-masing poros parallel yang dibebankan pada kontak sebagai gaya P per satuan panjang dan bidang kontak membuat panjang kontak berputar pada luas bidang 2a dipaksakan paralel ke poros-y. Ini adalah dasar dari dua dimensi permukaan. (lihatlah gambar ini yang memperlihatkan saat kontak dua permukaan silinder) (Jonshon,dkk,(2005))
Gambar 2.4 Mekanisme kontak dua bidang permukaan silinder Sumber : contack mechanic (jonshon) 2005
14 Distribusi tekanan normal p(x) pada permukaan kontak ditentukan dengan teori Hertz adalah : 𝑥2
𝑝(𝑥) = 𝑝0 (1 − 𝑎2 )1/2................................................................. (2.2) Dimana p0 adalah tekanan maksimal pada pusat kontak dan pada setengah luas bidang kontak. Tekanan maksimal pada kontak dapat di tentukan dengan : Langkah awal sebelum melakukan uji keausan adalah menentukan besar beban kontak yang bekerja pada disc. Besar beban kontak pada disc dapat ditentukan dengan persamaan berikut :
p0 P
2P ..................................................................(2.3) a
a 2 E * 4R
..............................................................(2.4)
Dengan mensubtitusi persamaan 2.4 ke persamaan 2.3 maka diperoleh persamaan untuk setengan panjang kontak (a) sebagai berikut : a
2 P0 R ..................................................................(2.5) E*
Dimana : 1 1 1 R R1 R2
1 v1 1 v2 1 E* E1 E2 2
2
2.5 Slip-roll Ratio Perbandingan putaran dari dua buah disc yang menerima beban kontak gelinding gesek. Jika suatu material menerima rolling-sliding contact serta adanya pengaruh slip-roll ratio secara berulang-ulang akan menimbulkan adanya gesekan pada material di permukaan dan di bawah permukaan kontak mengalami regangan geser dan terakumulasi sangat besar. Apabila regangan geser ini terakumulasi dan mencapai titik kritis regangan geser material maka kegagalan material dapat terjadi, seperti keausan (wear) dan kegagalan akibat kelelahan (fatigue).
15 Untuk menentukan slip-roll ratio pada kontak dua disc dapat ditentukan dengan persamaan (Tyfour, W.R, dkk, (1996)) :
𝑠𝑟 = Dimana
𝑣1 − 𝑣2 𝑣 +𝑣 ( 1 2 2)
𝑥 100%
........................................... (2.6)
: sr = slip-roll ratio v1 = kecepatan disc 1 v2 = kecepatan pada disc 2
2.6 Keausan Keausan umumnya didefinisikan sebagai kehilangan material secara progresif atau pemindahan sejumlah material dari suatu permukaan sebagai suatu hasil pergerakan relatif antara permukaan tersebut dan permukaan lainnya. Keausan telah menjadi perhatian praktis sejak lama, tetapi hingga beberapa saat lamanya masih belum mendapatkan penjelasan ilmiah yang besar sebagaimana halnya pada mekanisme kerusakan akibat pembebanan tarik, impak, puntir atau fatigue. Hal ini disebabkan masih lebih mudah untuk mengganti komponen/part suatu sistem dibandingkan melakukan disain komponen dengan ketahanan/umur pakai (life) yang lama. (Yuwono, dan Ahkmad, (2009)) Saat ini, prinsip penggantian dengan mudah seperti itu tidak dapat diberlakukan lebih lanjut karena pertimbangan biaya (cost). Pembahasan mekanisme keausan pada material berhubungan erat dengan gesekan (friction) dan pelumasan (lubrication). Telah mengenai ketiga subyek ini yang dikenal dengan nama ilmu Tribologi. Keausan bukan merupakan sifat dasar material, melainkan response material terhadap sistem luar (kontak permukaan). Material apapun dapat mengalami keausan disebabkan mekanisme yang beragam. (Yuwono, dan Ahkmad, (2009)) Pengujian keausan dapat dilakukan dengan berbagai macam metode dan teknik, yang semuanya bertujuan untuk mensimulasikan kondisi keausan aktual. Salah satunya adalah dengan metode twin disc dimana benda uji memperoleh beban gesek dari cincin yang berputar (revolving disc). Pembebanan gesek ini akan menghasilkan kontak antar permukaan yang berulang-ulang yang pada akhirnya akan mengambil sebagian material pada permukaan benda uji. (Yuwono, dan Ahkmad, (2009)) Di bawah ini diberikan penjelasan ringkas dari mekanisme-mekanisme tersebut :
16 1. Keausan adhesive : terjadi bila kontak permukaan dari dua material atau lebih mengakibatkan adanya perlekatan satu sama lain dan pada akhirnya terjadi pelepasan/pengoyakan salah satu material, seperti diperlihatkan oleh Gambar 2.5
Gambar : 2.5 Ilustrasi skematik keausan adhesive Sumber : (Karakterisasi Material 1: (Destructive Testing) (Yuwono Herman,dan Ahkmad, (2009))
2. Keausan abrasive : terjadi bila suatu partikel keras (asperity) dari material tertentu meluncur pada permukaan material lain yang lebih lunak sehingga terjadi penetrasi atau pemotongan material yang lebih lunak, sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 2.6. Tingkat keausan pada mekanisme ini ditentukan oleh derajat kebebasan (degree of freedom) partikel keras atau sperity tersebut. Sebagai contoh partikel pasir silica akan menghasilkan keausan yang lebih tinggi ketika diikat pada suatu permukaan seperti pada kertas amplas, dibandingkan bila partikel tersebut berada di dalam sistem slury. Pada kasus pertama partikel tersebut kemungkinan akan tertarik sepanjang permukaan dan mengakibatkan pengoyakan sementara pada kasus terakhir partikel tersebut mungkin hanya berputar (rolling) tanpa efek abrasi. (Yuwono, dan Ahkmad, (2009))
Gambar : 2.6 ilustrasi skematik keausan abrasive Sumber : (Karakterisasi Material 1: (Destructive Testing) (Yuwono Herman,dan Ahkmad, (2009))
17 3. Keausan lelah : merupakan mekanisme yang relatif berbeda dibandingkan dua mekanisme sebelumnya, yaitu dalam hal interaksi permukaan. Baik keausan adhesive maupun abrasif melibatkan hanya satu interaksi sementara pada keausan lelah dibutuhkan interaksi multi. Gambar 2.7 memberikan skematis mekanisme keausan lelah. Permukaan yang mengalami beban berulang akan mengarah pada pembentukan retak-retak mikro (t1). Retak-retak tersebut pada akhirnya menyatu (t2) dan menghasilkan pengelupasan material (t3). Tingkat keausan sangat tergantung pada tingkat pembebanan. (Yuwono, dan Ahkmad, (2009))
Gambar : 2.7 Ilustrasi skematik keausan lelah. Sumber : (Karakterisasi Material 1: (Destructive Testing) (Yuwono Herman,dan Ahkmad, (2009))
4. Keausan oksidasi : seringkali disebut sebagai keausan korosif. Pada prinsipnya mekanisme ini dimulai dengan adanya perubahan kimiawi material di bagian permukaan oleh faktor lingkungan. Kontak dengan lingkungan ini akan menghasilkan pembentukan lapisan pada permukaan dengan sifat yang berbeda dengan material induk. Sebagai konsekuensinya, material pada lapisan permukaan akan mengalami keausan yang berbeda. Hal ini selanjutnya mengarah kepada perpatahan interface antara lapisan permukaan dan material induk dan akhirnya seluruh lapisan permukaan itu akan tercabut. Gambar 2.8 memperlihatkan skematis mekanisme keausan oksidasi/korosi ini. (Yuwono, dan Ahkmad, (2009))
Gambar : 2.8 Ilustrasi skematik keausan oksidasi Sumber : (Karakterisasi Material 1: (Destructive Testing) (Yuwono Herman,dan Ahkmad, (2009))
18 Penyebab keausan antara lain : 1. Pergesekan antara dua material yang solid secara terus menerus hingga menyebabkan
material
tersebut
mengalami
perubahan
bentuk
dan
mengurangi masa pemakaian. 2. Kurangnya pelumasan secara teratur pada material yang bergerak dan bersentuhan. 3. Pengerasan pada permukaan disc yang bergesekan tidak dilakukan secara sempurna hingga timbul crack pada permukaan disc hingga terjadi kegagalan pada material tersebut. 4. Beban yang diberikan pada material tersebut terlalu besar yang menyebabkan koefisien gesek lebih tinggi,dll. (Yuwono, dan Ahkmad, (2009))
2.7 Regangan geser Suatu gaya geser yang besar dapat menyebabkan suatu material yang mendapatkan gaya tersebut akan menunjukkan suatu perubahan bentuk. Regangan geser didefinisikan sebagai rasio perbandingan perubahan bentuk awal hingga puncak perubahan bentuk (regangan geser kritis) atau kegagalan material. Untuk mengetahui keadaan regangan geser yang dialami material setelah pengujian keausan hanya dapat diamati melalui microscope. Yang dapat mempengaruhi material mengalami regangan geser adalah tekanan kontak maksimum (MPa), slip roll-ratio (%), jumlah pembebanan cycle dan gesekan satu arah permukaan dalam uji keausan twin disc mechine. Untuk penghitungan regangan geser adalah sebagai tan . Dalam kasus adalah penghitungan sudut struktur perubahan bentuk pada 0.05 mm yang telah mengalami kontak permukaan dapat dilihat pada gambar 2.7 sebagai ilustrasi.
19
Gambar 2.9 Ilustrasi penghitungan regangan yang terlihat dibawah microscope Sumber : Deterionatoin Of Rolling Contack Fatigue Life Of Pearlitic Rail Steel Due To DryWet Rolling-Sliding Line Contack ( Tyfour,dkk,) 1996.
Setelah melihat strukur regangan geser akan terlihat deformasi plastis pada material. Untuk menghitung besar regangan geser dan regangan geser kritisnya dapat dilakukan dengan perhitungan Menurut Journal Tyfour, dkk,(1996) : Regangan geser () = tan Dimana : tan =
𝛥𝑥 𝛥𝑦
………………………………………………........………………..(2.7)
Sedangkan untuk regangan geser kritisnya juga dengan penambahan pembebanan gelinding geser (cycle). 1 ternyata tidak ada perubahan atau pembesaran sudut deformasi regangan geser maka adalah 2 nilai kritis geser material juga bisa dengan formula sebagai berikut : Jika i = i+1, ………………………………………………………………...(2.8) maka, i = c (regangan geser kritis)…………………………………………………(2.9) Dimana : i
= jumlah putaran gelinding geser yaitu sebanyak 1000 cycles, 5000 cycles dan 10.000 cycles.
= regangan geser
x
= jarak deformasi dr titik awal (µm)
20 y
= ketebalan deformasi yang terjadi dari permukaan (µm)
Menurut Tyfour dan rekan-rekannya (1996), material rel kereta api yang mengalami proses pengerasan dan pelumasan dalam uji keausan akan aus atau wear setelah 26.119 cycles dengan beban kontak maksimum sebesar 1200 MPa. Regangan geser kritis pada material dapat diketahui jika sudut deformasi tidak mengalami perubahan namun akan mengalami keretakan dan wear setelah beberapa ribu cycles. Regangan geser kritis pada material akan terjadi kegagalan material atau awal terjadinya keretakan pada permukaan karena regangan geser dibawah telah mencapai batas regangan geser kritis.
