Pengaruh Normalizing Ulang Terhadap Sifat Kelelahan Baja DIN 42MnV7 Muchtar Karokaro Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS Surabaya Abstrak Patah lelah (fatigue) merupakan salah satu penyebab utama kegagalan material konstruksi. Kelelahan material adalah proses perubahan struktur material yang diakibatkan beban dinamis (tegangan atau regangan) sehingga terjadi retak (crack) ataupun patah. Mekanisme patah lelah diawali dengan tumbulmya inti retak akibat pergerakan dislokasi siklik, dilanjutkan dengan pertumbuhan menjadi microcrack yang kemudian tumbuh menjadi macrocrack dan selanjutnya berkembang (propagasi) hingga terjadi patah lelah. Pada penelitian ini dijajaki apakah utnur lelah (kurva S-N) dapat ditingkatkan dengan cara normalizing ulang. Pada percobaan untuk investigasi pengaruh normalizing ulang terhadap umur lelah (kurva S-N) material yang digunakan adalah plat baja DIN42 MnV7 tebal 4 mm. Material terlebih dululu dinormalizing awal dan selanjutnya dilakukan uji fatigue pada mesin reversed bending LFE-150 untuk memperoleh kurva S-N awal. Kemudian, terhadap sejumlah spesimen dilakukan pembebanan dan pembebanan dihentikan masing-masing setelah siklus 0, 1 dan 0, 5 dari umur lelah (Nf). Selanjutnya terhadap spesimen ini dilakukan normalizing ulang dan dilanjutkan dengan uji fatigue hingga patah. Dengan membandingkan umur lelah (kurva S-N) anlara material yang telah mengalami pembebanan siklik dan normalizing ulang dengan material yang telah dinormalizing awal ternyata tidak diperoleh perbedaan yang signifikan. Hal ini diduga karena setelah material mengalami pembebanan siklik telah terbentuk inti retak ataupun microcrack sehingga proses normalizing tidak dapat mengembalikan material ke kondisi semula. Normalizing ulang juga menyebabkan butir pearlite dan ferrite menjadi lebih halus sehingga material lebih peka terhadap patah fatigue. Kata Kunci: Normalizing, Microcrack, Fatique dikembalikan ke struktur yang normal lewat proses normalizing. Permasalahan yang menjadi pokok kajian dalam penelitian ini adalah apakah sifat kelelahan material dapat dihilangkan atau dimodifikasi lewat perlakuan normalizing. Apabila dapat maka seberapa jauh peningkatan umur lelah ini dapat ditingkatkan dan pada saat mana (frekuensi beban) sebaiknya proses normalizing (ulang) dilakukan.
Kelelahan material merupakan penyebab utama kegagalan komponen/struktur baja yang menerima pembebanan dinamis, disamping sebab lain seperti keausan, korosi, impact dan karena rancangan/model yang telah kadaluarsa. Menurut Standar ASTM E 206-72, kelelahan didefinisikan sebagai proses perubahan struktur dalam material yang terjadi secara permanen sejalan dengan periode waktu, yang disebabkan oleh tegangan atau regangan yang mengakibatkan terjadinya retak atau patah setelah beberapa kali pengulangan pembebanan. Normalizing baja adalah proses pemanasan baja ke daerah austenite sehingga diperoleh struktur mikro austenite, dan selanjutnya didinginkan di udara normal hingga temperatur kamar. Dengan demikian struktur dalam material yang telah berubah akibat perlakuan mekanik (pembebanan), ataupun karena bekerja pada temperatur tinggi atau rendah
Percobaan dan Hasil Untuk memperoleh jawaban terhadap pertanyaan diatas, maka dilakukan percobaan normalizing ulang pada baja DIN 42MnV7 yang telah mengalami pembebanan dinamis hingga siklus tertentu kemudian dilakukan uji fatigue. Percobaan dilakukan dengan prosedur dan memperoleh hasil sebagai berikut: 1. Material disiapkan berupa plat baja DIN 42MnV7, tebal 4 mm dengan komposisi 15
16 Jurnal Teknik Mesin,, Volume 1, Nomor 1, Mei 2001
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
carbon (C) = 0,4 %, Mangan (Mn) = 1,7%, Silikon (Si)= 0,25 % dan Vanadium (V) = 0, 12 % Plat dipotong dan dibentuk sesuai ukuran standar spesimen uji tarik dan uji kelelahan. Normalizing awal (T = 870 oC dan waktu tahan, t = 20 menit) untuk seluruh spesimen yang digunakan agar diperoleh sifat awal yang sama. Uji tarik, Uji kekerasan dan pengamatan struktur mikro (metalografi) untuk menentukan sifat awal material. Hasilnya disajikan pada Tabel 1 dan Gambar 1. Uji kelelahan awal (Tingkat tegangan 0,95; 0,75; 0,65 dan 0,55 dari harga σy) untuk memperoleh kurva S-N material normalizing awal dengan hasilnva terdapat pada Tabel 2. Pembebanan siklik (fatigue) pada tingkat beban 0,95; 0,75 dan 0,65σy, hingga masing-masing siklus 0,1 dan 0,5 dari siklus fatiguenya (Nf). Normalizing ulang (T = 870 oC dan t =20 menit) terhadap spesimen yang telah mengalami pembebanan siklik. Pembebanan siklik (Fatigue) pada tingkat beban 0,95; 0,75 dan 0,65 σy dari a hingga masing-masing siklus 0,1 dan 0,5 dari siklus fatigue-nya (Nf). Normalizing ulang (T = 870 oC dan t = 20 menit) terhadap spesimen yang telah mengalami pembebanan siklik. Uji kelelahan (fatigue) terhadap spesimen yang telah di normalizing ulang untuk menentukan sisa umur lelah (n2). Data hasil pengujian disusun pada Tabel 2. Pengamatan permukaan patahan spesimen yang telah diuji fatigue dan foto permukaan patahan disajikan pada gambar 2.
Analisa Hasil Percobaan Dari data hasil uji fatigue material awal (Normalizing) dan yang telah mengalami pembebanan dan ulang disajikan dalam bentuk kurva S-N seperti yang terlihat pada Gambar 3. Terlihat bahwa kurva S-N material yang telah mengalami pembebanan hingga point 0,5 Nf dan yang di normalizing ulang tidak banyak berbeda dibandingkan dengan material normalizing awal. Hal tersebut berarti
normalizing ulang tidak memberikan pengaruh terhadap umur lelah baja tersebut. Kekerasan rata-rata material normalizing ulang sedikit lebih tinggi dan normalizing awal. Kenaikan kekerasan ini disebabkan terjadi penghalusan butir seperti vang ditunjukkan oleh gambar struktur mikro pada gambar 1. Kekerasan rata-rata daerah dekat permukaan patahan untuk material normalizing awal dan normalizing ulang disajikan dalam Tabel II tidak menunjukkan perbedaan yang berarti kecuali pada tingkat beban 0,95 σy dan siklus penghentian 0,5 Nf. Tabel 1. Kekuatan dan kekerasan baja setelah dinormalising Kekuatan Yield (σy) (psi)
Kekerasan (HRC) Kekuatan Tarik (σ) Normalizing Normalizing (psi) awal ulang
100900,39
118082,19
38,33
43,33
(a)
(b) Gambar 1. Struktur mikro DIN 42MnV7 a) Normalizing, (b) setelah dinormalizing ulang (etsa nital 2,5 %, perbesaran 100x)
Karokaro, Pengaruh Normalizing Ulang
Tingkat tegangan 0,95 σy 0,75 σy 0,65 σy 0,55 σy
Tabel 2. Hasil uji fatigue Baja DIN 42MnV7 Umur lelah, siklus Normalizing Normalizing Normalizing ulang awal ulang 0,1 Nf pengintian 0,5 Nf 237.016 299.016 226.966 545.167 539.117 583.817 934.033 822.167 991.867 6 2 x 10 -
17
Keterangan
Tidak patah
Tabel 3. Hasil uji kekerasan dekat permukaan patah setelah uji fatigue Kekerasan (HRC) Tingkat Normalizing Normalizing Normalizing ulang Keterangan tegangan awal ulang 0,1 Nf pengintian 0,5 Nf 0,95 σy 37,7 38 47 0,75 σy 37 37,7 36,7 0,65 σy 38 36,3 37,7 Dari pengamatan permukaan patahan terlihat kecenderungan titik awal retak pada material yang mengalami tingkat beban tinggi (0,95 σy) lebih banyak dan dengan luas daerah patah statisyang lebih sempit. Diskusi Menurut Wood(15) terjadinya patah fatigue melalui tahapan-tahapan yaitu tahapan pengintian retak dan tahap penjalaran retak hingga patah. Pengintian retak diawali dengan timbulnya intrusi dan extrusi akibat pergerakan dislokasi pada bidang geser yang tidak reversible. Hal ini karena terdapatnya tegangan sisa yang menyebabkan strain hardening pada langkah tarik sehingga pada saat langkah tekan (kompresi) pergeseran tidak terjadi pada bidang geser yang sama tetapi bidang sejajar di dekatnya. Kecenderungan ini juga diperbesar dengan kemungkinan terbentuknya oksida pada bidang geser pertama tadi sehingga menghambat pergeseran. Karena itu pergeseran pada langkah tekan mencari bidang baru yaitu bidang didekatnya. Selanjutnya adalah penjalaran intrusi dan extrusi ini menjadi 'micro-crack' yang umumnya masih membentuk sudut 45o terhadap arah pembebanan. Tahapan kedua adalah microcrack menjalar tegak lurus dengan arah
beban menjadi macro crack yang kemudian berpropagasi hingga terjadi patah statis karena luas penampang yang tersisa sudah tidak memadai untuk menahan bebas. Menurut Ensha dan Tetelman(5), harga Fracture toughness (KIC) baja karbon rendah turun dengan semakin halusnya ukuran butir. Karena pada hakekatnya patah fatigue berhubungan erat dengan ketangguhan material dimana umur lelah akan turun dengan semakin rendahnya fracture toughness-nya. Dengan demikian umur lelah baja yang telah mengalami normalizing ulang akan lebih rendah karena butirannya yang lebih halus dibandingkan pada material normalizing awal. Kenaikan kehalusan butir ini ditunjang juga oleh hasil pengukuran kekerasannya yang lebih tinggi. Pada umumnya pada material yang keras pembebanan fatigue menyebabkan penurunan kekerasan (pelunakan) sedangkan pada material yang lunak terjadi kenaikan kekerasan (pengerasan). Hal ini sesuai dengan data uji kekerasan pada daerah dekat dengan permukaan patah kecuali pada dekat dengan pemukaan patah kecuali pada tingkat beban 0,95 σy dan siklus penghentian 0,5 Nf yang menunjukkan kebalikannya. Hal ini perlu verifikasi lebih lanjut.
Gambar 2. Permukaan patahan specimen setelah uji fatigue pada tingkat beban 0,95 σy : a) Normalizing awal b) Siklus penghentian 0,1 Nf pada normalizing ulang c) Siklus penghentian 0,5 Nf pada normalizing ulang
Karokaro, Pengaruh Normalizing Ulang
Terdapatnya titik awal retak pada spesimen yang mengalami pembebanan tinggi (0,95 σy) diduga karena kombinasi pengaruh pembebanan fatigue dan normalizing ulang. Pada saat penghentian pembebanan setelah mencapai siklus 0,5 Nf kemungkinan sudah
19
terjadi retak mikro. Pada saat pemanasan (normalizing ulang) retak mikro ini menjalar menjadi retak makro akibat thermal stress, sehingga pada saat uji fatigue retak makro tidak memerlukan siklus pembebanan yang panjang untuk mematahkan spesimen.
Gambar 3. Kurva S-N Baja yang telah dinormalizing awal dan normalizing ulang
Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian ini dapat disarikan kesimpulan berikut ini : 1. Umur lelah baja DIN42MnV7 tidak dapat diperpanjang dengan cara normalizing ulang. 2. Normalizing ulang menyebabkan ukuran butir menjadi lebib halus dan kenaikan kekerasan. 3. Pada tingkat beban tinggi (0,95 σy) terdapat kecenderungan titik awal retak yang lebih banyak. Referensi [1] Achmad Agus Suaidi, April 1998, “Pengaruh Full Annealing Terhadap Sifat Mekanis Baja AISI, 1045 Yang Telah Mengalami Pembebanan Tarik”, Teknik Mesin FTI-ITS, Surabaya. [2] Adimin, 1994, “Pengaruh Proses Laku Panas Terhadap Kelelahan Pada Baja SS 41”, Teknik Mesin FTI-ITS, Surabaya.
[3] Alexander Ludi E., “Efek Perlakuan LowThermo-mechanical Terhadap Sifat Kekerasan Baja Karbon Medium EMS”, Teknik Mesin FTI-ITS, Surabaya. [4] Broek, D., 1982b “Elementary Engineering Frac-ture Mechanic”, Martinus Niffloff Publi-shers, London. [5] Cahyo Murdianto, September 1998, “Pengaruh Stress Relief Anne-aling Terhadap Umur Baja EMS 1045 Akibat Pembebanan Siklik”, Teknik Mesin FTIITS, Surabaya. [6] Cottrell, A.H. da Hull, D., Proc. R. Soe. London, 1957, Vol 242 A, pp 211-217. [7] Dickson, J. I., 1992, “Failure Analysis: Techniques and Applications”, ASM International, Materials Park, Ohio. [8] Fuch, H.O. dan Stephen, R.l., 1980, “Metal Fatigue in Engineering”, John willey & Sons, Stanford. [9] Hertzberg, R.W., 1976, “Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials”, John Willey & Sons, New Tork.
20 Jurnal Teknik Mesin,, Volume 1, Nomor 1, Mei 2001 [10] Mardjono Siswo Suwarno, 1987, “Aspek Melalurgi Pada Kelelahan Logam”, Lab. Aerodinamika PAU, Ilmu Rekayasa, ITB, Bandung. [11] Septo Wira Adi W., Maret 1999, “Pengaruh Stress Relief Terhadap Umur Lelah Baja AISI 4340 Yang Telah Mengalami Beban Siklik”, Teknik Mesin FTI-ITS Surabaya. [12] Sernuiltari P. Mambo, April 1995, “Pengaruh Perlakuan Thermomekanik Terhadap Sifat Mekanik pada Baja EMS-45”, Teknik Mesin FTI-ITS Surabaya. [13] Sharp, Maurice L., 1996, “Fatigue Design of Aluminium Components and Structures”, Mc Graw Hill, New York.
[14] Schijivc, J., 1983, “Lecture Notes on Fatigue, Static Tensile Strength and Stress Corrosion of Aircraft Structure”, Faculty of Aerospace Engineering, Delft University of Technology, Delft. [15] Wood, W.A., 1959, “Some Basic Studies offatigue in Metals, in Fracture”, John Willey & Sons, New Tork. [16] Wood, W.A., Bull. Inst. Met., September 1955, Vol. 3, pp 5-6. [17] Zainal Abidin, April 1998, “Pengaruh Full Annealing Terhadap Umur Lelah Baja AISI 1045 Yang Telah Dianneal”, Teknik Mesin FTI-ITS, Surabaya.
