FAKTOR KONSENTRASI TEGANGAN DI UJUNG RETAK ALUMINIUM A-6061PADA PEMBEBANAN MODE CAMPURAN Zuhaimi Lab. Uji Bahan, Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Lhokseumawe Jl. Banda Aceh - Medan Km.280 Buketrata - Lhokseumawe 24301 Email:
[email protected] Abstrak Faktor konsentrasi tegangan di ujung retak material aluminium A-6061pada pembebanan mode campuran,diperolehmelalui pengujian secara eksperimental dan simulasi elemen hingga menggunakan software MSC/NASTRAN.Spesimen dibuat dalam bentuk Compact Tension Shear (CTS) dan dengan menggunakan alat pembebanan (loading device), sudut 0 antara sumbu pembebanan dan permukaan retak bervariasi dari 90 (mode I) 0 sampai 0 (mode II). Pengujian dilakukan dengan pemberian beban quasi static pada laju yang konstan melalui peralatan Servopulser. Analisa hasil pengujian dapat memberikan tegangan pada ujung retak, besarnya beban yang terjadi dan arahpenjalaran retak. Semakin kecil sudut pembebanan, beban yang dibutuhkan pada spesimen untuk memulai terjadinya inisiasi retak semakin besar. Hasil simulasi elemen hingga menunjukkan distribusi tegangan sama dengan hasil eksperimen. Adanya perbedaan nilai tegangan adalah akibat konsentrasi tegangan yang terjadi pada takik. Hasil analisa ini juga akan menemukan harga faktor konsentrasi tegangan untuk berbagai posisi pembebanan. Kata kunci: Aluminium A-6061,Mode campuran,Faktor konsentrasi tegangan.
Pendahuluan Paduan Aluminium salah satu jenis material yang banyak penerapannya pada industri maju [1] karena memiliki keunggulan dari sisi: kemampuan permesinan yang baik, penyelesaian permukaan sempurna, kekuatan yang tinggi dan ringan, ketahanan terhadap korosi. Kegagalan pada komponen mesin, seperti keretakan akibat beban yang terjadi pada berbagai arah tidak dapat dihindari dan dihilangkan sama sekali, namun terus diminimalkan melalui penelitian-penelitian. Masalah keretakan ini telah banyak dilakukan penelitian dalam berbagai bentuk pengujian dan kajian secara numerik, namun keretakan pada pembebanan mode campuran masih perlu terus dikembangkan. Aoki,S., dkk.[2],menyatakan prilaku keretakan secara elastis-plastis paduan Aluminium A5083-O dibawah pembebanan mode campuran dengan tingginya komponen mode II, retak awal pada perpatahan tipe geseran terjadi pada ujung retak di dekat permukaan spesimen, dan retak yang lain terjadi secara dimple pada ketebalannya. Penelitian tentang prilaku retak aluminium A6061-T6 pada pembebanan mode campuran telah pula dilakukan oleh Zuhaimi, dkk.,[3] dimana arah pembebanan sangat mempengaruhi besarnya beban untuk memicu retak, makin besar komponen mode II beban yang dibutuhkan untuk mulai terjadinya retak semakin besar pula.
84
Pada penelitian ini, dilakukan melalui metode eksperimental dan simulasi elemen hingga program MSC/NASTRAN [4] dengan menggunakan spesimen CTS (CompactTension Shear) dari material Aluminium A-6061. Pemberian beban dilakukan pada kondisi mode I, mode II dan mode campuran (gabungan mode I dan mode II) pada laju pembebanan yang konstan, yaitu 0,05 mm/second (cross-head rate). Faktor konsentrasi tegangan pada ujung retak dapat diketahui dengan membandingkan tegangan maksimum pada takik terhadap tegangan nominal dari hasil pengujian. Metode Material yang digunakan pada penelitian ini telah ditetapkan sesuai dengan judul, yaitu Aluminium A-6061 berupa hasil coran dalam bentuk billet. Karena strukturnya dianggap relatif homogen, dalam hal ini tidak memperhatikan orientasi arah(rolling direction). Komposisi kimia dari material ditunjukkan pada tabel 1[5]. Spesimen dibuat dalam bentuk Compact Tension Shear (CTS) berdasarkan standar test JSME [6] dengan retak lelah awal (fatigue pre crack) a/w 0,5. Geometri spesimen seperti ditunjukkan pada gambar 1 dengan ukuran 148 x 90 x 8 mm. Tabel 1. Komposisi kimia Aluminium A-6061 Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Cr Pb Al 0,6496 0,6777 0,2487 0,1129 0,9290 0,1196 0,1810 0,1014 0,0073 97,135 Sumber : PT. Cakra Compact [5]
Gambar 1. Geometri spesimen CTS Dalam metode eksperimen ini ada tiga tahapan yang dilakukan, yaitu: kalibrasi alat, pembuatan fatik pre crack dan uji retak dengan pembebanan pada quasi static. Untuk pemegang spesimen, disiapkan alat pembebanan khusus (loading device) yang dikembangkan oleh Richard dan Benitz [7]. Spesimen CTS diikat pada loading device dan dipasang pada alat servopulser. Pertama spesimen diberi beban fatik untuk mendapatkan retak awal sepanjang 3 mm dari ujung notch sebagai standar spesimen. Selanjutnya diberi beban statik pada laju yang konstan (loading rate = 0,05 mm/second) dan hasilnya direkam melalui controler dengan program rikendenshi pada alat transient converter. Posisi pembebanan dapat diatur melalui lubang-lubang pada loading device seperti ditunjukkan pada gambar 2. Pembebanan mode I yaitu dengan arah tegak lurus permukaan retak awal, dengan cara mengatur melalui lubang 1-1. Beban pada mode II dapat dilakukan dengan arah geseran melalui lubang 7-7, sedangkan untuk 85
mode campuran dapat diatur antara keduanya seperti ditunjukkan pada gambar 2.
Spesimen
Loading Device
Gambar 2. Set-up pembebanan Dari hasil pengujian pada servopulser, data beban dan perpindahan dalam besaran voltase dengan menggunakan rumus melalui program Rikendenshidirubah kedalam satuan N dan mm serta diperoleh grafik hubungan keduanya. Arah penjalaran retak dapat dicatat dengan alat ukur sudut (bevel protector) dan laju penjalaran retak dicatat dengan digital stop watch. Hasil dan Pembahasan Sifat mekanik aluminium A6061-T6. Dari ASM Hand Book dapat diperoleh informasi tentang sifat-sifat mekanik aluminium A-606, namun untuk mendapatkan harga yang sebenarnya perlu dilakukan lagi pengujian tarik statik. Dengan menggunakan standar uji ASTM E8 [8], dimana spesimen uji dibuat dalam dua arah (orientasi) yaitu arah memanjang (longitudinal) dan arah melintang (transversal). Hubungan tegangan dan regangan dari hasil uji tarik statik ditunjukkan pada gambar 3 dengan kedua arah menunjukkan hasil yang sama, yang membuktikan bahwa bahan tersebut relatip homogen (isotropic). 300
277.0701
275.4777
Long.
Tegangan (MPa)
250
Transv.
200 150 100 50
Long. Trans v . 0 0
0.1 0.2 Re g an g an
0.3
Gambar 3. Hubungan Tegangan vs Regangan Sifat-sifat mekanik dari Aluminium A6061-T6 ditunjukkan pada tabel 2. Dari gambar 3, dapat diambil harga rata-ratanya sehingga diperoleh data sifat-sifat mekanik yaitu : u =276 MPa, Y = 243 MPa dan E = 61,1 GPa. 86
Tabel 2. Sifat Mekanik Aluminium A6061-T6 Tegangan tarik maksimum
u
276 MPa
Tegangan Luluh
Y
243 MPa
Modulus Elastisitas
E
61.1 GPa
Tegangan Geser
184 MPa
Poison ratio Elongasi
0.33 18.5 %
Hasil pengujian keretakan. Hasil pengujian keretakan dengan beban statik (static loading) untuk spesimen CTS pada berbagai posisi pembebanan mulai dari mode I (= 900), mode campuran (= 150, 300, 450, 600, 750) dan mode II (= 00) dapat ditunjukkan pada tabel 3 dan kurvanya pada gambar 4. Tabel 3. Hasil uji statik spesimen tanpa lubang No. 1 2 3 4 5 6 7
Sudut (0) 90 75 60 45 30 15 0
Pin (kN) 18,16 18,55 18,65 18,80 19,35 20,35 22,75
Pmax (kN) 18,90 19,15 19,25 19,85 20,25 21,70 24,80
Sudut (0) 0 9 26 42 54 63 72
Tabel 3 dapat menjelaskan bahwa; sudut adalah arah pembebanan, sudut adalah arah retak menjalar, Pin adalah beban pada saat terjadi inisiasi retak dan Pmax adalah beban maksimum yang terjadi. 30
900 750 600 450 300 150
25
=900 Load (KN)
20
=150 15
=600
=300 =450
10
5
=750
=00
0 0
5 10 15 Dis p la ce m e n t ( m m )
20
Gambar 4. Kurva Beban vs Perpindahan Dari kurva pada gambar 4, menunjukkan bahwa makin kecil sudut pembebanan, makin besar beban yang dibutuhkan untuk memulai terjadi retak.Arah penjalaran retak yang diukur dengan bevel protector () seperti yang ditunjukkan padatabel 3 dan bentuk tampilannya seperti ditunjukkan pada gambar 5.
87
α = 900
α = 750
α = 150
α = 300
α = 450
α = 600
α =00
Gambar 5. Arah penjalaran retak pada berbagai posisi pembebanan Simulasi elemen hingga. Proses simulasi menggunakan program MSC/NASTRAN for Windows dua dimensi yang berbasis Metode Elemen Hingga (MEH). Untuk melihat distribusi tegangan pada spesimen CTS terutama disekitar ujung retak, dapat dilakukan dengan membagi atas beberapa elemen dan node dari spesimen, dimana pengaturan mesh di dekat ujung retak dibagi kedalam geometri yang lebih kecil (fine mesh) seperti ditunjukkan oleh gambar 6.
Gambar 6. Mesh Elemen Hingga Gambar 7 (a) memperlihatkan hasil simulasi elemen hingga pada pembebanan mode I(α=900) dengan beban maksimum yang terjadi disekitar ujung retak 469MPa dan distribusi tegangan simetri,sedangkan dari hasil eksperimen diperoleh tegangan nominal sebesar 420 MPa. V1
V1 468975744.
467824864.
439752710.
438684607.
410529675.
409544349.
381306641.
380404092.
352083606.
351263834.
322860572.
322123577.
293637537.
292983319.
264414503.
263843062.
235191469.
234702804.
205968434.
205562547.
176745400.
176422289.
147522365.
147282032. 118141774.
118299331.
89001517.
89076296. Y Z X Output Set: MSC/NASTRAN Case 1 Contour: Plate Top VonMises Stress
59853262. 30630228.
Y Z X Output Set: MSC/NASTRAN Case 1 Contour: Plate Top VonMises Stress
59861259. 30721002.
(a) (b) Gambar 7. Hasil simulasi elemen hingga, (a) mode I, (b) sudut α=750 1407193.
1580744.
Pada pengujian spesimen CTS akibat adanya ketidak mulusan atau diskontinuitas pada takik (notch), akan terjadi konsentrasi tegangan. Menurut Shigley, J.E [9], faktor konsentrasi tegangan teoritis (Kt) dipakai untuk hubungan tegangan maksimum pada takik terhadap tegangan nominal, yang dinyatakan dengan persamaan; 88
Kt
max 0
Gambar 7 (b) menunjukkan hasil simulasi pada mode campuran untuk sudut α=750 dan diperoleh tegangan maksimum yang terjadi di sekitar ujung retak sebesar 467 MPa. Sedangkan tegangan nominal dari hasil eksperimen diperoleh sebesar 410 MPa. Distribusi tegangan yang diperlihatkan pada gambar 7 (b)untuk mode campuran ini sudah tidak simetri lagi. Gambar 8 (a)menunjukkan hasil simulasi untuk sudut pembebanan α=600, dimana tegangan maksimum yang diperoleh pada ujung retak sebesar 440 Mpa. Sementara hasil eksperimen diperoleh tegangan nominal 369 Mpa. V1 440736960.
V1 406412128.
413278484.
381087609.
385820008.
355763090.
358361532.
330438571.
330903056.
305114052.
303444580.
279789533.
275986104.
254465014.
248527628.
229140495.
221069152.
203815976.
193610676.
178491457.
166152200.
153166938.
138693724.
127842418.
111235248.
102517899. 77193380.
83776772. Y
Y
51868861.
56318296. 28859820.
Z X Output Set: MSC/NASTRAN Case 1 Contour: Plate Top VonMises Stress
1401344.
26544342.
Z X Output Set: MSC/NASTRAN Case 1 Contour: Plate Top VonMises Stress
1219823.
(a) (b) 0 Gambar 8. Hasil simulasi elemen hingga, (a) sudut α=60 , (b) sudut α=450 Gambar 8 (b) menunjukkan hasil simulasi pada pembebanan mode campuran, yaitu untuk sudut α=450. Tegangan maksimum yang terjadi disekitar ujung retak 406 Mpa, sedangkan dari hasil eksperimen diperoleh tegangan nominal sebesar 327 Mpa. Distribusi tegangan hasil simulasi masih relatip tinggi pada daerah lubang pemegang spesimen dan pada lokasi yang diberi kondisi batas (constraint). Gambar 9 (a) adalah hasil simulasi pada sudut pembebanan α=300, dan tegangan maksimum yang terjadi pada ujung retak awal 358 Mpa. Sedangkan tegangan nominal hasil eksperimen diperoleh sebesar 264 Mpa. V1 358291360.
335979936.
306012832.
315045295.
286910369.
313635360.
294110654.
267807906.
291307360.
273176013.
248705443.
268979360.
252241372.
229602980.
246651360.
231306731.
210500517.
224323360.
210372090.
191398054.
201995360.
189437449.
172295591.
179667360.
168502807.
153193128.
157339360.
147568166.
134090665.
135011359.
126633525.
114988202.
112683359.
105698884.
95885739.
90355359.
84764243.
45699359.
Z X Output Set: MSC/NASTRAN Case 1 Contour: Plate Top VonMises Stress
23371359. 1043359.
76783276.
63829602.
68027359. Y
V1
V1
335963360.
Y Z X Output Set: MSC/NASTRAN Case 1 Contour: Plate Top VonMises Stress
42894961. 21960320. 1025679.
57680813. Y Z X Output Set: MSC/NASTRAN Case 1 Contour: Plate Top VonMises Stress
38578350. 19475887. 373424.
(a) (b) (c) 0 0 Gambar 9. Hasil simulasi pada, (a) sudut α=30 , (b) sudut α=15 , (c) mode II
89
Hasil simulasi pada gambar 9 (a), memperlihatkan distribusi tegangan yang besar semakin menuju ke lokasi lubang pemegang spesimen karena arah pembebanan semakin banyak mengandung komponen mode II atau arah geser. Gambar 9 (b) menunjukkan hasil simulasi untuk mode campuran dengan arah pembebanan pada sudut α=150. Tegangan maksimum di sekitar ujung retak 335 Mpa dan dari hasil eksperimen diperoleh tegangan nominal sebesar 219 Mpa. Terjadi perbedaan harga yang semakin tajam, karena dipengarui oleh arah pembebanan yang menyebabkan faktor konsentrasi tegangan semakin besar pula.Distribusi tegangan yang diperlihatkan, selain terbesar terjadi pada sekitar ujung retak juga terjadi pada lokasi pemegang spesimen sebagai tempat dimana beban terbesar yang diterima spesimen. Gambar 9 (c), memperlihatkan hasil simulasi pada pembebanan mode II (α=00) yaitu arah geseran, dimana tegangan maksimum yang terjadi di sekitar ujung retak adalah 306 Mpa dan dari hasil eksperimen tegangan nominal yang terjadi adalah 178 Mpa. Distribusi tegangan yang ditunjukkan pada gambar 9 (c) terkonsentrasi pada lubang pemegang spesimen dan beban yang diterima spesimen adalah murni beban geser. Hasil-hasil yang dijelaskan di atas, dapat dibuat dalam bentuk tabulasi untuk melihat perbedaan dan verifikasi antara hasil eksperimen yang telah dilakukan dengan hasil simulasi elemen hingga dengan menggunakan MSC/NASTRAN. Tabel 4 menunjukkan besarnya tegangan yang terjadi dari hasil simulasi dan hasil eksperimen yang dilakukan pada spesimen CTS untuk berbagai posisi pembebanan. Tabel 4.Tegangan di ujung retak (Mpa) dan Kt Sudut α
σmax (Simulasi)
σo (Eksperimen)
Kt
900 750 600 450 300 150 00
469 467 440 406 358 335 306
420 410 369 327 264 219 178
1,11 1,14 1,19 1,24 1,35 1,52 1,71
Hasil dari tabel 4 dapat dijelaskan bahwa, nilai konsentrasi tegangan sebagai faktor pemertinggi tegangan (stress raiser), selain dipengaruhi adanya notch dan diskontinuitas, juga dipengaruhi oleh arah pembebanan. Semakin kecil sudut pembebanan atau makin besar komponen mode II harga faktor konsentrasi tegangan semakin besar. Hal demikian dapat terjadi karena banyaknya komponen mode II mengakibatkan perpatahantipe geseran, beban awal yang dibutuhkan untuk mulai terjadinya inisiasi retak cukup tinggi. Kesimpulan Dari hasil penelitian tentang faktor konsentrasi tegangan aluminium A-6061pada pembebanan mode campuran menggunakan MSC/NASTRAN, dapat diambil beberapa kesimpulan berikut ini: 1. Arah pembebanan sangat mempengaruhi besarnya beban untuk memicu retak, 90
dimana makin besarkomponen mode II beban yang dibutuhkan untuk mulai terjadinya inisiasi retak semakin besar pula. Sebaliknya tegangan yang terjadi semakin kecil. 2. Distribusi tegangan dari hasil simulasi elemen hingga sama dengan yang terjadi pada hasil eksperimen, adanya perbedaan nilai tegangan dipengarui oleh takik (notch) yang menyebabkan terjadinya konsentrasi tegangan yang besar pada ujung retak. 3. Nilai konsentrasi tegangan sebagai faktor pemertinggi tegangan (stress raiser), selain dipengaruhi oleh adanya notch dan diskontinuitas, juga dipengaruhi oleh arah pembebanan. Semakin kecil sudut pembebanan atau makin besar komponen mode II harga faktor konsentrasi tegangan semakin besar. Referensi [1]. ASM, Metal Handbook Ninth Edition,1989, Properties and Selection:Nonferrous Alloys and PureMetals,Vol.2, American Society for Metals, Ohio 44073. [2]. Aoki, S., K. Kishimoto, T. Yoshida, M. Sakata, and H.A. Richard, 1990, Elastic-Plastic Fracture Behavior of an Aluminium Alloy under Mixed Mode Loading., J. Mechanical Physics Solids, Vol.38, N0.2, pp. 195-213. [3]. Zuhaimi, Husaini, Samsul Rizal, dan Bustami Syam, 2005Studi Tentang Prilaku Retak Aluminium A 6061-T6 pada Pembebanan Mode campuran, Jurnal Buletin Utama Teknik, Vol.9, No.3, pp. 133-142. [4]. Michael Reymond, and Mark Miller, MSC/NASTRAN Quick Reference Guide, Version 68,Macnel Schwendler Corporation, 1994. [5]. PT. Cakra Compact Aluminium Industries, Manufacture of Aluminium Billets. Medan. [6]. JSMEStandard Method of Test for Elastic-Plastic Fracture Tougness JIC-S001-1981, JSME, 1981. [7]. Richard, H.A., K. Benitz, 1983, A Loading device for the creation of Mixed Mode in Fracture Mechanics, International Journal of Ffacture, Vol. 22, pp. R55 – R58. [8]. Annual Book of ASTM Standart, Section 3 Volume 3, 1999. [9].Shigley, J.E., Mechanical Engineering Design, McGraw Hill Book Company, USA 1989.
91
