KarakterisasiSifat Lelah Siklus Rendah Uni Aksial pada PaduanAluminium Ekstrusi (H Agus Suhartono)
KARAKTERISASI SIFAT LELAH SIKLUS RENDAH UNI AKSIAL PADA PADUAN ALUMINIUM EKSTRUSI H. Agus Suhartono UPT LUK -BPPTeknologi KawasanPuspiptek,Serpong,Tangerang15314
ABSTRAK KARAKTERISASI SIFAT LELAH SIKLUS RENDAH UNI AKSIAL PADA PADUAN ALUMINIUM EKSTRUSI. Perhitungan prediksi umur dengan metode regangan local untuk komponen daTiaIumunium ekstrusi membutuhkan data perilaku siklus bahan. Pengujian lelah siklus rendah dengan kontrol regangan dilakukan untuk mengetahui data perilaku siklus paduan aIumunium ekstrusi AlMgo.4Si1.2clan AlMgSi 1. Konstanta-konstanta dinamis material dievaluasi pada penelitian ini. AlMgSi 1 memiliki ketahananlelah yang lebih tinggi pada daerahelastis,tetapi dengan derajat reganganyang tinggi sehingga timbul regangan plastis, kekuatan lelah siklus rendah AlMgSi 1 menjadi lebih rendah. Kala kunci: lelah siklus rendah, paduan alumunium ekstrusi
ABSTRACT CARACTERIZATION OF LOW CYCLE FATIGUE UNIAQIAL PROPERTIES ON EXTRUDED ALUMUNIUM ALLOYS. The service life of components made of extruded metal can be predicted on the basis of the local strain concept. For calculations with the use of the local strain concept, the cyclic behavior of the material must be kown. The cyclic behavior of the material is determined by strain controlled tensile -compressive tests at constant amplitude and without mean strain. The low cycle fatigue behaviors of AIMgo4Si12 and AlMgSil extrusion have been evaluated in the as received condition (AR) at room temperature. The cyclic material constants were calculated. The goal of this work is to understand the behavior of extruded aluminum alloys under low cycle fatigue loading and to determine which materials are better able to resist low cycle fatigue. AlMgSi 1 shows a better resistance of low cycle fatigue, as long as the plastic strain doesn't exist. The presence of plastic strain reduces starkly the life time of the AIMgSi 1 alloy that the low cycle fatigue strength is inferior to AlMgo4Si1.
Key words ,ow cycle fatique, extruded alumunium allo~
PENDAHULUAN Pengujian statik digunakan untuk menguji faktor keamanan terhadap pembahan bentuk daD patahan snafukomponen, namun dalam penggunaanumumnya komponen suatu konstruksi mengalami beban dinamis, sehingga pengujian lelah sangatdiperlukan. Dalam hal ill ada 2 macam pengujian, yaitu: pengujian komponen dengan umur tak telbatas, bempa komponen harus dapat bertahan pada berapapun siklus beban yang diberikan tanpa patah, dan pengujian komponen umur terbatas dengan persyaratan komponen tersebut dapatbertahan untuk jangka waktu yang terbatas, yaitu selama umur penggunaan. Pengujian dinamis umur terbatas ini sangat diperlukan temtama untuk konstruksi kendaraan,kereta mesin-mesin daD konstruksi pesawatudara. Pengujianpengujian dinamik dengan amplituda konstan akan menghasilkan Wohler diagram, yang memberikan informasi bahwa perpatahanbisa terjadi apabila bahan diberi beban berulang yang lebih kecil daTi tegangan patahstatis (cr). Semakin kecil amplituda maka semakin besar jumlah siklus pembebanan yang dapat diterima
bahan. Di bawah barns lelah (SaD)tidak alan terjadi perpatahanatau siklus pembebananyang dapat diterima bahan tidal terhingga. Hasil uji dinamis amplitudo konstan dapatdibagi menjadi tiga bagian berdasarkan intensitas pembebanannya. Daerah kekuatan siklus rendah (sampai sekitar 5xlO4 siklus tegangan), kekuatan siklus terhingga (daTi 5xlO4 sampai 2x1O6)dan daerah siklus tak hingga (> 2xIO6). Di daerahkekuatan siklus rendah tersebut(low cyclefatigue) kekuatan material ditentukan dengan menguji specimen dengan menggunakan pengujian kontrol regangan. Pengujian dengan kontrol regangan ini dilakukan untuk mendapatkan diagram tegangan-regangan clan Woehlerlinie regangan yang berguna untuk perhitungan umur berdasarkan konsep tegangan setempat. Tujuan dari penelitian ini adalah memahami kelakuan mekanik selamapengujian lelah siklus rendah. Hal ini dilakukan untuk menentukan paduan aluminium yang memiliki ketahanan yang paling tinggi terhadap pembebanan lelah siklus rendah. Diagram tegangan65
Prosiding Pertemuan Ilmiah Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002 Serpong, 22 -23 Oktober 2002
regangan dan Woehler linie regangan yang didapat dapat berguna untuk perhitungan urnur berdasarkan
ISSN1411-2213
datadan monitoryang dihubungkandenganamplifier pengukurtidak diberikanpadagambar.
konsep tegangan setempat. Sikluselastis-plastisakan menghasilkanDiagram histeresis a-E. Pengujian dengan kontrol regangan ini dilakukan mengingat pembebanan dasar takik pacta komponen. Prinsipnya adalah kontrol regangan. Pengujian ini lebih presisi dibandingkan dengan pengujian kontrol tegangan [I]. Pactapengujian dengan beberapabenda uji dengan amplitudo Eatyang berbeda, maka akan didapatkan diagram tegangan-regangan dinamis dan Wohler diagram regangan. Telah diketahui bahwa regangan plastik merupakan parameter yang mengendalikan perubahan mikroskopis pacta logam selama proses lelah, maka kontrol regangan lebih penting dibandingkan kontrol tegangan. Untuk tujuan perbandingan di alas maka hams didapatkan data-data suat material berupa kalang histeresis,kurva tegangan-regangandinarnis, amplitudo regangan terhadap siklus hingga retak [I]. Paduan aluminium basil ekstrusi berupa AlMgo 4Si,2' dan AIMgSi I dilakukan pengujian lelah siklus rendah. Dari basil pengujian didapat konstanta siklis material. Berdasarkan nilai-nilai tersebut maka kekuatan bahan dibandingkan. Pengujian dilakukan dengan pembebanan aksial. Kontrol pembebanan dilakukan dengan kontrol regangan pacta daerah pembebanan lelah siklus rendah. Penelitian ini merupakan bagian dari disertasi dengan lema prediksi umur berdasarkan mekanisme kerusakan pacta beban
Gambar 1. Siklus kontrol sistem mesin pengujian
Penyimpanan data daDpenggambaran kembali dilakukan dengan menggunakanpersonal komputer daD program Dia/Dago yang di kontrol dengan signal masukanyang diberikan. Dengan program tersebutbasil pengukurandapatdiolah dan dikeluarkan dalam diagram amplitudo -waktu, atau kalang histeresis antara tegangan daD regangan.
berulang [2].
BAHAN DAN METODE PENELITIAN Bahan yang diselidiki adalah dua jenis paduan aluminium hasil ekstrusi yaitu AlMgo4Si12(aluminium dengankandunganMgO,4%danSi 1,2%)danAlMgSi1. Kandungan unsur dalam paduan tersebut menyebabkan perubahan sifat bahan. Mg meningkatkan kekuatan panasdan korosi tetapi menurunkan kemampuan tuang. Sedangkansilika meningkatkan kekuatanmekanik [3]. Mesin yang digunakan untuk pengujian adalah mesin servohidrolik yang secara sketsa ditunjukkan pada Gambar 1. Untuk pemberian signal masukanpada sistem kontrol digunakan komputer yang memberikan signal mengenairegangandan frekuensi. Signal masukan tersebut kemudian diperkuat dengan amplifier daD masuk kedalam servo venti I. Dari signal tersebut diterjemahkan pada silinder bersama dengan frekuensinya. Gerakan silinder tersebut diukur o1eh pemberi langkah. Alat ukur lain adalah Dynamometer (Kraftme.\'sdose)yang berada di alas alat pencekam. Besaran terpenting untuk signal masukan dan nilai sebenamya pada lingkaran kontrol tersebut ada1ah regangan yang terukur pada perekam regangan, yang dikuatkan dengan amplifier daD dibandingkan dengan nilai masukan dalam amplifierpengontro1. Penyimpan
66
co
Gambar 3. Penentuanteganganjenuh [5]
]
KarakterisasiSifat Lelah Sikhls Rendah Uni Aksialpada Paduan Aluminium Ek6trusi (H Agus Suhartono)
Padaumumnya datamengenai kekuatandinamis material konstmksi adalah basil pengujian lelah dengan pembebanan sinus daD amplituda konstan. Hal ini disebabkan penghematan energi daD waktu hila dibandingkan dengan pengujian dengan pembebanan dinamis dengan spektrum pembebanan. Besaran daTi kalang histeresis tersebut adalah lebar total amplituda regangan 2 E. daD total amplituda tegangan 2 cr., dimana regangan total terbagi menjadi bagian elastis daD bagian plastis [4] (Gambar 2). Pacta pengujian lelah dengan kontrol regangantotal amplituda dibuat konstan daD besaran yang diubah adalah tegangan. Untuk menghitung pengujian lelah siklus rendah diambil keadaanjenuh dari cr. danjumlah siklus hingga retak [5]. Pacta umumnyajumlah siklus hingga retak ditentukan daTipenurunan tegangan 5% daTitegangan jenuh seperti diperlihatkan pacta Gambar 3. Pacta pengujian yang diberhentikan sebelum terjadinya penurunan tegangan 5% menunjukkan adanyaretakan. Dengan dasar ini maka selanjutnya penurunan amplituda tegangan dianggap sebagai saat terbentuknyaretak [5].
BASIL PENGUJIAN Sifat mekanisbahan diberikanpadaTabell. Nilainilai tersebut didapat dari basil pengujian tarik daD standardDlN 59606. Hasil pengujian lelah siklus rendah diberikan oleh diagram1egangan-regangandan Woeh/er/inieregangan pactaGambar 4 dan Gambar 5.
Tabet t. Sifat mekanispaduanaluminium Sit'atmekanik
AIMgSil
AIMgo4Sil2
Modulus E
74000 MPa
74500 MPa
Kuat Tarik
231,5 MPa
437 MPa
Batas luluh
125,5 MPa
420 MPa
PEMBAHASAN Besaran-besaran siklis diambil dari histeresis tegangan regangan yang telah stabil. Pada pengujian digunakan kurva histeresispadajumlah sikIus setengah daTiumur. Persamaanyang menggambarkan perilaku sikIusbahan ditentukan terdiri alas regangan elastis daD reganganplastis. Sehingga regangan total harus dibagi menjadi satu bagian regangan elastis dan satu bagian reganganplastis. Dari pengujian lelah kontrol regangan didapatkan amplituda tegangan jenuh, amplituda regangan jenuh daD siklus hingga retak. Bagian regangan elastis dapat diturunkan daTi amplituda tegangan cradan Modulus Young E. Bagian regangan plastis sapdidapat daTi pengurangan regangan total Sat daD regangan elastis Sa.' Dengan asumsi hubungan linear antara jumlah sikIus N AdaD regangan elastis sa.danregangan plastis Sap yang diplot pada skala double logari.tma,dapat ditarik suatu regre.\'i
log x = f(logy)
(1)
Deugau x variabel bebas (Ea.atau E dan y adalah ap' variabel bebas (NA)'
Persamaan regresiyaitu: 10E..2 r D'..."., """
.,
logy=~ +a1 x log x
(2)
;~~""""P.'"
Sehingga konstanta a, dan aodapat ditentukan. Untuk penggambaran menurut persamaan Man.\'onCoffin [5] persamaan(2) tersebutdapatdirubah menjadi: N=axca=:>c A 0 a.l
a. =cr'/EX f
cr '= IO-loga I. XE/IOOO f
b= l/a,
0 1
(N)
A
b
(3) (4) (5)
67
Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002 ~'erpong, 22 -23 Oktoher 2002
Kurva Woehler regangan sering digambarkan bukan terhadap siklus hingga retak N A' tetapi terhadap dua kali siklushingga retak 2Nf Sehinggakoefisien cr; diubah menjadi = cr;(NA)/E X (N.)b = cr;(2Nf)/EX (2Nf)b 0" .-'
f (2NI)
-O"f
(NA)
X
0
.
5 b
(6) (7)
Demikianjuga reganganplastis menurnt persamaan Man.\'onCoffin hamsdiubahmenjadi: N AOap =a x& 01:=>'?& =&'X apf
(N )" A
0-'=10-./0 .-n , xE/I000 c=l/a,
keunggulansifat mekanishila diberikan beban yang mengakibatkan regangan plastis. Sedangkanhila pembebanantidak mengakibatkanterjadi regangan plastis paduan AIMgSi 1 memiliki umur yang lebih panjang. Timbulnya regangan plastis sangat mempengaruhi umurlelahpaduanAlMgSi1. Tabel 2. Konstanta dinarnis bahan
Konstanta dinamis
(9)
~ g;(2Nt)= g;(NA)X 0,5c
(11) (12)
PersamaanManson-Coffin dapat dituliskan dengan penambahan reganganelastisdanreganganplastis =:>Eat=cr;/E x (NA)b+E;(NA) x (NA)C
(13)
Kurva teganganregangandinamis dapat dituliskan menumtpersamaanRamberg-Osgood = (cr.IE) + (cr./K'}lhl
(14)
KonstantaK'dan n'dapatdihitung dari konstanta0-;, b,&; daDc.
605
577,6MPa
b
-0,1249
-0,074
er'
0,0904
0,0967
c
Kurva Woehler regangan sering digambarkan bukan terhadap siklus hingga retak N A' tetapi terhadap duakali siklus hingga retak 2Nr Sehinggakoefisien 0-; diubah menjadi
Paduan A 1M gS i 1
Paduan AIMgO4Si12
crr'
(8)
(10)
~f'(NA) x (NA)C = &f'(2NI) X (2Nf)C
ISSN 1411-2213
-0,5677
er' (2Nr) K'
-0,655
660 M Pa
608 M Pa
0,1339
0,152
1027
752,1
MPa
0,2199
M Pa
0,113
Dari basil pengujian lelah kontrol regangan ini juga dapat diprediksi bahwa material AlMgsi I memiliki kepekaantakikyang lebih tinggi dibandingkan dengan paduan AIMgo 4Si]2. Hal tersebut terjadi karena pembebananpada d-derahtakikan akan mengakibatkan terjadinya reganganplastis akibat pengaruh konsentrasi tegangan, terutama pada daerah takik dengan konsentrasi tegangan yang tinggi, clan pembebanan yang tinggi, sehingga pada perencanaan suatu komponen dengan menggunakan paduan AIMgSi I hams dihindarkan terjadinya takik yang tajam. Demikian juga hila dalam operasiterjadi benturan atau retak awal maka barns segeradihaluskan dengan tara permesinan atau pengamplasandan pemolesan untuk menghindari terjadinya kegagalan dini pada komponen tersebut. 500
n'=b/c K'=cr
(15)
'
, E, /
'(hIc)
(16)
Hasil perhitungan konstanta berdasarkan persamaan (4,5,7, 10,12,15,16) diatasdiberikanpada Tabel2. Perbandingan daTi kurva regangan basil pengujian pada Gambar 4 dan Gambar 5 menunjukkan bahwa apabila timbul reganganplastis pada amplituda reganganyang sarna,paduanAlM~ 4Sil2 memiliki umur yang 1,5hingga 2 kali lebih panjang'dibandingAlMgSil. Penurunan tingkat amplituda regangan total hingga 0,35 % mengakibatkan regangan plastis pada AlMgSil hampir mendekati noloPadatingkat amplituda regangan ini paduan AlMgSi 1 memiliki umur lelah 4 kali lebih panjang dibanding paduan AlMgo4Sil2, Dari fenomena ini diketahui bahwa paduan AiMgo,4Sil,2 memiliki
68
1
.50
1
I
.00
i,oo -'50 ,;
-T---~ 1 -"' "
i 250 Z' i200
.L 1
T ---,J1
'"'50
-1 1
+---"' I
100 50 0 I
~-'-~I.~___I__~I 1
--r ---T ---, , 1 --""'-~"-~-"-~
0
05
1
:-~--: 1 ---,J1
1
1, ---,-
15
1
:1I
---
J1
,I.
,1
-& -.~
I;; 2
gO"0112
I [, ~~;~...gOI1 ---,II 2,5
--'-II 3
Regongon Eo(\I)
Gambar
6, Perbandingan
AlMgSil
dan
kurva
tegangan-regangan
AlMg.,.Si',2
Bila kita membandingkankeadaanregangan plastis dan elastis tampak bahwa gradien regangan plastis lebih banyak berbeda dibandingkan dengan bagian regangan elastis. Sehingga menghasilkan
[3].
KarakterisasiSifat Lelah Siklus Rendah Uni Aksial pada PaduanAluminium Ekstrusi (H Agus Suhartono)
perbedaanpactaWohlerlinie di daerahsiklus rendah. Di daerahsiklus tinggi kurva Woehlerreganganelastis saling mendekatkarena gradien keduabahan mirip, kurva WoehlerdapatditentukandaTibagianregangan
elastis. Pacta Gambar 6 ditunjukkan diagram siklus teganganregangan daTikeduamaterial. Kurva tegangan regangan di daerah elastis masih berhimpit dan mulai terjadi perbedaanpactasaatregangan memasuki daerah plastis. Paduan AIMgSi 1 memiliki kekuatan dinamis yang lebih tinggi, tetapi memiliki keuletan yang jauh lebih rendah dibanding AlMgo,4Sil,2.
[4].
[5].
FELTNER; C. E., Ba.\'icResearch on the (vclic Deformation andfracture Behavior ofMaterial.\'. Manual on Low Cycle Fatigue STP ~65, (1969). RASKE,D. T., JODEAN MORROW, Mechanicc\' of Material.\' in Low Cycle Fatigue Testing, Manual on Low Cycle Fatigue STP 465, (1969).
KESIMPULAN Hasil pengujian lelah siklus rendah pada paduan aluminium AlMgSi I dan AlMgo 4Si I 2 menunjukkan bahwa paduan AlMgSi I memiliki kekuatan yang lebih tinggi, dibanding paduan AlM~,4Sil,2. Tetapi dilihat daTi kuIVa lelah regangan diketahui bahwa paduan AlMgSil sangat sensitif terhadap regangan plastis. Regangan plastis sangat berpengaruh terhadap umur lelah, sehingga paduan Aluminium ini tidak sesuai untuk komponen yang mengalami beban plastis pacta saat penggunaannya dan tidak direkomendasikan untuk pembuatan komponen yang memiliki konsentrasi tegangan yang tinggi. Sedangkan untuk penggunaan yang membutuhkan kekuatan tinggi tanpa menimbulkan regangan plastis maka. paduan AIMgSi 1 dapat direkomendasikan. Paduan AlM~,4Si1,2meIniliki sifatkeuletanyang tinggi walaupun kekuatannya lebih rendah dibanding paduan AlMgSi 1 yang mengakibatkanbahan ill memiliki keunggulan pactadaerah lelah siklus rendah.
UCAPAN TERIMA KASm Penulis mengucapkan terima kasih kepada DeutscheForschungGemeinschaft dan DAAD daD Prof. Dr.-Ing. H. Zenner alas bantuantinansial dan bimbingandalampelaksanaan risetini. Atasdukungan rekan-rekandi LaboratoriumUji Konstruksipenulis mengucapkan banyakterimakasih.
DAFTARPUSTAKA [1].
[2].
GUDEHUS;H., H. ZENNER,Leitfadenfiir eine Betriebsfestigkeitsrechnung,VBFEh,VDEh, Dusseldorf(1995). SUHARTONO,H. A., Mechanismenorientierte
Lebensdauervorhersage fur
zyklisch
beanspruchte metallische Werkstoffe, Dissertation, TV Clausthal, Pappierflieger, Clausthal,(2000). ASTM Handbook Volume 2, Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special PurposeMaterials,VSA, (1990),132.
Ke Daftar Isi 69
