KE DAFTAR ISI ISSN 0216 - 3128
Andryansyah
KUALIFIKASI SPESIMEN TRANSVERSAL
MINI UJI TARIK
209
TUBE ARAH
Andryansyah Pusat Pengembangan
Teknologi Keselamatan Nuklir. Badan Tenaga Nuklir Nasional
ABSTRAK KUALIFIKASI SPESIMEN MINI WI TARIK TUBE ARAH TRANSVERSAL. Telah dilakukan u}i kualifikasi spesimen mini u}i tarik tube arah transversal dengan menggunakan tube yang umum digunakan sebagai kelongsong bahan bakar nuklir. U}i kualifikasi dilakukan dengan memilih dimensi spesimen u}i dengan ukuran perbandingan antara panjang ukur dan lebarnya adalah 4/2. 4/1.3 dan 4/1. Hasil u}i kualifikasi yang dilakukan belum berhasil. Penyebabnya adalah adanya gesekan yang sangat besar antara spesimen u}i dan pemegang spesimen dan ter}adinya pembebanan yang tidak simetris pada kedua sisi bagian daerah u}i. Penggunaan pemegang dengan dua bentuk separuh lingkaran dan peletakan daerah ukur spesimen pada salah satu dari pemegangnya diharapkan akan menghasilkan regangan yang seragam. Kata kunci: spesimen mini. u}i tarik. tube. transversal.
ABSTRACT QUALIFICATION OF MINI SPESIMEN USED FOR TENSILE TESTING OF TUBE IN THE TRANSVERSAL DIRECTION. Qualification testing of mini specimen used for tensile testing of tube in the transversal direction using tube which is common as cladding of nuclear fuel has been done. Specimen dimensions which have ratio of its gauge length to its width as 4/2.4/1.3. and 4/1 have been chosen. Result of the qualification testing was not success yet. The failure causes were high friction between the specimen and its fixture and asymmetric load on two gauge length. By using two parts of half cylinder as a fIXture and putting the gauge length on one side of it may be used to get uniform strain. Key word: mini specimen. tensile testing. llIbe. transversal
PENDAHULUAN Pengujian salah satu bentuk pengujian mekanik yang merupakan sangat diperlukan untuk mengetahui kekuatan suatu material atau komponen. Data kekuatan material yang diperoleh dari penglIjian tersebut dapat digunakan dalam perhitungan disain maupun untllk memprediksi kemungkinan yang akan terjadi bila disain operasi yang ada terlewati batasannya. Salah satu bentuk pengujian mekanik adalah uji tarik. Uji ini umumnya dilakukan dengan menggunakan spesimen atau alat yang telah terstandard isasi. Perkembangan teknologi pengujian telah menghasilkan beberapa bentuk dan ukuran spesimen uji yang berbeda dengan standar yang ada, salah satunya dalam bentuk mini. Spesimen mini ini berkembang seiring dengan berkembangnya pengujian pasca iradiasi. Hal ini disebabkan karena untuk melakukan proses iradiasi terhadap material yang akan diuji, maka umumnya dibatasi bahwa
spesimen yang bisa diiradiasi adalah dengan ukuran ked I (mini) karena umumnya proses iradiasi terjadi dalam reaktor nuklir. Dengan ukuran spesimen yang tidak mini maka diperlukan ruang yang besar, disamping itu juga akan mengakibatkan terganggunya ekonomi netron dalam reaktor. Pengujian tube arah transversal sangat penting dilakukan karena beban yang akan diterima oleh tube untuk tekanan operasi yang sarna akan lebih besar ke arah transversal dibanding ke arah longitudinal. Dengan demikian kemungkinan kegagalan tube karena pecah ke arah longitudinal akan lebih besar dibanding pecahnya tube ke arah transversal. Untuk mengetahui berapa kekuatan tarik tube bila diberi beban ke arah transversal maka harus dilakukan pengujian tarik ke arah transversal tersebut. Pada makalah ini akan dibahas hasil uji kualifikasi terhadap beberapa dimensi spesimen tube dengan melakukan pengujian tarik pad a arah
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
2/0
ISSN 0216 - 3128
transversal. Tube yang digunakan adalah Zircaloy-4 yang biasa digunakan sebagat kelongsong bahan bakar pada reaktor jenis PWR (Pressurized Water Reactor). Tujuan dari uji kualifikasi ini adalah didapatkannya dimensi spesimen uji yang memenuhi prinsip dasar pengujian tarik, sehingga dapat digunakan sebagai spesimen standar.
TEORI Mengacu pada salah satu standar pengujian tarik[I], maka ukuran spesimen yang harus dipenuhi adalah seperti yang terdapat pada Gambar 1. Berdasarkan standar tersebut, perbandingan antara panjang daerah ukur (gauge length, G) dan lebarnya (width, w) adalah 4. Bagian yang mengecil (reduce section, A) dapat pula dipakai sebagai acuan, karena pad a bagian ini akan terjadi konsentrasi tegangan. Dalam hal ini bila diinginkan untuk membuat spesimen mini yang proporsional dengan ukuran standar seharusnya diacu perbandingan antara A/w. Dasar penetapan rasio A/w atupun G/w adalah didapatkannya regangan yang seragam sepanjang daerah ukur G, ketika spesimen ditarik hingga mencapai kekuatan maksimumnya. Dasar inilah yang menjadi acuan untuk memilih dimensi spesimen mini sehingga bisa dinyatakan sebagai spesimen yang mempunyai ukuran yang standar. pengujian tarik adalah pengujian yang digunakan untuk mengetahui kekuatan tarik suatu material ketika menerima beban statis. Karena untuk melakukan pengujian dalam bentuk penarikan hingga putus untuk mengetahui kekuatan maksimum material yang diuji tidak mungkin dilakukan dengan pembebanan statis, maka digunakan laju peregangan selambat mungkin. Setiap alat uji tarik mempunyai kemampuan tertentu untuk dapat melakukan
~~-
Andryallsyah
penarikan dengan kecepatan yang sangat rendah. Kecepatan penarikan ini biasa dikenal dengan kecepatan crosshead. Untuk melakukan pengukuran regangan yang terjadi selama pengujian pada tube yang kecil ukurannya, akan sangat sulit bila dilakukan dengan strain gauge. Salah satu cara yang pernah dilakukan adalah dengan membentuk indentasi pada permukaan spesimen dengan menggunakan microhardness tester menggunakan indentor Vickers dengan beban kgf, yang akan membentuk kedalaman indentasi sekitar 30 mikron. Pengaruh adanya indentasi dengan cara tersebut terhadap terbentuknya retak atau penjalaran retak tidak didapatYJ Permasalahan yang timbul bila digunakannya proses tersebut adalah sulitnya mendapatkan jarak yang sarna antara titik-titik indentasi. Cara lain yang dapat diguakan adalah dengan membentuk indentasi dengan menggunakan mesin laser.
I
TAT A KERJA Berdasarkan pad a prinsip pengujian tarik, maka syarat yang harus dipenuhi adalah bahwa selama pengujian dilakukan, distribusi regangan yang terjadi pad a daerah ukur (gauge length) harus sarna selama beban penarikan itu masih berada di bawah kekuatan maksimum material yang diuji. Bila beban yang diberikan telah melebihi kekuatan maksimumnya, maka baru akan terjadi pembentukan necking. Prinsip ini akan diacu untuk menentukan dimensi spesimen uji tarik. Peralatan uji yang digunakan adalah mesin uji tarik, pemegang spesimen khusus (Gambar 2), dan mikroskop. Sedangkan bahan yang digunakan adalah pelumas (grease) DSF 3000 dan Molykote P.3? untuk mengurangi gesekan.
L A
R G Gambar
I. Spesimen uji tarik bentuk rectangularYI
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
ISSN 0216-3128
AfI{lryamyah
2//
lingkar menjadi bentuk yang tidak mumi melingkar. Kemungkinan terbesar dad letak terjadinya perubahan bent uk ini adalah antara pemegang atas dan bawah dengan penahan di tengah. Adanya slack ini menunjukkan bahwa grafik tegangan-regangan yang dibuat dengan berdasarkan pad a grafik pergerakan crosshead-beban tidak dapat digunakan sebagai acuan untuk menentukan besamya pertambahan panjang yang terjadi yang mencerminkan besamya keuletan dari bahan yang diuji.
GambaI'
2. Pemegang spesimen khusus dan bentuk spesimen uji.
Oimensi tube yang akan digunakan pad a pcnelitian ini mempunyai diameter luar 9,5 mm dcngan tcbal sekitar 0,57 mm. Geometri spesimen yang dipilih adalah dengan panjang ukur 4mm dan lebaI' bervariasi yaitu I mm, 1,3 mm, dan 2 mm. Pembebanan selama pengujian dilakukan dengan beberapa variasi kecepatan crosshead. Kecepatan crosshead yang dipilih adalah 0, I mm/menit, 0,01 mm/menit, dan 0,03 mm/menit. Pembebanan dihentikan beberapa saat sebelum kekuatan maksimum dicapai. Untuk mengetahui regangan yang terjadi maka pad a permukaan luar tube dibuat indentasi dengan menggunakan bantuan alat laser. Bentuk indentasi yang dipilih adalah berbentuk titik dengan diameter sekitar 30 mikron dan kedalaman sekitar 10 mikron. Regangan yang terjadi setelah pembebanan dicari dengan mengurangkan jarak antar indentasi sebelum pengujian dan jarak yang terbentuk setelah pembebanan diberikan.
HASIL DAN PEMBAHASAN Hampir semua grafik hasil pengujian tarik, yaitu antara besamya pergeseran crosshead dan beban menunjukkan terjadinya slack. Ini men unjukkan bahwa dalam pergerakannya selama pengujian terjadi perubahan bentuk dari bentuk me-
Oari pengamatan terhadap spesimen yang telah diuji diperoleh bahwa sebagian besar spesimen tersebut mengalami perubahan bentuk daerah ukur yang berbeda antara satu sisi dengan sisi yang lainnya. Perbedaan perubahan bentuk ini menunjukkan bahwa pembebanan yang terjadi selama pengujian terhadap kedua sisi daerah uji tidaklah simetris. Kejadian ini sangat wajar karena bila selama pengujian terjadi necking pada salah satu sisi, tentu konsentrasi beban yang diberikan akan terpusat pada sisi yang mengalami necking tersebut. Hal ini menunjukkan bahwa pengujian dengan menggunakan dua sisi daerah ukur tidak dapat digunakan. Cara terbaik yang diharapkan bisa dilakukan untuk mengatasi kegagalan tersebut adalah dengan hanya menggunakan satu sisi daerah ukur. Pada pengujian kualifikasi, untuk membedakan konciisi pengujian maka dibuatlah identifikasi. Tanda (I) dan (I, retest) mengindikasikan bahwa spesimen diuji dengan kecepatan crosshead 0,03 mm/menit. Tanda (I, retest) digunakan untuk menyatakan pengujian yang sarna kondisinya seperti pad a kondisi pengujian dengan tanda (I). Hal itu dilakukan karena adanya kecurigaan terhadap hasil yang diperoleh, yaitu terjadinya regangan maksimum yang tidak terletak pada posisi sekitar pertengahan panjang ukur. Tanda (2) digunakan untuk pengujian dengan kecepatan crosshead 0,01 mm/men it, sedangkan tanda (3) menyatakan bahwa spesimen diuji dengan kecepatan cross head 0,1 mm/menit. Grafik hasil pengolahan data yang menunjukkan distribusi regangan yang terjadi setelah spesimen ditarik hingga beberapa saat sebelum kekuatan maksimun dicapai diberikan pada Gambar 3 hingga 5. Oari grafik yang dihasilkan terlihat bahwa regangan yang terjadi tidak seragam sepanjang panjang ukur spesimen. Juga terlihat bahwa regangan lokal minimum terjadi pad a posisi tengah dari panjang ukur, sedangkan regangan lokal maksimum terjadi pada posisi dekat ujung panjang ukur. Hasil ini menunjukkan bahwa proses kualifikasi untuk menentukan dimensi spesimen yang memenuhi kaidah pengujian tarik telah gagal.
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Jull 2006
212
ISSN 0216 - 3128
4-2 (1)
~ ,$I
LQ1P'"
f..1 I\'~""""I "",,'",'
~
r
Andryunsyu"
•
~
I \.r.::::~ .
u . , . ~I
.:j
·V'
.xv-·
u
4-2 (2)
4-2 (3)
,.
\i\
1:::::::1
V"-!\':x:~. +
u Gambar
u 3. Distribusi
regangan
4-1.3(1)
,..
pada spesimen dengan perbandingan
G/w
= 4/2.
4- 1.3 (2)
,.
,..
I.'
.>
"
Gambar
4. Distribusi
regangan
pad a spesimen dengan perbandingan
Prosldlng PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
G/w
= 4/1,3.
cO::ti.1
ISSN 0216 - 3128
Andryansyah
J
LGf'gd'l
s
4i
~
2/3
~ 1~ ~l ~6 ~4 ~a
/\
~O
6
r\4·1 (1)
l4
~ ~l ~} 4·1 (2)
J~\/{.J ~4
~a
~6
~r.clJorl.1LAf'I!lfw
4· 1 (3)
s 4
~4
Gambar
~a
~6 ~r.cdOfl.at
~gdt
5. Oistribusi regangan pada spesimen dengan perbandingan
Berdasarkan prinsip pengujian tarik, seharusnya regangan lokal sepanjang daerah ukur adalah seragam hingga dicapainya kekuatan tarik maksimum logam yang diuji. Setelah melewati kekuatan tarik maksimumnya, maka seharusnya regangan maksimum terjadi pad a pertengahan panjang ukur. Gambar 3 hingga 5 memperlihatkan bahwa prinsip pengujian tarik tersebut tidak terpenuhi. Kemungkinan yang terjadi. sehingga ada penyimpangan terhadap prinsip itu adalah terjadinya gesekan yang sangat besar pad a pertengahan panjang ukur. Regangan yang sangat besar pad a sekitar ujung panjang ukur sangat mungkin disebabkan karena kecilnya gesekan antara pemegang dan spesimen. Hal ini disebabkan karena pada saat pengujian pemegang atas dan bawah akan berpisah dari penahan tengah, sehingga tidak terjadi gesekan pada daerah yang terpisah itu. Besamya gesekan yang terjadi pada pertengahan panjang ukur mengindikasikan bahwa pelumas yang digunakan tidak memenuhi tujuan yang diharapkan yaitu sebagai penghilang gesekan. Gesekan selama pengujian sangat sulit dihindari, sehingga yang dapat dilakukan adalah mendapatkan gesekan yang seragam sepanjang panjang ukur. Salah satu cara yang mungkin dapat digunakan
G/w
= 4/1.
untuk memperoleh gesekan yang seragam dan kecil yaitu dengan menggunakan tetlon tape yang diberi pelumas. Untuk mendapatkan regangan lokal yang seragam, pemegang yang digunakan seharusnya tidak berpisah pada lokasi panjang ukur. Penelitian lain menggunakan bentuk spesimen dan pemegangnya seperti pad a Gambar 6pJ Bentuk spesimen yang digunakan dalam penelitian tersebut tidak dapat digunakan karena tidak adanya daerah yang mengecil (reduce section), sehingga tidak mungkin tegangan yang terjadi selama pengujian akan terpusat pada daerah ukumya. Bila digunakan model pemegang separuh lingkaran tersebut maka panjang ukur seharusnya diletakkan pad a bagian yang tidak berpisah selama pengujian dilakukan agar didapatkan gesekan yang seragam pada panjang ukumya. Meskipun penentuan dimensi spesimen yang dilakukan belum berhasil, informasi yang diperoleh dari penelitian ini dapat digunakan sebagai acuan untuk perbaikan pad a penelitian selanjutnya, dengan harapan akan didapat dimensi yang paling baik untuk dapat digunakan sebagai spesimen uji tarik tube pada arah transversal. Bentuk spesimen standar
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
2/4
ISSN 0216-3128
yang ada dapat digunakan sebagai acuan dalam membuat spesimen mini yaitu dengan mengambil ukuran yang proporsional. Tetapi berhubung ukuran tube pada umumnya berdiameter kecil, maka perlu dilakukan dahulu pengujian spesimen bentuk rectangular yang ukurannya tidak proporsional dengan spesimen standar yaitu dengan memperbesar nilai perbandingan antara panjang ukur dan lebarnya. Bila dengan nilai perbandingan yang lebih besar tersebut bisa didapatkan distribusi regangan yang juga seragam ketika spesimen ditarik dengan beban yang masih berada di bawah kekuatan maksimumnya, maka hal itu akan sangat membantu dalam preparasi pembuatan spesimen uji.
I
TemUe c&ecticn ~
~I
iI
i•• •.
,i • !
Alldryallsyalt
gesekan yang sangat besar antam spesimen uji dan pemegang spesimen. Penyebab lain adalah terjadinya pembebanan yang tidak simetris pada kedua sisi bagian daerah uji, sehingga seharusnya hanya digunakan satu sisi panjang ukur. Disamping itu bentuk pemegang perlu diubah dengan menggunakan dua bentuk separuh lingkaran dan meletakkan daerah ukur pada salah satu dari pemegang agar regangan yang terjadi dapat seragam.
DAFT AR PUST AKA I.
ASTM INTERNATIONAL, ASTM E 8M-04, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials [Metric).
2.
LINK, T.M., KOSS, D.A., MOTTA, A.T., Failure ofZircaloy Cladding Under Transverse Plain-Strain Deformation, Nuclear Engineering and Design 186 (I 998) 379-394.
3.
S.I. HONG, K.W. LEE, K.T. KIM., Effect of the Circumferential Hydrides on the Deformation and Fracture of Zircaloy Cladding Tubes, Journal of Nuclear Materials 303 (2002) 169-176 .
•
V Gambar
TANYAJAWAB Tensile direction
6. Bentuk lain spesimen uji dan pe-
Gatot Suhariyono - Kenapa spesimen mini jika ditarik Tensile Strength selalu patah dipinggir bukan ditengah?
megangnya.1I1
Andryansyah
KESIMPULAN Uji kualifikasi spesimen mini uji tarik tube arah transversal yang dilakukan belum berhasil. Kegagalan terutama disebabkan karena terjadinya
- Hal itu disebabkan karena fIXture yang digunakan akan terpisah pada kedua posisi didekat ujung spesimen dan pada tengah daerah uji jadi seolah tertahan oleh fIXture tengah. Pemecahannya diusu/kan seperti yang ada pada kesimpulan.
KE DAFTAR ISI
Prosldlng PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
