KE DAFTAR ISI Sri Nitiswati
ISSN 0216 - 3128
89
METODA UJI SMALL PUNCH UNTUK STUDI AWAL SIFAT MEKANIK DAN PATAHAN MATERIAL Sri Nitiswati Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nukli r- SATAN
ABSTRAK METODA WI SMALL PUNCH UNTUK STUDI AWAL SlFAT MEKANIK DAN PATAHAN MA TERlAL. Metoda uji dengan benda uji mini telah dikenal sejak puluhan tahun yang lalu dan terus dikembangkan untuk berbagai aplikasi pengujian, khususnya di indu~·trinuklir. Tujuan penelitian ini adalah memperkenalkan metoda uji small punch untuk studi awal sifat-sifat mekanik material meliputi kuat luluh, kuat tarik. temperatur transisi ulet ke rapuh. energi small punch dan specific fracture energy serta model patahannya. Studi ini perlu dilakukan karena sifat mekanik dan model patahan material adalah karakteristik material dan perlu diketahui. Metoda yang digunakan adalah dengan melakukan pengujian small punch logam paduanferitik pada berbagai temperatur dari + 150°C sampai dengan -190°C. Hasil penelitian menunjukkan bahwa metoda uji small punch dapat digunakan untuk studi awal sifat mekanik material dan model patahannya yaitu ulet atau rapuh. Salah satu hasil pengujian pada temperatur -50oe adalah: kuat luluhnya 188,/2 MPa. kuat tariknya 279.77 MPa. energi small punch nya 1.76 J. specific fracture energy nya 3,45 J/mm, model patahannya ulet serta temperatur transisi ulet ke rapuh adalah 16fc. Kata kunci : small punch. sifat mekanik.
ABSTRACT SMALL PUNCH TEST METHOD FOR PRELIMINARY STUDY ON MECHANICAL PROPERTY AND MA TERIAL FRACTURE. Testing method used miniaturized specimen has been known since tens years ago and continue to develop on several testing application especially in the nuclear industry. Aim of this research is to introduce small punch test method for preliminary study on mechanical properties of the material such as yield strength, tensile strength. ductile-to-brittle transition temperature, small punch energy, specific fracture energy and its fracture mode. This study needs to be done because mechanical property and material fracture mode are material characteristic and need to be known. The method used is small punch test offerritic alloy on several temperaturefrom +1500e to -1900C. Result of research reveals that small punch test method can be usedfor preliminary study of the mechanical property and its fracture mode such as ductile or brittle. One of the testing result on -500e are: yield strength is 188.12 MPa. tensile strength is 279.77 MPa, small punch energy is 1.76 J, specific fracture energy is 3.45 J/mm, the fracture mode is ductile and ductile-to-brittle transition temperature is -16fe Keywords: small punch. mechanicalproperty.
PENDAHULUAN Salah tujuan agar pengujian dengan melakukan benda uji mini satuadalah mampu karakterisasi sifat-sifat mekanik material dengan menggunakan sejumlah kecil volume material. Metoda ini mempunyai arti penting pada industri nuklir dimana ruang iradiasi netron dibatasi dan biaya iradiasi meningkat sebanding dengan volume benda uji [I]. Ada beberapa metoda uji dengan benda uji mini salah satunya adalah small punch. Metoda ini belum ada standarnya meskipun sudah digunakan sejak puluhan tahun yang lalu, dan sampai saat ini masih terus dikembangkan untuk berbagai aplikasi pengujian maupun dalam rangka
mendapatkan standar. Metoda uji small punch ini merupakan salah satu metoda uji yang direkomendasikan [2]. Jenis sifat mekanik yang dapat dipelajari meliputi : kuat luluh (yield strength), kuat tarik (tensile strength), temperatur transisi ulet ke rapuh (ductile-to-brittle transition temperature), energi small punch dan spesific fracture energy [1,2,3]. Sedangkan model patahan yang dipelajari adalah patah rapuh (brittle) dan patah ulet (ductile). Tujuan penelitian ini adalah memperkenalkan metoda uji small punch untuk studi awal sifat-sifat mekanik material meliputi kuat luluh, kuat tarik, temperatur transisi ulet ke rapuh, energi small punch dan specific fracture energy
Presiding PPI • PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
90
ISSN 0216 - 3128
serta model patahannya. Studi ini perlu dilakukan karena sifat mekanik dan model patahan material adalah karakteristik material dan perlu diketahui. Pada penelitian ini diberikan contoh bagaimana melakukan pengujian small punch meliputi bentuk benda uji dan preparasinya, mesin yang digunakan dan pelaksanaan pengujiannya, cara mendapatkan kuat luluh dan kuat tarik, menentukan temperatur transisi ulet ke rapuh, menentukan energi small punch dan specific fracture energy serta model patahannya. Metoda uji small punch ini sangat bermanfaat karena dengan sejumlah kecil volume material dapat memberikan banyak informasi tentang sifat mekanik material.
TEOR!
Sri Nitiswtlti
terdiri dari 4 tahap yaitu : I) tahap elastic bending, 2) tahap plastic bending, 3) tahap plastic membrane stretching dan 4) tahap plastic instability. Tanda panah di kiri menunjukkan beban luluh (Py) yang berbatasan dengan daerah I) dan 2) [5]. Pada tahap plastic bending kontak an tara benda uji dengan bola baja dikontrol oleh deformasi bending dan pad a tahap plastic membrane stretching dikontrol oleh terjadinya pengurangan ketebalan benda uji [6]. Oari tahap 1 sampai dengan tahap 3 beban terus meningkat sampai beban maksimum dicapai pada tahap plastic membrane stretching dan pada akhimya memasuki tahap plastic instability dimana pada tahap ini terjadi penurunan beban dengan tiba-tiba yang akhimya benda uji patah (gagal) pada titik Pf.
Ada 2 (dua) jenis bentuk benda uji small punch, yaitu bentuk segi empat dan bentuk bulat pipih (bend disk). Benda uji tersebut kedua permukaannya dihaluskan dengan kertas ampelas (emery paper) grid 240, 400, 600, 800, 1000 dan 1200, terakhir dipoles dengan menggunakan material buff dan pasta diamond dari ukuran I~ sampai dengan 0,25~ [4]. Metoda uji small punch dilakukan dengan menggunakan mesin uji tarik universal yang dilengkapi dengan kolom stainless steel yang berfungsi sebagai kolom tempat jig (pemegang benda uji). Jig terdiri dari die atas (upper die) dan die bawah (lower die). Benda uji small punch ditempatkan pada die bawah dan selanjutnya ditutup dengan die atas. Kontak permukaan antara die atas dan die bawah diklem dengan menggunakan 4 (empat) buah baut dan dikencangkan dengan kunci torsi. Mesin uji tarik ketika digunakan untuk uji small punch cross head nya difungsikan bergerak arah ke bawah (difungsikan kompresi). Ketika cross head bergerak arah ke bawah punch akan menekan bola baja berdiameter 2,4mm dan selanjutnya bola baja menekan benda uji small punch sehingga benda uji mengalami deformasi. Pengujian dihentikan bila benda uji sudah patah yang dapat diketahui melalui pengamatan langsung dari kurva beban (kN) vs. Oetleksi (mm) yang terbentuk ketika pengujian berlangsung dan juga ditandai dengan terjadinya penurunan beban dengan tiba-tiba. Skema mesin uji small punch ditunjukkan pada Gambar I dan skema jig uji small punch ditunjukkan pad a Gambar 2. Contoh kurva normal beban (kN) vs. detleksi (mm) ditunjukkan pad a Gambar 3. Oari Gambar 3 dapat dijelaskan bahwa kurva normal hasil uji dengan metoda small punch
Gambar 1. Skema Mesin Uji Small Punch Keteram!an Gambar : I. 2. 3. 4.
Jig uji small punch Punch Kolom stainless steel Cross head
5. 6. 7. 8. 9. 10. II. 12. 13. 14. 15.
Compression tester Strain gauge Thermocouple Kawat pemanas Kompensator temperatur Pengendali temperatur Pena pencatat Pompa vakum Nitrogen cair Pencatat X- Y Strain amplifier
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
Sri Nitiswati __
Punch
D~ bawah Bola baja
Benda uji
Gambar 2. Skema Jig Uji Small Punch
'
•.'
, ..~'''sP
•...•~,
~~-
kuat luluh dan kuat tarik
Untuk menghitung harga kuat luluh digunakan korelasi empirik antara kuat luluh O"y (MPa), beban luluh Py (kN) dan geometri benda uji, yaitu sebagai berikut: O"y= 360 Pylt2 [6]. Sedangkan untuk menghitung harga kuat tarik digunakan korelasi antara kuat tarik O"TS(MPa), beban maksimum (PMax) dan geometri benda uji adalah sebagai berikut: O"TS= 130 (PMax/r) - 320 [6]. Dimana t adalah tebal awal benda uji (dalam mm).
Menentukan
• 1.-_' ••
9/
Bila dari titik ini ditarik garis penghubung ke kiri dari kurva be ban (kN) vs. detleksi (mm), maka akan diperoleh harga Py.
Menentukan
~~ ...
-
ISSN 0216 - 3128
energi small punch
Yang dimaksud dengan energi small punch adalah energi yang diperlukan (dikonsumsi) sampai benda uji patah (fracture energy) yang ditandai dengan terjadinya retak makro. Energi small punch ditentukan dari luasan .dibawah kurva beban (kN) vs. detleksi (mm) sampai beban turnn dengan tibatiba [7]. Dalam hubungannya energi small punch, dikenal pula suatu konsep yang dinamakan spesijic fracture energy, yaitu energi small punch per unit tebal benda uji [8].
.." Menentukan
p)'
""bMJuluh
Pt'!"';,t",
btMII"-amum
p.
_,...h
o Gambar 3. Kurva Normal Beban (kN) vs Defleksi (mm) /5f. Menentukan
beban luluh (Py)
temperatur
transisi
Yang dimaksud adalah temperatur transisi dari ulet ke rapuh (ductile-to-brittle transition temperature). Temperatur transisi berhubungan dengan setengah dari energi small punch untuk patah (frac/ure energy) [7]. Untuk mendapatkan temperatur transisi diperIukan penguj ian small punch pada berbagai variasi temperatur. Pada contoh ini untuk mendapatkan temperatur transisi dilakukan pengujian small punch dari temperatur + 150°C sampai temperatur - 190°C dengan tujuan untuk mengetahui energi small punch tertinggi (maksimum) dan terendah yang dicapai dari berbagai variasi temperatur.
TAT A KERJA
Beban luluh (Py) adalah beban yang diterima oleh benda uji small punch ketika benda uji telah melewati tahapan elastic bending dan mulai memasuki tahapan plastic bending. Py diperoleh dari titik potong garis singgung antara daerah elastic bending dengan daerah plastic bending dari kurva beban (kN) vs. detleksi (mm).
Material dan Benda uji Material yang digunakan sebagai contoh studi pengujian small punch ini adalah model logam paduan Feritik dengan komposisi kimia seperti Tabel 1 di bawah ini.
Prosiding PPI • PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
ISSN 0216 - 3128
92
Sri Nitiswati
Tabel 1. Komposisi Kimia (% berat)(41
Model
c
Mn
P
s
o
N
0.004
1.27
0.042
0.0006
0.003
0.0004
Logam Paduan Feritik
Mo
Contoh pada studi ini digunakan benda uji berbentuk bulat pipih dengan ukuran (}8mm x tebal O.5mm.
Pelaksanaan
pengujian
Pengujian small punch. dilakukan di Laboratorium Keandalan Komponen Dan Sistem Departemen Penelitian Keselamatan. Reaktor, JAERI. Sebelum pengujian dimulai terlebih dahulu dilakukan seting mesin yaitu : cross head di set pad a kecepatan kon<;tan 0,2 mm/menit dan beban maksimum di set pada 3kN. Termokopel tipe-R dihubungkan an tara jig uji dengan pengendali temperatur. Pengujian pada temperatur di bawah OoC (temperatur minus) dilakukan dengan mengalirkan nitrogen cair kedalam kolom stainless steel. Kemudian dilakukan seting temperatur sampai temperatur pengujian dicapai dan dijaga konstan dengan toleransi maksimum ± 1,0oC selama 15 menit. Setelah itu pengujian dapat dimulai yaitu cross head digerakan arah ke bawah
sehingga punch akan menekan bola baja berdiameter 2,4mm dan selanjutnya bola baja menekan benda uji small punch sehingga benda uji mengalami deformasi. Selama pengujian berlangsung kondisi temperatur uji harus dijaga konstan. Pengujian dihentikan bila benda uji sudah patah yang dapat diketahui melalui pengamatan langsung dari kurva beban (kN) vs. detleksi (mm) yang terbentuk ketika pengujian berlangsung dan juga ditandai dengan terjadinya penurunan beban dengan tiba-tiba.
HASIL DAN PEMBAHASAN Kurva beban (kN) vs detleksi (mm) dan model patahan benda uji small punch pad a berbagai variasi temperatur diperlihatkan pada Gambar 4.
j •• • "
I
IJ. ~ •....•.\
...
•• ~[»oj. ",di •••,1" fW~
••••.
i I
~:~0J""'::"':'~'T;"1 • ••
IS.
J
(t.~[~j
p,,", ••• 41.!(fC
,p'" •••.
(.:. l}iqi
p;;d;~np:~n_
,
(~·~IH4.ipd" ~:IIIF'~U
(d.I.~~,..d.I ""P.or';;M .,00'('
..J~C
. .\<)""
fa ..•. } H•.t'Ut "'L,:'i! I"J n.~ 1 )~b.I~:.nJ1-...1I~" (1'1'1 ••••
fi:t ••'\ I.-hlup.t"o.l.'u
(~)t~. ,pch' F4d.l iI;7'FI .••• w I
Gambar 4. Kurva Beban (kN) vs. Defleks; (mm) dan Foto M;kroskop Small Puncll
j"l
(at J~i ~H r..•. __ ·~ fr"':"I~r"M
Elektron Model Patallan Benda Uji
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
Sri Nitinvati
-
ISSN 0216-3128
Dari kurva beban (kN) vs. detleksi (mm) pada Gambar 4 (a), (c) sampai dengan (t) secara umum dapat dipelajari bahwa beban maksimum yang dicapai sebelum benda uji patah meningkat dengan menurunnya temperatur pengujian. Jika kurva-kurva terse but dibandingkan dengan kurva normal Gambar 3, maka dikatakan bahwa benda uji patah (gagal) setelah 4 tahap dilalui yaitu dari tahap elastic bending sampai dengan tahap plastic instability. Hal ini berarti bahwa benda uji patah dalam keadaan ulet (ductile fracture) dengan model patahannya seperti ditunjukkan pada foto mikroskop elektron Gambar 4 (a), (c) sampai dengan (t). Gambar 4 (g) benda uji patah pada tahap plastic bending. Gambar 4 (h) benda uji patah pada tahap elastic bending. Dengan mengacu pad a kurva normal Gambar 3, benda uji yang patah sebelum melewati tahap plastic membrane stretching dikatakan patah pada keadaan rapuh (brittle fracture) yang ditandai dengan terjadinya banyak retakan tidak beraturan dengan model patahannya ditunjukkan pada foto mikroskop elektron Gambar 4(g) dan (h). Gambar 4 (b), benda uji patah setelah 4 tahap dilalui sehingga dikatakan patahannya dalam keadaan ulet dengan model patahannya seperti ditunjukkan pada foto mikroskop elektron Gambar 4 (b). Detleksi sampai benda uji patah (detlection to failure) cenderung menurun dengan naiknya temperatur , seperti ditunjukkan pada Gambar 5. 2.2 •...---
-
- ---
--.-
--
.
2.1
~ E 2 E := 1.9 (I,)
~ -=
1.8
~
1.7 1.6 1.5 -200 -150 -100 -50
0
T emperatur
50 100 150 200 (CC)
Kuat Luluh dan Kuat Tarik Dari kurva beban (kN) vs. detleksi (mm) pada Gambar 4 (a) sampai dengan (t) diketahui benda uji patah setelah melewati 4 tahap, ini berarti dari kurva-kurva tersebut dapat ditentukan be ban luluh (Py) dan beban maksimumnya sehingga harga kuat luluh dan kuat tariknya dapat dihitung. Kurva beban (kN) vs. detleksi (mm) pada Gambar 4 (g) hanya dapat ditentukan beban luluhnya saja karena benda uji telah patah pada tahap plastic bending sehingga hanya dapat dihitung harga kuat luluhnya saja. Sedangkan kurva beban (kN) vs. detleksi (mm) pada Gambar 4 (h) benda uji telah patah pada tahap elastic bending sehingga beban luluhnya tidak dapat ditentukan. Data kuat luluh dan kuat tarik ditabulasikan pada Tabel 2.
Temperatur transisi Energi small punch tertinggi yaitu sebesar 2.47 J diperoleh pada kondisi uji -160°C (Iihat Tabel 2). Dari terminologi diatas (teori), setengah dari energi tertinggi (maksimum) adalah 1,235 J. Dengan memperhatikan Gambar 6 di bawah ini bila dari titik 1,235 J ditarik garis tegak lurus kebawah akan diperoleh temperatur transisi sebesar -167°C. Mengacu pada kurva beban (kN) vs. detleksi (mm) dari Gambar 4 (t) dimana benda uji small punch diuj i pada temperatur -160°C serta kurva be ban (kN) vs. detleksi (mm) dari Gambar 4 (g) yaitu benda uji small punch diuji pad a temperatur 170°C, maka temperatur transisi -167°C adalah bisa diterima. Karena pengujian pada temperatur -160°C benda uji small punch patah dalam keadaan ulet, sedangkan pengujian pada temperatur -170°C benda uji small punch patah dalam keadaan rapuh. Ini berarti bahwa temperatur transisi berada diantara kedua temperatur tersebut. Data hasil metoda ditabulasikan pada Tabel 2.
Gambar 5. Kurva Defleksi (mm) vs. Temperatur (1C)
Tabel2. Data Hasil Metoda Vii Small Punch --0,975 0,0631 --2,52 -TR -150 -160 Linear I-190 -100 ..50 -170 +150 0.50 0,13592 2-56 0,08090 0,20388 279,771,76 394,722,05 231,82 0,48 0,978 1,20 188,12 3,45 1,21 0,39482 579,652,47 0,51 1,80 4,84 0,50 1,91 220,801,27 0,11262 2,54 0,33657 574,402,34 1,43 1,72 282,19 484,66 126,41 4,02 4,68 0,39806 550,95 546,46 0,13 1,04 162,17 ':g Yogyakarta, 10 Juli..BATAN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan 2-55
93
uji
small
punch
ISSN 0216 - 3128
94
Keterangan : T : Tebal benda uji T : Temperatur uji TR : Temperatur ruang : Beban luluh Py : Kuat luluh ~y : Beban maksimum P Max Kuat tarik 0' TS SP energy : Energi small punch SFE : Specific Fracture Energy
~2.471
-190
-180
-170
Temperatur
-160
Gambar 6. Energ; Small Punch (J) vs. emperatur (lCJ
KESIMPULAN
4.
Y. NISHIYAMA, Alloys", 2002.
5.
J. KAMEDA, et. aI., "Hardening and Intergranular Embrittlement in NeutronIrradiated Ferritic Alloys", Material Science and Engineering, AI12, 1989.
6.
X. MAO, et. aI., "Development of a FurtherMiniaturized Specimen of 3 mm Diameter for the TEM Disk Small Punch Tests", Journal of Nuclear Material, Vol. 150, 1987.
7.
JE-CHOON MOON, et. aI., "Data Accumulation and Analysis for Small Punch Test of 21/4 Cr-I Mo Steel With Regard to Round Robin Program", JAERI-Memo, 04230, July, 1992.
8.
SHENHUA SONG, et. aI., "Grain Boundary Phosphorus Segregation Under Irradiation and Thermal Aging and Its Effect on the Ductileto-Brittle Transition", ASTM STP 1405,200 I.
"Data for Japanese Ferritic
Riil Isaris - Mohon dijelaskan profit penggunaan metode ini pada aspek teknologi, ekonomi, dan keselamatan dan kelebihan dibanding metode lain? - Mengapa menggunakan Ferritic Alloy, apakah aplikasinya punya prospek ? - Karena penelitian ini baru, apakah sudah mengajukan paten, dan bagaimana dengan tersedianya reference plant untuk demo?
DAFT AR PUST AKA
2.
T. MISAWA, et.al., "Evaluation of Toughness Degradation by Small Punch (SP) Tests For Neutron Irradiated Structural Steels", Proceeding of the Fourth International Symposium on Advanced Nuclear Energy Research.
TANYAJAWAB
Hasil penelitian menunjukkan bahwa metoda uji small punch dapat digunakan untuk studi awal sifat mekanik dan model patahannya yaitu ulet atau rapuh. Salah satu hasil pengujian pada temperatur 50°C, kuat luluhnya adalah 188,12 MPa, kuat tariknya 279,77 MPa, energi small punch nya 1,76 J, specific fracture energy nya 3,45 J/mm, model patahannya ulet dan temperatur transisi ulet ke rapuh adalah -167°C.
I.
3.
-150
(DC)
Sri Niti.~wati
K.V. KASIVISWANATHAN, et. aI., "Miniature Shear Punch Test With On-Line Acoustic Emission Monitoring For Assessment of Mechanical Properties", Small Specimen Test Techniques, ASTM STP 1329, ASTM, 1998. JUDE R. FOULDS, et.al., Fracture Toughness by Small Punch Testing", Journal of Testing and Evaluation, JTEVA, Vol. 23, No. I, January 1995
Sri Nitiswati Profit penggunaan metode Small Punch dari aspek teknologi adalah sederhana dan cepat baik dari segi preparasi benda uji. pelaksanaan pengujian serla analisisnya. Dengan menggunakan satu metode saja yailll "Small Punch" dapa! diperoleh 6-7 sifat mekanik material. Sedangkan jika menggllnakan metode konvensional, untllk mendapatkan 6-7 strat mekanik material diperlukan beberapa metode
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Jull 2006
Sri Nitiswati
ISSN 0216 - 3128
95
- Penelitian ini sudah dilakukan lebih dari 25 tahun di negara-negara yang sudah mempunyai PLTN, seperti : Amerika, Jepang, Korea, dll. Sampai saat ini metode Small Punch masih terus dikembangkan di negara-negara yang punya PLTN untuk tujuan penelitian dan mendapatkan standarisasi. Saya melakukan penelitian ini di Jepang, penelitian ini adalah masih baru bagi saya. Tentunya paten adalah hak dari negaranegara yang sudah melakukan penelitian lebih dahulu. PTRKN (Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir) mempunyai fasilitas mesin uji tarik yang dalam waktu dekat akan dimodijikasi menjadi mesin uji Small Punch. Jadi "Reference Plant" untuk demo dapat/tersedia di pusat saya PTRKN.
seperti : uji tarik, charpy-V notch, fracture toughness, dll - Profit dari aspek ekonomis adalah dengan sejumlah kecil volume material dapat diperoleh 6-7 sifat mekanik material. Sedangkan dengan metode konvensional (Vji tarik, Charpy-V notch, Fracture Toughness) ukuran benda ujinya lebih besar, sehingga dengan menghabiskan banya material yang tentu saja tidak ekonomis (Iebih mahal). - Metode uji Small Punch dikembangkan dan digunakan untuk penelitian material PLTN. Ferritic Alloy adalah jenis logam paduan untuk bejana tekan PLTN. Pada prinsipnya metode uji Small Punch dapat diaplikasikan untuk semua industri dan semuajenis material.
KE DAFTAR ISI
Prosiding Pustek Akselerator
PPI • PDlPTN 2006 dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta,
10 Jull 2006
