Pengaruh Laju Regangan Linier Terhadap Data Uji Tarik Bahan Baja Tahan Karat Seri 304 Handoko 1) dan Benidiktus Tulung Prayoga 2) Program Diploma Teknik Mesin, Sekolah Vokasi, Universitas Gadjah Mada1, 2) Jl. Yacaranda Sekip Unit IV, Yogyakarta, Telepon (0274) 6491301, Fax. (0274) 580990 E-mail :
[email protected]) dan
[email protected]) Intisari Uji tarik merupakan jenis pengujian bahan yang paling banyak dilakukan untuk mengetahui sifat mekanik suatu bahan teknik. Pada mesin uji tarik menggunakan penggerak tenaga hidrolik, bukaan katup yang dilakukan oleh operator akan mempengaruhi laju regangan linier yang dialami bahan. Menjadi menarik untuk memeriksa pengaruh tersebut terhadap data hasil uji tarik. Penelitian ini dilaksanakan dengan mempelajari pengaruh variasi laju regangan linier pada uji tarik bahan baja tahan karat. Uji tarik dilakukan pada spesimen plat 2 mm bahan baja tahan karat seri 304 sesuai standar ASTM E8M gauge length 50 mm dengan tiga variasi laju regangan linier yaitu 0,0006, 0,0055 dan 0,0446 detik-1. Data gaya (kN) dan elongation (mm) dengan tampilan digital direkam hingga spesimen putus kemudian dianalisa tiap interval waktu tertentu. Hasil pengujian menunjukkan bahwa laju regangan linier mempengaruhi data kekuatan tarik bahan. Semakin tinggi laju regangan linier, tegangan maksimum bahan cenderung meningkat sedangkan regangan bahan cenderung lebih rendah meskipun perbedaan nilainya tidak signifikan. Kasus khusus terjadi pada nilai laju regangan tinggi yaitu fenomena menurunnya regangan elastis bahan yang cukup signifikan sebesar 64,23 %. Mengingat sulitnya mengukur dimensi aktual plat saat pengujian dilakukan, kalkulasi true stress dilakukan dengan persamaan penyempitan lokal dari bahan ulet pada beban maksimumnya. Nilai eksponen pengerasan regang sebesar 0,28 untuk laju regangan rendah dan sedang serta 0,31 untuk laju regangan tinggi. Kata kunci: kekuatan tarik, laju regangan linier, baja tahan karat 304
1. Pendahuluan Latar Belakang Pada perancangan elemen mesin, data uji tarik merupakan data yang paling banyak diperlukan untuk mengetahui sifat mekanik bahan. Data tersebut kadang juga dijadikan sebagai pedoman dalam menentukan parameter sifat mekanik yang lain. Sebagai contoh ketika merancang tool dari bahan baja, seorang tool designer dapat memperkirakan bahwa kekuatan geser sekitar 50 – 60 % dari data kekuatan luluh hasil uji tarik (Nee, 1998). Kemudian pada baja karbon dapat diambil perkiraan bahwa Brinell Hardness Number sebesar tiga kali nilai kekuatan tarik (Schaffer et al, 1999). Dengan demikian dapat dimengerti akan perlunya evaluasi atas data uji tarik. Industri lokal misalnya dari Ceper, Klaten, Jawa Tengah, secara rutin membutuhkan data uji sifat mekanik terutama uji tarik atas sampel produk mereka demi menjaga kualitas. Namun dalam praktek di laboratorium, masih sedikit praktisi pengujian bahan yang memperhatikan pengaruh strain rate (laju regangan) terhadap data hasil uji tarik. Apabila berpengaruh, dikawatirkan data yang dihasilkan tidak akan konsisten bahkan untuk sampel yang sama sifat bahannya. Oleh karena itu penelitian ini dilaksanakan dengan mempelajari data uji tarik bahan ketika mengalami laju regangan linier ( e ) yang berbeda. Sebagai sampel bahan dipilih baja tahan karat 304. Tinjauan Pustaka Baja tahan karat 304 merupakan jenis baja tahan karat austenitik dengan struktur fcc (face centered cubic) dari austenit. Austenit menjadi stabil berkat penambahan nikel pada paduan Fe – Cr (Schweitzer, 2003, p.121). Untuk bahan kristal tunggal fcc, Wang dkk. (2008) menyimpulkan bahwa pada strain rate 104 hingga 106 detik-1 pembentukan densitas dislokasi dan flow stress meningkat pada semua arah dimulai dari arah [111]. Pada bahan lain, Boyce dan Dilmore (2008) meneliti pengaruh strain rate antara 0,0002 detik-1 dan 200 detik-1 dari empat macam bahan baja ultrahigh-strength.
28 | M B T
ISBN: 978-979-95620-6-7
Mereka melaporkan variasi penurunan keuletan (hingga 10%) dan peningkatan keuletan (mencapai 25 %) serta tegangan luluh yang meningkat sebesar 10 % dari bahan – bahan tersebut. Khusus bahan getas, peningkatan strain rate menyebabkan peningkatan kekuatan dinamik dengan transisi dari evolusi kerusakan acak menjadi pola kerusakan deterministik (Mastilovic et al, 2007). Pada bahan non metalik berbagai penelitian mengenai pengaruh strain rate juga telah dilakukan. Sebagai contoh adalah komposit serat gelas – epoxy (Shokrieh dan Omidi, 2008), polimer (Chaléat et al, 2008), keramik (Deshpande dan Evans, 2008) dan karet styrene butadiene (Hoo Fatt dan Ouyang, 2008). Dasar Teori Pada pengujian dengan gaya tarik F pada spesimen (panjang awal L0 dan penampang mula – mula A0) yang menghasilkan elongation sebesar ǻL maka engineering stress (S) dan engineering strain (e) dapat dinyatakan sebagai berikut: S (t )
e(t )
F (t ) A0 'L(t ) L0
(1) (2)
Sedangkan true stress dan true strain dinyatakan dalam bentuk persamaan:
V S (1 e) H ln(1 e)
(3) (4)
Laju regangan dapat dihitung sebagai berikut (Costa Mattos et al, 2008): e H 1 e
(5)
Dengan menambahkan faktor sensitivitas terhadap strain rate maka persamaan umum flow stress (ı):
V
KH n
(6)
dengan K adalah konstanta bahan dan n merupakan faktor sensitivitas terhadap strain rate. Pada logam fero, persamaan (6) dimodifikasi sebagai berikut (Boyce dan Dilmore, 2008):
V
E . log(H ) K c
(7)
dengan ȕ sebagai faktor sensitivitas strain rate semi logaritma serta K’ sebagai konstanta bahan. Manfaat Penelitian Pengaruh laju regangan linier ( e ) terhadap data kekuatan tarik dan regangan pada bahan baja tahan karat 304 dapat diketahui. 2. Metodologi Penelitian Bahan plat baja tahan karat ketebalan 2 mm dibuat spesimen sesuai standar ASTM E8M dengan gauge length 50 mm kemudian diuji tarik pada tiga variasi laju regangan linier. Karena mesin uji tarik yang digunakan memerlukan pengoperasian manual maka laju regangan divariasikan dengan mengatur kecepatan pembebanan lewat bukaan katup hidrolik. Selama pengujian, data gaya tarik dan elongation direkam dengan camcorder. Kecepatan rekam sebesar 25 frames per second (fps). Kemudian video rekaman dianalisa untuk mendapatkan data gaya tarik dan elongation versus waktu. Data diambil menggunakan Media Player Classic, yaitu perangkat lunak open source yang memiliki kemampuan navigasi tiap frame gambar dengan mudah. Data elongation versus waktu kemudian diolah dengan regresi statistik untuk mendapatkan besaran laju regangan linier. Pengaruh variasi laju regangan linier dapat dipelajari ketika membandingkan data kekuatan tarik dan regangan dari tiap variasi.
Prosiding Seminar Nasional Perkembangan Riset dan Teknologi di Bidang Industri ke 16 ISBN: 978-979-95620-6-7
M B T | 29
3. Hasil Penelitian Tahap awal pengolahan data hasil pengujian adalah penentuan laju regangan linier. Terdapat tiga variasi yaitu laju pembebanan yang lambat (slow), sedang (medium) dan cepat (fast) masing – masing untuk laju regangan linier rendah, sedang dan tinggi sebagai berikut:
Gambar 1. Penentuan laju regangan linier dengan teknik regresi linier. Menggunakan perangkat lunak spreadsheet untuk regresi linier, diperoleh tiga besaran kuantitatif laju regangan linier yaitu 0,00006 detik-1, 0,0055 detik-1 dan 0,0446 detik-1. Hasil ini menunjukkan peningkatan jangkauan variasi laju regangan linier dibandingkan dengan publikasi Handoko (2008) sebesar 0,0005 detik-1, 0,0062 detik-1 dan 0,0165 detik-1 untuk uji tarik bahan baja karbon rendah. Kekuatan tarik bahan berdasarkan ketiga variasi laju regangan linier tersebut adalah sebagai berikut: Tabel 1. Data Kekuatan Tarik Rekayasa (Engineering Stress) Laju regangan linier (detik-1) 0,00006 0,0055 0,0446
Kategori Rendah Sedang Tinggi
Tegangan Luluh, Sy (MPa) 280 274,8 274,4
Tegangan Putus Su (MPa) 339,6 351,2 420,8
Tegangan Maksimum Su (MPa) 422,8 430,4 438
Kemudian data regangan rekayasa (engineering strain) diperoleh sebagai berikut: Tabel 2. Data Regangan Rekayasa (Engineering Strain) Laju regangan linier (detik-1) 0,00006 0,0055 0,0446
Kategori Regangan elastis (%) Rendah 5,48 Sedang 5,22 Tinggi 1,96
Regangan Total (%) 44,74 42,56 41,22
Hubungan antara engineering stress dan engineering strain dapat digambarkan seperti pada Gambar 2.
30 | M B T
ISBN: 978-979-95620-6-7
Gambar 2. Kurva Tegangan versus Regangan Rekayasa untuk ketiga variasi laju regangan. 4. Pembahasan Dari Tabel 1 dan Tabel 2 dapat diketahui bahwa data – data vital hasil uji tarik berbeda pada ketiga variasi laju regangan linier. Peningkatan laju regangan linier akan meningkatkan nilai kekuatan tarik maksimum bahan. Peningkatan tersebut mencapai 1,8 % untuk laju regangan medium dan 3,6 % untuk laju regangan tinggi dibandingkan dengan laju regangan linier rendah. Sebaliknya nilai regangan total mengalami penurunan seiring dengan peningkatan laju regangan linier. Penurunan nilai regangan mencapai 4,87 % untuk laju regangan medium dan 7,87 % untuk laju regangan tinggi dibandingkan dengan laju regangan linier rendah. Berikutnya hubungan nilai tegangan dan regangan sesungguhnya (true stress dan true strain) pada uji tarik dinyatakan dengan persamaan (6). Masalah timbul ketika hendak untuk mendapatkan nilai ı. Dalam pengujian dengan variasi laju regangan linier, cukup sulit mengukur dimensi aktual benda uji. Pada laju regangan tinggi, spesimen putus hanya dalam waktu 11 detik (Gambar 1). Meskipun pada variasi laju regangan yang lain tersedia cukup waktu untuk mengambil data, tanpa disertai data laju regangan tinggi, komparasi seluruh variasi menjadi tidak memungkinkan. Oleh karena itu konstanta K dan n dari persamaan (6) dihitung secara analitik. Menurut teori perpatahan bahan, pada bahan logam ulet terjadi penyempitan lokal mulai pada beban maksimum (Dieter, 1992, p.288). Apabila persamaan penyempitan lokal: dV dH
V
(8)
digabungkan dengan persamaan (6) maka:
d (ln V ) H dV H dV H . atau V . .V d (ln H ) V dH n dH n Berarti H n atau saat terjadi penyempitan lokal (Dieter, 1992, p.292): L 'L H u ln 0 n L0 dengan İu = true strain saat beban maksimum, sehingga: n
Vu
K .H u
S u .eH u
n
K .n n
(9)
Su .eH u
K .n n
Jadi konstanta K dan n dapat ditentukan sesuai persamaan:
K
n S u ( ) n e
(10)
dengan e = bilangan natural. Selanjutnya nilai İ tidak menjadi masalah karena elongation sudah terukur secara cermat. Berdasarkan persamaan (9) dan (10) dapat diperoleh: Prosiding Seminar Nasional Perkembangan Riset dan Teknologi di Bidang Industri ke 16 ISBN: 978-979-95620-6-7
M B T | 31
Tabel 3. Kalkulasi konstanta K dan n persamaan (6) Laju regangan Elongation Su n = İu K(MPa) (mm) linier (detik-1) (MPa) 0,00006 422,8 0,28 0,28 798,975 0,0055 430,4 0,284 0,284 802,904 0,0446 438 0,31 0,31 839,191 Dari data di atas dapat disimpulkan bahwa peningkatan laju regangan linier akan menyebabkan konstanta K yang dapat disebut sebagai koefisien kekuatan (Dieter, 1992) juga meningkat. Sedangkan nilai hardening exponent (n) meningkat secara signifikan hanya pada laju regangan tinggi.
Gambar 5. Kurva True Stress versus True Strain untuk ketiga variasi laju regangan. Secara kuantitatif, tegangan luluh bahan tampak menurun seiring dengan kenaikan laju regangan. Namun nilainya relatif cukup kecil yaitu 2,14 % apabila dibandingkan dengan tegangan luluh dengan laju regangan rendah. Artinya tidak terdapat banyak perubahan nilai tegangan luluh. Pada pengujian bahan lain oleh Boyce dan Dilmore (2008), tegangan luluh juga menunjukkan selisih yang kecil untuk nilai strain rate antara 10-3 dan 10-2 detik-1. Untuk kekuatan tarik putus nampaknya lebih tergantung pada aspek lain meliputi sifat anisotropi bahan, ketangguhan dan sebagainya daripada sekedar koefisien kekuatan. Meskipun energi kinetik dan energi potensial deformasi yang dibutuhkan hampir sama untuk semua variasi laju regangan, energi total serta pola pemanfaatannya berbeda. Pada laju regangan rendah, energi kinetik lebih kecil daripada energi potensial deformasi sehingga masukan energi lebih banyak diubah menjadi energi potensial deformasi (Mastilovic et al., 2007, p.416). Kajian tersebut didukung oleh data dari Tabel 2. Pada batas elastis bahan, perubahan regangan tidak signifikan untuk laju regangan rendah dan sedang. Untuk laju regangan yang tinggi, energi kinetik lebih dominan. Regangan elastisnya menurun drastis sebesar 64,23 %. Artinya lebih sedikit energi yang dipakai untuk proses deformasi. Kemudian dalam mengkaji regangan total, data penurunan regangan menunjukkan bahwa bahan baja dependen terhadap strain rate terutama di daerah plastis. Penyebabnya diduga karena ketangguhan retak diperlemah oleh strain rate (Boyce dan Dilmore, 2008). Mekanisme atau interaksi antara strain rate dengan sifat ketangguhan bahan ini membutuhkan studi penelitian lebih lanjut. 5. Kesimpulan Dari data hasil pengujian pengaruh laju regangan linier pada uji tarik bahan baja tahan karat 304, dapat disimpulkan bahwa:
32 | M B T
ISBN: 978-979-95620-6-7
