Pengaruh Laju Regangan Linier Terhadap Data Uji Tarik Sambungan Las Plat Baja Handoko 1 dan Benidiktus Tulung Prayoga 2

Pengaruh Laju Regangan Linier Terhadap Data Uji Tarik Sambungan Las Plat Baja Handoko 1 dan Benidiktus Tulung Prayoga 2

1,2

Program Diploma Teknik Mesin, Sekolah Vokasi, Universitas Gadjah Mada, Jl. Yacaranda Sekip Unit IV, Yogyakarta, Telepon (0274) 6491301, Fax. (0274) 580990 E-mail : [email protected] dan [email protected]

Intisari—Dalam upaya memahami sifat mekanik suatu bahan teknik, uji tarik merupakan data dasar. Data hasil uji tarik tersebut dijadikan sebagai pedoman utama untuk kegiatan perancangan konstruksi mekanik, termasuk yang melibatkan proses fabrikasi menggunakan sambungan las. Namun data uji tarik sederhana tidak dapat dijadikan acuan ketika ada kebutuhan untuk meninjau aspek dinamik dari suatu konstruksi. Diperlukan penelitian tentang laju regangan yaitu mengambil data – data uji tarik sebagai fungsi waktu (t). Atas dasar hal tersebut, penelitian ini dilakukan yaitu dengan mempelajari pengaruh laju regangan linier (ࢋሶ ) terhadap data uji tarik pada sambungan las. Pemilihan sambungan las dilakukan mengingat akan dominasi metode pengelasan pada sambungan konstruksi. Percobaan dilakukan dengan menguji kekuatan tarik bahan plat baja karbon rendah pada tiga variasi laju regangan linier yaitu 0,0005, 0,0062 dan 0,0165 detik-1. Spesimen disiapkan mengikuti standar ASTM E8M dengan gauge length 50 mm. Data beban dan elongation direkam untuk setiap interval waktu pengujian hingga spesimen putus. Hasil pengujian menunjukkan bahwa laju regangan linier mempengaruhi kekuatan tarik bahan. Semakin tinggi laju regangan linier, tegangan tarik maksimum, tegangan tarik putus dan tegangan luluhnya akan semakin tinggi pula. Pada laju regangan linier 0,0165 detik-1, nilai tegangan tarik maksimum 455,6 MPa yaitu 2,35 % dan 4,7 % lebih tinggi dari tegangan tarik maksimum pada laju regangan linier 0,0005 dan 0,0062 detik-1. Dilain pihak, regangan turun 10,74 % hingga 15,34 % dibandingkan dengan nilai regangan pada pengujian dengan laju medium dan laju rendah. Keywords — laju regangan linier, kekuatan tarik, sambungan las.

I. PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang Uji tarik merupakan salah satu cara menguji sifat bahan teknik yang paling mendasar dalam upaya memahami sifat – sifat mekanik bahan. Disebut mendasar karena data hasil uji tarik dapat dijadikan sebagai patokan dalam menentukan kekuatan dan sifat mekanik yang

lain. Sebagai contoh, untuk baja karbon dapat diambil perkiraan bahwa kekerasan Brinell (Brinell Hardness Number) tiga kali kekuatan tarik [1]. Selanjutnya, ketika merancang sebuah tool dari bahan baja, seorang tool designer dapat memperkirakan bahwa kekuatan geser sekitar 50 – 60 % dari kekuatan luluh hasil uji tarik [2]. Namun konstruksi mekanik lebih sering mendapat beban dinamik daripada beban statik. Oleh karena itu, uji tarik perlu diperluas sehingga datanya dapat memberi gambaran tentang proses dinamik. Caranya adalah dengan memasukkan variabel waktu (t) sehingga diperoleh data – data uji tarik sebagai fungsi waktu. Hasilnya dapat berupa laju regangan (strain rate) yang menggambarkan perilaku dinamik material uji. Mempertimbangkan hal tersebut, penelitian ini dilaksanakan dengan mempelajari perilaku bahan ketika mengalami pengujian tarik dengan tiga variasi laju regangan linier ( e ) yang berbeda. Bahan yang diuji adalah plat baja karbon rendah dengan sambungan las. Pemilihan sambungan las dilakukan mengingat akan dominasi metode pengelasan pada sambungan – sambungan konstruksi. I.2. Tinjauan Pustaka Penelitian tentang pengaruh laju regangan telah dilakukan oleh berbagai peneliti. Sebagai contoh, untuk bahan baja, Boyce dan Dilmore meneliti pengaruh laju regangan dari 0,0002 detik-1 hingga 200 detik-1 menggunakan baja ultrahigh-strength [3]. Mereka melaporkan penurunan keuletan 10 % (AerMet 100 dan HP9-4-20M), peningkatan keuletan 25 % (ES1c) dan peningkatan tegangan luluh 10 %. Untuk bahan yang mengalami proses pengelasan, Langrand dan Markiewicz, meneliti kekuatan plat yang memiliki sambungan las titik (spot welding). Bahan plat adalah mild steel. Mereka membuktikan bahwa yielding, hardening dan failure dipengaruhi oleh strain

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Terapan SV UGM 2014

49

rate [4]. Kemudian Lee et al, meneliti pengaruh laju regangan pada bahan SUS 304L yang dilas dengan metode Plasma Arc Welding (PAW). Para peneliti tersebut meninjau struktur mikro spesimen uji dan menyimpulkan bahwa dislokasi, twin serta komposisi martensit dipengaruhi oleh laju regangan dan parameter pengelasan [5]. Pada bahan non fero, Ambriz et al meneliti kekuatan tarik paduan aluminium AA6061-T6 pada laju regangan medium. Dengan teknik pengelasan yang baru yaitu MIEA (Modified Indirect Electric Arc), laju regangan diketahui tidak secara signifikan mempengaruhi yield dan tensile stress [6]. I.3. Dasar Teori Pada suatu proses uji tarik terhadap spesimen dengan penampang mula – mula A0 dan panjang mula – mula L0 yang dikenai gaya tarik F maka spesimen akan mengalami SHUWDPEDKDQSDQMDQJǻL. Jika parameter waktu dijadikan acuan, maka engineering stress (S) dan engineering strain (e) dapat dihitung sebagai berikut:

S (t )

F (t ) A0

(1)

e(t )

'L(t ) L0

(2)

Kemudian, true stress ı  GDQ true strain (ഌ) dinyatakan dalam bentuk persamaan:

V

S (1  e)

(3)

H

ln(1  e)

(4)

Menurut Costa Mattos et al [7], laju regangan (ߝሶ ), laju regangan linier (݁ሶ ) dan engineering strain (e) dapat dijabarkan dalam relasi sebagai berikut:

H

e 1 e

(5)

Pada berbagai bahan yang diuji, persamaan umum flow stress ı adalah:

V

KH n

(6)

dengan K adalah konstanta bahan dan n merupakan faktor sensitivitas terhadap strain rate. Untuk logam fero, persamaan (6) perlu

50

dimodifikasi lewat hubungan semi logaritma berikut ini

V

E . log(H )  K c

(7)

dengan ȕ adalah parameter sensitivitas strain rate (semi logaritma) dan K’ adalah konstanta bahan [3]. I.4. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh laju regangan linier ( e ) terhadap kekuatan tarik dan regangan bahan plat baja karbon rendah, tebal 2 mm, yang dilas dengan metode SMAW (Shielded Metal Arc Welding). II. CARA PENELITIAN Pada tahap awal, plat baja karbon rendah dilas kemudian dibuat menjadi spesimen uji tarik sesuai standar ASTM E8M dengan panjang uji (gauge length) 50 mm. Pembuatan spesimen dilakukan menggunakan mesin frais. Setelah spesimen siap, dilakukan uji tarik pada tiga variasi laju regangan linier dengan UTM (Universal Testing Machine) Controlab. Karena mesin uji tarik yang digunakan dioperasikan secara manual maka kecepatan loading diatur lewat bukaan katup hidrolik sehingga laju regangan yang digunakan tidak tinggi. Selama pengujian, data gaya tarik dan elongation direkam dengan camcorder. Hasil rekaman dianalisa tiap frame menggunakan perangkat lunak Media Player Classic untuk mengekstrak data ‫ )ݐ(ܨ‬dan ο‫)ݐ(ܮ‬. Data – data hasil pengujian kemudian diolah dengan regresi statistik menggunakan perangkat lunak spreadsheet untuk mendapatkan besaran laju regangan linier. Terakhir, pengaruh variasi laju regangan linier terhadap tegangan dan regangan dapat dipelajari dengan membandingkan data – data dari tiap variasi tersebut. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Dari data hasil pengujian untuk ketiga variasi laju regangan dapat dibuat kurva engineering stress (S) versus engineering strain (e) sebagai berikut:

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Terapan SV UGM 2014

Gambar 1. Kurva engineering stress (S) versus engineering strain (e) dari tiga variasi laju regangan linier.

Data dasar kekuatan tarik bahan berdasarkan kategori laju regangan linier tersebut, yaitu tegangan luluh (Sy), tegangan maksimum (Su), tegangan putus (SB), dan regangan (e) adalah sebagai berikut: Tabel I. Data Kekuatan Tarik (Engineering Stress) Linear strain rate (detik-1)

Sy (MPa)

Su (MPa)

SB (MPa)

Regangan elastis (%)

Regangan total (%)

0,0005 0,0062 0,0165

299,2 300,4 322

425,6 435,6 455,6

335,6 350,8 402,8

3,28 3,3 2,32

28,68 25,6 24,28

Mengingat perbedaan nilai kuantitatifnya tidak begitu besar, pengaruh laju regangan linier terhadap tegangan dan regangan dijabarkan secara grafis sebagai berikut:

Gambar 3. Pengaruh laju regangan linier terhadap regangan bahan spesimen yang diuji.

Dari Gambar 2 nampak bahwa peningkatan laju regangan linier akan meningkatkan kekuatan tarik maksimum (Su) bahan. Pada laju regangan tertinggi, peningkatan tersebut mencapai 4,7 % dari laju regangan linier paling rendah (0,0005 detik-1) serta 2,35 % apabila dibangdingkan dengan laju regangan medium. Selanjutnya, kekuatan tarik putus bahan (SB) meningkat sebesar 4,53 % hingga 20,02 % terhadap laju regangan medium dan rendah. Kekuatan tarik luluh tidak menunjukkan perbedaan signifikan pada laju regangan rendah dan medium, namun meningkat cukup besar yaitu 7,62 % pada laju regangan tinggi. Ditinjau dari aspek regangan (Gambar 3), pada kondisi elastis, regangan elastis relatif tidak menunjukkan perbedaan yang berarti. Kemudian untuk regangan total (elastis dan plastis), terjadi penurunan seiring dengan peningkatan laju regangan linier. Kombinasi peningkatan kekuatan tarik dan penurunan regangan menunjukkan bahwa laju regangan linier tidak berpengaruh terhadap kerja per satuan volume bahan yang diperlukan untuk menarik putus benda uji. Jika W adalah kerja per satuan volume bahan atau luas daerah dibawah kurva tegangan (S) versus regangan (e) dengan S adalah fungsi e, yaitu S(e) sesuai persamaan: ܹሶ = ‫݁݀ )݁(ܵ ׬‬

Gambar 2. Pengaruh laju regangan linier terhadap tegangan bahan spesimen uji.

(8)

maka W relatif sama untuk semua variasi laju regangan linier yang diuji (daerah yang diarsir pada Gambar 4).

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Terapan SV UGM 2014

51

Gambar 4. Kerja per satuan volume bahan.

Kerja yang dilakukan yaitu jumlah dari energi kinetik dan energi potensial deformasi yang dibutuhkan untuk memutus spesimen uji adalah sama untuk semua variasi laju regangan, namun pola pemanfaatannya berbeda [9]. Pada laju regangan linier yang rendah, energi kinetik lebih kecil daripada energi potensial deformasi. Masukan energi yang diterima spesimen selama uji tarik berlangsung lebih banyak diubah menjadi energi potensial deformasi sehingga SHUWDPEDKDQ SDQMDQJ VSHVLPHQ ǻ/  OHELK besar. Hal ini dapat menjelaskan mengapa regangan total cenderung lebih besar saat laju regangan cukup rendah (Gambar 3). Dari jangkauan laju regangan linier yang digunakan dalam penelitian ini, pada daerah elastis, regangan bahan baja yang diuji independen terhadap laju regangan linier. Mengingat bahwa pada daerah elastis, hukum Hooke masih berlaku dan kemiringan kurva S = f(e) yaitu modulus elastisitas (E) adalah konstan (jenis bahan yang diuji sama) maka ketika persamaan:

S

E.e

(9)

diturunkan terhadap waktu (t) akan menjadi:

dS dt

de E. dt

E . e

Pada bahan logam ulet, penyempitan lokal terjadi mulai pada beban maksimum. Dari persamaan penyempitan lokal [8]:

dV dH

V

(11)

bersama dengan persamaan (4) akan didapatkan:

Hu

ln

L0  'L L0

n

(12)

dengan İu = true strain saat beban maksimum, sehingga:

K .H u

Vu

n

K .n n

Karena ıu juga dapat dinyatakan dengan:

S u .eH u

Vu maka:

S u .eH u

K .n n

(10)

Artinya, dapat dikatakan bahwa hanya laju tegangan ( ܵሶ ) berbanding lurus dengan laju regangan linier ( ݁ሶ ), sedangkan regangan (e) tidak terpengaruh (Gambar 3 dan persamaan 10). Sekali lagi, persamaan 9 dan persamaan 10 berlaku hanya untuk daerah elastis.

52

Secara sederhana hubungan tegangan dan regangan rekayasa dapat dinyatakan dengan persamaan (9). Untuk tegangan dan regangan sesungguhnya \DLWXıGDQഌ, nilai tegangan dan regangan tersebut harus diperoleh dengan menggunakan nilai luas penampang serta panjang aktual dari spesimen selama pengujian berlangsung. Masalah muncul karena dalam pengujian dengan variasi laju regangan linier, cukup sulit mengukur diameter dan panjang aktual mengingat keterbatasan waktu. Sebagai contoh, pada laju regangan medium benda kerja putus dalam waktu 38 detik dan pada laju tinggi hanya dalam 16 detik saja. Oleh karena itu, tegangan dan regangan sesungguhnya ditentukan dengan cara analitik sehingga persamaan flow stress bahan akibat pengaruh laju regangan dapat diketahui.

K

Su n ( )n e

(13)

dengan e = bilangan natural = 2,718. Berdasarkan persamaan (12) dan (13) dapat dilakukan kalkulasi hingga diperoleh:

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Terapan SV UGM 2014

Tabel II. Kalkulasi konstanta K dan n Laju regangan Su K(MPa) n = İu linier (MPa) -1 (detik ) 0,0005 425,6 0,243 700 0,0062 435,6 0,302 720,93 0,0165 455,6 0,294 748,38 Dengan demikian persamaan flow stress dapat dijabarkan untuk tiga variasi laju regangan sebagai berikut: Pada laju rendah:

V

700 .H 0, 243

(14)

Pada laju sedang:

V

720,93 .H 0,302

(15)

Pada laju tinggi:

V

748,38 .H 0, 294

Apabila dinyatakan dalam hasilnya adalah (Gambar 5):

Gambar 5.

bentuk

(16) grafik,

Kurva True Stress vs True Strain data pengujian dan kalkulasi (sesuai dengan Tabel II).

Dari Tabel II diketahui bahwa laju regangan linier yang lebih tinggi menyebabkan peningkatan nilai K dan nilai konstanta strain hardening (n). Konstanta K dapat juga disebut sebagai koefisien kekuatan [8] sehingga peningkatan nilai K konsisten dengan data peningkatan kekuatan tarik (Gambar 2). Berikutnya, meninjau bahwa konstanta n = 0 untuk benda padat plastis ideal, n = 1 untuk benda padat elastis dan n antara 0,1 hingga 0,5 pada bahan logam [10], maka data pada Tabel II

menunjukkan kecenderungan bahan spesimen yang diuji lebih menonjol sifat plastisnya. Hal ini juga sesuai dengan data pada Gambar 3. Untuk ketiga variasi laju regangan yaitu laju regangan rendah, laju regangan medium dan laju regangan tinggi, hanya 11,44 %, 12,98 % dan 9,56 % dari total regangan yang berupa regangan elastis. Secara umum ditinjau dalam batas elastis bahan, perubahan regangan (yaitu regangan elastis) tidak signifikan dipengaruhi oleh laju regangan. Untuk keperluan perancangan, konstruksi sederhana dari bahan plat baja karbon rendah yang disambung las dan mendapat beban laju regangan dalam batas penelitian ini dapat mengabaikan aspek pengaruh laju regangan terhadap regangan elastis. IV. KESIMPULAN Dari hasil pengujian pengaruh linear strain rate pada uji tarik bahan plat baja karbon rendah yang mengalami proses pengelasan SMAW, dapat disimpulkan bahwa: 1. Kekuatan tarik maksimum meningkat seiring dengan peningkatan laju regangan linier. Pada laju tertinggi, peningkatan tersebut sebesar 2,35% dan 4,7% dibandingkan dengan laju sedang dan laju rendah. Tegangan tarik luluh dan tegangan tarik putus juga meningkat ketika laju regangan semakin tinggi. 2. Semakin tinggi laju regangan, regangan total bahan akan semakin rendah. Dibandingkan dengan kondisi laju regangan rendah, penurunan nilai regangan tersebut sebesar 10,74 % (laju medium) hingga 15,34 % (laju tinggi). 3. Pengaruh laju regangan terhadap regangan elastis bahan tidak signifikan. V. UCAPAN TERIMA KASIH Peneliti mengucapkan terima kasih kepada Sekolah Vokasi UGM atas dukungan dana untuk Tahun Anggaran 2014 sehingga penelitian ini dapat terlaksana. Terima kasih juga disampaikan kepada komunitas pengembang perangkat lunak open source yang membuat Media Player Classic yang

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Terapan SV UGM 2014

53

memungkinkan dilakukannya analisa gambar tiap interval waktu tertentu dengan mudah dan murah. VI. DAFTAR PUSTAKA [1]

J.P. Schaffer, et al, The Science And Design of Engineering Materials, 2nd edition, The McGraw-Hill Co., Inc., p.380, 1999. [2] M.S. Nee, Fundamentals of Tool Design, Society of Manufacturing Engineers, 4th edition, p.25, 1998. [3] B.L. Boyce, M.F. Dilmore, The dynamic tensile behavior of tough, ultrahigh-strength steels at strainrates from 0.0002 s-1 to 200 s-1, International Journal of Impact Engineering, Elsevier Ltd., 2008. [4] B. Langrand, E. Markiewicz, Strain-rate dependence in spot welds: Non-linear behaviour and failure in pure and combined modes I/II, International Journal of Impact Engineering 37, pp. 792–805, 2010. [5] W.S. Lee, et al, Effects of strain rate and welding current mode on microstructural properties of SUS 304L PAW welds, Journal of Materials Processing Technology 183, pp. 183–193, 2007. [6] R.R. Ambriz, C. Froustey, G. Mesmacque, Determination of the tensile behavior at middle strain rate of AA6061-T6 aluminum alloy welds, International Journal of Impact Engineering 60, pp. 107–119, 2013. [7] H.S. Costa Mattos, et al, Modeling the super plastic behavior of Mg alloy sheets under tension using a continuum damage theory, Journal of Materials and Design Vol. 7, Elsevier Ltd., 2008. [8] G.E. Dieter, Mechanical Metallurgy, 3rd edition, McGraw-Hill, Inc., 1992. [9] S. Mastilovic, et al., Ordering effect of kinetic energy on dynamic deformation of brittle solids, Mechanics of Materials Vol. 40, Elsevier Ltd., pp. 407– 417, 2007. [10] F.C. Campbell, Elements of Metallurgy and Engineering Alloys, ASM International, p.282, 2008.

54

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Terapan SV UGM 2014