PENGARUH PRE-STRAIN TERHADAP SIFAT MEKANIS PADA PENGELASAN LOGAM BERBEDA ANTARA BAJA TAHAN KARAT DAN BAJA KARBON
TESIS
Disusun untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Magister Program Studi Teknik Mesin
Oleh SUSILO LUHUR PAMBUDI NIM. S951302005
MAGISTER TEKNIK MESIN PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2015 i
HALAMAN PENGESAHAN PENGARUH PRE-STRAIN TERHADAP SIFAT MEKANIS PADA PENGELASAN LOGAM BERBEDA ANTARA BAJA TAHAN KARAT DAN BAJA KARBON
TESIS
Oleh SUSILO LUHUR PAMBUDI NIM. S951302005
Pembimbing
Nama
Tanda-Tangan
Pembimbing I Dr. Triyono, S.T., M.T. NIP. 19740625 199903 1 002
.........................
Pembimbing II Prof. Dr. Kuncoro Diharjo, S.T,. M.T. NIP. 19710103 199702 1 001
.........................
Telah dinyatakan memenuhi syarat pada tanggal 16 Desember 2015
Ketua Program Studi Teknik Mesin Program Pasca Sarjana UNS
Dr. Triyono, S.T., M.T. NIP. 19740625 199903 1 002
ii
PENGARUH PRE-STRAIN TERHADAP SIFAT MEKANIS PADA PENGELASAN LOGAM BERBEDA ANTARA BAJA TAHAN KARAT DAN BAJA KARBON
TESIS Oleh SUSILO LUHUR PAMBUDI NIM. S951302005 Telah dipertahankan di depan penguji dan dinyatakan telah memenuhi syarat pada tanggal 16 Desember 2015 Tim Penguji Jabatan
Nama
Tanda-Tangan
Ketua
Dr. Agus Supriyanto, S.Si., M.Si. NIP. 19690826 199903 1 001
..........................
Sekretaris
Dr. Nurul Muhayat, S.T., M.T. NIP. 19700323 199802 1 001
..........................
Anggota Penguji Dr. Triyono, S.T., M.T. NIP. 19740625 199903 1 002
..........................
Prof. Dr. Kuncoro Diharjo, S.T,.M.T. NIP. 19710103 199702 1 001
.........................
Mengetahui: Direktur Program Pascasarjana UNS
Ketua Program Studi Teknik Mesin
Prof. Dr. M. Furqon Hidayatullah, M.Pd. NIP. 19600727 198702 1 001
Dr. Triyono, S.T., M.T. NIP. 19740625 199903 1 002
iii
PERNYATAAN ORISINILITAS DAN PUBLIKASI ISI TESIS PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan: 1. Tesis yang berjudul: “PENGARUH PRE-STRAIN TERHADAP SIFAT MEKANIS PADA PENGELASAN LOGAM BERBEDA ANTARA BAJA TAHAN KARAT DAN BAJA KARBON” ini adalah karya penelitian saya sendiri dan bebas dari plagiat, serta tidak terdapat karya ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk memperoleh gelar akademik serta tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain kecuali secara tertulis digunakan sebagai acuan dalam naskah ini dan disebutkan dalam sumber acuan serta daftar pustaka. Apabila di kemudian hari terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini, maka saya bersedia menerima sanksi sesuai ketentuan peraturan perundang-undangan (Permendiknas No. 17, tahun 2010). 2. Publikasi sebagian atau keseluruhan isi Tesis pada jurnal atau forum ilmiah lain harus seijin dan menyertakan tim pembimbing sebagai author dan PPs UNS sebagai institusinya. Apabila dalam waktu sekurang-kurangnya satu semester (enam bulan sejak pengesahan tesis) saya tidak melakukan publikasi dari sebagian atau keseluruhan tesis ini, maka Prodi Magister Teknik Mesin UNS berhak mempublikasikannya pada jurnal ilmiah yang relevan. Apabila saya melakukan pelanggaran dari ketentuan publikasi ini, maka saya bersedia mendapatkan sanksi akademik yang berlaku.
Surakarta, 16 Desember 2015 Mahasiswa
Susilo Luhur Pambudi NIM. S951302005
iv
Susilo Luhur Pambudi, NIM: S951302005, 2015. PENGARUH PRE-STRAIN TERHADAP SIFAT MEKANIS PADA PENGELASAN LOGAM BERBEDA ANTARA BAJA TAHAN KARAT DAN BAJA KARBON. Komisi Pembimbing I: Dr. Triyono, S.T., M. T. Pembimbing II: Prof. Dr. Kuncoro Diharjo, S.T., M.T. Tesis Program Studi Magister Teknik Mesin. Program Pasca Sarjana. Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Abstrak Tesis ini meneliti tentang tentang pengaruh pre-strain terhadap mikrostruktur dan sifat mekanis pada sambungan las dissimilar metal antara SUS304 dengan SS400. Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki pengaruh pre-strain selama proses pengelasan terhadap distorsi sudut, distribusi regangan sisa, kekuatan las, dan perambatan retak fatik. Hasil lasan dievaluasi perubahan bentuk dimensi akibat pengaruh panas selama proses pengelasan. Distorsi pada hasil pengelasan diukur dengan menggunakan meja indicator pada permukaan hasil las dan solidwork 2014. Regangan sisa pada penelitian ini diukur dengan difraksi neutron pada bidang defleksi (110), panjang gelombang adalah 1,836 Å, dan besar sudut difraksi adalah 2θ. Penampang permukaan spesimen dipoles dan dietsa untuk mengetahui bentuk struktur mikronya. Alat yang digunakan adalah mikroskop optik dengan menggunakan pembesaran 40X, 200X, dan 500X. Nilai kekerasan diuji dengan Micro Hardness Vickers dengan interval pengukuran 1 mm menggunakan beban 100 gf dengan durasi indentasi selama 20 detik. Pengujian fatik dilakukan dengan siklus pembebanan tarik pada frekuensi 11 Hz, Rasio beban (R) = 0.2, P max = 3922 N, P min = 785 N, dan ∆P = 3138 N. Pengukuran distorsi menunjukkan bahwa perlakuan pre-strain dapat menurunkan distorsi dibandingkan dengan tanpa perlakuan pre-strain. Sedangkan untuk pengujian difraksi neutron menyatakan bahwa pre-strain dapat meningkatkan regangan arah longitudinal pada daerah weld toe (daerah batas lasan). Sedangkan untuk pengujian kekerasan diketahui bahwa dengan meningkatnya perlakuan prestrain dapat meningkatkan nilai distribusi kekerasannya. Sedangkan dalam pengujian rambatan retak fatik menyatakan bahwa semakin meningkat perlakuan pre-strain akan mengakibatkan siklus rambatan retak fatiknya semakin cepat.
Kata Kunci: pre-strain, SUS304, SS400, distorsi, regangan sisa, fatik,
v
Susilo Luhur Pambudi, NIM: S951302005, 2015. EFFECT PRE-STRAIN ON MECHANICAL PROPERTIES OF METAL WELDED BETWEEN STAINLESS STEEL AND CARBON STEEL. Supervisor I: Dr. Triyono, S.T., M.T. Supervisor II: Prof. Dr. Kuncoro Diharjo, S.T.,M.T. Thesis Master of Mechanical Engineering. Graduate School. Sebelas Maret University, Surakarta. Abstract This thesis examines the effect of the pre-strain on the microstructure and mechanical properties on dissimilar metal welded between SUS304 and SS400. This research aims to investigate the effect of the pre-strain during the welding process to the distortion, residual strain distribution, weld strength and fatigue crack propagation. Welding results are then evaluated changes in terms of dimensions due to heat effect during the welding process. Measurement of the welding distortion using indicator table and solidwork 2014. The residual stress in this study was measured by neutron diffraction in the field of deflection (110), the wavelength was 1.836 Å, and the diffraction angle is 2θ. Cross-section of the specimen surface is polished and etched to determine the microstructure. The tool used is an optical microscope with a magnification of 40X, 200X, and 500X. The value of hardness tested with Micro Hardness Vickers, the measurement interval was 1 mm, using a load of 100 gf, with duration of indents was 20 seconds. Fatigue testing is done with the loading cycle frequency of 11 Hz, the ratio of load (R) = 0.2, P max = 3922 N, P min = 785 N, and ∆P = 3138 N. Distortion measurements showed that the pre-strain treatment can reduce distortion compared with untreated pre-strain. Neutron diffraction testing states that pre-strain can increase the strain in the longitudinal direction at the weld toe area (boundary of welds area). Hardness testing is known that with increasing pre-strain treatment can increase the distribution of hardness values. Fatigue crack propagation tests showed that the increased of pre-strain treatment will cause fatigue crack propagation cycle be faster
Keywords: pre-strain, SUS304, SS400, distortion, residual strain, fatigue
vi
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT atas rahmat dan karunia-Nya sehingga dalam penyusunan tesis mengenai pre-strain pada pengelasan logam tidak sejenis ini dapat terselesaikan. Dalam tesis ini meneliti tentang tentang pengaruh pre-strain terhadap mikrostruktur dan sifat mekanis pada sambungan las dissimilar metal antara SUS304 dengan SS400. Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki pengaruh pre-strain selama proses pengelasan terhadap distorsi sudut, distribusi regangan sisa, kekuatan las, dan ketahanan fatiknya. Tesis ini telah selesai atas bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak, oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Keluarga saya yang telah memberikan banyak dorongan moril dan doanya. 2. Dr. Triyono, S.T., M.T. selaku Ketua Prodi Magister Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta dan sebagai dosen pembimbing utama yang telah banyak memberikan bantuan, masukan dan petunjuk yang bermanfaat. 3. Prof. Dr. Kuncoro Diharjo, S.T, M.T. selaku dosen pembimbing pendamping yang telah banyak memberikan bantuan, masukan dan petunjuk yang bermanfaat. 4. Seluruh dosen, staff, dan kerabat Jurusan Teknik Mesin UNS Surakarta yang mempunyai andil bagi kelancaran dalam penelitian ini. 5. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah membantu demi kelancaran penyelesaian penelitian ini. Akhir kata, penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan dalam penyusunan tesis ini. Oleh karena itu, penulis membuka pintu seluas-luasnya untuk saran serta kritik yang bersifat membangun demi keberhasilan semuanya.
Surakarta, 16 Desember 2015
Penulis
vii
DAFTAR ISI
Halaman JUDUL HALAMAN ........................................................................................ i HALAMAN PENGESAHAN ........................................................................... ii PERNYATAAN ORISINILITAS DAN PUBLIKASI ISI TESIS................. iv Abstak ................................................................................................................ v Abstrac .............................................................................................................. vi KATA PENGANTAR ...................................................................................... vii DAFTAR ISI ..................................................................................................... viii DAFTAR TABEL ............................................................................................ x DAFTAR GAMBAR ........................................................................................ xi BAB I PENDAHULUAN ................................................................................ 1 1.1. Latar Belakang .............................................................................. 1 1.2. Perumusan Masalah ...................................................................... 3 1.3. Batasan Masalah ........................................................................... 3 1.4. Tujuaan Penelitian ........................................................................ 4 BAB II TEORI ................................................................................................ 5 2.1. Tinjauan Pustaka ........................................................................... 5 2.2. Dasar Teori .................................................................................... 6 2.2.1. Pengelasan Dissimilar Metal .............................................. 6 2.2.2. Baja Tahan Karat dan Baja Karbon .................................... 7 2.2.3. Distorsi pada Hasil Las ....................................................... 9 2.2.4. Tegangan Sisa (Residual Stress) ......................................... 10 2.2.5. Analisa Regangan Sisa ........................................................ 12 2.2.6. Rambatan Retak Fatik ......................................................... 14
viii
BAB III METODE PENELITIAN ................................................................. 16 3.1. Persiapan Material ......................................................................... 17 3.2. Proses Pengelasan dengan perlakuan pre-strain ............................ 18 3.3. Pengukuran Distorsi ....................................................................... 19 3.4. Uji Regangan Sisa .......................................................................... 20 3.5. Struktur Mikro ............................................................................... 22 3.6. Uji Kekerasan................................................................................. 22 3.7. Uji Rambatan Retak Fatik .............................................................. 23 3.8. Uji Tarik ......................................................................................... 25 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ......................................................... 26 4.1. Hasil Pengukuran Distorsi ............................................................. 26 4.2. Hasil Pengukuran Regangan Sisa Arah Longitudinal.................... 29 4.3. Hasil Pengamatan Struktur Mikro ................................................. 32 4.4. Hasil Pengujian Kekerasan ............................................................ 39 4.5. Hasil Pengujian Tarik .................................................................... 40 4.6. Hasil Pengujian Rambatan Retak Fatik ......................................... 45 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .......................................................... 59 5.1. Kesimpulan .................................................................................... 59 5.2. Saran .............................................................................................. 59 DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................... 60 LAMPIRAN ....................................................................................................... 63
ix
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 2.1. Sifat mekanis baja tahan karat SUS304 ............................................ 7 Tabel 2.1. Sifat fisik baja tahan karat SUS304 .................................................. 8 Tabel 2.3. Sifat mekanis baja karbon SS400 ..................................................... 8 Tabel 2.4. Sifat fisik baja karbon SS400 ............................................................ 8 Tabel 3.1. Komposisi Kimia SUS304 dan SS400 .............................................. 16 Tabel 3.2. Sifat Mekanik SUS304 dan SS400 .................................................... 16 Tabel 3.3. Perlakuan pre-strain pada SUS304 .................................................... 17 Tabel 4.1. Konstanta persamaan Paris ................................................................ 50
x
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 2.1
(a) Skema ilustrasi dari proses pengelasan gas metal arc-welding (GMAW) (b) Peralatan dasar yang digunakan dalam operasi gas metal arc-welding .......................................... 6
Gambar 2.2
Distorsi dalam struktur dilas ........................................................ 9
Gambar 2.3
Mengurangi distorsi angular dengan mengurangi volume logam las dan dengan menggunakan pengelasan single-pass deep-penetration ......................................................................... 10
Gambar 2.4
Mengurangi distorsi sudut dengan menggunakan sambungan double-V dan pengelasan bergantian di kedua sisi sambungan ............................................................................ 10
Gambar 2.5
Tegangan termal .......................................................................... 11
Gambar 2.6
Skema perubahan temperatur dan tegangan termal selama pengelasan ...................................................................... 12
Gambar 2.7
Distribusi tegangan sisa longitudinal (sx) dan transverse (sy) pengelasan butt joint ................................................................... 13
Gambar 2.8
Ilustrasi skematik dari geometri hamburan neutron .................... 13
Gambar 2.9
Tegangan fatik berulang (atas) dan pembentukan intrusions dan extrusions (bawah) ............................................................... 14
Gambar 2.10 Permukaan kelelahan menunjukkan intrusions dan extrusions .. 14 Gambar 2.11 SEM dengan 3000x pembesaran ................................................. 15 Gambar 2.12 Data pertumbuhan retak fatik yang disajikan dalam fraktur mekanika .......................................................................... 15 Gambar 3.1
Diagram alir metode penelitian ................................................... 16
Gambar 3.2
Alat pre-strain ............................................................................. 18
Gambar 3.3
Sketsa proses pre-strain .............................................................. 19
Gambar 3.4
Pengukuran distorsi dengan menggunakan meja indicator ......... 19
Gambar 3.5
Titik pengukuran defleksi ............................................................ 20
xi
Gambar 3.6
Gambar skema pengukuran tegangan sisa ................................... 21
Gambar 3.7
Proses pengamatan dengan menggunakan mikroskop optik ....... 22
Gambar 3.8
Prosedur pengukuran Micro Hardness Vickers ........................... 23
Gambar 3.9
Spesimen Uji Rambatan Retak Fatik ........................................... 24
Gambar 3.10 Gambaran singkat uji tarik .......................................................... 25 Gambar 3.11 Spesimen Uji Tarik ...................................................................... 25 Gambar 4.1
Distribusi distorsi spesimen tanpa pre-strain ............................. 26
Gambar 4.2
Distribusi distorsi spesimen yang dipre-strain 3% .................... 27
Gambar 4.3
Distribusi distorsi spesimen yang dipre-strain 6% .................... 27
Gambar 4.4
Distribusi distorsi spesimen yang dipre-strain 7% .................... 28
Gambar 4.5
Distorsi pada pengelasan logam berbeda antara baja tahan karat SUS304 dan baja karbon SS400 .................................................. 29
Gambar 4.6
Hamburan neutron yang ditembakkan pada spesimen ................ 30
Gambar 4.7
Grafik intensitas........................................................................... 31
Gambar 4.8
Grafik besar regangan hasil difraksi neutron............................... 31
Gambar 4.9
Foto Makro Spesimen pengelasan dissimilar metal .................... 33
Gambar 4.10 Struktur mikro base metal baja karbon SS400 ............................ 34 Gambar 4.11 Struktur mikro daerah HAZ baja karbon SS400 ......................... 35 Gambar 4.12 Struktur mikro daerah lasan......................................................... 36 Gambar 4.13 Struktur mikro daerah HAZ baja tahan karat SUS304 ................ 37 Gambar 4.14 Struktur mikro base metal baja tahan karat SUS304................... 38 Gambar 4.15 Grafik nilai distribusi kekerasan Micro Hardness Vickers.......... 39 Gambar 4.16 Diagram tegangan tarik pengelasan SUS304 dengan SS400 ...... 41 Gambar 4.17 Grafik tegangan-regangan pengujian tarik pengelasan SUS304 dengan SS400 .............................................................................. 41 Gambar 4.18 Penampang patahan uji tarik ....................................................... 42 Gambar 4.19 Bentuk patahan pada spesimen uji tarik dengan pre-strain 0% .. 42 Gambar 4.20 Bentuk patahan pada spesimen uji tarik dengan pre-strain 3% .. 43 Gambar 4.21 Bentuk patahan pada spesimen uji tarik dengan pre-strain 6% .. 43 Gambar 4.22 Bentuk patahan pada spesimen uji tarik dengan pre-strain 7% .. 44
xii
Gambar 4.23 Gambar pengamatan rambatan retak fatik menggunakan kaca pembesar ...................................................................................... 45 Gambar 4.24 Grafik hubungan antara panjang retak (a) dengan jumlah siklus (N) ..................................................................................... 46 Gambar 4.25 Grafik (da/dN - ∆K) pre-strain 0% ............................................. 47 Gambar 4.26 Grafik (da/dN - ∆K) pre-strain 3% ............................................. 47 Gambar 4.27 Grafik (da/dN - ∆K) pre-strain 6% ............................................. 48 Gambar 4.28 Grafik (da/dN - ∆K) pre-strain 7% ............................................. 48 Gambar 4.29 Grafik gabungan trendline ........................................................... 49 Gambar 4.30 Gambar Tahap Patahan Fatik ...................................................... 50 Gambar 4.31 Bentuk patahan pada stage I spesimen pre-strain 0%................. 51 Gambar 4.32 Bentuk patahan pada stage I spesimen pre-strain 3%................. 52 Gambar 4.33 Bentuk patahan pada stage I spesimen pre-strain 6%................. 52 Gambar 4.34 Bentuk patahan pada stage I spesimen pre-strain 7%................. 53 Gambar 4.35 Bentuk patahan pada stage II spesimen pre-strain 0% ............... 54 Gambar 4.36 Bentuk patahan pada stage II spesimen pre-strain 3% ............... 54 Gambar 4.37 Bentuk patahan pada stage II spesimen pre-strain 6% ............... 55 Gambar 4.38 Bentuk patahan pada stage II spesimen pre-strain 7% ............... 55 Gambar 4.39 Bentuk patahan pada stage III spesimen pre-strain 0% .............. 56 Gambar 4.40 Bentuk patahan pada stage III spesimen pre-strain 3% .............. 57 Gambar 4.41 Bentuk patahan pada stage III spesimen pre-strain 6% .............. 57 Gambar 4.42 Bentuk patahan pada stage III spesimen pre-strain 7% .............. 58
xiii
