Pengukuran Pengaruh Tegangan Sisa Pada Sifat Mekanik Ultramikro Indentasi (Kirman M.& Parikin)
Pelat Baja Tahan
Korosi 304 Canai Dingin
Dengan
Sistem
PENGUKURAN PENGARUH TEGANGAN SISA PADA SIFAT MEKANIK PELAT BAJA TAHAN KOROSI 304 CANAl DINGIN DENGAN SISTEM ULTRAMIKRO INDENTASI Kirman M.
Balai Besar Teknologi Kekuatan Struktur-BPPT Kawasan PUSPIPTEK Serpong Tangerang BANTEN Parikin
Pustek Bahan Industri Nuklir, BATAN, Serpong. Kawasan PUSPIPTEK Serpong Tangerang BANTEN
Abstract
Residual stress plays an important role on mechanical properties in pasca-product of metal-construction industry. Study has been performed on cold-rolled stainless steel 304 plates, which deformed 0, 34, 84 and 152% reduction in thickness. The tests were conducted using the Ultramicro Indentation System (UMIS) 2000 using Vickers method to determine the mechanical properties of material. The microstructures which were also discussed were showing lengthening outcropping due to stress corrosion cracking for all specimens. It was found that the tensile residual stress in a specimen was maximum, reaching 442 MPa, for a sample reducing 34% in thickness and minimum for a 196% sample [7]. The quantities show that the biggest residual stress ceused lowering the proportional limit of material in stress-strain curves. The proportional modulus elasticity varieties between 187 GPa and about 215 GPa and is free from residual stresses. Kata kunci : Pengukuran, tegangan sisa, korosi, sistem ultramikro
PENDAHULUAN
Distribusi tegangan sisa dalam baja pengerjaan dingin telah diteliti secara analitis dan eksperimental pada penelitian ini. Pengaruh tegangan terhadap relasi tegangan-regangan bahan tersebut diharapkan sama dengan hasil pengerolan panas. Keberadaan tegangan sisa dapat menguntungkan atau merugikan kekuatan suatu komponen, tergantung pada besar dan tipe beban yang dialami komponen. Distribusi tegangan sisa yang menambah tegangan terpakai dapat merugikan, dan tegangan yang melawan arah aksi tegangan terpakai, bisa menguntungkan. Untuk beban siklik, dalam tegangan tarik, tegangan sisa permukaan tarik dapat sewaktu-waktu sangat berbahaya karena dapat membantu inisiasi pertumbuhan retak saat diberi tegangan fatik. Proses manufaktur dapat pula meninggalkan tegangan sisa permukaan tekan yang mampu merintangi retak. Tegangan ini sangat diminati untuk komponen yang mengalami tipe beban ini. Misal, pelat ISSN 1410-3680
dinding tebal yang sering diberi beban luar sangat mudah terpengaruh (auto-fretage) sebelum digunakan untuk membangkitkan tegangan sisa tekan pada suatu konstruksi agar umur fatik meningkat. Besar rata-rata tegangan sisa dalam bahan penting diketahui dalam memahami pengaruh tegangan sisa pada kelakuan komponen. Dalam hal ini teknik ultramikro indentasi, UMIS-2000[21, dengan prinsip metode Vickers dapat memberikan gambaran kekuatan bahan via tampilan kurva representasi tegangan--... regangan yang terukur. Pelat baja tahan karat 304 dipilih sebagai bahan uji, karena bersifat lunak (mudah dicanai pada suhu kamar) dan banyak diterapkan dalam desain optimum lempeng struktural dan batas sisi jalan raya, dimana sifat-sifat ketahan fisik dibutuhkan.
METODE PENELlTIAN
Kehadiran tegangan sisa dalam komponen hasil proses manufaktur dengan pengerjaan dingin, dapat menginduksi 15
M.P.I. Vol.1 NO.3. Desember
2007,15
- 21
menurunkan daerah proporsional, sehingga kelakuan elastik bahan tidak dapat diprediksi dengan benar tanpa mempertimbangkan tegangan sisa.
tegangan sisa tarikltekan. Tegangan sisa menyebabkan prematur yielding dan menurunkan kekakuan bahan, seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Meskipun demikian pengaruh ini tidak besar selama ultimate stress terkontrol. Tegangan ini dapat
Average stress, o=P/A
without residual stress
Average compression strain.s
Gambar 1. Efek Tegangan Sisa Pada Relasi Teqangan-Reqangan'"
Pelat baja tahan karat 304 standar digunakan dalam studi ini. Setelah melalui proses annealing yang dilakukan di Balai Spektrometri P3lB-Batan, sebagian bahan dicanai pada suhu kamar dengan reduksi 0,1 mm per pass dari ketebalan 1,25 cm hingga ketebalan lebih kurang antara 0,05 cm dan 1,01 cm di Jurusan Teknik Mesin ITBBandung. Spesifikasi ini sesuai dengan deformasi sebesar 0, 34, 84, 152, 158, 175 dan 196% reduksi ketebalan bahan. Akan tetapi karena keterbatasan waktu hanya cuplikan 0, 34, 84 dan 152% yang sempat diukur dengan UMIS 2000 di Queensland
University
of
Technology-Australia.
Strukturmikro setiap cuplikan diamati dan diambil gambarnya dengan JEOL-35CF SEM. Sebelumnya proses pengetsaan dilakukan dengan larutan campuran asam nitrat, asam chloride dan air dalam fraksi yang setimbang. Pengukuran sifat mekanik : kekerasan, modulus elastisitas via kurva tegangan-regangan representatif dilakukan dengan UMIS 2000 dengan mode manual dan otomatis. Prinsip kerja elektro-mekanik alat ini diilustrasikan pada Gambar 2.
-....
t
U~VS·lfill
I
BiaJioi BlIlilllg
Gambar2. Prinsip Kerja Elektro-Mekanik UMIS 2000[2] '<#
16
ISSN 1410-3680
----------
----
-
Pengukuran Pengaruh Tegangan Sisa Pada Sifat Mekanik Pelat Baja Tahan Korosi 304 Canai Dingin Dengan Sistem Ultramikro Indentasi (Kirman M.& Parikin)
Perolehan data dianalisis lebih lanjut dengan perangkat lunak pengolahan data yang mampu memberikan tampilan kurva yang memadai.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Struktu rmi kro Studi struktur mikro terkait pada kemampuan membedakan secara detail komposisi kimia, struktur atau orientasi berlainan, yang berdekatan. Teknik penampakan strukturmikro hampir seluruhnya didasarkan pada tanggapan detail konstituen terhadap radiasi datang atau pada kualitas intensitas radiasi yang dipancarkan oleh obyek saat tereksitasi secara sempurna. Kekontrasan obyek diperlihatkan sebagai daerah terang dan gelap. Efek refraksi pada batas fasa dapat membiaskan cahaya terang dan menggelapkan daerah tetangganya. Intensitas efek ini bergantung pada indeks bias[3l. Strukturmikro permukaan pelat baja tahan karat 304 canai-dingin dianalisis berdasarkan daerah terang-gelap atau tinggirendah intensitas cahaya. Pengamatan strukturmikro dilakukan dengan menggunakan JEOL-35CF SEM, yang menawarkan keuntungan lebih, daripada mikroskopi biasa. Kemampuannya
menembus medan lebih dalam, dan memberi kekontrasan topografi permukaan. Ukuran butiran atau serangan lokal akibat retak korosi tegangan pada bahan dapat dengan jelas diamati. Kerusakan permukaan sebagai bentuk kegagalan, terinduksi oleh aksi konjoin tegangan tarik dan jenis lingkungan korosif tertentu. Tegangan sisa atau perambatan retak dalam arah normal tegangan tekan, terjadi dibawah kekuatan yield bahan. Mekanisme perambatan retak telah diteorikan, didasarkan pada disolusi anodik pada ujung retak dan kepasifan deformasi plastis'". Peran deformasi plastis mempercepat proses disolusi, dimana ion hidrogen dipermukaan dengan cepat menangkap elektron bebas untuk membentuk atom hidrogen. Atom kemudian bermigrasi ke ujung retak dan diserap oleh kisi logam, dimana ruptur mekanik terjadi. Retak memanjangkan dan disolusi anodik berlanjut di permukaan berikutnya. Pemandangan ini tersusun dalam Gambar 3. pada arah tranversal (tegak lurus arah pengerolan) pada cuplikan ROOO, R034, R084, R152, R175 dan R196.Cuplikan dicelupkan dalam campuran asam nitrat, asam chlorida dan air dalam fraksi yang diambil dari arah transversal terhadap ketebalan pelat, atau tegak lurus terhadap arah pengerolan.
Gambar 3. Korosi End Grain Dari Inklusi Outcropping; Pemanjangan Inklusi Kejadian
pemanjangan inklusi muncul dan menyatu dengan cepat, menciptakan lempengan sempit panjang dari ujung muka hingga kedalam outcropping
ISSN 1410-3680
badan cuplikan. Lempengan-Iempengan rru tidak bereaksi cepat terhadap serangan asam baru, akibat pembentukan dan konsentrasi ion heksavalen Cr+6 rnentnqkat'". 17
M.P.I. Vol.t NO.3.Desember 2007,15 - 21
Kondisi korosi sengat agresif pada lempengan dan serangan intergranular dilanjutkan sengat cepat sepanjang batas butiran induk. Efek ini dikenal sebagai serangan ujung butiran dan dapat mengakibatkan kehilangan beban berlebih.
Uji kekerasan Vickers memberi informasi menarik. Prinsip uji ini adalah saat indentor ditekan pada bahan uji dengan beban tertentu, jejak indentor berupa diagonal indentasi diukur. Angka kekerasan dihitung dari pembagian beban dengan luas permukaan diagonal yang terjadi. Indentor berbentuk kotak piramid dengan sudut inklinasi 136°, mendekati rasio diameter indentasi speris, yang digunakan pada Umis 2000. Kekerasan Vickers diperoleh dari rasio beban yang digunakan terhadap luas permukaan indentasi, dengan relasi : VHN (kg/mm2)=1,854 Pld2, dimana P adalah beban terpakai, dan d adalah diagonal ratarata indentasi yang terukur. VHN terukur diilustrasikan secara grafis dalam Gambar 4.
Sifat Mekanik
Pengujian indentasi dilakukan dengan uji kekerasan Vickers dan Umis 2000[2].Semua instrumen telah dikalibrasi saat digunakan. Angka kekerasan diukur pada kedalaman maksimum. Hasil pengukuran mendukung hasil SEM. Sifat-sifat mekanik didominasi oleh efek kandungan nikel dalam baja tahan karat 304, yang menyebabkan pengerasan regangan saat deformasi plastis[5], akibat pengerasan regangan dan transformasi terinduksi regangan.
HARDNESS
PROPERTIES
OF COLD-ROLLED
304-STAINLESS
STEEL
600
E E
-
•
400
C')
~
VI VI ~
'E
200
III
J:
o o
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Reduction (%)
I •
VICKERS
--regression
line
I
Gambar4. Sifat Kekerasan 8aja Tahan Karat 304 Canai-Dingin Dengan Uji Kekerasn Vickers Peningkatan kekerasan saat reduksi-...· ketebalan bertambah terlihat jelas. Hal ini membuktikan bahwa nilai sangat dipengaruhi oleh pengerasan regangan dari proses pencanaian. Pada uji indentasi mikro, dipilih gaya pengatur; micromechanic probe dengan indentor speris berjari-jari nominal 50flm. Jari-jari ekivalen sejati pada kedalaman penetrsi diperoleh dengan menerapkan komplian tertentu. Untuk baja tahan karat standar yang diketahui sifat-sifatnya, file jejari tip dibuat dengan menerapkan perumusan 18
mekanika deformasi untuk kontak speris pada padatan'". Indentasi dilakukan pada sebuah kedalaman dengan gaya kontak 10-4N. Maksimum gaya indentsi 5x10-2N digunakan dalam seluruh kasus. Gaya indentasi bervariasi secara sistematis dalam siklus load-partial load lebih dari 20 langkah. Setiap kasus kedalaman indentasi direkam secara otomatis. Analisis elastis-plastis dilakukan menggunakan seperangkat komputer terkait, yang didasarkan pada mekanika indentasi klasik dengan ujung indentor speris. Cuplikan ditempatkan di atas landasan magnetik ISSN 1410-3680
Pengukuran Pengaruh Tegangan Sisa Pada Sifat Mekanik Pelat Baja Tahan Korosi 304 Canai Dingin Dengan Sistem Ultramikro Indentasi (Kirman M.& Parikin) ..
perangkat Umis 2000. Untuk setiap cuplikan, diambil sebanyak 11 data indentasi dan sedikitnya 9 buah data dirata-ratakan sebagai hasil akhir penentuan sifat mekanik
bahan. Kurva ernpms kemudian diplot dan sejumlah data dikumpulkan dan disimpan dengan komputer.
LOADINGUNlDADING
CURVES
60
50 ~
40
-;
30
i u
5
LL
20 10
15
10
25
20
Depth penetration (nm) lil1
!Si
RO(l)
-regression
RO(U)
line
Gambar 5. Perolehan Kurva Pergeseran Gaya Untuk Cuplikan ROOO EFFECT OF RED UCll ON ON ELASTIC M OOUlUS CF co,o 304 STAU\llESSSTEEL
(i
140
~
120
gj
100
a.
~
80
~
60
"0
RctUED
40 p.-mOdUluselastiCny
20
I
O~~~~--~--~--~--~--~--~~--
o
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Reduction (%)
Gambar6. Modulus Elastisitas Dari Cuplikan ROOO,R034, R084 Dan R152.
Gambar 5 memperlihatkan perolehan Analisis data baku dapat memperlihatkan kurva tegangan-regangan representatif. data pergerakan gaya untuk cuplikan ROOO. Cuplikan R034, R084 dan R152 juga telah Disini tegangan indentasi (kekerasan) dihimpun dari rasio indentasi gaya terhadap diambil dan memperlihatkan pola yang sama -. luas lingkaran kontak. Regangan merupakan dan berimpitan segaris (data saling tumpang tindih dalam satu titik pengamatan/presisi rasio jari-jari lingkaran kontak. Hubungan alat tinggi). Semua cuplikan menampakkan dengan regangan sejati adalah tak deformasi plastis yang signifikan, hingga bergantung pada rasio Poisson dan geometri tip indentor speris. beban relatif rendah dimana titik-titik data unloading menyimpang dari kurva loading. Gambar 7 memperlihatkan perolehan kurva tipikal dari seluruh cuplikan uji. Kurva Gambar 6 memperlihatkan variasi modulus ini analog (tapi tidak ekuivalen) terhadap elastisitas E terhadap persen reduksi pada cuplikan uji. Nilai kekakuan berfluktuasi kurva tegangan-regangan yang diperoleh dalam uji uniaksial konvensional. Kekerasan disekitar 187 GPa, dan tegangan sisa pada titik yield tidak langsung berkaitan bervariasi maksimum atau minimum terhadap dengan nilai yield sejati. Hubungan antara persen reduksi. Kekakuan cenderung tekanan kontak dan nilai yield sejati memiliki harga yang tidak berubah. bergantung pada faktor konstanta yang ISSN 1410-3680
19
1
M.P.I. Vol.t NO.3. Desember 2007,15 - 21
Pengukuran Umis 2000 mampu mendemonstrasikan bagaimana tegangan sisa mengkontribusi kurva teganganregangan. Namun sangatlah sulit memprediksi secara tepat sejauh mana batas proporsional berkurang, karena informasi ini hanya sebuah analog kurva teganganregangan sejati. Gambar 7 sangat jelas memperlihatkan bagaimana tegangan si sa dalam bahan mempengaruhi kekakuan bahan dan batas proporsional. Informasi ini sangat mendukung pengansumsian, bahwa kelakuan elastis material tidak dapat diprediksi dengan tepat tanpa memperhatikan tegangan sisa dalam bahan.
ditentukan dengan jumlah daerah elastis akibat deformasi plastis. Untuk logam ulet seperti baja tahan karat yang diperiksa disini, faktor 3 sudah memadai. Efek tegangan sisa terlihat dari terjadinya pembengkokan dini. Saat tidak ada tegangan sisa diperlihatkan pada cuplikan ROOO.Tetapi tegangan ini tidak mempengaruhi kekakuan cuplikan (Iihat Gambar 6). Pad a Gambar 7 terlihat, meskipun efek tegangan sisa relatif kecil, namun tegangan sisa merendahkan batas proporsional. Hasil pengukuran lain!7] dengan teknik difraksi dan analisis Rietveld via parameter kisi yang diperoleh, memperlihatkan tegangan sisa tarik mencapai maksimum pad a pencanaian 34% (442 MPa) dan minimum pada pencanaian 196% (hampir saling meniadakan). REPRESENTATIVESTRESS·SlRAIN 304 srA
CURVES
Cf'CQD·RQ.lED
NLESS STEEL
0,8
0.7
cu a,
0,6
~
0,5
~
0,4
~
0,3
~
0.2
a.
. ROOO
0,1
o
R034
•
R084
.•.
R152
-regression
lne
O~------------------~======~ o
0.06
0,04
Rep,Strain
0.08
0,1
('to)
Gambar 7. KUNa Tegangan-Regangan Representatif Menampakkan Efek Tegangan Sisa Pada Daerah Proporsional. Tegangan Sisa Menyebabkan Prematur Yielding.
KESIMPULAN
2.
Dari studi yang telah dilakukan, anomali sifat mekanik pelat baja tahan karat 304 can aidingin, yang ditampilkan via kurva teganganregangan representatif, menyimpulkan bahwa: • Pembengkokan dini (premature yielding) terjadi ketika tegangan sisa maksimum. • Semakin tinggi tegangan sisa, semakin pendek batas daerah proporsional. • Modulus elastisitas di batas proporsional bervariasi dari 187 GPa hingga sekitar 215 GPa, dan tidak dipengaruhi tegangan sisa.
4.
DAFT AR PUST AKA
6.
1.
7.
20
Wen Vu, W,(1997), Cold-Formed Steel nd Design, 2 ed., John Willey & Sons lnc., Canada, 1997
3.
5.
.. ..... , Operating Manual, UMIS 2000, Ultra-microidentation system (Nov.1993), CSIRO Australia, Telecomunication & Industrial Physics, Australia. Mori, T., and K. Tanaka, Average Stress in Matrix and A verage Energy of Materials with Misfitting Inclusions, Acta Metallography, 21, pp. 571-574,1997. Llewelyn,DT and MurrayJD; Steels Metallurgy & Applications, 2nd ed., ISI Special Report 86, 197(1964) in Butterworth-Heinemann, U K., 1998, Parlane, A.J.A, The Determination of Residual Stresses: Residual Stresses in Welded Construction and Their Effect, Welding Institute, pp.63-78, Cambridge, 1998. Swain,MVand Mencik, J.(1994), J,253, pp. 204-211,1997 Parikin dkk., Determination of Residual Stresses in Cold-Rolled 304 Stainless Steel Plates Using Diffraction Technique ISSN 1410-3680
Pengukuran Pengaruh Tegangan Sisa Pada Sifat Mekanik Pelat Baja Tahan Korosi 304..Canai Dingin Dengan Sistem Ultramikro Indentasi (Kirman M.& Parikin)
and
Rietveld
Analysis,
Link UI-QUT
Australia, Mei-1998.
UCAPAN TERIMA KASIH
Dengan tulus hati penulis ingin mengueapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada mereka yang terkait langsung maupun tak langsung sebelum dan selama studi berlangsung; Drs. Gunanjar, SU, Dr. Wuryanto,APU, Drs. Sudirman, M.Se., Dr. Abarul Ikram, Dr. Agus Purwanto dan staf ILDOK.
RIWAYAT PENULlS
M., menamatkan pendidikan S1 di Universitas Hasanuddin dalam bidang Teknik Kirman
ISSN 1410-3680
Mesin tahun 1990, dan pendidikan S2 di program kerjasama master antara Queensland University of Technology (QUT) dan Universitas Indonesia dalam bidang Metalurgi Material tahun 2001. Saat ini bekerja sebagai peneliti material konstruksi pada Bidang Kajian Material B2TKS BPPT, Puspiptek-Serpong menamatkan pendidikan S1 di Universitas Indonesia pada FMIFA-Fisika tahun 1992, dan pendidikan S2 di program kerjasama master antara Queensland University of Technology (QUT) dan Universitas Indonesia dalam bidang Metalurgi Material tahun 1999. Saat ini bekerja sebagai peneliti pada Bidang Industri Nuklir, PTBIN-BATAN, Puspiptek-Serpong. Parikin,
21
