PERAMBATAN RETAK (CRACK PROPAGATION) TAP BOLT UNC - OIL COATED ASTM 325 Oleh :
Trisna Putra Staf Pengajar Kopertis Wilayah X dpk FT-UMSB
Abstract Have done a series of studies of crack propagation that trigger the failure of a component machine tap bolts of ASTM 325 standard type as the completeness of the machine elements. From the data analysis carried out showed that the initial microscopic crack starting line with the outer screw rotation groove tightening screw on the event. Triggers visible failure of the voltage degradation around where the defect on the outer as the main trigger. Furthermore, it can be concluded that the manufacturing process and the lack homogenan bolt material becomes the main character of failure. Keywords: Crack propagation, tap bolt, degradation, homogenity of materials.
PENDAHULUAN Ketidakmampuan suatu komponen untuk dapat berfungsi sebagaimana mestinya dapat didefinisikan sebagai kerusakan, bila ditinjau secara umum maka kondisi kerusakan dimaksud dapat dikatagorikan sebagai berikut yaitu : 1. Tidak dapat lagi dipakai (dioperasikan) 2. Masih dapat dioperasikan, tapi tidak dapat berfungsi semestinya. 3. Kerusakan yang serius dan tidak aman lagi digunakan.
Salah design Material salah pilih
Kondisi operasi pembentukan tak sesuai
Salah asembley / perakitan
Salah perawatan
Proses material salah
Proses pembuatan salah
Gambar 1.1 Skema penyebab kerusakan material.
Pengetahuan terhadap kerusakan logam merupakan bagian ilmu yang sangat penting dalam bidang analisa kegagalan bahan, kesuksesan suatu analisa sangat dipengaruhi
oleh pemahaman dan pengetahuan kita terhadap kerusakan logam. Kerusakan logam yang pada gilirannya mengalami perpatahan dipicu oleh satu bagian tertentu yang pada awalnya merambat secara perlahan atau mendadak sehingga komponen bagian dinyatakan gagal. Untuk memperoleh data kekesimpulannya diperlukan penyelidikan dalam entuk analisis logam itu sendiri dalam 3 (tiga) skala pengamatan yaitu makroskopik, mikroskopik dan fractografi elektron. Pengujian makroskopik memerlukan persiapan yang sedikit, namun aturan yang telah diberikan sebelumnya tentang kehati-hatian dalam penanganan harus diterapkan. Hasil makroskopik kadang-kadang memberikan informasi yang cukup untuk menjelaskan penyebab suatu masalah. Kegiatan pengujian ini merupakan kegiatan yang ditinjau dengan indera penglihatan atau mata. Beberapa faktor yang harus ditinjau adalah : distorsi yang berhubungan dengan kerusakan, perubahan letak dari permukaan retak, produk korosi, ukuran, jumlah dan lokasi dari potongan, kekasaran atau kekerasan permukaan retak. Dari penampakan-penampakan inilah suatu kerusakan dapat dideteksi apakah telah terjadi deformasi plastis sebelum logam itu gagal, sehingga diketahui apakah logam tersebut ulet atau getas, atau kombinasi dari keduanya.
Jurnal Teknik Mesin Vol.2, No. 1, Oktober 2012 : 20-25
20
A. Uji Mikroskopik Pengujian secara mikroskopik ialah suatu proses penelitian yang ditujukan untuk melihat dan menganalisa struktur mikro suatu logam. Hal ini terkadang menjadi sangat penting untuk mendapatkan jawaban dari suatu kegagalan yang terjadi yang tidak dapat di jelaskan sepenuhnya oleh pengujian secara makroskopik. Pengujian ini biasanya lebih mengarah kepada struktur penyusun dan bentuk dari mikrostruktur logam itu sendiri, apakah itu serat maupun batas butir dan struktur penyusunnya dari kontur yang dimlai oleh penjalaran retak dapat dilihat dengan jelas. Ada dua alasan untuk melakukan pengujian mikroskopis: untuk menguji mikrostruktur dalam menentukan sebelum dilakukan pemrosesan yang sesuai (misalkan dalam perlakuan panas) atau untuk menguji hubungan antara bentuk retakan terhadap mikrostrukturnya. Pada saat mikrostruktur sedang dipelajari, setiap bahan harus diuji. Seperti halnya dalam semua kerja metalografi, pengawasan harus dilakukan dalam mengangkat, menghaluskan dan penyempurnaan. B. Uji Makroskopik Pengujian makroskopik memerlukan persiapan yang sedikit, namun aturan yang telah diberikan sebelumnya tentang kehatihatian dalam penanganan harus diterapkan. Hasil makroskopik kadang-kadang memberikan informasi yang cukup untuk menjelaskan penyebab suatu masalah. Kegiatan pengujian ini merupakan kegiatan yang ditinjau dengan indera penglihatan atau mata. Beberapa faktor yang harus ditinjau adalah : distorsi yang berhubungan dengan kerusakan, perubahan letak dari permukaan retak, produk korosi, ukuran, jumlah dan lokasi dari potongan, kekasaran atau kekerasan permukaan retak. II. TEORI DASAR 2.1 Mekanisme Perpatahan Metallograpy pembentukan retakan mikro pada ingklusi non metalik dalam baja adalah hasil dari deformasi plastik, retakan mikro ini
tidak merupakan syarat untuk menghasilkan patah rapuh, akan tetapi retakan mikro mempunyai peran pada pengamatan anisotropi kekuatan patah liat. Dalam percobaan-percobaan yang teliti memperlihatkan bahwa retakan yang mengakibatkan terjadinya patah jenis pembelahan getas semula tidak terdapat pada bahan, tetapi dihasilkan oleh proses deformasi. Kenyataannya pada temperatur tertentu terdapat cukup banyak retakan mikro, ini memperlihatkan adanya perbedaan kondisi permulaan yang dibutuhkan untuk terjadinya retakan dan terjadinya perambatan retak. Proses patah karena pembelahan dapat dianggap terdiri dari 3 (tiga) tahapan yaitu :1. Deformasi plastik untuk menghasilkan tumpukan dislokasi, 2. Permulaan retakan 3. Penjalaran retakan. Pada kebanyakan bahan teknik, tahapan yang paling sulit adalah perambatan deformasi hasil retakan mikro melalui penghalang yang kuat, misalnya perbatasan butiran. Oleh karena itu ukuran butiran mempunyai pengaruh yang besar pada sifat-sifat patah getas. Kita mengetahui bahwa karbida rapuh memainkan peran kritis hingga pada baja lunak terjadi perpatahan rapuh. Smith mengusulkan mengenai pembentukan retakan mikro pada batas butir lapisan karbida sebagai gambar berikut.
Gambar 2.1. Retakan mikro batas butir (Model Smith). 2.2. Mekanisme Perpatahan Ulet (Liat) Secara umum patah liat cendrung didefinisikan sebagai patah yang terjadi dengan deformasi plastik yang cukup besar. Karakteristik patah liat terjadi dengan cara penyobekan perlahanlahan logam dengan pengeluaran energy yang besar. Beberapa jenis patah liat dapat terjadi selama prosesing logam atau pada berbagai jenis pemakaian yang berbeda-beda. Patah liat
Jurnal Teknik Mesin Vol.2, No. 1, Oktober 2012 : 20-25
21
akibat beban tarik biasanya didahului oleh penurunan secara lokal diameter bahan yang dinamakan penyempitan (necking).
patah, σ adalah stress (design property), dan ac adalah ukuran retak kritis untuk kegagalan (deteksi tergantung pada teknik NDE (ukuran deteksi berbanding terbalik dengan biaya). 2. Plastik zona di ujung retak Bahan rapuh memiliki kemampuan sedikit plastis berubah bentuk, sehingga mudah retak merambat. Bahan ulet dengan mudah dapat merusak di ujung retak, yang menumpulkan ujung dan menghasilkan energi tambahan (kekuatan) untuk memajukan ujung retak.
Gambar 2.2. Tahapan pembentukan patahan
3. Ketebalan (t) Ketebalan dinding bejana tekan adalah fungsi Ketangguhan retak dan kekuatan hasil dan t adalah tebal dinding; t <2,5 (KIC / σys) 2. Bila hubungan bentuk patahan terhadap mikrostruktur merupakan hal yang dianggap penting, maka profil retakan diuji dan kehatihatian harus dilakukan untuk menjaga bagian ujung.
Gambar 2.3. Mekanisme patah liat pada baja Mekanisme patah liat menggambarkan dimana partikel-partikel fasa kedua seluruhnya akan terdistorsi akibat proses deformasi plastik, biasanya secara umum ketahan terhadap patah liat sangat bervariasi terhadap arah dalam proses pembentukannya. Perpatahan merupakan pemisahan yang terjadi antara dua permukaan yang sebelumnya menyatu akibat turunnya kemampuan dalam aksi tarik menarik tegangan permukaan logam yang berlangsung dalam skala mikroskopik. 2.1. Teori perambatan retak (Theory of crack propagation). Dalam teori perambatan retak (Theory of crack propagation), ada 3 (tiga) aspek perambatan retak yang perlu dipertimbangkan yaitu :
Gambar 2.4. Patah getas skala mikroskopik dan Model Individual grains (SEM)
1. Ukuran keretakan (crack size).
III. METODOLOGI PENELITIAN
Ukuran retak kritis merupakan fungsi dari tegangan dan ketangguhan patah material yang didefinisikan dari persamaan; KIC = σ f (ac π) 0,5 di mana K adalah ketangguhan
Penelitian ini dilaksanakan dengan prosedur sebagaimana mestinya melalui beberapa tahapan dengan kegiatan identifikasi dan ivestigasi kejadian melalui foto dokumentasi
Jurnal Teknik Mesin Vol.2, No. 1, Oktober 2012 : 20-25
22
fraktograpy (macrofractograpy dan microfractograpy), metalograpy pada penampang melintang dan pada permukaan patahan baut. 3.1.Bahan Penelitian. Bahan penelitian adalah baut sebagaimana yang ditunjukkan pada gambar yang mengalami kegagalan.
3.3. Laboratorium Uji Dilakukan pengujian sebagaimana alur penelitian yang dikaitkan dengan segala kemungkinan yang dapat memberikan gambaran akhir dalam rangka menjawab pemicu peristiwa kegagalan baut. Setiap kegiatan dilakukan sesuai prosedur dan penggunaan sarana pengujian yang spesifikasinya jelas dan dilaksanakan di B2TKS Puspitek Serpong untuk makrofraktografy serta PT. HILLAB SCIENCETAMA, Jakarta untuk SEM untuk mikrofraktograpy.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 3.1. Profil patahan baut yang gagal
Gambaran patahan (makrofaktrograpy) memperlihatkan kontur permukaan patahan memiliki alur ketidakteraturan (beach mark) yang belum dapat menjelaskan awal perambatan retak disetiap sisi tertentu.
3.2. Dimensi Utama Baut Bahan penelitian adalah satu buah baut yang telah mengalami kegagalan (putus) saat pengencangan (fastener tightening) dilakukan dari jenis high strength bolt dengan dimensi standar sebagai berikut [4]. - Bolt Type : Hex HEAD Bolts/inch/Coarse Thread UNC/Oil Coated. - PART NUMBER : 5D-9614 - Thread Size (in) : 5/8. - Bolt Length (in) : 6,25 (A) - Head Height (in) : 0,48 (B) - Head Width (in) : 0,94 (C) - Grip Length (in) : 4,50 (D) = 1 - Tighten torque : 270 ± 25 N-m - Minor diameter : 0,5135 - Treads per Inch : 11
Gambar 4.1. Foto makrofraktograpy (6x)
Initial crack location
Gambar 4.2. Kontur permukaan baut menunjukan arah pengetatan baut dilakukan Gambar 3.2. Jenis dan Dimensi utama baut.
Jurnal Teknik Mesin Vol.2, No. 1, Oktober 2012 : 20-25
23
Beach mark
Gambar 4.3. Makrofaktrografi permukaan patahan (12x).
Summary results (1) a. Element Magnesium Aluminum Chlorine Calcium Iron
Weight % 3.7 68.8 1.1 0.5 25.9
Summary results (2) b Element
Magnesium Aluminum Silicon Phosphorus Chromium Manganese Iron Zinc
Gambar 4.5. Mikrofraktograpy menggunakan TM-1000, memperlihatkan sisi ulir terluar tertutup deposit dan senyawa oksida (3000x).
3.3.1. Foto Mikrostruktur
Weight %
1.0 13.0 1.3 9.7 1.3 1.0 57.1 15.7
A. Penampang Longitudinal Secara mikroskopik gambaran mikrostruktur diperoleh dari hasil pembesaran pemotretan bolt yang telah melalui etsa menggunakan nital dengan kandungan 2% HNO3 dan 98 % methanol (alkohol 96 %), waktu etsa pada permukaan selama 15 detik terhadap penampang longitudinal dengan hasil sebagaimana gambar berikut (pengujian menggunakan optikal mikroskop).
Gambar 4.7. Chemical copostion initial crack propagation zone) V. KESIMPULAN 1.
Kegagalan terjadi diawali dari sisi terluar ulir dimana cacat pada lapisan karbida sisi yang penjalaran retaknya merambat kedaerah lokalisasi batang ulir.
2.
Penumpukan kandungan phosphor sebesar 9,7 % dan daerah kandungan unsur aluminium sebesar 13 %, memicu degradasi kekuatan baut hingga menurunkan interekasi tarikan sesama batas butir atom. Akibatnya kegagalan sulit dihindari dan material baut gagal dalam opersasi beban pengetatan.
3.
Prilaku kegagalan yang dipicu oleh penjalaran retak ini tidak diprediksi sebagai kesalahan dalam bongkar pasang baut, hal ini lebih disebabkan oleh
Gambar 4.6 . Strukturmikro martensit temper [9].
Jurnal Teknik Mesin Vol.2, No. 1, Oktober 2012 : 20-25
24
manufaktur material baut yang tidak homogen atau cacat yang larut secara intersitas bersama unsur lainnya (gbr 4.7). 4. Secara makroskopik dapat diprediksi awal penjalaran retak dengan mencermati kontur permukaan patahan baut (beach mark), namun secara mikroskopik dimana titik awal penjalaran retak lebih jelas dan terungkap dengan nyata (initial crack propagation). DAFTAR PUSTAKA [1]. ASM Handbook, 2005, Volume 1, Propertisand Selection Irons, and High Peformance Alloys. [2] ASM Handbook, 2005, Volume 9, Metallography and icrostructures,Volume 12, Fractography. [3] Dieter, GE. 1990. “ Metalurgi Mekanik ”, Edisi Ketiga Jilid I, Erlangga, Jakarta. [4] Instruction manual, D9R Track-Type Tractor Power Shift, Powered By 3408 Engine (SEBP2302 - 03). [5]
SKF Linear Motion & Precision Technologies “Bolt Tightening Handbook “ (Catalogue n° TSI 1101 AE. April 2001 Printed in France).
[6] Smallman RE, Bishop RJ, Sriati Japri, 1989 “Metalurgi Fisik Modern & Rekayasa Material“ Edisi 6, Penerbit Erlangga Jakarta. [7] Tata Surdia, Shinroku Saito, 1992, “ Pengetahuan Bahan Teknik “, Cetakan Kedua, PT. Pradnya Paramita, Jakarta. [8] Wayne Reitz, PhD, PE . “ Elements of Failure Analysis “ 96 Meadowlark Lane Fargo, ND 58102 701235 0859 (w) 701 235 6122 (f) .www.reitzmetallurgy. com. [9] Mehi F Robert, “Atlas of Microstructures of Industrial Alloys “,8 th Edition Vol.7, American Society For Metals. Metals Park, Ohio 44073.
Jurnal Teknik Mesin Vol.2, No. 1, Oktober 2012 : 20-25
25
