RINGKASAN Hairul Arsyad, Program Doktor Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya. Peran Efek Ukuran (Size Effect) Terhadap Karakteristik Deformasi Dibawah Kondisi Beban Impak pada Miniaturisasi Aluminum Silinder; Promotor: I.N.G. Wardana, Ko-Promotor I: Wahyono Suprapto dan Ko-Promotor II: Anindito Purnowidodo. Miniaturisasi komponen dari produk-produk teknik telah menjadi trend pengembangan teknologi. Kemajuan ini tidak lepas dari keinginan untuk menghasilkan produk teknik yang lebih kecil, ringan dan kuat serta dapat berfungsi dengan baik. Trend miniaturisasi pada berbagai produk telah mengubah arah kajian penelitian yang berfokus pada kualitas, efisiensi dan efektifitas produkproduk micropart/minipart. Salah satu metode pabrikasi yang menjanjikan untuk produk-produk logam berukuran mini adalah micro/meso-forming. Masalah yang dijumpai pada pembentukan logam dengan ukuran kecil adalah terjadinya perubahan karakteristik deformasi akibat miniaturisasi. Masalah ini dikenal dengan size effect. Tujuan dari penelitian ini terdiri dari tiga tujuan yaitu, pertama menentukan peran efek ukuran (size effect) terhadap ketebalan akhir, % deformasi, profil penampang akhir, profil garis aliran deformasi (deformation flow lines), dan sirkularitas deformasi pada miniaturisasi silinder aluminum jenis Al 5020 dibawah kondisi beban impak. Kedua, menentukan pengaruh pemberian lubrikasi terhadap topografi permukaan dan tingkat kekasaran permukaan pada miniaturisasi silinder aluminum dibawah kondisi beban impak dan ketiga menentukan pengaruh perbedaan energi impak dan ukuran butir terhadap karakteristik % deformasi pada miniaturisasi silinder aluminum dibawah kondisi beban impak. Penelitian ini adalah penelitian eksperimental dengan model pengujian impak yang dilakukan adalah model drop weight test. Pengujian ini dilakukan pada spesimen berbentuk silinder tipis sirkular dengan cara menjatuhkan penekan pada spesimen. Besarnya energi impak persatuan luas yang diberikan oleh penekan dibuat konstan. Spesimen uji adalah aluminum dengan kadar 98.9 % dengan variasi diameter (Do) adalah 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm dan 7 mm. Variasi ketebalan spesimen (to) adalah 0.5 mm, 1 mm dan 1.5 mm serta dengan dua variasi ukuran butir penyusun yaitu ukuran butir rata-rata 190 μm dan 110.8 μm. Pengujian impak juga dilakukan dengan kondisi lubrikasi dan kondisi tanpa lubrikasi untuk specimen dengan ukuran butir 110.8 μm dengan ketebalan konstan 0.5 mm. Penelitian ini terbagi kedalam tiga tahapan penelitian, yang pertama adalah penelitian untuk mengetahui peran size effect terhadap karakteristik deformasi. Tinjauan karakteristik deformasi pada dua arah deformasi yaitu pada deformasi arah tebal dan deformasi pada arah radial. Pada karakteristik deformasi arah tebal ditinjau dari 5 (lima) parameter yaitu ketebalan setelah impak, besar % deformasi,
v
profil penampang ketebalan, profil aliran deformasi material pada bagian tepi dan profil deformasi butir pada bagian penampang tebal. Pada karakteristik deformasi arah radial ditinjau dari tingkat keseragaman deformasi arah radial. Tingkat keseragaman deformasi arah radial diperoleh dengan mengukur sirkularitas spesimen setelah impak. Pengukuran sirkularitas dilakukan dengan bantuan software olah gambar ImageJ. Tahap kedua penelitian adalah untuk mengetahui efek pemberian lubrikasi terhadap karakteristik topografi permukaan pada pembentukan impak pada spesimen silinder sirkular yang diminiaturisasi. Tahap ketiga adalah menentukan pengaruh variasi energy impak dan ukuran butir terhadap karakteristik % deformasi yang terjadi. Ketiga penelitian tersebut dilakukan untuk kondisi beban impak. Peran size effect pada karakteristik deformasi dapat dilihat dari perubahan perilaku deformasi yang ditunjukkan setelah beban impak. Deformasi pada ketebalan akhir untuk spesimen dengan ukuran butir 110.8 μm memperlihatkan nilai ketebalan rata-rata yang lebih seragam dan hasil foto penampang memperlihatkan distribusi ketebalan yang lebih homogen. Sebaliknya pada spesimen dengan ukuran butir 190 μm memperlihatkan nilai ketebalan akhir yang tidak seragam dengan memperlihatkan efek tong (barreling effect) yang lebih jelas. Perbedaan karakteristik deformasi pada spesimen dengan dengan miniaturisasi mengindikasikan adanya peran efek ukuran (size effect). Indikasi size effect lebih jelas pada spesimen dengan ukuran butir 190 μm yang memperlihatkan inkonsistensi deformasi yang lebih besar dengan reduksi diameter dan ketebalan awal. Perbedaan yang signifikan terutama disebabkan oleh perbedaan jumlah batas butir yang bertindak sebagai penghalang deformasi. Peran size effect juga terlihat jelas pada morfologi garis-garis aliran deformasi (deformation flow lines) material pada bagian tepi. Spesimen dengan ukuran butir 110.8 μm memperlihatkan garis aliran deformasi butir dengan susunan yang lebih seragam dibanding spesimen dengan ukuran butir 190 μm. Peran size effect tidak terlihat pada nilai sirkularitas deformasi dengan reduksi ukuran diameter dan ketebalan maupun dengan perbedaan ukuran butir. Ukuran butir, tidak memiliki pengaruh yang signifikan terhadap sirkularitas yang disebabkan oleh diameter spesimen yang sangat besar dibandingkan dengan ukuran butir. Sirkularitas meningkat dengan meningkatnya ketebalan spesimen awal Hasil penelitian menunjukkan bahwa permukaan hasil topografi setelah proses uji impak menggunakan minyak sebagai pelumas berbeda antara outer region dan inner region yang mengikuti lubricant pocket model. Daerah inner region ditandai dengan close pocket model dengan permukaan yang menyerupai kulit jeruk. Pemberian lubrikan pada spesimen menghasilkan dua topografi permukaan yang berbeda yaitu topografi bagian luar (outer region, OR) dengan permukaan yang lebih halus dan topografi bagian dalam(inner region, IR) dengan permukaan yang lebih kasar. OR ditandai dengan direct contact yang terjadi antara permukaan penekan dan permukaan spesimen. Hasil penelitian menunjukan terdapat
vi
perbedaan signifikan pada retakan, topografi permukaan dan tingkat kekasaran permukaan dengan menggunakan lubrikan dan tanpa lubrikan. Hasil pengujian menunjukkan bahwa dengan energy impak persatuan luas yang sama spesimen dengan diameter yang lebih kecil lebih tahan terhadap retakan. Selain itu juga diperoleh bahwa besar perbedaan % deformasi dengan adanya perbedaan energy impak menjadi tidak signifikan dengan reduksi ukuran. Nilai % deformasi lebih tinggi pada specimen dengan ukuran butir 190 μm dibanding dengan ukuran butir 110.8 μm.
vii
SUMMARY Hairul Arsyad, Doctor Program of Mechanical Engineering Department, Engineering Faculty, Brawijaya University. The Role of Size Effect on Deformation Characteristic under Impact Loading Condition on Miniaturization of Cylinder Aluminum. Promotor: I.N.G. Wardana, Co-Promotor I: Wahyono Suprapto and Co=Promotor II: Anindito Purnowidodo. Miniaturization of components of engineering products becomes trend on technological development. The technology is to produce a smaller, lighter and stronger product and able to function properly. Miniaturization trend in various products have changed the direction of research studies that focus on quality, efficiency and effectiveness of the products micropart / minipart. Problems encountered in producing of metal to the small size range are the change of the deformation characteristics. This problem is known as the size effect. The purpose of this study consists of three objectives, the first is to determine the role of size effect on the final thickness, % deformation, the final cross-sectional profile, the profile of deformation flow lines, and deformation circularity in miniaturization aluminum cylinder under impact loading condition. Second, to determine the effect of lubrication on the surface topography and surface roughness on the miniaturization of aluminum cylinder under impact loading conditions and the third is to determine the effect of different impact energy and grain size on the characteristics of % deformation of aluminum cylinder under impact loading conditions. This study is an experimental study using a model of the drop weight impact testing test. The test is performed on a thin circular cylindrical specimen by dropping the drop weight on the specimen. The impact energy is given to the specimen by the punch is constant per unit area. The test specimen is aluminum with 98.9% of Aluminum content with a variation in diameter (Do) is 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm and 7 mm. Specimen thickness variation (to) is 0.5 mm, 1 mm and 1.5 mm, and the two constituent grain size variation is 190 μm and 110.8 μm. Impact test was also carried out with lubrication conditions and without lubrication conditions for specimens with grain size 110.8 μm with a constant thickness of 0.5 mm. This research study is divided into three stages, the first is a study to determine the role of size effect on deformation characteristics. The study of deformation characteristics consist of two directions of deformation; the thickness direction and in the radial direction. The deformation characteristics of the thickness direction in terms of five (5) parameters: the thickness after impact, % deformation, the crosssectional profile, the grain flow lines profile at the edge and deformation of grain in the cross-section. The deformation characteristics of the radial direction in terms of the uniformity of the radial deformation. Degree of uniformity of deformation in the
viii
radial direction is obtained by measuring the deformation circularity of the specimen after impact. The circularity measurements is using of image processing software namely ImageJ. The second is to determine the effect of lubrication on the characteristics of surface topography on the impact load condition on miniaturization of aluminum cylinder. The third stage is to determine the effect of variations in impact energy and grain size on the % deformation. All three studies were conducted for the impact load conditions. The role of size effect on deformation characteristics can be seen from the changes in the deformation behavior shown after impact loads. Deformation at the specimen thickness with grain size 110.8 μm shows a more uniform cross-section and the images show a more homogeneous thickness distribution. In contrast to specimens with grain size 190 lm shows non-uniform thickness and shows the barreling effect significantly. Different characteristics of deformation in the specimen with the miniaturization indicate the role of size effect. Clearer indication of size effect on specimens with grain size 190 μm which shows larger deformation inconsistencies with reduction in diameter and initial thickness of the specimen. The significant difference is mainly attributed to the differences on the number of grain boundary that act as deformation barrier The role of size effects are also evident in the morphology of the lines of flow deformation (deformation flow lines) of material at the edges. Specimens with grain sizes 110.8 μm shows the deformation flow line more uniform than specimens with grain size of 190 μm. The role of size effect is not seen in the value of circularity deformation with reduction in size of the diameter and thickness as well as the differences in grain size. The grain size, however, does not have significant effect on the circularity since the specimen diameter is very large compare to the grain size. The circularity increases with increasing thickness of the initial specimen. The result shows that the specimen surface topography result after the impact test process using oil as lubricant was different between the outer region and the inner region which is following the lubricant pocket model. The inner region area is characterized by a close lubricant pocket model with a surface seen as an orange peel mark. Provision of lubricant on the specimen produces two different surface topographies that topography outer (outer region, OR) with a smoother surface and topography of the inside (inner region, IR) with a rougher surface. OR characterized by direct contact that occurs between the specimen surface and the surface of the punch. The results showed significant differences in the crack, surface topography and surface roughness by using a lubricant and without lubricant. The results show that the impact energy the same broad unity specimen with a smaller diameter are more resistant to cracks. It also found that the large difference in % deformation with the energy difference becomes insignificant impact by miniaturization. Deformation is higher in the specimen with a grain size of 190 μm compared with 110.8 μm grain size.
ix
