s..2J;
ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri III Serpong,20 -21 Oktober 1998
ISSN1410-2897
SIFAT PERAMBATAN RETAK ALUMINUM PADUAN 2024-T3 AKiBAT BEBAN BlHARMONIK Anwar danDjoko W. Karmiadji UPT LaboratoriumUji KonstruksiBPP Teknologi
ABSTRAK SIFAT PERAMBATAN untuk struktur
RETAK
ALUMINUM
pesawat terbang harus memiliki
PADUAN
beberapa kriteria
yang baik. Kriteria terakhir diperlukan untuk mendukung
AI 2024- T3 AKIBAT
BEBAN
BllIARMONIK.
seperti ringan, kuat serta mempunyai
Material
sifat perambatan retak
perencanaan struktur pesawat terbang dengan kriteria damage tolerance.
Perilaku perambatan retak dipengaruhi oleh beberapa faktor, salah satu diantaranya adalah jenis beban. Untuk mempelajari perilaku perambatan retak khususnya akibat beban dinamis random, dilakukan pengujian dengan beban biharmonik dan beban amplitudo konstan. Sebagai obyek penelitian adalah aluminum padu AI 2024-T3, yaitu jenis material yang banyak digunakan dalam rancang bangun pesawat terbang. .Hasil penelitian menunjukkan bahwa tidak terjadi efek perlambatan retakan pada beban biharmonik,
dan kekuatan lelah akibat beban biharmonik
dapat diprediksi secara linier dengan menganggap
beban biharmonik
sebagai beban dinamis blok.
ABSTRACT CRACK GROWTH BEHAVIOR OF ALUMINUM ALLOY 2024- T3 UNDER BllIARMONIC LOADING. The aircraft structure material should have some criteria such as light, strong, and appropriate crack growth properties. The crack growth property is needed for supporting the design of aircraft structure to define the damage tolerance. Crack growth behavior is mainly influenced by load type. This, caused by random dynamic loads, is studied through the test with the biharmonic and constant amplitude loading. The test specimens are aluminium alloy 2024-T3, in which this material is often used in an aircraft design. The test result shows that deceleratedcrack effects due to biharmonic loads and fatigue strength against biharmonic loads can be linearly predicted with the assumption that the biharmonic load is the same as the block dynamic load.
PENDABULUAN Proses rancang bangun suatu konstruksi dilakukan melalui beberapa tahapan, salah satu tahapan diantaranya adalah pemilihan material (material selection). Tujuan dari tahapanpemilihan material adaIah untuk mendapatkan jenis material yang sesuai dengan fungsi atau persyaratankonstmksi ditinjau dari beberapa segi misalnya sifat mekanik, fisik, kelelahan, manufakturability maupun tinjauan dari segi ekonornisnya. Kriteria dalam pemilihan material adalah berbeda untuk setiap jenis rancang bangun, misalnya kriteria pemilihan material untuk konstmksi ringan seperti sruktur pesawatterbang akan berlainan dengan kriteria pernilihan material untuk konstruksi lainnya. Kriteria yang perin diperhitungkan dalam perencanaan struktur pesawat terbang adalah bahwa struktur harns merniliki kekuatan tinggi namun berat struktur harns ringan. Kondisi ini dapat tercapaiapabila material yang digunakan untuk pembuatan struktur adalah material yang mempunyai kriteria kuat namun ringan atau yang sering dikenal dengan istilah material yang merniliki perbandingan kekuatan dengan bobot (strength to weight ratio) yang tinggi. Disamping itu, material untuk pesawatterbangjuga hams rnemiliki sifat ketahanan terhadap perambatan retak. Sifat ini
76
diperlukan untuk mendukung konsep perencanaan struktur pesawatdengan kriteria perencanaankemsakan yang bisa ditolerir (damage tolerance). Tujuan konsep perencanaan ini tidak terlepas daTi tujuan utama perencanaan yaitu untuk mengurangi berat struktur. Walaupun tidak semuabagian atau komponen struktur pesawat terbang dapat dirancang dengan kriteria perencanaan ini, Damon pengurangan bobot yang diperoleh dengan penerapankonsep damage tolerance cukupmemberiarti.
Sifat perambatanretak suatu material dipengaruhi oleh beberapafaktor, salah satudi-antaranya adalah jenis beban. Beban yang terjadi selama pesawat terbang beroperasi adalah beban dinamis dengan besar daD urutan amplitudonya tidak beraturan (random). pengamh bebanrandom terhadap sifat perambatanretak adaIahadanya efekbebanpuncak dimana beban tersebut umumnya melebihi beban luluh dari material benda uji sehingga kondisi plastik terjadi pada ujung-ujung retakan.Padamaterial yangmempunyai daerahtegangan plastik yang sangat kecil atau material rapuh (brittle), perambatan retak akan sangat cepat sehingga periode akhir kegagaian material terjadi pada waktu yang relatif singkat. Deselarasi laju perambatan retak dapat terjadi pada batas-batas daerah plastis (plastic range) yang
AnwardanDjoko~ Karmiadji
,. ~
Prosiding PertemuanIlmiah SainsMaterillI Serpong,20 -21 Oktober 1998 agak luas sehingga pada beban-bebanpuncak proses keretakan selalu melalui kondisi plastis terlebih dal1ulu. Dengan adanya daerah plastis tersebut maka terjadi perlambatan dimana keretakan merambat pada daerah ini. Salah satujenis beban dinamis random adalah beban biharmonik. Beban biharmonik merupakan gabungan dari dua jenis beban dinamis amplitudo konstan dengan beban maksimumnya sarnasedangkan broan minimumnyauntuk bebanyang besar adalah dua kali bOOan yangkocil. Dengandemikian tx:banbiharmonik dapat dikatakan sebagai beban dinamis amplitudo konstan,dimana setiapdua siklus terdapatbebanpuncak berupa beban tekan dengan besar beban puncak adalah dua ka1i bOOan minimum. Untuk mengetahui apakah hipotesa yang menyatakan adanya perlambatan retakan akibat beban puncak, berlaku pada beban biharmonik, dilakukan penelitian secara eksperimental dengan menggunakan material paduan aluminium AI 2024-T3 sebagaiobyek penelitian.. Selain itu da1ampenelitian inijuga dilakukan pengujian perambatan retak dengan beban dinamis amplitudo konstan yang digunakan sebagai komparasi terhadap basil pengujian dengan bebanbiharmonik.
SIFAT PERAMBATAN RETAK Fenomena menarik dati kegagaian suatubangunan mesinyang dalam opemnya mengaiamipembebanan dinamis adalah bahwa kerusakan tersebut tidak teljadi secara sekaligus sebagaimanakegagalan akibat beban statik, melainkan secarabertahapyang dimulai dengan teljadinya retak awal dan dilanjutkan denganperambatan retak. Sifat inilah yang dijadikan sebagaidasar dalam perencanaan dengan kriteria damage tolerance yang banyak diaplikasikan dalam perencanaan struktur
ISSN 1410-2897 diurnikan seperti pada gambar 1.
-WNv--WMra b anjang etak, a
b
~
-'WV'M-A-~~~-r c
c
a
I
I
I
Siklus. N
Gambar
Metodeprediksi secaralinier terhadapumur lelah akibat bebanbiharmonik.
PROSEDURPENELITIAN BendaUji Paduan aluminium berkekuatantinggi (high strengthaluminiumalloy) AI 2024T3 merupakanmaterial yang digunakansebagaiobyekdalam penelitian ini. Bentuk benda uji adalah berupa lembaranpelat denganketebalan5,15 mm daD dibagian tengahnya terdapatlubangdengankonsentrasiteganganK, = 3,6 (lihatgambar2).
pesawat terbang. Mekanisme kegagalan akibat beban dinamis, biasanya dinyatakan dalam bentuk kurva perambatan retak yaitu kurva yang menggambarkanhubungan antara laju perambatanretak dengan faktor intensitastegangan ataupanjangretak. Sifat perambatanretakmenjadi sangat kompleks jika beban yang menyebabkan teljadinya retakan tersebut merupakan beban dinamis dengan amplitudo random. Untuk meneliti sifat perambatanretak akibat beban dinamis amplitudo random, dilakukan penelitian dengan beban biharmonik. Sifat mekanis dari material benda uji adalah Beban biharmonik merupakan kombinasi dua sebagaiberikut : beban dinamis amplitudo konstan dengan besar .teganganmaksimum.Suit= 475N/mm2 bebannya berlainan daD pemunculannya saling .teganganyield, SY/eki = 315 N/mm2 bergantian. Apabila analisa sifat perambatanretak akt"bat .modulus elastisitas, E = 72500N/mm2. beban dinamik dilakukan secara tinier yaitu tanpa Sedangkan komposisikimianyaterdiri dari unsur memperhitungkan adanya efek perlambatan retakan utama aluminium (AI) dan unsur paduan dalam akibat beban puncak, maka analisa sifat perambatan prosentase berat sebagai berikut : retak akibat beban biharmonik dapat didekati dengan .Cu=3.8-4.9% menggunakan beban dinarnis blok. Sifat perambatan .Mg= 1.2-1.8% retak akibat beban dinarnis blok menurut Schijve dapat
AnwardanDjoko~ Karmiadji
77
ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri III ISSN1410-2897
Serpong, 20 -21 Oktober 1998 .Zn<0.25% .Cr<0.10% .Mn=0.3-0.9% .8i<0.5% .Fe<0.5% .lain-lain < 0.15 %.
MetodePenelitian Metode penelitian adalah secara eksperimental, yaitu dengan melakukan pengujian terhadap beberapa benda uji di laboratorium. Pengujian dilakukan dengan cara memberi beban dinamis pada benda uji yang arab pembebanan- nya vertikal atau tegak lorus terhadap lubang paralel pemegangbenda uji. Jenis bebandinamis yang digunakan adalah beban dinamis amplitudo konstan dan beban dinamis biharmonik. Besar beban keduajenis beban uji tersebut adalah sebagai berikut : 1. Beban dinamis amplitudo konstan : (a). teganganmaksimum S.-u = 206.5 N/mm2 teganganminimum S- = 0 N/mm2 perbandingan teganganR = 0 (b). teganganmaksimum S.-u = 206.5 N/mm2 teganganminimum 5mBI = 103.25N/mm2 pelbandingan tegangan R = 0.5 2. Beban biharmonik: (c). teganganmaksimum S.-u = 206.5 N/mm2 teganganminimum S..;..= 0 N/mm2 Pengujian dilakukan di mesin uji servo-hidraulik dengan kapasitas 400 kN. Sedangkansebagai pengatur beban uji digunakan komputer GA SPC 16/40. Pemasanganbenda uji ke mesin uji dibuat sedemikian rupa sehingga alat bantu dapat dipasang pada ujungujung benda uji melalui lubang-lubang paralel dikedua ujung benda uji tersebut. Untuk menghindari tegangan awal pada benda uji sebelum pembebanan,pemasangan alat bantu, benda uji daD mesin uji diatur sedemikian
rupa melalui lubang-lubang pada benda uji sehingga sumbu pembebanan berimpit dengan sumbu longitudinal yang melewati pusat lubang benda uji dengan konsentrasi tegangan (Kt) 3,6. Untuk mengukurpanjang retak selarnapengujian berlangsung, digunakan mikroskop dengan pembesaran 100 kali daD dilengkapi dengan skala pengukuran panjangdengan ketelitian 0.01 mm. Pengukurnn panjang retak dilakukan pada dua sisi depan dan belakang.
BAS~ un DANPEMBABASAN Hasil pengujian berupa data-data pengukuran panjang retak pada setiap interval siklus pembebanan tertentu ditunjukkandaIam bentukdiagram panjang retak (0) sebagai fungsi dari jumlah siklus (N). Gambar 3 memperlihatkan basil pengujian untuk ketiga jenis pembebanan yaitu kurva (a) daD (b) adalah basil pengujian dengan beban amplitudo konstan masingmasingdengan SmakJ= 206.5 N/mm2, Smin= 103.25N/mm2 dan S -,.-=206,5 N/mm\ S = 0 N/mm\ sertakurva (c) m~
DIm
adalah basil pengujian beban biharmonik dengan SmakJ= 206.5 N/mm\ S =ON/mm2, Berdas~an data-data basil pengujian diatas, kemudian ditentukan laju perambatan retak yang didefinisikan sebagai pertambahan panjang retak per satuansiklus pembebanan(da/dN). Nilai laju pe-rambatan retak untuk setiap interval pertambahan panjang retak, untuk ketigada/dN vs.a seperti pada gambar 4. Dari gambar 3 terlihat bahwa dengan semakin besar tegangan amplitudo maka kekuatan lelahnya semakinrendah.Sedangkandari gambar 4 me-nunjukkan bahwa semakin besar tegangan amplitudo, maka laju penjalaran retak menjadi semakin tinggi. Apabila beban biharmonik dianggap sebagaibeban dinamis amplitudo konstan dimana setiap dua siklus terjadi beban puncak berupabebantekan, makadari penelitian ini terlihat bahwa pengaruhbroaD puncak tersebutbukan memeperlambat laju perambatan retak, melainkan sebaliknya justru
(a) Amplitudokonstan S =2065N/mm' S =10325N/mm' (b) Amplitudokonstan S =2065N/mm' ; S = 0'NI mm' (c) Bihannonik S -'~=2065N/mm'. S =ON/mm'
Gambar 3
78
Kurva pertambahanpanjang retak terhadap siklus pembebanan
Gambar 4. Kurva pertambahan panjang fetal terhadap siklus pembebanan
AnwardanDjoko~ Karmiadji
ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri III Serpong,20- 21 Oktober 1998
ISSN 1410-2897
laju perambatanretak akibat bebanbihaTn1onik.Gambar mempen:epat.Hal ini terlihat dari gambar3 bahwakurva 6 rnernperlihatkan perbandingan perilaku perambatan reban bihannonik (c) rerada diserelah kanan dari kurva retak akibat beban bibarmonik antara basil pengujian bebanamplitudo konstan untuk bebanyang kecil (kurva deprediksi secaraakurnulasi tinier. a). yang berarti bahwa kekuatan lelah akibat beban Dari gambar6, terlihat bahwaperilaku perambatan bihannonik lebih rendah dibandingkan reban amplitudo retak antara basil prediksi dengan basil uji rnenunjukkan konstan.Laju perambatanretak akibat bebanbihannonik kecenderungan yang sarna. Prediksi dilakukan secara sepertiditunjukkan pada gambar4. juga memperlihatkan akurnulasi tinier (tanpa rnempertirnbangkan efek nilai yang lebih tinggi (cepat) dibandingkan beban perlambatan retak akibat akibatbeban puncak), sehingga amplitudo konstan. kesarnaan pola kurva basil analisis dengan basil Efek akselerasilaju perambatanretak yang teljadi pengujian tersebut, rneng-indikasikan bahwatidak terjadi padabebanbihannonik dapatdijelaskan sebagairerikut: efek perlambatan retakan akibat beban puncak pada .Teljadinya perlambatanlaju perambatanretak akibat beban biharn1Onik. Hal ini juga sesuai dengan pernbahasan beban puncak, disebabkan oleh adanya daerah diatas, yaitu dilihat dari perbandingan antar3 basil uji plastis yang teljadi pada saat beban puncak (lihat dengan beban arnpitudo konstan dan beban biharmonik, gambar 5). Jika daerah plastis akibat beban puncak tidak terjadi efek perlarnbatan retakan pada beban adalah rl daD daerah plastis akibat beban biasa biharmonik. (bebankecil) adalahr 0'makaakanteljadi perlambatart laju perambatan retak selama r 0berada di dalam r, Sedangkan jika r 0 sudah melewati r" maka tidak teljadi efek perlambatan laju pe-rambatanretakan. .Pada bebanbihannonik, bebanpuncak timbul setiap dua siklus, dengan dernikian. maka sebelum r mencapai atau melewati r" sudah teljadi lagi r I~ Karena daerah plastis akibat beban puncak r ,lebih jenis pembebananditunjukkan dalam kurva dari r , maka laju perambatanretakyang diakibatkan oleh; I lcl>ihcepatdibandingkan laju perambatanretakyang diakibatkan oleh r o' Dengan demikian maka kecepatan perilaku perambatan retak beban bihannonik lcl>ihdidorninasi oleh bebanPUncaknya. Gambar 6. Perbandingan perilaku perambatan fetal Hal ini terlihat daTi basil penelitian yang akibat beban biharmonik antara basil uji daD menunjukkanbahwakUIva bebanbihannonik (kwva prediksi. c) mempunyai kecenderungan yang sarna dengan Walaupun pola kurva antara basil uji dengan bebanamplitudo konstan (kurva b), lihat gambar 3 prediksi relatif sarna, Damon terdapat perbedaanyang dan4. Prediksi umur lelah secarateoritis akibat beban cukupsignifikan, yaitu padaperiode awal laju perambatan retak basil uji menunjukkan nilai yang lebih tinggi bihannoni dilakukan secara akumulasi tinier dengan mengabaikanpengaruh efek perlambatan retakan akibat kemudian padaperiode akhir laju penmlbatan retak basil bebanpuncak. Dengan demikian bebanbihannonik dapat prediksi lebih cepat. Perbedaan ini disebabkan karena prediksi diIakukan secaralinier dengan mengasumsikan dianggap sebagaibebandinamis blok dan umur lelahnya bebanbiharmonik dianggap sarnadengan bebandinamis dapat diprediksi seperti diuraikan pada gambar I. hick (lihat Gambar 1). Prediksi kekuatan lelah seperti Berdasarkan basil prediksi umur lelah, dapat ditentukan diuraikan pada Gambar 1, dilakukan dengan tara menjurnlahkan secaratinier antara kekuatan lelah beban yang kecil dengan beban yang besar. Karena analisa dilakukan dengan meng-gunakan beban yang kecil terlebih dahuIu, maka perilaku perambatan retak pada periode awal retakan menjadi lebih lambat dibandingkan dengan basil uji. Kemudian pada periode akhir retakan, analisa dilakukan dengan beban yang besar, sehingga perilaku perambatan retaknya menjadi lebih cepat dari pada basil uji.
KESIMPULAN Gambar5. Daerahplastis akibat bebanpuncak
AnwardonDjoko~ Karmiadji
Pengaruhperlambatan retakan akibat beban puncak,sangattergantungpadajenis sertaintensitas 79
ProsidingPertemuanllmiah SainsMateri III Serpong,20 -21 Oktober 1998
ISSN1410-2897
pemunculannya. Pada pembebanan dengan beban puncak yang relatif sering muncuInya seperti beban bihannonik, tidak terjadi perlambatanretak akibatbeban puncak. Dengan tidak adanya pengaruh perlambatan retakanakibat bebanpuncak, maka perilaku perambatan retak akibat beban biharmonik dapat dianalisis secara baik dengan pendekatan akumulasi linier berdasarkan data basil pengujian dinamis amplitudo konstan dan menganggapbeban biharmonik sebagaibeban dinamis blok. Perilaku perambatan retak akibat pembebanan biharmonik mempunyai kecenderungan yang sama dengan perambatan retak akibat beban amplituda kODStan,jikabebanmaksimum dan minimum dari beban biharmonik sarnadengan beban amplituda konstan.
DAFfAR PUSTAKA [1] BROEK D., "Elementary Engineering Fracture Mechanics", Martinus Nijhoff Publishers, Dordrecht.,1987 [2] CHEN W.F. & HAN D.J., "Plasticity for Structural Engineers". 1991.
Springer-Verlag
Hong Kong Limited.,
[3] SCHlJVE J., "Fatigue and Damage Tolerance of Aircraft Structures", Delft University of Technology., 1993. [4] WAHYU D. & TRAUTMANN K.H., "Fatigue Testing of Aircraft Materials". Cooperation LUK/ BPPT -DFVLR in the Field of Aircraft Materials,Activity Report April 1986-1987. [5] WAHYU D., ,.Analisa Sifat Lelah Alumunium Paduan Dalam Kaitan Hubungan TeganganRegangan". Simposium Nasional Kelelahan pada Material & Struktur,di Bandung,13-15Februari1989.
80
AnwardanDjoko~ Karmiadji
