p~
~
N~
fI~
N~
~ ~
x ~ 4,ISSN 141076g6
STurn A W AL PENGUKURAN MODULUS YOUNG DAN POISSONRATIO MENGGUNAKAN TEKNIK HAMBURAN NEUTRON M. Refai Muslih, Nadi Supamodan Sairun Puslitbang Iptek Bahan -BAT AN; Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang
ABSTRAK STUDIAWAL PENGUKURAN MODULUS YOUNGDAN POISSON RATIOMENGGUNAKAN TEKNIKHAMBURANNEUTRON. TelahdilakukanstudiawaluntukmengukurModulusYoungdan Poissonratio denganmenggunakan teknikhamburan neutron.Pengukuran dilakukanpadasampelbesi pasarandenganmengamati perubahan jarakkisi sebagaifungsidari pembebanan yangdilakukanpadabendauji. Pengukuran hanyadilakukanpadabidangtertentusaja dari sampel.ModlrusYoung(koefisienregangan) dan Poissonratio diukurdengan menempatkan sampelsedemikianrupa sehinggavektorhamburan(Q) tegak lurusterhadaparah pembebanan dan kemudiandilanjutkan pengukuran yangsejajarterhadaparahpembebanan. Daripengukuran ini didapatkan modulus YoungdanPoissonratiountukbidangini berturut turutadalah288,7GPadan1,44.
ABSTRACT PRELIMINARY STUDYON MEASUREMENT OFYOUNGMODULUS ANDPOISSON RATIOBYUSINGNEUTRON SCATTERING TECHNIQUE HADBEENDONE.Preliminary studyon measurement ofYoungModulus andPoissonratiousingneutronscattering technique. The commoniron usedas a sample.The differenceof planedistanceof the samplesas a functionof appliedloadhas been determined froma diffraction peak.The measurement wasconducted onlyfor chossenplaneof thesample.YoungmodulusandPoissonratiowerecalculated from the measurements oftransverse andlongitudinal strainsof thesample.Fromthismeasurement, theYoungmodulusofthecommonironis 288.7 GPaandPoissonratiois 1.44.
PENDAHULUAN Hamburan neutron merupakan salah satu metoda yang relatif barn untuk menentukan tegangansisa (maupun yang sedang dibebankan , applied stress) pada bahan-bahan kristalin. Metoda ini harnpir sarna dengan metoda pengukuran tegangan sisa di permukaan bahan menggunakan hamburan sinar-x. Kelebihan neutron dibandingkan dengan harnburan sinar-x adalah bahwa neutron dapat mengukur tegangan sisa di kedalarnan beberapa sentimeter dari benda uji. Hal ini bisa dilakukan karena neutron tidak bermuatan, sehingga dapat menembus bahan dengan mudah. Tetapi sarnpai saat ini belum ada standar baku pengukuran tegangan sisa menggunakan teknik hamburan neutron. [I] Penelitian ini adalah untuk mendapatkan modulus Young besi pasaran. Untuk maksud ini diperlukan alat uji tarik yang dapat ditempatkan di atas meja sarnpel alat ukur tegangan sisa (DNI-M) sehingga dapat diamati perubahan jarak kisi sebagai fungsi pembebanan yang diberikan pada sarnpel. Pada saat ini DNI-M belum dilengkapi dengan alat uji tarik/tekan
76
~I
yang representatif, artinya dapat dikendalikan secara elektronis. Untuk keperluan itu, dalam tahun anggaran ini akan diusahakan pembuatan alat uji tarik. Penelitian ini dilakukan untuk mencari spesifikasi dari alat yang akan dibuat. Salah satu peralatan hamburan neutron yang terpasang di ruang percobaan Reaktor Serbaguna GA Siwabessy (RSG-GAS) saat ini telah dimodifikasi menjadi alat pengukur tegangan sisa menggunakan teknik hamburan neutron. Berkas neutron berasal daTi S6 RSG-GAS. Neutron yang berasal daTi teras reaktor mula-mula diparalelkan dengan kolimator 40' sebelum sampai ke monokromator. Kristal Monokromator yang digunakan adalah Silikon (311). Monokromator yang digunakan adalah monokromator lengkung (parabola) yang titik fokusnya diatur tepat di titik pusat meja sampel. Neutron yang terhambur kemudian dideteksi dengan menggunakan detektor neutron 0 dimensi. Didepan detektor ini ditempatkan kolimator 20'.
6 J~ 2001
~
Aii'dP~
,.,~
y~ J,...Po:..-~
,.,~
1~ H~
N~
H.~H...,L:.J.,~
TEORI
a=P
Dengan menggunakan teknik hamburan neutron, jarak kisi suatu bahan kristalin dapat diketahui. Jarak kisi ini akan berubah apabila benda mengalami pembebanan. Dalam hal ini alat pengukur tegangan sisa hanyalah dapat mengukur perubahan jarak kisi ini. Perubahan jarak kisi inilah yang dikenal dengan regangan (strain,e). Untuk mendapatkan besarnya tegangan (stress,a), diperlukan konstanta yang dikenal dengan Modulus Young. Modulus Young yang banyak beredar adalah modulus Young bulk material. Sedangkan
pengukuran strain menggunakanhamburan neutron dimungkinkan untuk mengukur strain untuk bidang tertentu saja. Oleh karenanya modulus Young yang digunakan untuk menghitung stress haruslah modulus Young untuk bidang yang sarna. Jarak kisi benda uji dapat diketahui dengan menggunakanhukum Bragg
2.d.sine=).
(1)
dimana d adalah jarakkisi dalam A clan e adalah Y2sudut hamburan clan ]I. adalah panjang gelombang yang digunakan dalam satuan A. Perubahan jarak kisi Lld/do
dimanaE adalahModulus Young (TPa), a adalahStress dalam MPa dan e adalah mikro Strain. Sedangkan Poisson ratio dapat dihitung dari perbandinganslope strain kompresidenganstrain ekspansipadagrafik strain fungsipembebanan. BAHAN DAN ALA T Bahan yang digunakan sebagai benda uji pada penelitian ini adalah besi pasaran dengan diameter IOmm yang biasa digunakan untuk pembuatan rangka bangunan. Benda uji kemudian dibubut sampai diametemya menjadi Smm. Alat yang digunakan adalah pengukur tegangan sisa DNI-M. Spesifikasi teknis alat ini adalah sebagai berikut: Spesifikasi Teknis DNJ-M Pengukur Tegangan Sisa dengan Metode Hamburan Neutron
1. Monokromator 2. Kolimator
adalah:
Karena panjang gelombang yang digunakan selama pengukuranadalahtetap,maka: £1d/do= (sin eol sin e) -
(3)
dimana eo ada!ah ~ sudut hamburanpada saat benda tidak terbebani. Besarnyatekananyang diberikankepadabenda uji dapat dipero!eh dengan menggunakanpersamaan Pascal: (4)
P=4.m.g/7tD2
: Si (311) terfokus vertikal dan horizontal : # 1 = 40' (sebelum monokromator) #2 = Tidak ada #3 = 20' (antara sampel
(2)
Ad/do= (d-do)/do
(6)
dengan detektor utama)
3. LuasBerkasdatang : 30(1)*SO(t)mrn2 4. Take-offangle : 0-700 5. Sudut2-theta : -100 -+1000 6. Incidentslit to sample : max. 190mrn 7. Sampleto difractionslit : max. 310 mrn 8. Beamaxis height : 91 mrn : X = -70 -70 nm1 9. Translator Y = -70 -70 mrn
]o. DetektorUtama ] 1. Sistempencacah ]2. Pengendali 13. Perangkatlunak
Z =0- SOmm : He3 : Canberra : IBM-PC : RESA (JAERl) termodifikasi. : lihat gambar 1.
dimana P adalahtekanandalam MPa, m adalahbeban dalam kg, g=9,8 ms.2dan D adalah diameterbenda uji 14.Kurva resolusi dalamrom. Poisson ratio adalah perbandingantransver~le Sedangkan untuk memegang dan membebani strain dengan longitudinal strain. Transversestrain benda uji digunakan mesin penekan yang dapat adalah strain yang tegak lurus dengan pembebanan. ditempatkan diatas meja sampel. Alat ini dilengkapi Sedangkanlongitudinal strain adalahstrain yang sejajar dengan load cell, untuk mengetahui besamya denganpembebanan. Modulus Young dan Poissonratio pembebananyang diberikan kepada sampel. Pembebanan dapat dihitung dari grafik strain fungsi pembebanan. tertinggi yang dapat dideteksi oleh load cell adalah 1000 Modulus Young (E) dihitung dengan persamaandi kgf. Dengan benda uji berdiameter 5 mm, besamya bawahini: E= 0"/e
(5)
tegangan yang dapat c;iiberikankepada benda uji adalah mulai 0 sampai dengan 499 MPa.
dengan
~I
6J-:. 2001
77
~
A~~p~
HCIJ..l.., y~ """"p~
~
H~
T~ h'~
N~
11.~I1~/~
-
1
didapatkan dengan memutar 90 derajat relatif terhadap posisi hoop-nya.
0,9 0,8 Q) 0,7 ..J 0,6 ~ 0,5 J: 0,4 0,3 0,2 q)
~
HASIL DAN PEMBAHASAN Dari basil pengukuran panjang gelombang dengan Silikon serbuk, didapatkan pola difraksi seperti ditunjukkan pada gambar 2. Sedangkanpola difraksi besi tanpa beban ditunjukkan pada gambar 3.
~
0
SO
100
150
2Theta (degree)
Gambar 1. Kurva resolusi DN1-M TATA KERJA Pertama-tama DNI-M harus dikalibrasi terlebih dahulu untuk mengetahui panjang gelombang yang digunakan. Untuk keperluan ini digunakan sampel standar Silikon serbuk. Setelah diketahui dengan pasti panjang gelombangnya, benda yang akan diukur modulus elastisitasnya diamati pola hamburan neutronnya. Setelah itu ditentukan bidang yang mana yang akan diamati perubahanjarak kisinya. Benda uji yang akan diukur kemudian diputar pada sumbu meja sampel pada posisi tegak dan mendatar dan kemudian di-scan theta-2theta disekitar sudut hamburan dari bidang yang akan diamati. Dari sini akan didapatkan jarak kisi referensi (do). Benda uji yang akan diukur pertama-tama ditempatkan pada pemegang sampel yang telah dipasang diatas meja sampel. Sebelum dilakukan pembebanan, hams diketahui terlebih dahulu jarak kisi tanpa beban. Pengukuran dilakukan dalam dua posisi, yaitu posisi Hoop dan Radial. Posisi Hoop adalah posisi pada saat vektor hamburan (Q) sejajar dengan gaya pembebanan. Penempatan benda uji pada posisi Hoop ditunjukkan pada gambar 2.
Gambar 2. Pola difraksi neutron dari serbuksilikon standar diukur dengan DN1-M
Gambar 3. Pola difraksi neutron pada besi tanpa beban Dari pola difraksi besi diatas, terlihat adanya dua puncak, yaitu pada sudut 2theta sarna dengan 55,4 dan 82,2 derajat. Selanjutnya pengukuran dilakukan pada puncak yang kedua. Posisi puncak untuk posisi hoop dan radial dan besarnya pernbebananditarnpilkan dalarn tabel
1. Tabel1. Posisi Puncak Hoop dan Radial pada Besi G8ye
Gambar 2. Penempatan benda uji pada posisi Hoop Sedangkanposisi radial adalahposisipactasaat Q tegak lurns terhadapgaya. Pengarnbilandata untuk posisi Hoop daD radial harus dilakukan di ternpatyang sarna.Untuk keperluan itu daerahyang akan diarnati haruslahterletak di tengah rneja sarnpel.Posisi radial
78
~I
6J~ 2001
~
A4i.d p~
H~
y~ "- Po:-- ~
H~
T~ H~
N~
H.R¥ H...l:t.~
Dari tabel diatas kemudian dihitung besamya strain (i\d/do) dan besamya tekanan yang diberikan kepada bendauji (lihat tabel2) Tabel 2. Strain (Ad/do) dan Tekanan pad a Benda Uji
No
Tekanan (Mpa)
2
3 4
5
0 49.936 74.904 99.873 124.84
mikroStrain
Hoop -0.06063 -260.132 -330.120
-530.009 -639.901
mikroStrain Radial 0.000 200.2181 260.3049 220.2459 510.7738
Dengan mengabaikandata pada baris kedua sampai keempat,dibuat grafik strain stress sepertidtunjukkan padagambar4.
untuk bidang tertentusaja..Sedangkanuntuk hargarasio Poissonsebesar 1,44 hal ini jelas sulit dipertanggung jawabkansecarateoritis. BesarnyahargaPoissonratio ini didugadisebabkandari metodadan alat penekansampel yang digunakan.Dalam percobaanini sampelditekan denganpembebanan yang relatif besar.Dapatsaja terjadi sampel menjadi melengkung. Kejadian ini tidaklah diharapkan,karenaakan terjadi gradasijarak kisi pada arab kelengkungan.Melengkungnyasampeldisebabkan karena gaya-gayayang bekerja di kedua ujung sampel tidaklah segarislurus. Penekanyang digunakanselama percobaanini dapatdilihat padagambar5. Titik tengah antara kedua penekansampel ini sudahdiusahakansegariswaktu pembuatan,tetapikarena adanya toleransi yang cukup besar pada ulir yang digunakan,sehinggatitik tengah dari keduanyatidaklah selalu segaris lurus horizontal. Hal ini pula yang menyebabkanposisi sampeI semakin miring seiring denganbertambahnyapembebanan.Posisi sampelyang bergerak seiring dengan pembebanan tidaklah dikehendakikarenaakanmenyebabkan perubahanposisi daerahpengamatan.
Gambar 4. Kurva Strain Stress besi pasaran Denganmemperhatikanposisi sudut hamburan untuk bidang (220) sampaidengan(331) sampelsilikon serbuk, didapatkan bahwa panjang gelombang yang digunakan dalam percobaan ini adalah 0,1884 nm. Pengukuranpergeseranpuncak difraksi sampel besi sebagai fungsi pembebanan di1akukan pada sudut disekitar 82:2 derajat karena pada posisi ini volume sampel yang terkena neutron adalah paling sedikit. Meskipun daTi kurva resolusi DNI-M, posisi ini bukanlahposisi optimum alat ini. Dalam hal ini yang lebih dipentingkan adalah mendapatkan volum~ seminimal mungkin. ldealnya kurva resolusi alat ini mempunyaiplateu yang lebar, sehinggauntuk beberapa posisi pengukuran yang berbeda akan mempunyai resolusiyang tidakjauh berbeda. Dari kurva Strain Stressbesi pasarandiketahui besarnyamodulus Young bahan ini adalah 288,7 GPa denganrasio Poissonsebesar1,44. Nilai perbandingan Poissonuntuk bendayang diuji denganmesin uji tarik biasanyaberkisar daTi 0 sampai0,5 untuk bahanyang isotropik. SedangkanmodulusYoung untuk besiberkisar 200-220 GPa [2,3]. Kedua nilai diatas terlihat jauh berbeda. Tetapi untuk besaran modulus Young, perbedaanini masihbisa ditolerir, karena harga200-220 GPa adalah untuk bulk material. Sedangkanyang didapatkandalampengukuranini adalahmodulusYoung
~I
(a) Posisi pemegang Sam pel Oi Atas Goniometer
Sampel.
(b). Detail Posisi Sampel pada Saat Pengukuran Gambar 5. Posisi pemegang Sam pel
Secarateoritis, pembebananberupapenekanan dan penarikanterhadapsampel,tidaklah berbeda.Tetapi selama percobaan ini terlihat bahwa apabila pembebanannya berupa penekanan,posisi sampelakan semakinmiring denganbertambahnya beban.Karenahal
6 J~ 2001
79
St...l.: AiII,.L p~
M~
y~
k". p~
~
M~
T~
H..,..t.., ,. N~ H.R¥H~. ~
ini juga maka sulit diharapkan terjadinya pemampatan di tengah-tengah sampel apabila beban diperbesar, yang akan terjadi adalah melengkungnya sampel karena adanya gaya geser. Hal ini semua disebabkan karena tidak segarisnya gaya-gaya yang bekerja di kedua ujung sampel. Dan juga disebabkan besarnya toleransi daTi ulir
2. Hasil daTipengukuran Poisson ratio masih jauh daTi
penekan yang digunakan.
[1]. ISO VAMAS; Technology Trends Assessment: Polycrystallinematerials-Determinationof residual stressess by neutrondiffraction; 151 edition2001. [2]. R.S. KHURMI & J.K.. GUPTA, A Text Book of Machine Design, Eurasia Publishing House LTD. Ram Nagar New Delhi-I 10055, 1982. http://www.iastate.edu/-em327/327exp/poisson/pois son.html
KESIMPULAN Dari hasil studi pendahuluanini dapat disimpulkan beberapahal sebagaiberikut: Dengan menggunakan peralatan DNI-M dapat diukur Modulus Young daD Poisson ratio mikroskopik dari suatu bahan polikristal.
80
~,
yang diharapkan karena pemegang sampel daD sistim pembebanannyaperlu disempumakan.
DAFTARPUSTAKA
~J~ 2001
Ke Daftar Isi
