Analisis Pengaruh Proses Pembentukan terhadap Laju Perambatan Retak Fatik Bahan Perunggu Keras(Tjokorda Gde Tina Nindhia)

ANALISIS PENGARUH PROSES PEMBENTUKAN TERHADAPLAJU PERAMBA TAN RETAK FATIK BAHAN PER UNGG U KERAS

Tjokorda Gde Tirta NindhiaFakultas Teknik U~iversitas Udayana

Kampus UNUD Bukit Jimbaran, Denpasar -Bali

ABSTRAK

ANALISIS PENGARUH PROSES PEMBENTUKAN TERHADAP LAJU PERAMBA TAN RET AK FATIK BAHAN

PERUNGGU KERAS. Analisis pengaruh proses pembentukan terhadap laju perambatan retak fatik bahan perunggu keras.Perunggu keras adalah paduan logam dengan komposisi 15%-20% timah putih (Sn) clan 80%..85% tembaga(Cu). Dalam prosespembentukannya, paduan ini selalu mengalami proses penempaan clan proses Roil. Penelitian ini bertujuan untuk mengamatipengaruh proses penempaan, khususnya penempaan tekan clan proses anil terhadap I~u perambatan retak fatik daTi bahanperunggu keras. Paduan disiapkan melalui proses pengecoran clandilanjutkan dengan proses penempaan pada 2 variasi temperaturyaitu 700.C clan 800 .C, dengan 3 variasi reduksi yaitu 10%, 20%, clan 30% untuk setiap variasi temperatur penempaan. Prosesanil dilakukan pada sampel dengan reduksi penempaan tekan 20% dengan variasi temperatur 400 .C, 550 .C, clan 600 .C.Pengujian laju perambatan retak fatik mengunakan model spesimen dengan retak tunggal pada bagian sisi atau tepi daTi spesimen.Hasil pengujian menunjukkan proses penempaan tekan dengan reduksi penempaan yang rendah dapat menurunkan I~u perambatanretak fatik, clan retak merambat sangat lambat pada produk penempaan pada temperatur 700.C dengan reduksi 10%. Terjadinya

perlambatan retak disebabkan oleh terjadinya percabangan pac.a ujung retak. Peningkatan reduksi penempaan menyebabkanpeningkatan laju perambatan retal<.Proses anil pada temperatur 600 .C meningkatkan laju perambatal1 retak, selanjutnya penurunantemperatur anil menyebabkan peningkatan laju perambatan retak fatik.

ABSTRACT

THE EFFECTS OF MANUFACTURING PROCESSES ON THE FATIGUE CRACK GROWTH RATE IN AHARD BRONZE. Hard bronze is a metal alloy with composing of 15% -20% tin (Sn) and 80% -85% copper (Cu).In manufacturing processes of this alloy, it always undergoes forging and annealing processes. This research investigated theeffects of forging, especially the press forging and annealing on the fatigue crack growth rate of hard bronze. These alloys wereprepared with casting processes and continued with the press forging at temperature variation namely 700 .C and 800 .C, andthree variations of forging reduction, viz. 10%, 20%, 30%. Annealing processes were done for sample with press forgingreduction of20% at temperature variation i.e. 400 .C, 550 .C, 600 .C. Fatigue crack test with use single-edge through thicknesscrack specimens were performed. The test results show that the press forging product with low reduction can decrease the crackgrowth rate, and the crack grows very slowly on forging product at temperature 700.C with 10%reduction. The crack retardationis caused by the existence of crack bifurcation at crack tip. Increasethe press forging reduction tends to increase the crack growthrate. Annealing process at 600.C increase the crack growth rate, and the decrease of the annealing temperature tend to increasethe crack growth rate.

Kata kunci : Perunggu keras, Penempaan tekan, Anil, Perambatan retak, Percabangan.

PENDAHULUAN

Perunggu keras adalah paduan logam dengankomposisi 15%..20% timah putih (Sn), daD80% ..85%tembaga (Cu). Paduoo ini dikenal karena kekerasan daDketahooan ausnya serta ketahanan korosi yang tinggi.Sedangkan kelemahannya adalah bahan ini mudah retakat au pecah khususnya jika berbentuk pelat ataumembran. Dalam proses pembentukannya, paduan iniselalu mengalami proses penempaan dooproses anil [I].Salah satu proses penempaan tersebut adalah prosespenempaoo tekan (press forging). Proses penempaootekoo ini mempunyai presisi yang lebihbaik dari proses

tempa lainnya [2] daD [3]. Penelitian ini bertujuan. membahas pengaruh proses penempaan tekan daD

proses anil terhadap laju perambatan retak fatik bahanperunggu keras ini.

Beberapa penelitian mengenai pengaruh anilterhadap laju perambatoo retak pada beberapa materialtelahdilakukoo,sepertipadamaterialtitanium[4],materialbaja dengan kandungoo 25% karbon [5], material bajatahookaratAISI304 [6],materialbaja karbon rendah [7],material aluminium [8,9].Keseluruhoopenelitian di atasmendapatkan proses anil dapat menurunkan lajuperambatan retak.

123

Prosiding Pertemuan Ilmiah Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan '99Serpong, 19 -20 Oktober 1999 ISSN 1411-2213

Selain proses anil, tegangan sisa yang ditimbulkanoleh proses pembentukan juga berpengaruh terhadaplaju perambatan retak [10], Proses penempaan jugamenimbulkan tegangan sisa yang dapat menurunkan lajuperambatan retak fatik. Produk tempa dengan retak padaarah longitudinal-transverse menunjukkan perambatanretakyang lambat [11,12,13].

TEORI

Faktor intensitas tegangan tarik (K) menunjukkanbesamya intensitas tegangan di ujung retak. Besamyafaktor intensitas tegangan tergantung daTi : teganganyang bekerja (a), daD panjang retak (a). Secara umumdapat ditulis:

K[ =Ya~ (1)

Yadalah faktor koreksi terhadap geometri bendauji. Untuk spesimen seperti pada Gambar I. Y dapatditentukan dengan rum us Broek (1986) sebagai berikut:

Y=I,99-0.41~+18,7 (~)2 -38,48 (~)'+53,85 (~)' (2)w w w w

Dari persamaan (2), dapat diturunkan persamaantluktuasi faktor intensitas tegangan sebagai berikut:

M, =M4I,99-0.4{ ~)+18,7(~)2 -3M' ~J +53,8\ ~)]

(3)

Llcr adalah amplituda tegangan.

(J

Gambar J. Geometri single-edge through thickness crack

Korelasi antara karakteristik perambatan retak fatikdengan konsep LEFM bisanya diberikan dalam bentukkurva log-log (kurva sigmoidal) da/dN vs &<.[dengan:

!!.K = Kmut., - Kmin

= (smut..-Sm;.)P,J;;; (4)

Dalam pengujian fatik digunakan variabel perbandingantegangan (R) yang besamya:

Ii=-R.- (5)P...,

Hubungan laju perambatan retak fatik (da/dN),sebagai fungsi ,1K[ dapat digambarkan seperti tampakpada Gambar2.

I .~. II .*

I.!!I

I.E.os

';;'"tJ~..:A 1~.{)6

:a'::.'It)

, .E.07

,~~I E..o. 'E4 I E.cA

AI( O'a..l'1

Gambar 1. Kurva karakteristik perambatan retak fatik

(J

Oaerah I pada gambar 2 disebut daerah ambangfatik.Oibawah daerah ini tidak terjadi perambatan retak.Oaerah II menunjukkan suatu hubungan yang linierantara logda/dN daD log~, dan dihubungkan denganpersamaan:

: =A(t!.K,'r (6)

A adalah konstanta bahan dan n adalah koefisieneksponensial. Laju perambatan retak pada daerah IIIberlangsungsangatcepatdaDakhimya terjadiretakstatik.

Percabangan retak sering terjadi pada materialgetas, ;lalinibisa terjadiakibatsetelahpertumbuhanretakterjadi, akan memiliki energi kinetik seluas TXV(Gambar 3). Padakondisi ini percabangan dapat tumbuhdengan menggunakan energi kinetik tersebut. Setelahbeberapa waktu energi kinetik ini dikonsumsi untukmerambatkan dua retak sampai kedua retak berhentikarena energi kinetik yang tersedia telah habis(Iuas TXV=luas XZAB), ini berarti pada kondisi inikecepatan perambatan retak adalah nol. Laju pelepasanenergi kinetik di titik B tidak cukup untuk merambatkan2 retak, tapi lebihdaTicukup untuk merambatkan sebuahretak.

GoRf

.2R

A

-c.,

,0 0, .' : :. .' , ,. . 0 . .. ; 0 , 0

~Gambar 3. Cabang retak yang tidak merambat

po Gc -6a

Ana/Isis Pengaruh Proses Pembentukan terhadap Laju Perambatan He/ak F atik Bahan Perunggu Keras(Tjokorda Gde Tina Nindhia)

METODEPERCOBAAN

Paduan disiapkan melalui proses pengecoran,clandilanjutkan dengan proses penempaan tekan pada2 variasi temperatur penempaan, yaitu temperaturpenempaan 700 °C(bendakerja berwama koning/lemonyellow) clantemperatur penempaan 800 °C(benda kerjaberwama merah membara), dengan 3 variasi reduksipenempaan tekan yaitu: 10%, 20%, 30%. Prose anildilakukan pada 3 variasi temperatur 400 °C, 550 °C,600 °C, terhadap produk tempa dengan reduksi 20%.Selanjutnya dilakukan pengujian retakfatik. Pembuatanretak awal untuk spesimen perambatan retak fatikdilakukan dengan Electro Discharge Machining,Pengujian perambatan retak fatik dilakukan denganmenggunakan mesin uji Shimadzu closed loop servohydraulic. Panjang retak clansiklus dicatat untuk setiappertambahan panjang 0,2 mID.Panjangretak ini diamatidengan menggunakan travelling microscope denganresolusi 0,01 mID.Pola pembebanan yang digunakanadalah sinusoidal dengan frekuwensi berkisar antara5-11 Hz. Pada amplituda beban yang konstan.Perbandingan tegangan ( R) sebesar 0,3 clanteganganmaksimumdirencanakan25% daTiteganganluluhbahandasar (raw material).

BASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil pengujian perambatan retak disajikan dalambentuk grafik penambahan retak (a) terhadap jumlah siklus

Gambar 4. Percabangan retak (crack bifucation) padaprod uk tempa tekan 700 "c, reduksi 10%. Bahan etsaHNO.

J

(N), serragrafik laju perambatan retak (da/dN) terhadapperubahan faktor intenssitas tegangan (LJKf) dapatditentukan konstanta A clan koefisien n daripersamaan 6. Harga-harga ini digunakan untukmemprediksi timor sebuah komponen jika kondisitegangan kerja clanpanjang retak diketahui.

HasH pengujian perambatan retak fatik untukproduk penempaan tekan pada temperatur 700 °C(berwama koning/lemon yellow) menunjukkan retakmenjalar lebih lambat hila dibandingkan dengan tingkatreduksi yang lebih tinggiseperti terlihatpada Gambar 5a.Perlambatan(retardation) retakpada produk penempaantekan dengan reduksi yang lebih rendah ini diakibatkanoleh terjadinya banyak percabangan retak (crackbifurcation) seperti terlihat pada Gambar 4.

UE.021.6E-(Q1.4J::.021.=

A1\JE.0'2

d 8O!>-OO60E-034.0E-03

2.0£.03o.OE+OO

o.o.E+OO

lIII

POI..garuhTempa 700"<: Terlwlap Peramhaton - '..

5.o.E+()4 10E~ 1.5E+05

Red30'/.

IE~

I~

1E-O1

2.0.1::+05 2.5&0.5

N (c;,d.)

(a)

3.aE+05 3.5&05 4.0E~ 4.5&vo

1!cd20'/. I 1.:e:~6'biToV:--

1E.os>

I.£.()\ :.E+OO 1.£+01 I.E+

I>J{.(MPam'n)

(b)

Gambar 5. (a) Grafik pengaruh penempaan tekan pada temperatur 700 "C terhadap perambatan retak fatik, (b) Grafik lajuperambatan retak fatik untuk masing-masing perlakuan pada penempaan tekan 700 "C

r..:o- !'c'?"..

-c-1I<d 20% I If-(>-1I<d 3OY.-v- Rawm&au!

I.#"-- :r;

,0 AY,.-'" -- -""-

Prosiding Pertemuan Jln#ahlllf1U Pengetahuim daft Teknologi.Bahan'99Serpong, /9 -20 Oktober /999

'1, ,'1d,1\\\m!,

ISS!fl;Ul'l~22'~')

:t'rrercabangan n~t~ mudah terjaqi akibat ketidak

serapam~11struktur mikro, yaitu terdapatnya raseCuJSnyang panjang/pan"pendek ,akibat penempaan pacta

redtik~ "'~~1,~~~~~ljSit?e~ganpenjngkatan reduksipen~ " '{~l~~yebab ' " " :~agi~I1.,:ase CujSn, ~a~~/

pan , , I1J~CtI~I?Hrta,...'""" sehl~gga"'e.J11,ungkl~,anterj a pecabangan menjadi berkurang,. sehinggaretak menjalardengan cepat(Gambar 5a.) ,

",untuk mengetahui pengaruh anil terhadap lajuperal1;1batanretak fatik; maka produk penempaan tekandenganreduksi 20% padatemperatur 700 ac, dilakukanproses antI dengan variasi temperatur 400 ac, 550 at,600 ac. Hasilpengujian lajuperambatanretakfatikakibat

pengaruh proses antI ini dapat diamati pactaGaroj)AOa.Terlihatdengan proses antIpactatemperatur 400 ac lebihmempercepatpenjalaranretak;hila tlibandingka'r1t{lengansuhu yang lebih tinggi. Percabangal1retak'jugd!terjit'ai' ..akibat proses anil ini. JumlalipefcabangatFyang iefj~Ftenfyatasefuakin, bertambnh 'd6ngal1' sefuaJein"ditirigKatKhnnyatemperatllrlari'i!seperti'terlihat' pactaGambaf 6. Harini disebabkafil'dengan perHrigkatantemperattlr anif material semakinGlllhak:lsehinggapercabangansemakinmudahterjadi,akibatnyapenjalaranretakmenjadisemakinlambat. "

PengujianperambatanremItfatik.terhadapprodukpenempaan pactatemperatur 800°C'yaituketika bendaberwama merah membara,memberikanlliasilyang mirip .

dengan penempaan pactatemperatur 700 ac, yaitu retakmeran,batdengansangatlambatpactaprodUkpenempaandengan reduksi 10% seperti terlihat pada Gambar 9. Inidisebabkanolehpercabanganyang tel-jadiseperti tampakpactaGambar8. "

Gambar 8. Percabangarii r~ta'k.pada produkpenempaan tekan 800 ac dengart reduksi;lO%. Tanpaetsa. Ptmingkatan reduksi penempaan selanjutnyamempercepat penjalaran retak, sampat akhirnyamendekati kurva penjalaran retak bahan dasar pactaproduk tempa dengan reduksi 30%. Perambatan\retali1"r.rproduk penempaanpactatemperatur 700 ac lebih lambathila dibandingkan dengan prod uk penempaan pacta800 ac, sepertitampakpactaGambar 5adan Gambar 9a."

Selanjutnya untuk mengetahui pengaruh proses, d

PengalUl. Ani! Pada Prod uk Tempa 700.C. red. 20"/0 Terhaclap Peramb4tan Retak

J;.." ;/1J1n " 'j

UE+OS 2.05+-05N(C)tcII)

(a)

An~SSd'c

1.2£.02

1.<'£.02

8.u~

:g 60£,0).. .4.0&0)

-<>- An~ 600, C-<-0- An~ SSO"C-0- An ~ 400-7C-<>- T""". 7oo'C red ~O'/.I-

2.0&0)

O.OT.-+ooo.o.E...oo S.OE+O4 1.0E...O5

An~ 4<X"C

t1f1l 111111111 1

I

J.E.(J6

2.S£+O5 J.SE+3.0£...05

1.£-06An~ 6fXfc

I~

1:E'()9

l:E.(\f

daldN -2.91:zE.P\I(AK)2.s.t.I~

1.£...

11:E.()7

i

J.E+CO 1.1,+01 J.E+

oK lJdPa.m"2)

:i

t J.£.c7

i . " i

I.E+oo1.£'()8

l.E'()1 I.E.>OO I.E.Oi1.£+01 1.£+02

oK (MP;un't2) 6K(MP:a.m"2)

Gambar 7. (a). Grafik pengaruh anil pada produk tempa 700 "C, red 20% terhadap perambatan retak (b). Grafik pengaruh ani!pad a prod uk tempa 700 "C, red 20 % terhadap laju perambatan retak fatik

,

Ana/Isis Pengaruh Proses Pembentukan terhadap Laju Perambatan Retak Fatlk Bahan Perunggu Keras(Tjokorda Gde Tina Nindhla)

Gambar 8. Percabangan retak pada produk penempaantekan 800"C dengan reduksi 10%. Tanpa etsa.

anilterhadapproduktempapada temperatur800°C,maImdilakukan proses anil dengan variasi temperatur 400 °C,550 °C, daD 600 °C. Produk penempaan tekan padatemperatur 800 °C dipilih dengan reduksi 20%. Hasilpengujian perambatan retak fatik seperti terlihat padaGambar 11a. Retak ternyata merambat dengan sangatcepat pada produk ani! pada temperatur 400 °C,peningkatan temperatur ani! menyebabkan retakmerambatlebih lambatdari produkanildengantemperaturyang lebih rendah. Percabangan retakjuga terjadi padaproduk anil terhadap produk tempa pada temperatur800 °C ini, sepertiterlihat pada Gambar 10.

Gambar 10. Percabangan retak pada produk tempa tekan800 "C, reduksi 20% dilanjutkan dengan proses ani!400 "C (tahap recovery)

Dengan peningkatan temperatur anil jumlahpercabangan yang terjadi semakin banyak ssehinggaterjadi perlambatan retak. Banyaknya percabangan yangterjadi akibatkan peningkatan temperatur ani!menyebabkan bahan menjadi semakin lunak sehinggasemakin mudah bercabang.

Bentuk perpatahan dari bahan perunggu kerasini dapat diamati pada Gambar 12. Terlihat perbedaanyang jelas antara retak fatik daD retak statik, yaitupermukaanretakstatik lebih ratajika dibandingkan retakfatik.

Pcngaruh Tempa 800'C Terbadap Pcnmbatan lI.etak

1.8£.021.6E.O21.4;;:-<121.2&02

'i!: 1.('£-<12--.:&0£-03 +-

~0E-034.0E-032.OE-aJQO£+OO

. QO£+OO

-a-~-o-Ro12O'/.-<-1<.0130'/.-tr-1Uw _IN!

S.O£+04 10St-05 ISE+OS

RAWMATDUAL Red 30'/.1£.oS

1.£-<Ji5

~

ij

,..,).£.06

1

fl.E.07

1£.01

lE.08

I.t.ol 1.£+00 I.E.O! 1.E

lJ)( (MPLm"')

10Et-0S

N(Qodo1)

a-

2.SE+OS 3.0£+05 3.5E+05 4.Qt-

\.E-CSRed2OK Red 10'/0

u.oS

Ji'I.E:.oe

fi

1.E.07

1.E.oa1.E.oI 1.£+00 1:!+tI!

IX (J.!Partf»

(b)

Gambar 9. (a). Grafik pengaruh penempaan tekan pada temperatur 800 "C terhadap perambatan retak (b). Grafik lajuperambatan retak fatik untuk masing-masing perlakuan pada p'nempatan tekan 800 "C

Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan dun Teknologi Bahan'99Serpong, 19- 20 Oktober 1999 ISSN /4//-2213

-

~.I ~:::8.0EW .

l 60&(0...

Pengaruh Anil Pada Produk Tempa BOO.C,red. 20% Terhadap Pcrambatan Relak

4.0&t"'3

1.0&aJ

O.OE-roUO£+OO S.O£+~

-.:r- An ~ 6CO"C-0- An~ ~SC"C->-Anil400~C-0- TIaf'I 800°C te410'/.

--1.~£+05 1.0£+05

N(~d.)W-

Ani!SS<fC

1.0£+05

1.£.OS 1.£.05

1.5£+05 3.0£+05 3.S1>

~ 1.£.0"-...

i~~ \.1::.07

1.1::.06

I:r;=- 1.£.07

An iI 6OCI' c

1.£.08U..ol

IIL+OO 1.1:+01 1.1::+0:1

bX (MPa.rrl~ ~

I.F.-H)") 1.1::+01

l>K (Mhm'n)

(b)

Gambar 11. (a) Grafik pengaruh anil pacta prod uk tempa 800 "C, red 20% terhadap perambatan retak (b) Grafik pengaruh anilpacta produk tempa 800 "C, red 20% terhadap laju perambatan retak

Gambar 12. Bentuk perpatahan fatik bahan perunggukeras.

KESIMPULAN

Dari hasil penelitian clan pembahasan dapatditarikkesimpulansebagaiberikut:

I. Proses penempaan tekan dengan reduksi yangrendah menyebabkan perlambatan retak (crackretardation) clanpenempaan tekan pactatemperatur700 °Cmenghasilkan pertumbuhan retak yang lebihlambat dibandingkan penempaan pactatemperatur800°C.

2 Peningkatan reduksi penempaan tekanmenyebabkan perambatan retak menjadi semakincepat.

3. Prosesanil menyebabkan peningkatanpertumbuhanretak sehingga retak merambat dengan cepat.

Selanjutnya penurunan temperatur anilmenyebabkansemakinmeningkatnya pertumbuhanretak

UCAP AN TERIMA KASIH

Pacta kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih kepada PT. Tambang Timah Bangka atas bantuanmaterial penelitian, serta kepada R.v.G. van Deventer-Maas atas bantuan biaya penelitian yang diberikan.

DAFTARACUAN

[]].

[2].

Mendenhall, J. Howard, ]977, UnderestandingCopper Alloys, John Wiley & Sons, New York.Dieter, George E., ]986, Mechanical Metalurgy,McGmw-HiII,USA.Amstead, B. H., Ostwald, Phillip F., Begemean,Myron L., 1979, Manufacturing Processes, JohnWiley& Sons,New York.Chao, K.S., clanTomg, T.Y., ]996, ProbabilisticTreatment of Microstructural Effect on FatigueCrack Growth of Large Crack, Vol. 118,Halaman379-386.Goto, M., 1994, Statistical Investigation ofBehavior of Small Crack and Fatigue Life in

[3].

[4].

[5].

Ana/isis Pengaruh Proses Pembentukan terhadap Laju Perambatan Retak Fatik Bahan Perunggu Keras(Tjokorda Gde Tirta Nindhia)

[6].

Carbon Steels with Different Ferrite Grain Size,Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct., Vol. 17,No.6, halaman635-649.Jamasri, 1997, Pengaruh Perlakuan PanasTerhadap Laju Perambatan Retak Fatik BajaTahan Karat AISI 304, Media Teknik,halaman32.Kage, M., Millwe, K. 1., dan Smith, R. A., 1992,Fatigue Crack Initiation and Propagation in ALow-Carbon Steel of Two Different Grain Size,Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct., Vol. 15,No.8, halaman763-774.Turnbull,A.,dan Rios,R. De Los, 1995,TheEffectof Grain Size on Fatigue Crack Growth in AnAluminium- Magnesium Alloy, Fatigue Fract,Engng. Maret. Struct., Vo\. 18, No. 11, halaman1355-1366.

[7].

[8].

[9]. Turnbull,A., dan Rios,R.De Los, 1996,TheEffectof Grain Size on The Fatigue of CommerciallyPure Aluminium, Fatigue Fract. Engng. Mater.Struct.,Vol.18,No. 12,halaman 1455-1467.

[10]. Beghini,M.,Bertini,L.,danVitale,E., 1994,FatigueCrack Growth In Residual Stress Field, FatigueFract. Engng. Mater. Struct., Vol. 17, No.12,Halaman1433-1444.

[11]. Harada, S., 1980, Fatigue Crack Propagation inForged Structural Steel, Proceeding Analyticaland Experimental Fracture Mechanics, halaman351-363.

[12]. Broek, David, 1986, Elementary EngineeringFracture Mechanics, Kluwer AcademikPublishers, Dordecht, Boston, London.

[13]. Dowling,Norman E., 1993,Mechanical Behaviorof Material, Prentice Hall,New Jersey.