ANALISIS UJI KETAHANAN LELAH BAJA KARBON SEDANG AISI 1045 DENGAN PERLAKUAN PANAS FULL ANNEALING MENGGUNAKAN ALAT ROTARY BENDING

ENDURANCE FATIGUE TEST ANALYSIS OF MEDIUM CARBON
STEEL AISI 1045 WITH FULL ANNEALING HEAT
TREATMENT USING ROTARY BENDING
TESTING MACHINE

By

JAYA SUKMANA

ABSTRACT

Steel is a material that is widely used in the industrial world. One of the widely used
type of steel is AISI 1045 steel as the material of the shaft for the engine components
maker. On its use, the axis of operation receive dynamic load in a long time, so that
the vulnerable experienced a failure when used due to experiencing fatigue failure.
A weary resilience steel affected by mechanical properties and microstructure of
the steel. Heat treatment is one way that can be done to change the mechanical
properties and microstructure of steel and one of a kind of heat treatment that can
be given on the steel AISI 1045 is full annealing method which can improve the

steel ductility. To find out the fatigue strength value of AISI 1045 steel that has

been granted full annealing heat treatment, can be done by performing testing using
the rotary bending testing machine. As for the testing method is done by giving the
variation of load by 20%, 30%, 40%, 50% and 60% of the ultimate tensile strength
value, as well as do macroscopic observations by taking action against the pattern
of the fracture that occurs in the test specimens. The test results show that the value
of the maximum fatigue strength is able to accomplish is 1.112.645 cycle on the
20% loading, accompanied by the presence of symptoms of ductile to brittle
transition between 40% and 50% load from ultimate tensile strength value.

Keywords: Fatigue Test, Rotary Bending, Medium Carbon Steel AISI 1045.

ANALISIS UJI KETAHANAN LELAH BAJA KARBON
SEDANG AISI 1045 DENGAN PERLAKUAN PANAS
FULL ANNEALING MENGGUNAKAN
ALAT ROTARY BENDING

Oleh

JAYA SUKMANA

ABSTRAK

Baja merupakan material yang banyak digunakan dalam dunia industri. salah satu
jenis baja yang banyak digunakan yaitu baja AISI 1045 sebagai bahan pembuat
poros untuk komponen mesin. Pada penggunaannya, poros beroperasi menerima
beban dinamik dalam waktu yang lama, sehingga rentan mengalami kegagalan saat
digunakan akibat mengalami kegagalan lelah. Ketahanan lelah suatu baja
dipengaruhi oleh sifat mekanis dan struktur mikro baja tersebut. Perlakuan panas
merupakan salah satu cara yang dapat dilakukan untuk merubah sifat mekanis dan
struktur mikro suatu baja dan salah satu jenis perlakuan panas yang dapat diberikan

pada baja AISI 1045 adalah metode full annealing yang dapat meningkatkan
keuletan baja tersebut. Untuk mengetahui nilai ketahanan lelah baja AISI 1045 yang
telah diberikan perlakuan panas full annealing, dapat dilakukan dengan melakukan
pengujian ketahanan lelah menggunakan alat rotary bending. Adapun metode
pengujian yang dilakukan adalah dengan memberikan variasi pembebanan sebesar
20%, 30%, 40%, 50% dan 60% dari nilai tegangan tarik maksimum dari baja
tersebut, serta melakukan pengamatan makroskopik tehadap pola perpatahan yang
terjadi pada spesimen pengujian. Hasil pengujian menunjukkan bahwa nilai
ketahanan lelah maksimum yang mampu dicapai adalah 1.112.645 siklus pada

pembebanan 20%, disertai dengan adanya gejala transisi jenis patahan ulet menjadi
getas pada pembebanan antara 40% dan 50%.

Kata Kunci : Uji Fatik, Rotary Bending, Baja Karbon Sedang AISI 1045

ANALISIS UJI KETAHANAN LELAH BAJA KARBON
SEDANG AISI 1045 DENGAN PERLAKUAN PANAS
FULL ANNEALING MENGGUNAKAN
ALAT ROTARY BENDING

Oleh
JAYA SUKMANA

(Skripsi)

Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar
SARJANA TEKNIK
Pada
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Lampung

FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2014

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Lampung Utara pada tanggal 12 Juni
1990 sebagai anak ke lima dari 6 bersaudara pasangan
suami istri Suminta dan Casnah.
Pendidikan penulis diawali dari Madrasah Ibtidaiyah AlIslamiyah Bandar sakti pada tahun 1996 dan diselesaikan
pada tahun 2002, selanjutnya penulis melanjutkan di
Sekolah Lanjutan Tingkat Pertama Madrasah Tsanawiyah
Al-Muhajirin Bandar sakti hingga tahun 2005, kemudian melanjutkan pendidikan
di Sekolah Menengah Kejuruan Negeri 2 Bandar lampung Jurusan Teknik Mekanik
Otomotif hingga tahun 2008. Pada jenjang pendidikan perguruan tinggi, penulis
diterima sebagai mahasiswa Program Studi S1 Teknik Mesin di Jurusan Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung melalui Jalur SNMPTN pada tahun
2008.

Dalam kurun waktu 6 tahun masa pendidikan, penulis aktif dalam Lembaga
Kemahasiswaan diantaranya di tingkat jurusan penulis aktif dalam Himpunan
Mahasiswa Teknik Mesin (HIMATEM) Universitas Lampung sebagai kepala divisi
kaderisasi periode 2010-2011. Ditingkat fakultas penulis aktif dalam kepengurusan
Badan Eksekutif Mahasiswa Fakultas Teknik Universitas Lampung periode 2011-

2012 sebagai kepala bidang advokasi dan kesejahteraan mahasiswa. Dalam bidang
akademik, penulis menyadari bahwa penulis bukanlah termasuk dalam kategori
mahasiswa cerdas dan berprestasi sehingga penulis terus belajar dan berusaha demi
terselesaikannya pendidikan ditingkat perguruan tinggi. Dalam prosesnya, penulis
sempat mendapat kepercayaan sebagai asisten praktikum fenomena dasar mesin di
laboratorium terpadu Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung, dan diakhir
masa pendidikan penulis mengambil konsentrasi pilihan pada bidang material. Pada
tahun 2013 penulis melakukan penelitian guna melengkapi persyaratan
menyesaikan pendidikan dengan judul “Analisis uji Ketahanan lelah Baja Karbon
Sedang AISI 1045 Dengan Heat Treatment Annealing Dengan menggunakan Alat
Rotary Bending” yang Alhamdulillah dapat terselesaikan berkat bantuan dari Bapak
Zulhanif S.T., M.T, dan Ibu Dr. Eng. Shirley Savetlana S.T., M.Met., sebagai Dosen
pembimbing, serta Bapak Harnowo Supriadi S.T.,M.T sebagai Dosn Penguji.

MOTTO

          
Sesungguhnya Allah tidak merobah keadaan sesuatu kaum sehingga mereka merobah
keadaan yang ada pada diri mereka sendiri. (Qs. Ar-Ra’d ayat 11)

         
Karena Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan (5), Sesungguhnya
sesudah kesulitan itu ada kemudahan (6) (Qs. Alamnasyiroh, ayat 5-6)

Allah tidak pernah memberi hal yang sia-sia kepada hambanya,
sekalipun kamu mengalami kegagalan, itu merupakan sebuah
pelajaran agar kamu dapat berhasil di masa yang akan datang.
Percayalah Allah akan memberi yang terbaik untuk kita, selagi kita
berusaha dengan yang terbaik yang kita miliki.

Janganlah kamu menyia-nyiakan waktu, karna waktu yang telah
kau sia-siakan tidak akan bisa kembali. Gunakanlah waktumu dengan
sebaik-baiknya

Awali setiap kegiatanmu dengan menyebut Namanya, sadarilah dan
niatkanlah semua mengharap keridhoanNya, karna hanya padaNya
kita akan kembali

Dengan kerendahan hati
harapan menggapai ridho-Nya
kupersembahkan karya kecilku ini untuk

Ayahanda dan Almarhum Ibunda
Atas segala pengorbanan yang tak terbalaskan,
kesabaran, keikhlasan, doa, cinta dan kasih
sayangnya

Keluarga Besar Penulis
Teman-teman Seperjuangan Penulis
TEKNIK MESIN 2008
SOLIDARITY FOREVER

Almamater tercinta

SANWACANA

Assalamu’alaikum Warahmatullahi Wabarakaatuh.
Alhamdulillaahirabbil’aalamiin, segala puji dan syukur penulis panjatkan
kehadirat ALLAH SWT atas berkat rahmat, hidayah dan karunia-NYA penulis
dapat menyelesaikan skripsi ini dengan judul “Analisis Uji Ketahanan Lelah Baja
Karbon Sedang AISI 1045 Dengan Heat Treatment Full Annealing Dengan
Menggunakan Alat Rotary Bending”. Shalawat serta salam penulis panjatkan
kepada junjungan Nabi besar, Muhammad SAW yang telah membuka jalan serta
membimbing kita dari zaman jahiliyah hingga sampailah kita pada zaman yang
terang benderang pada saat sekarang ini.

Terselesaikannya penyusunan skripsi ini tidak terlepas dari banyaknya dukungan
dan motivasi dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis
ingin menyampaikan rasa terimakasih kepada:
1. Ayahanda (Suminta) dan Ibunda (Casnah.alm) tercinta yang selalu
memberikan kasih sayang, sabar menunggu dan mendoakan atas harapan
akan kesuksesan penulis hingga dapat menyelesaikan studi S-1 Di
Universitas Lampung.

2. Bapak Prof. Drs. Suharno, M.Sc., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Teknik
Universitas Lampung.
3. Bapak Harmen Burhanuddin, S.T., M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik
Mesin Universitas Lampung.
4. Bapak Zulhanif, S.T., M.Sc. selaku pembimbing utama tugas akhir, terima
kasih atas semua arahan, bimbingan, motivasi dan ilmu yang diberikan
selama penyelesaian tugas akhir penulis.
5.

Ibu Dr. Eng Shirley Savetlana, S.T., M.Met selaku dosen pembimbing
pendamping tugas akhir, terima kasih atas semua saran-saran, bimbingan,
dan juga atas segala nasehat dan motivasinya terhadap penulis.

6. Bapak Harnowo S.T, M.T. selaku dosen pembahas dan selaku dosen
pembimbing akademik, terima kasih atas semua saran-saran, motivasi serta
nasehat terhadap penulis.
7. Seluruh Dosen dan staf pengajar Jurusan Teknik Mesin yang telah banyak
memberikan ilmunya kepada penulis dan membantu penulis dalam
menyelesaikan studi di Jurusan Teknik Mesin.
8. Kiay Marta, Mas Dadang, Pak Sujay serta Mas Juni yang telah membimbing

saat pengujian pendukung di Institut Teknologi Bandung, Mas Mulyono
yang telah mambantu di bengkel bubut SMKN 2 Bandar Lampung, Mas
Wanto dan seluruh pegawai serta teknisi laboratorium yang telah banyak
membantu penulis dalam meyelesaikan studi di jurusan Teknik Mesin
Universtas Lampung .

9. Kakak-kakakku (Ali Mulyono, Een Marlina, Juju Hartini beserta Suami, dan
Siti Mutmainah) yang selalu memberikan banyak bantuan baik secara materi
dan moril selama penulis menyelesaikan studi di Universitas Lampung.
10. Teman terdekatku Nur Jannah, rekan skripsi Hendra Prawira, yang selalu
berjuang bersama dan memberikan dukungan atas semua kerja kerasku
untuk menyelesaikan Skripsi ini
11. Teman-teman seperjuangan, Bicar Sahat Nauli, Roy Ronal, Amar Ma’ruf,
Dimas Kusuma Putra, M Apriliansyah, M Ihsan Yusuf, Jasendo F, Uda
(Alfurkhan) dan rekan-rekan Teknik Mesin 2008 lainnya yang telah
membantu dan memberikan dukungannya. Semoga persaudaraan kita tetap
terjaga dengan slogan “Solidarity Forever”

Dan semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu, terima kasih penulis
ucapkan atas bantuan yang diberikan sehingga terselesaikannya skripsi ini.

Wassalamu’alaikum Warahmatullahi Wabarakaatuh.
Bandar Lampung, 20 Agustus 2014
Penulis

Jaya Sukmana

xi

DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK
HALAMAN JUDUL ........................................................................................ i
HALAMAN PENGESAHAN ......................................................................... ii
PERNYATAAN ............................................................................................... iii
RIWAYAT HIDUP .......................................................................................... iv
HALAMAN PERSEMBAHAN ...................................................................... vi
MOTTO ............................................................................................................ vii
SANWACANA ................................................................................................. viii
DAFTAR ISI .................................................................................................... xi
DAFTAR TABEL ............................................................................................ xvi
DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... xvii
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang ..................................................................................... 1
C. Tujuan Penelitian ................................................................................. 5
D. Batasan Masalah .................................................................................. 5
E. Sistematika Penulisan .......................................................................... 6

xii

II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Baja Karbon ........................................................................................... 8
1. Carbon ............................................................................................... 8
2. Mangan ............................................................................................. 8
3. Phospor dan Sulfur ........................................................................... 9
B. Pengelompokan Jenis Baja Karbon .................................................... 9
1. Baja Karbon Rendah ......................................................................... 9
2. Baja Karbon Sedang ......................................................................... 10
3. Baja Karbon Tinggi .......................................................................... 11
C. Baja AISI 1045 ...................................................................................... 10
D. Perlakuan Panas ................................................................................... 11
1. Proses Perlakuan Panas .................................................................... 11
a. Diagram fasa equilibrium baja karbon ....................................... 12
b. Laju pemanasan ......................................................................... 13
c. Penahanan waktu ....................................................................... 14
d. Media pendingin ........................................................................ 14
2. Annealing ......................................................................................... 14
a. Stress relief annealing ................................................................ 14
b. Sporodising annealing ................................................................ 14
c. Full annealing ............................................................................. 15
3. Normalising ...................................................................................... 16
4. Quenching ........................................................................................ 17

xiii

5. Tempering ........................................................................................ 17
E. Penerapan Pengujian Bahan ............................................................... 17
1. Pengujian Tarik ................................................................................ 17
2. Uji Fatik ........................................................................................... 19
a. Awal retak .................................................................................. 21
b. Perambatan retak ........................................................................ 22
c. Perpatahan .................................................................................. 22
d. Skematik permukaan patah fatik ................................................ 23
e. Faktor - faktor yang mempengaruhi kekuatan fatik ................... 23
3. Alat Uji Fatik .................................................................................... 25
a. Axial ........................................................................................... 25
b. Cantilever beam ......................................................................... 26
c. Torsional fatigue testing machine .............................................. 26
d. Special purpose fatigue testing machine .................................... 27
e. Multi axial fatigue testing machine ............................................ 27
III. METODOLOGI PENELITIAN
A. Tempat dan Waktu ............................................................................. 28
B. Alat dan Bahan .................................................................................... 28
1. Spesimen Uji ................................................................................... 28
a. Spesimen uji tarik ..................................................................... 28
b. Spesimen uji fatik ..................................................................... 29
2. Furnace ............................................................................................ 29

xiv

3. Roughness Tester ............................................................................ 30
4. Mesin Uji Tarik ............................................................................... 30
5. Mesin Uji Fatik Tipe Rotary Bending dan Kelengkapannya .......... 31
C. Prosedur Pengujian ............................................................................. 32
D. Data Hasil Yang Hendak Diperoleh Dari Hasil Pengujian ............. 35
E. Diagram Alir Penelitian ...................................................................... 38
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Pembentukan Speimen Uji ................................................................. 39
B. Pengujian Kekasaran Permukaan ..................................................... 40
C. Proses Perlakuan Panas ...................................................................... 41
D. Pengujian Kekuatan Tarik ................................................................. 43
E. Penentuan Nilai Pembebanan ............................................................ 47
F. Pengujian Kekuatan Fatik ................................................................. 49
G. Pembahasan ......................................................................................... 50
H. Analisis Pola Perpatahan .................................................................... 55
1. Pembebanan 60 % ........................................................................... 55
2. Pembebanan 50 % ........................................................................... 56
3. Pembebanan 40 % ........................................................................... 57
4. Pembebanan 30 % ........................................................................... 58
5. Pembebanan 20 % ........................................................................... 59
I. Metalografi .......................................................................................... 60
V. SIMPULAN DAN SARAN

xv

A. Simpulan .............................................................................................. 64
B. Saran .................................................................................................... 65
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN

xvi

DAFTAR TABEL

Tabel

Halaman

1. Hasil Uji Kekasaran Spesimen................................................................ 40
2. Hasil uji tarik Baja AISI 1045 dengan perlakuan panas full annealing .. 43
3. Nilai Pembebanan yang diberikan pada pengujian fatik ........................ 48
4. Hasil Pengujian Fatik Baja AISI 1045 Full Annealing .......................... 49
5. Perbandingan nilai ketahanan fatik baja AISI 1045 tanpa perlakuan
panas terhadap baja AISI 1045 dengan perlakuan panas full annealing 63

xvii

DAFTAR GAMBAR

Gambar

Halaman

1. Diagram fasa equilibrium baja karbon .................................................... 1
2. Grafik temperatur annealing baja karbon .................................................... 16
3. Kurva tegangan – regangan rekayasa .......................................................... 19
4. Diagram S-N .............................................................................................. 20
5. Skematik permukaan patah fatik rotational bending dan torsi ...................... 23
6. RR. Moore-Type Machines..................................................................... 26
7. Torsional Fatik Testing Machines .......................................................... 27
8. Dimensi benda uji tarik .................................................................................... 28
9. Dimensi benda uji fatikstandar ASTM E 466 .................................................... 29
10. Furnace .............................................................................................................. 29
11. Roughness tester ............................................................................................... 30
12. Mesin uji tarik tarno grocki ............................................................................... 30
13. Mesin uji fatik ................................................................................................... 31
14. Diagram alir penelitian ...................................................................................... 38
15. Proses pembentukan spesimen uji .......................................................... 39
16. Spesimen uji ........................................................................................... 40
17. Proses uji kekasaran ................................................................................ 41

xviii

18. Proses perlakuan panas ........................................................................... 42
19. Spesimen uji setelah dilakukan perlakuan panas full annealing ............. 42
20. Mesin uji tarik tipe tarno grocki .............................................................. 43
21. Grafik hasil uji tarik baja AISI 1045 Pengujian Anil 1 .......................... 44
22. Grafik hasil uji tarik baja AISI 1045 Pengujian Anil 2 .......................... 44
23. Grafik hasil uji tarik baja AISI 1045 Pengujian Anil 3 .......................... 45
24. Permukaan patahan spesimen Anil 1 ...................................................... 46
25. Permukaan patahan spesimen Anil 2 ...................................................... 46
26. Spesimen setelah uji Tarik ...................................................................... 47
27. Diagram hasil pengujian fatik baja aisi 1045 annealing ........................ 50
28. Foto spesimen uji setelah pengujian fatik ............................................... 54
29. Foto penampang patahan spesimen pada pembebanan 60% .................. 55
30. Foto penampang patahan spesimen pada pembebanan 50% .................. 57
31. Foto penampang patahan spesimen pada pembebanan 40% ................. 57
32. Foto penampang patahan spesimen pada pembebanan 30% .................. 58
33. Foto penampang patahan spesimen pada pembebanan 20% .................. 59
34. Struktur mikro spesimen uji sebelum mengalami perlakuan panas full
annealing................................................................................................. 61
35. Struktur mikro spesimen uji setelah mengalami perlakuan panas full
annealing................................................................................................. 61
36. Perbandingan nilai ketahanan fatik baja AISI 1045 tanpa perlakuan panas
terhadap baja AISI 1045 dengan perlakuan panas full annealing........... 64

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Baja Karbon
Menurut unsur paduannya, baja karbon adalah logam yang terbentuk dari
beberapa unsur, dengan unsur utama yaitu Besi / Ferous( Fe) dan unsur
karbon (C), serta beberapa unsur pemadu lainnya seperti mangan, phosphor
dan sulfur yang masing – masing unsur memiliki pengaruh tersendiri terhadap
sifat mekanik dari baja karbon tersebut. Berikut merupakan sedikit penjelasan
mengenai pengaruh unsur paduan pada baja karbon:

1. Carbon (C)
Carbon memiliki sifat keras namun getas. Pengaruhnya ketika dipadukan
pada logam (besi), akan meningkatkan kekuatan mekanik material berupa
ketahanan deformasi yang tinggi serta kekerasan permukaan dengan
memperhatikan komposisi campuran yang tepat.

2. Mangan (Mn)
Mangan dipadukan dalam baja karbon dengan tujuan untuk meningkatkan
kekuatan luluh dengan kandungan tidak lebih dari 0,5 % untuk dapat

9

mencegah terjadinya kegetasan pada suhutinggi(hot shortness) dan untuk
mempermudah proses rolling saat pembentukan raw material.

3. Phosphor (P) dan Sulfur (S)
Kedua unsur ini sedapat mungkin diminimalisir dalam paduan baja karbon,
karena pada dasarnya sulit untuk mendapatkan paduan baja karbon tanpa
phosphor dan sulfur. Phosphor menimbulkan sifat getas pada suhu rendah,
menurunkan kekuatan baja dalam menahanbeban benturan pada suhu
rendah. Sedangkan Sulfur menyebabkan baja menjadi getas pada suhu
tinggi. Karena hal itu, batas maksimal kandungan keduanya tidak boleh
melebihi 0,05 %. (Timings,1998)

B. Pengelompokan Jenis Baja Karbon

1. Baja karbon rendah ( low carbon steel )
Baja karbon rendah merupakan baja dengan kandungan karbon kurang dari
0,3 %, memiliki keuletan yang baik dan biasa digunakan untuk bahan
manufaktur karena baja karbon rendah memiliki sifat mampu tempa yang
baik, mampu mesin tinggi, mampu bentuk tinggi, kekuatan tarik dan batas
regang rendah namun sulit untuk mencapai nilai kekerasan meskipun
dilakukan perlakuan panas.

10

2. Baja karbon sedang ( medium carbon steel )
Baja karbon jenis ini mengandung unsur karbon antara 0,30 sampai
dengan 0,60 %. Karena memiliki kekuatan yang baik secara nilai keuletan
maupun kekerasannya, baja karbon sedangumum digunakan sebagai bahan
bakualat-alat perkakas,bahan baku komponen mesin seperti baut, poros
putaran tinggi, roda gigi, batang penghubung piston, pegas dan lainnya.

3. Baja karbon tinggi( high carbon steel )
Baja karbon tinggi adalah baja karbon yang mengandung karbon antara
0,70 s/d 1,5 %. Baja karbon inidigunakan untuk keperluan yang
memerlukan ketahanan terhadap defleksi, beban gesek dan temperatur
tinggi seperti bearing, mata bor, palu, mata pahat, gergaji, blok silinder,
cincin torak dansebagainya. (Van,2005)

C. Baja AISI 1045

Baja AISI 1045 termasuk dalam jenis baja karbon sedang. Hal ini dapat
diketahui dari kandungan unsur karbon yang ditunjukkan pada kode
penamaannya berdasarkan AISI yang merupakan badan standarisasi baja
American Iron and Steel Institude dengan kode 1045 dimana angka 10xx
menyatakan karbon steel sedangkan angka 45 menyatakan kadar karbon
dengan persentase 0,45 %.

11

Baja AISI 1045 umumnya memiliki nilai kekuatan tarik antara 570 hingga
700 MPa, dan nilai kekerasan antara 170 hingga 210 brinell. Baja AISI 1045
memiliki karakter dengan kemampuan las yang baik, mampu mesin yang
baik, serta memiliki kamampuan menyerap beban impak yang cukup baik.
Baja AISI 1045 memiliki cakupan aplikasi yang cukup luas diantaranya
digunakan sebagai roda gigi, pin ram, batang ulir kemudi, baut pengikat
kompoinen dalam mesin, poros engkol, batang penghubung, bearing, dan
lainnya. (azom,2012)

D. Perlakuan Panas (Heat Treatment).

1. Proses perlakuan panas
Perlakuan panas (heat treatment) adalah suatu proses mengubah sifat
logam dengan jalan mengubah struktur mikro melalui proses pemanasan,
penahanan waktu dan pengaturan kecepatan pendinginan tanpa merubah
komposisi kimia didalamnya. Tujuan dilakukannya proses perlakuan panas
yaitu untuk merekayasa atau mendapatkan kekerasan baja sesuai dengan
rencana yang diinginkan. Ragam perlakuan panas pada logam adalah:
-

Annealing

-

Normalizing

-

Hardening

-

Tempering

Adapun prinsip-prinsip dasar proses perlakuan panas yaitu:

12

a. Diagram fasa equilibrium baja karbon

Gambar 1. Diagram fasa equilibrium baja karbon (Timings, 1998)

Penjelasan diagram:
-

Pada kandungan karbon mencapai 6.67% terbentuk struktur mikro
dinamakan Sementit Fe3C (dapat dilihat pada garis vertikal paling
kanan).

-

Sifat – sifat cementitte: sangat keras dan sangat getas

-

Pada sisi kiri diagram dimana pada kandungan karbon yang sangat
rendah, pada suhu kamar terbentuk struktur mikro ferit.

-

Pada baja dengan kadar karbon 0.83%, struktur mikro yang terbentuk
adalah Perlit, kondisi suhu dan kadar karbon ini dinamakan titik
Eutectoid.

13

-

Pada baja dengan kandungan karbon rendah sampai dengan titik
eutectoid, struktur mikro yang terbentuk adalah campuran antara ferit
dan perlit.

-

Pada baja dengan kandungan titik eutectoid sampai dengan6.67%,
struktur mikro yang terbentuk adalah campuran antara perlit dan
sementit.

-

Pada saat pendinginan dari suhu leleh baja dengan kadar karbon
rendah, akan terbentuk struktur mikro Ferit Delta lalu menjadi struktur
mikro Austenit.

-

Pada baja dengan kadar karbon yang lebih tinggi, suhu leleh turun
dengan naiknya kadar karbon, peralihan bentuk langsung dari leleh
menjadi Austenit.

b. Laju pemanasan
Material dipanaskan sampai temperatur tetentu dimana pemanasan yang
dilakukan tidak merubah bentuk komponen (tetap dalam keadaan solid,
temperatur pemanasan tidak sampai fasa (delta), karena fasa terbatas,
pemanasan tidak sampai pada fasa γ yang bertemperatur tinggi, karena
butir akan menjadi kasar.

14

c. Penahanan waktu (holding time)
Setelah material mencapai temperatur yang diinginkan kemudian
dilakukan penahanan waktu untuk mendapatkan struktur yang
dinginkan.

d. Media pendingin
Dimana media pendingin yang digunakan yaitu oli, air, tungku dan
udara terbuka. Untuk baja karbon, medium pendinginyang digunakan
adalah air, sedangkan untuk baja paduan medium yang disarankan
adalah oli, cairan polimer atau garam.

2. Annealing
a. Stress-relief annealing
Stress-relief annealing (annealing untuk menghilangkan
dalam).Tujuannya adalah untuk

tegangan

menghilangkan tegangan sisa

(tegangan dalam) dalam baja tuang yang tebal, juga pada logam yang
sudah mengalami pengelasan. Prosesnya benda kerja dipanaskan
sampai suhu dibawah 550 – 650o C dipertahankan beberapa saat
kemudian didinginkan perlahan - lahan, dan hasilnya dapat
memperbaiki sifat mampu mesin.

b. Sporoidising annealing
Tujuannya membentuk / menghaluskan struktur

sementit dengan

menghancurkan bentuk spheroids (bulatan kecil) dalam kandungan
ferit. Prosesnya yaitu dengan memperpanjang waktu pemanasan pada

15

suhu mendekati austenite, diikuti dengan pendinginan yang lambat,
memperpanjang periode disekitar suhu tersebut. Untuk baja perkakas
dan baja paduan tinggi, pemanasan antara 750 – 800o C

atau lebih

tinggi dan dipertahankan pada suhu tersebut untuk beberapa jam,
diikuti oleh pendinginan yang perlahan-lahan. Hasilnya sifat mampu
mesin meningkat seiring sifat bahan yang menjadi lebih lunak.

c. Full annealing
Tujuannya untuk mengubah bentuk lapisan sementit didalam pearlit
dan sementit pada batas-batas butir dari baja karbon tinggi menjadi
bentuk

spheroidical

(bentuk

bola).

Prosesnya

untuk

Baja

hypoeutctoid baja dipanaskan 30 - 60o C ( 50-100o F) diatas suhu
austenit kemudian ditahan beberapa saat, baru didinginkan didalam
dapur dengan kecepatan pendinginan

10 - 30o C/jam sampai suhu

30o C, kemudian didinginkan diudara. Untuk baja hypereutectoid pada
dasarnya sama dengan baja hypoeutectoid, kecuali pada permulaan
pemanasan hanya sampai daerah austenit + sementit, yaitu pada suhu
sekitar 30 - 60o C diatas austenit.

16

Gambar 2.Grafik temperatur annealing baja karbon (Timings, 1998)

3. Normalising
Tujuannya menjadikan bahan seperti awal produksi rawnya dengan
menghilangkan tegangan dalam yang timbul akibat pembentukan atau
permesinan dengan menyeragamkan butir dan sekaligus menghaluskan
butir. Penggunaannya ditujukan untuk baja-baja konstruksi, baja roll,
material yang mengalami penempaan, tidak mempunyai struktur yang
sama karena jumlah beban tidak sebanding dengan area perubahan bentuk
pada tahap - tahap pendinginan yang tidak merata untuk benda yang
ketebalannya tidak sama. Prosesnya yaitu dengan memanaskan sampai
sedikit diatas suhu kritis (sekitar 60 o C diatas suhu kritis atas), kemudian
setelah suhu merata didinginkan diudara. Hasilnya diperoleh benda
kerja yang mempunyai sifat mampu mesin dan mampu bentuk yang baik.

17

4. Quenching
Tujuannya merubah mikro struktur baja sedemikian rupa sehingga
diperoleh mikro struktur martensit yang keras. Penggunaannya untuk
semua macam alat perkakas dan beberapa bagian mesin yang penting
khususnya untuk yang mendapatkan beban berat (seperti roda gigi, cam
shaft, pegas). Prosesnya baja dipanaskan sampai suhu kritis, kemudian
ditahan pada suhu tersebut beberapa saat (sesuai dengan dimensi dan
bentuknya) dilanjutkan dengan pendinginan dengan cepat.

5. Tempering
Tempering adalah pemanasan kembali baja yang telah dikeraskan untuk
menghilangkan tegangan dalam dan mengurangi kekerasan. Prosesnya
dengan memanaskan kembali benda kerja berkisar pada setengah dari suhu
hardening dan didinginkan dalam ruang terbuka. (Timings,1998)

E. Penerapan Pengujian Bahan
1.

Pengujian tarik
Pengujian tarik adalah pengujian yang dilakukan untuk mengetahui sifatsifat mekanis suatu logam dan paduannya. Pengujian ini paling sering
dilakukan karena merupakan dasar pengujian-pengujian dan studi
mengenai kekuatan bahan. Pada pengujian tarik beban diberikan secara
kontinyu dan perlahan bertambah besar, bersamaan dengan itu dilakukan
pengamatan mengenai perpanjangan yang dialami benda uji. Kemudian
dapat dihasilkan tegangan dan regangan.

18

σu=

Pu
——
A0

…………………… (1)

Dimana :
σu = Tegangan tarik maksimal (MPa)
Pu = Beban tarik (kN)
A0 = Luasan awal penampang (mm²)
Regangan yang dipergunakan pada kurva diperoleh dengan
cara membagi perpanjangan panjang ukur dengan panjang awal,
persamaanya yaitu:

=

Lf − L0
———— ×100 ………… (2)
L0

Dimana:
= Regangan (%)
L0 = Panjang awal (mm)
L1 = Panjang akhir (mm)

Pembebanan tarik dilaksanakan dengan mesin pengujian tarik yang selama
pengujian akan mencatat setiap kondisi bahan sampai terjadinya tegangan
ultimate, juga sekaligus akan menggambarkan diagram tarik benda uji,
adapun panjang L1 akan diketahui setelah benda uji patah dengan
mengunakan pengukuran secara normal tegangan ultimate adalah tegangan
tertinggi yang bekerja pada luas penampang semula. Diagram yang
diperoleh dariuji tarik pada umumnya digambarkan sebagai diagram
tegangan-regangan.

19

2)
Gambar 3. Kurva tegangan – regangan rekayasa. (Dieter,1992)
Dari gambar diatas, ditunjukkan bahwa bentuk dan besaran pada kurva
tegangan-regangan suatu logam tergantung pada komposisi, perlakuan
panas, deformasi plastis yang pernah dialami, laju regangan, suhu dan
keadaan tegangan yang menentukan selama pengujian. Parameter –
parameter yang digunakan untuk mengambarkan kurva tegangan regangan
logam yaitu:a. Kekuatan tarik
b. Kekuatan Luluh
c. Perpanjangan. (Dieter, 1986).

2. Uji fatik
Tahun 1870, Seorang insinyur jerman bernama August Wohler
mempublikasikan penemuan hasil penelitiannya selama lebih dari 12
tahun tentang kegagalan lelah. Penelitian Wohler berupa investigasi
kegagalan poros yang menerima beban fully reserved. Hasil penemuannya

20

berisi identifikasi jumlah siklus waktu terhadap variasi tegangan dan
menemukan adanya endurance limits (level tegangan yang masih dapat
ditoleransi per satu juta siklus fully reversed stress) pada baja. Hal
tersebut dapat diamati pada diagram Wohler yang lebih dikenal sebagai
diagram S-N pada gambar dibawah:

Gambar 4. Diagram S-N. (Schutz, 1996)

Fatik atau kelelahan merupakan fenomena terjadinya kerusakan material
karena pembebanan yang berulang-ulang, diketahui bahwa apabila pada
suatu logam dikenai tegangan berulang maka logam tersebut akan patah
pada tegangan yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan tegangan yang
dibutuhkan untuk menimbulkan perpatahan pada beban statik. Kerusakan
akibat beban berulang ini disebut patah lelah (fatigue failures) karena
umumnya perpatahan tersebut terjadi setelah periode pemakaian yang
cukup lama. Mekanisme terjadinya kegagalan fatik dapat dibagi menjadi
tiga fase yaitu : awal retak (initiation crack), perambatan retak (crack
propagation), dan perpatahan akhir (fracture failure). (Timings,1998)

21

a. Awal retak (initiation crack)
Cacat (defect) pada struktur dapat bertindak sebagai awal keretakan.
Cacat padastruktur berdasarkan asal terbentuknya dapat dikategorikan
menjadi dua kelompok.
1. Cacat yang terbentuk selama masa fabrikasi, disebabkan oleh :
- Cacat lateral yang terjadi pada material (material defect).
- Cacat yang disebabkan karena proses pengerjaan material
(manufacturing defect). Contohnya seperti tumpulnya peralatanperalatan atau jeleknya peralatan yang digunakan untuk
pengerjaan material, panas yang berlebihan yang disebabkan
karena pengelasan dan sebagainya.
- Pemilihan material yang salah atau proses perlakuan panas
material(poor choise of material or heat treatment). Contoh
pemilihan material yang salah seperti, material yang seharusnya
digunakan untuk fatigue tetapi cenderung digunakan untuk
corrosion crackingoleh karena pemilihan perlakuan panas yang
tidak diketahui.Perlakuan panas seperti carburizing pengerasan
permukaan

hampir

selalu

menyebabkan

perubahan

pada

permukaan.
- Teknik produksi dari material yang salah (poor choise of
production technique).
- Desain material yang salah (poor detail design).

22

2. Cacat yang terbentuk selama service struktur, diantaranya :
-

Kelelahan struktur, terjadi saat struktur mencapai umur
kelelahannya.

-

Fluktuasi tegangan pada permukaan yang telah mengalami korosi

b. Perambatan retak (crack propagation )
Jumlah total siklus yang menyebabkan kegagalan fracture merupakan
penjumlahan jumlah siklus yang menyebabkan retakan awal dan fase
perambatannya. Initiation Crack ini berkembang menjadi microcracks.
Perambatan atau perpaduan microcracks ini kemudian membentuk
macrocracks yang akan berujung pada failure. Pada permukaan patahan
material yang mengalami pembebanan rotational bending, perambatan
retak ditandai dengan beach mark yang memisahkan antara daerah awal
retak dengan daerah patahan akhir

c. Perpatahan akhir (final fracture)
Final fracture adalah proses akhir kerusakan pada struktur saat
mengalami pembebanan, sehingga struktur tersebut

mengalami

kegagalan. Ketika terjadi penjalaran retak, penampang pada bagian
tersebut akan berkurang. Sampai pada kondisi dimana penampang pada
bagian tersebut tidak mampu menahan beban. Pada tahap ini penjalaran
retak yang terjadi sangat cepat sehingga struktur akan pecah menjadi
dua. Penjalaran yang cepat tersebut sering disebut fast fracture. (Dieter,
1986).

23

d. Skematik permukaan patah fatik
Jenis perpatahan yang terjadi pada material umumnya dapat dilihat dari
pola atau skema perpatahan pada permukaan material yang mengalami
perpatahan dengan pengamatan secara makro. Pada dasarnya ada 3 jenis
patahan yang didasarkan pada sifat material yaitu perpatahan ulet,
perpatahan getas serta gabungan perpatahan ulet dan getas

Gambar 5. Skematik permukaan patah fatik rotational bending dan torsi

e. Faktor faktor yang mempengaruhi kekuatan fatik
1. Faktor kelembaban lingkungan
Faktor kelembaban lingkungan sedikit mempengaruhi kekuatan
lelah, pada lingkungan kelembaban tinggi membentuk pit korosi
dan retak pada permukaan spesimen yang menyebabkan kegagalan
lebih cepat terjadi.
2. Tipe pembebanan
Tipe pembebanan ini sangat mempengaruhi kekuatan lelah
sebagaimana yang diteliti oleh (Ogawa, 1989) bahwa baja S45S
yang diberikan tipe pembebanan lentur putar dan pembebanan
aksial mempunyai kekuatan lelah yang sangat berbeda, baja S45S

24

dengan pembebanan aksial mempunyai kekuatan lelah lebih rendah
dari baja yang menerima pembebanan lentur putar.
3. Faktor putaran
Sebagaimana yang telah diteliti oleh (Iwamoto, 1989) bahwa nilai
kekuatan fatik sebuah benda yang diuji pada putaran 750 rpm
hingga 1500 rpm mempunyai kekuatan lelah yang hampir sama
tetapi apabila diuji pada putaran 50 rpm, terjadi penurunan
kekuatan lelah dibandingkn dari hasil pengujian pada 750 rpm
hingga 1500 rpm.
4 Faktor suhu
Faktor suhu sangat mempengaruhi kekuatan lelah karena suhu
menaikan konduktifitas elektrolit lingkungan sehingga dapat
mempercepat proses oksidasi. Untuk mengkondisikan pengujian
standar terhadap suhu, pengujian dilakukan pada temperatur kamar.
Pada pengujian di suhu 40o C retakan pada spesimen memanjang
dari pada pengujian di suhu 20oC dengan retakan yang halus,
karena suhu yang tinggi menyebabkan molekul air yang terbentuk
mengecil di permukaan baja sehingga mempercepat terjadinya
reaksi oksidasi dan membuat jumlah pit korosi jauh lebih banyak,
akibatnya pit korosi cepat bergabung membentuk retakan yang
memanjang. Mengemukakan secara umum kekuatan lelah baja
akan turun dengan bertambahnya suhu di atas suhu kamar kecuali
baja lunak dan kekuatan lelah akan bertambah besar apabila suhu
turun. (Hasan, 2006)

25

5 Faktor tegangan sisa
Faktor tegangan sisa yang mungkin timbul pada saat pembuatan
spesimen direduksi dengan cara melakukan pemakanan pahat
sehalus mungkin terhadap spesimen sehingga pemakanan pahat
tidak menimbulkan tegangan sisa maupun tegangan lentur pada
spesimen.
6 Faktor komposisi kimia
Pengaruh faktor komposisi kimia terhadap kekuatan lelah
diharapkan sama untuk seluruh spesimen uji dengan pemilihan
bahan yang diproduksi dalam satu kali proses pembuatan, sehingga
didapat kondisi pengujian yang standar untuk seluruh spesimen uji.
(Dieter, 1986)

3. Alat Uji Fatik

Alat uji fatik di klasifikasian menjadi beberapa jenis seperti yang di
jelaskan berikut.
a. Axial (Direct-Stress)
Mesin uji fatik ini memberikan tegangan ataupun regangan yang
seragam kepenampangnya. Untuk penampang yang sama mesin penguji
ini harus dapat memberikan beban yang lebih besar dibandingkan mesin
lentur statik dengan maksuduntuk mendapatkan tegangan yang sama.

26

b. Cantilever Beam Machines
Cantilever Beam Machines, dimana spesimen memiliki bagian yang
mengecil

baik

pada

lebar,

tebal

maupun

diameternya,

yang

mengakibatkan bagian daerah yang diuji memiliki tegangan seragam
hanya dengan pembebanan yang rendah dibandingkan lenturan fatik
yang seragam dengan ukuran bagian yang sama.

Gambar 6. RR. Moore-Type Machines dapat beroperasi sampai10.000rpm
(Sastrawan, 2010)
c. Torsional Fatique Testing Machines
Sama dengan mesin tipe Axial hanya saja menggunakan penjepit yang
sesuai jikapuntiran maksimal. yang dibutuhkan itu kecil.Gambar
dibawah ini adalah “εesin Uji Fatik akibat Torsi” yang dirancang
khusus.

27

Gambar 7. Torsional Fatik Testing Machines (Sastrawan, 2010)

d. Special-Purpose Fatique Testing Machines
Dirancang

khusus

untuk

tujuan

tertentu.

Dan

merupakan

modifikasidarimesin penguji fatik yang sudah ada. Penguji kawat
adalah modifikasi dari“RotatingBeam Machines”.
e. Multiaxial Fatique Testing Machines
Dirancang untuk pembebanan atau lebih dengan maksud untuk
menetukan

sifat

logam

triaxial.(Muchsin, 2002)

dibawah

tegangan

biaxial

atau

DAFTAR PUSTAKA

DAFTAR PUSTAKA

Collins,J.A., 1993, Failure of Material in Mechanical Design, Analysis
Predection and Prevention, John Willey & Son, Inc US. New York. United
States of America.
Dieter, George E., 1992, Metalurgi Mekanik, Jilid 1, edisi ketiga, alih bahasa oleh
Sriati Djaprie, Erlangga, Jakarta.
Harsono, Charis Sonny. 2006.,Skripsi: Karakteristik Kekuatan Fatik Pada
Paduan Aluminium Tuang. Semarang. Universitas Negeri Semarang.
Hasan, Indra. 2006. Tesis: Kekuatan Lelah Baja HQ 705 dan Baja Thyrodur 1730
di Lingkungan Kelembaban Tinggi. Medan. Universitas Sumatera Utara.
Hosford, William F., 2010, Mechanical Behaviour of Material, Second Editions,
New York. United States of America. Cambridge University.
Iwamoto, K. 1989., On the S-N Curve of Carbon Steel Under Rotary Bending
Condition in City Water. Transaction of the Japan Society of Mechanical
Engineers, Japan
Muchsin, Ismail. 2002., Elektronika dan Motor Listrik. Jakarta. Universitas Mercu
Buana
Sastrawan, Iwayan Gede Budi. 2010., Skripsi: Analisis Kekuatan Fatik Baja
Karbon Sedang AISI 1045 Dengan Type Rotary Bending. Bandar
Lampung. Universitas Lampung.
Satoto, Ibnu. 2002. Kekuatan Tarik, Struktur Mikro, dan Struktur Makro Lasan
Stainless Steel Dengan Las Gesek (friction welding). Yogyakarta.
Universitas Muhammadiyah.

Sugiarto, Teguh. 2012., Skripsi: Analisis Uji Ketahanan Lelah Baja Karbon
Sedang Aisi 1045 Dengan Heat Treatment (Quenching) Dengan
Menggunakan Alat Rotary Bending. Bandar Lampung. Universitas
Lampung.
Vlack, Van. 1992. Ilmu dan Teknologi Bahan, alih bahasa oleh Sriati Djaprie,
Erlangga, Jakarta,
W. Schutz (1996). A history of fatigue. Engineering Fracture Mechanics .
Pergamon. England
Zulhanif. 2002., Teses: Pengaruh Implantasi Ion Cromium Terhadap Ketahanan
Fatique Baja Karbon Rendah. Yogyakarta. Universitas Gajah Mada.