Simulasi Proses Deep Drawing Pelat Jenis Stainless Steel 304 Dengan Menggunakan Software Abaqus 6.9-3
SIMULASI PROSES DEEP DRAWING CUP (BASKOM) PELAT JENIS STAINLESS STEEL 304
DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE ABAQUS 6.9-3
SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
SUDI WINARSO NIM. 080421016
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2012
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Alloh SWT atas hidayah-Nya memberikan pengetahuan, pengalaman, kesehatan dan kesempatan kepada penulis, sehingga mampu menyelesaikan tugas akhir ini. Tugas skripsi ini adalah salah satu syarat yang harus dipenuhi untuk menyelesaikan program studi Strata-1 di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun tugas skripsi ini diambil dari mata kuliah Metallurgi Fisik. Adapun judul tugas akhir ini adalah “SIMULASI PROSES DEEP DRAWING PELAT JENIS STAINLESS STEEL 304 DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE ABAQUS 6.9-3”.
Selama penulisan tugas skripsi ini, penulis banyak mendapat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis menyampaikan banyak terima kasih kepada : 1. Kedua orang tua saya (Suryadi dan Suriyah) yang selalu memberikan
dorongan, nasehat, kasih sayang, do’a, dukungan material dan spiritual serta kakak (Fifi Sumanti, Amd) dan adik (Suhendra dan Ecy Sanniyyah) yang banyak membantu penulis. 2. Bapak Ir. Tugiman K,MT, selaku dosen pembimbing penulis yang dengan sabar telah meluangkan waktu, pemikiran dan tenaga untuk membimbing serta memberikan arahan hingga selesainya Tugas Akhir ini. 3. Bapak DR.Ing,Ir.Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara dan sebagai penguji II yang telah banyak membimbing penulis selama perkuliahan. 4. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc, selaku dosen penguji I yang telah banyak membimbing penulis selama perkuliahan. 5. Bapak Syawal, Ibu Ismawaty dan seluruh Staff Pegawai serta Staff Pengajar di Departemen Teknik Mesin USU yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan administrasi dan membimbing penulis selama perkuliahan.
6. Teman-teman saya Ekstensi Teknik Mesin ’08 terutama Eko, Olim, Ariman dan teman-teman yang lain yang tidak dapat disebutkan disini satu-persatu yang telah banyak membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
7. Kepada kekasih tercinta (Elvira Ratna Putri, SKep) yang selalu mendoakan dan memberi dukungan, semangat dan motivasi kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
8. Kepada Papa Suzarzuri, Mama Nurmala dan adik Ragil yang selalu mendoakan dan memberi dukungan, semangat dan motivasi kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
9. Kepada Sahabat saya Muhammad Arif, ST, yang selalu memberikan dukungan, semangat dan motivasi kepada penulis.
10. Seluruh Sanak Saudara dan semua pihak yang telah mendukung dan memberi motivasi bagi penulis selama menyelesaikan pendidikan.
Penulis menyadari Tugas sarjana ini tidak luput dari kekurangan, untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun untuk penyempurnaan Tugas Akhir ini.
Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih.
Medan, September 2012 Penulis,
Sudi Winarso NIM. 080421016
Abstract
Dalam proses pembuatannya tidak terlepas dari cacat yang merupakan kerugian seperti kerutan (wringkling), penipisan (ironing), dan pecah (fracture). Diantara faktor yang mempengaruhi terjadinya cacat adalah dari faktor materialnya yaitu sifat mekanik (plastisitas). Simulasi ini bertujuan untuk mengetahui sifat plastisitas material. Simulasi ini dilakukan dengan menggunakan software Abaqus 6.9-3. Jenis material yang digunakan yaitu Stainless Steel 304 dengan ketebalan 1mm, kemudian penentuan pembuatan dimensi punch, die, holder dan blank agar diperoleh hasil yang sebaik mungkin, serta mampu memahami hasil yang diperoleh apakah telah sesuai dengan yang disimulasikan, Nilai nominal hasil uji tarik kemudian dikonversi menjadi nilai tegangan dan regangan sebenarnya (true stress-strain) sebagai input bagi data simulasi. Tegangan maksimum yang terjadi pada material Stainless Steel 304 adalah sebesar 6,637E+08 Pa, gaya penekanan yang terjadi pada material tersebut adalah sebesar 409,56 MPa, Ultimate Tensile Strenght sebesar 550,25 MPa, Effective Stress sebesar 282,12 MPa, Maximum Shear Stress sebesar 141,06 MPa, Hydrostatic Stress sebesar 94,04 MPa, Deviatoric or Reduced Component of Stress sebesar 188,08 MPa dan Tension sebesar 284,79 MPa.
Kata kunci : Cup, Deep Drawing, ABAQUS, Stainless Steel
Abstract
In the manufacturing process can not be separated from a loss defects such as wrinkles (wringkling), depletion (ironing), and break (fracture). Among the factors that influence the occurrence of the defect is material factor is the mechanical properties (plasticity). This simulation aims to determine the nature of the material plasticity. The simulation is performed using the software Abaqus 6.9-3. Type of material used is Stainless Steel 304 with a thickness of 1mm, and then determining the dimensions manufacture punch, die, and blank holder in order to obtain the best possible outcome, and be able to understand whether the results obtained in accordance with the simulated value tensile test results are then converted be the value of the actual stress and strain (true stress-strain) as an input to the simulation data. The maximum voltage that occurs in the material Stainless Steel 304 is equal to 6.637 E +08 Pa, style suppression that occurs in the material is equal to 409.56 MPa, Ultimate Tensile Strength of 550.25 MPa, 282.12 MPa for Effective Stress, Maximum Shear stress at 141.06 MPa, Hydrostatic stress at 94.04 MPa, Deviatoric or Reduced Component of Stress and Tension at 188.08 MPa at 284.79 MPa.
Keywords: Cup, Deep Drawing, ABAQUS, Stainless Steel
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR
................................................................ i
ABSTRACT ........................................................................................ iii
DAFTAR ISI
............................................................................ v
DAFTAR TABEL ............................................................................ viii
DAFTAR GAMBAR ............................................................................ ix
DAFTAR SIMBOL ............................................................................ xv
BAB I PENDAHULUAN
....................................................
1.1. Latar Belakang
....................................................
1.2. Batasan Masalah ....................................................
1.3. Tujuan dan Manfaat ....................................................
1.3.1. Tujuan .................................................................
1.3.2. Manfaat ................................................................
1.4. Sistematika Penulisan
........................................
1 1 2 2 2 3 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ....................................................
2.1. Pengertian Deep Drawing ........................................
2.1.1. Proses Deep Drawing
............................
2.1.2. Komponen Utama Die Set ............................
2.1.3. Variabel Proses Deep Drawing ................
2.2. Pengenalan Bahan Baku ........................................
2.3. Material Properties ....................................................
2.4. Sheet Deformation Processes …………………………
2.4.1. Uniaxial Tension …………………………
2.4.2. Stress and Strain Ratios
…………………
2.4.3. Yielding in Plane Stress
…………………
2.4.4. The Flow Rule…………………………………
4 4 4 7 9 12 17 24 24 26 27 32
2.4.5. Work of Plastic Deformation ………………… 34
2.4.6. Work Hardening Hypothesis ………………… 35
2.4.7. Effective Stress and Strain Functions …………… 36
2.5. Deformation of Sheet in Plane Stress …………………… 37
2.5.1. Uniform Sheet Deformation Processes………….. 37
2.5.2. Strain Diagram
…………………………… 38
2.5.3. Modes of Deformation
…………………… 40
2.5.4. Efektif Stress-Strain Laws …………………… 41
2.5.5. The Stress Diagram …………………………… 44
2.5.6. Principal Tension or Tractions
…………… 45
2.6. Cylindrical Deep Drawing …………………………... 47
BAB III METODOLOGI .................................................................... 55
3.1. Tahapan Penelitian ....................................................... 55
3.2. Abaqus
…………………………………………… 56
3.2.1. Preprocessing ( Abaqus/CAE ) ..................... 58
3.2.2. Simulasi ( Abaqus Standard dan Abaqus Explicit ). 60
3.2.3. Post Processing ( Abaqus/CAE ) ……………. 61
3.3. Pemodelan Dengan Abaqus/CAE ……………………. 61
BAB IV DATA DAN ANALISA ......................................................... 82
4.1. Analisis Uji Tarik Material ............................................. 82
4.2. Analisis Sifat Material
……………………………. 84
4.2.1. Analisis Sifat Plastisitas Material ……………. 84
4.2.2. Sheet Deformation Processes ……………………. 85
4.2.3. Check for Flow Rule ……………………………. 90
4.2.4. Tension
……………………………………. 90
4.2.5. Blank Holder Force ……………………………. 91
4.2.6. Max Punch Force ……………………………. 91
4.2.7. Persentase Hasil Simulasi dengan Hasil Teoritis … 91
4.2.8. Persentase Hasil Teoritis dengan Property Stainless
Steel 304 ……………………………………. 91
4.3. Analisa Hasil Simulasi Produk Deep Drawing ……. 91
4.3.1. Gambar produk hasil simulasi
……………. 91
4.3.2. Grafik Variables History Output hasil simulasi .. 95
4.3.3. Grafik Steps/Frames History Output hasil simulasi 102
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................. 104
5.1. Kesimpulan .................................................................. 104
5.2. Saran .............................................................................. 104
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
.................................................................. 105
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Jenis material dan kecepatan maksimal draw dies.
Halaman ........ 12
Tabel 2.2. Perbandingan Sifat Mekanik Berbagai Jenis Stainless Steel... 16
Tabel 3.1. Step Boundary Condition.
............................................ 73
Tabel 4.1. Property Material Stainless Steel 304. ................................. 82
Tabel 4.2. Presentase Hasil Teoritis dengan Property Stainless Steel 304.. 91
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Blank dan Draw Piece
............................................ 4
Gambar 2.2. Proses Drawing
......................................................... 5
Gambar 2.3. Beberapa Macam Bentuk Draw Piece ......................... 7
Gambar 2.4. Bagian Utama Die Drawing ............................................. 8
Gambar 2.5. Diagram Hubungan Berbagai Jenis Stainless Steel ......... 17
Gambar 2.6. Specimen Uji Tarik ......................................................... 17
Gambar 2.7. Diagram Load-Extension ............................................. 18
Gambar 2.8. (a) Kurva tegangan-regangan untuk test kualitas
pembentukan lembaran baja yang ditunjukkan pada
Gambar 2.7. (b) Bagian awal dari diagram di atas dengan
skala regangan diperbesar untuk menunjukkan perilaku
elastis. (c) Konstruksi yang digunakan untuk menentukan
tekanan material dengan bertahap elastis, transisi plastic.. 20
Gambar 2.9. Kurva True Stress-Strain ............................................. 21
Gambar 2.10. Diagram Logaritma True Stress-Strain ..................... 22
Gambar 2.11. Bagian dari suatu diagram Load-Extension yang
mempertunjukkan lompatan di dalam beban mengikuti
suatu peningkatan mendadak didalam tingkat kecepatan
perpanjangan ………......................................................... 24
Gambar 2.12. Mengukur elemen sepotong uji tarik menunjukkan arah
utama ................................................................................. 25
Gambar 2.13. Tegangan utama dan regangan untuk elemen deformasi
dalam (a) tegangan uniaksial dan (b) a general plane
stress sheet process ......................................................... 27
Gambar 2.14. Unsur utama dan tiga maximum shear planes dan stresses. 28
Gambar 2.15. Lingkaran Tegangan Mohr yang ditunjukkan tegangan
geser maksimum ......................................................... 28
Gambar 2.16. Sebuah unsur utama menunjukkan bagaimana keadaan
tegangan utama dapat terdiri dari komponen hidrostatik
dan deviatorik .....................................................................
Gambar 2.17. Hasil tempat kedudukan untuk plane stress untuk Tresca
yield condition
.........................................................
Gambar 2.18. Yield untuk plane stress untuk von Mises yield condition ..
Gambar 2.19. Diagram yang menunjukkan komponen kenaikan
regangan untuk tegangan yang berbeda di sekitar hasil
tempat von Mises .........................................................
Gambar 2.20. Diagram elemen utama bagian sisi, menunjukkan gaya
yang bekerja pada permukaan dan perpindahan selama
deformasi kecil
.........................................................
Gambar 2.21. Kurva tegangan-regangan untuk arah utama 1 dan 2 untuk
sebuah elemen deformasi dalam prosedur plane stress di
mana σ2 = ασ1
.........................................................
Gambar 2.22. (a) tidak mengubah bentuk dengan keadaan lingkaran dan
grid persegi ditandai di atasnya (b) keadaan perubahan
bentuk dengan perubahan bentuk kisi-kisi lingkaran ke
elips garis diameter besar d1 dan diameter kecil d2 dan
(c) kekuatan tarik, T, atau memindahkan kekuatan per
satuan luasnya
.........................................................
Gambar 2.23. (a) pembentukan suatu silindris cup. (b) Sektor suatu cup
yang mempertunjukkan penempatan pengukuran
regangan. (c) merencanakan regangan untuk dua langkah
didalam proses pembentukan
.................................
Gambar2.24. (a) Diagram regangan menunjukkan modus deformasi
yang berbeda sesuai dengan perbandingan regangan yang
berbeda. (b) Equibiaxial peregangan di tiang kubah
membentang. (c) Deformasi plane strain di dinding
samping dari bagian yang panjang. (d) uniaksial
perpanjangan tepi lubang diekstrusi. (e) Pembentukan
29 31 32 34 34 35
37
38
atau murni geser didalam flens dari pembentukan cup, menunjukkan suatu kisi-kisi lingkaran yang menambah di satu arah dan memusatkan didalam lainnya. (f). Tekanan uniaxial di tepi suatu pembentukan cup (g) Jalur regangan yang berbeda proporsional ditunjukkan pada Gambar 2.23 diplot dalam diagram regangan rekayasa .... 41 Gambar 2.25. Empirical effective stress-strain laws ke suatu kurva eksperimental ..................................................................... 42 Gambar 2.26. Proses ditunjukkan didalam ruang regangan, Gambar 2.23, yang digambarkan di sini didalam ruang tegangan (arah hasil ellips ditunjukkan sebagai suatu garis patah)…. 44 Gambar 2.27. Hubungan antara ketegangan utama untuk sebuah elemen deformasi dalam proses proporsional dengan tegangan efektif saat T= σ t ……………………………………. 46 Gambar 2.28. Principal tension versus the major strain untuk sebuah proses proporsional ……………………………………. 46 Gambar 2.29. (a) Pembentukan suatu cup silindris dari disk melingkar (b) Transmisi kekuatan peregangan dan pembentukan
oleh tegangan tarik didalam dinding cup ……………. 48 Gambar 2.30. Annular flange of a deep-drawn cup ……………………. 48 Gambar 2.31. Elemen dalam flange annular pada Gambar 2.30 ……. 48 Gambar 2.32. Keadaan tegangan dan regangan vektor untuk poin-poin
yang berbeda pada flens .............................................. 49 Gambar 2.33. Bagian dari suatu flens selama proses pembentukan untuk
kondisi bergesekan di mana tegangan didalam dinding sama dengan tegangan radial di radius bagian dalam σri .. 50 Gambar 2.34. Karakteristik pembentukkan tegangan dibandingkan perjalanan punch untuk bahan strain-hardening material .... 50 Gambar 2.35. Dorongan flens radius Die ............................................. 51 Gambar 2.36. Gesekan yang timbul dari kekuatan Blank Holder, diasumsikan untuk bertindak di tepi luar ..................... 51
Gambar 2.37. Memuat ketinggian beban untuk dinding cup untuk
ukuran hasil yang berbeda. (a) Kondisi Tresca. (b)
Kondisi Von Misses. (c) Suatu bukan isotropik hasil
tempat untuk suatu material dengan nilai R>1 ..............
Gambar 3.1. Diagram Alir Tahapan Penelitian ................................
Gambar 3.2. Diagram Alir Proses Running
................................
Gambar 3.3. Hubungan kerja Preprocessor, Solver dan Postprocessor .
Gambar 3.4. Abaqus/CAE. ....................................................................
Gambar 3.5. Sket Punch ....................................................................
Gambar 3.6. Sket Die ....................................................................
Gambar 3.7. Sket Blank Holder ........................................................
Gambar 3.8. Sket Blank ....................................................................
Gambar 3.9. Sifat density, elastic dan plastic material stainless steel
304 ...............................................................................
Gambar 3.10. Viewport Create Section …………………………….
Gambar 3.11. Hasil Section Assignments …………………………….
Gambar 3.12. Hasil Assembly Part Instance
…………………….
Gambar 3.13. Viewport Create Set Punch …………………………….
Gambar 3.14. Viewport Create Surface Punch …………………….
Gambar 3.15. Step Manager
…………………………………….
Gambar 3.16. Modul Interaction Punch-Blank …………………….
Gambar 3.17. Modul Interaction Property Punch-Blank …………….
Gambar 3.18. Constraint untuk Die …………………………………….
Gambar 3.19. Modul Amplitudes …………………………………….
Gambar 3.20. Modul Load …………………………………………….
Gambar 3.21. Modul Element Type …………………………………….
Gambar 3.22. Modul Seed dan Hasil Meshing Part Blank …………….
Gambar 3.23. Modul Seed dan Hasil Meshing Part Die …………….
Gambar 3.24. Modul Seed dan Hasil Meshing Part Holder …………….
Gambar 3.25. Modul Seed dan Hasil Meshing Part Punch …………….
Gambar 3.26. Monitor
………………………………………….....
53 55 57 58 62 63 64 64 65
66 66 67 67 68 69 69 70 70 71 72 72 74 74 75 75 75 76
Gambar 3.27. Visualisasi Punch, Blank Holder, Blank, dan Dies ……. 78
Gambar 3.28. Create History ………………………………………... 78
Gambar 3.29. Edit History Output Request ……………………………. 79
Gambar 3.30. Save Image Animation
……………………………. 79
Gambar 3.31. Massage Area
……………………………………. 81
Gambar 4.1. Kurva Engineering Stress-Engineering Strain Material
Stainless Steel 304 ……………………………………. 84
Gambar 4.2 ( a) uniaxial tension dan ( b) plane stress ……………. 87
Gambar 4.3. Suatu unsur utama tegangan geser maksimum dan tegangan 87
Gambar 4.4. Proses Simulasi Deep Drawing Step Punch dan Holder
Frame 8 ………………………………………………. 92
Gambar 4.5. Proses Simulasi Deep Drawing Step Punch dan Holder
Frame 12 ……………………………………………….. 92
Gambar 4.6. Proses Simulasi Deep Drawing Step Punch dan Holder
Frame 18 ……………………………………………….. 92
Gambar 4.7. Proses Simulasi Deep Drawing Step Punch dan Holder
Frame 20 ……………………………………………….. 93
Gambar 4.8. Proses Simulasi Deep Drawing Step Punch Bergerak
Frame 10 ……………………………………………….. 93
Gambar 4.9. Proses Simulasi Deep Drawing Step Punch Bergerak
Frame 20 .......................................................................... 93
Gambar 4.10. Pandangan Isometri .......................................................... 94
Gambar 4.11. Pandangan dari sumbu z .............................................. 94
Gambar 4.12. Pandangan dari sumbu x .............................................. 94
Gambar 4.13. Grafik Artificial Strain Energy: ALLAE for Whole Model ... 96
Gambar 4.14. External Work : ALLWK for Whole Model …………….. 97
Gambar 4.15. Frictional Dissipation:ALLFD for Whole Model …….. 97
Gambar 4.16. Internal Energy: ALLIE for Whole Model …………….. 98
Gambar 4.17. Kinetic Energy: ALLKE for Whole Model …………….. 99
Gambar 4.18. Plastic Dissipation: ALLPD for Whole Model
…….. 99
Gambar 4.19. Strain Energy: ALLSE for Whole Model …………….. 100
Gambar 4.20. Total Energy of the Output Set:ETOTAL for Whole Model.. 101 Gambar 4.21. Viscous Dissipation: ALLVD for Whole Model ………... 101 Gambar 4.22. Grafik History Output Punch dan Holder ……………… 102 Gambar 4.23. Grafik History Output Punch Bergerak ……………… 103
Simbol σeng eeng (σf)0 Pmax A0 E
ey Δl l
L0 Py σ P
A ε K σh α β r1 R0 t
σ
T μ B eel epl et εu emax n
ε τ ΔT T
Fd e σ'
Daftar Simbol
Keterangan Engineering Stress Engineering Strain Yield Stress Load Maximum Luas Permukaan Modulus Young’s Strain at Yield Extension Length Gauge Length Yielding Load True Stress Load Instant Area Nominal Strain Strength Coefficient Hidrostatic Stress Stress Ratio Strain Ratio Radius Dalam Radius Luar Thickness Effective Stress
Yield Tension
Friction Coefficient Blank Holder Force Elastic Strain Plastic Strain True Total Strain Maximum Uniform Strain Strain Maximum Strain Hardening Index Effective Strain
Shear Stress Temperatur Increase Tension Maximum Punch Force True Strain Deviatoric Stresses
Satuan MPa MPa MPa kN mm2 GPa
mm mm mm kN MPa kN mm mm Mpa Mpa
mm mm mm MPa
kN/m
kN mm mm mm mm mm
mm
Mpa 0C kN/m kN mm MPa
Abstract
Dalam proses pembuatannya tidak terlepas dari cacat yang merupakan kerugian seperti kerutan (wringkling), penipisan (ironing), dan pecah (fracture). Diantara faktor yang mempengaruhi terjadinya cacat adalah dari faktor materialnya yaitu sifat mekanik (plastisitas). Simulasi ini bertujuan untuk mengetahui sifat plastisitas material. Simulasi ini dilakukan dengan menggunakan software Abaqus 6.9-3. Jenis material yang digunakan yaitu Stainless Steel 304 dengan ketebalan 1mm, kemudian penentuan pembuatan dimensi punch, die, holder dan blank agar diperoleh hasil yang sebaik mungkin, serta mampu memahami hasil yang diperoleh apakah telah sesuai dengan yang disimulasikan, Nilai nominal hasil uji tarik kemudian dikonversi menjadi nilai tegangan dan regangan sebenarnya (true stress-strain) sebagai input bagi data simulasi. Tegangan maksimum yang terjadi pada material Stainless Steel 304 adalah sebesar 6,637E+08 Pa, gaya penekanan yang terjadi pada material tersebut adalah sebesar 409,56 MPa, Ultimate Tensile Strenght sebesar 550,25 MPa, Effective Stress sebesar 282,12 MPa, Maximum Shear Stress sebesar 141,06 MPa, Hydrostatic Stress sebesar 94,04 MPa, Deviatoric or Reduced Component of Stress sebesar 188,08 MPa dan Tension sebesar 284,79 MPa.
Kata kunci : Cup, Deep Drawing, ABAQUS, Stainless Steel
Abstract
In the manufacturing process can not be separated from a loss defects such as wrinkles (wringkling), depletion (ironing), and break (fracture). Among the factors that influence the occurrence of the defect is material factor is the mechanical properties (plasticity). This simulation aims to determine the nature of the material plasticity. The simulation is performed using the software Abaqus 6.9-3. Type of material used is Stainless Steel 304 with a thickness of 1mm, and then determining the dimensions manufacture punch, die, and blank holder in order to obtain the best possible outcome, and be able to understand whether the results obtained in accordance with the simulated value tensile test results are then converted be the value of the actual stress and strain (true stress-strain) as an input to the simulation data. The maximum voltage that occurs in the material Stainless Steel 304 is equal to 6.637 E +08 Pa, style suppression that occurs in the material is equal to 409.56 MPa, Ultimate Tensile Strength of 550.25 MPa, 282.12 MPa for Effective Stress, Maximum Shear stress at 141.06 MPa, Hydrostatic stress at 94.04 MPa, Deviatoric or Reduced Component of Stress and Tension at 188.08 MPa at 284.79 MPa.
Keywords: Cup, Deep Drawing, ABAQUS, Stainless Steel
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Sheet Metal Forming adalah sebuah proses yang bertujuan agar pelat atau
material mengalami deformasi plastis sehingga terbentuk komponen dari desain yang diinginkan. Komponen yang dihasilkan sheet metal forming dari bentuk yang sangat sederhana sampai bentuk-bentuk rumit dan kecil seperti yang diperlukan industri elektronik dan menghasilkan komponen besar seperti bodi mobil pada industri otomotif.
Pada proses metal forming dikenal istilah deep drawing. Pada proses deep drawing, gaya diberikan untuk menekan material benda kerja yang berupa lembaran logam yang disebut dengan Blank dan dijepit di antara Blank Holder dan Die. Sehingga terjadi peregangan mengikuti bentuk Die, bentuk akhir ditentukan oleh Punch sebagai penekan dan Die sebagai penahan benda kerja saat ditekan oleh Punch (Ahmad Hasnan.S,2006).
Banyak faktor yang akan mempengaruhi cacat produk dalam proses produksinya. Beberapa faktornya antara lain adalah faktor material yang digunakan sebagai bahan Cup (baskom) dan mesin press die. Dalam penelitian ini penulis menggunakan material stainless steel 304, karena stainless steel 304 tahan terhadap korosi, daya hantar panasnya cukup baik dan juga baik digunakan sebagai wadah makanan, jika menggunakan material steel biasa dan seng maka besar kemungkinan karat yang ada pada material tersebut akan menyatu dengan makanan sehingga tidak baik bila dikonsumsi.
Pada penelitian ini penulis akan menganalisis pengaruh sifat mekanik material terhadap distribusi tegangan yang tejadi dan pengaruhnya terhadap cacat akibat die forming sewaktu proses pembentukannya menggunakan Software Abaqus 6.9-3.
Kecacatan produk yang diakibatkan dari faktor die forming terjadi karena material dan desain peralatan die tersebut kurang optimal. Sebagai langkah yang
efisien dalam menganalisis kecacatan produk Cup, maka penulis akan mensimulasikan terjadinya cacat tersebut menggunakan Software Abaqus 6.9-3.
Dari hasil simulasi ini diharapkan dapat mengetahui hasil dari forming defect ini sehingga diusahakan agar dapat meminimalkan kecacatan produk Cup saat proses produksi sebenarnya. Dengan penelitian ini diharapkan akan dihasilkan sebuah produk komponen Cup dengan mutu dan kualitas yang baik.
1.2. Batasan Masalah Agar pembahasan lebih mengena dan tidak terjebak dalam pembahasan
yang tidak perlu, maka perlu dibuat batasan masalah. Adapun batasan masalah tersebut di titik beratkan pada pembatasan yang terkait dengan permasalahan ini yaitu :
1. Analisis dan simulasi dilakukan menggunakan Software Abaqus 6.9-3. 2. Jenis material yang digunakan adalah Stainless Steel AISI/ASTM 304. 3. Penelitian difokuskan pada pengaruh plastisitas pada material Stainless
Steel AISI/ASTM 304 terhadap terjadinya cacat.
1.3. Tujuan dan Manfaat 1.3.1. Tujuan Tujuan yang diharapkan dalam proses simulasi deep drawing ini sebagai berikut: 1. Untuk mengetahui sifat elastis plastis pelat jenis Stainless Steel AISI/ ASTM 304 hasil simulasi uji tarik. 2. Mengetahui besarnya tegangan-tegangan yang terjadi pada material. 3. Mengetahui hasil simulasi proses deep drawing pelat jenis Stainless Steel AISI/ASTM 304 yang menggunakan ketebalan pelat 1,0 mm. 1.3.2. Manfaat Adapun manfaat yang diperoleh dari penelitian ini adalah : 1. Dengan penelitian ini diharapkan nantinya dapat menghasilkan komponen yang berkualitas yang dipandang dari faktor material. 2. Membantu mengatasi masalah-masalah forming defect dan meminimali-
sasi terjadinya cacat produk Cup dengan cara menganalisisnya dengan bantuan Software Simulasi yaitu Abaqus 6.9-3. 3. Agar dapat dijadikan pemeriksaan awal pada proses deep drawing tentang berapa besarnya dimensi yang sesuai, berapa gaya Punch yang seharusnya diberikan dan cara mengatasi cacat wrinkling pada material dengan perangkat lunak berbasis metoda elemen hingga. 4. Agar dapat dijadikan sebagai parameter dalam industri manufacturing untuk pengontrolan produksi dan optimasi desain. 5. Sumbangan bagi kalangan akademisi dalam bidang manufacture tentang proses sheet metal forming.
1.4. Sistematika Penulisan Adapun sistematika penulisan tugas sarjana ini adalah sebagai berikut : 1. BAB I PENDAHULUAN Bab ini berisi tentang latar belakang maksud dan tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian dan sistematika penulisan. 2. BAB II TINJAUAN PUSTAKA Bab ini berisi tentang hasil penelitian terdahulu yang dapat diambil dari jurnal, disertai tesis dan skripsi yang aktual, selain itu juga berisi landasan teori yang meliputi konsep-konsep yang relevan dengan permasalahan yang akan diteliti. 3. BAB III METODOLOGI PENELITIAN Bab ini berisi tentang diagram alur penelitian, bahan yang digunakan dalam penelitian, langkah-langah proses analisa dan simulasi deep drawing dengan menggunakan software Abaqus 6.9-3. 4. BAB IV DATA DAN ANALISA Bab ini berisikan tentang data hasil penelitian, analisa dan simulasi serta pembahasannya. 5. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini berisi kesimpulan hasil penelitian dan saran-saran yang bisa berguna bagi pembaca maupun peneliti selanjutnya.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Pengertian Deep Drawing Deep Drawing atau biasa disebut drawing adalah salah satu jenis proses
pembentukan logam, dimana bentuk pada umumnya berupa silinder dan selalu mempunyai kedalaman tertentu, sedangkan definisi proses drawing menurut P.CO Sharma seorang professor production technology drawing adalah proses pembentukan logam dari lembaran logam ke dalam bentuk tabung (hallow shape) (P.C. Sharma 2001 : 88).
Deep Drawing dan drawing pada intinya merupakan satu jenis proses produksi namun terdapat beberapa ahli yang membedakan dengan indek ketinggian, proses deep drawing mempunyai indek ketinggian yang lebih besar dibandingkan dengan drawing. Bahan dasar dari proses Deep Drawing adalah lembaran logam (sheet metal) yang disebut dengan Blank, sedangkan produk dari hasil proses deep drawing disebut dengan draw piece dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Blank dan Draw Piece (Sumber : D. Eugene Ostergaard ;1967 : 131)
2.1.1. Proses Deep Drawing Proses deep drawing dilakukan dengan menekan material benda
kerja yang berupa lembaran logam yang disebut dengan Blank sehingga terjadi peregangan mengikuti bentuk Die, bentuk akhir ditentukan oleh
Punch sebagai penekan dan Die sebagai penahan benda kerja saat di tekan oleh Punch. Pengertian dari sheet metal adalah lembaran logam dengan ketebalan maksimal 6mm, lembaran logam (sheet metal) di pasaran dijual dalam bentuk lembaran dan gulungan. Terdapat berbagai tipe dari lembaran logam yang digunakan, pemilihan dari jenis lembaran tersebut tergantung dari:
1. Strain rate yang diperlukan 2. Benda yang akan dibuat 3. Material yang diinginkan 4. Ketebalan benda yang akan dibuat 5. Kedalaman benda.
Pada umumnya berbagai jenis material logam dalam bentuk lembaran dapat digunakan untuk proses deep drawing seperti stainless steel, aluminium, tembaga, kuningan, perak, emas, baja maupun titanium. Gambar proses drawing dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2. Proses Drawing (Sumber : D. Eugene Ostergaard ;1967 : 128)
Berikut adalah macam-macam proses yang terjadi pada proses deep drawing :
a). Kontak Awal Pada Gambar 2.2.A, Punch bergerak dari atas kebawah, Blank
dipegang oleh Blank Holder agar tidak bergeser ke samping, kontak
awal terjadi ketika bagian-bagian dari die set saling menyentuh lembaran logam (Blank) saat kontak awal terjadi belum terjadi gayagaya dan gesekan dalam proses drawing. b). Bending
Selanjutnya lembaran logam mengalami proses bending seperti pada Gambar 2.2.B, Punch terus menekan kebawah sehingga posisi Punch lebih dalam melebihi jari-jari dari Die, sedangkan posisi Die tetap tidak bergerak ataupun berpindah tempat, kombinasi gaya tekan dari Punch dan gaya penahan dari Die menyebabkan material mengalami peregangan sepanjang jari-jari Die, sedangkan daerah terluar dari Blank mengalami kompresi arah radial. Bending merupakan proses pertama yang terjadi pada rangkaian pembentukan proses deep drawing, keberhasilan proses bending ditentukan oleh aliran material saat proses terjadi. c). Straightening
Saat Punch sudah melewati radius Die, gerakan Punch ke bawah akan menghasilkan pelurusan sepanjang dinding Die dapat dilihat pada Gambar 2.2.C, lembaran logam akan mengalami peregangan sepanjang dinding Die. Dari proses pelurusan sepanjang dinding Die diharapkan mampu menghasilkan bentuk silinder sesuai dengan bentuk Die dan Punch. d). Compression
Proses compression terjadi ketika Punch bergerak kebawah, akhirnya Blank tertarik untuk mengikuti gerakan dari Punch, daerah Blank yang masih berada pada Blank Holder akan mengalami compression arah radial mengikuti bentuk dari Die. e). Tension
Tegangan tarik terbesar terjadi pada bagian bawah Cup produk hasil deep drawing, bagian ini adalah bagian yang paling mudah mengalami cacat sobek, pembentukan bagian bawah cup merupakan proses terakhir pada proses deep drawing.
2.1.2. Komponen Utama Die Set Proses deep drawing mempunyai karakteristik khusus dibandingkan
dengan proses pembentukan logam lain, yaitu pada umumnya produk yang dihasilkan memiliki bentuk tabung yang mempunyai ketinggian tertentu, sehingga Die yang digunakan juga mempunyai bentuk khusus, proses pembentukan berarti adalah proses non cutting logam. Produk yang dihasilkan dari deep drawing bervariasi tergantung dari desain Die dan Punch, Gambar 2.3 menunjukkan beberapa jenis produk (draw piece) hasil deep drawing.
Gambar 2.3. Beberapa Macam Bentuk Draw Piece (Sumber : D. Eugene Ostergaard ;1967 : 127)
a). Punch Punch merupakan bagian yang bergerak ke bawah untuk meneruskan
gaya dari sumber tenaga sehingga Blank tertekan kebawah, bentuk Punch disesuaikan dengan bentuk akhir yang diiginkan dari proses drawing, letak Punch pada Gambar 2.4. berada di atas Blank, posisi dari Punch sebenarnya tidak selalu diatas tergantung dari jenis die drawing yang digunakan. b). Blank Holder
Blank Holder berfungsi memegang blank atau benda kerja berupa lembaran logam, pada gambar diatas Blank Holder berada diatas benda kerja, walaupun berfungsi untuk memegang benda kerja, benda kerja harus tetap dapat bergerak saat proses drawing dilakukan sebab saat proses drawing berlangsung benda kerja yang dijepit oleh Blank Holder akan bergerak ke arah pusat sesuai dengan bentuk dari die drawing. Sebagian jenis Blank Holder diganti dengan nest yang mempunyai fungsi hampir sama, bentuk nest berupa lingkaran yang terdapat lubang didalamnya, lubang tersebut sebagai tempat peletakan dari benda kerja agar tidak bergeser ke samping. c). Die
Merupakan komponen utama yang berperan dalam menentukan bentuk akhir dari benda kerja drawing (draw piece), bentuk dan ukuran Die bervariasi sesuai dengan bentuk akhir yang diinginkan, kontruksi Die harus mampu menahan gerakan, gaya geser serta gaya Punch. Pada Die terdapat radius tertentu yang berfungsi mempermudah reduksi benda saat proses berlangsung, lebih jauh lagi dengan adanya jari-jari diharapkan tidak terjadi sobek pada material yang akan di drawing. sedangkan komponen lainya merupakan komponen tambahan tergantung dari jenis Die yang dipakai. Bentuk dan posisi dari komponen utama tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4. Bagian Utama Die Drawing
2.1.3. Variabel Proses Deep Drawing Terdapat beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam melakukan
proses deep drawing, variabel yang mempengaruhi proses deep drawing antara lain:
a). Gesekan Saat proses deep drawing berlangsung gesekan terjadi antara
permukaan Punch, dies drawing dengan Blank, gesekan akan mempengaruhi hasil dari produk yang dihasilkan sekaligus mempengaruhi besarnya gaya yang dibutuhkan untuk proses pembentukan drawing, semakin besar gaya gesek maka gaya untuk proses deep drawing juga meningkat, beberapa faktor yang mempengaruhi gesekan antara lain :
1. Pelumasan proses pelumasan adalah salah satu cara mengontrol kondisi lapisan tribologi pada proses drawing, dengan pelumasan diharapkan mampu menurunkan koefisien gesek permukaan material yang bersinggungan.
2. Gaya Blank Holder Gaya Blank Holder yang tinggi akan meningkatkan gesekan yang terjadi, bila gaya Blank Holder terlalu tinggi dapat mengakibatkan aliran material tidak sempurna sehingga produk dapat mengalami cacat.
3. Kekasaran Permukaan Blank Kekerasan permukaan Blank mempengaruhi besarnya gesekan yang terjadi, semakin kasar permukaan Blank maka gesekan yang terjadi juga semakin besar. Hal ini disebabkan koefisien gesek yang terjadi semakin besar seiring dengan peningkatan kekasaran permukaan.
4. Kekasaran Permukaan Punch, Die dan Blank Holder Seperti halnya permukaan Blank semakin kasar permukaan Punch, Die dan Blank Holder koefisien gesek yang dihasilkan
semakin besar sehingga gesekan yang terjadi juga semakin besar. b). Bending dan Straightening Pada proses deep drawing setelah Blank Holder dan Punch menempel pada permukaan Blank saat kondisi Blank masih lurus selanjutnya terjadi proses pembengkokan material (bending) dan pelurusan sheet sepanjang sisi samping dalam Die (straightening). Variabel yang mempengaruhi proses ini adalah : 1. Radius Punch Radius Punch disesuaikan dengan besarnya radius Die, radius Punch yang tajam akan memperbesar gaya bending yang dibutuhkan untuk proses deep drawing. 2. Radius Die Radius Die disesuaikan dengan produk yang pada nantinya akan dihasilkan, radius Die berpengaruh terhadap gaya pembentukan, bila besarnya radius Die mendekati besarnya tebal lembaran logam maka gaya bending yang terjadi semakin kecil sebaliknya apabila besarnya radius Die semakin meningkat maka gaya bending yang terjadi semakin besar. c). Penekanan Proses penekanan terjadi setelah proses straghtening, proses ini merupakan proses terakhir yang menentukan bentuk dari bagian bawah produk drawing, besarnya gaya tekan yang dilakukan dipengaruhi oleh : 1. Keuletan Logam Semakin ulet lembaran logam Blank semakin besar kemampuan Blank untuk dibentuk ke dalam bentuk yang beranekaragam dan tidak mudah terjadi sobek pada saat proses penekanan, keuletan logam yang kecil mengakibatkan Blank mudah sobek. 2. Drawability Drawability adalah kemampuan bahan untuk dilakukan proses deep drawing, sedangkan nilainya ditentukan oleh Limiting
drawing ratio (βmak), batas maksimum βmaks adalah batas dimana bila material mengalami proses penarikan dan melebihi nilai limit akan terjadi cacat sobek (craking). 3. Ketebalan Blank Ketebalan Blank mempengaruhi besar dari gaya penekanan yang dibutuhkan, semakin tebal Blank akan dibutuhkan gaya penekanan yang besar sebaliknya bila Blank semakin tipis maka dibutuhkan gaya yang kecil untuk menekan Blank. 4. Tegangan Maksimum Material Material Blank yang mempunyai tegangan maksimum besar mempunyai kekuatan menahan tegangan yang lebih besar sehingga produk tidak mudah mengalami cacat material dengan tegangan maksimum kecil mudah cacat seperti sobek dan berkerut. 5. Temperatur Dengan naiknya temperatur akan dibutuhkan gaya penekanan yang kecil hal ini disebabkan kondisi material yang ikatan butirannya semakin meregang sehingga material mudah untuk dilakukan deformasi. d). Diameter Blank Diemeter Blank tergantung dari bentuk produk yang akan dibuat, apabila material kurang dari kebutuhan dapat menyebabkan bentuk produk tidak sesuai dengan yang diinginkan, namun bila material Blank terlalu berlebih dari kebutuhan dapat menyebabkan terjadinya cacat pada produk seperti kerutan pada pinggiran serta sobek pada daerah yang mengalami bending. e). Clearance Clearance atau Kelonggoran adalah celah antara Punch dan Die untuk memudahkan gerakan lembaran logam saat proses deep drawing berlangsung. Untuk memudahkan gerakan lembaran logam pada waktu proses drawing, maka besar clearence tersebut 7% - 20% lebih besar
dari tebal lembaran logam, bila celah Die terlalu kecil atau kurang dari
tebal lembaran logam, lembaran logam dapat mengalami penipisan
(ironing) dan bila besar clearence melebihi toleransi 20% dapat
mengakibatkan terjadinya kerutan.
f). Strain Ratio
Strain ratio adalah ketahanan lembaran logam untuk mengalami
peregangan, bila lembaran memiliki perbandingan regangan yang tinggi
maka kemungkinan terjadinya sobekan akan lebih kecil.
g). Kecepatan Deep Drawing
Die drawing jenis Punch berada diatas dengan nest dapat diberi
kecepatan yang lebih tinggi dibandingkan jenis Die yang
menggunakan Blank Holder, kecepatan yang tidak sesuai dapat
menyebabkan retak bahkan sobek pada material, masing-masing jenis
material mempunyai karakteristik berbeda sehingga kecepatan maksimal
masing-masing material juga berbeda. Tabel 2.1 adalah kecepatan
maksimal beberapa jenis material yang biasa digunakan untuk sheet
metal drawing.
Tabel 2.1. Jenis material dan kecepatan maksimal draw dies
Material
Kecepatan
Alumunium Brass Copper Steel
Steel, stainless
0,762 m/s 1,02 m/s 0,762 m/s 0,279 m/s 0,203 m/s
Sumber: ( D. Eugene Ostergaard ;1967 : 131)
2.2. Pengenalan Bahan Baku Stainless Steel adalah paduan besi dengan minimal 12% kromium.
Komposisi ini membentuk protective layer (lapisan pelindung anti korosi) yang merupakan hasil oksidasi oksigen terhadap krom yang terjadi secara spontan. Tentunya harus dibedakan mekanisme protective layer ini dibandingkan baja yang
dilindungi dengan coating (misal seng dan cadmium) ataupun cat. Meskipun seluruh kategori Stainless Steel didasarkan pada kandungan krom (Cr), namun unsur paduan lainnya ditambahkan untuk memperbaiki sifat-sifat Stainless Steel sesuai aplikasinya. Kategori Stainless Steel tidak halnya seperti baja lain yang didasarkan pada persentase karbon tetapi didasarkan pada struktur metalurginya. (Sumber:https://sites.google.com/site/andesteknik/Home/articles/klasifikasi-stainlesssteel).
Lima golongan utama Stainless Steel adalah Ferritic Stainless Steel, Martensitic Stainless Steel, Duplex Stainless Steel, Precipitation Hardening Stainless Steel dan Austenitic Stainless Steel:
1. Ferritic Stainless Steel Baja jenis ini mempunyai struktur body centered cubic (bcc). Unsur kromium ditambahkan ke paduan sebagai penstabil ferrit. Kandungan kromium umumnya kisaran 10,5-30%. Beberapa type baja mengandung unsur molybdenum, silicon, aluminium, titanium dan niobium. Unsur sulfur ditambahkan untuk memperbaiki sifat mesin. Paduan ini merupakan ferromagnetic dan mempunyai sifat ulet dan mampu bentuk baik namun kekuatan di lingkungan suhu tinggi lebih rendah dibandingkan baja stainless austenitic. Kandungan karbon rendah pada baja ferritik tidak dapat dikeraskan dengan perlakuan panas. Kelompok ini memiliki sifat yang mendekati baja umum (mild steel) tetapi memiliki ketahanan korosi yang lebih baik. Didalam kelompok ini yang paling umum dipakai adalah type 12% Chromium yang banyak dipakai dalam aplikasi struktural dan type 17% Chromium yang banyak dipakai pada aplikasi peralatan rumah tangga, boiler, mesin cuci dan benda-benda arsitektural.
2. Martensitic Stainless Steel Baja ini merupakan paduan kromium dan karbon yang memiliki struktur martensit body centered cubic (bcc) terdistorsi saat kondisi bahan dikeraskan. Baja ini merupakan ferromagnetic, bersifat dapat dikeraskan dan umumnya tahan korosi di lingkungan kurang korosif. Kandungan
kromium umumnya berkisar antara 10,5-18%, dan karbon melebihi 1,2%. Kandungan kromium dan karbon dijaga agar mendapatkan struktur martensit saat proses pengerasan. Karbida lebih meningkatkan ketahanan aus. Unsur niobium, silicon, tungsten dan vanadium ditambah untuk memperbaiki proses temper setelah proses pengerasan. Sedikit kandungan nikel meningkatkan ketahan korosi dan ketangguhan. Type ini memiliki kekuatan dan kekerasan yang tinggi, dengan ketahanan korosi yang moderate. Aplikasinya terbanyak adalah untuk turbine blade dan untuk pisau. 3. Duplex Stainless Steel Duplex Stainless Steel seperti 2304 dan 2205 (dua angka pertama menyatakan persentase Chrom dan dua angka terakhir menyatakan persentase Nikel) memiliki bentuk mikrostruktur campuran austenitic dan Ferritic. Duplex ferritic-austenitic memiliki kombinasi sifat tahan korosi dan temperatur relatif tinggi atau secara khusus tahan terhadap Stress Corrosion Cracking. Meskipun kemampuan Stress Corrosion Crackingnya tidak sebaik Ferritic Stainless Steel tetapi ketangguhannya jauh lebih baik (superior) dibanding Ferritic Stainless Steel dan lebih buruk dibanding Austenitic Stainless Steel. Sementara kekuatannya lebih baik dibanding Austenitic Stainless Steel (yang diannealing) kira-kira 2 kali lipat. Sebagai tambahan, Duplex Stainless Steel ketahanan korosinya sedikit lebih baik dibanding 304 dan 316 tetapi ketahanan terhadap pitting corrosion jauh lebih baik (superior) dibanding 316. Ketangguhannya Duplex Stainless Steel akan menurun pada temperatur dibawah -500C dan diatas 3000C. Type ini memiliki struktur yang terdiri dari gabungan austenit dan ferrite (contoh type 2205, 2507). Type duplex memberikan keseimbangan antara kekuatan, ductility dan ketahanan korosi. Aplikasinya adalah untuk industri petrokimia, pulp dan perkapalan. 4. Precipitation Hardening Stainless Steel Precipitation Hardening Stainless Steel adalah Stanless Steel yang keras dan kuat akibat dari dibentuknya suatu presipitat (endapan) dalam struktur
mikro logam. Sehingga gerakan deformasi menjadi terhambat dan memperkuat material SS. Pembentukan ini disebabkan oleh penambahan unsur tembaga (Cu), Titanium (Ti), Niobium (Nb) dan alumunium. Proses penguatan umumnya terjadi pada saat dilakukan pengerjaan dingin (cold work). 5. Austenitic Stainless Steel Baja Austenitic Stainless Steel merupakan paduan logam besi-krom-nikel yang mengandung 16-20% kromium, 7-22%wt nikel, dan nitrogen. Logam paduan ini merupakan paduan berbasis ferrous dan struktur kristal face centered cubic (fcc). Struktur kristal akan tetap berfasa Austenit bila unsur nikel dalam paduan diganti mangan (Mn) karena kedua unsur merupakan penstabil fasa Austenit. Fasa Austenitic tidak akan berubah saat perlakuan panas anil kemudian didinginkan pada temperatur ruang. Baja Stainless Austenitic tidak dapat dikeraskan melalui perlakuan celup cepat (quenching). Umumnya jenis baja ini dapat tetap menjaga sifat Asutenitic pada temperature ruang, lebih bersifat ulet dan memiliki ketahanan korosi lebih baik dibandingkan baja Stainless Ferritik dan Martensit. Setiap jenis baja Stainless Austenitic memiliki karakteristik khusus tergantung dari penambahan unsur pemadunya. Baja Stainless Austenitic hanya bisa dikeraskan melalui pengerjaan dingin. Material ini mempunyai kekuatan tinggi di lingkungan suhu tinggi dan bersifat cryogenic. Tipe 2xx mengandung nitrogen, mangan 4-15,5%wt, dan kandungan 7%wt nikel. Tipe 3xx mengandung unsur nikel tinggi dan maksimal kandungan mangan 2%wt. Unsur molybdenum, tembaga, silicon, aluminium, titanium dan niobium ditambah dengan karakter material tertentu seperti ketahanan korosi atau oksidasi. Sulfur ditambah pada tipe tertentu untuk memperbaiki sifat mampu mesin. Salah satu jenis baja Stainless Austenitic adalah AISI 304. Baja Austenitic ini mempunyai struktur kubus satuan bidang (face center cubic) dan merupakan baja dengan ketahanan korosi tinggi. Komposisi unsur–unsur pemadu yang terkandung dalam AISI 304 akan menentukan sifat mekanik
dan ketahanan korosi. Baja AISI 304 mempunyai kadar karbon sangat rendah 0,08%wt. Kadar kromium berkisar 18-20%wt dan nikel 8-10,5%wt yang terlihat pada Tabel 2.2 Kadar kromium cukup tinggi membentuk lapisan Cr2O3 yang protektif untuk meningkatkan ketahanan korosi. Komposisi karbon rendah untuk meminimalisasi sensitasi akibat proses pengelasan. Kelompok ini yang paling banyak ditemukan dalam aplikasi disekitar kita, contohnya: peralatan rumah tangga, tangki, vessel (bejana tekan), pipa, struktur baik yang bersifat konstruksi maupun arsitektural Memiliki kandungan Ni tidak kurang dari 7% yang mengakibatkan terbentuknya struktur Austenit dan memberikan sifat ulet (ductile). Stainless Steel 304, 304L, 316, 316L termasuk ke dalam type ini. Austenitic Stainless Steel bersifat non magnetic. Perbandingan sifat mekanik berbagai jenis Stainless Steel dapat dilihat pada Tabel 2.2. Table 2.2. Perbandingan Sifat Mekanik Berbagai Jenis Stainless Steel
Sumber:https://sites.google.com/site/andesteknik/Home/articles/klasifikasi-stainless-steel
Gambar 2.5. Diagram Hubungan Berbagai Jenis Stainless Steel. (Sumber:https://sites.google.com/site/andes
DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE ABAQUS 6.9-3
SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
SUDI WINARSO NIM. 080421016
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2012
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Alloh SWT atas hidayah-Nya memberikan pengetahuan, pengalaman, kesehatan dan kesempatan kepada penulis, sehingga mampu menyelesaikan tugas akhir ini. Tugas skripsi ini adalah salah satu syarat yang harus dipenuhi untuk menyelesaikan program studi Strata-1 di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun tugas skripsi ini diambil dari mata kuliah Metallurgi Fisik. Adapun judul tugas akhir ini adalah “SIMULASI PROSES DEEP DRAWING PELAT JENIS STAINLESS STEEL 304 DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE ABAQUS 6.9-3”.
Selama penulisan tugas skripsi ini, penulis banyak mendapat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis menyampaikan banyak terima kasih kepada : 1. Kedua orang tua saya (Suryadi dan Suriyah) yang selalu memberikan
dorongan, nasehat, kasih sayang, do’a, dukungan material dan spiritual serta kakak (Fifi Sumanti, Amd) dan adik (Suhendra dan Ecy Sanniyyah) yang banyak membantu penulis. 2. Bapak Ir. Tugiman K,MT, selaku dosen pembimbing penulis yang dengan sabar telah meluangkan waktu, pemikiran dan tenaga untuk membimbing serta memberikan arahan hingga selesainya Tugas Akhir ini. 3. Bapak DR.Ing,Ir.Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara dan sebagai penguji II yang telah banyak membimbing penulis selama perkuliahan. 4. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc, selaku dosen penguji I yang telah banyak membimbing penulis selama perkuliahan. 5. Bapak Syawal, Ibu Ismawaty dan seluruh Staff Pegawai serta Staff Pengajar di Departemen Teknik Mesin USU yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan administrasi dan membimbing penulis selama perkuliahan.
6. Teman-teman saya Ekstensi Teknik Mesin ’08 terutama Eko, Olim, Ariman dan teman-teman yang lain yang tidak dapat disebutkan disini satu-persatu yang telah banyak membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
7. Kepada kekasih tercinta (Elvira Ratna Putri, SKep) yang selalu mendoakan dan memberi dukungan, semangat dan motivasi kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
8. Kepada Papa Suzarzuri, Mama Nurmala dan adik Ragil yang selalu mendoakan dan memberi dukungan, semangat dan motivasi kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
9. Kepada Sahabat saya Muhammad Arif, ST, yang selalu memberikan dukungan, semangat dan motivasi kepada penulis.
10. Seluruh Sanak Saudara dan semua pihak yang telah mendukung dan memberi motivasi bagi penulis selama menyelesaikan pendidikan.
Penulis menyadari Tugas sarjana ini tidak luput dari kekurangan, untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun untuk penyempurnaan Tugas Akhir ini.
Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih.
Medan, September 2012 Penulis,
Sudi Winarso NIM. 080421016
Abstract
Dalam proses pembuatannya tidak terlepas dari cacat yang merupakan kerugian seperti kerutan (wringkling), penipisan (ironing), dan pecah (fracture). Diantara faktor yang mempengaruhi terjadinya cacat adalah dari faktor materialnya yaitu sifat mekanik (plastisitas). Simulasi ini bertujuan untuk mengetahui sifat plastisitas material. Simulasi ini dilakukan dengan menggunakan software Abaqus 6.9-3. Jenis material yang digunakan yaitu Stainless Steel 304 dengan ketebalan 1mm, kemudian penentuan pembuatan dimensi punch, die, holder dan blank agar diperoleh hasil yang sebaik mungkin, serta mampu memahami hasil yang diperoleh apakah telah sesuai dengan yang disimulasikan, Nilai nominal hasil uji tarik kemudian dikonversi menjadi nilai tegangan dan regangan sebenarnya (true stress-strain) sebagai input bagi data simulasi. Tegangan maksimum yang terjadi pada material Stainless Steel 304 adalah sebesar 6,637E+08 Pa, gaya penekanan yang terjadi pada material tersebut adalah sebesar 409,56 MPa, Ultimate Tensile Strenght sebesar 550,25 MPa, Effective Stress sebesar 282,12 MPa, Maximum Shear Stress sebesar 141,06 MPa, Hydrostatic Stress sebesar 94,04 MPa, Deviatoric or Reduced Component of Stress sebesar 188,08 MPa dan Tension sebesar 284,79 MPa.
Kata kunci : Cup, Deep Drawing, ABAQUS, Stainless Steel
Abstract
In the manufacturing process can not be separated from a loss defects such as wrinkles (wringkling), depletion (ironing), and break (fracture). Among the factors that influence the occurrence of the defect is material factor is the mechanical properties (plasticity). This simulation aims to determine the nature of the material plasticity. The simulation is performed using the software Abaqus 6.9-3. Type of material used is Stainless Steel 304 with a thickness of 1mm, and then determining the dimensions manufacture punch, die, and blank holder in order to obtain the best possible outcome, and be able to understand whether the results obtained in accordance with the simulated value tensile test results are then converted be the value of the actual stress and strain (true stress-strain) as an input to the simulation data. The maximum voltage that occurs in the material Stainless Steel 304 is equal to 6.637 E +08 Pa, style suppression that occurs in the material is equal to 409.56 MPa, Ultimate Tensile Strength of 550.25 MPa, 282.12 MPa for Effective Stress, Maximum Shear stress at 141.06 MPa, Hydrostatic stress at 94.04 MPa, Deviatoric or Reduced Component of Stress and Tension at 188.08 MPa at 284.79 MPa.
Keywords: Cup, Deep Drawing, ABAQUS, Stainless Steel
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR
................................................................ i
ABSTRACT ........................................................................................ iii
DAFTAR ISI
............................................................................ v
DAFTAR TABEL ............................................................................ viii
DAFTAR GAMBAR ............................................................................ ix
DAFTAR SIMBOL ............................................................................ xv
BAB I PENDAHULUAN
....................................................
1.1. Latar Belakang
....................................................
1.2. Batasan Masalah ....................................................
1.3. Tujuan dan Manfaat ....................................................
1.3.1. Tujuan .................................................................
1.3.2. Manfaat ................................................................
1.4. Sistematika Penulisan
........................................
1 1 2 2 2 3 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ....................................................
2.1. Pengertian Deep Drawing ........................................
2.1.1. Proses Deep Drawing
............................
2.1.2. Komponen Utama Die Set ............................
2.1.3. Variabel Proses Deep Drawing ................
2.2. Pengenalan Bahan Baku ........................................
2.3. Material Properties ....................................................
2.4. Sheet Deformation Processes …………………………
2.4.1. Uniaxial Tension …………………………
2.4.2. Stress and Strain Ratios
…………………
2.4.3. Yielding in Plane Stress
…………………
2.4.4. The Flow Rule…………………………………
4 4 4 7 9 12 17 24 24 26 27 32
2.4.5. Work of Plastic Deformation ………………… 34
2.4.6. Work Hardening Hypothesis ………………… 35
2.4.7. Effective Stress and Strain Functions …………… 36
2.5. Deformation of Sheet in Plane Stress …………………… 37
2.5.1. Uniform Sheet Deformation Processes………….. 37
2.5.2. Strain Diagram
…………………………… 38
2.5.3. Modes of Deformation
…………………… 40
2.5.4. Efektif Stress-Strain Laws …………………… 41
2.5.5. The Stress Diagram …………………………… 44
2.5.6. Principal Tension or Tractions
…………… 45
2.6. Cylindrical Deep Drawing …………………………... 47
BAB III METODOLOGI .................................................................... 55
3.1. Tahapan Penelitian ....................................................... 55
3.2. Abaqus
…………………………………………… 56
3.2.1. Preprocessing ( Abaqus/CAE ) ..................... 58
3.2.2. Simulasi ( Abaqus Standard dan Abaqus Explicit ). 60
3.2.3. Post Processing ( Abaqus/CAE ) ……………. 61
3.3. Pemodelan Dengan Abaqus/CAE ……………………. 61
BAB IV DATA DAN ANALISA ......................................................... 82
4.1. Analisis Uji Tarik Material ............................................. 82
4.2. Analisis Sifat Material
……………………………. 84
4.2.1. Analisis Sifat Plastisitas Material ……………. 84
4.2.2. Sheet Deformation Processes ……………………. 85
4.2.3. Check for Flow Rule ……………………………. 90
4.2.4. Tension
……………………………………. 90
4.2.5. Blank Holder Force ……………………………. 91
4.2.6. Max Punch Force ……………………………. 91
4.2.7. Persentase Hasil Simulasi dengan Hasil Teoritis … 91
4.2.8. Persentase Hasil Teoritis dengan Property Stainless
Steel 304 ……………………………………. 91
4.3. Analisa Hasil Simulasi Produk Deep Drawing ……. 91
4.3.1. Gambar produk hasil simulasi
……………. 91
4.3.2. Grafik Variables History Output hasil simulasi .. 95
4.3.3. Grafik Steps/Frames History Output hasil simulasi 102
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................. 104
5.1. Kesimpulan .................................................................. 104
5.2. Saran .............................................................................. 104
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
.................................................................. 105
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Jenis material dan kecepatan maksimal draw dies.
Halaman ........ 12
Tabel 2.2. Perbandingan Sifat Mekanik Berbagai Jenis Stainless Steel... 16
Tabel 3.1. Step Boundary Condition.
............................................ 73
Tabel 4.1. Property Material Stainless Steel 304. ................................. 82
Tabel 4.2. Presentase Hasil Teoritis dengan Property Stainless Steel 304.. 91
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Blank dan Draw Piece
............................................ 4
Gambar 2.2. Proses Drawing
......................................................... 5
Gambar 2.3. Beberapa Macam Bentuk Draw Piece ......................... 7
Gambar 2.4. Bagian Utama Die Drawing ............................................. 8
Gambar 2.5. Diagram Hubungan Berbagai Jenis Stainless Steel ......... 17
Gambar 2.6. Specimen Uji Tarik ......................................................... 17
Gambar 2.7. Diagram Load-Extension ............................................. 18
Gambar 2.8. (a) Kurva tegangan-regangan untuk test kualitas
pembentukan lembaran baja yang ditunjukkan pada
Gambar 2.7. (b) Bagian awal dari diagram di atas dengan
skala regangan diperbesar untuk menunjukkan perilaku
elastis. (c) Konstruksi yang digunakan untuk menentukan
tekanan material dengan bertahap elastis, transisi plastic.. 20
Gambar 2.9. Kurva True Stress-Strain ............................................. 21
Gambar 2.10. Diagram Logaritma True Stress-Strain ..................... 22
Gambar 2.11. Bagian dari suatu diagram Load-Extension yang
mempertunjukkan lompatan di dalam beban mengikuti
suatu peningkatan mendadak didalam tingkat kecepatan
perpanjangan ………......................................................... 24
Gambar 2.12. Mengukur elemen sepotong uji tarik menunjukkan arah
utama ................................................................................. 25
Gambar 2.13. Tegangan utama dan regangan untuk elemen deformasi
dalam (a) tegangan uniaksial dan (b) a general plane
stress sheet process ......................................................... 27
Gambar 2.14. Unsur utama dan tiga maximum shear planes dan stresses. 28
Gambar 2.15. Lingkaran Tegangan Mohr yang ditunjukkan tegangan
geser maksimum ......................................................... 28
Gambar 2.16. Sebuah unsur utama menunjukkan bagaimana keadaan
tegangan utama dapat terdiri dari komponen hidrostatik
dan deviatorik .....................................................................
Gambar 2.17. Hasil tempat kedudukan untuk plane stress untuk Tresca
yield condition
.........................................................
Gambar 2.18. Yield untuk plane stress untuk von Mises yield condition ..
Gambar 2.19. Diagram yang menunjukkan komponen kenaikan
regangan untuk tegangan yang berbeda di sekitar hasil
tempat von Mises .........................................................
Gambar 2.20. Diagram elemen utama bagian sisi, menunjukkan gaya
yang bekerja pada permukaan dan perpindahan selama
deformasi kecil
.........................................................
Gambar 2.21. Kurva tegangan-regangan untuk arah utama 1 dan 2 untuk
sebuah elemen deformasi dalam prosedur plane stress di
mana σ2 = ασ1
.........................................................
Gambar 2.22. (a) tidak mengubah bentuk dengan keadaan lingkaran dan
grid persegi ditandai di atasnya (b) keadaan perubahan
bentuk dengan perubahan bentuk kisi-kisi lingkaran ke
elips garis diameter besar d1 dan diameter kecil d2 dan
(c) kekuatan tarik, T, atau memindahkan kekuatan per
satuan luasnya
.........................................................
Gambar 2.23. (a) pembentukan suatu silindris cup. (b) Sektor suatu cup
yang mempertunjukkan penempatan pengukuran
regangan. (c) merencanakan regangan untuk dua langkah
didalam proses pembentukan
.................................
Gambar2.24. (a) Diagram regangan menunjukkan modus deformasi
yang berbeda sesuai dengan perbandingan regangan yang
berbeda. (b) Equibiaxial peregangan di tiang kubah
membentang. (c) Deformasi plane strain di dinding
samping dari bagian yang panjang. (d) uniaksial
perpanjangan tepi lubang diekstrusi. (e) Pembentukan
29 31 32 34 34 35
37
38
atau murni geser didalam flens dari pembentukan cup, menunjukkan suatu kisi-kisi lingkaran yang menambah di satu arah dan memusatkan didalam lainnya. (f). Tekanan uniaxial di tepi suatu pembentukan cup (g) Jalur regangan yang berbeda proporsional ditunjukkan pada Gambar 2.23 diplot dalam diagram regangan rekayasa .... 41 Gambar 2.25. Empirical effective stress-strain laws ke suatu kurva eksperimental ..................................................................... 42 Gambar 2.26. Proses ditunjukkan didalam ruang regangan, Gambar 2.23, yang digambarkan di sini didalam ruang tegangan (arah hasil ellips ditunjukkan sebagai suatu garis patah)…. 44 Gambar 2.27. Hubungan antara ketegangan utama untuk sebuah elemen deformasi dalam proses proporsional dengan tegangan efektif saat T= σ t ……………………………………. 46 Gambar 2.28. Principal tension versus the major strain untuk sebuah proses proporsional ……………………………………. 46 Gambar 2.29. (a) Pembentukan suatu cup silindris dari disk melingkar (b) Transmisi kekuatan peregangan dan pembentukan
oleh tegangan tarik didalam dinding cup ……………. 48 Gambar 2.30. Annular flange of a deep-drawn cup ……………………. 48 Gambar 2.31. Elemen dalam flange annular pada Gambar 2.30 ……. 48 Gambar 2.32. Keadaan tegangan dan regangan vektor untuk poin-poin
yang berbeda pada flens .............................................. 49 Gambar 2.33. Bagian dari suatu flens selama proses pembentukan untuk
kondisi bergesekan di mana tegangan didalam dinding sama dengan tegangan radial di radius bagian dalam σri .. 50 Gambar 2.34. Karakteristik pembentukkan tegangan dibandingkan perjalanan punch untuk bahan strain-hardening material .... 50 Gambar 2.35. Dorongan flens radius Die ............................................. 51 Gambar 2.36. Gesekan yang timbul dari kekuatan Blank Holder, diasumsikan untuk bertindak di tepi luar ..................... 51
Gambar 2.37. Memuat ketinggian beban untuk dinding cup untuk
ukuran hasil yang berbeda. (a) Kondisi Tresca. (b)
Kondisi Von Misses. (c) Suatu bukan isotropik hasil
tempat untuk suatu material dengan nilai R>1 ..............
Gambar 3.1. Diagram Alir Tahapan Penelitian ................................
Gambar 3.2. Diagram Alir Proses Running
................................
Gambar 3.3. Hubungan kerja Preprocessor, Solver dan Postprocessor .
Gambar 3.4. Abaqus/CAE. ....................................................................
Gambar 3.5. Sket Punch ....................................................................
Gambar 3.6. Sket Die ....................................................................
Gambar 3.7. Sket Blank Holder ........................................................
Gambar 3.8. Sket Blank ....................................................................
Gambar 3.9. Sifat density, elastic dan plastic material stainless steel
304 ...............................................................................
Gambar 3.10. Viewport Create Section …………………………….
Gambar 3.11. Hasil Section Assignments …………………………….
Gambar 3.12. Hasil Assembly Part Instance
…………………….
Gambar 3.13. Viewport Create Set Punch …………………………….
Gambar 3.14. Viewport Create Surface Punch …………………….
Gambar 3.15. Step Manager
…………………………………….
Gambar 3.16. Modul Interaction Punch-Blank …………………….
Gambar 3.17. Modul Interaction Property Punch-Blank …………….
Gambar 3.18. Constraint untuk Die …………………………………….
Gambar 3.19. Modul Amplitudes …………………………………….
Gambar 3.20. Modul Load …………………………………………….
Gambar 3.21. Modul Element Type …………………………………….
Gambar 3.22. Modul Seed dan Hasil Meshing Part Blank …………….
Gambar 3.23. Modul Seed dan Hasil Meshing Part Die …………….
Gambar 3.24. Modul Seed dan Hasil Meshing Part Holder …………….
Gambar 3.25. Modul Seed dan Hasil Meshing Part Punch …………….
Gambar 3.26. Monitor
………………………………………….....
53 55 57 58 62 63 64 64 65
66 66 67 67 68 69 69 70 70 71 72 72 74 74 75 75 75 76
Gambar 3.27. Visualisasi Punch, Blank Holder, Blank, dan Dies ……. 78
Gambar 3.28. Create History ………………………………………... 78
Gambar 3.29. Edit History Output Request ……………………………. 79
Gambar 3.30. Save Image Animation
……………………………. 79
Gambar 3.31. Massage Area
……………………………………. 81
Gambar 4.1. Kurva Engineering Stress-Engineering Strain Material
Stainless Steel 304 ……………………………………. 84
Gambar 4.2 ( a) uniaxial tension dan ( b) plane stress ……………. 87
Gambar 4.3. Suatu unsur utama tegangan geser maksimum dan tegangan 87
Gambar 4.4. Proses Simulasi Deep Drawing Step Punch dan Holder
Frame 8 ………………………………………………. 92
Gambar 4.5. Proses Simulasi Deep Drawing Step Punch dan Holder
Frame 12 ……………………………………………….. 92
Gambar 4.6. Proses Simulasi Deep Drawing Step Punch dan Holder
Frame 18 ……………………………………………….. 92
Gambar 4.7. Proses Simulasi Deep Drawing Step Punch dan Holder
Frame 20 ……………………………………………….. 93
Gambar 4.8. Proses Simulasi Deep Drawing Step Punch Bergerak
Frame 10 ……………………………………………….. 93
Gambar 4.9. Proses Simulasi Deep Drawing Step Punch Bergerak
Frame 20 .......................................................................... 93
Gambar 4.10. Pandangan Isometri .......................................................... 94
Gambar 4.11. Pandangan dari sumbu z .............................................. 94
Gambar 4.12. Pandangan dari sumbu x .............................................. 94
Gambar 4.13. Grafik Artificial Strain Energy: ALLAE for Whole Model ... 96
Gambar 4.14. External Work : ALLWK for Whole Model …………….. 97
Gambar 4.15. Frictional Dissipation:ALLFD for Whole Model …….. 97
Gambar 4.16. Internal Energy: ALLIE for Whole Model …………….. 98
Gambar 4.17. Kinetic Energy: ALLKE for Whole Model …………….. 99
Gambar 4.18. Plastic Dissipation: ALLPD for Whole Model
…….. 99
Gambar 4.19. Strain Energy: ALLSE for Whole Model …………….. 100
Gambar 4.20. Total Energy of the Output Set:ETOTAL for Whole Model.. 101 Gambar 4.21. Viscous Dissipation: ALLVD for Whole Model ………... 101 Gambar 4.22. Grafik History Output Punch dan Holder ……………… 102 Gambar 4.23. Grafik History Output Punch Bergerak ……………… 103
Simbol σeng eeng (σf)0 Pmax A0 E
ey Δl l
L0 Py σ P
A ε K σh α β r1 R0 t
σ
T μ B eel epl et εu emax n
ε τ ΔT T
Fd e σ'
Daftar Simbol
Keterangan Engineering Stress Engineering Strain Yield Stress Load Maximum Luas Permukaan Modulus Young’s Strain at Yield Extension Length Gauge Length Yielding Load True Stress Load Instant Area Nominal Strain Strength Coefficient Hidrostatic Stress Stress Ratio Strain Ratio Radius Dalam Radius Luar Thickness Effective Stress
Yield Tension
Friction Coefficient Blank Holder Force Elastic Strain Plastic Strain True Total Strain Maximum Uniform Strain Strain Maximum Strain Hardening Index Effective Strain
Shear Stress Temperatur Increase Tension Maximum Punch Force True Strain Deviatoric Stresses
Satuan MPa MPa MPa kN mm2 GPa
mm mm mm kN MPa kN mm mm Mpa Mpa
mm mm mm MPa
kN/m
kN mm mm mm mm mm
mm
Mpa 0C kN/m kN mm MPa
Abstract
Dalam proses pembuatannya tidak terlepas dari cacat yang merupakan kerugian seperti kerutan (wringkling), penipisan (ironing), dan pecah (fracture). Diantara faktor yang mempengaruhi terjadinya cacat adalah dari faktor materialnya yaitu sifat mekanik (plastisitas). Simulasi ini bertujuan untuk mengetahui sifat plastisitas material. Simulasi ini dilakukan dengan menggunakan software Abaqus 6.9-3. Jenis material yang digunakan yaitu Stainless Steel 304 dengan ketebalan 1mm, kemudian penentuan pembuatan dimensi punch, die, holder dan blank agar diperoleh hasil yang sebaik mungkin, serta mampu memahami hasil yang diperoleh apakah telah sesuai dengan yang disimulasikan, Nilai nominal hasil uji tarik kemudian dikonversi menjadi nilai tegangan dan regangan sebenarnya (true stress-strain) sebagai input bagi data simulasi. Tegangan maksimum yang terjadi pada material Stainless Steel 304 adalah sebesar 6,637E+08 Pa, gaya penekanan yang terjadi pada material tersebut adalah sebesar 409,56 MPa, Ultimate Tensile Strenght sebesar 550,25 MPa, Effective Stress sebesar 282,12 MPa, Maximum Shear Stress sebesar 141,06 MPa, Hydrostatic Stress sebesar 94,04 MPa, Deviatoric or Reduced Component of Stress sebesar 188,08 MPa dan Tension sebesar 284,79 MPa.
Kata kunci : Cup, Deep Drawing, ABAQUS, Stainless Steel
Abstract
In the manufacturing process can not be separated from a loss defects such as wrinkles (wringkling), depletion (ironing), and break (fracture). Among the factors that influence the occurrence of the defect is material factor is the mechanical properties (plasticity). This simulation aims to determine the nature of the material plasticity. The simulation is performed using the software Abaqus 6.9-3. Type of material used is Stainless Steel 304 with a thickness of 1mm, and then determining the dimensions manufacture punch, die, and blank holder in order to obtain the best possible outcome, and be able to understand whether the results obtained in accordance with the simulated value tensile test results are then converted be the value of the actual stress and strain (true stress-strain) as an input to the simulation data. The maximum voltage that occurs in the material Stainless Steel 304 is equal to 6.637 E +08 Pa, style suppression that occurs in the material is equal to 409.56 MPa, Ultimate Tensile Strength of 550.25 MPa, 282.12 MPa for Effective Stress, Maximum Shear stress at 141.06 MPa, Hydrostatic stress at 94.04 MPa, Deviatoric or Reduced Component of Stress and Tension at 188.08 MPa at 284.79 MPa.
Keywords: Cup, Deep Drawing, ABAQUS, Stainless Steel
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Sheet Metal Forming adalah sebuah proses yang bertujuan agar pelat atau
material mengalami deformasi plastis sehingga terbentuk komponen dari desain yang diinginkan. Komponen yang dihasilkan sheet metal forming dari bentuk yang sangat sederhana sampai bentuk-bentuk rumit dan kecil seperti yang diperlukan industri elektronik dan menghasilkan komponen besar seperti bodi mobil pada industri otomotif.
Pada proses metal forming dikenal istilah deep drawing. Pada proses deep drawing, gaya diberikan untuk menekan material benda kerja yang berupa lembaran logam yang disebut dengan Blank dan dijepit di antara Blank Holder dan Die. Sehingga terjadi peregangan mengikuti bentuk Die, bentuk akhir ditentukan oleh Punch sebagai penekan dan Die sebagai penahan benda kerja saat ditekan oleh Punch (Ahmad Hasnan.S,2006).
Banyak faktor yang akan mempengaruhi cacat produk dalam proses produksinya. Beberapa faktornya antara lain adalah faktor material yang digunakan sebagai bahan Cup (baskom) dan mesin press die. Dalam penelitian ini penulis menggunakan material stainless steel 304, karena stainless steel 304 tahan terhadap korosi, daya hantar panasnya cukup baik dan juga baik digunakan sebagai wadah makanan, jika menggunakan material steel biasa dan seng maka besar kemungkinan karat yang ada pada material tersebut akan menyatu dengan makanan sehingga tidak baik bila dikonsumsi.
Pada penelitian ini penulis akan menganalisis pengaruh sifat mekanik material terhadap distribusi tegangan yang tejadi dan pengaruhnya terhadap cacat akibat die forming sewaktu proses pembentukannya menggunakan Software Abaqus 6.9-3.
Kecacatan produk yang diakibatkan dari faktor die forming terjadi karena material dan desain peralatan die tersebut kurang optimal. Sebagai langkah yang
efisien dalam menganalisis kecacatan produk Cup, maka penulis akan mensimulasikan terjadinya cacat tersebut menggunakan Software Abaqus 6.9-3.
Dari hasil simulasi ini diharapkan dapat mengetahui hasil dari forming defect ini sehingga diusahakan agar dapat meminimalkan kecacatan produk Cup saat proses produksi sebenarnya. Dengan penelitian ini diharapkan akan dihasilkan sebuah produk komponen Cup dengan mutu dan kualitas yang baik.
1.2. Batasan Masalah Agar pembahasan lebih mengena dan tidak terjebak dalam pembahasan
yang tidak perlu, maka perlu dibuat batasan masalah. Adapun batasan masalah tersebut di titik beratkan pada pembatasan yang terkait dengan permasalahan ini yaitu :
1. Analisis dan simulasi dilakukan menggunakan Software Abaqus 6.9-3. 2. Jenis material yang digunakan adalah Stainless Steel AISI/ASTM 304. 3. Penelitian difokuskan pada pengaruh plastisitas pada material Stainless
Steel AISI/ASTM 304 terhadap terjadinya cacat.
1.3. Tujuan dan Manfaat 1.3.1. Tujuan Tujuan yang diharapkan dalam proses simulasi deep drawing ini sebagai berikut: 1. Untuk mengetahui sifat elastis plastis pelat jenis Stainless Steel AISI/ ASTM 304 hasil simulasi uji tarik. 2. Mengetahui besarnya tegangan-tegangan yang terjadi pada material. 3. Mengetahui hasil simulasi proses deep drawing pelat jenis Stainless Steel AISI/ASTM 304 yang menggunakan ketebalan pelat 1,0 mm. 1.3.2. Manfaat Adapun manfaat yang diperoleh dari penelitian ini adalah : 1. Dengan penelitian ini diharapkan nantinya dapat menghasilkan komponen yang berkualitas yang dipandang dari faktor material. 2. Membantu mengatasi masalah-masalah forming defect dan meminimali-
sasi terjadinya cacat produk Cup dengan cara menganalisisnya dengan bantuan Software Simulasi yaitu Abaqus 6.9-3. 3. Agar dapat dijadikan pemeriksaan awal pada proses deep drawing tentang berapa besarnya dimensi yang sesuai, berapa gaya Punch yang seharusnya diberikan dan cara mengatasi cacat wrinkling pada material dengan perangkat lunak berbasis metoda elemen hingga. 4. Agar dapat dijadikan sebagai parameter dalam industri manufacturing untuk pengontrolan produksi dan optimasi desain. 5. Sumbangan bagi kalangan akademisi dalam bidang manufacture tentang proses sheet metal forming.
1.4. Sistematika Penulisan Adapun sistematika penulisan tugas sarjana ini adalah sebagai berikut : 1. BAB I PENDAHULUAN Bab ini berisi tentang latar belakang maksud dan tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian dan sistematika penulisan. 2. BAB II TINJAUAN PUSTAKA Bab ini berisi tentang hasil penelitian terdahulu yang dapat diambil dari jurnal, disertai tesis dan skripsi yang aktual, selain itu juga berisi landasan teori yang meliputi konsep-konsep yang relevan dengan permasalahan yang akan diteliti. 3. BAB III METODOLOGI PENELITIAN Bab ini berisi tentang diagram alur penelitian, bahan yang digunakan dalam penelitian, langkah-langah proses analisa dan simulasi deep drawing dengan menggunakan software Abaqus 6.9-3. 4. BAB IV DATA DAN ANALISA Bab ini berisikan tentang data hasil penelitian, analisa dan simulasi serta pembahasannya. 5. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini berisi kesimpulan hasil penelitian dan saran-saran yang bisa berguna bagi pembaca maupun peneliti selanjutnya.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Pengertian Deep Drawing Deep Drawing atau biasa disebut drawing adalah salah satu jenis proses
pembentukan logam, dimana bentuk pada umumnya berupa silinder dan selalu mempunyai kedalaman tertentu, sedangkan definisi proses drawing menurut P.CO Sharma seorang professor production technology drawing adalah proses pembentukan logam dari lembaran logam ke dalam bentuk tabung (hallow shape) (P.C. Sharma 2001 : 88).
Deep Drawing dan drawing pada intinya merupakan satu jenis proses produksi namun terdapat beberapa ahli yang membedakan dengan indek ketinggian, proses deep drawing mempunyai indek ketinggian yang lebih besar dibandingkan dengan drawing. Bahan dasar dari proses Deep Drawing adalah lembaran logam (sheet metal) yang disebut dengan Blank, sedangkan produk dari hasil proses deep drawing disebut dengan draw piece dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Blank dan Draw Piece (Sumber : D. Eugene Ostergaard ;1967 : 131)
2.1.1. Proses Deep Drawing Proses deep drawing dilakukan dengan menekan material benda
kerja yang berupa lembaran logam yang disebut dengan Blank sehingga terjadi peregangan mengikuti bentuk Die, bentuk akhir ditentukan oleh
Punch sebagai penekan dan Die sebagai penahan benda kerja saat di tekan oleh Punch. Pengertian dari sheet metal adalah lembaran logam dengan ketebalan maksimal 6mm, lembaran logam (sheet metal) di pasaran dijual dalam bentuk lembaran dan gulungan. Terdapat berbagai tipe dari lembaran logam yang digunakan, pemilihan dari jenis lembaran tersebut tergantung dari:
1. Strain rate yang diperlukan 2. Benda yang akan dibuat 3. Material yang diinginkan 4. Ketebalan benda yang akan dibuat 5. Kedalaman benda.
Pada umumnya berbagai jenis material logam dalam bentuk lembaran dapat digunakan untuk proses deep drawing seperti stainless steel, aluminium, tembaga, kuningan, perak, emas, baja maupun titanium. Gambar proses drawing dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2. Proses Drawing (Sumber : D. Eugene Ostergaard ;1967 : 128)
Berikut adalah macam-macam proses yang terjadi pada proses deep drawing :
a). Kontak Awal Pada Gambar 2.2.A, Punch bergerak dari atas kebawah, Blank
dipegang oleh Blank Holder agar tidak bergeser ke samping, kontak
awal terjadi ketika bagian-bagian dari die set saling menyentuh lembaran logam (Blank) saat kontak awal terjadi belum terjadi gayagaya dan gesekan dalam proses drawing. b). Bending
Selanjutnya lembaran logam mengalami proses bending seperti pada Gambar 2.2.B, Punch terus menekan kebawah sehingga posisi Punch lebih dalam melebihi jari-jari dari Die, sedangkan posisi Die tetap tidak bergerak ataupun berpindah tempat, kombinasi gaya tekan dari Punch dan gaya penahan dari Die menyebabkan material mengalami peregangan sepanjang jari-jari Die, sedangkan daerah terluar dari Blank mengalami kompresi arah radial. Bending merupakan proses pertama yang terjadi pada rangkaian pembentukan proses deep drawing, keberhasilan proses bending ditentukan oleh aliran material saat proses terjadi. c). Straightening
Saat Punch sudah melewati radius Die, gerakan Punch ke bawah akan menghasilkan pelurusan sepanjang dinding Die dapat dilihat pada Gambar 2.2.C, lembaran logam akan mengalami peregangan sepanjang dinding Die. Dari proses pelurusan sepanjang dinding Die diharapkan mampu menghasilkan bentuk silinder sesuai dengan bentuk Die dan Punch. d). Compression
Proses compression terjadi ketika Punch bergerak kebawah, akhirnya Blank tertarik untuk mengikuti gerakan dari Punch, daerah Blank yang masih berada pada Blank Holder akan mengalami compression arah radial mengikuti bentuk dari Die. e). Tension
Tegangan tarik terbesar terjadi pada bagian bawah Cup produk hasil deep drawing, bagian ini adalah bagian yang paling mudah mengalami cacat sobek, pembentukan bagian bawah cup merupakan proses terakhir pada proses deep drawing.
2.1.2. Komponen Utama Die Set Proses deep drawing mempunyai karakteristik khusus dibandingkan
dengan proses pembentukan logam lain, yaitu pada umumnya produk yang dihasilkan memiliki bentuk tabung yang mempunyai ketinggian tertentu, sehingga Die yang digunakan juga mempunyai bentuk khusus, proses pembentukan berarti adalah proses non cutting logam. Produk yang dihasilkan dari deep drawing bervariasi tergantung dari desain Die dan Punch, Gambar 2.3 menunjukkan beberapa jenis produk (draw piece) hasil deep drawing.
Gambar 2.3. Beberapa Macam Bentuk Draw Piece (Sumber : D. Eugene Ostergaard ;1967 : 127)
a). Punch Punch merupakan bagian yang bergerak ke bawah untuk meneruskan
gaya dari sumber tenaga sehingga Blank tertekan kebawah, bentuk Punch disesuaikan dengan bentuk akhir yang diiginkan dari proses drawing, letak Punch pada Gambar 2.4. berada di atas Blank, posisi dari Punch sebenarnya tidak selalu diatas tergantung dari jenis die drawing yang digunakan. b). Blank Holder
Blank Holder berfungsi memegang blank atau benda kerja berupa lembaran logam, pada gambar diatas Blank Holder berada diatas benda kerja, walaupun berfungsi untuk memegang benda kerja, benda kerja harus tetap dapat bergerak saat proses drawing dilakukan sebab saat proses drawing berlangsung benda kerja yang dijepit oleh Blank Holder akan bergerak ke arah pusat sesuai dengan bentuk dari die drawing. Sebagian jenis Blank Holder diganti dengan nest yang mempunyai fungsi hampir sama, bentuk nest berupa lingkaran yang terdapat lubang didalamnya, lubang tersebut sebagai tempat peletakan dari benda kerja agar tidak bergeser ke samping. c). Die
Merupakan komponen utama yang berperan dalam menentukan bentuk akhir dari benda kerja drawing (draw piece), bentuk dan ukuran Die bervariasi sesuai dengan bentuk akhir yang diinginkan, kontruksi Die harus mampu menahan gerakan, gaya geser serta gaya Punch. Pada Die terdapat radius tertentu yang berfungsi mempermudah reduksi benda saat proses berlangsung, lebih jauh lagi dengan adanya jari-jari diharapkan tidak terjadi sobek pada material yang akan di drawing. sedangkan komponen lainya merupakan komponen tambahan tergantung dari jenis Die yang dipakai. Bentuk dan posisi dari komponen utama tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4. Bagian Utama Die Drawing
2.1.3. Variabel Proses Deep Drawing Terdapat beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam melakukan
proses deep drawing, variabel yang mempengaruhi proses deep drawing antara lain:
a). Gesekan Saat proses deep drawing berlangsung gesekan terjadi antara
permukaan Punch, dies drawing dengan Blank, gesekan akan mempengaruhi hasil dari produk yang dihasilkan sekaligus mempengaruhi besarnya gaya yang dibutuhkan untuk proses pembentukan drawing, semakin besar gaya gesek maka gaya untuk proses deep drawing juga meningkat, beberapa faktor yang mempengaruhi gesekan antara lain :
1. Pelumasan proses pelumasan adalah salah satu cara mengontrol kondisi lapisan tribologi pada proses drawing, dengan pelumasan diharapkan mampu menurunkan koefisien gesek permukaan material yang bersinggungan.
2. Gaya Blank Holder Gaya Blank Holder yang tinggi akan meningkatkan gesekan yang terjadi, bila gaya Blank Holder terlalu tinggi dapat mengakibatkan aliran material tidak sempurna sehingga produk dapat mengalami cacat.
3. Kekasaran Permukaan Blank Kekerasan permukaan Blank mempengaruhi besarnya gesekan yang terjadi, semakin kasar permukaan Blank maka gesekan yang terjadi juga semakin besar. Hal ini disebabkan koefisien gesek yang terjadi semakin besar seiring dengan peningkatan kekasaran permukaan.
4. Kekasaran Permukaan Punch, Die dan Blank Holder Seperti halnya permukaan Blank semakin kasar permukaan Punch, Die dan Blank Holder koefisien gesek yang dihasilkan
semakin besar sehingga gesekan yang terjadi juga semakin besar. b). Bending dan Straightening Pada proses deep drawing setelah Blank Holder dan Punch menempel pada permukaan Blank saat kondisi Blank masih lurus selanjutnya terjadi proses pembengkokan material (bending) dan pelurusan sheet sepanjang sisi samping dalam Die (straightening). Variabel yang mempengaruhi proses ini adalah : 1. Radius Punch Radius Punch disesuaikan dengan besarnya radius Die, radius Punch yang tajam akan memperbesar gaya bending yang dibutuhkan untuk proses deep drawing. 2. Radius Die Radius Die disesuaikan dengan produk yang pada nantinya akan dihasilkan, radius Die berpengaruh terhadap gaya pembentukan, bila besarnya radius Die mendekati besarnya tebal lembaran logam maka gaya bending yang terjadi semakin kecil sebaliknya apabila besarnya radius Die semakin meningkat maka gaya bending yang terjadi semakin besar. c). Penekanan Proses penekanan terjadi setelah proses straghtening, proses ini merupakan proses terakhir yang menentukan bentuk dari bagian bawah produk drawing, besarnya gaya tekan yang dilakukan dipengaruhi oleh : 1. Keuletan Logam Semakin ulet lembaran logam Blank semakin besar kemampuan Blank untuk dibentuk ke dalam bentuk yang beranekaragam dan tidak mudah terjadi sobek pada saat proses penekanan, keuletan logam yang kecil mengakibatkan Blank mudah sobek. 2. Drawability Drawability adalah kemampuan bahan untuk dilakukan proses deep drawing, sedangkan nilainya ditentukan oleh Limiting
drawing ratio (βmak), batas maksimum βmaks adalah batas dimana bila material mengalami proses penarikan dan melebihi nilai limit akan terjadi cacat sobek (craking). 3. Ketebalan Blank Ketebalan Blank mempengaruhi besar dari gaya penekanan yang dibutuhkan, semakin tebal Blank akan dibutuhkan gaya penekanan yang besar sebaliknya bila Blank semakin tipis maka dibutuhkan gaya yang kecil untuk menekan Blank. 4. Tegangan Maksimum Material Material Blank yang mempunyai tegangan maksimum besar mempunyai kekuatan menahan tegangan yang lebih besar sehingga produk tidak mudah mengalami cacat material dengan tegangan maksimum kecil mudah cacat seperti sobek dan berkerut. 5. Temperatur Dengan naiknya temperatur akan dibutuhkan gaya penekanan yang kecil hal ini disebabkan kondisi material yang ikatan butirannya semakin meregang sehingga material mudah untuk dilakukan deformasi. d). Diameter Blank Diemeter Blank tergantung dari bentuk produk yang akan dibuat, apabila material kurang dari kebutuhan dapat menyebabkan bentuk produk tidak sesuai dengan yang diinginkan, namun bila material Blank terlalu berlebih dari kebutuhan dapat menyebabkan terjadinya cacat pada produk seperti kerutan pada pinggiran serta sobek pada daerah yang mengalami bending. e). Clearance Clearance atau Kelonggoran adalah celah antara Punch dan Die untuk memudahkan gerakan lembaran logam saat proses deep drawing berlangsung. Untuk memudahkan gerakan lembaran logam pada waktu proses drawing, maka besar clearence tersebut 7% - 20% lebih besar
dari tebal lembaran logam, bila celah Die terlalu kecil atau kurang dari
tebal lembaran logam, lembaran logam dapat mengalami penipisan
(ironing) dan bila besar clearence melebihi toleransi 20% dapat
mengakibatkan terjadinya kerutan.
f). Strain Ratio
Strain ratio adalah ketahanan lembaran logam untuk mengalami
peregangan, bila lembaran memiliki perbandingan regangan yang tinggi
maka kemungkinan terjadinya sobekan akan lebih kecil.
g). Kecepatan Deep Drawing
Die drawing jenis Punch berada diatas dengan nest dapat diberi
kecepatan yang lebih tinggi dibandingkan jenis Die yang
menggunakan Blank Holder, kecepatan yang tidak sesuai dapat
menyebabkan retak bahkan sobek pada material, masing-masing jenis
material mempunyai karakteristik berbeda sehingga kecepatan maksimal
masing-masing material juga berbeda. Tabel 2.1 adalah kecepatan
maksimal beberapa jenis material yang biasa digunakan untuk sheet
metal drawing.
Tabel 2.1. Jenis material dan kecepatan maksimal draw dies
Material
Kecepatan
Alumunium Brass Copper Steel
Steel, stainless
0,762 m/s 1,02 m/s 0,762 m/s 0,279 m/s 0,203 m/s
Sumber: ( D. Eugene Ostergaard ;1967 : 131)
2.2. Pengenalan Bahan Baku Stainless Steel adalah paduan besi dengan minimal 12% kromium.
Komposisi ini membentuk protective layer (lapisan pelindung anti korosi) yang merupakan hasil oksidasi oksigen terhadap krom yang terjadi secara spontan. Tentunya harus dibedakan mekanisme protective layer ini dibandingkan baja yang
dilindungi dengan coating (misal seng dan cadmium) ataupun cat. Meskipun seluruh kategori Stainless Steel didasarkan pada kandungan krom (Cr), namun unsur paduan lainnya ditambahkan untuk memperbaiki sifat-sifat Stainless Steel sesuai aplikasinya. Kategori Stainless Steel tidak halnya seperti baja lain yang didasarkan pada persentase karbon tetapi didasarkan pada struktur metalurginya. (Sumber:https://sites.google.com/site/andesteknik/Home/articles/klasifikasi-stainlesssteel).
Lima golongan utama Stainless Steel adalah Ferritic Stainless Steel, Martensitic Stainless Steel, Duplex Stainless Steel, Precipitation Hardening Stainless Steel dan Austenitic Stainless Steel:
1. Ferritic Stainless Steel Baja jenis ini mempunyai struktur body centered cubic (bcc). Unsur kromium ditambahkan ke paduan sebagai penstabil ferrit. Kandungan kromium umumnya kisaran 10,5-30%. Beberapa type baja mengandung unsur molybdenum, silicon, aluminium, titanium dan niobium. Unsur sulfur ditambahkan untuk memperbaiki sifat mesin. Paduan ini merupakan ferromagnetic dan mempunyai sifat ulet dan mampu bentuk baik namun kekuatan di lingkungan suhu tinggi lebih rendah dibandingkan baja stainless austenitic. Kandungan karbon rendah pada baja ferritik tidak dapat dikeraskan dengan perlakuan panas. Kelompok ini memiliki sifat yang mendekati baja umum (mild steel) tetapi memiliki ketahanan korosi yang lebih baik. Didalam kelompok ini yang paling umum dipakai adalah type 12% Chromium yang banyak dipakai dalam aplikasi struktural dan type 17% Chromium yang banyak dipakai pada aplikasi peralatan rumah tangga, boiler, mesin cuci dan benda-benda arsitektural.
2. Martensitic Stainless Steel Baja ini merupakan paduan kromium dan karbon yang memiliki struktur martensit body centered cubic (bcc) terdistorsi saat kondisi bahan dikeraskan. Baja ini merupakan ferromagnetic, bersifat dapat dikeraskan dan umumnya tahan korosi di lingkungan kurang korosif. Kandungan
kromium umumnya berkisar antara 10,5-18%, dan karbon melebihi 1,2%. Kandungan kromium dan karbon dijaga agar mendapatkan struktur martensit saat proses pengerasan. Karbida lebih meningkatkan ketahanan aus. Unsur niobium, silicon, tungsten dan vanadium ditambah untuk memperbaiki proses temper setelah proses pengerasan. Sedikit kandungan nikel meningkatkan ketahan korosi dan ketangguhan. Type ini memiliki kekuatan dan kekerasan yang tinggi, dengan ketahanan korosi yang moderate. Aplikasinya terbanyak adalah untuk turbine blade dan untuk pisau. 3. Duplex Stainless Steel Duplex Stainless Steel seperti 2304 dan 2205 (dua angka pertama menyatakan persentase Chrom dan dua angka terakhir menyatakan persentase Nikel) memiliki bentuk mikrostruktur campuran austenitic dan Ferritic. Duplex ferritic-austenitic memiliki kombinasi sifat tahan korosi dan temperatur relatif tinggi atau secara khusus tahan terhadap Stress Corrosion Cracking. Meskipun kemampuan Stress Corrosion Crackingnya tidak sebaik Ferritic Stainless Steel tetapi ketangguhannya jauh lebih baik (superior) dibanding Ferritic Stainless Steel dan lebih buruk dibanding Austenitic Stainless Steel. Sementara kekuatannya lebih baik dibanding Austenitic Stainless Steel (yang diannealing) kira-kira 2 kali lipat. Sebagai tambahan, Duplex Stainless Steel ketahanan korosinya sedikit lebih baik dibanding 304 dan 316 tetapi ketahanan terhadap pitting corrosion jauh lebih baik (superior) dibanding 316. Ketangguhannya Duplex Stainless Steel akan menurun pada temperatur dibawah -500C dan diatas 3000C. Type ini memiliki struktur yang terdiri dari gabungan austenit dan ferrite (contoh type 2205, 2507). Type duplex memberikan keseimbangan antara kekuatan, ductility dan ketahanan korosi. Aplikasinya adalah untuk industri petrokimia, pulp dan perkapalan. 4. Precipitation Hardening Stainless Steel Precipitation Hardening Stainless Steel adalah Stanless Steel yang keras dan kuat akibat dari dibentuknya suatu presipitat (endapan) dalam struktur
mikro logam. Sehingga gerakan deformasi menjadi terhambat dan memperkuat material SS. Pembentukan ini disebabkan oleh penambahan unsur tembaga (Cu), Titanium (Ti), Niobium (Nb) dan alumunium. Proses penguatan umumnya terjadi pada saat dilakukan pengerjaan dingin (cold work). 5. Austenitic Stainless Steel Baja Austenitic Stainless Steel merupakan paduan logam besi-krom-nikel yang mengandung 16-20% kromium, 7-22%wt nikel, dan nitrogen. Logam paduan ini merupakan paduan berbasis ferrous dan struktur kristal face centered cubic (fcc). Struktur kristal akan tetap berfasa Austenit bila unsur nikel dalam paduan diganti mangan (Mn) karena kedua unsur merupakan penstabil fasa Austenit. Fasa Austenitic tidak akan berubah saat perlakuan panas anil kemudian didinginkan pada temperatur ruang. Baja Stainless Austenitic tidak dapat dikeraskan melalui perlakuan celup cepat (quenching). Umumnya jenis baja ini dapat tetap menjaga sifat Asutenitic pada temperature ruang, lebih bersifat ulet dan memiliki ketahanan korosi lebih baik dibandingkan baja Stainless Ferritik dan Martensit. Setiap jenis baja Stainless Austenitic memiliki karakteristik khusus tergantung dari penambahan unsur pemadunya. Baja Stainless Austenitic hanya bisa dikeraskan melalui pengerjaan dingin. Material ini mempunyai kekuatan tinggi di lingkungan suhu tinggi dan bersifat cryogenic. Tipe 2xx mengandung nitrogen, mangan 4-15,5%wt, dan kandungan 7%wt nikel. Tipe 3xx mengandung unsur nikel tinggi dan maksimal kandungan mangan 2%wt. Unsur molybdenum, tembaga, silicon, aluminium, titanium dan niobium ditambah dengan karakter material tertentu seperti ketahanan korosi atau oksidasi. Sulfur ditambah pada tipe tertentu untuk memperbaiki sifat mampu mesin. Salah satu jenis baja Stainless Austenitic adalah AISI 304. Baja Austenitic ini mempunyai struktur kubus satuan bidang (face center cubic) dan merupakan baja dengan ketahanan korosi tinggi. Komposisi unsur–unsur pemadu yang terkandung dalam AISI 304 akan menentukan sifat mekanik
dan ketahanan korosi. Baja AISI 304 mempunyai kadar karbon sangat rendah 0,08%wt. Kadar kromium berkisar 18-20%wt dan nikel 8-10,5%wt yang terlihat pada Tabel 2.2 Kadar kromium cukup tinggi membentuk lapisan Cr2O3 yang protektif untuk meningkatkan ketahanan korosi. Komposisi karbon rendah untuk meminimalisasi sensitasi akibat proses pengelasan. Kelompok ini yang paling banyak ditemukan dalam aplikasi disekitar kita, contohnya: peralatan rumah tangga, tangki, vessel (bejana tekan), pipa, struktur baik yang bersifat konstruksi maupun arsitektural Memiliki kandungan Ni tidak kurang dari 7% yang mengakibatkan terbentuknya struktur Austenit dan memberikan sifat ulet (ductile). Stainless Steel 304, 304L, 316, 316L termasuk ke dalam type ini. Austenitic Stainless Steel bersifat non magnetic. Perbandingan sifat mekanik berbagai jenis Stainless Steel dapat dilihat pada Tabel 2.2. Table 2.2. Perbandingan Sifat Mekanik Berbagai Jenis Stainless Steel
Sumber:https://sites.google.com/site/andesteknik/Home/articles/klasifikasi-stainless-steel
Gambar 2.5. Diagram Hubungan Berbagai Jenis Stainless Steel. (Sumber:https://sites.google.com/site/andes