Simulasidan Analisis Pengujian Fatikpada Material Paduan Aluminium Dan Magnesiumyang Dilakukan Tempering
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Aluminium
2.1.1 Sejarah Aluminium
Aluminium ditemukan kira-kira sekitar 160 tahun yang lalu dan mulai
diproduksi skala industri sekitar 90 tahun yang lalu. Berikut sejarah
perkembangan tentang penemuan aluminium:
1. Pada tahun 1782, seorang ilmuwan Prancis bernama Lavoiser telah
menduga bahwa aluminium merupakan logam yang terkandung di dalam
alumina.
2. Pada tahun 1807, ahli kimia Inggris bernama Humphrey Davy berhasil
memisahkan alumina secara elektrokimia logam dan yang diperoleh dari
pengujian tersebut adalah aluminium.
3. Pada tahun 1821, biji sumber aluminium ditemukan di Prancis Selatan,
tepatnya di kota Lesbaux, yang dinamakan bauksit.
4. Pada tahun 1825, ahli kimia Denmark, Orsted berhasil memisahkan
aluminium murni dengan cara memanaskan aluminium chloride dengan
kalium amalgam dan kemudian memisahkan merkuri dengan cara
destilasi.
5. Pada tahun 1886, mahasiswa Oberlin College di Ohio, Amerika Serikat
bernama Charles Martin – Hall menemukan dengan cara melarutkan
alumina (Al2O3) dalam lelehan kliorit (Na3AlF6) pada temperatur 960
OC dalam bentuk kotak yang dilapisi logam karbon dan kemudian
melewatkan arus listrik melalui ruang tersebut. Cara ini dikenal dengan
proses Hall – Heroult, karena ini terjadi pada tahun yang sama dengan
seorang Prancis yang bernama Paul Heroult.
6. Pada tahun 1888, ahli kimia Jerman Karlf Josef Bayern menemukan cara
memperoleh alumina dari bauksit secara pelarutan kimia. Sampai saat ini
cara Bayer masih digunakan untuk memproduksi alumina dari bauksit
secara industry dan disebut dengan proses Bayer. (Davis, Jr, 1993).
5
Universitas Sumatera Utara
Metoda penambangan logam Aluminium adalah dengan cara mengelektrolisis
alumina yang terlarut dalam cryolite. metoda ini ditemukan oleh Hall di AS pada
Tahun 1886 dan pada saat yang bersamaan oleh Heroult di Perancis. Crylite, bijih
alami yang ditemukan di Greenland sekarang ini tidak lagi ditemukan untuk
memproduksi Aluminium secara komersil. Penggabtinya adalah cairan buatan
yang merupakan campuran natrium, Aluminium dan Kalsium Fluorida. Unsur ini
ringan, tidak megnetik dan tidak mudah terpercik, merupakan logam kedua
termudah dalam soal pembentukan, dan keenam dalam soal ductility. Aluminium
banyak digunakan sebagai peralatan dapur, bahan kpntruksi bangunan dan ribuan
aplikasi lainnya dimana logam yang mudah dibuat, kuat dan ringan diperlukan.
Walau konduktivitas listriknya hanya 60% dari tembaga, Aluminium
digunakan sebagai bahan transmisi karena ringan. Aluminium murni sangat lunak
dan tidak kuat. Tetapi dapat dicampur dengan tembaga, magnesium, silikon,
mangan,
dan
unsur-unsur
lainnya
untuk
membentuk
sifat-sifat
yang
menguntungkan. Campuran logam ini penting kegunaannya dalam kontruksi
pesawat modern dan roket. Logam ini jika diuapkan divakum membentuk lapisan
yang memiliki reflektivitas tinggi untuk cahaya yang tampak dan radiasi panas.
Lapisan ini juga menjaga logam dibawahnya dari proses oksidasi sehingga tidak
menurunkan nilai logam yang dilapisi. Lapisan ini juga digunakan untuk
memproteksi kaca teleskop.
Jenis Aluminium dibedakan berdasarkan kemurnian atau persentase
aluminium murni dalam komposisi kimia materialnya. Pengelompokan ini diatur
oleh Aluminium Association. Kode aluminium terdiri dari 4 digit dari 1XXX,
2XXX, 3XXX, …, 8XXX. Keterangan angka dapat dilihat sebagai berikut ;
1.
1 untuk Aluminium dengan kemurnian di atas 99%
2.
2 untuk paduan Coper
3.
3 untuk paduan Mangan
4.
4 untuk paduan Silikon
5.
5 untuk paduan Magnesium
6.
6 untuk paduan Magnesium Silikon
7.
7 untuk paduan zinc
6
Universitas Sumatera Utara
Pada aluminium tempa, seri 1xxx digunakan untuk aluminium murni. Digit
kedua dari seri tersebut menunjukkan komposisi aluminium dengan limit pengotor
alamiahnya, sedangkan dua digit terakhir menunjukkan angka kemurnian dua
desimalnya. Contoh pada AA 1170, Aluminium ini memiliki kemurnian 99,70%.
Digit pertama pada seri 2xxx sampai 7xxx menunjukkan kelompok
paduannya berdasarkan unsur yang memiliki persentase komposisi terbesar dalam
paduan. Digit kedua menunjukkan modifikasi dari unsur paduannya, jika digit
kedua bernilai 0 maka paduan tersebut murni terdiri dari aluminium dan unsur
paduan. Jika nilainya 1 – 9, maka paduan tersebut memiliki modifikasi dengan
unsur lainnya. Dua angka terakhir untuk seri 2xxx – 8xxx tidak memiliki arti
khusus,
hanya
untuk
membedakan
paduan
aluminium
tersebut
dalam
kelompoknya.
2.1.2 Sifat-sifat Aluminium
Sifat-sifat penting lainnya yang dimiliki aluminium sehingga banyak
digunakan sebagai material teknik, antara lain :
1.
Berat jenisnya ringan (hanya 2,7 gr/cm³, sedangkan besi ± 8,1 gr/ cm³)
2.
Tahan korosi
3.
Penghantar listrik dan panas yang baik
4.
Mudah di fabrikasi/di bentuk
5.
Kekuatannya
rendah
tetapi
pemaduan
(alloying)
kekuatannya
bisa
ditingkatkan.
Selain sifat-sifat material teknik, aluminium pun memiliki sifat mekanik
seperti:
a.
Kekerasan
Kekerasan bahan aluminium murni sangatlah kecil, yaitu sekitar 65 skala
Brinnel, sehingga dengan sedikit gaya saja dapat mengubah bentuk logam.
Untuk kebutuhan aplikasi yang membutuhkan kekerasan, aluminium perlu
dipadukan dengan logam lain dan/atau diberi perlakuan termal atau fisik.
b.
Kekuatan tensile
Kekuatan tensile pada aluminium murni pada berbagai perlakuan umumnya
sangat rendah, yaitu sekitar 90 MPa, sehingga untuk penggunaan yang
memerlukan kekuatan tensil yang tinggi, aluminium perlu dipadukan. Dengan
7
Universitas Sumatera Utara
dipadukan dengan logam lain, ditambah dengan berbagai perlakuan termal,
aluminium paduan akan memiliki kekuatan tensil hingga 580 Mpa (paduan
7075).
c.
Ductility
Ductility didefinisikan sebagai sifat mekanis dari suatu bahan untuk
menerangkan seberapa jauh bahan dapat diubah bentuknya secara plastis
tanpa terjadinya retakan. Aluminium murni memiliki ductility yang tinggi.
Aluminium paduan memiliki ductility yang bervariasi, tergantung konsentrasi
paduannya, namun pada umumnya memiliki ductility yang lebih rendah dari
pada aluminium murni, karena ductility berbanding terbalik dengan kekuatan
tensile, serta hampir semua aluminum paduan memiliki kekuatan tensil yang
lebih tinggi dari pada aluminium murni.
2.2 Magnesium
Magnesium adalah unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki simbol
Mg dan nomor atom 12 serta berat atom 24,31. Magnesium adalah elemen
terbanyak kedelapan yang membentuk 2% berat kulit bumi, serta merupakan
unsur terlarut ketiga terbanyak pada air laut. Logam alkali tanah ini terutama
digunakan sebagai zat campuran (alloy) untuk membuat campuran alumuniummagnesium yang sering disebut "magnalium" atau "magnelium".Magnesium ialah
logam yang berwarna putih perak dan sangat mengkilap dengan titik cair 651 0C
yang dapat digunakan sebagai bahan paduan ringan, sifat dan karakteristiknya
sama dengan Aluminium. Perbedaan titik cairnya sangat kecil tetapi sedikit
berbeda dengan Aluminium terutama pada permukaannya yang mudah keropos
bila terjadi oxidasi dengan udara. Oxid film yang melapisi permukaan Magnesium
hanya cukup melindunginya dari pengaruh udara kering, sedangkan udara lembab
dengan kandungan unsur garam kekuatan oxid dari Magnesium akan menurun,
oleh kerana itu perlindungan dengan cat atau lac (pernis) merupakan metoda
dalam melidungi Magnesium dari pengaruh korosi kelembaban udara. Magnesium
memiliki kekuatan tarik hingga 110 N/mm2 dan dapat ditingkatkan melalui proses
pembentukan hingga 200 N/mm2
8
Universitas Sumatera Utara
Magnesium merupakan salah satu jenis logam ringan dengan karakteritik
sama dengan aluminium tetapi magnesium memiliki titik cair yang lebih rendah
dari pada aluminium. Seperti pada aluminium, magnesium juga sangat mudah
bersenyawa dengan udara (Oksigen).Perbedaannya dengan aluminium ialah
dimana magnesium memiliki permukaan yang keropos yang disebabkan oleh
serangan kelembaban udara karena oxid film yang terbentuk pada permukaan
magnesium ini hanya mampu melindunginya dari udara yang kering. Unsur air
dan garam pada kelembaban udara sangat mempengaruhi ketahanan lapisan oxid
pada magnesium dalam melindunginya dari gangguan korosi.Untuk itu benda
kerja yang menggunakan bahan magnesium ini diperlukan lapisan tambahan
perlindungan seperti cat atau meni.
Magnesium murni memiliki kekuatan tarik sebesar 110 N/mm 2 dalam bentuk
hasil pengecoran (Casting), angka kekuatan tarik ini dapat ditingkatkan melalui
proses pengerjaan. Magnesium bersifat lembut dengan modulus elsatis yang
sangat rendah. Magnesium memiliki perbedaan dengan logam-logam lain
termasuk dengan aluminium, besi tembaga dan nickel dalam sifat pengerjaannya
dimana magnesium memiliki struktur yang berada didalam kisi hexagonal
sehingga tidak mudah terjadi slip. Oleh karena itu,magnesium tidak mudah
dibentuk dengan pengerjaan dingin.Disamping itu, presentase perpanjangannya
hanya mencapai 5 % dan hanya mungkin dicapai melalui pengerjaan panas.
Tabel 2.1 Sifat Fisik Magnesium
Sumber: http://bilangapax.blogspot.com/2011/02/magnesium-dan-paduannya.html
9
Universitas Sumatera Utara
1.
Magnesium dan paduan magnesium
Magnesium (Mg) adalah logam teknik ringan yang ada, dan memiliki
karakteristik meredam getaran yang baik. Paduan ini digunakan dalam
aplikasi struktural dan non-struktural dimana berat sangat diutamakan.
Magnesium juga merupakan unsur paduan dalam berbagai jenis logam
nonferro.
Paduan magnesium khusus digunakan di dalam pesawat terbang dan
komponen rudal, peralatan penanganan material, perkakas listrik portabel,
tangga, koper, sepeda, barang olahraga, dan komponen ringan umum. Paduan
ini tersedia sebagai produk cor/tuang (seperti bingkai kamera) atau sebagai
produk tempa (seperti kontruksi dan bentuk balok/batangan, benda tempa,
dan gulungan dan lembar plat). Paduan magnesium juga digunakan dalam
percetakan dan mesin tekstil untuk meminimalkan gaya inersia dalam
komponen berkecepatan tinggi.
Karena tidak cukup kuat dalam bentuk yang murni, magnesium
dipaduankan dengan berbagai elemen untuk mendapatkan sifat khusus
tertentu, terutama kekuatan untuk rasio berat yang tinggi. Berbagai paduan
magnesium memiliki pengecoran, pembentukan, dan karakteristik permesinan
yang baik. Karena magnesium mengoksidasi dengan cepat (pyrophpric), ada
resiko/bahaya kebakaran, dan tindakan pencegahan yang harus diambil ketika
proses permesinan, grindling, atau pengecoran pasir magnesium. Meskipun
demikian produk yang terbuat dari magnesium dan paduannnya tidak
menimbulkan bahaya kebakaran selama penggunaannya normal.
Sifat-sifat mekanik magnesium terutama memiliki kekuatan tarik yang
sangat rendah. Oleh karena itu magnesium murni tidak dibuat dalam teknik.
Paduan magnesium memiliki sifat-sifat mekanik yang lebih baik serta banyak
digunakan Unsur-unsur paduan dasar magnesium adalah aluminium, seng dan
mangan. Penambahan Al diatas 11%, meningkatkan kekerasan, kuat tarik dan
fluidity (keenceran) Penambahan seng meningkatkan ductility (perpanjangan
relative) dan castability (mampu tuang).Penambahan 0,1 – 0,5 %
meningkatkan ketahanan korosi.Penambahan sedikit cerium, zirconium dan
10
Universitas Sumatera Utara
baryllium dapat membuat struktur butir yang halus dan meningkatkan
ductility dan tahan oksidasi pada peningkatan suhu.
2.
Penerapan Magnesium paduan
Magnesium paduan Cor yang dibentuk dengan cetakan pasir (Sand-Cast)
banyak digunakan dalam pembuatan block-block engine pada Motor bakar,
sedangkan Magnesium yang dibentuk dengan Pressure Die-Casting banyak
digunanakan dalam pembuatan peralatan rumah tangga dan kelengkapan
kantor. Magnesium Cor tempa dibentuk dengan cara extrusi dan digunakan
sebagai Trap dan relling tangga. Magnesium paduan juga digunakan dalam
Teknologi Nuclear sebagai tabung Uranium dimana Magnesium sangat
rendah dalam penyerapan Neutron pada penampang lintang.
3.
Manfaat Magnesium
a) Magnesium dapat digunakan untuk memberi warna putih terang pada
kembang api dan pada lampu Blitz
b) Senyawa MgO dapat digunakan untuk melapisi tungku, karena senyawa
MgO memiliki titik leleh yang tinggi
2.3 Fatik
Fatik atau kelelahan merupakan fenomena terjadinya kerusakan material
karena pembebanan yang berulang-ulang, diketahui bahwa apabila pada suatu
logam dikenai tegangan berulang maka logam tersebut akan patah pada tegangan
yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan tegangan yang dibutuhkan untuk
menimbulkan perpatahan pada beban statik. Kerusakan akibat beban berulang ini
disebut patah lelah (fatigue failures) karena umumnya perpatahan tersebut terjadi
setelah periode pemakaian yang cukup lama.
Mekanisme terjadinya kegagalan fatik dapat dibagi menjadi tiga fase yaitu:
awal retak (initiation crack), perambatan retak (crack propagation), dan
perpatahan akhir (fracture failure).
2.3.1 Awal Retak (initiation crack)
Cacat (defect) pada struktur dapat bertindak sebagai awal keretakan. Cacat
pada struktur berdasarkan asal terbentuknya dapat dikategorikan menjadi dua
kelompok.
11
Universitas Sumatera Utara
Cacat yang terbentuk selama masa fabrikasi, disebabkan oleh :
a. Cacat lateral yang terjadi pada material (material defect).
b. Cacat
yang
disebabkan
karena
proses
pengerjaan
material
(manufacturing defect).
Contohnya
seperti
tumpulnya
peralatan-peralatanyang
digunakan
untuk
pengerjaan material, panas yang berlebihan yang disebabkan karena pengelasan
dan sebagainya.
2.3.2 Perambatan Retak (crack propagation )
Jumlah total siklus yang menyebabkan kegagalan fracture merupakan
penjumlahan jumlah siklus yang menyebabkan retakan awal dan fase
perambatannya.
Initiation
Crack
ini
berkembang menjadi
microcracks.
Perambatan atau perpaduan microcracks ini kemudian membentuk macrocracks
yang akan berujung pada failure.
2.3.3 Perpatahan akhir (fracturefailure)
Final fracture adalah proses akhir kerusakan pada struktur saat mengalami
pembebanan, sehingga struktur tersebut mengalami kegagalan. Ketika terjadi
penjalaran retak, penampang pada bagian tersebut akan berkurang.
Sampai pada kondisi dimana penampang pada bagian tersebut tidak mampu
menahan beban yang terakhir kalinya. Pada tahap ini penjalaran retak yang terjadi
sangat cepat sehingga struktur akan pecah menjadi dua. Penjalaran yang cepat
tersebut sering disebut fast fracture.
Gambar 2.1Skematis permukaan patah lelah rotary bendingpenampang bulat
Karakteristik kelelahan logam dapat dibedakan menjadi 2 karakteristik makro
dan karakteristik mikro. Karakteristik makro merupakan ciri-ciri kelelahan yang
dapat diamati secara visual (dengan mata telanjang dan kaca pembesar).
12
Universitas Sumatera Utara
Sedangkan karateristik mikro hanya dapat diamati dengan menggunakan
mikroskop.
Fatigue atau kelelahan menurut ASM (1975) didefinisikan sebagai proses
perubahan struktur permanen progressive localized pada kondisi yang
menghasilkan fluktuasi regangan dan tegangan dibawah kekuatan tariknya dan
pada satu titik atau banyak titik yang dapat memuncak menjadi retak (crack) atau
patahan (fracture) secara keseluruhan sesudah fluktuasi tertentu. Progressive
mengandung pengertian proses fatigue terjadi selama jangka waktu tertentu atau
selama pemakaian, sejak komponen atau struktur digunakan. Localized berarti
proses fatigue beroperasi pada luasan lokal yang mempunyai tegangan dan
regangan yang tinggi karena pengaruh beban luar, perubahan geometri, perbedaan
temperatur, tegangan sisa dan tidak kesempurnaan diri. Crack merupakan awal
terjadinya kegagalan fatigue dimana kemudian crack merambat karena adanya
beban berulang. Fracture merupakan tahap akhir dari proses fatigue dimana bahan
tidak dapat menahan tegangan dan regangan yang ada sehingga patah menjadi dua
bagian atau lebih.
Konsep tegangan-siklus (S-N) merupakan pendekatan pertama untuk
memahami fenomena kelelahan logam. Konsep ini secara luas dipergunakan
dalam aplikasi perancangan material dimana tegangan yang terjadi dalam daerah
elastik dan umur lelah yang panjang. Metode S-N ini tidak dapat diterapkan dalam
kondisi sebaliknya ( tegangan dalam daerah plastis dan umur lelah yang relative
pendek), hal ini dapat dilihat pada gambar 2.2.4 berikut ini:
Gambar 2.2 Pembagian daerah umur lelah dalam kurva S-N
Sumber: http://blog.ub.ac.id
13
Universitas Sumatera Utara
HCS = high cycles stress/strain
LCS = low cycles stress/strain
HCF = high cycles fatigue
LCF = low cycles fatigue
PCS = plastis cycles strain
ECS = elastic cycles strain
Penyajian data fatigue rekayasa adalah menggunakan kurva S-N yaitu
pemetaan tegangan (S) terhadap jumlah siklus sampai terjadi kegagalan (N).
Kurva S-N ini lebih diutamakan menggunakan skala semi log seperti ditunjukan
pada gambar 2.2.5 Untuk beberapa bahan teknis yang penting.
Gambar 2.3 Kurva S-N
Sumber: http://blog.ub.ac.id
Kurva tersebut didapat dari pemetaan tegangan terhadap jumlah siklus sampai
terjadi kegagalan pada benda uji. Pada kurva ini siklus menggunakan skala
logaritma. Batas ketahan fatigue (endurance limit ) baja ditentukan pada jumlah
siklus N>107 (Dieter,1992).
Persamaan umum kurva S-N dinyatakan oleh persamaan ( dowling,1991).
S = B + C ln (Nf)
Dengan :
B dan C adalah konstanta empiris material
Pengujian fatigue dilakukan dengan cara memberikan stress level tertentu
sehingga spesimen patah pada siklus tertentu.
Retak fatigue biasanya dimulai pada permukaan di mana lentur dan torsi
menyebabkan terjadinya tegangan-tegangan yang tinggi atau di tempat-tempat
yang tidak rata menyebabkan terjadinya konsentrasi tegangan. Oleh karena itu,
14
Universitas Sumatera Utara
batas ketahanan (endurance limit) sangat tergantung pada kualitas penyelesaian
permukaan (Van Vlack,1983).
2.4 Aspek Rekayasa Fatik
Pada pengujian material di laboratorium, sistem tegangan biasanya
disederhanakan, dan baik tipe uji Woehler dan tipe uji tekan-tarik lazim
diterapkan. Hasil uji digambarkan dalam bentuk kurva S-N yang terkenal (yaitu
kurva skala logaritma dari tegangan terhadap jumlah siklus hingga gagal). Baja
feritik menghasilkan limit fatik sejati dengan rasio fatik S/TS ≈ 0,5.
Namun, material lain seperti aluminium atau paduan berbasis-tembaga,
khususnya jenis pengerasan-penuaan, jelas tidak menunjukkan diskontinuitas
yang jelas pada kurva S-N. Material ini tidak memiliki limit fatik dan yang
dispesifikasi hanyalah limit ketahanan pada sejumlah N siklus. Pentingnya efek
ini digambarkan oleh perilaku paduan berbasis-aluminium yang mengandung
seng, magnesium, dan tembaga. Paduan seperti ini mempunyai TS sebesar 617
MN/m2 tetapi tegangan umur fatik 108 siklus hanya 154 MN/m2 (dengan kata lain,
sebuah rasio fatik pada 108 siklus sebesar 0,25).
Amplitudo siklus tegangan yang diterapkan terhadap spesimen merupakan
satu-satunya variabel tunggal penting untuk menentukan umurnya pada
pembebanan fatik, tetapi kinerja material juga sangat dipengaruhi oleh berbagai
kondisi, yang dapat dirangkum sebagai berikut :
Persiapan permukaankarena retak fatik seringkali mulai terjadi di permukaan
atau dekat permukaan komponen, kondisi permukaan merupakan hal pentingyang
menentukan umur fatik. Penghilangan bekas pemesinan dan ketidakteraturan lain
di permukaan hampir selalu akan meningkatkan sifat fatik. Lapisan permukaan
dalam keadaan kompresi, misalnya oleh tumbukan peluru (shot peening) atau
perlakuan-permukaan meningkatkan umur fatik.
Efek termperaturmempengaruhi sifat fatik sama seperti pengaruhnya terhadap
kekuatan tarik (tensile), kekuatan fatik paling tinggi terdapat pada temperatur
rendah dan turun secara bertahap dengan meningkatnya temperatur. Untuk baja
lunak, rasio limit fatik terhadap TS sekitar 0,5, sedangkan rasio limit fatik
terhadap tegangan luluh memiliki rentang variasi limit yang lebih lebar.
15
Universitas Sumatera Utara
Namun, apabila temperatur dinaikkan melampaui 100ºC, baik kekuatan tarik
maupun kekuatan fatik baja-lunak meningkat, dan mencapai nilai maksimum
antara 200ºC dan 400ºC. Peningkatan ini, yang jarang dijumpai pada material lain,
disebabkan karena penuaan-regangan
Frekuensi siklus teganganPada berbagai logam, pengaruh frekuensi siklus
tegangan pada umur fatik kurang berarti, meskipun penurunan frekuensi biasanya
menghasilkan umur fatik yang sedikit lebih rendah. Efeknya lebih besar apabila
temperatur uji fatik dinaikkan, yaitu ketika umur fatik cenderung bergantung pada
waktu pengujian keseluruhan dan tidak pada jumlah siklus. Namun, pada baja
lunak, percobaan menunjukkan bahwa efek kecepatan normal berbalik pada
rentang temperatur tertentu dan jumlah siklus yang gagal bertambah dengan
berkurangnya frekuensi siklus tegangan. Efek ini dapat dikorelasikan dengan
pengaruh temperatur dan laju-regangan pada kekuatan tarik. Temperatur di mana
kekuatan tarik mencapai maksimum bergantung pada laju regangan. Oleh karena
itu, tidak mengherankan bahwa temperatur dimana kekuatan fatik mencapai
maksimum bergantung pada frekuensi siklus.
Tegangan rata-rata Untuk kondisi fatik dimana tegangan rata-rata
∆�� = (�
+�
�
)/2
Tidak melebihi tegangan luluh � , maka hubungan
∆�� =
Yang dikenal sebagai hukum Basquin, berlaku untuk rentang siklus 10 2
1
hingga ≈ 105, yaitu σ kurang dari nilai ”lutut” kurva S-N, dimana ≈ 10 dan �
adalah jumlah siklus hingga patah.
Untuk fatik siklus rendah dimana ∆� > � maka hukum Bisquin tidak berlaku
lagi, tetapi berlaku hubungan
∆� � = � =
Yang disebut hukum Coffinmanson, dimana ∆�
adalah rentang plastis,
≈ 0,6 dan D adalah keuletan material. Apabila tegangan rata-rata berkurang.
Telah diusulkan beberapa hubungan antara limit fatik dan tegangan tarik maka
limit fatik berkurang. Telah diusulkan beberapa hungan antara limit fatik dan
16
Universitas Sumatera Utara
tegangan rata-rata, seperti digambarkan pada Gambar 2.2.5, namun tidak ada
alasan teoretis mengapa material mengikuti suatu hubungan tertentu dan satusatunya cara yang aman untuk dijadikan dasar desain adalah melakukan
percobaan pendahuluan terhadap material yang digunakan untuk menentukan
perilaku dengan kondisi yang sama dengan kondisi pemakaian.
Hubungan rekayasa lain yang sering digunakan adalah konsep kerusakan
kumulatif miner., yang diperlihatkan pada Gambar 2.3. hipotesis ini menyatakan
bahwa kerusakan dapat dinyatakan dalam jumlah siklus yang diterapkan dibagi
dengan jumlah yang menimbulkan kegagalan pada level tegangan tertentu. Jadi
apabila nilai tegangan maksimum yang diterapkan adalah S 1 pada spesimen
tertentu untuk n1 periode yang kurang dari umur fatik N1 , maka nilai tegangan
maksimum berkurang menjadi S2, dan spesimen akan gagal setelah n2 siklus,
karena sesuai dengan hukum Miner berlaku hubungan berikut :
Σ� = 1
1
�1
+
2 �2
+⋯=
Lingkungan Fatik yang terjadi di lingkungan korosif disebut fatik korosi.
Dan serangan korosi yang berjalan seiring dengan pembebanan fatik,
menghasilkan efek perusakan yang jauh lebih besar dibandingkan dengan efek
takik semata. Selain ituhasil observasi mikroskopik menunjukkan bahwa efek
lingkungan terhadap perambatan retak lebih besar dibandingkan efek terhadap
inisiasi retak. Untuk berbagai material di atmosfer, oksigen menurunkan umur
fatik karena mempengaruhi kecepatan perambatan retak, dan dapat diperoleh
hubungan antara umur fatik dengan derajat vakum di mana spesimen berada.
Gambar 2.4 Hubungan fatik
17
Universitas Sumatera Utara
2.5 Pengaruh Material pada Kelelahan Logam
Sifat-sifat kelelahan logam sangat peka terhadap perubahan struktur, hingga
saat ini cara untuk memperbaiki sifat-sifat lelah melalui proses metalurgi belum
banyak berkembang. Perbaikan yang banyak dilakukan masih terhadap perubahan
rancanganyang bertujuan untuk mengurangi konsentrasi tegangan, namun terdapat
beberapa faktro metalurgi yang harus diperhatikan untuk memperbaiki
performance lelah yang lebih baik terhadap logam atau paduan tertentu. Untuk
mengetahui efek variabel metalurgi pada sifat lelah akibat perlakuan panas dapat
melalui uji fatik rotating bending, biasanya dilakukan dengan benda uji yang
halus dan dipoles serta diuji pada kondisi tegangan balik sempurna.
Sifat lelah sering dihubungkan dengan kekuatan tarik namun juga
berpengaruh pada ukuran butir seperti bahan kuningan yang menunjukkan
pergelinciran yang menyebabkan perbatasan butir akan mengontrol terjadinya laju
retakan dan secara pendekatan nilai ketahanan.
Umumnya struktur mikro hasil temper mengakibatkan sifat-sifat lelah yang
optimum pada baja paduan rendah yang mengalami perlakuan panas. Untuk
kekerasan di atas 40 HRC struktur bainit yang diperoleh dengan proses temper
menghasilkan sifat-sifat lelah yang lebih baik dibandingkan struktur hasil
pencelupan dan temper dengan kekerasan yang sama. Mikroskop elektron
menunjukkan bahwa sifat-sifat yang kurang baik dari struktur hasil pencelupan
dan temper disebabkan oleh efek konsentrasi tegangan pada lapisan karbida tipis
yang terbentuk selama proses temper.
2.5.1 Faktor yang Mempengaruhi Kekuatan Fatik
Faktor yang mempengaruhi kekuatan fatik dari suatu bahan dapat
dikelompokkan menjadi tiga bagian :
Faktor mekanis yang terdiri dari :
a. konsentrasi tegangan
Kekuatan fatik sangat dipengaruhi oleh adanya alat pemicu naiknya
tegangan secara lokal atau sering disebut konsentrasi tegangan (bukan
tegangan akibat beban), seperti takikan, lubang, perubahan dimensi.
Kebanyakan komponen-komponen mesin selalu mengandung konsentrasi
18
Universitas Sumatera Utara
tegangan ini, seperti alur pasak ataupun lubang. Maka biasanya retak
awal akibat lelah dimulai pada daerah ini. Salah satu cara terbaik untuk
mengurangi kegagalan fatik adalah mengurangi naiknya alat pemicu
naiknya tegangan secara lokal, melalui perencanaan yang cermat dan
dengan permesinan yang baik.
b. Pengaruh permukaan
Pada dasarnya lelah terjadi pada semua permukaan bahan. Untuk
sebagian jenis pembebanan yang umum, seperti lenturan dan puntiran
tegangan maksimum terjadi pada permukaan sehingga merupakan yang
logis bahwa retakan akan mulai pada permukaan tersebut. Cukup banyak
bukti bahwa sifat-sifat lelah sangat peka terhadap kondisi permukaan.
Faktor yang mempengaruhi permukaan benda uji dapat dibagi menjadi
tiga
bagian,
yaitu:Kekerasan
permukaan,
perubahan
sifat-sifat
permukaan, tegangan sisa (Residual Stress).
c. Pengaruh ukuran specimen
Berdasarkan pengujian laboratorium dapat dinyatakan, bahwa pada
komponen-komponen mesin menunjukkan adanya pengaruh ukuran
terhadap kekuatan fatik yaitu terhadap komponen-komponen yang lebih
besar mempunyai kekuatan fatik yang lebih rendah dibandingkan dengan
komponen-komponen mesin yang lebih kecil.
1. Faktor metallurgi : yang terdiri dari besar dan arah orientasi butiran.
2. Faktor lingkungan : yang terdiri dari lelah korosi, temperature dan
thermal
Perubahan ukuran benda uji biasanya mengakibatkan variasi dalam dua
faktor:
Pertambahan diameter menyebabkan pertambahan volume atau luas
penampang benda uji.Untuk benda uji tidak bertakik dan bertakik diberi beban
lentur atau beban torsi, dengan pertambahan diameter biasanya menurunkan
gradien tegangan disepanjang diameter dan pertambahan volume, pada beban
yang mengalami tegangan-tegangan tinggi.
19
Universitas Sumatera Utara
2.5.2 Faktor Metallurgi
Sifat- sifat lelah logam-logam sangat peka terhadap struktur. Akan tetapi
hingga saat ini cara untuk memperbaiki sifat-sifat metallurgi belum banyak
berkembang. Namun demikian, terdapat beberapa faktor metallurgi yang terus
diperhatikan untuk menjamin performance yang paling baik dari logam atau
paduan tertentu.
Dari penelitian menunjukkan bahwa efek metallurgi ini antara lain besar
butiran dan arah butiran. Material yang mempunyai butiran harus menunjukkan
sifat-sifat fatik yang lebih tinggi dibanding dengan material yang mempunyai
butiran yang lebih kasar pada komposisi yang sama. Arah butiran menunjukkan
pengaruh yang cukup signifikan terhadap kekuatan lelah dari suatu logam.
2.5.3 Faktor Lingkungan
Proses yang berlangsung secara bersamaan antara tegangan berulang dan
serangan kimia (korosi), dikenal sebagai lelah korosi. Serangan korosi tanpa
diikuti beban tegangan biasanya mengakibatkan lubang pada permukaan. Lubang
ini bertindak sebagai takik dan mengakibatkan berkurangnya kekuatan lelah,
maka di hasilkan penurunan sifat-sifat lelah yang lebih besar dibandingkan
dengan kerugian yang dialami akbiat terjadinya serangan korosi sebelumnya. Bila
proses korosi dan fatik terjadi bersamaan, maka serangan korosi akan
mempercepat laju rambat retak fatik.
2.6 SolidWorks
SOLIDWORKS adalah salah satu CAD software yang dibuat oleh DASSAULT
SYSTEMES dimana software ini digunakan untuk merancang part permesinan
atau susunan part permesinan yang berupa assembling dengan tampilan 3D untuk
merepresentasikan part sebelum real part nya dibuat atau tampilan 2D (drawing )
untuk gambar proses permesinan.
Solidworks pertama kali diperkenalkan pada tahun 1995 sebagai pesaing
untuk program CAD seperti Pro-ENGINEER, NX Siemens, I-Deas, Unigraphics,
Autodesk Inventor, Autodeks AutoCAD dan CATIA. SolidWorks
Corporation didirikan pada tahun 1993 oleh Jon Hirschtick, dengan merekrut tim
insinyur profesional untuk membangun sebuah perusahaan yang mengembangkan
20
Universitas Sumatera Utara
perangkat lunak CAD 3D, dengan kantor pusatnya di Concord, Massachusetts,
dan merilis produk pertama, SolidWorks 95, pada tahun 1995. Pada tahun 1997
Dassault Systèmes, yang terkenal dengan CATIA CAD software, mengakuisisi
perusahaan dan sekarang ini memiliki 100% dari saham SolidWorks. SolidWorks
dipimpin oleh John McEleney dari tahun 2001 hingga Juli 2007, dan sekarang
dipimpin oleh Jeff Ray.
Saat ini banyak industri manufaktur yang sudah memakai software ini,
menurut informasi WIKI , SolidWorks saat ini digunakan oleh lebih dari 3/4 juta
insinyur dan desainer di lebih dari 80.000 perusahaan di seluruh dunia. Di
Indonesia, dulu orang familiar dengan AUTOCAD untuk desain perancangan
gambar teknik seperti yang penulis alami, tapi sekarang dengan mengenal
SOLIDWORKS maka AUTOCAD sudah jarang saya pakai. Untuk permodelan
pada industri pengecoran logam dalam hal pembuatan pattern nya, program
program 3D seperti ini sangat membantu sebab akan memudahkan operator
pattern untuk menterjemahkan gambar menjadi pattern/model casting pengecoran
logam dan tentunya akan mengurangi kesalahan pembacaan gambar yang bisa
mengakibatkan salah bentuk. Pada industri permesinan, selain dihasilkan gambar
kerja untuk pengerjaan mesin manual juga hasil geometri dari dari suatu produk
desain, aplikasi pada SolidWorks ini bisa secara langsung diproses dengan CAM
program untuk membuat G Code yang dipakai untuk menjalankan proses
permesinan automatic dengan CNC, software aplikasi CAM yang bisa digunakan
antaralain:MASTERCAM, SOLIDCAM, VISUALMILL, dan lain-lain.
Gambar 2.5 Logo Software Solidworks
21
Universitas Sumatera Utara
2.7 Ansys
ANSYS adalah sebuah software analisis elemen hingga dengan kemampuan
menganalisa dengan cakupan yang luas untuk berbagai jenis masalah ( Tim
Langlais, 1999). ANSYS mampu memecahkan persamaan differensial dengan cara
memecahnya menjadi elemen-elemen yang lebih kecil.
Pada
awalnya
program
ini
bernama
STASYS
(Structural
Analysis
System),kemudian berganti nama menjadi ANSYS yang ditemukan pertama kali
oleh Dr.John Swanson pada tahun 1970.
ANSYS merupakan tujuan utama dari paket permodelan elemen hingga untuk
secara numerik memecahkan masalah mekanis yang berbagai macam. Masalah
yang ada termasuk analisa struktur statis dan dinamis (baik linear dan non-linear),
distribusi panas dan masalah cairan, begitu juga dengan ilmu bunyi dan masalah
elektromagnetik.
Teknologi ANSYS mekanis mempersatukan struktur dan material yang
bersifat non-linear. ANSYS multiphysic juga mengatasi masalah panas,
struktur,elektromagnetik, dan ilmu bunyi. Program ANSYS dapat digunakan dalam
tekniksipil, teknik listrik, fisika dan kimia.
Gambar 2.6 Logo Software Ansys
2.7.1 Cara Kerja ANSYS
ANSYS
bekerja
dengan
sistem
metode
elemen
hingga,
dimana
penyelesaiannya pada suatu objek dilakukan dengan memecah satu rangkaian
kesatuan menjadi bagian-bagian yang lebih kecil dan dihubungkan dengan node.
Hasil yang diperoleh dari ANSYS ini berupa pendekatan dengan menggunakan
analisa numerik. Ketelitiannya sangat bergantung pada cara kita memecah model
tersebut dan menggabungkannya.
22
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.2Satuan-satuan dalam SI
Gambar 2.7 Sistem Satuan dalam Ansys
2.7.2 Studi Pustaka SolidWorks dan Ansys
a. Pembahasan
Analisis fatik berbantuan komputer menggunakan hasil studi statis
berupa besaran tegangan atau regangan sebagai input untuk kalkulasi
umur fatik misal dari paket analisis FEM Algor dengan Fatigue Wizard
dan Simulation: Static dan Fatigue pada SolidWorks. Studi statis diatur
dengan pemilihan material yang sesuai, kondisi kontak, beban-beban dan
fikstur. Jenis mesh elemen yang tersedia biasanya adalah solid, shell, dan
23
Universitas Sumatera Utara
campurannya
dengan
objek-objek
berupa
permukaan
(surface),
bentangan (beam) dan padat (solid).
Gambar 2.8 Studi Statis Algor dan SolidWorks
Sumber: Williams (2011)
Setelah mengatur properti awal (fatigue tool) untuk studi langkah
selanjutnya adalah mengatur parameter-parameter studi fatik yang dapat sedikit
berbeda urutan dan tampilan antar mukanya untuk masing-masing paket perangkat
lunak tersebut, namun secara garis besar terdiri dari tiga permasalahan utama
24
Universitas Sumatera Utara
yaitu penentuan material, melakukan analisis dan evaluasi hasil.Teknika, Vol.
XXXII, No.1, Desember 2011 ISSN: 0854-3143 Irawan Malik 10.
Gambar 2.9 Pengaturan awal property studi fatik asnys workbench
Sumber: Hancq (2011)
Gambar 2.10 Pengaturan Awal Properti Studi Fatik SolidWorks 2010
Jumlah siklus-siklus yang dibutuhkan untuk gagal fatik yang terjadi pada
suatu lokasi tergantung pada material dan fluktuasi tegangan atau regangan.
Informasi-informasi ini untuk material tertentu diberikan oleh suatu kurva yang
disebut kurva S-N, ditampilkan pada gambarberikut ini.
Nyatakan informasi material berupa modulus elastis (E, N/m2) dan kekutan
tarik ( t, σ/m2) menggunakan database secara ekstensif, mampu edit atau nilai-
25
Universitas Sumatera Utara
nilai yang telah ditetapkan (custom). Kurva regangan (strain, E)-umur (life, N)
atau tegangan (S)-umur (life, N) secara otomatis akan dimunculkan oleh paket
perangkat lunak analisis fatik, yang dapat dilihat untuk memverifikasi akses
(entry) data material. Selain itu, ada alternatif lain untuk mengetikkan data
material yang didapat dari eksperimen atau sumber lain untuk menciptakan kurva
khusus (customized). Faktor pengali (multiplier) dapat pula dimasukkan untuk
mensimulasikan konsentrasi tegangan lokal seperti sambungan las atau faktor
permukaan karena proses permesinan.
Definisikan sejarah beban (load history), gambar a.6 dengan menyatakan
nilai-nilai pengali beban terhadap waktu termasuk kasus-kasus pengali beban dan
analisis transien. Kemudian nyatakan jumlah repitisi siklus beban yang dapat
ditahan tanpa kerusakan (failure). Opsi-opsi lain juga disediakan oleh paket
Fatigue Wizard untuk menghitung faktor keamanan dan jumlah siklus sampai
kerusakan terjadi.Teknika, Vol. XXXII, No.1, Desember 2011 ISSN: 0854-3143
Irawan Malik 11.
Gambar 2.11 Pengaturan pemilihan material dan Kurva S-N dari SolidWorks
2010
26
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.12 Pengaturan pemilihan material dan kurva S-N dari Fatigue Wizard
Sumber: Williams (2011)
Gambar 2.13 Contoh tampilan kurva sejarah beban variabel
Sumber: Teknika, Vol. XXXII, No.1, Desember 2011
Setelah menjalankan proses kalkulasi fatik dengan mengklik ikon run (ada
kemungkinan berbeda untuk masing-masing paket perangkat lunak), sinopsis
hasil-hasil (results) akan ditampilkan, yang menunjukkan apakah desain yang
dibuat aman berdasarkan parameter-parameter yang telah diisikan termasuk
menunjukkan prediksi jumlah siklus hingga terjadinya kegagalan (failure).
Penampilan kontur hasil analisis dapat dilihat pada gambar-gambar berikut ini.
Teknika, Vol. XXXII, No.1, Desember 2011 ISSN: 0854-3143 Irawan Malik 12.
27
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.14 Hasil analisis fatik persentase kerusakan dan umur siklus kegagalan
Gambar kerusakan (damage factor) menampilkan persentase umur dari suatu
bagian pada suatu asembling (gambar a.7 sebelah kiri) yang menunjukkan bahwa
dari parameter yang diatur sebelumnya akan mengkonsumsi sekitar 9.036% umur
model. Sedangkan gambar umur (life plot) menunjukkan kegagalan karena fatik
dapat terjadi di sekitar poros horizontal (gambar a.7 sebelah kanan) pada ± 8019
siklus. Tampilan kurva Rainflow dari paket analisis fatik berbasis komputer dapat
berupa gambar 2 dimensi (2D) dan 3 dimensi (3D) seperti ditampilkan pada
gambar-gambar a.8, a.9 dan a.10 berikut ini.
Ada dua pilihan dalam menampilkan rainflow di SolidWorks 2010 yaitu
pertama, fast counting yang digunakan bila studi fatik berasal dari satu studi statis
dan hanya memiliki satu even variabel amplitudo. Dalam hal ini, program
mengekstraksi bin secara langsung dari rekaman orisinal dan mengevaluasi
kerusakan (damage) yang dihasilkan dari setiap bin di setiap node dan kemudian
mengkalkulasi kerusakan akumulatif, dan kedua, disebut analisis penuh apabila
even variabel amplitudo jamak digunakan, program mengkalkulasi tegangantegangan di setiap titik terhadap waktu untuk setiap rekaman variabel amplitudo di
setiap node. Di setiap node, program mengkombinasikan tegangan-tegangan dan
mengekstrak bin rainflow yang kemudian digunakan untuk mengevaluasi
kerusakkan. Cara ini juga digunakan bila rekaman variabel amplitudo berkaitan
dengan lebih dari satu studi berbeda interval atau perubahan (shift).
28
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.15 Kurva 2D Rainflow jumlah siklus di SolidWorks 2010
Gambar 2.16 Kurva 3D Rainflow persentase kerusakan di SolidWorks 2010
Teknika,Vol. XXXII, No.1, Desember 2011 ISSN: 0854-3143 Irawan Malik 13
Gambar 2.17 Kurva 3D Rainflow jumlah siklus di SolidWorks 2010
29
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Aluminium
2.1.1 Sejarah Aluminium
Aluminium ditemukan kira-kira sekitar 160 tahun yang lalu dan mulai
diproduksi skala industri sekitar 90 tahun yang lalu. Berikut sejarah
perkembangan tentang penemuan aluminium:
1. Pada tahun 1782, seorang ilmuwan Prancis bernama Lavoiser telah
menduga bahwa aluminium merupakan logam yang terkandung di dalam
alumina.
2. Pada tahun 1807, ahli kimia Inggris bernama Humphrey Davy berhasil
memisahkan alumina secara elektrokimia logam dan yang diperoleh dari
pengujian tersebut adalah aluminium.
3. Pada tahun 1821, biji sumber aluminium ditemukan di Prancis Selatan,
tepatnya di kota Lesbaux, yang dinamakan bauksit.
4. Pada tahun 1825, ahli kimia Denmark, Orsted berhasil memisahkan
aluminium murni dengan cara memanaskan aluminium chloride dengan
kalium amalgam dan kemudian memisahkan merkuri dengan cara
destilasi.
5. Pada tahun 1886, mahasiswa Oberlin College di Ohio, Amerika Serikat
bernama Charles Martin – Hall menemukan dengan cara melarutkan
alumina (Al2O3) dalam lelehan kliorit (Na3AlF6) pada temperatur 960
OC dalam bentuk kotak yang dilapisi logam karbon dan kemudian
melewatkan arus listrik melalui ruang tersebut. Cara ini dikenal dengan
proses Hall – Heroult, karena ini terjadi pada tahun yang sama dengan
seorang Prancis yang bernama Paul Heroult.
6. Pada tahun 1888, ahli kimia Jerman Karlf Josef Bayern menemukan cara
memperoleh alumina dari bauksit secara pelarutan kimia. Sampai saat ini
cara Bayer masih digunakan untuk memproduksi alumina dari bauksit
secara industry dan disebut dengan proses Bayer. (Davis, Jr, 1993).
5
Universitas Sumatera Utara
Metoda penambangan logam Aluminium adalah dengan cara mengelektrolisis
alumina yang terlarut dalam cryolite. metoda ini ditemukan oleh Hall di AS pada
Tahun 1886 dan pada saat yang bersamaan oleh Heroult di Perancis. Crylite, bijih
alami yang ditemukan di Greenland sekarang ini tidak lagi ditemukan untuk
memproduksi Aluminium secara komersil. Penggabtinya adalah cairan buatan
yang merupakan campuran natrium, Aluminium dan Kalsium Fluorida. Unsur ini
ringan, tidak megnetik dan tidak mudah terpercik, merupakan logam kedua
termudah dalam soal pembentukan, dan keenam dalam soal ductility. Aluminium
banyak digunakan sebagai peralatan dapur, bahan kpntruksi bangunan dan ribuan
aplikasi lainnya dimana logam yang mudah dibuat, kuat dan ringan diperlukan.
Walau konduktivitas listriknya hanya 60% dari tembaga, Aluminium
digunakan sebagai bahan transmisi karena ringan. Aluminium murni sangat lunak
dan tidak kuat. Tetapi dapat dicampur dengan tembaga, magnesium, silikon,
mangan,
dan
unsur-unsur
lainnya
untuk
membentuk
sifat-sifat
yang
menguntungkan. Campuran logam ini penting kegunaannya dalam kontruksi
pesawat modern dan roket. Logam ini jika diuapkan divakum membentuk lapisan
yang memiliki reflektivitas tinggi untuk cahaya yang tampak dan radiasi panas.
Lapisan ini juga menjaga logam dibawahnya dari proses oksidasi sehingga tidak
menurunkan nilai logam yang dilapisi. Lapisan ini juga digunakan untuk
memproteksi kaca teleskop.
Jenis Aluminium dibedakan berdasarkan kemurnian atau persentase
aluminium murni dalam komposisi kimia materialnya. Pengelompokan ini diatur
oleh Aluminium Association. Kode aluminium terdiri dari 4 digit dari 1XXX,
2XXX, 3XXX, …, 8XXX. Keterangan angka dapat dilihat sebagai berikut ;
1.
1 untuk Aluminium dengan kemurnian di atas 99%
2.
2 untuk paduan Coper
3.
3 untuk paduan Mangan
4.
4 untuk paduan Silikon
5.
5 untuk paduan Magnesium
6.
6 untuk paduan Magnesium Silikon
7.
7 untuk paduan zinc
6
Universitas Sumatera Utara
Pada aluminium tempa, seri 1xxx digunakan untuk aluminium murni. Digit
kedua dari seri tersebut menunjukkan komposisi aluminium dengan limit pengotor
alamiahnya, sedangkan dua digit terakhir menunjukkan angka kemurnian dua
desimalnya. Contoh pada AA 1170, Aluminium ini memiliki kemurnian 99,70%.
Digit pertama pada seri 2xxx sampai 7xxx menunjukkan kelompok
paduannya berdasarkan unsur yang memiliki persentase komposisi terbesar dalam
paduan. Digit kedua menunjukkan modifikasi dari unsur paduannya, jika digit
kedua bernilai 0 maka paduan tersebut murni terdiri dari aluminium dan unsur
paduan. Jika nilainya 1 – 9, maka paduan tersebut memiliki modifikasi dengan
unsur lainnya. Dua angka terakhir untuk seri 2xxx – 8xxx tidak memiliki arti
khusus,
hanya
untuk
membedakan
paduan
aluminium
tersebut
dalam
kelompoknya.
2.1.2 Sifat-sifat Aluminium
Sifat-sifat penting lainnya yang dimiliki aluminium sehingga banyak
digunakan sebagai material teknik, antara lain :
1.
Berat jenisnya ringan (hanya 2,7 gr/cm³, sedangkan besi ± 8,1 gr/ cm³)
2.
Tahan korosi
3.
Penghantar listrik dan panas yang baik
4.
Mudah di fabrikasi/di bentuk
5.
Kekuatannya
rendah
tetapi
pemaduan
(alloying)
kekuatannya
bisa
ditingkatkan.
Selain sifat-sifat material teknik, aluminium pun memiliki sifat mekanik
seperti:
a.
Kekerasan
Kekerasan bahan aluminium murni sangatlah kecil, yaitu sekitar 65 skala
Brinnel, sehingga dengan sedikit gaya saja dapat mengubah bentuk logam.
Untuk kebutuhan aplikasi yang membutuhkan kekerasan, aluminium perlu
dipadukan dengan logam lain dan/atau diberi perlakuan termal atau fisik.
b.
Kekuatan tensile
Kekuatan tensile pada aluminium murni pada berbagai perlakuan umumnya
sangat rendah, yaitu sekitar 90 MPa, sehingga untuk penggunaan yang
memerlukan kekuatan tensil yang tinggi, aluminium perlu dipadukan. Dengan
7
Universitas Sumatera Utara
dipadukan dengan logam lain, ditambah dengan berbagai perlakuan termal,
aluminium paduan akan memiliki kekuatan tensil hingga 580 Mpa (paduan
7075).
c.
Ductility
Ductility didefinisikan sebagai sifat mekanis dari suatu bahan untuk
menerangkan seberapa jauh bahan dapat diubah bentuknya secara plastis
tanpa terjadinya retakan. Aluminium murni memiliki ductility yang tinggi.
Aluminium paduan memiliki ductility yang bervariasi, tergantung konsentrasi
paduannya, namun pada umumnya memiliki ductility yang lebih rendah dari
pada aluminium murni, karena ductility berbanding terbalik dengan kekuatan
tensile, serta hampir semua aluminum paduan memiliki kekuatan tensil yang
lebih tinggi dari pada aluminium murni.
2.2 Magnesium
Magnesium adalah unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki simbol
Mg dan nomor atom 12 serta berat atom 24,31. Magnesium adalah elemen
terbanyak kedelapan yang membentuk 2% berat kulit bumi, serta merupakan
unsur terlarut ketiga terbanyak pada air laut. Logam alkali tanah ini terutama
digunakan sebagai zat campuran (alloy) untuk membuat campuran alumuniummagnesium yang sering disebut "magnalium" atau "magnelium".Magnesium ialah
logam yang berwarna putih perak dan sangat mengkilap dengan titik cair 651 0C
yang dapat digunakan sebagai bahan paduan ringan, sifat dan karakteristiknya
sama dengan Aluminium. Perbedaan titik cairnya sangat kecil tetapi sedikit
berbeda dengan Aluminium terutama pada permukaannya yang mudah keropos
bila terjadi oxidasi dengan udara. Oxid film yang melapisi permukaan Magnesium
hanya cukup melindunginya dari pengaruh udara kering, sedangkan udara lembab
dengan kandungan unsur garam kekuatan oxid dari Magnesium akan menurun,
oleh kerana itu perlindungan dengan cat atau lac (pernis) merupakan metoda
dalam melidungi Magnesium dari pengaruh korosi kelembaban udara. Magnesium
memiliki kekuatan tarik hingga 110 N/mm2 dan dapat ditingkatkan melalui proses
pembentukan hingga 200 N/mm2
8
Universitas Sumatera Utara
Magnesium merupakan salah satu jenis logam ringan dengan karakteritik
sama dengan aluminium tetapi magnesium memiliki titik cair yang lebih rendah
dari pada aluminium. Seperti pada aluminium, magnesium juga sangat mudah
bersenyawa dengan udara (Oksigen).Perbedaannya dengan aluminium ialah
dimana magnesium memiliki permukaan yang keropos yang disebabkan oleh
serangan kelembaban udara karena oxid film yang terbentuk pada permukaan
magnesium ini hanya mampu melindunginya dari udara yang kering. Unsur air
dan garam pada kelembaban udara sangat mempengaruhi ketahanan lapisan oxid
pada magnesium dalam melindunginya dari gangguan korosi.Untuk itu benda
kerja yang menggunakan bahan magnesium ini diperlukan lapisan tambahan
perlindungan seperti cat atau meni.
Magnesium murni memiliki kekuatan tarik sebesar 110 N/mm 2 dalam bentuk
hasil pengecoran (Casting), angka kekuatan tarik ini dapat ditingkatkan melalui
proses pengerjaan. Magnesium bersifat lembut dengan modulus elsatis yang
sangat rendah. Magnesium memiliki perbedaan dengan logam-logam lain
termasuk dengan aluminium, besi tembaga dan nickel dalam sifat pengerjaannya
dimana magnesium memiliki struktur yang berada didalam kisi hexagonal
sehingga tidak mudah terjadi slip. Oleh karena itu,magnesium tidak mudah
dibentuk dengan pengerjaan dingin.Disamping itu, presentase perpanjangannya
hanya mencapai 5 % dan hanya mungkin dicapai melalui pengerjaan panas.
Tabel 2.1 Sifat Fisik Magnesium
Sumber: http://bilangapax.blogspot.com/2011/02/magnesium-dan-paduannya.html
9
Universitas Sumatera Utara
1.
Magnesium dan paduan magnesium
Magnesium (Mg) adalah logam teknik ringan yang ada, dan memiliki
karakteristik meredam getaran yang baik. Paduan ini digunakan dalam
aplikasi struktural dan non-struktural dimana berat sangat diutamakan.
Magnesium juga merupakan unsur paduan dalam berbagai jenis logam
nonferro.
Paduan magnesium khusus digunakan di dalam pesawat terbang dan
komponen rudal, peralatan penanganan material, perkakas listrik portabel,
tangga, koper, sepeda, barang olahraga, dan komponen ringan umum. Paduan
ini tersedia sebagai produk cor/tuang (seperti bingkai kamera) atau sebagai
produk tempa (seperti kontruksi dan bentuk balok/batangan, benda tempa,
dan gulungan dan lembar plat). Paduan magnesium juga digunakan dalam
percetakan dan mesin tekstil untuk meminimalkan gaya inersia dalam
komponen berkecepatan tinggi.
Karena tidak cukup kuat dalam bentuk yang murni, magnesium
dipaduankan dengan berbagai elemen untuk mendapatkan sifat khusus
tertentu, terutama kekuatan untuk rasio berat yang tinggi. Berbagai paduan
magnesium memiliki pengecoran, pembentukan, dan karakteristik permesinan
yang baik. Karena magnesium mengoksidasi dengan cepat (pyrophpric), ada
resiko/bahaya kebakaran, dan tindakan pencegahan yang harus diambil ketika
proses permesinan, grindling, atau pengecoran pasir magnesium. Meskipun
demikian produk yang terbuat dari magnesium dan paduannnya tidak
menimbulkan bahaya kebakaran selama penggunaannya normal.
Sifat-sifat mekanik magnesium terutama memiliki kekuatan tarik yang
sangat rendah. Oleh karena itu magnesium murni tidak dibuat dalam teknik.
Paduan magnesium memiliki sifat-sifat mekanik yang lebih baik serta banyak
digunakan Unsur-unsur paduan dasar magnesium adalah aluminium, seng dan
mangan. Penambahan Al diatas 11%, meningkatkan kekerasan, kuat tarik dan
fluidity (keenceran) Penambahan seng meningkatkan ductility (perpanjangan
relative) dan castability (mampu tuang).Penambahan 0,1 – 0,5 %
meningkatkan ketahanan korosi.Penambahan sedikit cerium, zirconium dan
10
Universitas Sumatera Utara
baryllium dapat membuat struktur butir yang halus dan meningkatkan
ductility dan tahan oksidasi pada peningkatan suhu.
2.
Penerapan Magnesium paduan
Magnesium paduan Cor yang dibentuk dengan cetakan pasir (Sand-Cast)
banyak digunakan dalam pembuatan block-block engine pada Motor bakar,
sedangkan Magnesium yang dibentuk dengan Pressure Die-Casting banyak
digunanakan dalam pembuatan peralatan rumah tangga dan kelengkapan
kantor. Magnesium Cor tempa dibentuk dengan cara extrusi dan digunakan
sebagai Trap dan relling tangga. Magnesium paduan juga digunakan dalam
Teknologi Nuclear sebagai tabung Uranium dimana Magnesium sangat
rendah dalam penyerapan Neutron pada penampang lintang.
3.
Manfaat Magnesium
a) Magnesium dapat digunakan untuk memberi warna putih terang pada
kembang api dan pada lampu Blitz
b) Senyawa MgO dapat digunakan untuk melapisi tungku, karena senyawa
MgO memiliki titik leleh yang tinggi
2.3 Fatik
Fatik atau kelelahan merupakan fenomena terjadinya kerusakan material
karena pembebanan yang berulang-ulang, diketahui bahwa apabila pada suatu
logam dikenai tegangan berulang maka logam tersebut akan patah pada tegangan
yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan tegangan yang dibutuhkan untuk
menimbulkan perpatahan pada beban statik. Kerusakan akibat beban berulang ini
disebut patah lelah (fatigue failures) karena umumnya perpatahan tersebut terjadi
setelah periode pemakaian yang cukup lama.
Mekanisme terjadinya kegagalan fatik dapat dibagi menjadi tiga fase yaitu:
awal retak (initiation crack), perambatan retak (crack propagation), dan
perpatahan akhir (fracture failure).
2.3.1 Awal Retak (initiation crack)
Cacat (defect) pada struktur dapat bertindak sebagai awal keretakan. Cacat
pada struktur berdasarkan asal terbentuknya dapat dikategorikan menjadi dua
kelompok.
11
Universitas Sumatera Utara
Cacat yang terbentuk selama masa fabrikasi, disebabkan oleh :
a. Cacat lateral yang terjadi pada material (material defect).
b. Cacat
yang
disebabkan
karena
proses
pengerjaan
material
(manufacturing defect).
Contohnya
seperti
tumpulnya
peralatan-peralatanyang
digunakan
untuk
pengerjaan material, panas yang berlebihan yang disebabkan karena pengelasan
dan sebagainya.
2.3.2 Perambatan Retak (crack propagation )
Jumlah total siklus yang menyebabkan kegagalan fracture merupakan
penjumlahan jumlah siklus yang menyebabkan retakan awal dan fase
perambatannya.
Initiation
Crack
ini
berkembang menjadi
microcracks.
Perambatan atau perpaduan microcracks ini kemudian membentuk macrocracks
yang akan berujung pada failure.
2.3.3 Perpatahan akhir (fracturefailure)
Final fracture adalah proses akhir kerusakan pada struktur saat mengalami
pembebanan, sehingga struktur tersebut mengalami kegagalan. Ketika terjadi
penjalaran retak, penampang pada bagian tersebut akan berkurang.
Sampai pada kondisi dimana penampang pada bagian tersebut tidak mampu
menahan beban yang terakhir kalinya. Pada tahap ini penjalaran retak yang terjadi
sangat cepat sehingga struktur akan pecah menjadi dua. Penjalaran yang cepat
tersebut sering disebut fast fracture.
Gambar 2.1Skematis permukaan patah lelah rotary bendingpenampang bulat
Karakteristik kelelahan logam dapat dibedakan menjadi 2 karakteristik makro
dan karakteristik mikro. Karakteristik makro merupakan ciri-ciri kelelahan yang
dapat diamati secara visual (dengan mata telanjang dan kaca pembesar).
12
Universitas Sumatera Utara
Sedangkan karateristik mikro hanya dapat diamati dengan menggunakan
mikroskop.
Fatigue atau kelelahan menurut ASM (1975) didefinisikan sebagai proses
perubahan struktur permanen progressive localized pada kondisi yang
menghasilkan fluktuasi regangan dan tegangan dibawah kekuatan tariknya dan
pada satu titik atau banyak titik yang dapat memuncak menjadi retak (crack) atau
patahan (fracture) secara keseluruhan sesudah fluktuasi tertentu. Progressive
mengandung pengertian proses fatigue terjadi selama jangka waktu tertentu atau
selama pemakaian, sejak komponen atau struktur digunakan. Localized berarti
proses fatigue beroperasi pada luasan lokal yang mempunyai tegangan dan
regangan yang tinggi karena pengaruh beban luar, perubahan geometri, perbedaan
temperatur, tegangan sisa dan tidak kesempurnaan diri. Crack merupakan awal
terjadinya kegagalan fatigue dimana kemudian crack merambat karena adanya
beban berulang. Fracture merupakan tahap akhir dari proses fatigue dimana bahan
tidak dapat menahan tegangan dan regangan yang ada sehingga patah menjadi dua
bagian atau lebih.
Konsep tegangan-siklus (S-N) merupakan pendekatan pertama untuk
memahami fenomena kelelahan logam. Konsep ini secara luas dipergunakan
dalam aplikasi perancangan material dimana tegangan yang terjadi dalam daerah
elastik dan umur lelah yang panjang. Metode S-N ini tidak dapat diterapkan dalam
kondisi sebaliknya ( tegangan dalam daerah plastis dan umur lelah yang relative
pendek), hal ini dapat dilihat pada gambar 2.2.4 berikut ini:
Gambar 2.2 Pembagian daerah umur lelah dalam kurva S-N
Sumber: http://blog.ub.ac.id
13
Universitas Sumatera Utara
HCS = high cycles stress/strain
LCS = low cycles stress/strain
HCF = high cycles fatigue
LCF = low cycles fatigue
PCS = plastis cycles strain
ECS = elastic cycles strain
Penyajian data fatigue rekayasa adalah menggunakan kurva S-N yaitu
pemetaan tegangan (S) terhadap jumlah siklus sampai terjadi kegagalan (N).
Kurva S-N ini lebih diutamakan menggunakan skala semi log seperti ditunjukan
pada gambar 2.2.5 Untuk beberapa bahan teknis yang penting.
Gambar 2.3 Kurva S-N
Sumber: http://blog.ub.ac.id
Kurva tersebut didapat dari pemetaan tegangan terhadap jumlah siklus sampai
terjadi kegagalan pada benda uji. Pada kurva ini siklus menggunakan skala
logaritma. Batas ketahan fatigue (endurance limit ) baja ditentukan pada jumlah
siklus N>107 (Dieter,1992).
Persamaan umum kurva S-N dinyatakan oleh persamaan ( dowling,1991).
S = B + C ln (Nf)
Dengan :
B dan C adalah konstanta empiris material
Pengujian fatigue dilakukan dengan cara memberikan stress level tertentu
sehingga spesimen patah pada siklus tertentu.
Retak fatigue biasanya dimulai pada permukaan di mana lentur dan torsi
menyebabkan terjadinya tegangan-tegangan yang tinggi atau di tempat-tempat
yang tidak rata menyebabkan terjadinya konsentrasi tegangan. Oleh karena itu,
14
Universitas Sumatera Utara
batas ketahanan (endurance limit) sangat tergantung pada kualitas penyelesaian
permukaan (Van Vlack,1983).
2.4 Aspek Rekayasa Fatik
Pada pengujian material di laboratorium, sistem tegangan biasanya
disederhanakan, dan baik tipe uji Woehler dan tipe uji tekan-tarik lazim
diterapkan. Hasil uji digambarkan dalam bentuk kurva S-N yang terkenal (yaitu
kurva skala logaritma dari tegangan terhadap jumlah siklus hingga gagal). Baja
feritik menghasilkan limit fatik sejati dengan rasio fatik S/TS ≈ 0,5.
Namun, material lain seperti aluminium atau paduan berbasis-tembaga,
khususnya jenis pengerasan-penuaan, jelas tidak menunjukkan diskontinuitas
yang jelas pada kurva S-N. Material ini tidak memiliki limit fatik dan yang
dispesifikasi hanyalah limit ketahanan pada sejumlah N siklus. Pentingnya efek
ini digambarkan oleh perilaku paduan berbasis-aluminium yang mengandung
seng, magnesium, dan tembaga. Paduan seperti ini mempunyai TS sebesar 617
MN/m2 tetapi tegangan umur fatik 108 siklus hanya 154 MN/m2 (dengan kata lain,
sebuah rasio fatik pada 108 siklus sebesar 0,25).
Amplitudo siklus tegangan yang diterapkan terhadap spesimen merupakan
satu-satunya variabel tunggal penting untuk menentukan umurnya pada
pembebanan fatik, tetapi kinerja material juga sangat dipengaruhi oleh berbagai
kondisi, yang dapat dirangkum sebagai berikut :
Persiapan permukaankarena retak fatik seringkali mulai terjadi di permukaan
atau dekat permukaan komponen, kondisi permukaan merupakan hal pentingyang
menentukan umur fatik. Penghilangan bekas pemesinan dan ketidakteraturan lain
di permukaan hampir selalu akan meningkatkan sifat fatik. Lapisan permukaan
dalam keadaan kompresi, misalnya oleh tumbukan peluru (shot peening) atau
perlakuan-permukaan meningkatkan umur fatik.
Efek termperaturmempengaruhi sifat fatik sama seperti pengaruhnya terhadap
kekuatan tarik (tensile), kekuatan fatik paling tinggi terdapat pada temperatur
rendah dan turun secara bertahap dengan meningkatnya temperatur. Untuk baja
lunak, rasio limit fatik terhadap TS sekitar 0,5, sedangkan rasio limit fatik
terhadap tegangan luluh memiliki rentang variasi limit yang lebih lebar.
15
Universitas Sumatera Utara
Namun, apabila temperatur dinaikkan melampaui 100ºC, baik kekuatan tarik
maupun kekuatan fatik baja-lunak meningkat, dan mencapai nilai maksimum
antara 200ºC dan 400ºC. Peningkatan ini, yang jarang dijumpai pada material lain,
disebabkan karena penuaan-regangan
Frekuensi siklus teganganPada berbagai logam, pengaruh frekuensi siklus
tegangan pada umur fatik kurang berarti, meskipun penurunan frekuensi biasanya
menghasilkan umur fatik yang sedikit lebih rendah. Efeknya lebih besar apabila
temperatur uji fatik dinaikkan, yaitu ketika umur fatik cenderung bergantung pada
waktu pengujian keseluruhan dan tidak pada jumlah siklus. Namun, pada baja
lunak, percobaan menunjukkan bahwa efek kecepatan normal berbalik pada
rentang temperatur tertentu dan jumlah siklus yang gagal bertambah dengan
berkurangnya frekuensi siklus tegangan. Efek ini dapat dikorelasikan dengan
pengaruh temperatur dan laju-regangan pada kekuatan tarik. Temperatur di mana
kekuatan tarik mencapai maksimum bergantung pada laju regangan. Oleh karena
itu, tidak mengherankan bahwa temperatur dimana kekuatan fatik mencapai
maksimum bergantung pada frekuensi siklus.
Tegangan rata-rata Untuk kondisi fatik dimana tegangan rata-rata
∆�� = (�
+�
�
)/2
Tidak melebihi tegangan luluh � , maka hubungan
∆�� =
Yang dikenal sebagai hukum Basquin, berlaku untuk rentang siklus 10 2
1
hingga ≈ 105, yaitu σ kurang dari nilai ”lutut” kurva S-N, dimana ≈ 10 dan �
adalah jumlah siklus hingga patah.
Untuk fatik siklus rendah dimana ∆� > � maka hukum Bisquin tidak berlaku
lagi, tetapi berlaku hubungan
∆� � = � =
Yang disebut hukum Coffinmanson, dimana ∆�
adalah rentang plastis,
≈ 0,6 dan D adalah keuletan material. Apabila tegangan rata-rata berkurang.
Telah diusulkan beberapa hubungan antara limit fatik dan tegangan tarik maka
limit fatik berkurang. Telah diusulkan beberapa hungan antara limit fatik dan
16
Universitas Sumatera Utara
tegangan rata-rata, seperti digambarkan pada Gambar 2.2.5, namun tidak ada
alasan teoretis mengapa material mengikuti suatu hubungan tertentu dan satusatunya cara yang aman untuk dijadikan dasar desain adalah melakukan
percobaan pendahuluan terhadap material yang digunakan untuk menentukan
perilaku dengan kondisi yang sama dengan kondisi pemakaian.
Hubungan rekayasa lain yang sering digunakan adalah konsep kerusakan
kumulatif miner., yang diperlihatkan pada Gambar 2.3. hipotesis ini menyatakan
bahwa kerusakan dapat dinyatakan dalam jumlah siklus yang diterapkan dibagi
dengan jumlah yang menimbulkan kegagalan pada level tegangan tertentu. Jadi
apabila nilai tegangan maksimum yang diterapkan adalah S 1 pada spesimen
tertentu untuk n1 periode yang kurang dari umur fatik N1 , maka nilai tegangan
maksimum berkurang menjadi S2, dan spesimen akan gagal setelah n2 siklus,
karena sesuai dengan hukum Miner berlaku hubungan berikut :
Σ� = 1
1
�1
+
2 �2
+⋯=
Lingkungan Fatik yang terjadi di lingkungan korosif disebut fatik korosi.
Dan serangan korosi yang berjalan seiring dengan pembebanan fatik,
menghasilkan efek perusakan yang jauh lebih besar dibandingkan dengan efek
takik semata. Selain ituhasil observasi mikroskopik menunjukkan bahwa efek
lingkungan terhadap perambatan retak lebih besar dibandingkan efek terhadap
inisiasi retak. Untuk berbagai material di atmosfer, oksigen menurunkan umur
fatik karena mempengaruhi kecepatan perambatan retak, dan dapat diperoleh
hubungan antara umur fatik dengan derajat vakum di mana spesimen berada.
Gambar 2.4 Hubungan fatik
17
Universitas Sumatera Utara
2.5 Pengaruh Material pada Kelelahan Logam
Sifat-sifat kelelahan logam sangat peka terhadap perubahan struktur, hingga
saat ini cara untuk memperbaiki sifat-sifat lelah melalui proses metalurgi belum
banyak berkembang. Perbaikan yang banyak dilakukan masih terhadap perubahan
rancanganyang bertujuan untuk mengurangi konsentrasi tegangan, namun terdapat
beberapa faktro metalurgi yang harus diperhatikan untuk memperbaiki
performance lelah yang lebih baik terhadap logam atau paduan tertentu. Untuk
mengetahui efek variabel metalurgi pada sifat lelah akibat perlakuan panas dapat
melalui uji fatik rotating bending, biasanya dilakukan dengan benda uji yang
halus dan dipoles serta diuji pada kondisi tegangan balik sempurna.
Sifat lelah sering dihubungkan dengan kekuatan tarik namun juga
berpengaruh pada ukuran butir seperti bahan kuningan yang menunjukkan
pergelinciran yang menyebabkan perbatasan butir akan mengontrol terjadinya laju
retakan dan secara pendekatan nilai ketahanan.
Umumnya struktur mikro hasil temper mengakibatkan sifat-sifat lelah yang
optimum pada baja paduan rendah yang mengalami perlakuan panas. Untuk
kekerasan di atas 40 HRC struktur bainit yang diperoleh dengan proses temper
menghasilkan sifat-sifat lelah yang lebih baik dibandingkan struktur hasil
pencelupan dan temper dengan kekerasan yang sama. Mikroskop elektron
menunjukkan bahwa sifat-sifat yang kurang baik dari struktur hasil pencelupan
dan temper disebabkan oleh efek konsentrasi tegangan pada lapisan karbida tipis
yang terbentuk selama proses temper.
2.5.1 Faktor yang Mempengaruhi Kekuatan Fatik
Faktor yang mempengaruhi kekuatan fatik dari suatu bahan dapat
dikelompokkan menjadi tiga bagian :
Faktor mekanis yang terdiri dari :
a. konsentrasi tegangan
Kekuatan fatik sangat dipengaruhi oleh adanya alat pemicu naiknya
tegangan secara lokal atau sering disebut konsentrasi tegangan (bukan
tegangan akibat beban), seperti takikan, lubang, perubahan dimensi.
Kebanyakan komponen-komponen mesin selalu mengandung konsentrasi
18
Universitas Sumatera Utara
tegangan ini, seperti alur pasak ataupun lubang. Maka biasanya retak
awal akibat lelah dimulai pada daerah ini. Salah satu cara terbaik untuk
mengurangi kegagalan fatik adalah mengurangi naiknya alat pemicu
naiknya tegangan secara lokal, melalui perencanaan yang cermat dan
dengan permesinan yang baik.
b. Pengaruh permukaan
Pada dasarnya lelah terjadi pada semua permukaan bahan. Untuk
sebagian jenis pembebanan yang umum, seperti lenturan dan puntiran
tegangan maksimum terjadi pada permukaan sehingga merupakan yang
logis bahwa retakan akan mulai pada permukaan tersebut. Cukup banyak
bukti bahwa sifat-sifat lelah sangat peka terhadap kondisi permukaan.
Faktor yang mempengaruhi permukaan benda uji dapat dibagi menjadi
tiga
bagian,
yaitu:Kekerasan
permukaan,
perubahan
sifat-sifat
permukaan, tegangan sisa (Residual Stress).
c. Pengaruh ukuran specimen
Berdasarkan pengujian laboratorium dapat dinyatakan, bahwa pada
komponen-komponen mesin menunjukkan adanya pengaruh ukuran
terhadap kekuatan fatik yaitu terhadap komponen-komponen yang lebih
besar mempunyai kekuatan fatik yang lebih rendah dibandingkan dengan
komponen-komponen mesin yang lebih kecil.
1. Faktor metallurgi : yang terdiri dari besar dan arah orientasi butiran.
2. Faktor lingkungan : yang terdiri dari lelah korosi, temperature dan
thermal
Perubahan ukuran benda uji biasanya mengakibatkan variasi dalam dua
faktor:
Pertambahan diameter menyebabkan pertambahan volume atau luas
penampang benda uji.Untuk benda uji tidak bertakik dan bertakik diberi beban
lentur atau beban torsi, dengan pertambahan diameter biasanya menurunkan
gradien tegangan disepanjang diameter dan pertambahan volume, pada beban
yang mengalami tegangan-tegangan tinggi.
19
Universitas Sumatera Utara
2.5.2 Faktor Metallurgi
Sifat- sifat lelah logam-logam sangat peka terhadap struktur. Akan tetapi
hingga saat ini cara untuk memperbaiki sifat-sifat metallurgi belum banyak
berkembang. Namun demikian, terdapat beberapa faktor metallurgi yang terus
diperhatikan untuk menjamin performance yang paling baik dari logam atau
paduan tertentu.
Dari penelitian menunjukkan bahwa efek metallurgi ini antara lain besar
butiran dan arah butiran. Material yang mempunyai butiran harus menunjukkan
sifat-sifat fatik yang lebih tinggi dibanding dengan material yang mempunyai
butiran yang lebih kasar pada komposisi yang sama. Arah butiran menunjukkan
pengaruh yang cukup signifikan terhadap kekuatan lelah dari suatu logam.
2.5.3 Faktor Lingkungan
Proses yang berlangsung secara bersamaan antara tegangan berulang dan
serangan kimia (korosi), dikenal sebagai lelah korosi. Serangan korosi tanpa
diikuti beban tegangan biasanya mengakibatkan lubang pada permukaan. Lubang
ini bertindak sebagai takik dan mengakibatkan berkurangnya kekuatan lelah,
maka di hasilkan penurunan sifat-sifat lelah yang lebih besar dibandingkan
dengan kerugian yang dialami akbiat terjadinya serangan korosi sebelumnya. Bila
proses korosi dan fatik terjadi bersamaan, maka serangan korosi akan
mempercepat laju rambat retak fatik.
2.6 SolidWorks
SOLIDWORKS adalah salah satu CAD software yang dibuat oleh DASSAULT
SYSTEMES dimana software ini digunakan untuk merancang part permesinan
atau susunan part permesinan yang berupa assembling dengan tampilan 3D untuk
merepresentasikan part sebelum real part nya dibuat atau tampilan 2D (drawing )
untuk gambar proses permesinan.
Solidworks pertama kali diperkenalkan pada tahun 1995 sebagai pesaing
untuk program CAD seperti Pro-ENGINEER, NX Siemens, I-Deas, Unigraphics,
Autodesk Inventor, Autodeks AutoCAD dan CATIA. SolidWorks
Corporation didirikan pada tahun 1993 oleh Jon Hirschtick, dengan merekrut tim
insinyur profesional untuk membangun sebuah perusahaan yang mengembangkan
20
Universitas Sumatera Utara
perangkat lunak CAD 3D, dengan kantor pusatnya di Concord, Massachusetts,
dan merilis produk pertama, SolidWorks 95, pada tahun 1995. Pada tahun 1997
Dassault Systèmes, yang terkenal dengan CATIA CAD software, mengakuisisi
perusahaan dan sekarang ini memiliki 100% dari saham SolidWorks. SolidWorks
dipimpin oleh John McEleney dari tahun 2001 hingga Juli 2007, dan sekarang
dipimpin oleh Jeff Ray.
Saat ini banyak industri manufaktur yang sudah memakai software ini,
menurut informasi WIKI , SolidWorks saat ini digunakan oleh lebih dari 3/4 juta
insinyur dan desainer di lebih dari 80.000 perusahaan di seluruh dunia. Di
Indonesia, dulu orang familiar dengan AUTOCAD untuk desain perancangan
gambar teknik seperti yang penulis alami, tapi sekarang dengan mengenal
SOLIDWORKS maka AUTOCAD sudah jarang saya pakai. Untuk permodelan
pada industri pengecoran logam dalam hal pembuatan pattern nya, program
program 3D seperti ini sangat membantu sebab akan memudahkan operator
pattern untuk menterjemahkan gambar menjadi pattern/model casting pengecoran
logam dan tentunya akan mengurangi kesalahan pembacaan gambar yang bisa
mengakibatkan salah bentuk. Pada industri permesinan, selain dihasilkan gambar
kerja untuk pengerjaan mesin manual juga hasil geometri dari dari suatu produk
desain, aplikasi pada SolidWorks ini bisa secara langsung diproses dengan CAM
program untuk membuat G Code yang dipakai untuk menjalankan proses
permesinan automatic dengan CNC, software aplikasi CAM yang bisa digunakan
antaralain:MASTERCAM, SOLIDCAM, VISUALMILL, dan lain-lain.
Gambar 2.5 Logo Software Solidworks
21
Universitas Sumatera Utara
2.7 Ansys
ANSYS adalah sebuah software analisis elemen hingga dengan kemampuan
menganalisa dengan cakupan yang luas untuk berbagai jenis masalah ( Tim
Langlais, 1999). ANSYS mampu memecahkan persamaan differensial dengan cara
memecahnya menjadi elemen-elemen yang lebih kecil.
Pada
awalnya
program
ini
bernama
STASYS
(Structural
Analysis
System),kemudian berganti nama menjadi ANSYS yang ditemukan pertama kali
oleh Dr.John Swanson pada tahun 1970.
ANSYS merupakan tujuan utama dari paket permodelan elemen hingga untuk
secara numerik memecahkan masalah mekanis yang berbagai macam. Masalah
yang ada termasuk analisa struktur statis dan dinamis (baik linear dan non-linear),
distribusi panas dan masalah cairan, begitu juga dengan ilmu bunyi dan masalah
elektromagnetik.
Teknologi ANSYS mekanis mempersatukan struktur dan material yang
bersifat non-linear. ANSYS multiphysic juga mengatasi masalah panas,
struktur,elektromagnetik, dan ilmu bunyi. Program ANSYS dapat digunakan dalam
tekniksipil, teknik listrik, fisika dan kimia.
Gambar 2.6 Logo Software Ansys
2.7.1 Cara Kerja ANSYS
ANSYS
bekerja
dengan
sistem
metode
elemen
hingga,
dimana
penyelesaiannya pada suatu objek dilakukan dengan memecah satu rangkaian
kesatuan menjadi bagian-bagian yang lebih kecil dan dihubungkan dengan node.
Hasil yang diperoleh dari ANSYS ini berupa pendekatan dengan menggunakan
analisa numerik. Ketelitiannya sangat bergantung pada cara kita memecah model
tersebut dan menggabungkannya.
22
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.2Satuan-satuan dalam SI
Gambar 2.7 Sistem Satuan dalam Ansys
2.7.2 Studi Pustaka SolidWorks dan Ansys
a. Pembahasan
Analisis fatik berbantuan komputer menggunakan hasil studi statis
berupa besaran tegangan atau regangan sebagai input untuk kalkulasi
umur fatik misal dari paket analisis FEM Algor dengan Fatigue Wizard
dan Simulation: Static dan Fatigue pada SolidWorks. Studi statis diatur
dengan pemilihan material yang sesuai, kondisi kontak, beban-beban dan
fikstur. Jenis mesh elemen yang tersedia biasanya adalah solid, shell, dan
23
Universitas Sumatera Utara
campurannya
dengan
objek-objek
berupa
permukaan
(surface),
bentangan (beam) dan padat (solid).
Gambar 2.8 Studi Statis Algor dan SolidWorks
Sumber: Williams (2011)
Setelah mengatur properti awal (fatigue tool) untuk studi langkah
selanjutnya adalah mengatur parameter-parameter studi fatik yang dapat sedikit
berbeda urutan dan tampilan antar mukanya untuk masing-masing paket perangkat
lunak tersebut, namun secara garis besar terdiri dari tiga permasalahan utama
24
Universitas Sumatera Utara
yaitu penentuan material, melakukan analisis dan evaluasi hasil.Teknika, Vol.
XXXII, No.1, Desember 2011 ISSN: 0854-3143 Irawan Malik 10.
Gambar 2.9 Pengaturan awal property studi fatik asnys workbench
Sumber: Hancq (2011)
Gambar 2.10 Pengaturan Awal Properti Studi Fatik SolidWorks 2010
Jumlah siklus-siklus yang dibutuhkan untuk gagal fatik yang terjadi pada
suatu lokasi tergantung pada material dan fluktuasi tegangan atau regangan.
Informasi-informasi ini untuk material tertentu diberikan oleh suatu kurva yang
disebut kurva S-N, ditampilkan pada gambarberikut ini.
Nyatakan informasi material berupa modulus elastis (E, N/m2) dan kekutan
tarik ( t, σ/m2) menggunakan database secara ekstensif, mampu edit atau nilai-
25
Universitas Sumatera Utara
nilai yang telah ditetapkan (custom). Kurva regangan (strain, E)-umur (life, N)
atau tegangan (S)-umur (life, N) secara otomatis akan dimunculkan oleh paket
perangkat lunak analisis fatik, yang dapat dilihat untuk memverifikasi akses
(entry) data material. Selain itu, ada alternatif lain untuk mengetikkan data
material yang didapat dari eksperimen atau sumber lain untuk menciptakan kurva
khusus (customized). Faktor pengali (multiplier) dapat pula dimasukkan untuk
mensimulasikan konsentrasi tegangan lokal seperti sambungan las atau faktor
permukaan karena proses permesinan.
Definisikan sejarah beban (load history), gambar a.6 dengan menyatakan
nilai-nilai pengali beban terhadap waktu termasuk kasus-kasus pengali beban dan
analisis transien. Kemudian nyatakan jumlah repitisi siklus beban yang dapat
ditahan tanpa kerusakan (failure). Opsi-opsi lain juga disediakan oleh paket
Fatigue Wizard untuk menghitung faktor keamanan dan jumlah siklus sampai
kerusakan terjadi.Teknika, Vol. XXXII, No.1, Desember 2011 ISSN: 0854-3143
Irawan Malik 11.
Gambar 2.11 Pengaturan pemilihan material dan Kurva S-N dari SolidWorks
2010
26
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.12 Pengaturan pemilihan material dan kurva S-N dari Fatigue Wizard
Sumber: Williams (2011)
Gambar 2.13 Contoh tampilan kurva sejarah beban variabel
Sumber: Teknika, Vol. XXXII, No.1, Desember 2011
Setelah menjalankan proses kalkulasi fatik dengan mengklik ikon run (ada
kemungkinan berbeda untuk masing-masing paket perangkat lunak), sinopsis
hasil-hasil (results) akan ditampilkan, yang menunjukkan apakah desain yang
dibuat aman berdasarkan parameter-parameter yang telah diisikan termasuk
menunjukkan prediksi jumlah siklus hingga terjadinya kegagalan (failure).
Penampilan kontur hasil analisis dapat dilihat pada gambar-gambar berikut ini.
Teknika, Vol. XXXII, No.1, Desember 2011 ISSN: 0854-3143 Irawan Malik 12.
27
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.14 Hasil analisis fatik persentase kerusakan dan umur siklus kegagalan
Gambar kerusakan (damage factor) menampilkan persentase umur dari suatu
bagian pada suatu asembling (gambar a.7 sebelah kiri) yang menunjukkan bahwa
dari parameter yang diatur sebelumnya akan mengkonsumsi sekitar 9.036% umur
model. Sedangkan gambar umur (life plot) menunjukkan kegagalan karena fatik
dapat terjadi di sekitar poros horizontal (gambar a.7 sebelah kanan) pada ± 8019
siklus. Tampilan kurva Rainflow dari paket analisis fatik berbasis komputer dapat
berupa gambar 2 dimensi (2D) dan 3 dimensi (3D) seperti ditampilkan pada
gambar-gambar a.8, a.9 dan a.10 berikut ini.
Ada dua pilihan dalam menampilkan rainflow di SolidWorks 2010 yaitu
pertama, fast counting yang digunakan bila studi fatik berasal dari satu studi statis
dan hanya memiliki satu even variabel amplitudo. Dalam hal ini, program
mengekstraksi bin secara langsung dari rekaman orisinal dan mengevaluasi
kerusakan (damage) yang dihasilkan dari setiap bin di setiap node dan kemudian
mengkalkulasi kerusakan akumulatif, dan kedua, disebut analisis penuh apabila
even variabel amplitudo jamak digunakan, program mengkalkulasi tegangantegangan di setiap titik terhadap waktu untuk setiap rekaman variabel amplitudo di
setiap node. Di setiap node, program mengkombinasikan tegangan-tegangan dan
mengekstrak bin rainflow yang kemudian digunakan untuk mengevaluasi
kerusakkan. Cara ini juga digunakan bila rekaman variabel amplitudo berkaitan
dengan lebih dari satu studi berbeda interval atau perubahan (shift).
28
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.15 Kurva 2D Rainflow jumlah siklus di SolidWorks 2010
Gambar 2.16 Kurva 3D Rainflow persentase kerusakan di SolidWorks 2010
Teknika,Vol. XXXII, No.1, Desember 2011 ISSN: 0854-3143 Irawan Malik 13
Gambar 2.17 Kurva 3D Rainflow jumlah siklus di SolidWorks 2010
29
Universitas Sumatera Utara