STUDI PENGARUH LAJU REGANGAN LINIER PADA UJI TARIK BAHAN BAJA KARBON RENDAH Handoko 1) Program Diploma Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada1 Jl. Yacaranda Sekip Unit IV, Yogyakarta, Telepon (0274) 649130, Fax. (0274) 580990 E-mail :
[email protected]) Abstrak Uji tarik merupakan jenis pengujian bahan yang paling banyak dilakukan untuk mengetahui sifat mekanik suatu bahan teknik. Dalam prakteknya masih sedikit para praktisi pengujian bahan yang memperhatikan aspek dan pengaruh laju regangan terhadap data hasil uji tarik. Untuk itu penelitian ini dilaksanakan dengan mempelajari pengaruh variasi laju regangan linier ( e& )pada pengujian tarik. Pengujian dilakukan dengan menguji kekuatan tarik bahan baja karbon rendah dengan tiga variasi laju regangan linier yaitu 0,0005, 0,0062 dan 0,0165 detik-1. Spesimen disiapkan mengikuti standar ASTM E8M dengan gauge length 50 mm. Data beban dan elongation direkam untuk setiap interval waktu pengujian hingga spesimen putus. Hasil pengujian menunjukkan bahwa laju regangan linier mempengaruhi kekuatan tarik bahan. Semakin tinggi laju regangan linier, tegangan tarik maksimum dan tegangan luluhnya akan semakin rendah. Pada laju regangan linier 0,0165 detik-1 nilai tegangan tarik maksimum paling rendah yaitu mencapai penurunan 2,79 % dari tegangan tarik maksimum pada laju regangan linier 0,0005 detik-1. Hal yang sama juga terjadi pada tegangan tarik luluh dengan penurunan hingga 4,05 %. Sedangkan data regangan daerah elastis tidak menunjukkan pengaruh yang berarti dengan selisih data terukur 0,1 hingga 0,4 %. Untuk regangan total terjadi penurunan hingga 2,5 % saat bahan mengalami laju regangan tertinggi. Kata Kunci : laju regangan linier, kekuatan tarik, regangan. bahan ketika mengalami laju regangan linier ( e& ) yang berbeda – beda selama pengujian tarik berlangsung.
PENDAHULUAN Latar Belakang
Tinjauan Pustaka
Pada ilmu bahan teknik, uji tarik merupakan jenis pengujian yang paling banyak dilakukan untuk mengetahui sifat mekanik. Data hasil uji tarik dijadikan patokan dalam menentukan parameter kekuatan dan sifat yang lain. Sebagai contoh ketika merancang tool dari bahan baja, tool designer dapat memperkirakan bahwa kekuatan geser sekitar 50 – 60 % dari data kekuatan luluh hasil uji tarik (Nee, 1998). Terhadap kekerasan, untuk baja karbon dapat diambil perkiraan bahwa kekerasan Brinell (Brinell Hardness Number) tiga kali kekuatan tarik (Schaffer et al, 1999). Dengan demikian dapat dimengerti akan perlunya pemahaman yang baik dan lengkap atas pengujian tarik bagi engineer di bidang aplikasi mekanika dan teknik material serta manufaktur. Dalam prakteknya masih sedikit para praktisi pengujian bahan (terutama baja) yang memperhatikan aspek dan pengaruh strain rate (laju regangan) terhadap data hasil uji tarik. Untuk itu penelitian ini dilaksanakan dengan mempelajari perilaku mekanik
Boyce dan Dilmore (2008) meneliti pengaruh strain rate (dari 0,0002 detik-1 hingga 200 detik-1) pada empat macam bahan baja ultrahigh-strength. Pada bahan AerMet 100 dan HP9-4-20M, mereka melaporkan penurunan keuletan hingga 10% sedangkan bahan ES1c menunjukkan peningkatan keuletan mencapai 25 %. Ditinjau dari kekuatan tarik, tegangan luluh mengalami peningkatan sebesar 10 %. Pada bahan kristal tunggal fcc (face centered cubic), Wang et al (2008) menemukan bahwa pada strain rate tinggi (104 hingga 106 detik-1) terjadi peningkatan pembentukan densitas dislokasi dan flow stress pada semua arah dimulai dari arah [111]. Selanjutnya pada bahan getas, Mastilovic dkk. (2007) mendapatkan hasil bahwa peningkatan strain rate menyebabkan peningkatan kekuatan dinamik dengan transisi dari evolusi kerusakan acak menjadi pola kerusakan deterministik. Untuk bahan non metalik berbagai penyelidikan mengenai pengaruh strain rate telah dilakukan. Sebagai contoh adalah bahan polimer (Chaléat et al,
A-67
Prosiding Seminar Nasional Teknoin 2008 Bidang Teknik Mesin
mudah. Dari data elongation versus waktu kemudian diolah dengan regresi statistik untuk mendapatkan besaran laju regangan linier. Pengaruh variasi laju regangan linier dapat dipelajari ketika membandingkan data kekuatan tarik dan regangan dari tiap variasi.
2008), komposit serat gelas/epoxy (Shokrieh dan Omidi, 2008), karet styrene butadiene (Hoo Fatt dan Ouyang, 2008) dan keramik (Deshpande dan Evans, 2008).
Dasar Teori
HASIL PENELITIAN
Suatu proses uji tarik dengan gaya tarik F, penampang mula – mula A0, panjang mula – mula dari spesimen L0 serta elongation ∆L maka ketika parameter waktu dipertimbangkan, engineering stress (S) dan engineering strain (e) dapat dinyatakan sebagai berikut:
S (t ) =
∆L(t ) F (t ) ; e(t ) = L0 A0
Dari data hasil pengujian mula – mula dilakukan penentuan laju regangan linier untuk tiga kategori berdasarkan laju pembebanan yang lambat (slow) untuk laju regangan linier rendah, sedang (medium) untuk laju regangan linier sedang dan cepat (fast) untuk laju regangan linier tinggi sebagai berikut:
(1)
0.4
Sedangkan true stress dan true strain dinyatakan dalam bentuk persamaan: (2) σ = S (1 + e) ; ε = ln(1 + e) Dari definisi di atas didapat hubungan sebagai berikut (Costa Mattos et al, 2008):
e& 1+ e
Regangan (mm/mm)
ε& =
0.35
(3)
y = 0.0005x - 0.0038 2 R = 0.9998
0.3 0.25 0.2 0.15 0.1
Slow
Persamaan umum flow stress σ dengan sensitivitas terhadap strain rate adalah:
0.05 0
σ = Kε& n
(4) dengan K adalah konstanta bahan dan n merupakan faktor sensitivitas terhadap strain rate. Untuk bahan logam ferro, persamaan (4) diperbaiki lewat hubungan semi logaritma berikut ini (Boyce dan Dilmore, 2008): (5) σ = β . log(ε&) + K ′ dengan β merupakan parameter sensitivitas strain rate semi logaritma dan K’ adalah konstanta bahan.
0
200
400
600
800
1000
Waktu (detik)
Gambar 1. Penentuan laju regangan linier kategori lambat dengan teknik regresi linier.
0.4
y = 0.0165x - 0.0045 R2 = 0.9952
Regangan (mm/mm)
0.35
Tujuan Penelitian Mengetahui pengaruh laju regangan linier ( e& ) terhadap kekuatan tarik dan regangan pada bahan baja karbon rendah.
0.3
y = 0.0062x + 0.0025 2 R = 0.999
0.25 0.2 0.15 0.1
Fast Medium
0.05
CARA PENELITIAN
0
Mula – mula bahan baja karbon rendah dengan 0,1%C dibuat spesimen sesuai standar ASTM E8M dengan panjang uji (gauge length) 50 mm. Kemudian dilakukan uji tarik pada tiga variasi laju regangan linier. Mengingat bahwa mesin uji tarik yang digunakan memerlukan operasi manual untuk mengatur kecepatan loading lewat bukaan katup hidrolik maka selama pengujian data gaya tarik dan elongation direkam dengan camcorder. Setelah tiga variasi kecepatan loading selesai dilakukan, video rekaman (25 frames per second, fps) dianalisa tiap frame untuk mendapatkan data gaya tarik dan elongation versus waktu. Pengambilan data dimungkinkan dengan menggunakan perangkat lunak open source yaitu Media Player Classic yang memiliki kemampuan navigasi tiap frame gambar dengan
0
10
20
30
40
50
60
70
Waktu (detik)
Gambar 2. Penentuan laju regangan linier kategori sedang dan cepat dengan teknik regresi linier. Hasilnya diperoleh tiga besaran kuantitatif laju regangan linier yaitu 0,0005, 0,0062 dan 0,0165 detik-1 untuk ketiga kategori. Berikutnya berdasarkan kategori laju regangan linier tersebut, kekuatan tarik bahan berbeda sebagaimana ditampilkan pada Tabel 1 berikut ini:
A-68
ISBN : 978-979-3980-15-7 Yogyakarta, 22 November 2008
Tabel 1. Data Kekuatan Tarik (Engineering Stress) Teganga Tegangan Teganga Laju n Putus, reganga Katego n Luluh, Maksimu m Su SB Sy n linier ri (MPa) (MPa) (MPa) (detik-1) 0,0005 Rendah 179,771 258,201 189,228 0,0062 Sedang 179,037 255,918 195,098 0,0165 Tinggi 173,248 251,027 194,690 (engineering
258 260 Tegangan (M Pa)
Untuk regangan rekayasa diperoleh data (Tabel 2):
280
strain)
S tre s s (M P a )
Fast Medium Slow
0 10
15
20
25
30
35
195
Tegangan Luluh, σy (MPa)
180 180
179
0.0005
0.0062
174
0.0165
Dari Gambar 4 nampak bahwa peningkatan laju regangan linier akan menurunkan kekuatan tarik maksimum bahan. Penurunan tersebut mencapai 2,79 % dari laju regangan linier paling rendah (0,0005 detik-1). Pada tolok ukur yang lain, kekuatan tarik putus bahan meningkat sebesar 3,17 % serta kekuatan tarik luluh menurun 4,05 % dari kondisi pembebanan dengan laju regangan linier terendah. Hal ini menunjukkan bahwa laju regangan linier berpengaruh terhadap perilaku plastis bahan. Secara sederhana hubungan tegangan dan regangan pada uji tarik pada kondisi plastis dapat dinyatakan dengan persamaan (4). Masalah timbul ketika disadari dalam pengujian dengan variasi laju regangan linier cukup sulit mengukur diameter benda uji (untuk mendapatkan nilai σ) mengingat pada laju regangan linier tertinggi benda kerja putus hanya dalam waktu 21 detik (Gambar 2). Meskipun pada variasi yang lain cukup waktu untuk mengambil data, tanpa adanya data untuk laju regangan linier tertinggi akan menyebabkan komparasi seluruh variasi menjadi tidak memadai. Namun untuk menghitung konstanta K dan n dari persamaan (4) masih dapat dilakukan secara analitik. Nilai ε tidak menjadi masalah karena elongation terukur secara cermat. Pada bahan logam ulet, penyempitan lokal terjadi mulai pada beban maksimum. Apabila persamaan penyempitan lokal:
150
50
195
189
Gambar 4. Pengaruh laju regangan linier terhadap tegangan (S).
200
5
200
Tegangan Putus, σB (MPa)
Laju regangan linier (1/detik)
250
0
220
Tegangan Maksimum, σu (MPa)
140
Setelah data diolah, hubungan antara engineering stress dan engineering strain adalah sebagai berikut:
100
251
240
160
Tabel 2. Data Regangan Rekayasa (Engineering Strain) Laju Regangan regangan Regangan Kategori elastis linier Total (%) (%) (detik-1) 0,0005 Rendah 4,32 36,42 0,0062 Sedang 4,72 37,38 0,0165 Tinggi 4,42 33,92
256
40
Strain (%)
Gambar 3. Kurva Tegangan (S) vs Regangan (e) untuk ketiga variasi laju regangan linier.
PEMBAHASAN Agar lebih mudah dalam meninjau pengaruh laju regangan linier terhadap tegangan dan regangan, data penelitian diolah kembali dalam bentuk grafik (Gambar 4 dan Gambar 5) agar tren data nampak lebih jelas. Hal ini dirasa perlu mengingat perbedaan nilai kuantitatifnya tidak begitu besar.
dσ =σ dε
(6)
digabungkan dengan persamaan (4) maka akan didapatkan (Dieter, 1992):
ε u = ln
L0 + ∆L =n L0
(7)
dengan εu = true strain saat beban maksimum, sehingga:
σ u = K .ε u n = K .n n
A-69
Prosiding Seminar Nasional Teknoin 2008 Bidang Teknik Mesin
Karena σu juga dapat dinyatakan sebagai (Dieter, 1992): εu
analitik pada Tabel 3 digunakan untuk menghitung σ maka kurva True Stress vs True Strain dapat digambar. Hasilnya nampak pada Gambar 5 yang juga dengan jelas menunjukkan pengaruh laju regangan linier terhadap tren dari flow stress, σ. Sebaliknya kekuatan tarik putus nampaknya lebih tergantung banyak aspek daripada sekedar koefisien kekuatan. Aspek – aspek tersebut meliputi sifat anisotropi bahan, ketangguhan bahan dan sebagainya sehingga memerlukan studi lebih komprehensif. Namun secara sederhana dapat dijelaskan bahwa meskipun energi kinetik dan energi potensial deformasi yang dibutuhkan adalah sama untuk semua variasi laju regangan, pola pemanfaatannya berbeda. Pada laju regangan linier yang rendah, energi kinetik lebih rendah daripada energi potensial deformasi. Masukan energi lebih banyak diubah menjadi energi potensial deformasi. Respon dinamik material berupa kluster tunggal patahan, dapat dibedakan dengan retak mikro terlokalisir pada laju regangan yang tinggi (Mastilovic et al, 2007). Dengan demikian besarnya energi potensial deformasi mengakibatkan bahan menyerap energi lebih banyak sebelum patah. Proses penyempitan lokal (necking) berlangsung lebih lama dan bahan akan patah pada titik dengan tegangan S yang lebih rendah dari kurva Kurva Tegangan vs Regangan (Gambar 3). Meninjau bahwa konstanta n = 0 untuk benda padat plastis ideal, n = 1 untuk benda padat elastis dan n antara 0,1 hingga 0,5 pada bahan logam maka Tabel 3 menunjukkan bahwa benda yang diuji lebih menonjol sifat plastisnya. Pada Gambar 6 dapat dihitung bahwa regangan elastis hanya 13,03 % saja dari regangan total untuk laju regangan linier tertinggi (angka yang tidak jauh berbeda juga untuk laju regangan linier yang lain).
σ u = Su .e
maka:
S u .eε u = K .n n S K= u n n ( ) e
(8) dengan e = bilangan natural = 2,718. Berdasarkan persamaan (7) dan (8) maka diperoleh: Tabel 3.
Kalkulasi konstanta K dan n persamaan (4) (Gage Length = Lo = 50 mm)
Laju reganga n linier (detik-1) 0,0005 0,0062 0,0165
Su (MPa)
Elong ation (mm)
n = εu
K(MPa)
258,201 255,918 251,027
13,68 13,59 13
0,24 0,24 0,23
465,75 460,65 443,01
Slow
360
σ = 465,75.ε 0, 24
Medium
260
σ = 460,65.ε 0, 24
210
40
σ = 443,01.ε 0, 23
160
Fast
35
Medium
30
Slow
110
Regangan (%)
T ru e S tre s s (M P a )
310
60 0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
36.42
33.92
Regangan elastis (%) Regangan Total (%)
25 20 15 10
True Strain (mm/mm)
37.38
4.32
4.72
4.42
5
Gambar 5. Kurva True Stress vs True Strain untuk ketiga variasi laju regangan linier berdasarkan data pengujian dan parameter analitik pada Tabel 3.
0 0.0005
0.0062
0.0165
Laju regangan linier (1/detik)
Gambar 6. Pengaruh laju regangan linier terhadap regangan (e).
Dari Tabel 3 diketahui bahwa peningkatan laju regangan linier menyebabkan penurunan nilai K dan nilai konstanta strain hardening (n) relatif tetap. Konstanta K dapat juga disebut sebagai koefisien kekuatan (Dieter, 1992) sehingga penurunan nilai K menjelaskan mengapa kekuatan tarik dan kekuatan luluh bahan menurun. Karena data awal berupa L0 = 50 mm dan data pengujian berupa elongation dapat digunakan untuk menghitung ε dan serta parameter
Dari Gambar 6 pada batas elastis bahan, perubahan regangan tidak signifikan yaitu hanya 0,1 % hingga 0,4 %. Meskipun data regangan pada batas elastis ini penting untuk perencanaan elemen mesin namun perubahan yang kecil tersebut tidak perlu dirisaukan. Jika W& adalah kerja per satuan volume bahan atau luas daerah dibawah kurva tegangan vs regangan (Gambar
A-70
ISBN : 978-979-3980-15-7 Yogyakarta, 22 November 2008
Membandingkan jangkauan Boyce dan Dilmore (0,0002 detik-1 hingga 200 detik-1) dengan penelitian ini (0,0005 hingga 0,0165 detik-1) dapat diperkirakan bahwa kondisi pembebanan yang digunakan tidak jauh dari kondisi pembebanan quasi-statik sehingga data penurunan regangan tidak menonjol. Penurunan regangan total ini ketika dibandingkan dengan daerah elastis menunjukkan bahwa bahan baja dependen terhadap strain rate pada daerah plastis. Penyebabnya diduga karena ketangguhan retak diperlemah oleh strain rate (Boyce dan Dilmore, 2008). Mekanisme atau interaksi antara sifat ketangguhan dengan strain rate membutuhkan studi penelitian lebih lanjut.
7), ee regangan elastis serta S sebagai tegangan bahan tepat dibawah Sy (tegangan luluh) sesuai persamaan: e
e 1 W& = ∫ S (e) de = S ee 2 0
(9)
KESIMPULAN Dari data hasil pengujian pengaruh strain rate pada uji tarik bahan baja 1045, dapat disimpulkan bahwa: 1. Kekuatan tarik maksimum menurun 2,79 %, kekuatan (tarik) luluh menurun 4,05 % seiring dengan peningkatan laju regangan linier. 2. Kekuatan tarik putus meningkat 3,17 % dengan peningkatan laju regangan linier. 3. Perubahan regangan pada batas elastis bahan tidak signifikan (hanya 0,1 – 0,4 %). Kerja per satuan volume bahan relatif sama untuk semua variasi laju regangan linier yang diuji. 4. Regangan total bahan hanya turun 2,5 % pada laju regangan linier tinggi untuk jangkauan kondisi pembebanan quasi-statik.
Gambar 7. Kerja per satuan volume bahan pada batasan sifat elastis bahan.
&
maka W relatif sama untuk semua variasi laju regangan linier yang diuji. Untuk jangkauan laju regangan linier dalam penelitian ini, pada daerah elastis, sfat bahan baja yang diuji independen terhadap laju regangan linier serta parameter tersebut tidak mempengaruhi transisi elastis plastis bahan. Mengingat bahwa pada daerah elastis hukum Hooke masih berlaku dan kemiringan kurva S = f(e) yaitu modulus elastisitas (E) adalah sama atau konstan maka ketika persamaan: S = E.e (10) diturunkan terhadap waktu (t) akan menjadi:
UCAPAN TERIMA KASIH Peneliti mengucapkan terima kasih kepada Triyono, ST dan Puji Priyana, SST untuk operasional mesin uji tarik serta Ir. And. Surjaka Isp., MT atas penyediaan fasilitas penelitian di Labroratorium Bahan Teknik Program Diploma Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada. Terima kasih juga disampaikan kepada komunitas pengembang perangkat lunak open source multimedia dengan produk Media Player Classic yang memungkinkan dilakukannya analisa gambar tiap detik interval waktu dengan mudah dan murah.
dS de = E. dt dt S& = E.e&
(11) Dengan demikian dapat dikatakan bahwa laju tegangan sebanding dengan laju regangan linier meskipun tegangan luluh menurun. Hal ini berani disimpulkan dengan melihat pola kemiringan dari Gambar 3 yang mirip untuk ketiga variasi laju regangan linier (berarti E konstan, independen terhadap e& ), perbedaan nilai ee tidak signifikan serta bahwa tegangan luluh sudah bukan lagi tegangan pada batasan sifat elastis bahan. Ditinjau dari regangan total, data menunjukkan selisih maksimal 3,46% dengan kecenderungan penurunan regangan dari laju regangan linier sedang ke laju regangan linier tinggi. Terhadap laju regangan linier rendah penurunan regangan pada laju regangan linier tinggi juga terjadi yaitu sebesar 2,5 %. Nilai kuantitatif tersebut relatif jauh lebih rendah dibandingkan dengan data Boyce dan Dilmore yang mencapai penurunan 10 %. Penyebabnya terletak pada jangkauan variasi strain rate yang digunakan. Boyce dan Dilmore menguji dari kondisi pembebanan quasi-statik hingga dinamik.
DAFTAR PUSTAKA [1] Boyce, B.L., Dilmore, M.F., 2008, The dynamic tensile behavior of tough, ultrahigh-strength steels at strain-rates from 0.0002 s-1 to 200 s-1, International Journal of Impact Engineering, Elsevier Ltd. [2] Chaléat et al, 2008, Properties of a plasticised starch blend – Part 2: Influence of strain rate, temperature and moisture on the tensile yield behaviour, Journal of Carbohydrate Polymers , Vol. 74, Elsevier Ltd., pp. 366 – 371. [3] Costa Mattos, H.S. et al, 2008, Modeling the superplastic behavior of Mg alloy sheets under tension using a continuum damage theory, Journal of Materials and Design, Vol. 7, Elsevier Ltd.
A-71
Prosiding Seminar Nasional Teknoin 2008 Bidang Teknik Mesin
[4] Deshpande, V.S., Evans, A.G., 2008, Inelastic deformation and energy dissipation in ceramics: A mechanism-based constitutive model, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Vol. 56, Elsevier Ltd., pp. 3077– 3100. [5] Dieter, G.E., 1992, Mechanical Metallurgy, 3rd edition, McGraw-Hill, Inc. [6] Hoo Fatt, M.S., Ouyang, X., 2008, Threedimensional constitutive equations for Styrene Butadiene Rubber at high strain rates, Mechanics of Materials, Vol. 40, pp. 1–16, Elsevier Ltd. [7] Mastilovic, S., et al., 2007, Ordering effect of kinetic energy on dynamic deformation of brittle solids, Mechanics of Materials, Vol. 40, Elsevier Ltd., pp. 407– 417. [8] Nee, Mike S., J.G., 1998, Fundamentals of Tool Design, Society of Manufacturing Engineers, 4th edition, p.25 [9] Schaffer, J.P., et al, 1999, The Science And Design of Engineering Materials, 2nd edition, The McGraw-Hill Co., Inc., p.380 [10] Shokrieh, M.M., Omidi, M.J., 2008, Tension behavior of unidirectional glass/epoxy composites under different strain rates, Journal of Composite Structures, Vol. 06, Elsevier Ltd. [11] Wang, Z.Q., et al., 2008, Plastic anisotropy in fcc single crystals in high rate deformation, International Journal of Plasticity, Elsevier Ltd.
A-72
