Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996

APLIKASI UJITAK MERUSAK ULTRASONIK UNTUK MENENTUKANMODULUS ELASTisITAS DARI PADUAN Ag-Sn DAN Co-So YANG

DIGUNAKAN SEBAGAI BAHAN PENCAMPURUNTUK MEMBUA T AMALGAM 1

3Amoranto Trisnobudi2, Ellyza Herda3 dan Parangtopo

ABSTRAKAPLIKASI un TAK MERUSAK ULTRASONIK UNTUK MENENTUKAN MODULUS ELASTISITAS DARI

PADUAN Ag-Sn DAN Co-Sn YANG DIGUNAKAN SEBAGAI BAHAN PENCAMPUR UNTUK MEMBUAT AMALGAM.Bahan amalgam yang digunakan untuk keperluan kedokteran gigi biasanya dibuat dengan mencampur air raksa dengan bubuk paduanyang terdiri dari peTak, timah dan tembaga. Kualitas daTi amalgam yang dibuat tergantung pada sifat-sifat paduan pencampumya.Salah satu sifat paduan pencampur yang mempengaruhi kinerja klinis dari amalgam ini adalah modulus elastisitasnya. Dalam makalahini akan disampaikan basil-basil pengukuran modulus elastisitas dari dua jenis paduan pencampur yang merupakan paduan utamauntuk membuat bahan amalgam, yaitu paduan 73% Ag -27% Sn dan 62% Cu -38% Sn. Modulus elastisitas yang akan ditentukanantara lain adalah modulus Young, modulus kekakuan dan perbandingan Poisson. Salah satu cara yang dapat digunakan untukmenentukan modulus elastisitas bahan adalah dengan uji tak merusak ultrasonik. Penentuan modulus elastisitas ini dilakukan denganmemanfaatkan ketergantungan kecepatan gelombang ultrasonik terhadap sifat-sifat elastis bahan. Dengan mengukur kecepatangelombang longitudinal dan kecepatan gelombang transversal serta mengetahui besamya rapat masa bahan, maka modulus-moduluselastisitas tersebut di atas dapat dihitung. Setiap jenis paduan dibuat tiga buah sampel bahan dengan tiga cara pendinginan yang berbeda,

yaitu pendinginan udara, pendinginan semprot udara dan pendinginan celup air. Dari basil-basil pengukuran yang dilakukan diperolehkesimpulan bahwa pada umurnnya modulus Young dan modulus kekakuan daTi paduan yang dibuat dengan pendinginan celup air lebihkecil dibandingkan modulus Young dan modulus kekakuan daTi paduan yang dibuat dengan kedua cara pendinginan yang lain.

ABSTRACTULTRASONIC NON DESTRUCTIVE TESTING APPLICATION FOR DETERMINING ELASTIC MODULI

OF Ag-Sn AND Cu -Sn ALLOY USED AS MIXING ALLOYS FOR MAKING DENTAL AMALGAM. Amalgams for dentalapplication are usually produced by mixing mercury with a powdered alloy containing silver, tin and copper. The quality of the amalgamdepends on the properties of the mixing alloys. One of the properties that influence the clinical performance of the amalgam is itselasticity modulus. This paper deals with elastic moduli measurement of two principal mix alloys, i.e. alloy 73 % Ag -27 % Sn and alloy62 % Cu -38 % Sn. The elastic moduli that will be determined are Young modulus, rigidity modulus and Poisson ratio. One way ofdetermining the elastic moduli is by ultrasonic non destructive testing. The elastic moduli are determined by employing the dependenceof ultrasonic wave velocity on the elastic properties of material being propagated. The calculation of the elastic moduli is based on thedensity of the material, and the longitudinal and transversal velocity of the waves. Each alloy is made with three different types ofcooling i.e. as-cast, air-blown and water quenched cooling. From the measurements we can conclude that the Young modulus andrigidity modulus of the alloy with water quenched cooling is lower than the Young modulus and rigidity modulus of the alloy with twoothers type of cooling.

PENDAHULUAN menggunakan jumlah tembaga yang lebihbanyak yang sering disebut sebagai amalgambertembaga banyak (high copper amalgam).Kualitas daTi amalgam yang dibuat tergantungpada sifat -sifat paduan pencampumya daDsalah satu sifat paduan pencampur yangmempengaruhi kinerja klinis daTi amalgamadalah modulus elastisitasnya. Moduluselastisitas daTi amalgam yang akan digunakansebagai bahan penambal gigi biasanya harusmempunyai harga tertentu. Untuk memperolehamalgam dengan modulus elastisitas tertentuperlu diketahui besamya modulus elastisitasdaTi paduan-paduan pencampumya. Dalammakalah ini akan dibahas mengenaipengukuran modulus elastisitas daTi duapaduan pencampur yang biasa digunakan untukmembuat amalgam, yaitu paduan logam 73%Ag -27% Sn daD paduan Logam 62 % Cu -38

Amalgam adalah suatu paduan antara airraksa (Hg) dengan satu atau beberapa logamlain. Amalgam yang dipakai untuk aplikasikedokteran gigi biasanya dibuat denganmencampur air raksa dengan bubuk paduanyang mengandung peTak, timah daD tembaga.Amalgam konvensional biasanya dibuat denganmenggunakan paduan yang terdiri daTi 70 %peTak, 27 % timah dan hanya 5 % tembaga.Amalgam konvensional ini sering disebut jugasebagai amalgam bertembaga sedikit (lowcopper amalgam). Dari berbagai penelitiandiperoleh kesimpulan bahwa denganmenambah jumlah tembaga akan mempertinggikualitas daTi amalgam [1,2]. Oleh karena itusekarang hampir semua amalgam yangdigunakan untuk aplikasi kedokteran gigi

1 Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sains Materi 19962 Laboratoria Fisika Bangunan dan Akustik, Jurusan Teknik Fisika ITB3 Program Materials Science, Program Pasca Sarjana, Universitas Indonesia

112

% Sn. Modulus-modulus elastisitas yangdiukur antara lain adalah modulus Young,modulus kekakuan dan perbandingan Poisson.

Kedua paduan di alas merupakan paduanlogam yang cukup getas.- sehingga tidak dapatatau sukar sekali dilakukan uji tarik untukmenentukan modulus elastisitasnya. Sepertikita ketahui, uji tarik memerlukan bahan ujidengan bentuk tertentu agar uji tarik dapatdilaksanakan dengan baik. Oleh karena itudiperlukan cara lain yang tidak merusak bahanuji dan cara yang dipakai dalam penelitian iniadalah dengan menggunakan uji tak merusakultrasonik. Penentuan modulus elastisitasdilakukan dengan cara mengukur kecepatangelombang ultrasonik yang dirambatkan didalam bahan uji. Hal ini dapat dilakukankarena kecepatan gelombang ultrasonik yangmerambat di dalam suatu bahan besarnyatergantung pacta sifat-sifat elastis bahantersebut. Karena tidak merusak bahan uji makapengukuran dapat dilakukan berulang-ulang.

Modulus elastisitas dari amalgam yangdibuat selain tergantung pacta moduluselastisitas dari paduan-paduan pencampurnyatentunya juga tergantung pacta carapembuatannya. Dalam penelitian ini setiapjenis paduan dibuat dengan tiga carapendinginan yang berbeda, yaitu pendinginanudara, pendinginan semprot udara danpendinginan celup air. Diharapkan daripengukuran-pengukuran ini dapat diketahuipengaruh dari ketiga jenis pendinginan tersebutdi alas.

(3)A.

v=~i~dimana

E = modulus YoungG = modulus kekakuanv = perbandingan Poisson

Dan leon gelombang ultrasonik dapatditurunkan hubungan antara konstanta-konstanta Lame' clan kecepatan gelombangultrasonik yang menjalar di dalam bahanisotropik, seperti yang ditunjukkan padapersamaan-persamaan di bawah ini [3,4].

(4)x=J~

Vy=~~(5)

dimanaV L = kecepatan gelombang

longitudinalV T = kecepatan gelombang transversalp = rapat massa

Dengan demikian daTi teori elastisitas danteori gelombang ultrasonik diperoleh hubunganantara modulus-modulus elastisitas daDkecepatan-kecepatan gelombang ultrasonikseperti yang ditunjukkan pada persamaan-persamaan di bawah ini [5]. Ketiga persamaanterakhir inilah yang akan digunakan untukmenghitung modulus-modulus elastisitassetelah terlebih dahulu mengukur rapat massa,kecepatan longitudinal daD kecepatantransversal.

TEORIDalam penelitian ini paduan-paduan logam

yang digunakan dianggap sebagai bahanisotropik. Menurut leon elastisitas sifat-sifatmekanik dari bahan isotropik ditentukan olehdua konstanta elastisitas, yaitu A daD ~ yangsering disebut sebagai konstanta-konstantaLame'. Dan teori elastisitas dapat diturunkanhubungan antara konstanta-konstanta Lame'ini dengan modulus-modulus elastisitas sepertiyang ditunjukkan pada persamaan-persamaandi bawah ini.

(6)E=pVy

1

3VL -4Vy

\1:1_\,:1L y

zG= pVr (7)(1)E=~~~

(A,+J.1)

\1:2-2\1;2v= L Y2(VL 2 -Vy2) (8)G=~ (2)

113

CARA KERJA tumpang tindih dan gelombang kontinu [6J.Dalam penelitian ini digunakan metodapengukuran yang paling sederhana yaitumetoda pantuian pulsa. Secara umum blokdiagram dari metoda ini dapat dilihat padaGambar I.

Kecepatan gelombang ultrasonik dapatditentukan dengan menggunakan berbagaimetoda pengukuran seperti metoda-metodapantuIan pulsa, sing-around, superposisi pulsa,

Gambar Diagram blok metoda pantulan pulsa

Generator pulsa mengeluarkan pulsa-pulsaelektronik dengan durasi yang sangat pendekdan dengan frekuensi perulangan yang cukuprendah, Pulsa-pulsa elektronik ini diubah olehtransduser T menjadi gelombang ultrasonikyang diradiasikan ke dalam bahan, Gelombangultrasonik ini akan dipantulkan berulang-ulangoleh permukaan-permukaan bahan sehinggatransduser R akan menerima pulsa-pulsaberturutan dengan selang waktu sebesar waktutempuh dua kali melintasi tebal bahan,Gelombang ultrasonik yang diterirna olehtransduser R ini diubah kembali menjadi pulsa-pulsa elektronik yang setelah diperkuatditampilkan pada alat peraga. Teknikpengukuran dengan menggunakan dua buahtransduser ini disebut teknik transrnisi. Teknikpengukuran dapat juga dilakukan denganmenggunakan hanya satu buah transduser yangdisebut teknik refleksi dimana transduser Tbertindak baik sebagai transduser pemancarmaupun sebagai transduser penerima.Kecepatan gelombang ultrasonik yang akanditentukan dapat dihitung dari persamaan :

2LV=-

AT(9)

dimanav = kecepatan gelombangL = leba! bahan~ T = selang waktu antara dua pulsa

berturutan

Pengukuran kecepatan dengan cara tersebut diatas hanya dapat dilakukan bila atenuasi bahantidak terlalu besar sedemikian rupa sehinggapada alat peraga dapat diamati minimum duapulsa berturutan seperti yang ditunjukkan padaGambar 2. Bila atenuasi bahan terlalu besaratau bahannya terlalu tebal, maka pada alatperaga hanya dapat diamati satu buah pulsaseperti terlihat pada Gambar 3 dan kecepatangelombang dihitung dari persamaan :

LV=-T

(10)

U4

P .L\T

~ I~ ~ I~

: AT ::. --~

Gambar 2. Pulsa-pulsa yang diamati pada alat peraga hila atenuasi bahan kecil.

: I

I

T

Gambar 3. Pulsa yang diamati pada alat peraga bila atenuasi bahan besar.

Dalam penelitian ini sebagai generatorpulsa digunakan Ultrasonic Flaw Detector TypeUSIP-12 dari KRAUTKRAMER sedangkansebagai penguat dan alat peraga digunakanOscilloscope Type 88-7610 dari tWAT8U.Untuk mengukur kecepatan gelombanglongitudinal digunakan satu buah transduserultrasonik Type V-Z-l"-5 dari NORTEC.Transduser ultrasonik ini merupakantransduser gelombang longitudinal lurnsberpita lebar (straight beam broad-bandtransducer) dengan frekuensi tengah 5

megahertz. Sedangkan untuk mengukurkecepatan gelombang transversal digunakandua buah traDsduser ultrasonik Type MWB45-4E dari KRAUTKRAMER. Transduserultrasonik ini merupakan transdusergelombang transversal bersudut berpita sempit(angle beam narrow-band transducer) denganfrekuensi resonansi sebesar 4 megahertz.Pemasangan transduser pada saat pengukurandapat dilihat pada Gambar 4. Pengukurandilakukan di Laboratorium Mekanika Struktur,Pusat Antar Universitas -Ilmu Rekayasa,lnstitut Teknologi Bandung.

115

T/RT

(1

Gambar 4. Pemasangan transduser pada bahan uji

massa dapat dilihat pada Tabel I. Kecepatangelombang longitudinal ditentukan denganmengukur tebal bahan uji dan selang waktuantara dua pulsa berturutan. Hasil perhitungankecepatan longitudinal dapat dilihat pada Tabel2. Kecepatan transversal ditentukan denganmengukur tebal bahan uji, jarak transduser danwaktu tempuh. Hasil perhitungan kecepatantransversal dapat dilihat pada Tabel 3.

BASIL DAN PEMBAHASAN

Rapat rnassa bahan uji ditentukan denganmengukur massa dan volume. Massa bahan ujidiukur dengan menggunakan neraca analitissedangkan volume benda uji diukur denganmenggunakan gelas ukur. Basil pengukuranrnassa dan volume serta basil perhitungan rapat

Tabell. Hasil perhitungan rapat massa bahan uji.

Rapat Massa[kg/In3]

No.Bahan

~1

Jenis Paduan Cara Pendinginan Massa[gram]

Volume(mIJ

-

1007473 % Ag -27 %So

udara 70,5 7

92832 73 % Ag -27 %So

semprot udara 111,4 12

104553 73 % Ag -27 %Sn

celup air 115 1]

~1718

909587068472

J- 620/0 Cu -3!!-O/O SO f udara ~148

152.5

456

162 % Cu -38 % Sn se~prot udara---

I 62 %~- 38 % Sn I ~lupair

116

Tabel 2. Hasil perhitungan kecepatan gelombang longitudinal.

Kecepatan LongitudinalVL[m/s]

Tebald[mrnJ

Selang WaktuNo. Bahan Uji

8.00- ~~~~

36043562354844774458

23456

Tabel3. Hasil perhitungan kecepatan transversal.

Waktu TempuhT

[~]

TebaJd

[mm]

JarakTransduser

a

[rnrn]

KecepatanTransversal

Vr[m/s]

No. Bahan Uji

~~

2:d.i2~5,0

.?f:J.~

~~4,56

178316561533238322102195

23456

dari bahan uji. Hasil perhitungan modulusYoung, modulus kekakuan dan perbandinganPoisson dari bahan uji dapat dilihat pada Tabel4.

Hasil perhitungan rapat massa, kecepatanlongitudinal dan kecepatan transversal padaketiga label di alas selanjutnya digunakanuntuk menentukan modulus-modulus elastisitas

Tabel4. Hasil perhitungan modulus Young, modulus kekkuan dan perbandingan Poisson.

PerbandinganPoisson

CaraPendinginan

ModulusYoung[GPa]

ModulusKekakuan

(GPa]

No.Bahan

UjiJenis Paduan

32.0-~, .

~

I~%~

~~23,

'-73 % Ag -27 %

173

% Ag -27 %-Sn-r celuD air6~% Cu -38 o/-;;Sn~ udara

113,80-34

--~I 62 % Cu -38 % So I celup air

117

A~-

Ketelitian basil perhitungan pada Tabel 4di atas tergantung pada kesalahan pengukuranrapat massa, kecepatan longitudinal dankecepatan transversal. Pada pengukuran rapatmassa kesalahan terutarna disebabkan karenaketidaktelitian mengukur volume bahan ujidengan gelas ukur. Kecepatan longitudinaldapat ditentukan dengan cukup teliti karenatebal bahan uji diukur dengan jangka sorong(ketelitian 0,05 rom) dan pada osiloskop dapatdiarnati dua buah pulsa yang berturutansehingga selang waktu yang diukur mernangbenar-benar merupakan waktu tempuhgelombang ultrasonik melintasi dua kali tebalbahan uji. Hal ini disebabkan karena untukgelombang longitudinal atenuasi bahan ujimempunyai harga yang tidak terlalu besar.Berbeda halnya dengan penentuan kecepatantransversal dirnana basilnya tidak begitu telitikarena dua halo Hal yang pertarna adalahpengukuran jarak transduser dilakukan dengan

menggunakan penggaris dengan ketelitianmaksimum 0,5 mm. Hal yang kedua adalahuntuk gelombang transversal bahan ujimempunyai atenuasi yang cukup besar. Disamping itu gelombang uItrasonik menempuhjarak yang lebih jauh karena arahnya miring.Akibatnya hanya ada satu pulsa yang dapatdiamati dan waktu tempuh yang diukur tidakbenar-benar waktu tempuh di dalam bahantetapi juga ditambah dengan waktu tempuh didalam transduser dan kabel-kabel penghubung.U otuk mengurangi kesalahan ini dilakukanterlebih dahulu penentuan titik nolnya denganmelekatkan kedua transduser tanpa bahan uji.Pengukuran waktu tempuh akan menjadi lebihteliti bila transduser R yang digeser kekanan(Gambar 5) dapat menerima satu puIsa lagiseperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Disini selang waktu 6- T yang diamati adalahbenar-benar waktu tempuh gelombangultrasonik selama melintasi tiga kali tebalbahan uji.

Gambar 5. Pergeseran transduser penerima R untuk mengukur kecepatan transversal

I I

: L\T ~

:4 .;

I ~--

Gambar 6. Pulsa-pulsa yang diterima transduser R pacta dua posisi yang berbeda.

ttS

UCAPAN TERIMA KASIHKESIMPULAN

Penulis mcngucapkan tcrimakasih kepadaDr.Ir. Adang Surahman yang mengijinkanpenulis untuk menggunakan perangkat uji takmerusak ultrasonik yang ada di LaboratoriumMekanika Struktur, Pusat Antar Universitas-Ilmu Rekayasa, ITB.

Dan basil penclitian untuk menentukanmodulus-modulus elastisitas pada berbagaipaduan logam ini dapat ditarik beberapakesimpulan, yaitu :

1

DAFT AR PUST AKA

2.

3.

Dcngan mcnggunakan uji takP'lerusak ultrasonik, pengukuransifat-sifat elastis daTi paduanlogam dapat dilakukan dengancara yang relatip mudah.Modulus Young dan moduluskekakuan daTi paduan logam 62% Cu -38 % Sn ul;Ilumnyarelatip lebih. besar (lebih daTi 50%) hila dibandingkan denganmodulus Young dan moduluskekakuan dari paduan logam 73%Ag-27%Sn. .Paduan logam yang di9~t!;lenganpendinginan celup- air metnpunyaimodulus Young daD moduluskekakuan yang sedi.kit .Icbih kecilhila dibanding~nd~ganpaduanlogam yang dib~t denganpendinginan udara ataupendinginan semprot udara. Halyang sebaliknya terjadi padaharga perbandingan Poisson-nya.

1. FERRACANE, Materials in Dentistry :Principals and Applications, J.B.Lippincott Company, 1995,. p. 117.

2. CRAIG, Restorative Dental Materials,Mosby Company, St. Louis, 1993, p. 214.

3. GOOBERMAN, Ultrasonics: Theory andApplications, English Universities PressLtd., London, 1968, p. 9.

4. THURSTON, Physical Acoustics (W.P.Mason,ed.) : Wave Propagation in Fluidsand Normal Solids, Vol. lA, Chap. I,Academic Press, New York, 1964, p. 72. .

5. GRENOBLE and J.L. KATZ, The Pressure~ndence of the Elastic Constants ofDental Amalgam, J. Biomed. Mater. Res.,5 (1971) 490-491.

6. TRUELL, C. ELBAUM and B.B. CmCK,illtrasonic Methods in Solid State Physics,Academic Press, New York, 1969, p.77-87.

::-~."'!O'

119