investigasi karakteristik lelah baja karbon jis s45c … · 2020. 8. 3. · baja karbon jis s45c...

INVESTIGASI KARAKTERISTIK LELAH

BAJA KARBON JIS S45C

SKRIPSI

Diajukan Sebagai Salah Satu Persyaratan

Guna Memperoleh Gelar Sarja Teknik (S.T)

Program Studi Teknik Mesin

Disusun Oleh :

ALEXANDER EKA SUSANTO

NIM : 165214141

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2020

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

ii

FATIGUE CHARACTHERISTICS INVESTIGATION

OF CARBON STEEL JIS S45C

FINAL PROJECT

Submitted As One of Requirements

To Obtain the Engineering Degree (S.T)

Mechanical Engineering

Arranged by :

ALEXANDER EKA SUSANTO

STUDENT NUMBER : 165214141

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2020


vii

ABSTRAK

Tujuan utama dari penelitian merupakan investigasi karakteristik mekanis dari

baja karbon JIS S45C. Untuk menginvesitigasi karateristik mekanis baja karbon JIS

S45C dilakukan pengujian tarik, kekerasan, kelelahan, dan struktur mikro. Hasil data

beberapa pengujian kemudian dibandingkan dan dievaluasi dengan data dari beberapa

sumber pustaka. Data kekuatan tarik (σu), tegangan luluh (σy), regangan (ɛ), dan

modulus elastisitas (E) didapat dari pengujian tarik. Dari pengujian tersebut didapat

nilai σu sebesar 717,17 MPa, σy sebesar 478,03 MPa, ɛ sebesar 0,179, dan E sebesar

11,97 MPa. Karakteristik pengujan tarik tidak berbeda secara signifikan terhadap

beberapa hasil penelitian dari beberapa pustaka yang ada. Hasil dari pengujian

kekerasan menunjukan nilai rata-rata kekerasan Brinell sebesar 178,27 BHN. Untuk

mendapatkan karakteristik kelelahan baja karbon JIS S45C, pengujian kelelahan

dilakukan dengan menerapkan rasio pembebanan dari 70% hingga 30% kekuatan baja

karbon. Regresi garis digunakan untuk mengevaluasi persebaran data yang diperoleh

dari data pengujian kelelahan. Batas kelelahan (fatigue limit) ditentukan melalui

penentuan regresi garis yang sesuai dengan nilai R-square di atas 0,9. Hasil evaluasi

menunjukan bahwa nilai fatigue limit dari baja karbon JIS S45C sebesar 226 MPa.

Dari hasil perbandingan dengan beberapa pustaka lain, terlihat bahwa tidak semua

jenis logam memiliki karakteristik fatigue limit. Fatigue limit dipengaruhi oleh nilai

rasio tegangan (R), semakin kecil nilai R maka semakin besar nilai fatigue limit. Dari

pengamatan makro, patahan getas terlihat pada rasio pembebanan 70% dari kekuatan

baja karbon dengan indikasi adanya cleavage. Penurunan rasio pembebanan

menunjukan material cenderung memiliki patah ulet. Hal itu terlihat dari adanya

pertumbuhan slip, yang merupakan insiasi awal retakan (crack initiation) di

permukaan penampang spesimen. Selain itu, indikasi karakteristik patahan dapat

dilihat dari diameter patahan yang semakin berkurang dengan menurunnya beban

pada pengujian kelelahan.

Kata kunci : Baja karbon JIS S45C, cleavage, crack initiation, fatigue limit.


viii

ABSTRACT

The purpose of this research is to investigate mechanical properties of carbon

steel JIS S45C. The Mechanical properties of carbon steel JIS S45C were

investigated by conducting the tensile test, hardness test, fatigue test, and

microstructure observation. All experimental data were then evaluated and compared

with the data from several works of literature. The tensile strength (σu), yield stress

(σy), strain (ɛ), and modulus elasticity (E) were obtained from the tensile test, with a

value of 717,17 MPa, 478,03 MPa, 0,179, and 11,97 MPa, respectively. The hardness

test was obtained by Brinell’s method with 178,27 BHN. The fatigue test was carried

out by varying the load from 70% to 30% of the strength of carbon steel JIS S45C to

evaluate the fatigue characteristics. A regression line was then fitted through the

fatigue data. The result showed that the fatigue limit of carbon steel JIS S45C was

226 MPa, with the R-square value above 0,9. From the results of comparasion with

few literature review, it can be seen not all types of metal have fatigue limit. Fatigue

limit’s value is influenced by stress ratio (R), the smaller value of R, the greater the

value of fatigue limit. From fractography observation, the brittle fractured was

observed at a 70% loading ratio indicated by cleavage existence. The steel tends to

experience plastic deformation with the reduction of fatigue load ratio. It was

indicated by the growth of slip on the fractured specimens. The plastic deformation

could also be indicated by measuring the reduction of fractured diameter.

Keywords : Carbon steel JIS S45C, cleavage, crack initiation, fatigue limit.


ix

KATA PENGANTAR

Namo Buddhaya,

Terpujilah kepada Sanghyang Adi Buddha, Sang Tri Ratna, dan Boddhisatva-

Mahasatva sehingga skripsi tugas akhir yang berjudul “INVESTIGASI

KARAKTERISTIK MEKANIS BAJA KARBON JIS S45C” dapat berjalan dari awal

hingga akhir dengan lancar. Skripsi tugas akhir ini dibuat guna menjadi syarat

kelulusan untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik di Program Studi Teknik Mesin,

Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma .

Pada kesempatan yang dapat dituliskan ini, penulis menyadari bahwa

pembuatan skripsi tugas akhir masih jauh dari kata sempurna, baik dari segi tata

tulisan, pemilihan diksi kata-kata, maupun pembahasaannya dikarenakan

kurangnya ilmu pengetahuan bagi penulis. Maka dari itu, penulis berharap adanya

kritik, dan saran dalam penulisan pada tugas akhir skripsi ini. Penulis juga menyadari

bahwa banyaknya dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis ingin

menyampaikan rasa apresiasi kepada beberapa pihak :

1. Sudi Mungkasi, Ph.D., selaku dekan Fakultas Sains dan Teknologi

Universitas Sanata Dharma.

2. Budi Setyahandana, S.T., M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin

Universitas Sanata Dharma.

3. Dr.Eng., I Made Wicaksana Ekaputra, M.Eng., selaku dosen pembimbing

yang telah banyak memberi dorongan, kritik, dan saran untuk skripsi tugas

akhir.

4. Bapak Achilleus Hermawan Astyanto, S.T., M.Eng., dan Bapak Wibowo

Kusbandono, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing yang telah banyak

memberikan petunjuk akademik serta non-akademik dari awal hingga akhir

perkuliahan.


x

5. Papa (馬春風), mama (賴順信), serta keluarga besar 馬 dan 賴 yang banyak

sekali memberi support dan semangat.

6. Teman satu-satunya, dan seperjuangan saat pengambilan data tugas akhir

skripsi, Freddy.

7. Teman-teman kelas C dari awal hingga akhir semester yang selalu bersama,

serta teman-teman saat penjurusan material.

8. Teman-teman dari Universitas Sanata Dharma, Universitas Atma Jaya, dan

Universitas Gadjah Mada, yang tidak bisa disebutkan satu per satu namanya.

9. Segenap dosen, laboran, karyawan, dan staff sekretariat Teknik Mesin,

Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, yang telah banyak

membagikan ilmu serta pengalamannya dari awal hingga akhir perkuliahan.

10. Serta seluruh pihak yang tidak bisa disebutkan satu per satu yang telah

memberikan banyak dukungan dan bantuan.

Dengan segala ketidaksempurnaan dan kekurangan dalam penulisan skripsi

tugas akhir ini, penulis berharap bahwa skripsi tugas akhir dapat menjadi manfaat,

informasi, dan acuan dalam kemajuan penulisan penulisan skripsi tugas akhir

selanjutnya.

Sabbe Satta Bhavantu Sukhitta, Semoga Semua Mahluk Hidup Berbahagia

Sadhu... Sadhu... Sadhu...

Yogyakarta, 18 Mei 2019

Penulis


xi

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL .................................................................................................... i

HALAMAN JUDUL BAHASA INGGRIS ............................................................... ii

LEMBAR PENGESAHAN ....................................................................................... iii

LEMBAR PERSETUJUAN ...................................................................................... iii

LEMBAR PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI ................................................. v

LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK

KEPENTINGAN AKADEMIS ................................................................................. vi

ABSTRAK ................................................................................................................. vii

ABSTRACT .............................................................................................................. viii

KATA PENGANTAR ................................................................................................ ix

DAFTAR ISI ............................................................................................................... xi

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ xiv

DAFTAR TABEL ................................................................................................... xvii

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................ 1

1.1 Latar Belakang ............................................................................................... 1

1.2 Identifikasi Masalah ....................................................................................... 2

1.3 Rumusan Masalah .......................................................................................... 2

1.4 Tujuan Penelitian ............................................................................................ 2

1.5 Batasan Masalah ............................................................................................. 3

1.6 Manfaat Penelitian .......................................................................................... 3

BAB II LANDASAN TEORI ..................................................................................... 4

2.1 Tinjauan Pustaka ............................................................................................ 4


xii

2.2 Paduan Baja Karbon Sedang .......................................................................... 5

2.3 Uji Tarik ......................................................................................................... 6

2.3.1 Deformasi Elastis .................................................................................... 7

2.3.2 Deformasi Plastis .................................................................................... 8

2.4 Uji kekerasan ................................................................................................ 10

2.5 Pengujian Kekerasan Brinell ........................................................................ 11

2.6 Kegagalan Akibat Kelelahan ........................................................................ 12

2.7 Normalizing .................................................................................................. 17

BAB III METODE PENELITIAN .......................................................................... 18

3.1 Diagram Alir Penelitian ................................................................................ 18

3.2 Alat Penelitian .............................................................................................. 19

3.3 Sample Pengujian ......................................................................................... 23

3.4 Prosedur Penelitian ....................................................................................... 24

3.4.1 Proses Normalizing Material Mentah ................................................... 24

3.4.2 Pembuatan Spesimen Benda Uji ........................................................... 25

3.4.3 Pengujian Tarik ..................................................................................... 27

3.4.4 Pengujian Kelelahan.............................................................................. 28

3.4.5 Uji Kekerasan Brinell ............................................................................ 28

3.4.6 Pengambilan Gambar Struktur Makro dan Mikro ................................ 29

BAB IV HASIL DAN ANALISIS DATA ................................................................ 30

4.1 Pengamatan Struktur Mikro ......................................................................... 30

4.2 Hasil Uji Tarik .............................................................................................. 32


xiii

4.3 Hasil Uji Fatigue .......................................................................................... 37

4.3.1 Kurva S-N. ............................................................................................ 37

4.3.2 Analisis Struktur Makro (fractography) ............................................... 45

4.4 Hasil Uji Kekerasan ...................................................................................... 48

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .................................................................... 51

5.1 Kesimpulan ................................................................................................... 51

5.2 Saran ............................................................................................................. 52

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ 53


xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Diagram fasa besi-karbon (Callister, 2007) .............................................. 6

Gambar 2.2 Skema grafik tegangan regangan pada daerah elastis dengan garis linear

saat pembebanan dan pada saat beban dilepaskan (Callister, 2007) ............................. 9

Gambar 2.3 Kurva tegangan regangan. a) Kurva umum pada material. b) Kurva pada

beberapa Baja yang menunjukan fenomena luluh (Callister, 2007) ........................... 10

Gambar 2.4. Kurva tegangan regangan untuk material getas dan ulet (Dowling, 1993)

..................................................................................................................................... 10

Gambar 2.5 Deformasi Plastis yang terjadi akibat indentor pada uji kekerasan Brinell

(Dowling,1993) ........................................................................................................... 11

Gambar 2.6 Grafik variasi tegangan terhadap waktu. A) Reversed stress cycle.

B)Repeated stress cycle. C)Random stress cycle (Callister, 2007) ............................. 15

Gambar 2.7 Kurva Tegangan terhadap jumlah siklus dalam skala logaritma. A)

Material yang menunjukan adanya Fatigue Limit. B) Material yang tidak menunjukan

adanya Fatigue Limit (Callister, 2007) ....................................................................... 16

Gambar 2.8 Efek dari penghalus butir saat normalizing pada baja karbon 0,5%C . a)

saat terkena canai panas (hot rolling) atau tempa. b) sesudah normalizing (Totten,

2007) ........................................................................................................................... 17

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ............................................................................ 19

Gambar 3.2 Mesin bubut CNC ................................................................................... 20

Gambar 3.3 Alat uji kekerasan Brinell ........................................................................ 20

Gambar 3.4 Mesin uji tarik universal .......................................................................... 21


xv

Gambar 3.5 Mesin uji kelelahan ................................................................................. 22

Gambar 3.6 Furnace ................................................................................................... 22

Gambar 3.7 Material mentah baja karbon JIS S45C dengan ukuran panjang 20 cm.. 23

Gambar 3.8 Grafik Temperature vs Waktu pada proses normalizing (Dowling, 1993)

..................................................................................................................................... 25

Gambar 3.9 Material mentah baja karbon JIS S45C setelah normalizing .................. 25

Gambar 3.10 Spesimen uji tarik standard ASTM E-8 ................................................ 26

Gambar 3.11 Spesimen uji kelelahan standard ASTM E-466 (ASTM, 2002)............ 27

Gambar 3.12 Dimensi spesimen uji kekerasan ........................................................... 29

Gambar 4.1 Foto struktur mikro baja karbon S45C, setelah normalizing dalam suhu

900oC, etsa Nital 2% (perbesaran 200x) ..................................................................... 31

Gambar 4.2 Foto struktur mikro baja AISI 1045 (Dowling, 1993) ............................ 31

Gambar 4.3 Grafik tegangan regangan baja karbon JIS S45C.................................... 34

Gambar 4.4 Penentuan nilai modulus elastisitas baja karbon JIS S45C ..................... 35

Gambar 4.5 Grafik tegangan regangan tiga jenis stainless steel dengan suhu ruangan

(Morrall dkk., 2018) .................................................................................................... 36

Gambar 4.6 Grafik tegangan regangan tiga jenis baja Fe-Mn-Si-C (K.Y.Lee, 2008) 36

Gambar 4.7 Grafik tegangan regangan baja karbon dua fasa dengan perbedaan

kandungan karbon dan pemasan suhu intercritical (De la Concepción, Lorusso dan

Svoboda, 2015) ........................................................................................................... 37

Gambar 4.8 Kurva S-N baja karbon JIS S45C dalam keadaan normalizing .............. 42


xvi

Gambar 4.9 Kurva S-N paduan Ti-6Al-4V dengan variasi perbedaan rasio tegangan

(Ono dkk., 2014) ......................................................................................................... 43

Gambar 4.10 Kurva S-N baja AISI 4340 dengan variasi perbedaan perlakuan panas

(Chmelko, Berta dan Margetin, 2019) ........................................................................ 43

Gambar 4.11 Kurvaa S-N baja plat DP600 dengan komparasi literature (Onn, Ahmad

dan Tamin, 2015) ........................................................................................................ 44

Gambar 4.12 Kurva S-N baja baja pipa bor S135 (Luo, Wang dan Zhao, 2013) ....... 44

Gambar 4.13 Foto struktur makro permukaan spesimen fatigue pada beban 287,19

MPa ............................................................................................................................. 46

Gambar 4.14 Foto struktur makro permukaan spesimen fatigue pada beban 359 MPa

..................................................................................................................................... 47


..................................................................................................................................... 47

Gambar 4.16 Hubungan antara diameter setelah patah terhadap jumlah siklus ......... 48

Gambar 4.17 Grafik hubungan antara nilai rata-rata BHN terhadap diameter indentasi

..................................................................................................................................... 50


xvii

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Komposisi kimia baja karbon S45C (wt%) (Rifai dkk., 2016) ................... 23

Tabel 3.2 Dimensi spesimen uji tarik .......................................................................... 26

Tabel 3.3 Dimensi spesimen uji kelelahan .................................................................. 27

Tabel 4.1 Hasil uji tarik baja karbon S45C ................................................................. 35

Tabel 4.2 Nilai konstanta parameter regresi dari baja JIS S45C................................. 42

Tabel 4.3 Data uji kekerasan Brinell baja karbon S45C ............................................. 49


1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Logam baja karbon sedang memiliki beberapa kelebihan dibandingkan

dengan baja karbon yang lain, diantaranya memiliki kekuatan yang cukup besar untuk

menahan beban tarik, mudah dibentuk, dapat diberi perlakuan panas, serta harganya

yang relatif murah (Totten, 2007). Salah satu jenis material baja karbon sedang

dengan kode JIS S45C atau sering disebut dengan baja struktural banyak digunakan

di dunia perindustrian, terutama di bagian struktur permesinan, gear, dan bagian

untuk aktuator atau sensor, dikarenakan baja karbon JIS S45C mempunyai sifat

permersinan yang baik dan kemampuan las yang baik (Kuo dkk, 2018).

Penurunan dari kualitas sifat mekanis yang menyebabkan terjadinya

kegagalan pada suatu material atau komponen saat terkena beban siklik disebut

dengan fenomena kelelahan (fatigue). Secara umum, fatigue menjadi permasalahan

dalam komponen struktural atau bagian komponen yang bergerak, layaknya, pesawat

terbang di udara, dan otomobil yang sedang berada di jalan. Sekitar 90% dari

komponen permesinan yang sedang bekerja mengalami kegagalan akibat fatigue

(Meyers, Marc André dan Chawla, 1999). Fatigue sendiri sangat berperan terhadap

kerugian ekonomi, seperti pembiayaan penanganan terhadap beban siklik, setidaknya

80% biaya digunakan untuk penangangan dan pencegahan fatigue (Dowling, 1993).

Baja karbon JIS S45C sering kali dijadikan komponen dasar pembuatan

poros engkol (Handoyo, 2015). Banyak komponen dari mesin diesel seperti poros

engkol terkena pembebanan siklik sehingga ada kemungkinan terjadinya kegagalan

akibat fatigue (Ktari, Haddar dan Ayedi, 2011). Dengan adanya variasi pembebanan,

maka kegagalan pada baja karbon JIS S45C akan sulit untuk diprediksi. Maka dari

itu, investigasi mendalam terkait sifat mekanis baja karbon JIS S45C perlu dilakukan

untuk tujuan desain dan pertimbangan keamanan. Penelitian ini difokuskan untuk


2

mengevaluasi sifat-sifat mekanis seperti kekuatan tarik, nilai kekerasan, struktur

mikro, serta sifat kelelahan pada baja karbon JIS S45C untuk kemudian

dibandingkan dengan data pengujian pustaka yang ada.

1.2 Identifikasi Masalah

Dari latar belakang di atas, identifikasi masalah yang akan dijadikan bahan

eveluasi penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Karakteristik pembebanan yang bervariasi menyebabkan terjadinya degradasi

sifat mekanis dan menyebabkan ketidakpastian dalam proses desain.

2. Adanya perbedaan hasil pengujian yang diperoleh dari beberapa kajian

pustaka.

1.3 Rumusan Masalah

Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah :

1. Bagaimana pengaruh pembebanan terhadap kekuatan tarik, kekerasan, dan

karakteristik kelelahan, baja karbon JIS S45C?

2. Bagaimana pengaruh pembebanan terhadap karakteristik struktur makro dan

mikro baja karbon JIS S45C?

3. Bagaimana perbandingan sifat mekanis hasil pengujian baja karbon JIS S45C

terhadap data yang diperoleh dari hasil kajian pustaka?

1.4 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menginvestigasi karakteristik mekanis

baja karbon S45C secara komprehensif melalui pengujian tarik, kekerasan, kelelahan,


3

dan pengamatan makro dan mikro, serta komparasi dengan jenis lainnya melalui

kajian pustaka.

1.5 Batasan Masalah

Agar tearah dan sistematis, penulis memberikan batasan masalah sebagai

berikut :

1. Pengujian dilakukan dengan suhu ruangan.

2. Komposisi material dianggap homogen.

3. Rasio pembebanan yang digunakan sebesar 70% sampai dengan 30%

4. Pengujian mekanis yang dilakukan meliputi : pengujian kekerasan Brinell, Uji

tarik, struktur mikro dan uji kelelahan.

1.6 Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian dari investigasi sifat mekanis baja karbon JIS S45C

adalah :

1. Memperkaya dan menambah referensi hasil pengujian dengan kondisi

pengujian yang dilakukan.

2. Menjadi referensi untuk pengembangan dan penelitian selanjutnya dalam

lingkup teknik mesin.

3. Sebagai bahan pertimbangan dalam industri agar mendapat kualitas barang

yang lebih baik.


4

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka

Fenomena kelelahan merupakan performa logam di bawah beban siklik yang

berulang-ulang (Mehdizadeh, McGLASSON dan E.landers, 1966). Aldeeb dan

Abduelmula (2018) menegaskan bahwa kelelahan sering dikatakan sebagai salah satu

penyebab kegagalan utama pada struktur dan komponen logam, dan hal tersebut

merupakan salah satu yang bertanggung jawab pada kegagalan logam. Ditambah,

dengan perkembangan teknologi dan jaman sehingga bertambahnya jumlah

perusahaan industri, sehingga mendorong para peneliti untuk melakukan penelitian

tentang kelelahan pada material.

Terdapat beberapa hasil penelitian mengenai fenomena kelelahan pada logam

beserta variasi-variasi yang telah dilakukan. Penelitian sifat kelelahan baja S135 yang

terkorosi oleh H2S dilakukan oleh (Huang et al., 2017). Pada penelitian tersebut,

diperoleh hasil fatigue limit 104, ketika tegangan yang diaplikasikan sebesar 540

MPa. Penelitian tentang sifat kelelahan pada baja AISI 4130 yang dikenakan upset

welding dan mendapat perlakuan panas Annealing, Quencing, dan Tempering telah

dilakukan oleh (Mollazadeh, Noruzi dan Eskandarzade 2015). Penelitian tersebut

mengatakan bahwa baja AISI 4130 yang mendapat perlakukan Tempering merupakan

baja yang mempunyai nilai Fatigue Limit yang paling tinggi diantara jenis dua variasi

lainnya. Penelitian kelelahan lainnya menggunakan material baja poros DIN

42CrMo4 yang bertakik U dan V akibat beban amplitudo konstan dan beban tiba-tiba.

Pada penelitian tersebut, didapatkan hasil fatigue strength pada beban amplitude

konstan spesimen dengan takik U dan V sebesar 215 MPa dan 225 MPa, lalu hasil

Fatigue Strength pada gabungan beban amplitudo konstan dan beban tiba-tiba sebesar

146 MPa dan 132 MPa (Subarmono dan Sinta, 2014).


5

2.2 Paduan Baja Karbon Sedang

Baja karbon merupakan baja yang mempunyai kandungan utama karbon,

kandungan elemen seperti silikon dan aluminium ditambahkan untuk proses

deoxidation dan kandungan mangan dan serium ditambahkan agar mengurangi kadar

sulfur yang berada pada baja karbon (Callister, 2007). Variasi dari komponen karbon

(C) dapat mempengaruhi sifat mekanis, dengan menambahkan komponen C dapat

meningkatkan kekuatan dan kekerasan dari baja tersebut. Baja karbon sedang

mengandung Karbon 0,3 - 0,5% dan kandungan Mangan sekitar 0,6 - 1,65% ketika

digunakan untuk meningkatkan sifat mekanis yang diinginkan (Totten, 2007).

Menurut Callister (2007), besi murni saat pemanasan akan mengalami dua

perubahan di dalam struktur kristal sebelum besi murni tersebut meleleh. Pada

temperature ruangan, fasa yang diperoleh merupakan besi α (ferrite), dan mempunyai

struktur kristal Body Cubic Center (BCC). Ketika ferrite dipanaskan sampai dengan

temperature sebesar 912oC, maka akan mengalami perubahan polymorphic menjadi

besi γ (austenite) yang mempunyai struktur kristal Face Cubic Center (FCC).

Austenite sendiri ketika dipadukan hanya dengan karbon, maka austenite tidak akan

stabil pada suhu dibawah 727oC. Kelarutan maksimum karbon pada austenite sebesar

2,14%, dan hanya terjadi pada suhu 1147oC.


6

Gambar 0.1 Diagram fasa besi-karbon (Callister, 2007)

2.3 Uji Tarik

Salah satu pengujian mekanis tegangan-regangan yang paling umum

digunakan adalah pengujian tarik. Uji tarik sering digunakan untuk mengetahui sifat

mekanis dari suatu material, dan hal tersebut sangat berguna untuk perancangan

(desain). Spesimen pada uji tarik akan terdeformasi, biasanya sampai patah, dengan

beban tarik uniaksial searah dengan sumbu spesimen dan beban akan bertambah

seiring dengan berjalannya waktu. Data yang didapat dari pengujian tarik berupa

tegangan rekayasa (engineering stress) atau gaya di plot dengan regangan rekayasa

(engineering strain). Karakteristik deformasi bergantung pada ukuran spesimen.

Umumnya pengujian tarik digunakan untuk mengetahui kekuatan dan keuletan suatu

material. Dengan, tegangan rekayasa (σ) didapat dari membagi nilai gaya (F) yang

diberikan terhadap luas penampang (A) sample spesimen, seperti pada persamaan

2.1.


7

𝜎 =𝐹

𝐴 (2.1)

Dengan F merupakan beban yang diberikan, dan A adalah luas penampang

awal, dalam m2.

Selanjutnya, Engineering Strain (ɛ) dapat dirumuskan :

ɛ =∆𝑙

𝑙𝑜=

𝑙𝑖 − 𝑙𝑜

𝑙𝑜 (2.2)

Dimana lo merupakan panjang awal sebelum adanya beban yang

diaplikasikan, dan li adalah panjang spesimen setelah terkena beban. Seringkali

jumlah dari li – lo didefinisikan sebagai ∆l, dan deformasi elongasi atau perubahan

pada panjang seperti yang dirujuk terhadap panjang awal.

2.3.1 Deformasi Elastis

Ketika suatu material yang diberikan beban, dan material tersebut tidak akan

berubah bentuk ketika beban tersebut dielepaskan kembali, disebut dengan deformasi

elastis (Dowling, 1993). Dimana, tegangan dan regangan biasanya sama

(proporsional). Lekukan (Slope) yang diakibatkan saat beban dilepaskan kembali

pada garis linear yang berada di gambar 2.2 dinamakan dengan modulus elastisitas

(E). Modulus elastisitas (E) didefinisikan sebagai kekakuan atau bisa disebut dengan

daya tahan material saat terjadi deformasi elastis (Callister, 2007). Semakin besar

modulus elastisitasnya maka akan semakin kaku juga material tersebut. E didapat dari

perbandingan tegangan (σ) dengan regangan (ɛ), didapat dari rumus berikut:

𝐸 =𝜎

𝜀 (2.3)


8

2.3.2 Deformasi Plastis

Deformasi plastis merupakan deformasi yang terjadi ketika suatu material

yang diberikan beban tidak akan kembali seperti semula saat beban tersebut

dilepaskan (Dowling, 1993). Untuk beberapa material logam, deformasi elastis hanya

terjadi pada regangan 0.005. Jika material logam terdeformasi melewati 0.005, maka

tegangan sudah tidak proporsional dengan regangannya dan bersifat permanen yang

berarti tidak bisa kembali seperti semula. Selanjutnya, deformasi plastis pada material

logam tersebut akan terjadi. Perubahan dari daerah elastis menjadi plastis pada

material logam terjadi bertahap, terjadi perubahan pada garis linear grafik tegangan

regangan seiring dengan pertambahan tegangan.

Material pada umumnya hanya dirancang untuk menahan deformasi elastis

ketika suatu beban diaplikasikan. Suatu komponen dan struktur yang telah mengalami

deformasi plastis atau terjadi perubahan bentuk mungkin tidak bisa berfungsi dengan

semestinya. Pada kurva uji tarik terdapat fenomena luluh (yielding), fenomena

dimana deformasi plastis dimulai. Pada logam yang mengalami tingkat transisi dari

elastis menuju ke plastis, titik luluh bisa ditentukan dari titik awal dari garis linear

kurva tegangan-regangan, hal ini biasanya disebut dengan batas proporsional. Titik

proporsional di tunjukan pada gambar 2.3. Maka, dari hal tersebut untuk menentukan

titik luluh harus menarik garis linear offset 0,2% setara dengan daerah elastis.

Bersamaan dengan hal ini, tegangan akan berpotongan dengan garis dan kurva

tegangan-regangan yang tidak linear pada daerah plastis, tegangan ini disebut dengan

tegangan luluh (yield point) σy.

Setelah melewati titik luluh, tegangan yang diberikan akan memaksa material

untuk mengalami deformasi plastis sampai pada titik maksimum. Titik maksimum ini

disebut dengan kekuatan tarik (tensile strength) σu. Pada titik maksimum ini dapat

diartikan sebagai tegangan maksimum yang dapat ditahan pada suatu struktur dalam

tension, jika tegangan ini diaplikasikan dan dipertahankan maka kegagalan pada

material akan terjadi. Namun, pada tegangan maksimum, suatu penyempitan akan


9

terbentuk pada titik tertentu. Fenomena ini disebut dengan necking, setelah material

tidak mampu menahan beban yang terjadi terus menerus, maka akan mengalami

patah (fracture). Material yang mampu menahan deformasi plastis dalam jumlah

yang cukup banyak disebut dengan material ulet. Sedangkan, material getas disebut

dengan material yang hanya mengalami sedikit deformasi plastis atau tanpa sama

sekali, seperti yang ditunjukan pada gambar 2.4.

Gambar 0.2 Skema grafik tegangan regangan pada daerah elastis dengan garis linear

saat pembebanan dan pada saat beban dilepaskan (Callister, 2007)


10

Gambar 0.3 Kurva tegangan regangan. a) Kurva umum pada material. b) Kurva pada

beberapa Baja yang menunjukan fenomena luluh (Callister, 2007)

Gambar 0.4. Kurva tegangan regangan untuk material getas dan ulet (Dowling, 1993)

2.4 Uji kekerasan

Pengujian yang digunakan untuk mengukur resistensi terhadap indentasi

disebut dengan pengujian kekerasan (Dowling, 1993). Identasi adalah penekanan

gaya yang diberikan pada spesimen pengujian sehingga terbentuk lekukan (indentasi).

Lekukan hasil injakan indentor yang berada pada spesimen pengujian berupa

deformasi plastis seperti yang ditunjukan pada gambar 2.5. Kedalaman atau ukuran

diameter jejak indentasi yang diukur dapat dikorelasikan dengan angka kekerasan.

Jika material tersebut lunak maka kedalaman dan diameter dari jejak indentasi

tersebut semakin besar, ketika material tersebut bersifat getas maka sebaliknya.

Pengujian kekersan sering dilakukan karena beberapa alasan seperti : pengujiannya

mudah dan simple, serta ada sifat mekanis yang bisa ditentukan dari data pengujian


11

kekerasan (seperti kekuatan tarik). Ada beberapa jenis pengujian kekerasan diantara

lain : Brinell, Rockwell, Knoop, dan Vickers.

Gambar 0.5 Deformasi Plastis yang terjadi akibat indentor pada uji kekerasan Brinell

(Dowling,1993)

2.5 Pengujian Kekerasan Brinell

Pada pengujian kekerasan Brinell identor yang digunakan berbentuk bola

dengan diameter 10 mm. Pada material yang cukup keras, seperti baja dan besi cor

digunakan beban penekanan sebesar 3000 kg, dan pada material yang lunak seperti

tembaga dan aluminium hanya digunakan beban penekanan sebesar 500 kg. Apabila

material tersebut bersifat sangat keras, material indentor bola yang digunakan adalah

karbida Tungsten, jika kita tidak menggunakan material yang lebih keras, maka bola

indentor yang akan mengalami deformasi (Dowling, 1993). Angka kekerasan Brinell

(HB) dapat didapat dari membagi nilai beban yang diberikan (P) dalam kilogram,

dengan luas daerah permukaan yang terkenda jejak indentasi, yang berbentuk bola.

Dengan rumus angka kekerasan Brinell ditunjukan pada persamaan (2.4):

𝐻𝐵 = 2𝑃

𝜋𝑃(𝐷 − √𝐷2 − 𝑑2)

(2.4)


12

2.6 Kegagalan Akibat Kelelahan

Kegagalan merupakan penyebab utama kerusakan yang sering terjadi pada

beberapa macam material. Kegagalan yang disebabkan oleh tegangan yang dinamis

dan berfluktuasi disebut dengan fatigue (Callister, 2007) dan (Ekaputra dkk., 2020).

Umumnya kegagalan yang diakibatkan oleh fatigue mempunyai tegangan yang lebih

rendah dari kekuatan tarik dan kekuatan luluh saat beban statik diaplikasikan. Istilah

fatigue digunakan ketika kegagalan terjadi setelah diberikan tegangan berulang-ulang

dalam beberapa siklus. Setidaknya kurang lebih 90% material seperti logam,

polymers, dan keramik mengalami kegagalan fatigue.

Tegangan yang dapat diberikan berupa tegangan aksial (tension-compression),

bending (flexural), dan torsional (twisting). Pada gambar 2.6.A dapat dilihat bahwa

keadaan awal tidak mengalami tegangan dan pemberian tegangan dimulai dari titik

nol. Dengan seiring berjalannya waktu tengangan mengalami kenaikan yang

diakibatkan oleh tension menjadi σmax dan pada waktu tertentu mengalamin

penurunan yang diakibatkan oleh compression menjadi σmin, pada gambar 2.6.A

disebut dengan grafik sinusoida. Gambar 2.6.B, Tegangan tidak dimulai pada titik nol

akan tetapi dimulai pada titik tertentu tetapi tegangan maksimum dan tegangan

minimumnya relative asimetis pada tegangan di titik nol. Sedangan gambar 2.6.C

mempunyai amplitude dan variasi tengangan yang acak.

Tegangan rata-rata dapat dijelaskan menggunakan rumus :

σm =σmax + σmin

2 (2.5)

Untuk mencari amplitudo tegangan dapat dicari dengan menggunakan rumus :


13

σa =σr

2

(2.6)

Dengan jarak tegangan,

𝜎𝑟 = 𝜎𝑚𝑎𝑥 − 𝜎𝑚𝑖𝑛 (2.7)

Dan perbandingan tegangan (stress ratio) yang merupakan perbandingan

antara tegangan minimum dan tegangan maksimum menggunakan rumus :

𝑅 =𝑅𝑚𝑖𝑛

𝑅𝑚𝑎𝑥

(2.8)

Pengujian fatigue biasanya digunakan untuk mengetahui umur suatu material

dan melihat bagaimana efek dari fatigue mempengaruhi suatu material. Hasil yang

diperoleh dari pengujian fatigue biasanya berupa kurva S-N, biasanya kurva ini

digunakan memperlihatkan bagaimana pengaruh tegangan yang dinamis dan

fluktuatif dapat berpengaruh terhadap kegagalan suatu material. Kurva S-N

merupakan sebuah kurva berupa plot tegangan (S) pada sumbu Y dan jumlah siklus

(N) pada sumbu X.

Pada gambar 2.7 diindikasikan semakin besar beban pada tegangannya dan

semakin kecil jumlah siklus yang dihasilkan oleh material maka semakin mampu

material tersebut untuk bertahan sebelum terjadi kegagalan. Pada kurva S-N material

ferrous dan paduan titanium mempunya batas kelelahan (fatigue limit), dibawah garis

fatigue limit tidak akan terjadi kegagalan. fatigue limit dapat ditentukan dengan

melihat garis pada kurva S-N, semakin besar jumlah siklus maka garis kurva S-N


14

akan menjadi horizontal yang diilustrasikan pada gambar 2.7.A. Pada kurva S-N

material non-ferrous tidak mempunyai fatigue limit. Semakin besar jumlah siklus

yang dihasilkan maka garis pada kurva S-N tersebut semakin turun. Dengan

demikian kegagalan akan terjadi tanpa memperhatikan beban tegangan tersebut. Pada

gambar 2.7.B ada parameter yang bernama fatigue strength, yang didefinisikan

sebagai tegangan saat kegagalan yang akan terjadi pada jumlah siklus tertentu. Lalu,

ada juga yang dinamakan fatigue life yaitu jumlah siklus yang mengakibatkan

kegagalan pada level tegangan tertentu.

Fatigue terbagi menjadi dua jenis yaitu : fatigue siklus rendah (low cycles

fatigue) (Haryadi, Dewa dan Ekaputra, 2018), (Dewa dkk., 2018), dan (Made

Wicaksana Ekaputra dkk., 2019) dan fatigue siklus tinggi (high cycles fatigue). Pada

material yang terkena pembebanan yang rendah deformasi elastis hanya akan terjadi,

maka dari itu, material tersebut mempunyai siklus yang panjang.

(a)


15

(b)

(c)

Gambar 0.6 Grafik variasi tegangan terhadap waktu. A) Reversed stress cycle.

B)Repeated stress cycle. C)Random stress cycle (Callister, 2007)


16

(a)

(b)

Gambar 0.7 Kurva Tegangan terhadap jumlah siklus dalam skala logaritma.

A) Material yang menunjukan adanya Fatigue Limit. B) Material yang tidak

menunjukan adanya Fatigue Limit (Callister, 2007)


17

2.7 Normalizing

Normalizing merupakan suatu perlakuan panas annealing yang prosesnya

terdiri dari austenisasi pada suhu 30 – 80oC di atas garis perubahan suhu, lalu diikuti

dengan pendinginan yang lambat (umumnya di udara) (Totten, 2007). Tujuan

digunakannya normalizing supaya materialnya mempunyai butir yang halus,

terdistribusi secara merata struktur pearlite-ferrite, seperti pada gambar 2.8.b.

Gambar 0.8 Efek dari penghalus butir saat normalizing pada baja karbon 0,5%C . a)

saat terkena canai panas (hot rolling) atau tempa. b) sesudah normalizing (Totten,

2007)


18

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Diagram Alir Penelitian

Penelitian ini menggunakan metodologi eksperimental. Gambar diagram alir

penelitian ditunjukan pada gambar 3.1. Penelitian ini dimulai dengan studi literature,

pembuatan spesimen, preparasi spesimen, keseluruhan pengujian mekanis, setelah

data penelitian didapat maka dilanjutkan dengan analisa data penelitian, ketika data

yang didapat tidak sesuai dengan literature acuan maka dilakukan lagi pengujian

mekanisnya, yang terakhir dilanjutkan dengan penarikan.

Pembuatan Spesimen

Preparasi Spesimen

Pengujian Tarik, Kelelahan, Kerasan, dan

Struktur Mikro

Mulai

Kajian Pustaka

A1

A2


19

Gambar 0.1 Diagram alir penelitian

3.2 Alat Penelitian

Pada penelitian ini, digunakan beberapa peralatan yang mendukung penelitian

ini :

1) Mesin Bubut (Headman HCL 300, Taiwan)

Pembuatan spesimen dilakukan dengan menggunakan mesin bubut CNC

(Model: Headman HCL 300 CNC, Taiwan) . Pada penelitian ini putaran

yang digunakan sebesar 1200 rpm, laju pemakanan (feed rate) yang

digunakan sebesar 60 mm/rev, dan pendingin (coolant) yang digunakan

adalah hydro mousse. Gambar mesin bubutr CNC terdapat pada gambar 3.2.

Ya

Kesimpulan

Selesai

Analisa Data Penelitian

dan Kajian Pustaka

Tidak

A1

A2


20

Gambar 0.2 Mesin bubut CNC

2) Mesin Uji Kekerasan Brinell

Pengujian kekerasan Brinell dilakukan dengan mesin manual uji kekerasan

Brinell (Model: O.M.A.G. AFFRI, MOD 100MR, ITALY), seperti pada

gambar 3.3. Berfungsi untuk mengambil nilai kekerasan Brinell pada

spesimen baja karbon JIS S45C.

Gambar 0.3 Alat uji kekerasan Brinell


21

3) Mesin Uji Tarik Universal

Uji tarik dilakukan dengan mesin uji tarik universal dengan kapasitas 30 ton,

seperti pada gambar 3.4. Mesin uji tarik terhubung dengan komputer dan

monitor yang digunakan untuk menampilkan grafik.

Gambar 0.4 Mesin uji tarik universal

4) Mesin Uji Kelelahan

Jenis mesin uji kelelahan yang digunakan adalah rotary bending (model :

HUNG-TA, Taiwan), seperti pada gambar 3.5. Pengujian dilakukan dengan

putaran sebesar 1800 rpm, dan miliki rasio tegangan (R) sebesar -1. Mesin uji

kelelahan terhubung dengan pencata data berupa monitor kecil.


22

Gambar 0.5 Mesin uji kelelahan

5) Furnace

Digunakan untuk proses normalizing spesimen baja karbon JIS S45C sebelum

dilakukan pembubutan untuk proses pembuatan spesimen. Furnace

tersambung dengan termokopel di atasnya. Gambar Furnace terdapat pada

gambar 3.6.

Gambar 0.6 Furnace


23

3.3 Sample Pengujian

Bahan yang digunakan pada penelitian ini merupakan material baja karbon

sedang seri JIS S45C berbentuk silinder, dengan dimensi 16 mm × 6 m (Diameter ×

Panjang). Kemudian, dipotong-potong menggunakan gerinda menjadi 20 cm, dan

didapat 30 bagian material mentah, seperti pada gambar 3.7. Komposisi kimia dari

baja karbon S45C dapat dilihat pada tabel 3.1.

Tabel 0.1 Komposisi kimia baja karbon S45C (wt%) (Rifai dkk., 2016)

Gambar 0.7 Material mentah baja karbon JIS S45C dengan ukuran panjang 20 cm

C Mn S Si Ni Cr P

0,42 – 0,50 0,50 – 0,80 0,035 maks. 0,17 – 0,37 0,25 maks. 0,25 maks. 0,035 maks.


24

3.4 Prosedur Penelitian

Prosedur pada penelitian ini adalah perlakuan panas normalizing pada

material mentah baja karbon JIS S45C, pembuatan spesimen benda uji, pengujian

tarik, pengamatan struktur mikro, pengujian kekerasan,dan pengujian kelelahan.

3.4.1 Proses Normalizing Material Mentah

Material mentah baja karbon JIS S45C yang sudah dipotong-potong menjadi

30 bagian harus mendapat proses normalizing. Grafik proses normalizing terdapat

pada gambar 3.8. Awal mula proses normalizing yaitu proses pemanasan (heating)

yang dilakukan sampai melewati garis Ac1, dan harus di atas garis Ac3 sebesar 30 –

80oC. Proses selanjutnya merupakan proses penahanan (holding). Pada penelitian ini,

suhu holding yang digunakan sebesar 900oC. Waktu holding didapat dari persamaan

3.1.

t = 60 + D (3.1)

dengan t merupakan lama waktu holding dalam menit, dan D merupakan

diameter maksimum material mentah dalam millimeter (mm). Dari perhitungan

persamaan 3.1, didapat waktu holding sebesar 76 menit. Setelah selesai, dilakukan

proses pendinginan (cooling) di udara luar. Gambar 3.9 menunjukan bahwa material

mentah sesudah proses normalizing akan ada kotoran pada permukaannya.


25

Gambar 0.8 Grafik Temperature vs Waktu pada proses normalizing (Dowling, 1993)

Gambar 0.9 Material mentah baja karbon JIS S45C setelah normalizing

3.4.2 Pembuatan Spesimen Benda Uji

Material mentah baja JIS S45C yang sudah di normalizing, material mentah

baja JIS S45C tersebut kemudian dibuat menjadi spesimen benda uji dengan cara

dibubut, pembubutan spesimen benda uji dilakukan di SMK Kristen Pedan (Pedan,


26

Klaten). Pembuatan spesimen tidak boleh dilakukan dengan kecepatan putaran yang

besar. Dikarenakan, jika kecepatan putaran yang digunakan saat pembubutan terlalu

cepat, maka fasa bajanya akan berubah menjadi campuran antara besi α dan besi γ

atau kemungkinan hanya besi γ, seperti yang ditunjukan pada gambar 2.1. Akan

tetapi, suatu lapisan putih (white layer) akan terbentuk jika suatu material terkena

permesinan secara thermal yang disebabkan oleh pemanasan yang cepat dan adanya

quenching (Han dkk, 2008). Lapisan putih tersebut tidak terlalu berpengaruh terhadap

sifat mekanis material. Dimensi spesimen benda uji menyesuaikan dengan standard

manual ASTM E-8 untuk pengujian tarik seperti yang ditunjukan pada gambar 3.10

dan pada gambar 3.11 merupakan gambar pengujian kelelahan mengikuti standard

ASTM E-466. Dimensi spesimen yang digunakan pada setiap pengujian di atas,

terdapat pada tabel 3.2 dan 3.3. Kemudian setelah proses pembubutan, masing-

masing spesimen benda uji, dilakukan proses polishing menggunakan autosol.

Gambar 0.10 Spesimen uji tarik standard ASTM E-8

Tabel 0.2 Dimensi spesimen uji tarik

Spesimen benda uji Dimensi spesimen (mm)

Baja Karbon JIS S45C

Do Lo R Dg Lg

8 60 15 12 60


27

Gambar 0.11 Spesimen uji kelelahan standard ASTM E-466 (ASTM, 2002)

Tabel 0.3 Dimensi spesimen uji kelelahan

Spesimen benda uji Dimensi spesimen (mm)

Baja Karbon JIS S45C

Do Lo R Dg Lg

8 15,4 15 13 35

3.4.3 Pengujian Tarik

Pengujian tarik dilakukan pada mesin uji tarik universal dengan kapasitas

pembebanan 30 ton. Pembebanan tarik yang digunakan pada spesimen menggunakan

motor listrik. Mesin uji tarik dihubungkan ke peralatan pengambilan data yaitu :

komputer, dan monitor. Sebelum melakukan pengujian tarik, dilakukan pengukuran

diameter menggunakan jangka sorong pada 4 titik pada bagian panjang terukur

(gauge length), dan diambil nilai diameter yang terkecil diantara 4 yang lainnya,

dikarenakan pada bagian tersebut, diasumsikan akan terjadi patahan saat pengujian

berlangsung. Pengujian tarik dilakukan di Laboratorium Pengujian Bahan IST

AKPRIND (Yogyakarta).


28

3.4.4 Pengujian Kelelahan

Pada pengujian kelelahan, tahapan awal yang dilakukan saat melakukan

pengujian kelelahan merupakan pengukuran diameter pada 4 titik pada panjang

terukur. Selanjutnya, penentuan rasio pembebanan yang diambil dari nilai kekuatan

tarik spesimen benda uji sebesar 70% dari kekuatan tarik, lalu beban diturunkan

sebesar 10% setiap spesimen. Setelah pengujian selesai dilakukan, maka akan

didapat jumlah siklus dari spesimen pengujian saat patah. Untuk mendapatkan fatigue

limit seperti yang ditunjukan pada gambar 2.7.A, dilakukan menggunakan analisis

regressi (regression analysis). Analisis regressi merupakan suatu ilmu statistik yang

digunakan untuk meneliti dan memodelkan hubungan antara varibel (Douglas, C.

Montgomery Elizabeth, A. Peck G. Geoffrey, 2013). Pada penelitian ini variable Y

(variable terikat) merupakan tegangan yang diberikan, dan jumlah siklus merupakan

variable X (variabel bebas). Lalu, dilakukan penarikan garis fitting yang memiliki

nilai R-square yang mendekati nilai 1.

3.4.5 Uji Kekerasan Brinell

Dimensi spesimen uji kekerasan Brinell dapat dilihat pada gambar 3.12.

Tahapan pertama saat pengujian kekerasan Brinell merupakan preparasi yang dimulai

dari pengamplasan. Pengamplasan pada permukaan spesimen dilakukan

menggunakan kertas amplas sampai permukaan spesimen halus, sejajar, dan rata.

Penggunaan kertas amplas yang digunakan adalah : #800, #1200, #2000, #4000

(dalam mesh). Setelah permukaan halus dan rata, dilanjutkan dengan pemolesan

permukaan dengan menggunakan autosol. Langkah selanjutnya merupakan penentuan

beban penekanan yang sesuai dengan material yang digunakan, penelitian ini

menggunakan paduan baja karbon sedang, beban penekanan yang digunakan sebesar

187,5 kg, dan lama waktu penekanannya sebesar 15 detik. Apabila sudah selesai

melakukan penekanan indentor, akan ada jejak bekas injakan indentor. Selanjutya,

bekas injakan indentor diamati menggunakan mikroskop metallurgi.


29

Gambar 0.12 Dimensi spesimen uji kekerasan

3.4.6 Pengambilan Gambar Struktur Makro dan Mikro

Pengambilan gambar struktur makro dilakukan menggunakan kamera

handphone (HP). Pengambilan gambar menggunakan perbesaran 2×. Pengambilan

gambar struktur makro digunakan untuk melihat inisiasi retakan akibat slip yang ada

pada permukaan sample spesimen saat patah. Gambar struktur makro juga digunakan

melihat arah patahannya.

Untuk pengambilan gambar struktur mikro, dimensi spesimen yang digunakan

sama seperti pengujian kekerasan. Tahap awal yang adalah melakukan pengamplasan

pada satu sisi permukaan spesimen. Setelah permukaan spesimen terlihat cukup

bersih, maka tahap selanjutnya merupakan pemolesan dengan autosol sampai cukup

mengkilap dan bersih, serta tidak ada goresan. Tahap selanjutnya merupakan,

pemberian larutan etsa pada permukaan yang sudah terkena autosol, dengan cara

direndam dalam larutan Nital 2% selama 45 detik. Setelah itu, pengamatan struktur

mikro dilakukan dengan perbesaran 200x menggunakan lensa okuler HWF 15 × dan

lensa objektif M20/0,4.

Ø = 13 mm

t = 2 cm


30

BAB IV

HASIL DAN ANALISIS DATA

Penelitian yang dilakukan mencakup uji tarik, uji kekerasan, uji kelelahan

(fatigue), serta pengamatan struktur makro dan mikro. Awal mula penelitian ini

dilakukan pengujian tarik. Dari pengujian tarik akan didapat hasil kekuatan tarik baja

karbon S45C. Kemudian, penentuan beban awal untuk pengujian fatigue dapat

ditentukan dari kekuatan tarik. Data yang didapat dari pengujian fatigue berupa

persebaran data dari tegangan (stress) dan jumlah siklus (cycles). Data eksperimen

dari uji fatigue diolah dengan menggunakan pendekatan persamaan garis regresi,

untuk mengetahui nilai fatigue limit. Pengujian ketiga, merupakan pengujian

kekerasan secara Brinell. Pada pengujian kekerasan, diambil sepuluh titik, lalu nilai

kekerasan Brinell diolah satu persatu kemudian dirata-rata.

4.1 Pengamatan Struktur Mikro

Pada pengamatan struktur mikro baja karbon S45C, terdapat dua morfologi

luasan yaitu luasan putih ferrite dan luasan hitam pearlite, seperti yang terlihat pada

gambar 4.1. Untuk menentukan kedua jenis morfologi luasan tersebut dilakukan

perbandingan hasil pengamatan struktur mikro baja AISI 1045. Gambar 4.2

menegaskan bahwa, morfologi luasan putih tersebut adalah ferrite dan morfologi

luasan hitam tersebut merupakan pearlite.


31

Gambar 0.1 Foto struktur mikro baja karbon S45C, setelah normalizing dalam suhu

900oC, etsa Nital 2% (perbesaran 200x)

Gambar 0.2 Foto struktur mikro baja AISI 1045 (Dowling, 1993)

Pearlite

Ferrite

Ferrite

Pearlite


32

4.2 Hasil Uji Tarik

Pada penelitian ini, pengujian tarik hanya dilakukan dengan satu spesimen.

Pada awal pengujian tarik, ada fenomena penyesuaian beban yang awal garisnya

tidak linear, dikarenakan tidak adanya extensometer pada mesin uji tarik, seperti

pada gambar 4.3. Sehingga, pengukuran regangan hanya didasarkan pada pengukuran

awal saat sebelum melakukan pengujian tarik, yang diukur memakai jangka sorong.

Analisis awal yang dilakukan pada pengujian tarik, merupakan penarikan garis linear

y = a + bx pada daerah elastis untuk menentukan modulus elastisitas (E), seperti pada

gambar 4.4. Nilai E baja karbon JIS S45C memiliki nilai yang lebih rendah

dibandingkan dengan baja karbon AISI 1018 (Thamir, 2018), dikarenakan pada

mesin uji tarik yang tidak mempunyai extensometer perhitungan regangan (ɛ)

menggunakan perubahan jarak yang terjadi pada crossheads, sehingga hal tersebut

sangat mempengaruhi nilai E. Penentuan tegangan luluh pada baja karbon S45C

seperti gambar 2.3.B, dengan mengambil nilai tegangan pada bagian bawah titik

luluh.

Data uji tarik yang didapat dari penelitian dapat dilihat pada tabel 4.1. Pada

nilai kekuatan tarik yang didapat sebesar 717,17 MPa, nilai ini berbeda dengan

penelitian yang dilakukan oleh Kuo dkk (2018). Pada normalizing sendiri sangat

dipengaruhi oleh beberapa parameter, seperti laju pemanasan, suhu penahanan saat

austenisasi (holding), dan laju pendinginan (Totten, 2007). Dikarenakan, saat proses

normalizing yang dilakukan, furnace yang digunakan tidak bisa diatur suhu untuk laju

pemanasannya, dan suhu saat austenisasi (holding) tidak bisa dipertahankan tetap.

Pada penelitian yang dilakukan oleh Morrall dkk (2018) menyatakan bahwa

baja anti karat (stainless steel) austenite yang dipadukan dengan Zicronium

(MA304LZ) memiliki kekuatan tarik yang lebih tinggi daripada dua jenis stainless

steel (SUS304L, dan SUS316L) yang tidak dipadukan dengan substansi apapun,

seperti pada gambar 4.5. Akan tetapi dengan adanya work hardening pada material

SUS304L, maka nilai kekuatan tariknya tidak terlalu berbeda dengan material


33

MA304LZ. Gambar 4.6 menunjukan grafik tegangan regangan tiga jenis paduan baja

Fe-Mn-Si-C, yaitu HS, HC, dan HM. Baja HS merupakan baja yang dijadikan acuan

dengan kandungan Fe-0,15C-1,37Si-1,93Mn, sedangkan baja HC kandungan C

menjadi 0,27%, pada baja HM kandungan Si ditambah menjadi 0,86%. Baja HM

mempunyai nilai kekuatan tarik dan nilai regangan yang relatif rendah, daripada baja

HC dan HS (K.Y.Lee, 2008). De la Concepción, Lorusso dan Svoboda (2015)

membuktikan bahwa baja karbon yang mempunyai dua fasa (dual phase) ditambah

dengan perlakuan panas dengan suhu 740oC dan 750oC memiliki nilai kekuatan tarik

tinggi akan tetapi nilai regangannya sangat rendah, dan hanya terjadi sedikit

deformasi plastis, seperti pada gambar 4.7.

Ada beberapa baja yang memiliki kekuatan tarik yang lebih tinggi daripada

baja karbon JIS S45C, seperti stainless steel MA304LZ, SUS304L (Morrall dkk.,

2018), paduan baja Fe-Mn-Si-C HM, HC (K.Y.Lee, 2008), dan baja karbon S4-74,

S4-80 (De la Concepción, Lorusso dan Svoboda, 2015). Masing-masing dari baja

tersebut mempunyai perbedaan kekuatan tarik yang lebih besar daripada baja karbon

JIS S45C, seperti material baja karbon S4-74, dan S4-80 yang mempunyai kekuatan

tarik yang jauh lebih tinggi, dikarenakan semakin banyak kadar karbon yang dimiliki

oleh baja, maka semakin peka juga baja tersebut terhadap variasi suhu dalam

perlakuan panas (De la Concepción, Lorusso dan Svoboda, 2015). Pada material

MA304LZ, dan SUS304L perbedaan kekuatan tariknya terhadap baja karbon JIS

S45C tidak terlalu signifikan berbeda. Sedangkan baja Fe-Mn-Si-C jenis HM

mempunyai kekuatan tarik yang jauh lebih tinggi daripada baja karbon JIS S45C,

dikarenakan adanya pengurangan kadar Si sebesar 0,86%, dan jenis HC dengan

tambahan kadar C sebesar 0,27% mempunyai kekuatan tarik yang tidak jauh terlalu

signifikan.

Akan tetapi, ada beberapa baja yang mempunyai nilai kekuatan tarik di bawah

baja karbon JIS S45C. Material SUS316L mempunyai nilai kekuatan tarik yang lebih

rendah daripada baja karbon JIS S45C, dikarenakan material SUS316L mempunyai

kadar Si, dan Ni yang lebih tinggi daripada material MA304LZ, dan SUS304L.


34

Sedangkan baja HS, yang merupakan baja standard Fe-Mn-Si-C mempunyai

kekuatan tarik yang lebih rendah daripada baja karbon JIS S45C, dikarenakan tidak

adanya variasi komposisi.

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.200

100

200

300

400

500

600

700

800

T

eg

an

ga

n (

MP

a)

Regangan

Tegangan

Gambar 0.3 Grafik tegangan regangan baja karbon JIS S45C


35

0.00 0.03 0.06

200

400

Te

ga

ng

an

(M

Pa

)

Regangan

Tegangan

Linear Fit of Tegangan

Gambar 0.4 Penentuan nilai modulus elastisitas baja karbon JIS S45C

Tabel 0.1 Hasil uji tarik baja karbon S45C

No σy (MPa) σu (MPa) ɛ E (GPa)

1 478,03 717,17 0,179 11,97


36

Gambar 0.5 Grafik tegangan regangan tiga jenis stainless steel dengan suhu ruangan

(Morrall dkk., 2018)

Gambar 0.6 Grafik tegangan regangan tiga jenis baja Fe-Mn-Si-C (K.Y.Lee, 2008)


37

Gambar 0.7 Grafik tegangan regangan baja karbon dua fasa dengan perbedaan

kandungan karbon dan pemasan suhu intercritical (De la Concepción, Lorusso dan

Svoboda, 2015)

4.3 Hasil Uji Fatigue

4.3.1 Kurva S-N.

Pada gambar 4.8 menunjukan kurva S-N baja karbon JIS S45C pada

amplitude tegangan yang berbeda-beda. Untuk melihat hubungan antara amplitudo

tegangan dengan jumlah siklus dilakukan fitting garis regresi non-linear

menggunakan persamaan eksponensial seperti yang ditunjukan pada persamaan (4.1)

𝑦 = 𝑎[1 − exp (−𝑏𝑥)]𝑐 (4.1)

Dimana y adalah amplitudo tegangan, x adalah jumlah siklus, sedangkan a, b, dan c

merupakan konstanta. Tabel 4.2 menunjukan nilai-nilai dari konstanta parameter

regresi dari persamaan (4.1).


38

Pada persebaran data yang ada pada gambar 4.8 ada beberapa titik yang

memiliki tanda anak panah, hal tersebut menunjukan bahwa spesimen tersebut tidak

patah saat pengujian. Ada fenomena fatigue limit (Callister, 2007) yang terjadi pada

sample spesimen, sebesar 226 MPa. Penelitian yang dilakukan oleh Haftirman (2009)

menyatakan bahwa baja karbon JIS S45C dengan diameter 8 mm yang diuji dengan

kelembaban udara laboratorium mempunyai nilai fatigue limit sebesar 400 MPa,

dikarenakan dengan adanya kekasaran permukaan (surface roughness) pada sample

spesimen, hal tersebut dapat mempengaruhi fatigue limit atau fatigue strength (Lai,

Huang dan Buising, 2016) dan (N.A.Alang, N.A.Razak dan A.K.Miskam, 1971).

Ono dkk (2014) melakukan penelitian tentang paduan Ti-6Al-4V. Paduan ini

dibuat dengan penempaan panas (hot forging) pada suhu 1193 K, dengan variasi

perbedaan rasio tegangan (stress ratio) fatigue (R). Para peneliti ini mengatakan

bahwa paduan Ti-6Al-4V dengan pengujian nilai R = -1, mempunyai fatigue strength

yang paling tinggi. Sedangkan pengujian dengan nilai R = 0,01, R = 0,5, dan R = 0,4

– 0,85 mempunyai nilai fatigue strength yang lebih rendah daripada pengujian

dengan nilai R = -1, seperti yang ditunjukan pada gambar 4.9.

Gambar 4.10 menunjukan kurva S-N baja AISI 4340 dengan variasi perlakuan

panas (Chmelko, Berta dan Margetin, 2019). Material A mendapat perlakuan panas

awal (preheating) selama 2:30 dalam suhu 600oC, kemudian dilakukan hardening

pada suhu 870oC dengan rentan 6 menit dan didinginkan dengan air, terakhir

dilakukan tempering dengan suhu 530oC dalam waktu 8:40. Material B tidak

mendapat preaheating, dan mendapat hardening dilakukan pada suhu 890oC dalam

waktu 9 menit, terakhir didinginkan dengan polymer, lalu dilakukan tempering pada

suhu 540oC selama 11 menit, kemudian didinginkan dengan udara (Chmelko, Berta

dan Margetin, 2019). Dapat dilihat pada gambar 4.10, material A memiliki nilai

fatigue strength yang lebih tinggi daripada material B. Chmelko, Berta dan Margetin

(2019) menggunakan persamaan Basquin untuk fitting garis regresi pada gambar

4.10, seperti yang ditunjukan pada persamaan (4.2).


39

𝜎𝑎 = 𝜎𝑓′(2𝑁𝑖)

𝑏 (4.2)

Dengan σa merupakan amplitude tegangan, Ni merupakan jumlah siklus sampai patah,

𝜎𝑓′ merupakan koefisin dari fatigue strength, dan b adalah konstanta. Untuk nilai

amplitudo tegangan masing-masing material pada siklus 2×106 saat terjadinya

inisiasi retakan dapat dihitung dari penarikan garis regresi, dan hasilnya dapat dilihat

pada persamaan (4.3) dan (4.4).

𝜎𝑎2×106

= 520 𝑀𝑃𝑎 𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝐴 (4.3)

𝜎𝑎2×106

= 330 𝑀𝑃𝑎 𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝐵 (4.4)

Onn, Ahmad dan Tamin (2015) melakukan penelitian tentang lembar baja seri

DP600, dua fasa ferrite dan martensite, yang terkena perlakuan canai dingin (cold

rolling) sampai menjadi tebal 1,2 mm. Para peneliti ini melakukan komparasi hasil

yang didapat dari penelitian dengan beberapa literature. Pada gambar 4.11

menunjukan kurva S-N baja lembar DP600 dengan komparasi dua literature. Untuk

penentuan garis di kurva S-N, para peneliti ini melakukan fitting garis regresi pada

siklus 1,3×104 sampai dengan 106, dengan menggunakan persamaan Basquin, seperti

pada persamaan (4.5)

𝑁𝑓 = (𝑆𝑎

𝑆𝑓′)

−1𝑏

(4.5)

Dengan Nf merupakan jumlah siklus, Sa merupakan Amplitudo tegangan, 𝑆𝑓′

merupakan fatigue strength, dan b adalah parameter material. Dengan nilai 𝑆𝑓′ dan b

adalah 921,2 MPa dan 0,093. Fitting fatigue limit pada daerah high cycles fatigue


40

baja lembar DP600 menggunakan skala log-life yang berbeda, seperti pada gambar

4.11. Dari hasil komparasi yang dilakukan, terlihat bahwa nilai fatigue limit sebesar

255 Mpa didapat oleh penelitian Onn, Ahmad dan Tamin (2015). Nilai fatigue limit

tersebut lebih rendah daripada komparasi yang dilakukan.

Sedangkan penelitian yang dilakukan oleh Luo, Wang and Zhao (2013)

menyatakan bahwa performa fatigue baja pipa bor (drill pipe steel) S135 dengan

beban tarik-tekan mempunyai nilai fatigue life yang lebih dari 105 saat beban 650

MPa diaplikasikan. Para peneliti ini mengatakan bahwa fitting garis regresi didapat

dari teori regangan fatigue, seperti pada persamaan (4.6 )

𝑁-𝑓 = 𝐴(Sa − Sc)−2 (4.6)

Dengan A merupakan koeifisien resistansi fatigue, dan Sc adalah fatigue limit. Ketika

nilai Sa > Sc, fatigue life mempunyai nilai terbatas. Sedangkan ketika nilai Sa ≤ Sc,

fatigue life akan mempunyai nilai tidak terbatas. Untuk mendapatkan nilai fatigue life

pada drill pipe steel, Luo, Wang and Zhao (2013) menggunakan transformasi

logaritma pada persamaan (4.6) untuk analisis regresi di software komputer, dan

menjadikannya seperti persamaan (4.7).

lg 𝑁-𝑓 = lg 𝐴 − 2 lg(Sa − Sc) (4.6)

Ketika fitting regresi dilakukan, parameter dari analisis fitting regresi yang dilakukan

mempunyai nilai : dengan A sebesar 4,64 × 108, Sc sebesar 577,9 MPa, koefisien

korelasi r sebesar -0,9588, dan nilai standar deviasi S sebesar 0,2985.


41

Berdasarkan pernyataan para peneliti di atas, ada perbedaan penggunaan

persamaan yang digunakan untuk fitting garis regresi. Penelitian yang dilakukan oleh

Chmelko, Berta dan Margetin (2019) menggunakan persamaan garis lurus (Basquin)

untuk melakukan fitting garis regresi, dan digunakan untuk menemukan fatigue

strength pada siklus 2 × 106 , dan masing-masing nilai fatigue strength dari material

A dan B dapat dilihat pada persamaan (4.3) dan (4.4). Hasil dari fitting garis regresi

terdapat pada gambar 4.10, dengan tidak adanya fenomena fatigue limit, sehingga hal

tersebeut cukup membedakan dengan kurva S-N dari hasil eksperimen baja karbon

JIS S45C. Onn, Ahmad dan Tamin (2015) melakukan fitting garis regresi

menggunakan persamaan Basquin, yang digunakan untuk mendapatkan fatigue life.

Akan tetapi hasil dari fitting garis regresi oleh Onn, Ahmad dan Tamin (2015)

terdapat fenomena fatigue limit, seperti pada gambar 4.11. Hal tersebut, tidak berbeda

dengan adanya fenomena fatigue limit dari hasil eksperimen. Yang membedakan hasil

eksperimen dan penelitian yang dilakukan oleh Onn, Ahmad dan Tamin (2015) dan

Chmelko, Berta dan Margetin (2019) hanyalah penggunaan persamaan untuk fitting

garis regresi. Baja plat DP600 mempunyai nilai fatigue limit yang lebih tinggi

daripada baja karbon JIS S45C. Sedangkan hasil fitting garis regresi yang digunakan

oleh Luo, Wang dan Zhao (2013) menggunakan teori regangan fatigue. Hal ini

digunakan untuk mencari nilai fatigue life baja pipa bor. Gambar 4.12 yang

merupakan hasil dari fitting garis regresi memperlihatkan tidak adanya fenomena

fatigue limit. Hal ini berbeda dengan hasil eksperimental.


42

1000 10000 100000 1000000 1E7 1E8

200

300

400

500

Amplitudo Tegangan

Chapman Fit of Sheet1 StressA

mp

litu

do

Te

ga

ng

an

(M

Pa

)

Siklus (N)

Gambar 0.8 Kurva S-N baja karbon JIS S45C dalam keadaan normalizing

Tabel 0.2 Nilai konstanta parameter regresi dari baja JIS S45C

Spesimen a b c

JIS S45C 226,01595 2,55809 × 10-7 -0,09482


43

Gambar 0.9 Kurva S-N paduan Ti-6Al-4V dengan variasi perbedaan rasio tegangan

(Ono dkk., 2014)

Gambar 0.10 Kurva S-N baja AISI 4340 dengan variasi perbedaan perlakuan panas

(Chmelko, Berta dan Margetin, 2019)


44

Gambar 0.11 Kurvaa S-N baja plat DP600 dengan komparasi literature (Onn, Ahmad

dan Tamin, 2015)

Gambar 0.12 Kurva S-N baja baja pipa bor S135 (Luo, Wang dan Zhao, 2013)


45

4.3.2 Analisis Struktur Makro (fractography)

Stuktur makro pada daerah patahan fatigue dibagi menjadi tiga bagian yaitu :

insiasi awal retakan (crack iniation), daerah perambatan patah (crack propagation),

dan daerah patahan akhir (final fracture) dari spesimen fatigue (Sachs, 2005). Inisiasi

awal retakan dikarenakan adanya slip yang diakibatkan oleh beban fluktuatif (Becker

dan Lampman, 2018), seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.13.

Inisiasi awal retakan umumnya berada di daerah permukaan yang berbeda

dengan daerah patahan akhir. Lalu, dengan terus menerus retakan awal akan

merambat ke daerah yang lainnya. Setelah beberapa saat, dengan adanya fatigue step

yang timbul di daerah permbatan retak. Dengan adanya retakan awal yang merambat

ke bagian fatigue step, maka fatigue step tersebut akan menjadi retakan fatigue. Pada

gambar 4.13, daerah patahan akhir umumnya berwana lebih gelap daripada daerah

inisiasi retakan awal. Pada beberapa sample spesimen, daerah patahan akhir ada yang

berada di tengah dengan warna gelap.

Pada sample spesimen yang terkena beban yang paling besar, terlihat bahwa

hampir tidak adanya ratchet marks yang diakibatkan oleh deformasi plastis dari slip.

Dengan adanya ratchet marks yang berada di sekitar permukaan sample spesimen,

hal tersebut mengindikasikan inisiasi retakan terjadi di beberapa lokasi permukaan

spesimen (Sachs, 2005) dan masing-masing dari ratchet marks menyebabkan

terjadinya daerah patahan tersendiri(Campbell,F, 1996), seperti pada gambar 4.14.

Sedangkan, pada gambar 4.15 terlihat bahwa patahan yang diakibatkan oleh beban

yang besar berbentuk cleavage. Pada umumnya cleavage terlihat lebih mengkilap

(Callister, 2007). Sedangkan pada beban yang lebih rendah, terlihat bahwa banyaknya

ratchet mark yang terbentuk. Hal tersebut menandakan bahwa ratchet mark

bergantung pada waktu, sehingga semakin banyak jumlah siklusnya maka ratchet

mark akan semakin bertambah banyak (Phung et al., 2013) .

Gambar 4.16 merupakan grafik persebaran data diameter setelah patah

terhadap jumlah siklus. Grafik tersebut menjelaskan diameter sebelum patah dan


46

setelah patah berbeda, dan hal tersebut dipengaruhi oleh jumlah siklus. Pada gambar

4.16, persebaran data diameter setelah patah yang didapat sangat acak, dikarenakan

diameter setiap sample spesimen berbeda. Dapat dikatakan bahwa saat material ulet

patah, maka material tersebut mengalami pengurangan diameter yang cukup

signifikan. Material getas berbanding terbalik dengan material ulet, yang patahnya

tidak mengalami atau hanya sedikit terjadi pengurangan pada diameter. Pada beban

502 MPa yang merupakan beban paling tinggi, terjadi penurunan diameter sebesar

0,15 mm yang awalnya sebesar 7,90 mm dan 7,85 mm. Hal tersebut menunjukan

bahwa spesimen yang terkena beban beban 502 MPa terjadi patah getas. Sedangkan

pada spesimen yang terkena beban sebesar 297,96 MPa terjadi patah ulet, dengan

nilai awal diameter sebesar 8 mm, dan setelah patah menjadi sebesar 7,6 mm.

Gambar 0.13 Foto struktur makro permukaan spesimen fatigue pada beban 287,19

MPa

Insiasi Retakan Perambatan Retakan

Patahan Akhir


47



Ratchet Marks

Ratchet Marks

Ratchet Marks

Cleavage


48

100 1000 10000 100000 10000006.0

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5

9.0

Diameter Setelah Patah

Dia

me

ter

Se

tela

h P

ata

h (

mm

)

Siklus (N)

Gambar 0.16 Hubungan antara diameter setelah patah terhadap jumlah siklus

4.4 Hasil Uji Kekerasan

Uji kekerasan dilakukan dengan menggunakan standard ASTM E-10 (ASTM

E10-15 International, 2010). Pada penelitian ini penekanan yang dilakukan sebanyak

sepuluh kali, seperti yang ada pada tabel 4.4. Dari data hasil pengujian kekerasan

Brinell, dapat dilihat bahwa baja karbon S45C mempunyai nilai kekerasan yang tidak

jauh berbeda satu sama lain. Sehingga, persebaran data lebih kecil. Hal ini bisa dilihat

bahwa nilai standard deviasi yang didapat sebesar 4,56. ASTM E-10

merekomendasikan bahwa suatu material yang diuji menggunakan diameter indentor

sebesar 2,5 mm dan beban sebesar 187,5 mempunyai nilai Angka Kekerasan Brinell

(BHN) diantara 95,5 – 650 BHN (ASTM E10-15 International, 2010). Pada

penelitian ini, nilai rata-rata Angka Kekerasan Brinell (BHN) kekerasan yang didapat


49

sebesar 178,27 BHN, yang berarti nilai tersebut masuk dalam kategori yang

direkomendasikan oleh ASTM E-10 (ASTM E10-15 International, 2010). Hubungan

antara angka kekerasan Brinell terhadap diameter terdapat pada gambar 4.17.

Tabel 0.3 Data uji kekerasan Brinell baja karbon S45C

No Gaya

(kg)

Diameter Indentor

(mm)

Diameter Indentasi

(mm)

Angka Kekerasan Brinell

(BHN)

1 187,5 2,5 1,1 187,23

2 187,5 2,5 1,14 173,59

3 187,5 2,5 1,12 180,23

4 187,5 2,5 1,12 180,23

5 187,5 2,5 1,12 180,23

6 187,5 2,5 1,14 173,59

7 187,5 2,5 1,12 180,23

8 187,5 2,5 1,14 173,59

9 187,5 2,5 1,14 173,59


50

10 187,5 2,5 1,12 180,23

Nilai Rata-Rata Angka Kekerasan Brinell 178,27

Standard Deviasi 4,56

1.10 1.11 1.12 1.13 1.140

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Nila

i B

HN

Diameter Indentasi (mm)

Nilai BHN

Gambar 0.17 Grafik hubungan antara nilai rata-rata BHN terhadap diameter indentasi


51

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari investigasi pengujian mekanis baja karbon JIS S45C, diperoleh beberapa

hasil:

1. Baja karbon JIS S45C mempunyai nilai σy 478,03 MPa, σu sebesar 717,17

MPa, dan E sebesar 11,97 GPa. Dengan nilai rata-rata kekerasan baja karbon

JIS S45C sebesar 178,27 BHN.

2. Dari hasil kajian pustaka, nilai kekuatan tarik baja karbon JIS S45C umumnya

lebih rendah daripada data-data yang ada dari kajian pustaka.

3. Baja karbon JIS S45C mempunyai nilai fatigue limit sebesar 226 MPa. Kajian

pustaka menunjukan bahwa, nilai fatigue limit yang dimiliki baja karbon JIS

S45C lebih rendah daripada data dari kajian pustaka, akan tetapi ada beberapa

tidak adanya fenomena fatigue limit yang ada pada data kajian pustaka.

4. Terdapat tiga daerah patah fatigue yaitu: insiasi retakan awal (crack

initiation), perambatan retakan (crack propagation), dan daerah patahan akhir

(final fracture).

5. Dari foto struktur makro beban 502 MPa terjadi patah getas, dengan adanya

cleavage, sedangkan pada beban 359 MPa insiasi retakan awal dimulai

dengan adanya slip yang lebih dari satu. Patah ulet umumnya teridentifikasi

dengan adanya slip.

6. Pada sample spesimen yang terjadi patah getas, adanya pengurangan diameter,

akan tetapi sample spesimen yang mengalami patah ulet terjadi pengurangan

diameter yang cukup signifikan daripada yang patah getas.


52

5.2 Saran

1. Untuk pengujian selanjutnya dapat dilakukan penambahan perlakuan

pelapisan (surface treatments), atau perlakuan mekanis berupa shot peening

untuk mengetahui karateristik lelahnya.


53

DAFTAR PUSTAKA

Aldeeb, T. and Abduelmula, M. (2018) ‘Fatigue Strength of S275 Mild Steel under

Cyclic Loading’, (October).

ASTM (2002) ‘Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant

Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials’, Test, 03, pp. 4–8. doi:

10.1520/E0466-07.2.

ASTM E10-15 International (2010) ‘Standard Test Method for Brinell Hardness of

Metallic Materials’, (C), pp. 1–32. doi: 10.1520/E0010-10.2.

Becker, W. T. and Lampman, S. (2018) ‘Fracture Appearance and Mechanisms of

Deformation and Fracture’, Failure Analysis and Prevention, pp. 559–586. doi:

10.31399/asm.hb.v11.a0003537.

Callister, W. D. (2007) Materials Science and Engineering 7th Ed. : An Introduction,

John Wiley & Sons, Inc. doi: 10.1007/BF01184995.

Campbell,F, C. (1996) ASM handbook. Volume 19, Fatigue and fracture. Materials

Park, Ohio : ASM International, c1996. Available at:

https://search.library.wisc.edu/catalog/9984110543602122.

Chmelko, V., Berta, I. and Margetin, M. (2019) ‘Influence of Heat Treatment Process

to the Fatigue Properties of High Strength Steel’, in Correia, J. A. F. O. et al. (eds).

Cham: Springer International Publishing, pp. 35–40. doi: 10.1007/978-3-030-13980-

3_5.

Dewa, R. T. et al. (2018) ‘A review of low-cycle fatigue of Alloy 617 for use in

VHTR components: Experimental outlook’, MATEC Web of Conferences, 159, pp. 1–

6. doi: 10.1051/matecconf/201815902049.

Douglas, C. Montgomery Elizabeth, A. Peck G. Geoffrey, V. (2013) ‘Introduction to


54

Linear Regression Analysis’, International Statistical Review, 81. doi:

10.1111/insr.12020_10.

Dowling, N. E. (1993) Mechanical behavior of materials : engineering methods for

deformation, fracture, and fatigue. Englewood Cliffs, N.J. : Prentice Hall, [1993]

©1993. Available at: https://search.library.wisc.edu/catalog/999708920502121.

Ekaputra, I. M. W. et al. (2020) ‘Fatigue Strength Analysis of S34MnV Steel by

Accelerated Staircase Test’, Open Engineering, 10(1), pp. 394–400. doi:

10.1515/eng-2020-0048.

Haftirman (2009) ‘The Size Effect on Fatigue Strength of Structural Steel Materials

in High-humidity Environment’, (October), pp. 11–13.

Han, S. et al. (2008) ‘White layer formation due to phase transformation in

orthogonal machining of AISI 1045 annealed steel’, Materials Science and

Engineering A, 488(1–2), pp. 195–204. doi: 10.1016/j.msea.2007.11.081.

Handoyo, Y. (2015) ‘Pengaruh Quenching Dan Tempering Pada Baja JIS Grade

S45C Terhadap Sifat Mekanis Dan Struktur Mikro Crankshaft’, Jurnal Ilmiah Teknik

Mesin Unisma ‘45’ Bekasi, 3(2), p. 97782.

Haryadi, G. D., Dewa, R. T. and Ekaputra, I. M. W. (2018) ‘Fatigue crack growth and

probability assessment for transverse tig welded aluminum alloy 6013-T4’, Journal

of Theoretical and Applied Mechanics (Poland), 56(1), pp. 179–190. doi:

10.15632/jtam-pl.56.1.179.

Huang, B. et al. (2017) ‘Influence of H 2 S Corrosion on Rotating Bending Fatigue

Properties of S135 Drill Pipe Steel’, Transactions of the Indian Institute of Metals.

Springer India. doi: 10.1007/s12666-017-1135-5.

K.Y.Lee (2008) ‘TENSILE PROPERTIES OF DIFFERENT CHEMICAL

COMPOSITIONS FOR TRIP-ASSISTED MULTIPHASE STEEL FOR


55

AUTOMOBILE STRUCTURES’, International Journal of …, 9(2), pp. 87–93. doi:

10.1007/s12239.

Ktari, A., Haddar, N. and Ayedi, H. F. (2011) ‘Fatigue fracture expertise of train

engine crankshafts’, Engineering Failure Analysis. Elsevier Ltd, 18(3), pp. 1085–

1093. doi: 10.1016/j.engfailanal.2011.02.007.

Kuo, C. G. et al. (2018) ‘Welding microstructure and tensile properties of s45c

carbon steel’, Sensors and Materials, 30(3), pp. 675–681. doi:

10.18494/SAM.2018.1826.

de la Concepción, V. L., Lorusso, H. N. and Svoboda, H. G. (2015) ‘Effect of Carbon

Content on Microstructure and Mechanical Properties of Dual Phase Steels’,

Procedia Materials Science. Elsevier B.V., 8, pp. 1047–1056. doi:

10.1016/j.mspro.2015.04.167.

Lai, J., Huang, H. and Buising, W. (2016) ‘Effects of microstructure and surface

roughness on the fatigue strength of high-strength steels’, Procedia Structural

Integrity. Elsevier B.V., 2, pp. 1213–1220. doi: 10.1016/j.prostr.2016.06.155.

Luo, S. J., Wang, R. and Zhao, K. (2013) ‘Investigations of fatigue performance of

S135 drill pipe steel under uniaxial loading’, Advanced Materials Research, 716, pp.

418–422. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.716.418.

Made Wicaksana Ekaputra, I. et al. (2019) ‘Probabilistic evaluation of fatigue crack

growth rate for longitudinal tungsten inert gas welded al 6013-T4 under various

postweld heat treatment conditions’, E3S Web of Conferences, 130. doi:

10.1051/e3sconf/201913001016.

Mehdizadeh, P., McGLASSON, R. L. and E.landers, J. (1966) Corrosion Fatigue

Performance of a Carbon Steel in Brine Containing Air, H 2 S and CO 2, Corrosion.

doi: 10.5006/0010-9312-22.12.325.


56

Meyers, Marc André and Chawla, K. K. (1999) Mechanical Behavior of Materials,

Prentice-Hall. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. Available at:

http://cds.cern.ch/record/456488.

Mollazadeh, H., Noruzi, R. and Eskandarzade, M. (2015) ‘A STUDY OF FATIGUE

PROPERTIES OF STEEL AISI4130 ( 30KhMF ) AFTER UPSET WELDING’, 57,

pp. 52–56.

Morrall, D. et al. (2018) ‘Tensile properties of mechanically alloyed Zr added

austenitic stainless steel’, Nuclear Materials and Energy. Elsevier, 15(December

2017), pp. 92–96. doi: 10.1016/j.nme.2018.03.002.

N.A.Alang, N.A.Razak and A.K.Miskam (1971) ‘Effect of Surface Roughness on

Fatigue Life of Notched Carbon Steel’, Journal of Chronic Diseases, 23(10–11), pp.

723–754. doi: 10.1016/0021-9681(71)90005-1.

Onn, I. H., Ahmad, N. and Tamin, M. N. (2015) ‘Fatigue characteristics of dual-

phase steel sheets’, Journal of Mechanical Science and Technology, 29(1), pp. 51–57.

doi: 10.1007/s12206-014-1208-x.

Ono, Y. et al. (2014) ‘Effect of stress ratio on high-cycle fatigue properties of Ti-6Al-

4V ELI alloy forging at low temperature’, AIP Conference Proceedings, 1574

60(January 2014), pp. 23–26. doi: 10.1063/1.4860599.

Phung, N. L. et al. (2013) ‘Very High Cycle Fatigue for single phase ductile

materials: Slip band appearance criterion’, Procedia Engineering. Elsevier B.V., 66,

pp. 615–625. doi: 10.1016/j.proeng.2013.12.113.

Rifai, D. et al. (2016) ‘Subsurface defects evaluation using eddy current testing’,

Indian Journal of Science and Technology, 9(9). doi: 10.17485/ijst/2016/v9i9/88724.

Sachs, N. W. (2005) ‘Understanding the surface features of fatigue fractures: How

they describe the failure cause and the failure history’, Journal of Failure Analysis


57

and Prevention, 5(2), pp. 11–15. doi: 10.1361/15477020522924.

Subarmono and Sinta, A. (2014) ‘KARAKTERISTIK LELAH BAJA POROS DIN

42CrMo4 BERTAKIK U DAN V AKIBAT BEBAN AMPLITUDO KONSTAN

DAN BEBAN TIBA-TIBA’, pp. 159–164.

Thamir, H. Y. (2018) ‘Structure-Properties Relationships in Heat Treated Low

Carbon Steel’, Al-Qadisiyah Journal for Engineering Sciences, 10(4). doi:

10.30772/qjes.v10i4.496.

Totten, G. E. (2007) ‘Steel heat treatment : metallurgy and technologies’. Boca

Raton, FL: Taylor & Francis. Available at:

http://www.crcnetbase.com/isbn/9780849384554.


investigasi karakteristik lelah baja karbon jis s45c … · 2020. 8. 3. · baja karbon jis s45c...

Documents