mesin dan industri - repositori.unud.ac.id · mesin, dan dies natalis ke-8 program studi teknik...

!✁✂✄☎✄✆✝ ✂❙✞✄✆✟! ✆✟✂✄✁✆✟✠ MESIN DAN INDUSTRI

✭✂✆✞✄8) 2013

■✡☛☞✌ 978-602-98109-2-9

❘❘✍✍✎✎❊❊❚❚ ▼▼❯❯▲▲❚❚✍✍❉❉✍✍✎✎✍✍✏✏▲▲✍✍◆◆ ❯❯◆◆❚❚❯❯❑❑ ▼▼❊❊◆◆❯❯◆◆❏❏❆❆◆◆●●

✏✏❊❊◆◆●●❊❊▼▼❇❇❆❆◆◆●●❆❆◆◆ ✍✍◆◆❉❉❯❯✎✎❚❚❘❘✍✍ ◆◆❆❆✎✎✍✍❖❖◆◆❆❆▲▲

✑✒✓✔✕✖✗✔✒✘ ✙✚✓✒✛✜ M Lantai 8 ✢✛✔✣✚✗✤✔✕✥✤ ✦✥✗✒✘✥✛✥✜✥✗✥ Jakarta, 14 November 2013

Diterbitkan oleh: Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Tarumanagara Jl. Let. Jend. S. Parman No. 1 Jakarta 11440

Telp. (021) 567 2548, 563 8358 Fax. (021) 566 3277, (021) 563 8358 ✚-mail: [email protected], [email protected]

✧★✩✪✫✬✮ ✯✬✰✪✱✫al Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013

Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional

Jakarta, 14 November 2013

| ii

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas terlaksananya Seminar Nasional

Mesin Industri (SNMI8) 2013 yang berlangsung baik.

Peran Perguruan Tinggi dalam mendorong kemandirian bangsa adalah turut

berpartisipasi secara aktif dalam riset dan pengembangan IPTEK serta membangun jejaring

dan sinergi antara Akademisi dan Industri.

Dalam rangka untuk memperingati Dies Natalis ke-32 Program Studi Teknik

Mesin, dan Dies Natalis ke-8 Program Studi Teknik Industri, Jurusan Teknik Mesin

Universitas Tarumanagara menyelenggarakan Seminar Nasional Mesin dan Industri

(SNMI) kedelapan kalinya sebagai sarana komunikasi para dosen, peneliti, dan pakar

ilmiah guna meningkatkan mutu pendidikan dan pembelajaran, penelitian, dan

pengembangan IPTEK. Dan, tema dalam SNMI8 2013 ini adalah �Riset Multidisiplin

untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional�.

Tujuan diadakannya Seminar Nasional Mesin dan Industri 2013 ini, adalah sebagai

berikut:

1. Menumbuhkan sikap inovatif, kreatif serta tanggap terhadap perkembangan Ilmu

Pengetahuan dan Teknologi (IPTEK).

2. Menjadikan wadah sebagai forum komunikasi hasil penelitian antar Akademisi,

Peneliti, Praktisi, Industri, dan Mahasiswa.

3. Menjadikan Sarana untuk menjalin kerjasama atau networking, antar pelaku IPTEK

maupun antara pelaku IPTEK dengan pelaku bisnis untuk memacu pengembangan

program penelitian lebih lanjut.

Adapun topik seminar bidang Teknik Mesin dan Teknik Industri yang disampaikan

dalam kegiatan SNMI8 2013 ini, meliputi: Pengembangan Energi, Konstruksi Mesin,

Konversi Energi, Teknik Manufaktur, Mekatronika dan Robotika, Teknologi Material,

Perancangan dan Pengembangan Produk, Perancangan Sistem Kerja dan Ergonomi,

Manajemen Operasi dan Produksi, Manajemen Kualitas, Logistik & Sistem Transportasi,

Manajemen Rantai Pasokan, Optimasi Sistem Industri, dan Kesehatan & Keselamatan

Kerja (K3).

Pada SNMI8 2013 ini menampilkan 2 (dua) pembicara kunci yang memiliki

kompetensi dalam bidangnya, antara lain:

1. Prof. Dr. Ir. Raldi Artono Koestoer, DEA. (Teknik Mesin Universitas Indonesia, Depok)

2. Prof. Ir. I Nyoman Pujawan, M. Eng., Ph.D., CSCP. (Teknik Industri Institut Teknologi

Sepuluh Nopember, Surabaya)

Selain itu, dalam kegiatan seminar ini juga dipresentasikan sebanyak 77 makalah

hasil karya ilmiah Staf Pengajar Teknik Mesin dan Teknik Industri yang berasal dari

berbagai Perguruan Tinggi di Indonesia.

Pada kesempatan ini, Panitia SNMI8 2013 menyampaikan permohonan maaf jika

selama pelaksanaan seminar ini terdapat kekurangan dan kesalahan. Akhirnya, Panitia

mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah mendukung terselenggaranya

SNMI VIII 2013 ini dengan baik.


Ketua Panitia SNMI8 2013

Wilson Kosasih, S.T., M.T.




| v

✲✳✴✵✳✶ ISI

✷✸✹✸ ✺✻✼✽✸✼✹✸✾ ii

✿✸❀❁❂✹✸✼ Dekan Fakultas Teknik iii

❃❄✸❅✸✼ ❈✻✾❋❀✸ ✷✸❍❋◗ iv

❱✸❲✹✸✾ ❳❍❋ v

✿❂❍❂✼✸✼ ✺✸✼❋✹❋✸ x

✿❂❍❂✼✸✼ ❨❄✸✾✸ xi

❩❬ Technopreneur and Social-Entrepreneurship: ��based on product��, Raldi

❭❪❫❴❵❴ Koestoer 1

❛❬ Supply Chain Management: Tantangan dan Strategi, Nyoman Pujawan 7

❜❝❞ang Teknik Mesin

1. Metode Pemilihan Pompa Sebagai Turbin Pembangkit Listrik Tenaga Mikro

Hidro, Anak Agung Adhi Suryawan, Made Suarda, I Nengah Suweden 1

2. Pengaruh Fraksi Volume Serat terhadap Kekuatan Tekan Komposit Fiberglass,

AAIA Sri Komaladewi, I Made Astika, I G K Dwijana 7

3. Pengaruh Variasi Diameter dan Sudut Kemiringan Pipa Inlet Terhadap Unjuk

Kerja Pompa Hidram, Sehat Abdi Saragih 14

4. Analisa Kerusakan pada Rotating Element Pompa Injeksi Air David Brown

DB34-D DI PT CPI Minas, Abrar Ridwan, Ridwan Chandra 21

5. Pengaruh Temperatur Pembakaran pada Komposit Lempung/Silika RHA terhadap

Sifat Mekanik (Aplikasi pada Bata Merah), Ade Indra, Nurzal, Hendri Nofrianto 34

6. Rancang Bangun Mesin Pemisah Dan Pencacah Sampah Organik (Daun-daunan)

dan Anorganik (Plastik, Kresek) untuk Menghasilkan Serpihan Sampah Organik

Lebih Kecil sebagai Bahan Kompos, I Gede Putu Agus Suryawan, Cok. Istri P.

Kusuma Kencanawati, I Gst. A. K. Diafari D. Hartawan 42

7. Peningkatan Nilai Kalor Biobriket Campuran Sekam Padi dan Dominansi Kulit

Kacang Mete dengan Metode Pirolisa, Arijanto 49

8. Perilaku Stress Tanki Toroidal Penampang Oval dengan Beban Internal Pressure,

Asnawi Lubis, Shirley Savetlana, and Ahmad Su�udi 60

9. Kekerasan Baja AISI 4118 setelah Proses Pack Karburising dengan Media

Karburasi Arang Tulang Bebek dan Arang Pelepah Kelapa, Dewa Ngakan Ketut

Putra Negara, I Dewa Made Krisnha Muku, AAIA Sri Komala Dewi 67

10. Quantum States At Juergen Model for Nuclear Reactor Control Rod Blade Based

On Thx Duo2 Nano-Material, Moh. Hardiyanto 73

❩❩❬ Pengerasan Induksi pada Material AISI 4340 sebagai Material Bahan Baku

❳✼❡❂❍✹✾❋ ❢❨❣✷❨❤ ❣✸❍❋✐✼✸❥, Muhammad Dzulfikar, Rifky Ismail, Dian Indra

❦❪❧♠♥❫♦❴, dan Jamari 83

12. Studi Pengaruh Kemiringan Kolektor Surya Tipe Satu Laluan Udara Panas

Terhadap Proses Pengeringan Kerupuk Ubi, Eddy Elfiano, Muhd. Noor Izani 90

13. Pemanfaatan Limbah Tempurung Kelapa Sawit (Elacis Guinesis) sebagai Energi

Biomassa yang Terbarukan, Eko Yohanes, Sibut 96

14. Pengaruh Variasi Volume Serat Resam terhadap Kekuatan Tarik dan Impact

Komposit pada Matriks Polyester sebagai Bahan Pembuatan Dashboard Mobil,

Herwandi, Sugianto, Somawardi, Muhammad Subhan 102

15. Pemanfaatan Arang Kayu Bakar sebagai Media Karburasi pada Proses Pack

Karburising, I Dewa Made Krisnha Muku, AAIA Sri Komala Dewi 109




| vi

16. Pengaruh Pemanasan Bahan Bakar dengan Media Radiator pada Mesin Bensin

Bertipe Injeksi Terhadap Unjuk Kerja Mesin, I Gusti Ngurah Putu Tenaya, I

Gusti Ketut Sukadana, dan I Gusti Ngurah Bagus Surya Pratama 115

17. Strain-Hardening Baja Karbon AISI 1065 Akibat Beban Gelinding-Gesek, I Made

Astika, Tjokorda Gde Tirta Nindhia, I Made Widiyarta, I Gusti Komang

Dwijana dan I Ketut Adhi Sukma Gusmana 124

18. Pengaruh Temperatur Tuang Paduan Perunggu Terhadap Sifat Kekerasannya Pada

Proses Pembuatan Genta Dengan Metoda Pasir Cetak (Sand Casting), I Made

Gatot Karohika, I Nym Gde Antara 133

19. Ketahanan Aus Baja Carbon AISI 1065 dengan Pengerasan Permukaan Kontak

(Quench-Hardening) terhadap Beban Gelinding-Luncur, I Made Widiyarta, Tjok

Gde Tirta Nindia, I Putu Lokantara, I Made Gatot Karohika dan I Ketut Windu

Segara 141

20. Pengembangan Kurva P-h dalam Pemodelan Elemen Hingga Vickers Indentasi

untuk Memprediksi Kekerasan Vickers (HV), I Nyoman Budiarsa 149

21. Studi Profil Temperatur Reaktor Fluidized Bed Pada Gasifikasi Sewage Sludge,

I Nyoman Suprapta Winaya, I Nyoman Adi Subagia, Rukmi Sari Hartati 158

22. Pengaruh Pemasangan Ring Berpenampang Segiempat dengan Posisi Miring

pada Permukaan Silinder terhadap Koefisien Drag, Si Putu Gede Gunawan Tista,

Ketut Astawa, Ainul Ghurri 166

23. Pengaruh Perlakuan Diammonium Phosphate (DAP) Terhadap Ketahanan Api

Komposit Plastik Daur Ulang-Serat Alam, I Putu Lokantara, NPG Suardana 173

24. Analisa Pengaruh Viskositas Pelumas terhadap Permukaan Penampang Material

pada Proses Ekstrusi Pengerjaan Dingin, Jhonni Rahman 180

25. Simulasi Numerik Aero-Akustik Aliran Udara Yang Melalui Silinder Pada

Bilangan Reynolds 90000 Menggunakan Model Turbulensi Les Dan Model

Akustik FWH, M. Luthfi, Sugianto 186

26. Pengaruh Konsentrasi Kalium Hidroksida (KOH) pada Elektrolit terhadap

Performa Alkaline Fuel Cell, Made Sucipta, I Made Suardamana, I Ketut Gede

Sugita, Made Suarda 195

27. Makrostruktur dan Permukaan Patah dalam Uji Tarik terhadap Perlakuan Panas

pada Baja Karbon Rendah, Nofriady H. dan Ismet Eka P. 203

28. Model Penentuan Koefisien Serap (Absorbsi) dan Kekuatan Tarik Material

Komposit Epoxy dengan Pengisi Serat Rockwool sebagai Knalpot Rendah Bising

Secara Eksperimen, Nurdiana, Zulkifli , Mutya Vonnisa 208

29. Pengaruh Waktu Tahan dan Laju Pemanasan terhadap Besar Butir Austenit dan

Kekerasan pada Proses Heat Treatment Baja HSLA, Richard A.M. Napitupulu,

Otto H. S, Charles Manurung, Humisar Sibarani 218

30. Analisa Kualitas Permukaan Baja AISI 4340 terhadap Variasi Arus pada Electrical

Discharge Machining (EDM), Sobron Lubis, Sofyan Djamil, Ivan Dion 224

31. Rancangan Launcher Roket Air, Suherlan, Dzulfi S Prihartanto, Gede Eka

Lesmana, Yohannes Dewanto 234

32. Analisa Kerja Roket Air Satu Tingkat, Ahmad Hidayat Furqon, Mochammad

Ilham Attharik, Pirnardi, dan I Gede Eka Lesmana 240

33. Analisis Penggunaan Differensial Proteksi pada Motor-Motor Listrik, PLTU

Buatan China, Suryo Busono 247

34. Efektivitas Alat Penukar Kalor Double Pipe Bersirip Helical sebagai Pemanas Air

dengan Memanfaatkan Gas Buang Mesin Diesel, Zainuddin, Jufrizal, Eswanto 255

♣!"#$✉✈ ✇✉①#②$✉③④!①#$⑤✉$ ⑥$⑦⑧①⑨✈# ⑩♣✇④⑥8) 2013



TM-21 | 149

PENGEMBANGAN KURVA P-h

DALAM PEMODELAN ELEMEN HINGGA VICKERS INDENTASI UNTUK MEMPREDIKSI KEKERASAN VICKERS (HV)

I Nyoman Budiarsa

Jurusan Teknik Mesin. Fakultas Teknik.Universitas Udayana, Bali, Indonesia

Kampus Bukit Jimbaran Bali. Telp (0361-703321) e-mail: [email protected]

Abstrak

Sebuah keuntungan signifikan dari pengujian kekerasan adalah dibutuhkan hanya sejumlah

kecil fisik dari bahan uji, cepat dan biaya murah, namun meskipun penggunaan yang luas,

perilaku material (diwakili oleh nilai kekerasan) tidak secara eksplisit terkait dengan sifat

material konstitutif. Penelitian lebih lanjut diperlukan untuk dapat memprediksi resistensi

indentasi (kurva P-h dan nilai kekerasan) dari parameter material konstitutif. Hal Ini

berpotensi dapat memberikan cara yang lebih cepat untuk identifikasi parameter bahan yang

berlaku dalam situasi di mana spesimen standar tidak tersedia. Dalam penelitian ini, hubungan

antara parameter konstitutif yaitu tegangan luluh (sy) dan koefisien pengerasan regang (n)

bahan elasto-plastik, kurva beban-kedalaman (kurva P-h) indentasi dan nilai kekerasan

dengan menggunakan vickers indentor telah diselidiki secara sistematis dengan

menggabungkan analisis tegangan representatif (sr) dan pemodelan elemen hingga (FE

model) dengan menggunakan baja sebagai kelompok bahan model. Kurva lekukan pemodelan

elemen hingga Vickers telah dikembangkan dan divalidasi. Sebuah pendekatan untuk

memprediksi kurva P-h dari sifat material konstitutif telah dikembangkan dan dievaluasi

berdasarkan hubungan antara kurva lekukan dan sifat material dan tegangan representatif.

Sebuah pendekatan baru untuk memprediksi nilai Hv dikembangkan berdasarkan rasio

kedalaman indentasi hr/ hm dan juga hubungan kerja total Wp/Wt. Persamaan dan prosedur

yang ditetapkan kemudian berhasil digunakan dalam memprediksi Vickers kurva P-h lekukan

penuh. Konsep dan metodologi yang dikembangkan akan digunakan untuk memprediksi nilai-

nilai kekerasan (Hv) bahan melalui analisis langsung dan divalidasi dengan data eksperimen

pada sampel yang dipilih dari baja.

Kata kunci: Kurva P-h, Kekerasan Vickers (Hv), Finite Elemen (FE) model

1. Pendahuluan

Indentasi merupakan sebuah metode pengujian bahan yang penting, yang dilakukan dengan menggunakan indentor tajam (Vickers, Berkovich, dll) atau tumpul (Brinell,

Rockwell, dll). Nilai kekerasan bahan (Hardness value) didasarkan pada perlawanan material ketika sebuah deformasi lokal terjadi pada permukaan solid. Dalam indentasi, bila sebuah indentor ditekan ke permukaan spesimen, maka ukuran lekukan permanen

terbentuk dan dapat diukur untuk mewakili resistensi lekukan (yaitu kekerasan material). Perkembangan terbaru dalam dalam instrumentasi test indentasi untuk uji indentasi

kontinyu respon perilaku material pada pengujian didasarkan oleh beban (P) dan perpindahan (h) pada kurva (p-h) indentasi. Dalam proses indentasi, material mengalami deformasi yang kompleks membentuk zona deformasi mekanisme yang berbeda yang

merupakan salah satu cara yang paling efektif untuk menganalisis indentasi (Dao et al, 2001).

Karya sebelumnya menunjukkan kekerasan yang dapat berhubungan dengan tegangan representatif (�r), sesuai dengan regangan representatif ( r) yang merupakan regangan plastik rata-rata yang dihasilkan pada indentasi. Konsep ditambah dengan

pemodelan elemen hingga (FE) telah berhasil digunakan dalam menganalisis indentor tajam di mana regangan dan tegangan representatif didefinisikan dengan baik dengan

menggunakan sudut indentor tetap (Dao et al, 2001; ❶❷❸❹ ❺❻ ❷❼ ❽❾❿❾). Dalam kasus ini,

➀➁➂➃➄➅➆ ➇➅➈➃➉➄➅➊➋➁➈➃➄➌➅➄ ➍➄➎➏➈➐➆➃ ➑➀➇➋➍8) 2013



TM-21 | 150

hubungan yang dihasilkan antara parameter material dan kurva P-h akhirnya dapat

digunakan untuk mengestimasi kekerasan dari parameter bahan. Perkembangan selanjutnya, banyak karya telah dieksplorasi dalam mencari cara

untuk melakukan prediksi terbalik (inverse prediction) sifat material dari indentasi (Dao et

al., 2001). Kebanyakan penelitian telah berfokus pada menggunakan kurva P-h penuh sementara hubungan antara kekerasan dan sifat bahan konstitutif sebagian besar didasarkan

pada data empiris. Sebagai contoh untuk logam elasto-plastik, sebagian besar data properti

dan nilai kekerasan telah tersedia terutama menggunakan kekuatan tegangan luluh(sy) dan

kekuatan tarik utama(st) (Busby et al., 2005), karena sulit untuk mengukur kontribusi koefisien pengerasan regang (n). Ini menjadi tidak ideal, karena justru koefisien

pengerasan regang sangat diperlukan untuk situasi di mana model FE rinci diperlukan untuk menggambarkan parameter konstitutif dari material. Hubungan akhirnya dibangun antara sifat material, kurva indentasi dan nilai-nilai kekerasan yang akan menjadi alat yang

berguna untuk menyelidiki kelayakan dari kedua parameter bahan konstitutif (yang

diwakili oleh tegangan luluh (sy) dan koefisien pengerasan regang (n) yang didasarkan

dari nilai kekerasan (hardness value) yang diketahui. Serta membangun pemahaman yang lebih luas pada aplikasi masalah dalam prediksi terbalik (inverse prediction) sifat

identifikasi. Kemampuan identifikasi semua calon set properti material yang mungkin yang sesuai dengan hasil pengujian juga akan membuka jalan bagi perbaikan di masa depan program prediksi terbalik (inverse prediction) dengan menggunakan data terukur

tambahan.

2. Eksperimental

Bahan yang digunakan adalah baja. Komposisi kimia dari bahan, tercantum sebagai berikut dalam tabel.

Tabel.1 Komposisi kimia dari spesimen

Material Condition ➒➓➔→➔➣↔ ↕➙→➛➙➜➝↔➝➙➣ ➞➟➠

↕ ➡➣ ➢ ➤ ➤➝➥ ➦➝ ↕➧➨➩➙➣ ➤↔➔➔➓ ➫➭➯➫➟ ↕ ➦➙➨→➧➓➝➲➔➳ ➧↔ 900°C ➫➭➯ ➫➭➵ ➸➫➭➫➺ ➸➫➭➫➵ ➫➭➯➫➫ ➫➭➫➯

➡➝➓➳ ➤↔➔➔➓ ➦➻➼ ➫➭➽ ➫➭➽ ➫➭➫➵ ➫➭➫➵ ➫➭➯➾➾ 490 ppm

Sampel Baja batang elips padat dengan diameter f5 mm dan panjang 90 mm dan memiliki dudukan di tepi. Pengujian tarik dilakukan menggunakan Lloyd LR 30K

Universal mesin uji materi dengan extensometer. Mesin ini memiliki kapasitas beban uji maksimum sebesar 30 kN, dengan pembacaan yang akurat untuk 0,5 % dari gaya. Mesin uji tarik dihubungkan dengan komputer mikro, cetak grafis dari test langsung ditampilkan

dan data uji disimpan. Kontrol konsol dari mesin uji memiliki tampilan digital di mana mesin dapat dioperasikan secara manual atau otomatis. Dua bahan utama yang digunakan

dalam penelitian ini mencakup baja karbon (0.1% C) dan spesimen Mild steel. Gaya (P) dan kurva perpindahan (h) dari uji tarik untuk bahan hasil 0.1 % Carbon Steel ditunjukkan pada Gambar 1(a) dan Mild Steel pada Gambar 1(b). Dengan diketahui daerah luasan awal

(A) dan panjang awal (lo) pada kurva p-h (Gambar 1(a),(b)) diperoleh kurva tegangan-regangan dan sifat bahan termasuk: tegangan luluh (�y), Tegangan tarik (�u), Tegangan

tarik sesungguhnya (�t) dan regangan sesungguhnya (!t) dan kefisien pengerasan kerja (n). Tegangan (�) adalah beban (P) dibagi luasan awal (A), sedangkan Regangan (!) adalah panjang (l) dibagi dengan panjang awal (lo). Kurva regangan-tegangan dari dua bahan

utama diuji ditunjukkan pada Gambar 1(c) untuk 0.1% C dan gambar 1(d) untuk Mild steel. Hasil tegangan luluh (�y) diidentifikasi untuk 0.1%C baja karbon adalah 308.03

MPa, koefisien pengerasan kerja (n) adalah 0.07, tegangan luluh (�y) untuk baja ringan

➚➪➶➹➘➴➷ ➬➴➮➹➱➘➴✃❐➪➮➹➘❒➴➘ ❮➘❰/➮0➷➹ 1➚➬❐❮8) 2013



TM-21 | 151

(mild steel) adalah 601.66 Mpa, koefisien pengerasan kerja (n) adalah 0.025. Sampel uji

kekerasan disiapkan sebagai disk dengan diameter f 5 mm, sampel yang disajikan dalam bentuk arah melintang (transverse direction) dan arah panjang (length direction).

Spesimen dipersiapkan dalam resin menggunakan termoseting (Bakelite) dan dibersihkan (polishing) sebelum dilakukan pengujian kekerasan. Uji kekerasan Vickers dilakukan dengan menggunakan Duramin-1 Struers hardness Vickers. Mesin uji Duramin-1 Struers

hardness Vickers menggunakan metode pembebanan langsung dengan berbagai beban dari 490.3 mN sampai 19.61 N. indentor memiliki bentuk piramida yang tepat dengan dasar

persegi dan sudut 136o antar sisi muka yang berlawanan.

(a) (b) (c) (d)

Gambar 1. Kurva gaya (P) vs perpindahan (h) (force�displacement curves) hasil tensile test

untuk (a) 0.1% Carbon, (b) Mild steel, dan kurva tegangan-regangan untuk (c) 0.1% Carbon, (d) Mild steel

Dalam rangka untuk mengetahui pengaruh beban, indentasi dilakukan dengan menggunakan berbagai beban diuji yang berbeda. Gambar 2 menunjukkan nilai kekerasan

dengan beban yang berbeda (50, 100, 200, 300, 500, 1000 dan 2000 gm) dari kedua bahan. Setiap titik data yang merupakan nilai rata-rata dari enam pengukuran. Error bar yang digunakan adalah 5%, yang merupakan batas atas potensi kesalahan pada pengukuran.

Seperti terlihat pada gambar, kekerasan 0.1%C baja jauh lebih rendah dibandingkan dengan sampel baja ringan (Mild steel). Dalam kedua kasus, dalam pengujian beban yang

digunakan, data jelas menunjukkan bahwa peningkatan beban yang diterapkan mengakibatkan penurunan nilai-nilai kekerasan.

Gambar 2. Data nilai kekerasan Vickers dari spesimen (0.1% carbon steel and mild steel)

dalam aplikasi variasi pembebanan

21000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 5 10 15 20 34

P (

N)

56778

9

3999

4000

6000

8000

10000

12000

14000

2:22 2,00 ;:22

<=>?

h (mm)

@

50

100

150

200

250

A@@

@B@@ 0,50 1,00 1,50 2,00 CBD@

EF

P(Kg)

GHIJKL M

NOPQ HRSSP

9

100

200

300

400

500

0 0,2 2:;

T y (

Mp

a)

plastic

449

570

590

610

630

650

0,00 0,02 9U9V

T y (

Mp

a)

plastic

!"#$%& '%(#❙$%!✁!(#$✂%$ ✄$☎✆(✝&# ✞ '✁✄8) 2013



TM-21 | 152

3.1 Material model

Diskripsi Power Law hampir selalu digunakan untuk mendekati perilaku plastik dari bahan metal (Cao, 2004). Pengembangan secara komprehensif untuk pendekatan prilaku plastic (Dao et al., 2001) menggunakan reduksi modulus E*dalam kisaran tertentu

dari parameter material telah diidentifikasi regangan plastic representatif �r=0,033 dan digunakan untuk menormalkan kurva beban (loading curvature) bahan dengan koefisien

pengerasan regang (n). Penelitian ini berkaitan dengan bahan elastik plastik, kurva tegangan-regangan dapat diwakili oleh hukum Hooke dan kriteria Von Misses dalam power law pengerasan isotropik sebagai:

4 Æ B K N Œ P Œ (1)

Dengan 0.0 < n < 0.5 untuk logam, tegangan luluh ( y) didefinisikan pada offset regangan nol, modulus elastis E, dan koefisien pengerasan regang (n) memungkinkan untuk mengembangkan pendekatan yang relatif sederhana untuk menyimpulkan parameter

konstitutif material (Swaddiwudhipong et al., 2005). Pada kondisi yang umum, tegangan-regangan plastic umumnya dinyatakan sebagai:

Œ L P

B P Q P w

P w l I

¢ o p l

B l P P P w (2)

Dimana �E� adalah Modulus Young, �n� koefisien pengerasan regang and � y�! tegangan luluh inisial, pada offset regangan nol. Jika �r menyatakan regangan representatif pada

tegangan plastik tertentu, teganagan reprsentatifnya adalah � r�Pada titik regangan plastik, tegangan dapat dinyatakan sebagai:

P p L P w l s E I

¢ o B p p

l

(3)

3.2 Model numerik dan hasil

Model elemen hingga (FE Model) indentasi Vickers di rancang menggunakan piranti komersil (comersial code) ABAQUS. Indentor berbentuk piramida dengan dasar persegi dan sudut antar sisi muka berlawanan 1360. Model adalah geometri simetris bidang,

sehingga hanya seperempat dari indentor dan kolom bahan disimulasikan. Bagian alas dianggap tetap dalam semua derajat kebebasan (DOF) dan dua sisi muka yang simetris

tetap dipertahankan dalam arah y dan arah x. Mesh dirancang lebih rapat pada daerah yang mengalami deformasi besar seperti di bawah ujung indentor, mesh yang tinggi digunakan untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat. Kurva pembebanan mewakili resistensi bahan

untuk penetrasi indentor, sementara perbedaan antara kurva loading�unloading menggambarkan kehilangan energi pada proses indentasi (Swaddiudhipong et al., 2005).

Faktor yang paling relevan untuk simulasi indentasi adalah kerapatan mesh dan kondisi gesekan (Taljat, 1998). Hal ini dilakukan dengan memvariasikan ukuran mesh (density) dalam model FE dan membandingkannya dengan kurva P-h. Dalam penelitian ini validasi

terhadap model dikendalikan dengan mengubah maksimum dan minimum ukuran elemen dalam Abaqus replay (.rpy) file. Gambar 3 menunjukkan kurva P-h dengan kepadatan

mesh yang berbeda (ditandai dengan nomor elemen). Hal ini jelas menunjukkan kurva hasil memiliki sedikit perberbedaan tapi sensitivitas mesh tidak berpengaruh terhadap model. Untuk meneliti efek gesekan, serangkaian model FE dengan koefisien gesekan

yang berbeda juga dilakukan ("=0.1-0.3). Seperti ditunjukkan dalam Gambar 4(a) pengaruh koefisien gesekan pada kurva P-h tidak signifikan selama rentang parameter

✟✠✡☛☞✌✍ ✎✌✏☛✑☞✌✒✓✠✏☛☞✔✌☞ ✕☞✖✗✏✘✍☛ ✙✟✎✓✕8) 2013



TM-21 | 153

diselidiki. Hal ini sesuai dengan beberapa hasil diterbitkan (Bucaille et al., 2003). Dalam

penelitian ini digunakan koefisien gesekan 0.2 antara logam dan indentor.

Gambar 3. Tipikal kurva gaya vs kedalaman indentasi (P-h) untuk Vickers indentasi dengan mesh yang berbeda (untuk material input E=200 GPa, �y=308 MPa, n=0.05).

FE model uji indentasi Vickers telah diverifikasi dengan membandingkan hasil numerik dari pekerjaan ini dengan beberapa model hasil eksperimen yang telah

terpublikasi. Tipikal hasil ditunjukkan pada Gambar 4(b). Sifat bahan dalam model FE diadaptasi dari data yang digunakan oleh Dao et al., (2001), dan kemudian kurva P-h diprediksi dibandingkan dengan data numerik dan hasil eksperimen yang telah

terpublikasi. Seperti ditunjukkan dalam kurva untuk kedua bahan, hasil prediksi sama dengan baik dengan data hasil eksperimen yang telah terpublikasi. Hal ini menunjukkan

bahwa model tersebut akurat dan valid.

(a) (b)

Gambar 4. (a) Tipikal data pengaruh kondisi gesekan pada modeling Vickers indentasi

(E=200GPa, �y=600MPa, n=0.03), 4(b) Perbandingan hasil dengan hasil numerik publikasi pada beberapa data indentasi dengan Vickers indentor. (Material 1: E= 70 GPa, �y= 500

MPa, n=0.122; Material 2: E=66.8GPa, �y= 284MPa, n=0.08)

✵

20

40

60

80

100

120

140

160

0 0,02 0,04 ✵✚✵✛

5✜✢✣

h(mm)

✦ ✤ ✥✧★✥

✦ ✤ ✥✧✩✥

✦ ✤ ✥✧✪✥

✫

2

4

6

8

10

12

0,000 0,005 0,010 0,015

✬✭✮✯

h (Um)

▼✰✱✲✳✴✰✶ ✷✸ ✹✰✺✴✶ ✻✼✽✲✳✴✾ ✿✰✻❀ ❁✴✼✺✼✶✾✰✻▼✰✱✲✳✴✰✶ ✷✸ ❂✼✽✲✳✴✾✰✶ ❃✼❄✶✴✾✰✺✴Material 1, Eksperimental data publikasi▼✰✱✲✳✴✰✶ ❅✸ ✹✰✺✴✶ ✻✼✽✲✳✴✾ ✿✰✻❀ ❁✴✼✺✼✶✾✰✻▼✰✱✲✳✴✰✶ ❅✸ ❂✼✽✲✳✴✾✰✶ ❃✼❄✶✴✾✰✺✴Material 2, Eksperimental data publikasi

❆

20

40

60

80

100

120

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 ❇❈

❉❊❋●

❤❍■■❏

❅✷❑▲ ◆✷❖▲ ▲❆❑❑

◗❘❚❯❱❲❳ ❨❲❩❯❬❱❲❭❪❘❩❯❱❫❲❱ ❴❱❵❛❩❜❳❯ ❝◗❨❪❴8) 2013



TM-21 | 154

3.3 Metode pendekatan Tegangan representatif dan hasil

Pada power law untuk proses indentasi elastik plastik solid, beban P harus menjadi fungsi dari parameter independen dari, �h� kedalaman (indentation depth), �E� adalah modulus Young indentor, dan �v� Poisson rasio

(4)

Dikombinasikan dengan efek elastic akan menjadi

(5)

Dimana

(6)

Dalam penelitian ini kelompok bahan utama untuk diselidiki adalah baja, sehingga nilai E ditetapkan sebesar 200 GPa daripada menggunakan nilai E*sebenarnya (~ 187 GPa

dengan E indenter = 1220 GPa dan E steel = 200 GPa) untuk menghindari ketidakpastian dengan dengan nilai E* dari berbagai sumber. Jadi persamaan (4) dapat disederhanakan

sebagai persamaan (5), dan digabung dengan persamaan (3) dapat ditulis sebagai:

(7)

Mengikuti analisa dimensi (Dao et al., 2001), Eq. 7 menjadi:

(8)

(9)

Dengan membangun hubungan antara Cv dan sr yang membuat kurva P-h dapat

ditentukan. Tegangan representatif (sr) secara langsung terkait dengan regangan

representatif yang dipilih. Salah satu cara untuk menemukan regangan representatif (representative strain) optimal adalah dengan memvariasikan tingkat regangan secara sistematis sampai ditemukan nilai terbaik antara pengukuran (target) dan parameter bahan

Cv/sr dan E/sr. Gambar 5 memperlihatkan plot Cv/sr vs E/sr dengan variasi regangan representatif yang berbeda. Meningkatnya regangan representatif dari 0.01 sampai 0.05

maka korelasi antara Cv/sr vs. E/sr meningkat secara signifikan. Koefisien korelasi terbaik

ditemukan pada (sr)= 0.029, yang sedikit berbeda dari 0.033 seperti dilaporkan oleh (Dao

et al., 2001). Seperti yang diperlihatkan dalam fitting garis atara Cv/sr vs. E/sr pada

gambar 5(c) dengan perubahan tegangan luluh 100MPa-700 MPa. Fitting garis konsisten dengan persamaan yang ditentukan:

Cv /sr = 12.972 ln(E/sr) + 13.46 (10)

❞❡❢ (b) (c)

Gambar 5. Korelasi koefisien antara Cv/sr vs. E/sr dengan optimum regangan

representatif sr = 0.029.

❣✐❣❣❥❦❣❣

5,00E+01

1,00E+02

1,50E+02

0 2000 ❧❣❣❣

Cv/ �

r

♠ ♥�r

❣✐❣❣❥❦❣❣

2,00E+01

4,00E+01

6,00E+01

8,00E+01

1,00E+02

1,20E+02

0 2000 ❧❣❣❣

Cv/ �

r

♠ ♥�r

♦ ♣ >?>@

❣✐❣❣❥❦❣❣

2,00E+01

4,00E+01

6,00E+01

8,00E+01

1,00E+02

1,20E+02

0 1000 2000 A❣❣❣

✉✈✇⑧

r

♠♥�r

①② ③ ④⑤⑤ ⑥⑦⑨ ⑩❶ ❷ ❸❹❹ ❺❻❼ ①② ③ ❽⑤⑤ ⑥⑦⑨ ①② ③ ❾⑤⑤ ⑥⑦⑨ ⑩❶ ❷ ❿❹❹ ❺❻❼ ①② ③ ➀⑤⑤ ⑥⑦⑨ ①② ③ ➁⑤⑤ ⑥⑦⑨

♦ ♣ >?>@➂

➃ = 0.01

➄➅➆➇➈➉➊ ➋➉➌➇➍➈➉➎➏➅➌➇➈➐➉➈ ➑➈➒➓➌➔➊➇ →➄➋➏➑8) 2013



TM-21 | 155

Dengan persamaan (10) dan persamaan (3), kurva beban P-h dapat diprediksi untuk

set material properti (sy, n). Gambar 6 menunjukkan perbandingan antara kurva FE (garis utuh) dan kurva diprediksi (point) menggunakan persamaan kelengkungan berbasis

tegangan representatif. Hanya beberapa poin yang telah digunakan dalam prediksi kurva P-h tersebut untuk membuatnya lebih mudah dalam membandingkan dua set data. Dalam semua kasus dengan sifat bahan yang berbeda, hasilnya menunjukkan kesepakatan yang

baik. Ini menunjukkan bahwa pendekatan yang digunakan untuk memprediksi kurva P-h adalah akurat.

(a). (b) (c)

Gambar 6. Perbandingan antara kurva FE (garis utuh) dan kurva diprediksi (point) menggunakan persamaan kelengkungan berbasis tegangan representatif. (a) �y= 100MPa,

n=0.10; .(b) �y=300MPa, n=0.20; (c) �y=700MPa, n=0.30;

3.4 Prediksi kekerasan Vickers berdasarkan kurva P-h dan validasi

Konsep dan metodologi yang dikembangkan diatas, akan digunakan untuk menentukan nilai kekerasan dari kurva lekukan. Salah satu pendekatan yang potensial

adalah untuk mengembangkan metodologi praktis menggunakan pendekatan analisis berbasis energi. Karya-karya sebelumnya pada kelompok bahan yang berbeda menunjukkan bahwa dapat diperkirakan nilai-nilai kekerasan menggunakan rasio kerja

plastik untuk rasio kerja keseluruhan (Wp/Wt) (Choi et al., 2004). Konsep ini kemudian dikembangkan lebih lanjut dalam penelitian ini untuk memperkirakan nilai kekerasan dari

kurva P-h indentasi menggunakan analisis tegangan representatif (sr) dengan sifat bahan yang dikenal (E, sy, n) dan rasio antara kedalaman sisa indentasi (hr) serta kedalaman

indentasi maksimum (hm). Pada tahap berikutnya hr/hm rasio digunakan untuk menghitung rasio antara kerja elastis (elastic work) (We) dan total pekerjaan (Wt) berdasarkan analisis dimensi (Dao et al., 2001). Kemudian We/Wt digunakan untuk

menghitung nilai kekerasan terhadap rasio modulus (H/E) (Choi et al., 2004). Nilai maksimum kedalaman indentasi (hm) mengacu pada kedalaman indentasi residu

maksimum (hr) setelah indentor ditiadakan. Data hr/hm berbagai sifat material (sy: 100 -

900 MPa, n:0-0.3) telah dihitung dan hubungan antara sr vs hr/hm ditunjukkan pada

Gambar 7(a). Hubungan ini ditemukan mengikuti persamaan:

�r = -16.636 ( hr/hm ) + 16.369 (11)

Rasio antara kerja plastik (Wt) dan total (We/Wt) persamaan:

(12)

Nilai kekerasan dapat diestimasi mengikuti hubungan

(13)

➣

10

20

30

40

50

0,00 0,05 ↔↕➙↔

P(N

)

➛➜➝➝➞

➟➠➡➢➤➥➦➤➧➨➩y=100 MPa, n=➣.10

↔

50

100

150

0,00 0,05 ↔↕➙↔

P(N

)

➫➭➯➯➲

➟ ➠ ➡ ➢ ➤ ➥ ➦ ➤ ➧ ➨

➳ ➵ ➸ ➺↔ ↔

➻➟

➼↕ ➨

➸↔

➽ ➾↔

↔

50

100

150

200

250

300

0,00 0,05 ↔ ↕ ➙ ↔

P(N

)

➫ ➭ ➯ ➯ ➲

➟ ➠ ➡ ➢ ➤ ➥ ➦ ➤ ➧ ➨

➳ ➵ ➸ ➚↔ ↔

➻➟

➼↕ ➨

➸↔

➽ ➺↔

➪➶➹➘➴➷➬ ➮➷➱➘✃➴➷❐❒➶➱➘➴❮➷➴ ❰➴./➱0➬➘ 1➪➮❒❰8) 2013



TM-21 | 156

Gambar 7(b) plot nilai-nilai kekerasan dihitung dari bahan dibandingkan dengan

nilai kekerasan dengan beban yang berbeda. Hal ini jelas menunjukkan bahwa prediksi nilai kekerasan dalam perjanjian baik dengan kekerasan Vickers. Hal ini membuktikan bahwa pendekatan ini adalah pendekatan yang valid untuk memperkirakan nilai kekerasan

Vickers. Hal ini membuktikan bahwa program yang dibentuk dapat digunakan untuk menghubungkan kurva P-h indentasi kontinyu dan nilai-nilai kekerasan (Vickers hardness

value), yang kemudian dapat digunakan sebagai alat untuk memetakan nilai Hv atas

berbagai bahan untuk membangun hubungan antara Hv dan tegangan representatif (sr).

(a) (b)

Gambar 7. (a) Hubungan antara sr vs hr/hm berbagai sifat material (sy: 100 MPa - 900

MPa, n: 0-0.3), 7(b) Korelasi nilai kekerasan Vickers (Hv) berbagai sifat bahan (Hv) vs r, dengan koefisien korelasi 0.992

3.5 Hubungan antara kekerasan Vickers (Hv) dan tegangan representative (�r)

Berdasarkan prediksi konsep nilai kekerasan dari kurva P-h yang telah

dikembangkan, diketahui nilai kekerasan berpotensi langsung terkait dengan tegangan

representatif (sr) pada bahan. Dengan terlebih dahulu menentukan nilai kekerasan Vickers

(Hv) bahan atas berbagai sifat, maka hubungan kekerasan (Hv) dan r langsung dieksplorasi menggunakan data proses fitting. Persamaan (14) menunjukkan korelasi antara Hv vs r, Kurva dapat disederhanakan sebagai garis linier dengan persamaan:

Hv = 0.3115 r + 11,186 (14)

Dengan koefisien korelasi data lebih dari 99%. Hubungan ini (Eqs.14) dapat

digunakan untuk prediksi kekerasan langsung (direct predictions) dari sifat material. Hal ini telah diperiksa dengan menggunakan dua bahan baja sebagai contoh. Prediksi nilai kekerasan Vickers (Hv) menunjukkan hasil yang sesuai dengan data eksperimen. Dalam

kasus 0.1% C steel, prediksi nilai-nilai kekerasan (Hv) adalah dalam 98.368% dari nilai yang diukur, Dalam kasus baja ringan (Mild steel), prediksi nilai kekerasan (Hv) adalah

dalam 98.611% dari nilai yang terukur. Hasil prediksi serupa telah ditemukan di materi lainnya melalui pengulangan (dalam 5% Rentang error). Hal ini menunjukkan bahwa, pendekatan ini dapat digunakan untuk memprediksi nilai-nilai kekerasan dengan akurasi

yang memadai dengan rentang kesalahan pengukuran.

4. Kesimpulan

Dalam karya ini, hubungan antara bahan konstitutif parameter ( y dan n) bahan elasto-plastik, kurva P-h indentasi dan kekerasan dengan vikers indentor telah diselidiki

secara sistematis dengan menggabungkan analisis tegangan represntatif dan pemodelan FE

2 3 -16636x + 16369

45 6 789:9;

0

200

400

600

800

1000

1200

0,92 0,94 0,96 <=>?

�r

@AB@CDE

2 3 FGHIIJ K IIGIL

0

100

200

300

400

500

600

0 500 1000 1500 M<<<

NO

Pr

➪➶➹➘➴➷➬ ➮➷➱➘✃➴➷❐❒➶➱➘➴❮➷➴ ❰➴./➱0➬➘ 1➪➮❒❰8) 2013



TM-21 | 157

menggunakan baja sebagai kelompok bahan model. Hasil utama dari investigasi ini telah

membentuk kerangka kerja model untuk memprediksi kurva P-h lekukan dari sifat material konstitutif untuk Vickers indentasi, yang telah terbukti menjadi alat yang berguna untuk memprediksi kekerasan Vickers baja. Dalam penelitian ini, FE model indentasi Vickers

telah dikembangkan. Model ini divalidasi dengan data pengujian yang telah terpublikasi. Sebuah pendekatan untuk memprediksi kurva P-h dari sifat material konstitutif telah

dikembangkan dan dievaluasi berdasarkan hubungan antara kelengkungan dan sifat material dan tegangan representatif. Optimum regangan plastik ditemukan di 0,029. Persamaan dan prosedur yang ditetapkan kemudian berhasil digunakan dalam memprediksi

kurva P-h indentasi vikers secara penuh. Konsep dan metodologi yang dikembangkan digunakan untuk memprediksi nilai kekerasan Vickers (Hv) bahan melalui analisis

langsung dan divalidasi dengan data eksperimen. Ekperimen telah dilakukan pada dua baja meliputi tes tarik, dan uji kekerasan Vickers. Sebuah pendekatan baru untuk memprediksi nilai Hv dikembangkan berdasarkan hr/hm dan Wp/Wt. telah berhasil digunakan untuk

menghasilkan prediksi nilai kekerasan dari berbagai sifat material yang kemudian digunakan untuk membangun hubungan antara nilai-nilai kekerasan (Hv) dengan tegangan

representatif.

Daftar Pustaka

1. Dao M., Chollacoop N., Van Vliet K. J., Venkatesh T. A. and Suresh S. (2001). Computational modelling of the forward and reverse problems in instrumented

sharp indentation, Acta Materialia, Vol. 49, pp. 3899�3918 2. Kang S., Kim J., Park C., Kim H., and Kwon D. (2010). Conventional Vickers and

true instrumented indentation hardness determined by instrumented indentation

tests, J. Mater. Res., Vol. 25, No. 2 3. Busby J. T., Hash M. C., Was G. S. (2005) The relationship between hardness and

yield stress in irradiated austenitic and ferritic steels , Journal of Nuclear Materials 336, 267-278

4. Cao Y. P., Lu J. (2004) A new method to extract the plastic properties of metal

materials from an instrumented spherical indentation loading curve , Acta Materialia, 52, 4023�4032

5. Swaddiwudhipong S., Tho K. K., Liu Z. S. and Zeng K. (2005). Material

characterisation based on dual indenters , International Journal of Solids and Structures, Vol. 42, pp. 69-83

6. Taljat B., Zacharia T. and Kosel F. (1998). New analytical procedure to determine

stress-strain curve from spherical indentation data, International Journal of Solids

and Structures, Vol. 35(33), pp. 4411-4426 7. Bucaille J. L., Stauss S., Felder E. and Michler J. (2003). Determination of plastic

properties of metals by instrumented indentation using different sharp indenters,

Acta Materialia, Vol. 51, pp. 1663�1678. 8. Choi Y., Lee H., and Kwon D. (2004) Analysis of sharp-tip-indentation load�depth

curve for contact area determination taking into account pile -up and sink-in

effects, J. Mater. Res., Vol. 19, No. 11.

mesin dan industri - repositori.unud.ac.id · mesin, dan dies natalis ke-8 program studi teknik...

Documents