Pengukuran Pengaruh Tegangan Sisa Pada Sifat Mekanik Pelat Baja Tahan Korosi 304 Canai Dingin Dengan SistemUltramikro Indentasi (Kirman M.& Parikin)

PENGUKURAN PENGARUH TEGANGAN SISA PADA SIFATMEKANIK PELAT BAJA TAHAN KOROSI 304 CANAl DINGIN

DENGAN SISTEM ULTRAMIKRO INDENTASI

Kirman M.Balai Besar Teknologi Kekuatan Struktur-BPPT

Kawasan PUSPIPTEK Serpong Tangerang BANTEN

ParikinPustek Bahan Industri Nuklir, BATAN, Serpong.

Kawasan PUSPIPTEK Serpong Tangerang BANTEN

Abstract

Residual stress plays an important role on mechanical properties inpasca-product of metal-construction industry. Study has been performed oncold-rolled stainless steel 304 plates, which deformed 0, 34, 84 and 152%reduction in thickness. The tests were conducted using the UltramicroIndentation System (UMIS) 2000 using Vickers method to determine themechanical properties of material. The microstructures which were alsodiscussed were showing lengthening outcropping due to stress corrosioncracking for all specimens. It was found that the tensile residual stress in aspecimen was maximum, reaching 442 MPa, for a sample reducing 34% inthickness and minimum for a 196% sample [7]. The quantities show that thebiggest residual stress ceused lowering the proportional limit of material instress-strain curves. The proportional modulus elasticity varieties between187 GPa and about 215 GPa and is free from residual stresses.

Kata kunci : Pengukuran, tegangan sisa, korosi, sistem ultramikro

PENDAHULUAN

Distribusi tegangan sisa dalam bajapengerjaan dingin telah diteliti secara analitisdan eksperimental pada penelitian ini.Pengaruh tegangan terhadap relasitegangan-regangan bahan tersebutdiharapkan sama dengan hasil pengerolanpanas.

Keberadaan tegangan sisa dapatmenguntungkan atau merugikan kekuatansuatu komponen, tergantung pada besar dantipe beban yang dialami komponen. Distribusi --...tegangan sisa yang menambah teganganterpakai dapat merugikan, dan teganganyang melawan arah aksi tegangan terpakai,bisa menguntungkan. Untuk beban siklik,dalam tegangan tarik, tegangan sisapermukaan tarik dapat sewaktu-waktu sangatberbahaya karena dapat membantu inisiasipertumbuhan retak saat diberi tegangan fatik.Proses manufaktur dapat pula meninggalkantegangan sisa permukaan tekan yangmampu merintangi retak. Tegangan inisangat diminati untuk komponen yangmengalami tipe beban ini. Misal, pelatISSN 1410-3680

dinding tebal yang sering diberi beban luarsangat mudah terpengaruh (auto-fretage)sebelum digunakan untuk membangkitkantegangan sisa tekan pada suatu konstruksiagar umur fatik meningkat. Besar rata-ratategangan sisa dalam bahan penting diketahuidalam memahami pengaruh tegangan sisapada kelakuan komponen. Dalam hal initeknik ultramikro indentasi, UMIS-2000[21,dengan prinsip metode Vickers dapatmemberikan gambaran kekuatan bahan viatampilan kurva representasi tegangan-regangan yang terukur. Pelat baja tahankarat 304 dipilih sebagai bahan uji, karenabersifat lunak (mudah dicanai pada suhukamar) dan banyak diterapkan dalam desainoptimum lempeng struktural dan batas sisijalan raya, dimana sifat-sifat ketahan fisikdibutuhkan.

METODE PENELlTIAN

Kehadiran tegangan sisa dalamkomponen hasil proses manufaktur denganpengerjaan dingin, dapat menginduksi

15

M.P.I. Vol.1 NO.3. Desember 2007,15 - 21

tegangan sisa tarikltekan. Tegangan sisamenyebabkan prematur yielding danmenurunkan kekakuan bahan, sepertiditunjukkan pada Gambar 1. Meskipundemikian pengaruh ini tidak besar selamaultimate stress terkontrol. Tegangan ini dapat

Average stress,o=P/A

menurunkan daerah proporsional, sehinggakelakuan elastik bahan tidak dapat diprediksidengan benar tanpa mempertimbangkantegangan sisa.

without residual stress

Average compression strain.s

Gambar 1.Efek Tegangan Sisa Pada Relasi Teqangan-Reqangan'"

Pelat baja tahan karat 304 standardigunakan dalam studi ini. Setelah melaluiproses annealing yang dilakukan di BalaiSpektrometri P3lB-Batan, sebagian bahandicanai pada suhu kamar dengan reduksi 0,1mm per pass dari ketebalan 1,25 cm hinggaketebalan lebih kurang antara 0,05 cm dan1,01 cm di Jurusan Teknik Mesin ITB-Bandung. Spesifikasi ini sesuai dengandeformasi sebesar 0, 34, 84, 152, 158, 175dan 196% reduksi ketebalan bahan. Akantetapi karena keterbatasan waktu hanyacuplikan 0, 34, 84 dan 152% yang sempatdiukur dengan UMIS 2000 di Queensland

t U~VS·lfillI BiaJioi BlIlilllg

University of Technology-Australia.Strukturmikro setiap cuplikan diamati dandiambil gambarnya dengan JEOL-35CFSEM. Sebelumnya proses pengetsaandilakukan dengan larutan campuran asamnitrat, asam chloride dan air dalam fraksiyang setimbang. Pengukuran sifat mekanik :kekerasan, modulus elastisitas via kurvategangan-regangan representatif dilakukandengan UMIS 2000 dengan mode manualdan otomatis. Prinsip kerja elektro-mekanikalat ini diilustrasikan pada Gambar 2.

-....

Gambar2.Prinsip Kerja Elektro-Mekanik UMIS 2000[2]

16'<#

ISSN 1410-3680

---------- ---- -

Pengukuran Pengaruh Tegangan Sisa Pada Sifat Mekanik Pelat Baja Tahan Korosi 304 Canai Dingin Dengan SistemUltramikro Indentasi (Kirman M.& Parikin)

Perolehan data dianalisis lebih lanjutdengan perangkat lunak pengolahan datayang mampu memberikan tampilan kurvayang memadai.

HASIL DAN PEMBAHASANStruktu rmi kro

Studi struktur mikro terkait padakemampuan membedakan secara detailkomposisi kimia, struktur atau orientasiberlainan, yang berdekatan. Teknikpenampakan strukturmikro hampirseluruhnya didasarkan pada tanggapandetail konstituen terhadap radiasi datangatau pada kualitas intensitas radiasi yangdipancarkan oleh obyek saat tereksitasisecara sempurna. Kekontrasan obyekdiperlihatkan sebagai daerah terang dangelap. Efek refraksi pada batas fasa dapatmembiaskan cahaya terang danmenggelapkan daerah tetangganya.Intensitas efek ini bergantung pada indeksbias[3l.Strukturmikro permukaan pelat bajatahan karat 304 canai-dingin dianalisisberdasarkan daerah terang-gelap atau tinggi-rendah intensitas cahaya.

Pengamatan strukturmikro dilakukandengan menggunakan JEOL-35CF SEM,yang menawarkan keuntungan lebih,daripada mikroskopi biasa. Kemampuannya

menembus medan lebih dalam, dan memberikekontrasan topografi permukaan. Ukuranbutiran atau serangan lokal akibat retakkorosi tegangan pada bahan dapat denganjelas diamati. Kerusakan permukaan sebagaibentuk kegagalan, terinduksi oleh aksikonjoin tegangan tarik dan jenis lingkungankorosif tertentu. Tegangan sisa atauperambatan retak dalam arah normaltegangan tekan, terjadi dibawah kekuatanyield bahan. Mekanisme perambatan retaktelah diteorikan, didasarkan pada disolusianodik pada ujung retak dan kepasifandeformasi plastis'". Peran deformasi plastismempercepat proses disolusi, dimana ionhidrogen dipermukaan dengan cepatmenangkap elektron bebas untukmembentuk atom hidrogen. Atom kemudianbermigrasi ke ujung retak dan diserap olehkisi logam, dimana ruptur mekanik terjadi.Retak memanjangkan dan disolusi anodikberlanjut di permukaan berikutnya.Pemandangan ini tersusun dalam Gambar 3.pada arah tranversal (tegak lurus arahpengerolan) pada cuplikan ROOO, R034,R084, R152, R175 dan R196.Cuplikandicelupkan dalam campuran asam nitrat,asam chlorida dan air dalam fraksi yangdiambil dari arah transversal terhadapketebalan pelat, atau tegak lurus terhadaparah pengerolan.

Gambar 3.Korosi End Grain Dari Inklusi Outcropping; Pemanjangan Inklusi

Kejadian pemanjangan inklusioutcropping muncul dan menyatu dengancepat, menciptakan lempengan sempitpanjang dari ujung muka hingga kedalam

ISSN 1410-3680

badan cuplikan. Lempengan-Iempengan rrutidak bereaksi cepat terhadap seranganasam baru, akibat pembentukan dankonsentrasi ion heksavalen Cr+6 rnentnqkat'".

17

M.P.I. Vol.t NO.3.Desember 2007,15 - 21

Kondisi korosi sengat agresif padalempengan dan serangan intergranulardilanjutkan sengat cepat sepanjang batasbutiran induk. Efek ini dikenal sebagaiserangan ujung butiran dan dapatmengakibatkan kehilangan beban berlebih.

Uji kekerasan Vickers memberi informasimenarik. Prinsip uji ini adalah saat indentorditekan pada bahan uji dengan bebantertentu, jejak indentor berupa diagonalindentasi diukur. Angka kekerasan dihitungdari pembagian beban dengan luaspermukaan diagonal yang terjadi. Indentorberbentuk kotak piramid dengan sudutinklinasi 136°, mendekati rasio diameterindentasi speris, yang digunakan pada Umis2000. Kekerasan Vickers diperoleh dari rasiobeban yang digunakan terhadap luaspermukaan indentasi, dengan relasi : VHN(kg/mm2)=1,854 Pld2

, dimana P adalahbeban terpakai, dan d adalah diagonal rata-rata indentasi yang terukur. VHN terukurdiilustrasikan secara grafis dalam Gambar 4.

Sifat Mekanik

Pengujian indentasi dilakukan dengan ujikekerasan Vickers dan Umis 2000[2].Semuainstrumen telah dikalibrasi saat digunakan.Angka kekerasan diukur pada kedalamanmaksimum. Hasil pengukuran mendukunghasil SEM. Sifat-sifat mekanik didominasioleh efek kandungan nikel dalam baja tahankarat 304, yang menyebabkan pengerasanregangan saat deformasi plastis[5], akibatpengerasan regangan dan transformasiterinduksi regangan.

HARDNESS PROPERTIES OF COLD-ROLLED 304-STAINLESS STEEL

600

EE 400-C')

~VIVI

~ 200'EIIIJ:

•

oo 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Reduction (%)

I • VICKERS --regression line I

Gambar4.Sifat Kekerasan 8aja Tahan Karat 304 Canai-Dingin Dengan Uji Kekerasn Vickers

Peningkatan kekerasan saat reduksi-...·ketebalan bertambah terlihat jelas. Hal inimembuktikan bahwa nilai sangat dipengaruhioleh pengerasan regangan dari prosespencanaian.

Pada uji indentasi mikro, dipilih gayapengatur; micromechanic probe denganindentor speris berjari-jari nominal 50flm.Jari-jari ekivalen sejati pada kedalamanpenetrsi diperoleh dengan menerapkankomplian tertentu. Untuk baja tahan karatstandar yang diketahui sifat-sifatnya, file jejaritip dibuat dengan menerapkan perumusan

mekanika deformasi untuk kontak sperispada padatan'".

Indentasi dilakukan pada sebuahkedalaman dengan gaya kontak 10-4N.Maksimum gaya indentsi 5x10-2N digunakandalam seluruh kasus. Gaya indentasibervariasi secara sistematis dalam siklusload-partial load lebih dari 20 langkah. Setiapkasus kedalaman indentasi direkam secaraotomatis. Analisis elastis-plastis dilakukanmenggunakan seperangkat komputer terkait,yang didasarkan pada mekanika indentasiklasik dengan ujung indentor speris. Cuplikanditempatkan di atas landasan magnetik

ISSN 1410-368018

Pengukuran Pengaruh Tegangan Sisa Pada Sifat Mekanik Pelat Baja Tahan Korosi 304 Canai Dingin Dengan SistemUltramikro Indentasi (Kirman M.& Parikin) ..

perangkat Umis 2000. Untuk setiap cuplikan,diambil sebanyak 11 data indentasi dansedikitnya 9 buah data dirata-ratakansebagai hasil akhir penentuan sifat mekanik

bahan. Kurva ernpms kemudian diplot dansejumlah data dikumpulkan dan disimpandengan komputer.

50

LOADINGUNlDADING CURVES60

~ 40

i-; 30u5LL 20

10

10 15 20

Depth penetration (nm)

lil1 RO(l) !Si RO(U) -regression line

25

Gambar 5.Perolehan Kurva Pergeseran Gaya Untuk Cuplikan ROOO

EFFECT OF RED UCll ON ON ELASTIC M OOUlUS CF co,o RctUED304 STAU\llESSSTEEL

(i 140a.~ 120

gj 100

~ 80"0

~ 60

p.-mOdUluselastiCny I

Reduction (%)

20

O~~~~--~--~--~--~--~--~~--o 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Gambar 5 memperlihatkan perolehandata pergerakan gaya untuk cuplikan ROOO.Cuplikan R034, R084 dan R152 juga telahdiambil dan memperlihatkan pola yang samadan berimpitan segaris (data saling tumpangtindih dalam satu titik pengamatan/presisialat tinggi). Semua cuplikan menampakkandeformasi plastis yang signifikan, hinggabeban relatif rendah dimana titik-titik dataunloading menyimpang dari kurva loading.Gambar 6 memperlihatkan variasi moduluselastisitas E terhadap persen reduksi padacuplikan uji. Nilai kekakuan berfluktuasidisekitar 187 GPa, dan tegangan sisabervariasi maksimum atau minimum terhadappersen reduksi. Kekakuan cenderungmemiliki harga yang tidak berubah.

40

ISSN 1410-3680

Gambar6.Modulus Elastisitas Dari Cuplikan ROOO,R034, R084 Dan R152.

Analisis data baku dapat memperlihatkankurva tegangan-regangan representatif.Disini tegangan indentasi (kekerasan)dihimpun dari rasio indentasi gaya terhadap

-. luas lingkaran kontak. Regangan merupakanrasio jari-jari lingkaran kontak. Hubungandengan regangan sejati adalah takbergantung pada rasio Poisson dan geometritip indentor speris.

Gambar 7 memperlihatkan perolehankurva tipikal dari seluruh cuplikan uji. Kurvaini analog (tapi tidak ekuivalen) terhadapkurva tegangan-regangan yang diperolehdalam uji uniaksial konvensional. Kekerasanpada titik yield tidak langsung berkaitandengan nilai yield sejati. Hubungan antaratekanan kontak dan nilai yield sejatibergantung pada faktor konstanta yang

19

M.P.I. Vol.t NO.3.Desember 2007,15 - 21

1Pengukuran Umis 2000 mampu

mendemonstrasikan bagaimana tegangansisa mengkontribusi kurva tegangan-regangan. Namun sangatlah sulitmemprediksi secara tepat sejauh mana batasproporsional berkurang, karena informasi inihanya sebuah analog kurva tegangan-regangan sejati. Gambar 7 sangat jelasmemperlihatkan bagaimana tegangan sisadalam bahan mempengaruhi kekakuanbahan dan batas proporsional. Informasi inisangat mendukung pengansumsian, bahwakelakuan elastis material tidak dapatdiprediksi dengan tepat tanpamemperhatikan tegangan sisa dalam bahan.

ditentukan dengan jumlah daerah elastisakibat deformasi plastis. Untuk logam uletseperti baja tahan karat yang diperiksa disini,faktor 3 sudah memadai.

Efek tegangan sisa terlihat dari terjadinyapembengkokan dini. Saat tidak ada tegangansisa diperlihatkan pada cuplikan ROOO.Tetapitegangan ini tidak mempengaruhi kekakuancuplikan (Iihat Gambar 6). Pad a Gambar 7terlihat, meskipun efek tegangan sisa relatifkecil, namun tegangan sisa merendahkanbatas proporsional. Hasil pengukuran lain!7]dengan teknik difraksi dan analisis Rietveldvia parameter kisi yang diperoleh,memperlihatkan tegangan sisa tarikmencapai maksimum pad a pencanaian 34%(442 MPa) dan minimum pada pencanaian196% (hampir saling meniadakan).

0,8

REPRESENTATIVESTRESS·SlRAIN CURVES Cf'CQD·RQ.lED

304 srA NLESS STEEL

0.7

cu 0,6a,~ 0,5

~ 0,4

~ 0,3a.~ 0.2

0,1O~------------------~======~o

Rep,Strain ('to)

. ROOOo R034

• R084

.•. R152

-regression lne

0,04 0,10.06 0.08

Gambar 7.KUNa Tegangan-Regangan Representatif Menampakkan Efek Tegangan Sisa Pada Daerah

Proporsional. Tegangan Sisa Menyebabkan Prematur Yielding.

KESIMPULAN

Dari studi yang telah dilakukan, anomali sifatmekanik pelat baja tahan karat 304 can ai-dingin, yang ditampilkan via kurva tegangan-regangan representatif, menyimpulkanbahwa:• Pembengkokan dini (premature yielding)

terjadi ketika tegangan sisa maksimum.• Semakin tinggi tegangan sisa, semakin

pendek batas daerah proporsional.• Modulus elastisitas di batas proporsional

bervariasi dari 187 GPa hingga sekitar215 GPa, dan tidak dipengaruhi tegangansisa.

DAFT AR PUST AKA

1. Wen Vu, W,(1997), Cold-Formed SteelDesign, 2nd ed., John Willey & Sons lnc.,Canada, 1997

20

2. .. ..... , Operating Manual, UMIS 2000,Ultra-microidentation system (Nov.1993),CSIRO Australia, Telecomunication &Industrial Physics, Australia.

3. Mori, T., and K. Tanaka, Average Stressin Matrix and Average Energy ofMaterials with Misfitting Inclusions, ActaMetallography, 21, pp. 571-574,1997.

4. Llewelyn,DT and MurrayJD; SteelsMetallurgy & Applications, 2nd ed., ISISpecial Report 86, 197(1964) inButterworth-Heinemann, UK., 1998,

5. Parlane, A.J.A, The Determination ofResidual Stresses: Residual Stresses inWelded Construction and Their Effect,Welding Institute, pp.63-78, Cambridge,1998.

6. Swain,MVand Mencik, J.(1994), J,253,pp. 204-211,1997

7. Parikin dkk., Determination of ResidualStresses in Cold-Rolled 304 StainlessSteel Plates Using Diffraction Technique

ISSN 1410-3680

Pengukuran Pengaruh Tegangan Sisa Pada Sifat Mekanik Pelat Baja Tahan Korosi 304..Canai Dingin Dengan SistemUltramikro Indentasi (Kirman M.& Parikin)

and Rietveld Analysis, Link UI-QUTAustralia, Mei-1998.

UCAPAN TERIMA KASIH

Dengan tulus hati penulis ingin mengueapkanterima kasih yang sebesar-besarnya kepadamereka yang terkait langsung maupun taklangsung sebelum dan selama studiberlangsung; Drs. Gunanjar, SU, Dr.Wuryanto,APU, Drs. Sudirman, M.Se., Dr.Abarul Ikram, Dr. Agus Purwanto dan stafILDOK.

RIWAYAT PENULlS

Kirman M., menamatkan pendidikan S1 diUniversitas Hasanuddin dalam bidang Teknik

Mesin tahun 1990, dan pendidikan S2 diprogram kerjasama master antaraQueensland University of Technology (QUT)dan Universitas Indonesia dalam bidangMetalurgi Material tahun 2001. Saat inibekerja sebagai peneliti material konstruksipada Bidang Kajian Material B2TKS BPPT,Puspiptek-Serpong

Parikin, menamatkan pendidikan S1 diUniversitas Indonesia pada FMIFA-Fisikatahun 1992, dan pendidikan S2 di programkerjasama master antara QueenslandUniversity of Technology (QUT) danUniversitas Indonesia dalam bidangMetalurgi Material tahun 1999. Saat inibekerja sebagai peneliti pada Bidang IndustriNuklir, PTBIN-BATAN, Puspiptek-Serpong.

21ISSN 1410-3680