Pengukuran Tegangan Sisa Akibat Penyiapan Permukaan pada Baja Tahan Karat SS304 dengan Metoda DifraksiSinar-X (Bambang Sugeng)

PENGUKURAN TEGANGAN SISA AKIBAT PENYIAPANPERMUKAAN PADA BAJA TAHAN KARAT SS304

DENGAN METODE DIFRAKSI SINAR-X

Bambang Suge'lg, Wagiyo HPuslitbang Ipetek Bahan - BAT AN, Puspiptek - Serpong, Indonesia

ABSTRAK

PENGUKURAN TEGANGAN SISA AKiBA T PENYIAP AN PERMUKAAN PADA BAJA TAHAN KARAT SS304

DENGAN METODE DlFRAKSI SINAR-X. Pengukuran dilakukan pada 4 macam permukaan, yaitu permukaan hasil anil

(sampel A), permukaan hasil pemotongan dengan abrasive cutter (sampel B), permukaan hasil amplas dengan grade #240 (sampelC) dartpermukaan hasil amplas dengan grade #500 (sampel D). Metode pengukuran yang digunakan adalah metode d vs sin2'1:',berkas sinar yang digunakan adalah berkas divergeD dengan panjang gelombang, A= 1,789 Angstrom (menggunakan tabling Co),monokromatisasi (filter) menggllnakan kristal monokromator Graphite. Pengukuran menggunakan refleksi bidang kl'istal (222),scanning dilakukan dengan step scan mode dengan lebar step 0,05° untuk bentuk puncak yang lebar ('1:'besar) dart 0,02° untukbentuk puncak yang ramping ('1:'kecil), preset time dipilih agar diperoleh cacahpada puncak maksimum > 2000 cacahdartuntuksetiap sampel dilakukan pengambilan puncak difraksi pada 8 macam sudut '1:'(0°, 18°, 27° , 33°, 39°, 45°, 51 ° , 57°). Penentuanposisi puncak dilakukan dengan metoda parabolafitting padabagian atas puncak (dibatasi oleh cacah yang besarnya 85 % dadcacah maksimum), sebelum dilakukanfitting tersebut data difraksi terlebih dahulu dilakukan koreksi berupa smoothing, pengurangan

cacah background,dartpengurangancacahdari komponen~a2' Dari grafik d vssin2'1:'untuk tiap-tiap sampel dart menggunakanharga Modulus Young E dartharga perbandingan Poisson v, (I +v)/E = 7,17x 10-6MPa-'diperoleh besarnya tegangan sisa padapermukaan untuk sampel A sebesar 17,469 MPa, sampel B sebesar 52,028 MPa, sampel C sebesar - 459,4697 MPa (tekan)dart sampel D sebesar - 247,7572 MPa (tekan).

ABSTRACT

SURFACE PREP ARATION RESIDUAL STRESS MEASUREMENT ON SS304 STAINLESS STEEL USING X-RAY DIFFRACTION METHOD. Measurement were performed on four different surfaces, annealed surface (sample A),abbrasive cutting cut surface (sample B), 240-grit abbrasivepaper ground surface(sampleC) and 500-grit abbrasive paper groundsurface (sample D). The measurement method was dvs sin1'1:',using diffractometer with divergen beam from Co Ka radiation,monochromatization (filtering) using graphite monochromatorcrystal.Measurementwas done using reflection from (222) latticeplane, using step scanning mode with step width 0,05° Istep for broad peak (high 'P) and 0,02° Istep for sharp peak (low 'P),preset time was choosen to get a minimum 2000 counts for maximum peak intensity and for each sample measurement was takenfor 8 different'P angle ( 0°, 18°,27° ,33°,39°,45° ,51° ,57°). Peak position was calculated with parabola fitting in the top15 percent diffraction peak, before fitting the data was corrected for smoothing, background and AKa2component. This peakposition calculation procedure gives a good (linear) d vs sin2 'P plot. Using elastic constant, (I +v)/E = 7.17 x 10-6MPa-1, we geta tensile 17.469 MPa surface residual stress for sample A, a tensile 52.028 MPa surface residual stress for sample B,a compressive 459.4697 MPa surface residual stress for sample C and a compressive 247.7572 MPa surface residual stress forsample D.

Kata kunci : Tegangan sisa, Difraksi sinar-X, Konstanta elastik, Fitting parabola 15%

PENDAHULUAN

Tegangan sisa secara umum adalah teganganyang tetap ada pada material setelah gaya lIlaI'yangbeketja pada materialtersebutdihilangkan.Tegangansisapada material selalu timbul apabila material tersebutdikenakansuatuperlakuanyangmenyebabkanterjadinyadeformasiplastisyang tidakmeratapada materialtersebut(material disini diartikan sebagai sebuah benda dengangeometri tertentu) [I].

Salah satu penggunaan teknik difraksi sinar-xadalah untuk melakukanpengukuran tegangan sisa yang

terdapat pada material kristalin. Metode ini memilikikeunggulan tidak merusak benda uji, untuk pengukurandi permukaan.Dan karena sinar-x memiliki daya tembusyang rendah (rata-rata 25 11m),untuk pengukurantegangan sisa di bawah permukaan harus dilakukanproses pembuangan lapisan alas (pennukaan) terlebihdahulu [2]. Proses pembuangan lapisan permukaan inimemiliki dua segi yang krusial. Pertama, dalam prosespembuangan permukaan lapisan permukaan itu sendiri(dari proses pemotongan sampai pemolesan) hamsdihindari terjadinya tegangan sisa tambahan karena

169

Prosldlng Pertemuan llmlah limu Pengetahuan dun Teknologi Bahan'99Serpong, 19-20 Oktober 1999 ISSN 1411-22/3

proses tersebut. Kedua, proses pembuangan lapisanpennukaan akan memodifikasi distribusi tegangan sisayang sudahada dalam benda uji, karena terjadinyaprosesrelaksasi.

Telah disebutkan diatas, proses penyiapanpennukaan dapat menimbulkan tegangan sisa padabenda uji. Berapa besar clan kedalaman (distribusi)tegangan sisa ini penting untuk diketahui. Oleh karenaitu dalam penelitian ini dilakukan pengukuran tegangansisa basil daTiproses penyiapan pennukaan yaitu prosespemotongan dengan abbrasive cutting, proses anil clanprosespengamplasan.Dalampenelitianinibarndilakukanpengukuran besamya tegangan sisa pada pennukaan,belum sampai mengukur distribusi tegangan sisa yangterjadi. Salah satu kegunaan infonnasi yang diperolehdari pengukuran ini adalah dalam pengembangan teknikpengukuran tegangan sisa dibawah pennukaan.

TEORI

Pada proses pemotongan clan pengamplasan,tegangan sisa dapat timbul, secara umum dikarenakanadanya proses termal (pemanasan) clan perlakuanmekanikyang menyebabkanterjadinyadefonnasi plastisyang tidak homogen pada keseluruhan bagian bendakerja [3]. Selama proses pemotongan dengan abbrasivecutting, pada bagian permukaan terjadi prosespemanasan yang cukup tinggi sedangkan bagian dalamrelatif tidak mengalami pemanasan. Perbedaan lajupendinginan antara bagian pennukaan clanbagian dalamterjadi pula.pada saat pendinginan setelah pemotonganselesai. Kedua perbedaan (gradien defonnasi plastisakibatprosesmekanikclantennal) tersebutdapatmenjadikontributor dalam pembentukan tegangan sisa. Padaproses pengamplasan,proses yang dominanmemberikankontribusi dalam pembentukan tegangan sisa adalahperlakuan mekanik yang menyebabkan terjadinyadefonnasi plastis yang tidak merata pada benda uji, yaituantara bagian pennukaan dengan bagian dalam (sampaikedalaman tertentu).

Metode pengukuran tegangan sisa (biaksial)dengan teknik difraksi sinar-x, dilakukan denganmengukur jarak bidang atom (lattice distance) d darisebuah puncak difraksi pada sudut 2e yang besar, untukbeberapa sudut inklanasi ",. Puncak dengan 2e besardiperlukan untuk meminimalkan kesalahan pad apenentuan kesalahan pada penentuan posisi puncakyang disebabkan oleh pergeseran sampel. Regangandalam arab "', yaitu t"" berhubungan dengan teganganbiaksial cr,dengan persamaan :

(I+\»

) . 2 (2\»

)£ = -<JOin --<J.. E 'I' E"""""""""""" (1)

Dimana E adalah modulus elastisistas daDu adalah angkaperbandingan Poisson. Regangan t'" ekivalen dengan(dw -d)ldo dimana adalah dojarak bidang yang bebastegangan clandw adalahjarakdpada arab ",. Oleh karena

itu sebuah grafik antara d sebagai fungsi sin2'P aksumenghasilkan garis tuTUSdengan kemiringan yangberbanding langsung dengan tegangan biaksial (padaperhitungan tegangan, harga dodigantikan dengan dn,yaitu harga d pada '" = 0). Secara implisit dalamperhitungan ini diasumsikan bahwa material isotropissecara elastis, bebas tekstur clantegangan bekerja padaseluruh butir (grain).

Metoda penentuan letak puncak menggunakanfitting fungsi parabola. Metode ini, yang pertama kalidigunakan oleh Ogilive, adalah salah satu metoda yangpopulerdewasaini.Dalammetodeini,diasumsikanbahwadaerah disekitar puncak dapat diwakili dengan sebuahfungsiparabola.Secaramatematis, fungsiGaussiandapatdiekspansikan sebagai deret pangkat [2] :

10 21(2B)=10-2(2Bi-2Bp) +..,a (2)

Jika orde ketiga clan suku-suku dengan orde yang lebihtinggi diabaikan, terlihat persamaan diatas dapatdiasumsikan mengambil bentuk,

1(29)= 10+C(29j -29p)2 (3)

dengan C adalah sebuah konstanta. Persamaan (3) adalahpersamaan untuk sebuah parabola dengan sumbu yangparalel dengan sumbu ordinat (dalam hat ini adalah sumbuintensitas). Oleh karena itu letak puncak dapat ditentukandengan memfitting dengan fungsi parabola. Daerah yangdifitting dengan parabola, menurut Koinstinen clanMarburger [2], adalah pada daerah yang dibatasi olehtitik dengan intensitas 85 % daTi intensitas puncakmaksimum. Metode ini dinamakan aturan "top 15 pet",clan telah banyak diterima dalam pengukuran,dikarenakan dengan metode ini keseluruhan bentuk(profil) puncak tidak perlu ditentukan dengan akurat.

TATAKERJA

PeRri;.pan Sampel

Sampel diperoleh dari sebuah batang silinderSS304 dengan diameter 25 rom, yang dipotongmenggunakan abbrasive cutting machine, sehinggadiperolehsampeldengan ketebalankurang-Iebih 10rom.Sampel B merupakan sampel dari basil pemotongan ini,yang langsung diukur tegangan sisa pennukaannya.Untuk sampel-sampel yang lain, sampel-sampel basilpemotongal1dianil terlebih dahulu pada tungku listrikdengan atmosfer Argon pada temperatur 800 °C selama1,5jam. SampelA merupakansampelbasilanilini.SampelC clan D diperoleh dengan mengamplas pennukaansampel-sampel basil anil dengan kertas amplas ukuran#240 clan#250.

Proses Pengukuran

Pengukuran tegangan sisa dilakukan denganperalatan difraksi sinar-x buatan Shimadzu tipe XD61

170

Pengukuran Tegangan Sisa Akibat Penyiapan Permukaan pada Baja Tahan Karat SS304 denga" Metoda DifraksiSinar-X (Bambang Sugeng)

yang berada di P3 IB-BA TAN. Sumber yang digunakanadalah Co yang dioperasikan pacta tegangan 30 kV clanarus 30 mA. Divergensi diperoleh dengan menggunakanDivergence Slit ukuran ]Osetelah kolimator horisontal,untuk membatasi lebar berkas kearah vertikal digunakanpembatas berkas dengan lebar 2 rom, lebar A ir Scattering

Slit ]Oclan Recieving Slit 0,6 mm. Pemilihan panjanggelombang Ka dilakukan dengan menggunakanmonokromator berupa kristal tung gal Graphite yangterletak sebelum detektor. Sistem deteksi menggunakandetektor sintilasi.

Teknik yang digunakan adalah teknik sirrlf', untuksetiap sampel dilakukan pengukuran pacta 8 sudut If'yang berbeda( 00, 18°, 27° , 33°, 3fl1, 45° , 51° , 57°)

untuk bidang (222). Scanning digunakan step scanningmode dengan lebar step 0,02° Istep untuk puncak yangtajam (ramping), yaitu untuk sudut If' keci! clan0,05° Istep untuk puncak yang lebar, yaitu untuk If' besar.Preset time dipilih ] 00 s untuk sudut If' kecil clan 200 suntuk sudut If' besar. Pemilihan preset time inidimaksudkan agar diperoleh cacah maksimum > 2000count pacta puncak untuk memberikan kesalahan statistikcacah yang rendah.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil pengukuran berupa puncak-puncak yangmerupakan hubungan antara intensitas clansudut 28 .Posisi puncak dihitung dengan metode fitting parabolapacta15persen bagian atas puncak. Sebelum dilakukan.fitting, data dikoresi terlebih dahulu dengan koreksi-koreksi sebagai berikut. Pertama kali data dimuluskan(smoothing),untukmenghilangkankontribusinoisepactasaat pencacahan, metode yang digunakan adalahpendekatan parabola untuk beberapa titik data (jumlahtitik dipilh secara otomatis oleh perangkat lunak).Kemudian dilakukan pengurangan cacah Jatarbelakang,metode yang digunakan adalah metode polygon line.Koreksi terakhir adalah pengurangan cacah yangdihasilkan oleh komponen panjang gelombang Ka],metode yang digunakan adalah metode Rachinger.

Contoh basil pengambilan data difraksi bidang(222) untukseluruhsudut '" untuk sampelCdiperlihatkanpactagambar I. Dari gambar tersebut terlihat terjadinyapelebaran puncak untuk sudut '" yang besar, dengankata lain resolusiuntuk sudut '" yangbesarmasihrendah.Untuk '" = 0°, terlihat puncak difraksi tidakmemperlihatkan adanya pemisahan puncak Ka / clanKa]yang cukup jelas, ini menunjukkan adanya ketidakseragaman regangan yang cukup besar dalam prosespengamplasan pactapermukaan sampel.

Proses penentuan letak puncak, diperlihatkanpactaGambar 2. Berturut-turut untuk proses smoothingGambar 2 (a), proses pengurangan back-groundGambar 2 (b), proses pemisahan Ka/ clan Ka]Gambar 2 (c) clanproses penentuan letakpuncak dengan

metode parabola fitting pacta ]5% bagian atas puncak.Terlihat pacta proses pengolahan data ini cukupmemberikan hasilfitting yang baik.

IV

57

5145393327

180

, , " , , "

"'.n> ",",0 '~.;n> ,"':'::':0 "".n> "'n>

Gambar J. Bentuk puncak bidang (222) sampel C untuk seluruhsudut IV

1I .-

I1-

~

I1-11-

.~~L..".. "'. ",. ,.. ,". "'.'"(oj'.. ,,;. '7,"":';",". ""

'<I

Gambar 1. Proses penentuan posisi puncak (a) smoothing,(b) pengurangan backgruond, (c) pengurangan komponen K~dan (d) proses fitting

Dari harga 28 puncak, dihitung besamya harga duntuksetiap sudut '" dengan menggunakan panjang gelombang

CoKa / . Untuk setiap sampel, grafik antara d sebagaifungsisirrlf' diperlihatkan pacta Gambar 3. Untuk sampelA grafIk tersebut memperlihatkan kemiringan garis basilfitting mendekati not atau hampir datar, ini menunjukkanproses anil pacta sampel dapat menghilangkan tegangansisa yang acta clanjuga menunjukkan teknik pengukuranclan pengolahan data yang sudah baik. Ketidak linierandata tampak sekali pacta grafIk untuk sampel B clan D, inididuga bahwa terjadi gradien tegangan sisa terhadapkedalaman pad a sampel-sampel ini cukup besar. Darigrafik ini dioperoleh besamya tegangan sisa untukseluruh sampel seperti yang tertera pacta tabel I.

171

Pros/ding Pertemuan l/miah l/mu Pengetahuan dan Tekn%gi Balla" '99Serpong, 19 -10 Oktober 1999 ISSN 1411-1113

rabell. Hasil PengukuranTeganganSisa

d - .4.0034"". Sin'., '.03"3

0

(c)

1.0380 .0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.8 0.7 0.8 0.9

Sin'",

1.0390

d--<I.GO""" . Sin'.. ..03033

1.0380

E~C>

~...

1.03700

0

(d)

1.0360

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9Sin'",

Gambar 3. Grafik d vs sin2'1' untuk, (a) Sampel A, (b) SampelB, (c) Sampel C dan (d) Sampel D

Dari basil pengukuran tegangan sisa pacta beberapasampelbasilpenyiapanpennukaan yang berbeda, terlihatbahwapactasampelB, yaitupermukaanhasil pemotongandenganabbrasivecuttingmemberikantegangantarikpadapermukaan, yang besarnya relatif keci!. Nilai tegangansisayangkecil inimungkin disebabkanproses pemanasan(kenaikan temperatur)yang terjadi memberikan efek anilpacta sampel sehingga menghilangkan tegangan sisayang terjadi dari kombinasiproses pemanasanclanprosespengerjaan mekanik. Besar tegangan sisa yang terukurpactasampelC nilainyamelebihibesarnya kekuatan luluh(yield strength), yang secara teoritis tidak mungkin.Dapat dikatakan basil pengukuran pactasampel C masihbelum berhasil, hal ini disebabkan karena resolusipengukuran (ukuran slit yang digunakan) tidak cukupmengakomodir pelebaran puncak diffaksi terutama pactasudut '" besar. Pactasampel C clanD tegangan sisa yangdihasilkan berupa tegangan sisa tekan. Jenis tegangansisa ini sarna dengan yang diperoleh pacta proses rolldingin atau proses shotpeening, yang menunjukkanadanya proses pemanjangan pacta bagian pennukaansampel relatifterhadap bagian dalam.

KESIMPULAN

l. Metode difraksi sinar-x dapat digunakan untukmengukur secarakuantitatif besarnya tegangan sisapermukaan akibat penyiapan permukaan pactamaterial baja tahan karat SS 304.Pengukuraninimasihharns ditingkatkanresolusinya(dengan menggunakan ukuran slit yang lebih keci!),agar diperoleh bentuk puncak yang lebih ramping.Metoda pengolahan data, sudah menghasilkanharga d untuk beberapa sudut '" yang relatif cukupbaik, perlu dipikirkanuntuk menambah koreksi alasfaktor-faktorPolarisasi-Lorentzdan faktor absorbsi.Proses penyiapan sampel berupa pemotongan dan

2.

3.

4.

1'%

TeganganJenis

Sampel TeganganSisa (MPa) Sisa

A 17,469 Tarik

B 52,028 Tarik

C 459,467 Tekan

D 247,757 Tekan

1.0390l

d - 0.000130.Sin'. . 1.0370

1.03801

0 0-".

I0

0

...1.0370

l(a)

,.o,.J"."""""""0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Sin'",

1.039Old-O._ml. SIn'.. '.03771

0

I--1-. . - 0

I 0 0

...1.0370

(b)

.J....,... .,....,....,....,0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Sin'",

1.0390

1.0380

I...

1.0370

Pengukuran Tegangall S;sa Ak;bat Pelly;apall Permllkaan pada Baja Tallan Karat SS304 dengan Metoda Difraks;S;nar-X (Bambang Sugellg)

5.

pengamplasan mengakibatkan terbentuknyategangan sisa pada benda kelja.Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untukmendapatkan proses perlakuan permuakaan yangtidak menimbulkan tegangan sisa clan mengukurdistribusi tegangan sisa pada sampel-sampel yangdigunakan pada penelitian ini.

UCAPAN TERIMAKASm

Pada kesempatan ini penulis mengueapkanterimakasih kepada bapak Bambang Hem P, Djoko S,Agus Sunardi clan Imam Wahyono, alas bantuannyaselama proses pengambilan clan pengolahan data,sehingga tulisan ini dapat dibuat.

DAFTARACUAN

[I]. Noyan, IC & Cohen, AB, Residual StressMeasurement by Diffraction and Interpretation,Spinger-Verlag,NewYork,(1978).

[2]. Cullity, BD, Element of X-Ray Diffraction,2ndedition, Addison-Wesley, Massaehutes, (1978).

[3]. Dieter, GE, Mechanical Mettalurgy, 151edition, MeGraw-Hill,NewYork,(1978).

[4]. A.L. Christensen (editor), Measurement of StressbyX-Ray, SAEinformationReport,New York.

[5]. Shedden, B.A., On the Measurement of ResidualStress in Sputtered Coating by X-Ray DiffractionTechniques, Materials 98, IMEA Conference,Vol 1,Australia(l998)383-388.

1"7'1