PERILAKU LELAH BAJA TAHAN KARAT AISI 304 DALAM LINGKUNGAN KOROSIF

Transkripsi

1 ISSN pp PERILAKU LELAH BAJA TAHAN KARAT AISI 304 DALAM LINGKUNGAN KOROSIF Herdi Susanto 1, M. Ridha 2, Syifaul Huzni 3 1,2,3) Program Studi Magister Teknik Mesin, Universitas Syiah Kuala Jl. Tgk. Syeh Abdul Rauf No. 7, Darussalam Banda Aceh 23111, ridha@tdmrc.org 1) Jurusan Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Teuku Umar Meulaboh Jl. Alue Peuyareng, Meureubo, Aceh Barat 23561, herdysusanto@yahoo.com Abstract: Failure due to corrosion fatigue is a phenomenon that often occurs in the structure associated with a corrosive environment. Step use of materials such as AISI 304 stainless has been done, but a failure due to corrosion fatigue phenomena still occur and can not be understood and explained by the experts. This study focused on assessing changes in behavior of AISI 304 stainless steel are experiencing repeated loading in corrosive environment. The behavior changes observed with fatigue testing in laboratory air and 3.5% NaCl solution, using a fatigue testing machine type rotary bending, specimens were made according to ASTM E-466 and ASTM F-1801 for corrosion fatigue testing. Fatigue testing presented in S-N curve and fracture patterns observed, observed in 3.5% NaCl solution and constant stress MPa pit growth measurements done on seven levels and four levels of cycles for corrosion potential and current measurements are presented in the polarization curve. The results showed that the endurance limit of the laboratory air environment at stress MPa and 3.5% NaCl solution decreases, up to stress MPa at 1.7x107 cycles. Ductile fracture pattern is in the air and 3.5% NaCl solution is brittle. Pits and cracks growth, failure is dominated by crack propagation and increase the number of cycles resulting in decreased surface potential and corrosion current density increases. Keywords : Fatigue behavior, AISI 304, S-N curve, pit growth, polarisation curve, 3.5%NaCl Abstrak: Kegagalan akibat korosi lelah merupakan fenomena yang sering terjadi pada struktur yang berhubungan dengan lingkungan korosif. Langkah penggunaan bahan tahan karat seperti AISI 304 telah dilakukan, namun fenomena kegagalan akibat korosi lelah masih terjadi dan belum dapat difahami dan dijelaskan dengan baik oleh para ahli. Penelitian ini difokuskan untuk mengkaji perubahan perilaku baja tahan karat AISI 304 yang mengalami pembebanan berulang dalam lingkungan korosif. Perubahan perilaku tersebut diamati dengan melakukan pengujian lelah dalam lingkungan udara laboratorium dan 3,5% NaCl, menggunakan mesin uji lelah tipe rotary bending, spesimen dibuat berdasarkan standar ASTM E-466 dan pengujian lelah korosi ASTM F Pengujian lelah dipresentasikan dalam Kurva S-N dan pola patahan diamati, dalam lingkungan 3,5%NaCl dan tegangan konstan MPa pengukuran pertumbuhan pit dilakukan pada tujuh tingkatan siklus dan empat tingkatan siklus untuk pengukuran potensial dan arus korosi yang dipresentasikan dalam kurva polarisasi. Hasil menunjukkan bahwa batas lelah lingkungan udara laboratorium pada tegangan MPa dan 3,5% NaCl menurun, hingga tegangan MPa pada siklus 1.7x10 7. Pola patahan diudara bersifat ulet dan 3,5% NaCl bersifat getas. Pertumbuhan ukuran pit dan retak, terjadinya kegagalan di dominasi oleh perambatan retak dan peningkatan jumlah siklus mengakibatkan potensial permukaan menurun dan densitas arus korosi meningkat. Kata kunci : Perilaku lelah, AISI 304, kurva S-N, pertumbuhan pit, kurva polarisasi, 3.5% NaCl Kegagalan lelah (fatigue failure) merupakan suatu fenomena yang sangat penting karena diperkirakan 50-90% penyebab kegagalan mekanik disebabkan oleh kegagalan lelah. Kegagalan yang disebabkan oleh kelelahan lebih berbahaya daripada kegagalan statis dikarenakan kegagalan tersebut terjadi tanpa peringatan terlebih dahulu, secara tiba-tiba dan menyeluruh (ASM Vol. 19, 1997: 1099) - 1

2 Kelelahan akibat korosi pernah pertama kali diungkapkan 60 tahun yang lalu dan lebih dikonsentrasikan pada kerusakan kabel di bawah perairan laut. Penyelidikan yang lebih terpadu terhadap fenomena ini dilakukan 10 tahun kemudian dan dicetuskan istilah kelelahan akibat korosi (fatigue corrosion). Dewasa ini laporan mengenai kerusakan akibat korosi lelah semakin bertambah dan saat ini fenomena korosi lelah dianggap sebagai salah satu penyebab kegagalan struktur. Hal ini tentu saja banyak terjadi diantisipasi dengan baik, salah satu cara cara yang dapat dilakukan adalah dengan mengetahui kekuatan lelah bahan. Kekuatan lelah baja tahan karat AISI 304 dalam lingkungan udara laboratorium dan 3,5% NaCl yang dipelajari adalah hubungan tegangan dan siklus yang dipresentasikan dalam kurva S-N dan pengamatan pola patahan, dalam lingkungan 3,5% NaCl dan tegangan konstan MPa yang dipelajari adalah pengaruh siklus terhadap pertumbuhan pit dan kurva polarisasi. di daerah perairan laut dimana kondisinya sangat agresif dan sering mengalami beban/tegangan berulang (Murdjito, 2010:1) Baja tahan karat AISI 304 adalah jenis material yang banyak digunakan secara ekstensif dalam dunia industri seperti industri petrokimia, pembangkit listrik termal, boiler, bejana tekan, alat konstruksi dan transportasi dalam bidang teknik. Penggunaan yang luas dari baja tahan karat ini karena sifat mekanik dan fisik serta ketahanan korosi yang sangat baik (Michael F. McGuire, 2008:229). METODE PENELITIAN Material yang digunakan adalah baja tahan karat AISI 304 yang didapatkan dari PT. Gitamulia Cemerlang dengan persentase komposisi kimia 18.28Cr, 8.1Ni, 1.71Mn, 0.44Si, 0.042C, 0.036P, 0.008S. Sifat mekanik kekuatan tarik N/mm 2 kekuatan luluh N/mm 2 perpanjangan 67%. Ukuran dan dimensi spesimen menggunakan standar ASTM E (Tangentially Blending Fillets), lihat Gambar 1. Aplikasi baja tahan karat pada konstruksi dan transportasi baik diudara maupun air laut sangat beresiko mengalami kegagalan. Maka dari itu, penanganan yang tepat sangatlah diperlukan untuk mendeteksi lebih awal kegagalan yang mungkin terjadi pada baja tahan karat tipe AISI 304 sehingga kegagalan yang mungkin terjadi dapat 2 - Gambar 1. Ukuran spesimen Uji lelah korosi Mesin uji lelah yang digunakan tipe rotary bending Frekuensi 50 Hz dan putaran mesin 2900 rpm dan rasio tegangan R= -1

3 Pengujian kekasaran permukaan dilakukan dengan sistem acak (2 spesimen) dilakukan dengan sistem acak, untuk memastikan sistem grinding dan polishing yang dilakukan sesuai dengan standar ASTM E-466 (kekasaran permukaan maksimum 2µm). Pembebanan dilakukan dari tingkat beban tertinggi 12 Kgf (0,9 x Tensile Strength) hingga terendah pada batas lelah bahan (Julie A. Bannantine et. al, 1990:5) dan dipresentasikan dalam kurva S-N lingkungan udara laboratorium dan 3,5% NaCl serta pola patahan diamati pada tegangan MPa. Set-up mesin uji kelelahan dengan alat sirkulasi media korosif sesuai dengan standar ASTM F , ditunjukkan pada Gambar 2. Keterangan : 1. Chamber 2. Pipa inlet 3. Pipa outlet ```````````````` 4. Resevoir 5. Pompa air 6. Motor listrik 7. Pengunci beban 8. Beban 9. Counter hour 10. Pengaduk larutan 11. Pompa udara 12. Limit switch 13. Tombol On/Off Gambar 2. Set-up mesin uji kelelahan dengan alat sirkulasi media korosif Pengukuran pertumbuhan pit dan retak diukur pada siklus 120x10 3, 220x10 3, 320x10 3, 420x10 3, 520x10 3, 620x10 3, 720x10 3. Pengukuran polarisasi elektrokimia diukur pada siklus 0, 250x10 3, 500x10 3, 750x10 3. Dengan tegangan konstan MPa dan lingkungan 3,5% NaCl. Menggunakan mikroskop optik Olympus dan galvanostat Hokuto Denko HA- 301 dan ossiloscope Tektronik TDS 304. Setup pengukuran polarisasi elektrokimia ditunjukkan pada Gambar 3 Gambar 3. Set-up pengukuran polarisasi KAJIAN PUSTAKA Baja Tahan Karat AISI 304 AISI 304 adalah jenis baja tahan karat austenitik, unsur pembentuk utamanya besi, karbon sangat rendah 0,015-0,15%, khromium berkisar 16,0-28,0% dan nikel 6,0-32,0%. Memiliki ketahanan korosi yang baik karena mengandung unsur kromium yang memiliki karakteristik khusus yaitu membentuk lapisan kromium oksida (Cr 2 O 3 ) jika bereaksi dengan oksigen, jika lapisan ini rusak maka secara spontan akan terbentuk lapisan baru jika kondisi lingkungan mengandung cukup oksigen (Michael F. McGuire, 2008:17). Memiliki sifat mekanik, mampu las, ketahananan korosi dan proses permesinan yang baik membuat golongan austernitik terutama AISI 304 menjadi material baja tahan karat yang banyak digunakan dalam dunia industri. Gambar 4. Secara umum memperlihatkan rasio ketahanan korosi - 3

4 dan pemesinan baja tahan karat austenitik AISI 304 (Dumenico Surpi, 2011:12). Gambar 4. Rasio Ketahanan korosi dan pemesinan baja tahan karat austenitik Sumber : Dumenico Surpi, 2011:20 Kekuatan Lelah Kegagalan yang terjadi pada keadaan beban dinamik dinamakan kegagalan lelah (fatigue failures). Pada umumnya kegagalan tersebut hanya terjadi setelah periode pemakaian yang cukup lama, dimana semuanya mengalami beban berulang dan getaran. Kegagalan lelah adalah hal yang sangat berbahaya karena terjadi tanpa adanya peringatan awal (Jaap Schijve, 2009:1). Selain variabel tegangan yang mempengaruhi umur lelah dari suatu logam maka ada juga variabel lain seperti : Ukuran benda uji, variabel metalurgi, korosi, keausan, kekasaran permukaan (Julie A. Bannantine et. al, 1990:11) Gambar 5. Bentuk tegangan maksimum pada pengujian lelah tipe rotary bending Sumber : Anonymous, 1997: Gambar 5. menunjukkan gaya-gaya yang bekerja pada pengujian lelah tipe rotary bending tegangan maksimum yang bekerja spesimen berada pada daerah area uji. Dari hasil pengujian ini akan diperoleh informasi mengenai kekuatan lelah dari bahan dan pada benda uji yang berputar diberikan beban maka akan terjadi momen lentur sebesar (M). Tegangan lentur yang terjadi pada permukaan bahan dapat ditentukan dengan menggunakan momen inersia dan jarak melintang benda uji dengan persamaan sebagai berikut : (1) Dimana : = Tegangan lentur (kg/cm 2 ) d = Diameter benda uji (cm) W = Beban yang digunakan (kg) π = 3.14 L = Jarak antara beban dan titik area pengujian (cm) Kurva S-N Metode dasar untuk penyajian data kelelahan adalah menggunakan kurva S-N, yaitu pemetaan tegangan (S) terhadap jumlah siklus hingga terjadi kegagalan (N). Nilai tegangan yang diplot dapat berupa nilai tegangan maksimum, minimum atau nilai rata-rata (Julie A. Bannantine et. al, 1990:11). Gambar 6 menunjukkan kurva kelelahan untuk logam besi dan bukan besi (non ferrous). Siklus S-N yang melampaui

5 batas lelah (N > 10 7 ), baja dianggap mempunyai umur yang tak berhingga atau kegagalan diprediksi tidak akan terjadi, sedangkan untuk logam bukan besi tidak terdapat batas lelah yang signifikan dengan kurva S-N dengan gradien yang turun sedikit demi sedikit sejalan dengan bertambahnya jumlah siklus. Gambar 6. Kurva kelelahan untuk logam besi dan bukan besi Sumber : George E. Dieter, 1992:4 Kekuatan lelah atau batas lelah (endurance limit, Se) adalah tegangan yang memberikan umur tak berhingga. Tegangan dibawah batas lelah akan menyebabkan logam aman terhadap kelelahan, hal ini disebabkan karena gerakan dislokasinya akan terhambat oleh atom-atom asing sehingga tidak akan menghasilkan PSB (Presistant Slip Band) (George E. Dieter, 1992: 4) korosi, menyebabkan penurunan sifat-sifat lelah yang lebih besar jika dibandingkan dengan penurunan sifat lelah tanpa lingkungan korosif (Jaap Schijve, 2009:457). Kondisi lingkungan yang korosif akan menyerang permukaan logam dan menghasilkan lapisan oksida atau produk korosi. Umumnya oksida adalah sebagai lapis lindung dan dapat mencegah kerusakan korosi selanjutnya, tetapi pembebanan siklik dapat menyebabkan pecahnya lapisan tersebut dan kerusakan korosi berikutnya sehingga timbul korosi sumuran yang berfungsi sebagai takikan. Hal itulah yang menyebabkan penurunan kekuatan lelah, pengaruh lingkungan korosif ini menurunkan kekuatan lelah logam hingga 10% hingga 50% serta dapat menyebabkan batas lelah menjadi tidak jelas (hilang) (George E. Dieter, 1992:47) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7 berikut ini. Korosi Lelah ( fatigue corrosion ) Korosi lelah adalah fenomena kelelahan bahan yang terjadi di lingkungan korosif. Proses yang berlangsung secara bersamaan antara tegangan yang berulang dan serangan Gambar 7. Pengaruh lingkungan terhadap kurva S-N baja Sumber : R. Winston & Herbert H. Uhlig, 2008:174-5

6 Polarisasi Elektrokimia 6 - Suatu logam atau elektroda tidak berada dalam keseimbangan larutan elektrolit yang mengandung ionnya atau terjadi perubahan potensial selama proses elektrolisis, dimana potensial anoda menjadi lebih nobel dan katoda menjadi lebih aktif ini disebut polarisasi (η) (Fontana. MG, 1978:14) Terdapat dua jenis proses polarisasi, yaitu polarisasi aktivasi dan polarisasi konsentrasi. Polarisasi aktivasi adalah polarisasi yang dikendalikan oleh energi bebas atau tenaga penggerak potensial ada dipermukaan elektroda itu sendiri. Polarisasi konsentrasi adalah polarisasi yang dikendalikan sebagai akibat dari perubahan konsentrasi di dalam larutan di dekat permukaan metal (Fontana. MG, 1978:308) Polarisasi merupakan parameter penting untuk membuat pernyataan tentang laju proses korosi. Kelakuan korosi bahan pada suatu sampel logam, ditentukan dengan mengaplikasikan potensial elektrokimia melalui pengukuran polarisasi dari kaitan antara arus dengan potensial di bawah kondisi terkontrol (Fontana. MG, 1978:16) Skema empat kurva polarisasi ekstrapolasi tafel seperti terlihat pada Gambar 8. Gambar 8. Skema empat kurva polarisasi ekstrapolasi tafel Sumber : N.G. Thompson and J.H. Payer, 1998:65 HASIL PEMBAHASAN Kekasaran Permukaan Hasil pengujian kekasaran permukaan dari baja tahan karat tipe AISI 304 ditunjukkan dalam Tabel 1. Tabel 1. Hasil pengukuran kekasaran permukaan No. Urut No. Spesimen , ,044 Harga Kekasaran Permukaan (µm) Hasil pengukuran kekasaran permukaan menunjukan kisaran angka kekasaran permukaan antara 0,044 dan 0,056 µm, ini menunjukkan bahwa kekasaran permukaan spesimen masih berada di bawah standar kekasaran permukaan yang diizinkan. Uji Lelah Penelitian terhadap kekuatan lelah baja tahan karat AISI 304 telah dilakukan pada lingkungan udara laboratorium dan lingkungan 3,5% NaCl, menggunakan mesin uji lelah tipe rotating bending. ditampilkan dalam bentuk kurva S-N

7 sebagai mana ditunjukkan pada Gambar 9. Gambar 9. Kurva S-N baja tahan karat AISI 304 di lingkungan udara laboratorium dan 3,4% NaCl Gambar 9 menunjukkan kurva S-N dari baja tahan karat AISI 304, terlihat bahwa garis kurva pada lingkungan udara laboratorium dengan batas lelah (endurance limit) MPa, sedangkan pada lingkungan 3,5% NaCl kekuatan lelah baja menurun, hingga tegangan MPa pada siklus 1.7x10 7. Hal ini menunjukkan bahwa kekuatan lelah baja dipengaruhi oleh lingkungan tempat baja tersebut beroperasi. Fenomena khusus yang ditunjukkan oleh baja tahan karat AISI 304 dalam lingkungan 3,5% NaCl pada tegangan diatas MPa, dimana kekuatan lelahnya meningkat hingga 10 kali dari kekuatan lelah dalam lingkungan udara laboratorium. Selanjutnya menurun seiring dengan menurunnya tegangan dan memotong garis kurva S-N lingkungan udara hingga menuju tegangan MPa. Gambar 10. Pola patahan baja tahan karat AISI 304 dalam lingkungan 3,5% NaCl pada tegangan MPa Fenomena ini terjadi pada lingkungan 3,5% NaCl disebabkan karena larutan 3,5% NaCl berfungsi sebagai media pendingin sehingga deformasi plastis akibat tegangan geser yang terjadi lebih kecil. Perputusan (rupture) yang terjadi menunjukkan pola kegagalan getas (brittle failure) membentuk garis pantai (beach mark) ditunjukkan pada foto Gambar 10. Baja tahan karat AISI 304 dalam lingkungan udara bersifat ulet, deformasi plastis dan tegangan geser yang terjadi sangat besar ini dapat dilihat dari proses pengujian dimana sebelum patah temperatur meningkat seiring waktu di area uji spesimen Gambar 11. Gambar 11. Visual peningkatan temperatur pada area uji spesimen baja tahan karat AISI 304 pada tegangan MPa - 7

8 Foto permukaan patahan juga menunjukkan pola kegagalan ulet (ductile failure) seperti terlihat pada Gambar 12. terlihat pada Gambar 13. Gambar 12. Pola patahan baja tahan karat AISI 304 dalam lingkungan udara pada tegangan MPa Dari hasil diatas memperlihatkan bahwa baja tahan karat AISI 304 baik digunakan pada lingkungan 3,5% NaCl, terutama untuk aplikasi-aplikasi tegangan pada siklus rendah untuk perencanaan alat-alat berumur pendek dan perencanaan mesin-mesin yang memerlukan pertimbangan atas kemungkinan komponen menerima tegangan besar selama pemakaiannya, dimana kekuatan lelahnya akan naik hingga 10 kali dari kekuatan lelahnya diudara. Untuk aplikasi tegangan yang relatif lebih kecil faktor lingkungan 3,5% NaCl dapat mengurangi umur kekuatan lelah baja hingga menurunkan batas lelah (endurance limit). Pertumbuhan Pit dan Retak Laju pertumbuhan pit dan retak pada tegangan maksimum 369,63 MPa seperti Gambar 13. Grafik pengaruh siklus terhadap pertumbuhan pit dan retak pada tegangan 369,63 MPa lingkungan 3,5% NaCl Gambar 13. menunjukkan bahwa pit telah tumbuh dan berkembang pada siklus 120x10 3 dengan ukuran pit rata-rata 27,275 µm dan pit terus berkembang hingga siklus 420x10 3 dengan ukuran pit rata-rata µm, ini memperlihatkan bahwa pada tegangan maksimum 369,63 MPa pertumbuhan ukuran pit sangat singkat dan kegagalan di dominasi oleh perambatan retak dari siklus 520x10 3 hingga siklus 720x10 3. Rasio pertumbuhan antara panjang dan lebar pit terlihat sangat signifikan dimana pertumbuhan pit dan retak di dominasi oleh pertumbuhan panjang retak. Polarisasi Elektrokimia Dari hasil uji polarisasi galvanostatik secara anodik-katodik terhadap spesimen baja tahan karat AISI 304 dipresentasikan dalam bentuk grafik berupa kurva 8 -

9 polarisasi anodik dan katodik skala log seperti Gambar 14. panjang dan lebar oleh panjang retak. Peningkatan siklus yang terjadi mengakibatkan nilai potensial permukaan spesimen menurun dan densitas arus korosi meningkat. Saran Data eksperimen dapat digunakan untuk penelitian analitik dan simulasi prediksi umur korosi lelah berikutnya. Gambar 14. Hasil uji polarisasi katodik anodik AISI 304 dalam 3,5% NaCl yang mengalami beban dinamik Gambar 14 menunjukkan bahwa jumlah siklus lelah mempengaruhi perubahan potensial yang terjadi pada permukaan spesimen, dimana semakin besar jumlah siklus lelah yang terjadi mengakibatkan nilai potensial permukaan spesimen menurun dan densitas arus korosi meningkat SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Perilaku kurva S-N baja tahan karat AISI 304 dengan batas lelah lingkungan udara laboratorium MPa dan lingkungan 3,5% NaCl menurun, hingga tegangan MPa pada siklus 1.7x10 7. Pola patahan pada tegangan 369,63 Mpa untuk lingkungan udara bersifat ulet dan 3,5% NaCl bersifat getas. Tegangan 369,63 MPa dominasi kegagalan untuk pertumbuhan ukuran pit dan retak oleh perambatan retak, antara DAFTAR PUSTAKA ASM Handbook Vol 19, 1997, Fatigue and Fracture, ASM International Murdjito dkk, 2010, Studi Corrosion Fatigue Pada Sambungan Las SMAW Baja Api 5l Grade X65 Dengan Variasi Waktu Pencelupan Dalam Larutan HCl, Fakultas Teknik Kelautan ITS Michael F. McGuire, 2008, Stainless Steels For Design Engineering, ASM International, United State of Amerika. Dumenico Surpi, 2011, Stainless Steels, Gruppo Lucefin, Italy George E. Dieter, 1992, alih bahasa Djaprie, Sriati, Metalurgi Mekanik, Erlangga, Jakarta. Julie A. Bannantine et. al, 1990, Fundamental of Metal Fatigue Analysis, Prentice-Hall, New Jersey. Jaap Schijve, 2009, Fatigue of Structures and Materials, Springer Science, Netherlands. R. Winston and Herbert H. Uhlig, 2008, Corosion And Corosion Control, John Willey and Sons, Hoboken, New Jersey. - 9

10 Neil G. Thompson and Joe H. Payer, 1998, DC Electrochemical Test Methods, NACE International, Houston, Texas. Fontana. MG, 1978, Corrosion Engineering, New York, McGraw Hill. ASTM E , Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials. ASTM F Standard Practice for Corrosion Fatigue Testing of Metalic Implant Materials. Anonymous, 1997, Manual Operation For 10 Kgf-m Rotary Bending Fatigue Testing Machine Model FTO 10, JT. TOHSI Inc., Tokyo. 10 -