ANALISIS KEGAGALAN STRUKTUR VELG MOBIL BERBASIS ALUMINIUM ALLOY SKRIPSI

Transkripsi

1 ANALISIS KEGAGALAN STRUKTUR VELG MOBIL BERBASIS ALUMINIUM ALLOY SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik GURUH ANDRYAN SYAHPUTRA NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N 2014

2 ANALISIS KEGAGALAN STRUKTUR VELG MOBIL BERBASIS ALUMINIUM ALLOY GURUH ANDRYAN SYAHPUTRA NIM Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Periode ke- 677 Tanggal 30 Januari 2014 Disetujui oleh: Pembimbing Prof.Dr.Ir.Bustami Syam, MSME NIP

3 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 2119/ TS / 2013 FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA TGL : 15 Juli 2013 MEDAN PARAF : TUGAS SARJANA NAMA : Guruh Andryan Syahputra NIM : MATA PELAJARAN : Teknologi Pembentukan SPESIFIKASI : Lakukan analisa struktur pada velg mobil bekas aluminium alloy. Lakukan pengujian secara mekanik untuk mendapatkan hasil agar dapat melakukan simulasi komputer secara numerik. Berikan rekomendasi penyebab kegagalan velg mobil berbasis aluminium alloy dari hasil analisis. DIBERIKAN TANGGAL : 15 Juli 2013 SELESAI TANGGAL : KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, MEDAN, 15 Juli 2013 DOSEN PEMBIMBING, Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME NIP NIP

4 ANALISIS KEGAGALAN STRUKTUR VELG MOBIL BERBASIS ALUMINIUM ALLOY GURUH ANDRYAN SYAHPUTRA NIM Diketahui / Disahkan Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU Disetujui Dosen Pembimbing, Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME NIP NIP

5 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan ke hadirat Allah SWT atas segala karunia dan rahmat-nya yang senantiasa diberikan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan sebaik-baiknya. Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun judul skripsi yang dipilih, diambil dari mata kuliah Teknologi Pembentukan, Yaitu ANALISIS KEGAGALAN STRUKTUR VELG MOBIL BERBASIS ALUMINIUM ALLOY. Dalam penulisan skripsi ini, penulis telah berupaya dengan segala kemampuan pembahasan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh dari perkuliahan, menggunakan literature, serta bimbingan dan arahan dari Bapak Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME sebagai Dosen Pembimbing. Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Kedua orang tua tercinta, Ayahanda Ady Sucipto Spd dan Ibunda Dharmayanti, Adik-adik tersayang ( Dyan Natya Purwitasari dan Trifany Alfionita Sari ) atas doa, kasih saying, pengorbanan, tanggung jawab yang selalu menyertai penulis, dan memberikan penulis semangat yang luar biasa sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. 2.Bapak Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya dan dengan sabar membimbing penulis hingga skripsi ini dapat terselesaikan. 3.Bapak Ir.Alfian Hamsi, M.Sc sebagai dosen penguji I dan Bapak Ir.Syahrul Abda, M.Sc sebagai dosen penguji II yang banyak memberi arahan dan bimbingan dalam penyelesaian Skripsi ini. 4.Bapak Dr.Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Ir. Syaril Gultom, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik USU. 5.Bapak / Ibu staff pengajar dan pegawai Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik USU.

6 6.Teman-teman seperjuangan Teknik Mesin USU stambuk 2009 khususnya Chabib Muhammad, Andri Setiawan, Muhammad Nazar, Wahyu Hamdani, Harri Rusadi, Sukardi, Ramadhan Daulay dan yang menjadi teman diskusi dan menemani penulis selama mengikuti studi dan menyusun skripsi ini. 7. Teman-teman seperjuangan Team Horas USU yang telah memberi dukungan yang luar biasa, Khusunya kepada Bapak Dr.Eng. Himsar Ambarita, MT selaku pembimbing saya di Team Horas USU ini. 8.Seluruh Anggota AMTT yang telah memberi dukungan yang luar biasa kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. 9.Keluarga besar pondok serumpun yang telah memberikan dukungan moral sepenuhnya khususnya Muhammad Isnan Taufiq Siregar, Teddy Firmansyah Supardi, Anton Hutauruk, Muhammad Abdul Hadi, Sabrizal, Guntur Andi Putra, dan Aqmarul Akhyar. Penulis mengaharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun demi penyempurnaan skripsi ini dimasa mendatang. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih dan berharap semoga skripsi ini berguna bagi kita semua. Amiin Ya Rabbal Alamin. Medan, Oktober 2013 Penulis, Guruh Andryan Syahputra Nim :

7 ABSTRACT Aluminum wheels has one of the so-called critical area is located in the hub, spoke, and flange. Failure in the flange area, spokes, and hub may result in more harm, both in terms of loss of material and non- material terms. The purpose of this research was conducted to determine the cause of failure in aluminum alloy wheels with experimental testing and using numerical simulations. Object of research is aluminum alloy car wheels Toyota Corolla Altis with a diameter of 17,5 inches (444.5 mm) and a width of 7 inches (177.8 mm). Testing is conducted chemical composition test, hardness test, tensile test, and metallographic test. Of testing found that the composition of the material is aluminum alloy wheels with type A Hardness on the material in the rim flange area that normally is 80.9 BHN scale. Hardness in plastically deformed flange area is 74.7 BHN scale. The maximum tensile stress is MPa, elongation 5.48 %, yield stress is MPa, Young's Modulus GPa. Micro Photo with 100 x and 200 x magnification obtain porosity occurs in the area of plastic deformation. The results of numerical simulations using the standard wheels Ansys Workbench 14.0 Total Deformation maximum gain rate was mm from its original form. Simulation Equivalent Stress produces a maximum stress of MPa, and the minimum stress occurs at MPa. It can be concluded that the cause of failure in aluminum alloy wheels is the occurrence of porosity in many areas, causing plastically deformed material hardness decreases. Keywords: Porosity, Hardness of Materials, and ANSYS Simulation

8 ABSTRAK Velg aluminium mempunyai daerah yang dinamakan area kritis terletak di daerah hub, spoke, dan flange. Kegagalan pada daerah flange, spoke, dan hub dapat mengakibatkan banyak kerugian, baik kerugian dari segi materi maupun dari segi non materi. Tujuan penelitian ini dilakukan untuk dapat mengetahui penyebab terjadinya kegagalan pada velg aluminium alloy dengan pengujian eksperimental dan menggunakan simulasi numerik. Objek penelitian yang digunakan adalah velg mobil aluminium alloy Toyota Corolla Altis dengan diameter 17,5 inci (444,5 mm) dan lebar 7 inci (177,8 mm). Pengujian yang dilakukan adalah uji komposisi kimia, uji kekerasan, uji tarik, uji metalografi. Dari pengujian didapat bahwa komposisi pada material velg merupakan aluminium alloy dengan tipe A Kekerasan pada material velg di daerah flange yang normal adalah 80,9 skala BHN. Kekerasan pada daerah flange terdeformasi plastis adalah 74,7 skala BHN. Tegangan tarik maksimum adalah 232,990 MPa, elongasinya 5,48 %, tegangan mulurnya 190,334 MPa, Modulus Young 72,199 GPa. Foto mikro dengan 100 x dan 200 x pembesaran mendapatkan porositas pada daerah yang terjadi deformasi plastis. Hasil simulasi numerik velg standar menggunakan Ansys 14.0 Workbench mendapatkan Total Deformation maksimum menunjukkan angka sebesar 0,67475 mm dari bentuk semula. Simulasi Equivalent Stress menghasilkan tegangan maksimum sebesar 71,434 MPa, dan tegangan minimum yang terjadi sebesar 0, MPa. Dapat disimpulkan bahwa yang menyebabkan kegagalan pada velg aluminium alloy adalah terjadinya banyak porositas pada daerah yang terdeformasi plastis sehingga menyebabkan kekerasan material berkurang. Kata kunci: Porositas, Kekerasan Material, dan Simulasi ANSYS

9 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii ABSTRACT... iv DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR TABEL... x DAFTAR NOTASI... xi BAB 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Batasan Masalah Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan... 4 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA Aluminium Proses Pembuatan Aluminium Mikrostruktur Aluminium Sifat-Sifat Aluminium Sifat Fisik Aluminium Sifat Mekanik Aluminium Kekuatan Tarik Kekerasan Ductile (Liat) Modulus Elastisitas Recyclability (Mampu untuk di daur ulang) Reflectivity (Mampu pantul) Aplikasi Aluminium Pada Velg Mobil Spesifikasi Velg Mobil PCD... 13

10 2.6.2 Offset Centre Bore Rim Marking Velg Baja dan Velg Aluminium Kualitas Velg Aluminium Kategori Velg Aluminium Paduan Aluminium Pengaruh Unsur-Unsur Pemadu Pada Paduan Aluminium Macam-Macam Paduan Aluminium Paduan Al-Si Paduan Al-Cu dan Al-Cu-Mg Paduan Al-Mn Paduan Al-Mg Paduan Al-Mg-Si Paduan Al-Mn-Zn Proses Pembuatan Velg Tipe One-piece Cast Wheels Gravity Casting Low Pressure Casting Spun-Rim, Flow- Forming atau Rim Rolling Technology Forging Tipe Multi-Piece Wheels Tegangan Regangan Uji Komposisi Kimia Uji Kekerasan (Hardness Test ) Uji Metalografi Porositas Uji Tarik Simulasi Numerik BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN Waktu dan Tempat... 39

11 3.2 Prosedur Penelitian Metode Pengumpulan Data Persiapan Bahan Persiapan Alat Mesin Gerinda Tangan Ragum Jangka Sorong Pembuatan Spesimen Pengujian Uji Komposisi Uji Kekerasan Uji Metalografi Pengamplasan Spesimen Uji Metalografi Polishing Spesimen Uji Metalografi Proses Observasi Spesimen Uji Metalografi Uji Tarik Simulasi Numerik Tampilan Pembuka Ansys Mendefinisikan Sistem Analisa Mendefinisikan Material Properties Tampilan Gambar Velg Proses Meshing Proses Static Structural Proses Solution Diagram Alir Penelitian BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN Uji Komposisi Kimia Uji Kekerasan Uji Tarik Uji Metalografi Simulasi Numerik... 68

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Proses Bayer... 6 Gambar 2.2 Struktur mikro dari aluminium murni... 7 Gambar 2.3 Struktur mikro dari paduan aluminium-silikon... 8 Gambar 2.4 Konstruksi velg mobil Gambar 2.5 PCD velg mobil Gambar 2.6 Offset velg mobil Gambar 2.7 Ukuran velg mobil Gambar 2.8 (a) Velg baja (b) Velg aluminium Gambar 2.9 Diagram fasa Al-Si Gambar 2.10 Struktur mikro paduan hypoeutectic, eutectic, dan hypereutectic Gambar 2.11 Velg mobil tipe one-piece cast wheels Gambar 2.12 Velg BBS RC Gambar 2.13 Proses pembuatan velg sistem forging Gambar 2.14 Velg mobil tipe multi-piece wheels Gambar 2.15 Alat uji kekerasan material logam Gambar 2.16 Alat uji struktur mikro Gambar 2.17 Alat uji tarik Gambar 3.1 Velg mobil bekas Toyota Camry jenis A Gambar 3.2 Mesin gerinda tangan Gambar 3.3 Ragum Gambar 3.4 Mesin sekrap datar Gambar 3.5 Jangka sorong Gambar 3.6 Bagian velg yang akan dibuat spesimen untuk pengujian Gambar 3.7 OES (Optical Emission Spectrometer) Gambar 3.8 Brinell Hardness Tester Gambar 3.9 Mikroskop optik Gambar 3.10 Polishing Machine Gambar 3.11 Metal Polish Gambar 3.12 Alat uji tarik Torsee Type AMU Gambar 3.13 Tampilan awal Ansys... 50

13 Gambar 3.14 Tampilan sistem analisa Gambar 3.15 Tampilan Engineering data Gambar 3.16 Tampilan material properties Gambar 3.17 Tampilan pembuatan velg dari AutoCAD 3D Gambar 3.18 Tampilan gambar velg hasil meshing Gambar 3.19 Tampilan gambar velg hasil fixed support Gambar 3.20 Tampilan velg yang dikenai beban Gambar 3.21 Tampilan proses solution Gambar 3.23 Diagram alir penelitian Gambar 4.1 Spesimen uji komposisi kimia Gambar 4.2 Spesimen uji kekerasan, (a) yang terdeformasi plastis, (b) yang normal Gambar 4.3 Spesimen uji tarik Gambar 4.4 ASTM E 8M untuk sheet-type Gambar 4.5 Grafik hasil pengujian tarik Gambar 4.6 Spesimen uji metalografi, (a) yang normal, (b) yang terdeformasi plastis Gambar 4.7 Mikrostruktur spesimen yang normal, (a) dengan 100 x pembesaran, (b) dengan 200 x pembesaran Gambar 4.8 Mikrostruktur spesimen yang terdeformasi plastis, (a) dengan 100 x pembesaran, (b) dengan 200 x pembesaran Gambar 4.9 Distribusi total deformation Gambar 4.10 Distribusi equivalent stress... 69

14 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Sifat fisik Aluminium... 9 Tabel 2.2 Daftar seri paduan aluminium tempa Tabel 2.3 Daftar seri paduan aluminium tuang.. 21 Tabel 3.1 Karakteristik paduan A Tabel 4.1 Hasil uji komposisi kimia Tabel 4.2 Pengujian Kekerasan di daerah flange normal dengan beban 500 kg Tabel 4.3 Pengujian Kekerasan di daerah flange terdeformasi plastis dengan beban 500 kg Tabel 4.4 Hasil pengujian tarik... 63

15 DAFTAR NOTASI Simbol Keterangan Satuan σ Tegangan MPa A Luas penampang mm 2 F Gaya Newton ε Regangan ΔL Perpanjangan mm L 0 Panjang mula-mula mm ρ Densitas g/cm 3 σ y Tegangan mulur MPa σ u Tegangan tarik MPa σ f Tegangan patah MPa E Modulus Young Gpa BHN Kekerasan HB ν Poisson Ratio