STurn A W AL PENGUKURAN MODULUS YOUNG DAN POISSON RATIO MENGGUNAKAN TEKNIK HAMBURAN NEUTRON. M. Refai Muslih, Nadi Supamo dan Sairun

Transkripsi

1 p~ ~ N~ fi~ N~ ~ ~ x ~ 4, ISSN g6 STurn A W AL PENGUKURAN MODULUS YOUNG DAN POISSON RATIO MENGGUNAKAN TEKNIK HAMBURAN NEUTRON M. Refai Muslih, Nadi Supamo dan Sairun Puslitbang Iptek Bahan -BAT AN; Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang ABSTRAK STUDI AWAL PENGUKURAN MODULUS YOUNG DAN POISSON RATIO MENGGUNAKAN TEKNIK HAMBURA NEUTRON. Telah dilakukan studi awal untuk mengukur Modulus Young dan Poisson ratio dengan menggunakan teknik hamburaneutron. Pengukuran dilakukan pada sam pel besi pasaran dengan mengamati perubahan jarak kisi sebagai fungsi dari pembebanan yang dilakukan pada benda uji. Pengukuran hanya dilakukan pada bidang tertentu saja dari sampel. Modlrus Young (koefisien regangan) dan Poisson ratio diukur dengan menempatkan sampel sedemikian rupa sehingga vektor hamburan (Q) tegak lurus terhadap arah pembebanan dan kemudian dilanjutkan pengukuran yang sejajar terhadap arah pembebanan. Dari pengukuran ini didapatkan modulus Young dan Poisson ratio untuk bidang ini berturut turut adalah 288,7 GPa dan 1,44. ABSTRACT PRELIMINARY STUDY ON MEASUREMENT OF YOUNG MODULUS AND POISSON RATIO BY USING NEUTRON SCATTERING TECHNIQUE HAD BEEN DONE. Preliminary study on measurement of Young Modulus and Poisson ratio using neutron scattering technique. The common iron used as a sample. The difference of plane distance of the samples as a function of applied load has been determined from a diffraction peak. The measurement was conducted only for chossen plane of the sample. Young modulus and Poisson ratio were calculated from the measurements of transverse and longitudinal strains of the sample. From this measurement, the Young modulus of the common iron is GPa and Poisson ratio is PENDAHULUAN Hamburan neutron merupakan salah satu metoda yang relatif barn untuk menentukan tegangan sisa (maupun yang sedang dibebankan, applied stress) pada bahan-bahan kristalin. Metoda ini harnpir sarna dengan metoda pengukuran tegangan sisa di permukaan bahan menggunakan hamburan sinar-x. Kelebihan neutron dibandingkan dengan harnburan sinar-x adalah bahwa neutron dapat mengukur tegangan sisa di kedalarnan beberapa sentimeter dari benda uji. Hal ini bisa dilakukan karena neutron tidak bermuatan, sehingga dapat menembus bahan dengan mudah. Tetapi sarnpai saat ini belum ada standar baku pengukuran tegangan sisa menggunakan teknik hamburan neutron. [I] Penelitian ini adalah untuk mendapatkan modulus Young besi pasaran. Untuk maksud ini diperlukan alat uji tarik yang dapat ditempatkan di atas meja sarnpel alat ukur tegangan sisa (DNI-M) sehingga dapat diamati perubahan jarak kisi sebagai fungsi pembebanan yang diberikan pada sarnpel. Pada saat ini DNI-M belum dilengkapi dengan alat uji tarik/tekan yang representatif, artinya dapat dikendalikan secara elektronis. Untuk keperluan itu, dalam tahun anggaran ini akan diusahakan pembuatan alat uji tarik. Penelitian ini dilakukan untuk mencari spesifikasi dari alat yang akan dibuat. Salah satu peralatan hamburan neutron yang terpasang di ruang percobaan Reaktor Serbaguna GA Siwabessy (RSG-GAS) saat ini telah dimodifikasi menjadi alat pengukur tegangan sisa menggunakan teknik hamburan neutron. Berkas neutron berasal dati S- 6 RSG-GAS. Neutron yang berasal dati teras reaktor mula-mula diparalelkan dengan kolimator 40' sebelum sampai ke monokromator. Kristal Monokromator yang digunakan adalah Silikon (311). Monokromator yang digunakan adalah monokromator lengkung (parabola) yang titik fokusnya diatur tepat di titik pusat meja sampel. Neutron yang terhambur kemudian dideteksi dengan menggunakan detektor neutron 0 dimensi. Didepan detektor ini ditempatkan kolimator 20'. 76 ~I 6 J~ 2001

2 ~ Aii'd P~,.,~ y~ J,... Po:..- ~,.,~ 1~ H~ N~ H.~H...,L:.J.,~ TEORI a=p (6) Dengan menggunakan teknik hamburan neutron, jarak kisi suatu bahan kristalin dapat diketahui. Jarak kisi ini akan berubah apabila benda mengalami pembebanan. Dalam hal ini alat pengukur tegangan sisa hanyalah dapat mengukur perubahan jarak kisi ini. Perubahan jarak kisi inilah yang dikenal dengan regangan (strain,e). Untuk mendapatkan besarnya tegangan (stress, a), diperlukan konstanta yang dikenal dengan Modulus Young. Modulus Young yang banyak beredar adalah modulus Young bulk material. Sedangkan pengukuran strain menggunakan hamburan neutron dimungkinkan untuk mengukur strain untuk bidang tertentu saja. Oleh karenanya modulus Young yang digunakan untuk menghitung stress haruslah modulus Young untuk bidang yang sarna. Jarak kisi benda uji dapat diketahui dengan menggunakan hukum Bragg 2.d.sine=). (1) dimana d adalah jarakkisi dalam A clan e adalah Y2 sudut hamburan clan ]I. adalah panjang gelombang yang digunakan dalam satuan A. Perubahan jarak kisi Lld/do adalah: Ad/do= (d-do)/do (2) Karena panjang gelombang yang digunakan selama pengukuran adalah tetap, maka : 1d/do= (sin eol sin e) - (3) dimana eo ada!ah ~ sudut hamburan pada saat benda tidak terbebani. Besarnya tekanan yang diberikan kepada benda uji dapat dipero!eh dengan menggunakan persamaan Pascal: P=4.m.g/7tD2 (4) dimana P adalah tekanan dalam MPa, m adalah beban dalam kg, g=9,8 ms.2 dan D adalah diameter benda uji dalam rom. Poisson ratio adalah perbandingan transver~le strain dengan longitudinal strain. Transverse strain adalah strain yang tegak lurus dengan pembebanan. Sedangkan longitudinal strain adalah strain yang sejajar dengan pembebanan. Modulus Young dan Poisson ratio dapat dihitung dari grafik strain fungsi pembebanan. Modulus Young (E) dihitung dengan persamaan di bawah ini: E= 0"/ e (5) dimana E adalah Modulus Young (TPa), a adalah Stress dalam MPa dan e adalah mikro Strain. Sedangkan Poisson ratio dapat dihitung dari perbandingan slope strain kompresi dengan strain ekspansi pada grafik strain fungsi pembebanan. BAHAN DAN ALA T Bahan yang digunakan sebagai benda uji pada penelitian ini adalah besi pasaran dengan diameter IOmm yang biasa digunakan untuk pembuatan rangka bangunan. Benda uji kemudian dibubut sampai diametemya menjadi Smm. Alat yang digunakan adalah pengukur tegangan sisa DNI-M. Spesifikasi teknis alat ini adalah sebagai berikut: Spesifikasi Teknis DNJ-M Pengukur Tegangan Sisa dengan Metode Hamburan Neutron 1. Monokromator 2. Kolimator 3. Luas Berkas datang 4. Take-off angle 5. Sudut 2-theta 6. Incident slit to sample : max. 190 mrn 7. Sample to difraction slit : max. 310 mrn 8. Beam axis height 9. Translator ] o. Detektor Utama ] 1. Sistem pencacah ]2. Pengendali 13. Perangkat lunak 14. Kurva resolusi : S i (311) terfokus vertikal dan horizontal : # 1 = 40' (sebelum monokromator) #2 = Tidak ada #3 = 20' (an tara sampel dengan detektor utama) : 30(1)*SO(t) mrn2 : : : 91 mrn : X = nm1 Y = mrn Z =0- SO mm : He3 : Canberra : IBM-PC : RESA (JAERl) termodifikasi. : lihat gambar 1. Sedangkan untuk memegang dan membebani benda uji digunakan mesin penekan yang dapat ditempatkan diatas meja sampel. Alat ini dilengkapi dengan load cell, untuk mengetahui besamya pembebanan yang diberikan kepada sampel. Pembebanan tertinggi yang dapat dideteksi oleh load cell adalah 1000 kgf. Dengan benda uji berdiameter 5 mm, besamya tegangan yang dapat c;iiberikan kepada benda uji adalah mulai 0 sampai dengan 499 MPa. dengan ~I 6 J-:

3 ~ A~~ p~ HCIJ..l.., y~ """" p~ ~ H~ T~ h'~ N~ 11.~I1~/~ -q) ~Q)..J ~ J: ~ 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0 SO 100 TATA KERJA 2Theta (degree) Gambar 1. Kurva resolusi DN1-M 150 didapatkan dengan memutar 90 derajat relatif terhadap posisi hoop-nya. HASIL DAN PEMBAHASAN Dari basil pengukuran panjang gelombang dengan Silikon serb uk, didapatkan pola difraksi seperti ditunjukkan pada gambar 2. Sedangkan pola difraksi besi tanpa beban ditunjukkan pada gambar 3. Pertama-tama DNI-M harus dikalibrasi terlebih dahulu untuk mengetahui panjang gelombang yang digunakan. Untuk keperluan ini digunakan sampel standar Silikon serbuk. Setelah diketahui dengan pasti panjang gelombangnya, benda yang akan diukur modulus elastisitasnya diamati pola hamburan neutronnya. Setelah itu ditentukan bidang yang mana yang akan diamati perubahan jarak kisinya. Benda uji yang akan diukur kemudian diputar pada sumbu meja sampel pada posisi tegak dan mendatar dan kemudian di-scan theta-2theta disekitar sudut hamburan dari bidang yang akan diamati. Dari sini akan didapatkan jarak kisi referensi (do). Benda uji yang akan diukur pertama-tama ditempatkan pada pemegang sampel yang telah dipasang diatas meja sampel. Sebelum dilakukan pembebanan, hams diketahui terlebih dahulu jarak kisi tanpa beban. Pengukuran dilakukan dalam dua posisi, yaitu posisi Hoop dan Radial. Posisi Hoop adalah posisi pada saat vektor hamburan (Q) sejajar dengan gaya pembebanan. Penempatan benda uji pada posisi Hoop ditunjukkan pada gambar 2. Gambar 2. Pola difraksi neutron dari serbuksilikon standar diukur dengan DN1-M Gambar 3. Pola difraksi neutron pad a besi tanpa beban Dari pola difraksi besi diatas, terlihat adanya dua puncak, yaitu pada sudut 2theta sarna dengan 55,4 dan 82,2 derajat. Selanjutnya pengukuran dilakukan pada puncak yang kedua. Posisi puncak untuk posisi hoop dan radial dan besarnya pernbebanan ditarnpilkan dalarn tabel 1. G8ye Tabel1. Posisi Puncak Hoop dan Radial pad a Besi Gambar 2. Penempatan benda uji pada posisi Hoop Sedangkan posisi radial adalah posisi pacta saat Q tegak lurns terhadap gaya. Pengarnbilan data untuk posisi Hoop dad radial harus dilakukan di ternpat yang sarna. Untuk keperluan itu daerah yang akan diarnati haruslah terletak di tengah rneja sarnpel. Posisi radial 78 ~I 6 J~ 2001

4 ~ A4i.d p~ H~ y~ "- Po:-- ~ H~ T~ H~ N~ H. R H...l:t. ~ Dari tabel diatas kemudian dihitung besamya strain (i\d/do) dan besamya tekanan yang diberikan kepada benda uji (lihat tabel 2) Tabel 2. Strain (Ad/do) dan Tekanan pad a Benda Uji No Tekanan (Mpa) mikrostrain Hoop mikrostrain Radial Dengan mengabaikan data pada baris kedua sampai keempat, dibuat grafik strain stress seperti dtunjukkan pada gambar 4. untuk bidang tertentu saja.. Sedangkan untuk harga rasio Poisson sebesar 1,44 hal ini jelas sulit dipertanggung jawabkan secara teoritis. Besarnya harga Poisson ratio ini diduga disebabkan dari metoda dan alat penekan sampel yang digunakan. Dalam percobaan ini sampel ditekan dengan pembebanan yang relatif besar. Dapat saja terjadi sampel menjadi melengkung. Kejadian ini tidaklah diharapkan, karena akan terjadi gradasi jarak kisi pada arab kelengkungan. Melengkungnya sampel disebabkan karena gaya-gaya yang bekerja di kedua ujung sampel tidaklah segaris lurus. Penekan yang digunakan selama percobaan ini dapat dilihat pada gambar 5. Titik tengah antara kedua penekan sampel ini sudah diusahakan segaris waktu pembuatan, tetapi karena adanya toleransi yang cukup besar pada ulir yang digunakan, sehingga titik tengah dari keduanya tidaklah selalu segaris lurus horizontal. Hal ini pula yang menyebabkan posisi sampei semakin miring seiring dengan bertambahnya pembebanan. Posisi sampel yang bergerak seiring dengan pembebanan tidaklah dikehendaki karena akan menyebabkan perubahan posisi daerah pengamatan. Gambar 4. Kurva Strain Stress besi pasaran Dengan memperhatikan posisi sudut hamburan untuk bidang (220) sampai dengan (331) sampel silikon serbuk, didapatkan bahwa panjang gelombang yang digunakan dalam percobaan ini adalah 0,1884 nm. Pengukuran pergeseran puncak difraksi sampel besi sebagai fungsi pembebanan di1akukan pada sudut disekitar 82:2 derajat karena pada posisi ini volume sampel yang terkena neutron adalah paling sedikit. Meskipun dati kurva resolusi DNI-M, posisi ini bukanlah posisi optimum alat ini. Dalam hal ini yang lebih dipentingkan adalah mendapatkan volum~ seminimal mungkin. ldealnya kurva resolusi alat ini mempunyai plateu yang lebar, sehingga untuk beberapa posisi pengukuran yang berbeda akan mempunyai resolusi yang tidakjauh berbeda. Dari kurva Strain Stress besi pasaran diketahui besarnya modulus Young bahan ini adalah 288,7 GPa dengan rasio Poisson sebesar 1,44. Nilai perbandingan Poisson untuk benda yang diuji dengan mesin uji tarik biasanya berkisar dati 0 sampai 0,5 untuk bahan yang isotropik. Sedangkan modulus Young untuk besi berkisar GPa [2,3]. Kedua nilai diatas terlihat jauh berbeda. Tetapi untuk besaran modulus Young, perbedaan ini masih bisa ditolerir, karena harga GPa adalah untuk bulk material. Sedangkan yang didapatkan dalam pengukuran ini adalah modulus Young (a) Posisi pemegang Sam pel Oi Atas Goniometer Sampel. (b). Detail Posisi Sampel pada Saat Pengukuran Gambar 5. Posisi pemegang Sam pel Secara teoritis, pembebanan berupa penekanan dan penarikan terhadap sampel, tidaklah berbeda. Tetapi selama percobaan ini terlihat bahwa apabila pembebanannya berupa penekanan, posisi sampel akan semakin miring dengan bertambahnya beban. Karena hal ~I 6 J~

5 St...l.: AiII,.L p~ M~ y~ k". p~ ~ M~ T~ H..,..t.., N~ H. R H~. ~ ini juga maka sulit diharapkan terjadinya pemampatan di tengah-tengah sampel apabila beban diperbesar, yang akan terjadi adalah melengkungnya sampel karena adanya gaya geser. Hal ini semua disebabkan karena tidak segarisnya gaya-gaya yang bekerja di kedua ujung sampel. Dan juga disebabkan besarnya toleransi dati ulir penekan yang digunakan. KESIMPULAN Dari hasil studi pendahuluan ini dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut: Dengan menggunakan peralatan DNI-M dapat diukur Modulus Young dad Poisson ratio mikroskopik dari suatu bahan polikristal. 2. Hasil dati pengukuran Poisson ratio masih jauh dati yang diharapkan karena pemegang sampel dad sistim pembebanannya perlu disempumakan. DAFTARPUSTAKA [1]. ISO V AMAS; Technology Trends Assessment: Polycrystalline materials-determination of residual stressess by neutron diffraction; 151 edition [2]. R.S. KHURMI & J.K.. GUPTA, A Text Book of Machine Design, Eurasia Publishing House LTD. Ram Nagar New Delhi-I 10055, son.html 80 ~, ~ J~ 2001