PENGARUH PRE-STRAIN TERHADAP SIFAT MEKANIS PADA PENGELASAN LOGAM BERBEDA ANTARA BAJA TAHAN KARAT DAN BAJA KARBON T E S IS

Transkripsi

1 PENGARUH PRE-STRAIN TERHADAP SIFAT MEKANIS PADA PENGELASAN LOGAM BERBEDA ANTARA BAJA TAHAN KARAT DAN BAJA KARBON T E S IS Disusun untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Magister Program Studi Teknik Mesin Oleh SUSILO LUHUR PAMBUDI NIM. S MAGISTER TEKNIK MESIN PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2015 i

2 HALAMAN PENGESAHAN PENGARUH PRE-STRAIN TERHADAP SIFAT MEKANIS PADA PENGELASAN LOGAM BERBEDA ANTARA BAJA TAHAN KARAT DAN BAJA KARBON TESIS Oleh SUSILO LUHUR PAMBUDI NIM. S Pembimbing Nama Tanda-Tangan Pembimbing I Dr. Triyono, S.T., M.T.... NIP Pembimbing II Prof. Dr. Kuncoro Diharjo, S.T,. M.T NIP Telah dinyatakan memenuhi syarat pada tanggal 16 Desember 2015 Ketua Program Studi Teknik Mesin Program Pasca Sarjana UNS Dr. Triyono, S.T., M.T. NIP ii

3 PENGARUH PRE-STRAIN TERHADAP SIFAT MEKANIS PADA PENGELASAN LOGAM BERBEDA ANTARA BAJA TAHAN KARAT DAN BAJA KARBON TESIS Oleh SUSILO LUHUR PAMBUDI NIM. S Telah dipertahankan di depan penguji dan dinyatakan telah memenuhi syarat pada tanggal 16 Desember 2015 Tim Penguji Jabatan Nama Tanda-Tangan Ketua Dr. Agus Supriyanto, S.Si., M.Si.... NIP Sekretaris Dr. Nurul Muhayat, S.T., M.T.... NIP Anggota Penguji Dr. Triyono, S.T., M.T.... NIP Prof. Dr. Kuncoro Diharjo, S.T,.M.T.... NIP Mengetahui: Direktur Program Pascasarjana UNS Ketua Program Studi Teknik Mesin Prof. Dr. M. Furqon Hidayatullah, M.Pd. Dr. Triyono, S.T., M.T. NIP NIP iii

4 PERNYATAAN ORISINILITAS DAN PUBLIKASI ISI TESIS PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan: 1. Tesis yang berjudul: PENGARUH PRE-STRAIN TERHADAP SIFAT MEKANIS PADA PENGELASAN LOGAM BERBEDA ANTARA BAJA TAHAN KARAT DAN BAJA KARBON ini adalah karya penelitian saya sendiri dan bebas dari plagiat, serta tidak terdapat karya ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk memperoleh gelar akademik serta tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain kecuali secara tertulis digunakan sebagai acuan dalam naskah ini dan disebutkan dalam sumber acuan serta daftar pustaka. Apabila di kemudian hari terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini, maka saya bersedia menerima sanksi sesuai ketentuan peraturan perundang-undangan (Permendiknas No. 17, tahun 2010). 2. Publikasi sebagian atau keseluruhan isi Tesis pada jurnal atau forum ilmiah lain harus seijin dan menyertakan tim pembimbing sebagai author dan PPs UNS sebagai institusinya. Apabila dalam waktu sekurang-kurangnya satu semester (enam bulan sejak pengesahan tesis) saya tidak melakukan publikasi dari sebagian atau keseluruhan tesis ini, maka Prodi Magister Teknik Mesin UNS berhak mempublikasikannya pada jurnal ilmiah yang relevan. Apabila saya melakukan pelanggaran dari ketentuan publikasi ini, maka saya bersedia mendapatkan sanksi akademik yang berlaku. Surakarta, 16 Desember 2015 Mahasiswa Susilo Luhur Pambudi NIM. S iv

5 Susilo Luhur Pambudi, NIM: S , PENGARUH PRE-STRAIN TERHADAP SIFAT MEKANIS PADA PENGELASAN LOGAM BERBEDA ANTARA BAJA TAHAN KARAT DAN BAJA KARBON. Komisi Pembimbing I: Dr. Triyono, S.T., M. T. Pembimbing II: Prof. Dr. Kuncoro Diharjo, S.T., M.T. Tesis Program Studi Magister Teknik Mesin. Program Pasca Sarjana. Universitas Sebelas Maret Surakarta. Abstrak Tesis ini meneliti tentang tentang pengaruh pre-strain terhadap mikrostruktur dan sifat mekanis pada sambungan las dissimilar metal antara SUS304 dengan SS400. Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki pengaruh pre-strain selama proses pengelasan terhadap distorsi sudut, distribusi regangan sisa, kekuatan las, dan perambatan retak fatik. Hasil lasan dievaluasi perubahan bentuk dimensi akibat pengaruh panas selama proses pengelasan. Distorsi pada hasil pengelasan diukur dengan menggunakan meja indicator pada permukaan hasil las dan solidwork Regangan sisa pada penelitian ini diukur dengan difraksi neutron pada bidang defleksi (110), panjang gelombang adalah 1,836 Å, dan besar sudut difraksi adalah 2θ. Penampang permukaan spesimen dipoles dan dietsa untuk mengetahui bentuk struktur mikronya. Alat yang digunakan adalah mikroskop optik dengan menggunakan pembesaran 40X, 200X, dan 500X. Nilai kekerasan diuji dengan Micro Hardness Vickers dengan interval pengukuran 1 mm menggunakan beban 100 gf dengan durasi indentasi selama 20 detik. Pengujian fatik dilakukan dengan siklus pembebanan tarik pada frekuensi 11 Hz, Rasio beban (R) = 0.2, P max = 3922 N, P min = 785 N, dan P = 3138 N. Pengukuran distorsi menunjukkan bahwa perlakuan pre-strain dapat menurunkan distorsi dibandingkan dengan tanpa perlakuan pre-strain. Sedangkan untuk pengujian difraksi neutron menyatakan bahwa pre-strain dapat meningkatkan regangan arah longitudinal pada daerah weld toe (daerah batas lasan). Sedangkan untuk pengujian kekerasan diketahui bahwa dengan meningkatnya perlakuan prestrain dapat meningkatkan nilai distribusi kekerasannya. Sedangkan dalam pengujian rambatan retak fatik menyatakan bahwa semakin meningkat perlakuan pre-strain akan mengakibatkan siklus rambatan retak fatiknya semakin cepat. Kata Kunci: pre-strain, SUS304, SS400, distorsi, regangan sisa, fatik, v

6 Susilo Luhur Pambudi, NIM: S , EFFECT PRE-STRAIN ON MECHANICAL PROPERTIES OF METAL WELDED BETWEEN STAINLESS STEEL AND CARBON STEEL. Supervisor I: Dr. Triyono, S.T., M.T. Supervisor II: Prof. Dr. Kuncoro Diharjo, S.T.,M.T. Thesis Master of Mechanical Engineering. Graduate School. Sebelas Maret University, Surakarta. Abstract This thesis examines the effect of the pre-strain on the microstructure and mechanical properties on dissimilar metal welded between SUS304 and SS400. This research aims to investigate the effect of the pre-strain during the welding process to the distortion, residual strain distribution, weld strength and fatigue crack propagation. Welding results are then evaluated changes in terms of dimensions due to heat effect during the welding process. Measurement of the welding distortion using indicator table and solidwork The residual stress in this study was measured by neutron diffraction in the field of deflection (110), the wavelength was Å, and the diffraction angle is 2θ. Cross-section of the specimen surface is polished and etched to determine the microstructure. The tool used is an optical microscope with a magnification of 40X, 200X, and 500X. The value of hardness tested with Micro Hardness Vickers, the measurement interval was 1 mm, using a load of 100 gf, with duration of indents was 20 seconds. Fatigue testing is done with the loading cycle frequency of 11 Hz, the ratio of load (R) = 0.2, P max = 3922 N, P min = 785 N, and P = 3138 N. Distortion measurements showed that the pre-strain treatment can reduce distortion compared with untreated pre-strain. Neutron diffraction testing states that pre-strain can increase the strain in the longitudinal direction at the weld toe area (boundary of welds area). Hardness testing is known that with increasing pre-strain treatment can increase the distribution of hardness values. Fatigue crack propagation tests showed that the increased of pre-strain treatment will cause fatigue crack propagation cycle be faster Keywords: pre-strain, SUS304, SS400, distortion, residual strain, fatigue vi

7 KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT atas rahmat dan karunia-nya sehingga dalam penyusunan tesis mengenai pre-strain pada pengelasan logam tidak sejenis ini dapat terselesaikan. Dalam tesis ini meneliti tentang tentang pengaruh pre-strain terhadap mikrostruktur dan sifat mekanis pada sambungan las dissimilar metal antara SUS304 dengan SS400. Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki pengaruh pre-strain selama proses pengelasan terhadap distorsi sudut, distribusi regangan sisa, kekuatan las, dan ketahanan fatiknya. Tesis ini telah selesai atas bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak, oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Keluarga saya yang telah memberikan banyak dorongan moril dan doanya. 2. Dr. Triyono, S.T., M.T. selaku Ketua Prodi Magister Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta dan sebagai dosen pembimbing utama yang telah banyak memberikan bantuan, masukan dan petunjuk yang bermanfaat. 3. Prof. Dr. Kuncoro Diharjo, S.T, M.T. selaku dosen pembimbing pendamping yang telah banyak memberikan bantuan, masukan dan petunjuk yang bermanfaat. 4. Seluruh dosen, staff, dan kerabat Jurusan Teknik Mesin UNS Surakarta yang mempunyai andil bagi kelancaran dalam penelitian ini. 5. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah membantu demi kelancaran penyelesaian penelitian ini. Akhir kata, penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan dalam penyusunan tesis ini. Oleh karena itu, penulis membuka pintu seluas-luasnya untuk saran serta kritik yang bersifat membangun demi keberhasilan semuanya. Surakarta, 16 Desember 2015 Penulis vii

8 DAFTAR ISI Halaman JUDUL HALAMAN... i HALAMAN PENGESAHAN... ii PERNYATAAN ORISINILITAS DAN PUBLIKASI ISI TESIS... iv Abstak... v Abstrac... vi KATA PENGANTAR... vii DAFTAR ISI... viii DAFTAR TABEL... x DAFTAR GAMBAR... xi BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuaan Penelitian... 4 BAB II TEORI Tinjauan Pustaka Dasar Teori Pengelasan Dissimilar Metal Baja Tahan Karat dan Baja Karbon Distorsi pada Hasil Las Tegangan Sisa (Residual Stress) Analisa Regangan Sisa Rambatan Retak Fatik viii

9 BAB III METODE PENELITIAN Persiapan Material Proses Pengelasan dengan perlakuan pre-strain Pengukuran Distorsi Uji Regangan Sisa Struktur Mikro Uji Kekerasan Uji Rambatan Retak Fatik Uji Tarik BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Pengukuran Distorsi Hasil Pengukuran Regangan Sisa Arah Longitudinal Hasil Pengamatan Struktur Mikro Hasil Pengujian Kekerasan Hasil Pengujian Tarik Hasil Pengujian Rambatan Retak Fatik BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN ix

10 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1. Sifat mekanis baja tahan karat SUS Tabel 2.1. Sifat fisik baja tahan karat SUS Tabel 2.3. Sifat mekanis baja karbon SS Tabel 2.4. Sifat fisik baja karbon SS Tabel 3.1. Komposisi Kimia SUS304 dan SS Tabel 3.2. Sifat Mekanik SUS304 dan SS Tabel 3.3. Perlakuan pre-strain pada SUS Tabel 4.1. Konstanta persamaan Paris x

11 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 (a) Skema ilustrasi dari proses pengelasan gas metal arc-welding (GMAW) (b) Peralatan dasar yang digunakan dalam operasi gas metal arc-welding... 6 Gambar 2.2 Distorsi dalam struktur dilas... 9 Gambar 2.3 Mengurangi distorsi angular dengan mengurangi volume logam las dan dengan menggunakan pengelasan single-pass deep-penetration Gambar 2.4 Mengurangi distorsi sudut dengan menggunakan sambungan double-v dan pengelasan bergantian di kedua sisi sambungan Gambar 2.5 Tegangan termal Gambar 2.6 Skema perubahan temperatur dan tegangan termal selama pengelasan Gambar 2.7 Distribusi tegangan sisa longitudinal (s x ) dan transverse (s y ) pengelasan butt joint Gambar 2.8 Ilustrasi skematik dari geometri hamburan neutron Gambar 2.9 Tegangan fatik berulang (atas) dan pembentukan intrusions dan extrusions (bawah) Gambar 2.10 Permukaan kelelahan menunjukkan intrusions dan extrusions.. 14 Gambar 2.11 SEM dengan 3000x pembesaran Gambar 2.12 Data pertumbuhan retak fatik yang disajikan dalam fraktur mekanika Gambar 3.1 Diagram alir metode penelitian Gambar 3.2 Alat pre-strain Gambar 3.3 Sketsa proses pre-strain Gambar 3.4 Pengukuran distorsi dengan menggunakan meja indicator Gambar 3.5 Titik pengukuran defleksi xi

12 Gambar 3.6 Gambar skema pengukuran tegangan sisa Gambar 3.7 Proses pengamatan dengan menggunakan mikroskop optik Gambar 3.8 Prosedur pengukuran Micro Hardness Vickers Gambar 3.9 Spesimen Uji Rambatan Retak Fatik Gambar 3.10 Gambaran singkat uji tarik Gambar 3.11 Spesimen Uji Tarik Gambar 4.1 Distribusi distorsi spesimen tanpa pre-strain Gambar 4.2 Distribusi distorsi spesimen yang dipre-strain 3% Gambar 4.3 Distribusi distorsi spesimen yang dipre-strain 6% Gambar 4.4 Distribusi distorsi spesimen yang dipre-strain 7% Gambar 4.5 Distorsi pada pengelasan logam berbeda antara baja tahan karat SUS304 dan baja karbon SS Gambar 4.6 Hamburan neutron yang ditembakkan pada spesimen Gambar 4.7 Grafik intensitas Gambar 4.8 Grafik besar regangan hasil difraksi neutron Gambar 4.9 Foto Makro Spesimen pengelasan dissimilar metal Gambar 4.10 Struktur mikro base metal baja karbon SS Gambar 4.11 Struktur mikro daerah HAZ baja karbon SS Gambar 4.12 Struktur mikro daerah lasan Gambar 4.13 Struktur mikro daerah HAZ baja tahan karat SUS Gambar 4.14 Struktur mikro base metal baja tahan karat SUS Gambar 4.15 Grafik nilai distribusi kekerasan Micro Hardness Vickers Gambar 4.16 Diagram tegangan tarik pengelasan SUS304 dengan SS Gambar 4.17 Grafik tegangan-regangan pengujian tarik pengelasan SUS304 dengan SS Gambar 4.18 Penampang patahan uji tarik Gambar 4.19 Bentuk patahan pada spesimen uji tarik dengan pre-strain 0%.. 42 Gambar 4.20 Bentuk patahan pada spesimen uji tarik dengan pre-strain 3%.. 43 Gambar 4.21 Bentuk patahan pada spesimen uji tarik dengan pre-strain 6%.. 43 Gambar 4.22 Bentuk patahan pada spesimen uji tarik dengan pre-strain 7%.. 44 xii

13 Gambar 4.23 Gambar pengamatan rambatan retak fatik menggunakan kaca pembesar Gambar 4.24 Grafik hubungan antara panjang retak (a) dengan jumlah siklus (N) Gambar 4.25 Grafik (da/dn - K) pre-strain 0% Gambar 4.26 Grafik (da/dn - K) pre-strain 3% Gambar 4.27 Grafik (da/dn - K) pre-strain 6% Gambar 4.28 Grafik (da/dn - K) pre-strain 7% Gambar 4.29 Grafik gabungan trendline Gambar 4.30 Gambar Tahap Patahan Fatik Gambar 4.31 Bentuk patahan pada stage I spesimen pre-strain 0% Gambar 4.32 Bentuk patahan pada stage I spesimen pre-strain 3% Gambar 4.33 Bentuk patahan pada stage I spesimen pre-strain 6% Gambar 4.34 Bentuk patahan pada stage I spesimen pre-strain 7% Gambar 4.35 Bentuk patahan pada stage II spesimen pre-strain 0% Gambar 4.36 Bentuk patahan pada stage II spesimen pre-strain 3% Gambar 4.37 Bentuk patahan pada stage II spesimen pre-strain 6% Gambar 4.38 Bentuk patahan pada stage II spesimen pre-strain 7% Gambar 4.39 Bentuk patahan pada stage III spesimen pre-strain 0% Gambar 4.40 Bentuk patahan pada stage III spesimen pre-strain 3% Gambar 4.41 Bentuk patahan pada stage III spesimen pre-strain 6% Gambar 4.42 Bentuk patahan pada stage III spesimen pre-strain 7% xiii