Pengaruh Shot Peening Ulang Terhadap Kelelahan (Fatique) Sambungan Las

Transkripsi

1 Pengaruh Shot Peening Ulang Terhadap Kelelahan (Fatique) Sambungan Las Muchtar Karo Karo Laboratorium Metalurgi Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri ITS Abstrak Patah lelah (fatique) merupakan salah satu penyebab utama kegagalan material/konstruksi. Kelelahan material adalah proses perubahan struktur material yang diakibatkan beban dinamis (tegangan atau regangan) sehingga terjadi retak (crack) ataupun patah. Mekanisme patah lelah diawali dengan tumbuhnya inti retak akibat pergerakan dislokasi siklik, dilanjutkan dengan pertumbuhan menjadi microcrack yang kemudian tumbuh menjadi macrocrack dan selanjuinya berkembang (propagasi) hingga terjadi patah lelah. Shot peening adalah proses penembakan permukaan material dengan partikel baja (shot) sehingga terjadi tegangan sisa tekan pada lapisan permukaan. Percobaan untuk mengetahui pengaruh shot peening terhadap umur lelah digunakan sambungan las (butt joint) plat baja AISI 1020 tebal 3 mm. Setelah dilakukan pengelasan, plat baja selanjutnya dipotong dan dibentuk sesuai ukuran standar spesimen fatique yang digunakan. Selanjutnya dilakukan uji fatique untuk memperoleh umur lelah (kurva S-N) sambungan awal. Kemudian terhadap sejumlah spesimen dilakukan shot peening pada tekanan udara kompresi 7 bar, jarak tembak 0,75 m selama 10 detik dan selanjutnya dilakukan uji fatique. Terhadap sejumlah spesimen yang telah di shot peening dilakukan pembebanan siklik dan dihentikan masing-masing setelah sikius 0,3; 0,5 dan 0,7 dari umur lelahnya (Nf). Kemudian terhadap spesimen tersebut dilakukan shot peening ulang dilanjutkan dengan uji fatique hingga patah. Dengan membandingkan umur lelah (kurva S-N) ketiga macam kondisi perlakuan sambungan ini diperoleh: Umur lelah sambungan las yang telah mengalami shot peening meningkat 20,5-22 % dibandingkan terhadap umur lelah sebelum shot peening. Umur lelah sambungan las yang telah mengalami shot peening - pembebanan siklik - shot peening ulang meningkat 2,19-14,50 % dibandingkan umur lelah sambungan las yang telah mengalami shot peening. Peningkatan umur lelah ini diduga karena penguatan kembali tegangan sisa tekan pada lapisan permukaan yang telah melemah (turun) akibat beban siklik. Shot peening menyebabkan permukaan sambungan las menjadi kasar. Kata kunci: fatique, mikrocrack, propagasi, umur lelah, shot peening Sambungan las merupakan bagian yang paling rawan terjadi kegagalan pada. komponen mesin/konstruksi karena terjadi perubahan sifat material akibat pengaruh panas dan kecenderungan terdapat cacat pengelasan pada sambungan. Pada komponen/konstruksi yang mengalami beban dinamis berulang-ulang (fatique), hal tersebut dapat merupakan sumber dan faktor pemacu penjalaran retak hingga umur lelah sambungan turun drastis. Berbagai upaya dilakukan untuk mengantisipasi kerawanan tersebut seperti pengelasan yang benar sesuai WPS (Welding Procedure Specification), kualifikasi juru las (Welder Qualification), inspeksi sambungan las secara NDT (Non Destructive Test), perlakuan shot peening dan lain sebagainya. Kelelahan material adalah proses perubahan struktur dalam material secara terus menerus akibat adanya beban (tegangan atau regangan) yang berulang-ulang sehingga terjadi retak ataupun patah. Sedang shot peening adalah proses perlakuan mekanis yaitu partikel besi ditembakkan dengan kecepatan tinggi ke permukaan material, sehingga terjadi deformasi plastis pada lapisan permukaan. Akibat deformasi plastis ini akan timbul tegangan sisa tekan pada. lapisan tersebut. 1

2 2 Jurnal Teknik Mesin, Volume 2, Nomor 1, Januari 2002 Permasalahan yang diketengahkan pada penelitian ini seberapa besar peningkatan umur lelah sambungan las setelah mengalami shot peening dan apakah shot peening ulang terhadap sambungan las yang telah mengalami beban dinamis berulang (cyclic) dapat meningkatkan umur lelah. Percobaan dan Hasil Tulisan ini disusun berdasarkan hasil percobaan shot peening dan shot peening ulang serta pengujian terkait yang dilakukan sesuai urutan/prosedur berikut ini. Persiapan material yaitu plat baja AISI 1020 tebal 3 mm dengan analisa komposisi Karbon (C) = 0,15%, Mangan (Mn) = 0,49%, Silikon (Si) = 0,30%. 1. Pengelasan dengan metode TIG elektrode Tungsten 2% Thorium diameter 2,4 mm. Proses pengelasan menggunakan arus 50 A polaritas DCSP, gas pelindung Argon, Filler metal A5.18 (TGS-50) diameter 2,4 mm dengan tipe sambungan las Butt Joint V-Groove Pemotongan spesimen untuk uji tarik dan uji fatique sesuai spesifikasi standar masing-masing. 3. Uji tarik, kekerasan dan pengamatan struktur mikro sambungan las. Hasil uji tarik dan kekerasan disajikan pada Tabel 1 dan Tabel 3. Pengamatan metalografi ditunjukkan pada Gambar Uji fatique untuk menentukan umur lelah (kurva S-N) awal sambungan las. Pengujian dilakukan pada mesin reversed bending type LFE-150 dan hasil pengujian disajikan pada Tabel 2. Spesime n Yield Strength σ y (Kg/mm 2 ) Tensile Strength σ y (Kg/mm 2 ) 1 31,4 36, ,98 34, ,58 35,02 Rata-rata 29,65 39,26 Tabel 1. Data hasil uji tarik sambungan las (a) (b) (c) Gambar 1. Struktur mikro sambungan las: (a). Logam induk, (b). HAZ dan (c). Logam las (Etsa Nital 2%, Pembesaran 100 x) 5. Shot peening terhadap sambungan las. Shot dilakukan pada tekanan udara tiup 7 bar dan jarak tembak antara nozel dengan permukaan spesimen 0,75 meter. Partikel shot peening yang digunakan adalah baja, ukuran S230 (φ 0,913 mm), kekerasan Rc dengan waktu peening 10 detik dan bukaan nozel φ 10 mm. 6. Uji kelelahan (fatique) terhadap sambungan las yang telah mengalami shot peening. Hasil uji fatique dicantumkan pada Tabel Pembebanan kelelahan hingga siklus masing-masing 0,3; 0,5 dan 0,7 Nf (Nf adalah umur lelah masing-masing yang diperoleh dari percobaan langkah 7/Tabel 2.

3 Karo Karo, Pengaruh Shot Peening 3 8. Shot peening ulang, pada tekanan udara 7 bar, jarak tembak 0,75 meter dan waktu peening 10 detik seperti yang dilakukan pada shot peening pertama. 9. Uji fatique terhadap spesimen yang telah mengalami pembebanan kelelahan dan shot peening ulang (langkah 8 dan 9). Data hasil pengujian disajikan pada Tabel Selanjutnya dilakukan uji kekerasan pada spesimen yang telah mengalami shot peening dan shot peening ulang, dengan hasil pada Tabel Pengambilan foto kekasaran permukaan terhadap sambungan las yang telah mengalami shot peening dan shot peening ulang, dengan hasil seperti yang diilustrasikan seperti terlihat pada Gambar 2 dan Gambar 3. Spesimen NP (Tidak mengalami proses peening) P (mengalami proses peening) RP (Proses peening ulang setelah pembebanan pada tingkat tegangan 0,9 σ y dan penghentian Nf) Daerah Logam induk HAZ Logam Las Logam induk HAZ Logam Las Logam induk HAZ Kekerasan (HV) 145,43 142,59 145,43 179,15 179,15 183,15 175,27 171,53 175,27 160,97 148,35 157,67 187,29 179,15 191,57 187,29 171,53 187,29 171,53 145,43 167,89 200,58 183,15 200,58 196,00 175,27 Logam Las 191,57 Tabel 3. Data hasil Uji Kekerasan sambungan las (a) (b) (c) Gambar 2. Foto kekasaran permukaan sambungan las yang telah mengalami shot peening ulang: (a) logam induk, (b) HAZ dan (c) logam las (Pembesaran 100x)

4 4 Jurnal Teknik Mesin, Volume 2, Nomor 1, Januari 2002 (a) (b) (c) Gambar 3. Foto kekasaran permukaan terhadap sambungan las yang telah mengalami shot peening ulang: (a) logam induk, (b) HAZ dan (c) logam las (Pembesaran 100x) Analisa Hasil Percobaan Pengaruh shot peening dan shot peening ulang terhadap umur lelah sambungan las yang telah mengalami pembebanan fatique dapat dilihat pada Gambar 4. Gambar 4. Kurva S-N sambungan las Dari gambar tersebut terlihat bahwa shot peening meningkatkan umur lelah sambungan las yang signifikan. Analisa statistik juga memperkuat pernyataan tersebut. Shot peening ulang juga memberikan kenaikan umur lelah meskipun tidak sebesar kenaikan antara tanpa shot peening dengan shot peening. Kenaikan umur lelah ini diduga akibat penguatan kembali tegangan sisa yang sudah mulai melemah ketika dilakukan pembebanan fatique. Analisa statistik menunjukkan bahwa kenaikan umur lelah setelah dilakukan shot peening ulang cukup signifikan. Kekerasan sambungan las bervariasi antara logam induk, HAZ dan logam las. Setelah dilakukan shot peening dan shot peening ulang terjadi kenaikan kekerasan pada kedua permukaan sambungan (posisi 1 dan 3), sedangkan pada bagian tengah (posisi 2) tidak terjadi perubahan. Namun demikian analisa statistik menunjukkan bahwa kenaikan kekerasan ini tidak signifikan untuk level signifikan (α) 5 %. Hal ini diduga karena material tidak homogen sehingga perubahan kekerasan ini secara statistik menjadi tidak signifikan. Permukaan lasan menjadi kasar akibat shot peening (Gambar 2 dan Gambar 3) baik pada dasar logam induk, HAZ maupun daerah logam las. Kekasaran permukaan sambungan las berkisar antara R a (µ m ) 2,93-3,25 dan R t (µ m ) 12,02-14,86. Shot peening ulang tidak menunjukkan perubahan kekasaran yang signifikan. Diskusi Shot peening pada permukaan material menyebabkan timbulnya tegangan sisa tekan yang semakin menurun kedalaman dari permukaan. Pada pembebanan fatique reversed bending, distribusi tegangan berubah semakin kecil ke arah sumbu netral dan berganti tanda dari tekan menjadi tarik atau sebaliknya hingga permukaan sebelah bawah. Distribusi tegangan pada sambungan las yang telah mengalami shot peening digambarkan secara skematis pada Gambar 5. Dari gambar tersebut terlihat bahwa tegangan tarik yang bekerja pada permukaan akan berkurang akibat adanya tegangan sisa tekan. Semakin besar tegangan sisa tekan yang terjadi maka semakin kecil pula tingkat

5 Karo Karo, Pengaruh Shot Peening 5 tegangan tarik yang bekerja pada permukaan sambungan las. Gambar 5. Distribusi tegangan saat uji fatique sambungan las yang telah mengalami shot peening Terjadinya kegagalan fatique mengacu pada model Wood [15]. Patah fatique terjadi pada dua tahapan yaitu tahap pengintian retak yang terdiri dari periode cyclic slip, pengintian retak dan perambatan retak mikro. Tahapan kedua yaitu perambatan retak makro dan patah statis yang terjadi karena penampang permukaan yang tersisa tidak lagi sanggup menahan beban yang diberikan. Shot peening terhadap permukaan sambungan menyebabkan perubahan distribusi tegangan pada saat pembebanan (turunnya tingkat tegangan tarik). Hal ini diduga menyebabkan tahapan pengintian retak menjadi terhambat. Penghambatan ini karena tingkat tegangan tarik yang lebih rendah sehingga terjadinya titik slip lebih sedikit dan juga karena slip tarik dan slip tekan mungkin terjadi pada satu bidang (proses reversible) karena tegangan tekan yang lebih besar dapat mengatasi pengaruh penguatan regang (strain hardening) pada saat terjadi slip tarik. Perambatan retak makro diduga tidak terpengaruh oleh adanya shot peening. Perlu diingat bahwa adanya shot peening menyebabkan permukaan menjadi kasar. Kekasaran ini diduga setara dengan ukuran retak makro dan merupakan sumber terjadinya konsentrasi tegangan dapat memacu terjadinya patah lelah. Kesimpulan Berdasarkan hasil penilitian ini dapat diambil kesimpulan sebagai berikut. Umur lelah sambungan las dapat ditingkatkan diatas 20% dengan cara shot peening. 1. Shot peening ulang dapat meningkatan umur lelah sebesar 2-14 %. 2. Kekasaran permukaan akibat shot peening meningkat hingga R a (µ m ) maksimum 3,25 dan R t (µ m ) 14,68, dan kekasaran ini tidak banyak berubah dengan adanya shot peening ulang. Penutup Penulis menyampaikan terima kasih dan penghargaan kepada saudara Nurmawan dan saudara Adianto Dwi Rahatmono yang telah melakukan percobaan shot peening ini. Terima kasih berikutnya penulis sampaikan kepada Proyek QUE-Jurusan Teknik Mesin FTI - ITS yang telah membantu dalam evaluasi dan dana penelitian. Juga kepada semua pihak yang telah ikut membantu dalam penelitian ini dan khususnya saudari Amida yang telah berlelah mengedit tulisan ini, penulis haturkan terima kasih. Referensi [1] Ach. Agus Sueidi, 1998, "Pengaruh Full Annealing Terhadap Sifat Mekanis Baja AISI 1045 Yang Telah Mengalami Pembebanan Tarik", Jurusan Teknik Mesin FTI ITS. [2] Adimin, 1994,"Pengaruh Proses Laku Panas Terhadap Kelelahan Pada Baja SS 41", Jurusan Teknik Mesin FTI - ITS, Surabaya. [3] Alexander Ludi E, 1997, "Efek Perlakuan Low Termomechanical Terhadap Sifat Kekerasan Baja Karbon Medium EMS", Jurusan Teknik Mesin FTI - ITS, Surabaya. [4] Broek, D., 1982, Elementary Enginering Fracture Mechanic, Martinus Nijhoff Publishers, London. [5] Cahyo Murdianto, 1998, "Pengaruh Stress Relief Annealing Terhadap Umur Baja EMS 1045 Akibat Pembebanan Siklik", Jurusan Teknik Mesin FTI - ITS, Surabaya. [6] Cottrell, A.H. da Hull, 1957, D., Proc. R Soe, London, Vol 242 A, PP

6 6 Jurnal Teknik Mesin, Volume 2, Nomor 1, Januari 2002 [7] Dickson, J. I. 1992, Failure Analysis Techniques and Application, ASM International, Material Park, Ohio. [8] Fuch, H.O. dan Stephen R.I., 1980, Metal Fatique in Engineering, John Willey & Sons, Stanford. [9] Marjono Siswosuwarno, 1987, "Aspek Metalurgi Pada Kelelahan Logam", Lab. Aerodinamika PAU, Ilmu Rekayasa, ITB, Bandung, [10] Seto Wira Adi W., 1999, "Pengaruh Stress Relief Terhadap Umur Lelah Baja AISI 4340 yang Telah Mengalami Beban Siklik", Jurusan Teknik Mesin FTl - ITS, Surabaya, Maret, [11] Semuilotari P. Mambo, 1995, "Pengaruh Perlakuan Thermomekanik Terhadap Sifat Mekanik pada Baja EMS 45", Jurusan Teknik Mesin FTI - ITS, Surabaya, April [12] Schijivc, J., 1983, Lecture Notes on Fatique Tensile Strength and Stress Corrosion of Aircraft Structure, Faculty of Aerospace Engineering, Delf University of Technology, Delf.. [13] Wood, W.A., 1959, Some Basic Studies of Fatique in Metal, in fracture, John Willey & Sons, New York. [14] Wood, W.A., 1955, Bull. Inst. Met, Vol 3, PP 5-6, September, [15] Zainal Abidin, 1998, "Pengaruh Full Annealing Terhadap Umur Lelah Baja AISI 1045 yang Telah Dianneal", Jurusan teknik Mesin FTI - ITS, Surabaya, April. [16]..., AWS Handbook Vol. 1: Fundamental of Welding, Miami, Florida, 1976.