ANALISA FRACTOGRPHY PADA PATAHAN IZ-118 #03 PT. Indospring Tbk. Gersik, Jawa Timur, Indonesia Dr. Eng. Anindito P. NOVEMBER 2014 1
A. Temuan Pada saat proses setting (pada tgl, jam, dll.,), IZ-118 #03 (info indentifikasi billet dll. ) mengalami patah pada lokasi seperti ditunjukkan pada Gbr. 1.a, dan Gbr. 1.b menunjukkan jarak patahan terhadap center hole. Patahan (fracture) langsung terjadi sepanjang lebar dari leaf spring ketika proses setting. Center hole Lokasi patahan a. Lokasi patahan Panjang patahan = lebar leaf spring b. Jarak patahan terhadap center hole. Gambar 1. Posisi patahan pada IZ-118 #03 Gambar 2 menunjukkan pasangan permukaan patahan. Terdapat dua area pada masing-masing permukaan patahan, yaitu area yang ditunjukkan oleh anak panah A dan B. Perbedaan area ini mengindikasikan bahwa terdapat dua mekanisme patahan yang terjadi dan atau terdapat dua kejadian/event proses patahan. A B 10 mm Gambar 2 Pasangan permukaan patahan IZ-118 #03 2
Dari temuan-temuan ini maka perlu dilakukan analisa atau investigasi untuk mengetahui mekanisme dari patahan. Di samping itu, analisa pada permukaan patahan digunakan untuk mengetahui tahapan atau urutan kejadian dari proses patahan. B. Metode Analisa Dalam investigasi ini, metode yang digunakan adalah analisa fractography yang terdiri dari macro dan micro fractogrphy. C. Hasil dan Analisa C.1. Macro Fractogrphy Terdapat Chevron mark yang mengarah/menunjuk ke permukaan patahan yang bewarna kehitaman ( Area A). Hal ini mengindikasikan bahwa permukaan patahan pada area B terjadi karena retak yang merambat dengan beban tunggal (single load) dengan mode bukaan retak tearing. Gambar 3 menunjukkan Chevron mark dan arah perambatan retak. Gbr. 3.a menunjukkan posisi Chevron mark yang ditemukan dan diperbesar pada Gbr. 3.b. Gbr. 3.c menunjukkan Chevron mark yang dimaksud dengan garis putih. Dari Gbr. 3.b dan 3.c dapat diketahui bahwa Chevron mark menunjuk ke arah Area A, ini menunjukkan bahwa retak merambat dari/dimulai dari Area A. Chevron mark 10 mm a. Arah rambat retak b. c. Gambar 3. Chevron mark dan arah perambatan retak. Pada daerah batas pada permukaan patahan antara Area A dan B ditemukan adanya Step mark dari Chevron mark. Beberapa Step mark ini kemudian menyatu menjadi step mark yang lebih besar, sehingga membentuk pola seperti aliran sungai atau disebut river like pattern. Gbr. 4 menunjukkan daerah batas dari Area A - B, dan river like pattern. Pola/pattern yang terbentuk ini mengindikasikan bahwa retak merambat dimulai dari batas Area A-B. 3
C River like pattern Batas Area A-B Gambar 4. Daerah batas permukaan patahan Area A dan B Di bagian tengah permukaan patahan yang ditunjukkan dengan anak panah C (selanjutnya disebut Area C) pada Gbr. 4 ditemukan pola seperti pola fibrous pada saat uji tarik tetapi mempunyai rongga lebih besar. Ini mengindikasikan bahwa terdapat perbedaan mekanisme patahan yang berbeda antara Area B dan C dan atau properteis yang berbeda/heterogen. Perbedaan properteis juga diindikasikan dengan ditemukan adanya banyak porositas pada daerah dekat permukaan atau pada daerah shear lip. Gbr. 5 menunjukkan shear lip pada daerah dekat permukaan. Porositas ini mengindikasikan bahwa ada udara/gas yang terjebak pada saat proses pembekuan (Solidification), dan ini bisa menurunkan kwalitas kekuatan dari material. Porous B Shear lip Gambar. 5 Porositas pada daerah dekat permukaan/shear lip 4
10 mm a. Leaf spring Surface Area B Area A Batas Area A- B Leaf spring Surface Crack dari sub surface ke leaf spring surface b. Crack pada leaf spring surface c. Leaf spring Surface Area A Area B Crack in sub surface Leaf spring Surface Crack pada leaf spring surface d. Gambar. 6 Retak pada permukaan (surface) dan di bawah permukaan (sub surface) material/leaf spring 5
Gambar 6 menunjukkan bahwa retak dapat teramati dari sub surface sampai pada permukaan (surface) dari leaf spring. Hal ini dapat menyebabkan terkontaminasinya permukaan Area A oleh olie pada saat proses quenching. Dari analisa macro fractography dapat diperoleh beberapa petunjuk bahwa retak merambat dari Area A yang berwarna kehitaman. Dugaan kuat penyebab warna ini adalah terkontaminasinya permukaan Area A oleh olie pada saat proses quenching. Hal ini adalah indikasi awal bahwa daerah tersebut sudah retak sebelum diberi beban pada saat proses setting. Selanjutnya Chevron mark pada Area B memberi petunjuk bahwa retak merambat dari arah Area A. Perbedaan warna (Area A & B) dan Chevron mark yang ditemukan pada Area B menunjukkan bahwa Area B patah pada saat diberi beban pada proses setting. Ditemukannya River like pattern pada batas Area A-B menguatkan petunjuk bahwa pada saat beban setting retak mulai merambat dari batas Area A-B menuju ke perumakan patahan (fracture surface) Area B. Sedangkan mekanisme patahan pada Area A dapat diketahui setelah analisa micro fractography. C.2. Micro Fractogrphy Gambar 7 adalah hasil foto mikro pada permukaan patahan Area A yang menunjukkan ciri patahan inter granular, yaitu patahan yang terjadi pada batas butiran (grain) atau pada permukaan butiran. Pada gambar tersebut, permukaan dari butiran tidak halus/smooth, tetapi kelihatan lebih kasar. Hal ini mengindikasikan bahwa permukaan butiran telah terpapar (ter-exposed) dengan udara atau zat lain (dalam kasus ini : olie) pada temperatur tinggi. Artinya Area A, sudah patah/fracture/crack sebelum proses setting. Area B Area A Grain surface/boundary Gambar. 7 Micro fractography pada Area A 6
dimple a. b. dimple Grain surface/boundary Fine holes c. Gambar. 8 Micro fractography pada Area B (Chevron mark area) Pada Gbr. 8 menunjukkan permukaan patahan pada Area B di bagian Chevron mark. Gbr. 8.a menunjukkan permukaan patahan inter granular atau patahan pada daerah batas butir. Di samping itu terdapat lubang-lubang disekitar batas butir yang ditunjukkan dengan anak panah biru, dan retak di batas butir seperti ditunjukkan dengan anak panah warnah merah. Pada Gbr. 8.b adalah perbesaran pada area yang dilingkari dengan warna kuning pada Gbr. 8.a. Di dalam Gbr. 8.b dapat diketahui juga selain lubang-lubang dan retak diantara batas butir, terdapat pola patahan ulet atau dimple. Pola inter granular menunjukkan bahwa pada bagian tersebut di dalam Area B sudah terdapat retak antara butiran atau pada batas butir (internally micro crack) sebelum material/leaf spring patah. Pola dimple menunjukkan bahwa pada bagian tersebut patah pada saat diberi beban ketika proses setting. Jika Gbr. 8.b diperbesar maka permukaan butiran akan terlihat lebih jelas, seperti ditunjukkan pada Gbr 8.c. Dari Gbr. 8.c terlihat bahwa permukaan butirannya lebih rata/smooth dibanding dengan permukaan buitran yang terdapat pada Area A (Gbr.7), pemukaan buitran yang lebih rata ini mengindikasikan bahwa tidak terdapat reaksi 7
antara permukaan butiran dengan udara (oksidasi), dan ini merupakan petunjuk kuat bahwa pada area tersebut (Area B) mengalami patah pada saat proses setting. Jika diperhatikan lebih seksama pada permukaan butiran pada Gbr.8.c, maka akan terlihat adanya lubang-lubang halus (fine holes). Lubang-lubang halus ini mengindikasikan bahwa adanya gas yang tejebak selama proses pembekuan di dalam butiran. Merujuk pada pola patahan inter granular dan fine hole pada permukaan buitran, kuat dugaan bahwa material ini mengalami hydrogen embrittlement. Meskipun terlihat seperti permukaan patahan ductile, yaitu pola fibrous dengan pembesaran rendah dari Area C seperti ditunjukkan di dalam Gbr.4, akan tetapi dengan pembesaran yang lebih besar seperti ditunjukkan pada Gbr.9.a, maka terlihat jelas bahwa sama sekali berbeda dengan pola fibrous, dari sini terlihat ada pola yang terdiri dari lembah dan puncak. Pola ini juga teramati di permukaan patahaan lainnya dan merupakan pola yang berpasangan, artinya lembah pada suatu permukaan berpasangan dengan puncak pada permukaan patahan lainnya. Gbr. 9.b menunjukkan puncak dengan pembesaran yang cukup untuk mengamati permukaan butiran di area puncak, dari sini terlihat pola patahan inter granular dan retak pada daerah batas butiran (anak panah merah), serta adanya lubang di dalam butiran dan batas butir (anak panah warna biru). Dengan adanya pola patahan inter granular ini maka patahan yang terjadi pada Area C didominasi dengan mekanisme patahan yang sama dengan Area B. Dimple Puncak Lembah a. b. Gambar. 9 Micro fractography pada Area C Gambar 10 menunjukkan lubang porositas yang ditemukan pada shear lip (Gbr. 5) dengan pembesaran 1500x. Dari gambar ini dapat dilihat bahwa permukaan lubang cenderung halus dan mempunyai geometri yang hampir sama dengan yang lain. Lubanglubang ini menunjukkan bahwa adanya gas yang terjebak di dalam logam selama proses pembekuan, dan pola lubang yang sama merupakan indikator bahwa gas terjebak dalam suatu tahap proses yang bersamaan (solidification process). 8
Hole Gambar. 10 Porositas pada shear lip Porosity Area A Area B Area A Area B Sub surface crack Surface a. b. Permukaan butiran c. Gambar. 11 Sub surface crack 9
Gambar 11 adalah penampakan lebih detail dari sub surface crack seperti ditunjukkan pada Gbr. 6b. Dari Gbr. 11.b. dan 11.c menunjukkan dengan jelas bahwa permukaan butiran yang tidak teroksidasi (anak panah warna putih) dan retak di dalam material atau sub surface (anak panah warna hijau) terjadi sebelum proses quenching. Di samping itu porositas juga teramati dan hampir sama dengan yang terdapat pada daerah shear lip. D. Kesimpulan Dari analisa macro dan micro fractography, maka didapat beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Analisa macro fractography : - Terdapat tiga area permukaan patahan, yaitu, Area A (terkontaminasi olie), Area B (Chevron mark, River like pattern), Area C (Fibrous like pattern). - Adanya Chevron mark pada Area B dan River like patern pada batas Area A-B, menunjukkan bahwa retak mulai merambat dari batas A-B mengarah pada Area B pada saat diberi beban di dalam proses setting. - Adanya kontaminasi olie pada Area A, menunjukkan bahwa retak sudah terjadi sebelum atau pada saat proses quenching di dalam olie. - Terdapat porositas pada bagian shear lip pada Area B. Bagian shear lip hanya sebagian kecil jika dibandingkan dengan Area B yang mempunyai permukaan datar. Berdasarkan beban pada proses setting (bending load), maka permukaan datar pada Area B tegak lurus dengan tegangan utama, sehingga patahan pada Area B didominasi patah brittle. 2. Analisa micro fractography : - Pada Area A ditemukan permukaan patahan inter granular yang ter-exposed dengan udara/olie. Permukaan patahan ini mirip dengan permukaan patahan intergranular yang teroksidasi pada temperature tinggi. - Pada Area B pada daerah Chevron mark juga ditemukan permukaan patahan inter granular tetapi tidak teroksidasi atau ter-exposed dengan udara/olie dan adanya dimple walaupun tidak mendominasi. Ini merupakan petunjuk bahwa permukaan tersebut patah pada saat proses setting. - Adanya micro crack/retak mikro yang terjadi pada batas butir merupakan bukti bahwa material leaf spring sudah mengandung internally micro crack sebelum proses setting. - Ditemukan adanya fine holes (lubang-lubang halus) pada permukaan butiran adalah merupakan indikasi kuat bahwa adanya gas yang terjebak selama proses solidification dari material. Adanya fine holes pada permukaan butiran dan inter granular fracture surface adalah merupakan indikasi kuat material ini mengalami hydrogen embrittlement. - Fibrous like pattern pada Area C, dari hasil analisa micro fractography ternyata tidak sama dengan fibrous pattern yang terjadi pada patah ulet/ductile. Fibrous like pattern pada Area C ini adalah merupakan puncak dan lembah yang disebabkan karena adanya permukaan patahan (micro crack) yang mempunyai elevasi yang secara significant berbeda. Dari skala micro, pada bagian puncak didapat bahwa juga terjadi patahan secara inter granular yang sama dengan yang terjadi di Area B. - Ditemukannya pola/geometri yang sama pada lubang (porosity) memberikan petunjuk bahwa adanya gas/udara yang terjebak dalam tahapan proses (solidification) yang sama. - Ditemukannya sub surface crack dengan permukaan inter granular yang tidak tekoksidasi/kontaminasi merupakan bukti bahwa material sudah mengandung retak (internally micro crack) sebelum atau pada saat proses heat treatment. 10
D. Saran-Saran Ada beberapa hal yang tidak dapat diketahui dari hasil analisa permukaan dari leaf spring yang patah, oleh karena itu ada beberapa saran yang penting untuk ditindak lanjuti : 1. Perlu dilakukan uji tarik pada bagian material lain pada leaf spring yang patah, dengan mengacu pada standart tensile test pada umumnya untuk mengetahui permukaan patahannya apakah material tersebut patah brittle (intergranular fracture surface) atau tidak, disamping itu untuk membandingan kekuatannnya dengan material standart. 2. Uji tarik, jika mungkin, dengan dimensi yang sama terutama lebar dan tebal, dengan diberi takikan/crack yang ukurannya sebanding dengan panjang retak pada Area A. 3. Nomer 1 dan 2 dilakukan pada leaf spring yang lain yang berasal dari material/billet yang sama. 4. Seperti nomer 3, tetapi pada material/billet yang standart. 5. Seperti No.1-4, jika perlu dilakukan pada leaf spring yang belum di heat treatment. 6. Jika No. 1-5 dilakukan dan didapatkan data, maka akan semakin besar peluang untuk mengetahui akar permasalahan yang menyebabkan kegagalan pada leaf spring IZ-118 #03. 11