PENGUJIAN MULUR (CREEP) Definisi creep adalah aliran plastis yang dialami material pada tegangan tetap Meskipun sebagian besar pengujian dilakukan dengan kondisi beban tetap, tersedia peralatan yang mampu mengurangi pembebanan selama pengujian sebagai kompensasi terhadap pengurangan penampang benda uji Pada temperatur relatif tinggi, creep terhadi pada semua level tegangan, tetapi pada temperatur tertentu laju creep bertambah dengan meningkatnya tegangan Pengukuran dimensi memerlukan kehati-hatian, karena dengan peningkatan temperatur beberapa per sepuluh derajat sudah terjadi penggandaan laju creep Kurva a pada Gambar 1 menampilkan karakteristik kurva creep dan setelah regangan seketika akibat pembebanan tiba-tiba, proses creep dapat dibagi menjadi tiga tahapan, yaitu creep primer atau creep transien, creep sekunder atau creep keadaan-stasioner dan creep tersier atau creep dipercepat Gambar 1 Kurva creep yang lazim dijumpai KURVA MULUR Untuk menentukan kurva mulur rekayasa suatu logam, maka pada benda tarik dikenakan beban tetap sedang suhu benda uji dijaga tetap, regangan (perpanjangan) yang terjadi ditentukan sebagai fungsi waktu Waktu yang diperlukan dapat berbulan-bulan, bahkan beberapa pengujian memerlukan waktu lebih dari 10 tahun Kurva A pada Gambar 2 merupakan bentuk kurva mulur ideal Kemiringan pada kurva (d/dt atau ) tersebut dinyatakan sebagai laju mulur Mula-mula 1
benda uji mengalami perpanjangan sangat cepat, 0, kemudian laju mulur akan turun terhadap waktu hingga mencapai keadaan hampir seimbang, dimana laju mulurnya mengalami perubahan yang kecil terhadap waktu Dalam melakukan uji mulur rekayasa, biasanya beban uji dipertahankan konstan Jadi sejalan dengan memanjangnya benda uji serta mengecilnya luas penampang lintang, maka tegangan sesumbu (uniaxial) bertambah besar Gambar 2 Kurva mulur tipikal yang menggambarkan 3 tahapan mulur Kurva A, uji beban tetap, kurva B uji tegangan tetap Andrade menyatakan bahwa kurva mulur tegangan tetap merupakan superposisi dua buah proses mulur yang berbeda yang terjadi setelah regangan mendadak yang dihasilkan oleh beban yang dikenakan Komponen pertama kurva mulur adalah kurva transien, dimana laju mulurnya turun terhadap waktu Komponen yang kedua adalah mulur viskos dengan laju mulur tetap Andrade mengajukan suatu persamaan empiris untuk menyatakan kurva mulur: = 0 (1 + t 1/3 ) e (kt) (1) dimana adalah regangan selama waktu t dan serta k merupakan konstanta Mulur transien yang dinyatakan oleh dan persamaan (1) akan mempunyai harga sama bila k = 0 Konstanta k menggambarkan perpanjangan tiap satuan panjang yang terjadi pada laju tetap Suatu persamaan yang lebih sesuai dibandingkan persamaan Andrade, walaupun pengujiannya dilakukan pada jumlah bahan yang terbatas, dikemukakan oleh Garafalo = 0 + t (1 e rt ) + s t (2) dimana 0 = regangan yang terjadi segera setelah pembebanan t = batas mulur transien 2
r = perbandingan antara laju mulur transien terhadap regangan mulur transien s = laju mulur keadaan tunak (steady-state) Gambar 3 memperlihatkan efek tegangan yang dikenakan terhadap kurva mulur pada suhu tetap Jelas kelihatan bahwa kurva mulur dengan 3 tahap dengan jelas pada kombinasi tegangan dan suhu tertentu saja Sekumpulan kurva yang serupa didapatkan untuk mulur pada tegangan tetap dan suhu yang berbeda Makin besar suhu, makin besar pula laju mulurnya Gambar 3 Penggambaran secara skematik dari efek tegangan terhadap kurva mulur pada suhu tetap parameter rancangan yang paling penting yang dijabarkan dari kurva mulur adalah laju mulur minimum Biasanya digunakan 2 buah standar, yakni: (1) tegangan untuk menghasilkan laju mulur 0,0001 persen tiap jam atau 1 % tiap 10000 jam; atau (2) tegangan untuk menghasilkan laju, mulur 0,00001 persen tiap jam atau 1 % tiap 100000 jam (kira-kira 11 ½ tahun) Kriteria yang pertama cocok untuk paduan yang digunakan pada mesin jet, sedangkan kriteria yang kedua digunakan bagi bahan untuk turbin-turbin uap dan peralatan yang sejenis PERUBAHAN STRUKTUR SELAMA MULUR Jika gradien kurva mulur (Gambar 2) dipetakan terhadap regangan, akan diperoleh kurva yang menghubungkan laju mulur terhadap regangan total (Gambar 4) Kurva ini secara dramatis menggambarkan perubahan laju mulur 3
besar yang terjadi selama uji mulur Karena tegangan dan suhu tetap, maka variasi laju mulur tersebut ditimbulkan oleh perubahan struktur internal bahan dengan adanya regangan mulur dan waktu Gambar 4 Laju regangan pada uji mulur sebagai fungsi regangan total Logam-logam yang berada pada suhu tinggi mengalami sejumlah proses deformasi sekunder Proses ini terdiri atas pergelinciran ganda, pembentukan pita gelincir yang sangat kasar, pita-pita tertekuk, pembentukan lipatan pada batas-batas butir, dan migrasi batas butir MEKANISME DEFORMASI MULUR Mekanisme deformasi mulur utama dapat dikelompokkan sebagai berikut: - Pergelinciran dislokasi mencakup pergerakan dislokasi sepanjang bidang slip dan melintasi hambatan oleh aktivasi termal Mekanisme ini terjadi pada tegangan tinggi, /G > 10-2 - Mulur dislokasi mencakup pergerakan dislokasi yang dapat melampaui habatan oleh mekanisme termal meliputi difusi kekosongan atau interstisi Terjadi pada 10-4 < /G < 10-2 - Mulur difusi mencakup aliran kekosongan dan interstisi melalui kristal di bawah pengaruh tegangan luar Terjadi pada /G < 10-4 Mulur Nabarro- Herring dan Mulur Coble termasuk dalam kelompok ini - Gelincir batas butir mencakup pergelinciran dari butir yang satu terhadap butir lainnya 4
Seringkali, lebih dari satu mekanisme bekerja pada waktu yang bersamaan Bila beberapa mekanisme beroperasi secara paralel, yaitu mereka tidak tergantung satu dengan lainnya, maka laju mulur tunak (steady state) adalah: i i (3) dimana i adalah laju mulur untuk mekanisme i Bila mekanisme beroperasi secara paralel, maka mekanisme tercepat akan mendominasi perilaku mulur Bila beberapa mekanisme beroperasi secara seri, maka mekanisme tersebut beroperasi secara berurutan, 1 (1/ ) i i dan mekanisme yang paling lambat akan mengendalikan deformasi mulur (4) Pergelinciran Dislokasi Mekanisme pergelinciran dislokasi bekerja pada level tegangan yang relatif tinggi untuk deformasi mulur biasa Laju mulur ditentukan oleh kecepatan gerak dislokasi melampaui rintangan seperti endapan, atom larut dan dislokasi lainnya Mulur Dislokasi Mulur dislokasi terjadi akibat pergelinciran dislokasi yang terjadi akibat pengaruh difusi kekosongan Kerangka dasar berbagai teori dicetuskan oleh Orawan dan Bailey yang menyatakan bahwa laju mulur tunak mencerminkan antara faktor yang saling bersaingan yaitu: lau pergeseran regangan h = / dan laju pemulihan termal hasil pengaturan kembali dan peniadaan dislokasi, r = -/t Keadaan tunak tercapai bila laju pemulihan cukup besar dan laju pergeseran regang cukup rendah sehingga tercapai keseimbangan antara kedua faktor ini s r h / t / (5) 5
Model fisis untuk mulur dislokasi harus dapat menentukan h dan r Mekanisme yang dikemukakan oleh Gituus memberikan hasil yang sesuai dengan percobaan Gagasannya didasarkan pada model pergerakan dislokasi oleh pengaruh tegangan dan difusi dalam jaringan tiga dimensi (substruktur) s dimana: c j 3 16 c jdvgb kt D v G b k T G = konsentrasi jog 3 = koefisien difusi-sendiri kisi atau bahan = modulus geser = vektor Burgers dislokasi = tegangan luar = konstanta Boltzmann = temperatur mutlak (6) Mulur Difusi Pada suhu tinggi dan tegangan yang relatif rendah, /G < 10-4 mulur difusi merupakan mekanisme pengendali Nabarro dan Herring mengemukakan bahwa proses mulur dikendalikan oleh difusi atom yang digerakkan oleh tegangan Tegangan mengubah potensial kimia atom pada permukaan butir dalam polikristal sedemikian sehingga ada aliran kekosongan ( vacancies) dari batas butir yang mengalami tegangan tarik ke batas butir yang mengalami tekanan Bersamaan dengan itu terjadi aliran atom dalam arah yang berlawanan, yang menyebabkan terjadinya perpanjangan butir Persamaan mulur Nabarro- Herring adalah: s 3 14b D 2 ktd v dimana d adalah diameter butiran dan D v adalah koefisien difusi kisi Kita lihat bahwa laju mulur berkurang dengan bertambahnya besar butir Pada suhu yang lebih rendah, difusi batas butir memegang peran utama Mulur jenis Cobble dinyatakan oleh persamaan berikut: (7) 6
s 50b ktd D 4 gb 3 dimana d adalah diameter butir dan D gb adalah koefisien difusi batas butir (8) Pergelinciran Batas-Butir Meskipun pergelinciran batas-butir tidak begitu besar pengaruhnya terhadap mulur tunak, pergelinciran batas-butir penting memegang peran penting dalam tahap awal kepatahan intergranular Namun telah dibuktikan bahwa pergelinciran batas-butir harus ada untuk mempertahankan kemuluran butir selama mekanisme alir difusi Gambar 5 Pengaruh tegangan pada laju mulur tunak (skematik) 7
DAFTAR PUSTAKA George E Dieter, 1992, Metalurgi Mekanik, Jilid 2, Jakarta: Erlangga Gere, Timoshenko, 1996, Mekanik Bahan, Jilid 2, Jakarta: Erlangga MJ Smith, 1985, Bahan Konstruksi dan Struktur Teknik, Jakarta: Erlangga Popov, EP, 1996, Mekanika Bahan, Edisi 2, Erlangga, Jakarta 8
KATA PENGANTAR F Alhamdulillah, puji dan syukur kepada Allah SWT, yang mana Allah telah memberikan kepada kami umur, kesehatan sehingga kami dapat menyelesaikan makalah yang sederhana ini Selawat dan salam ke pangkuan alam Nabi Muhammad SAW, yang telah mencerahkan bumi ini dari kegelapan Kami berterima kasih kepada Bapak Muhammad Dhafir, ST, MSi sebagai dosen pembimbing mata kuliah Rekayasa Material yang telah memberi kesempatan dan membimbing penulis untuk menyelesaikan sebuah makalah ini yang berjudul Pengujian Mulur (Creep) Penulis juga menyadari bahwa dalam makalah ini masih banyak kekurangan-kekurangannya Kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan untuk perbaikan-perbaikan yang akan datang, baik dari dosen maupun dari teman-teman atau siapa saja yang membaca makalah ini Penulis, i
DAFTAR ISI Halaman KATA PENGANTAR DAFTAR ISI i ii PENGUJIAN MULUR (CREEP) 1 KURVA MULUR 1 PERUBAHAN STRUKTUR SELAMA MULUR 3 MEKANISME DEFORMASI MULUR 4 Pergelinciran Dislokasi 5 Mulur Dislokasi 5 Mulur Difusi 6 Pergelinciran Batas-Butir 7 DAFTAR PUSTAKA 8 ii
P E N G U J I A N M U L U R ( C R E E P ) Disusun Oleh: JURUSAN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS SYIAH KUALA DARUSSALAM, BANDA ACEH 2007