Karakterisasi Sifat Lelah Siklus Rendah Uni Aksial pada Paduan Aluminium Ekstrusi (H Agus Suhartono)

KARAKTERISASI SIFAT LELAH SIKLUS RENDAH UNIAKSIAL PADA P ADUAN ALUMINIUM EKSTRUSI

H. Agus SuhartonoUPT LUK -BPPTeknologi

Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang 15314

ABSTRAK

KARAKTERISASI SIFAT LELAH SIKLUS RENDAH UNI AKSIAL PADA PADUAN ALUMINIUM EKSTRUSI.Perhitungan prediksi umur dengan metode regangan local untuk komponen daTi aIumunium ekstrusi membutuhkan data perilakusiklus bahan. Pengujian lelah siklus rendah dengan kontrol regangan dilakukan untuk mengetahui data perilaku siklus paduanaIumunium ekstrusi AlMgo.4Si1.2 clan AlMgSi 1. Konstanta-konstanta dinamis material dievaluasi pada penelitian ini. AlMgSi 1memiliki ketahanan lelah yang lebih tinggi pada daerah elastis, tetapi dengan derajat regangan yang tinggi sehingga timbul reganganplastis, kekuatan lelah siklus rendah AlMgSi 1 menjadi lebih rendah.

Kala kunci: lelah siklus rendah, paduan alumunium ekstrusi

ABSTRACT

CARACTERIZATION OF LOW CYCLE FATIGUE UNIAQIAL PROPERTIES ON EXTRUDED ALUMUNIUMALLOYS. The service life of components made of extruded metal can be predicted on the basis of the local strain concept. Forcalculations with the use of the local strain concept, the cyclic behavior of the material must be kown. The cyclic behavior of thematerial is determined by strain controlled tensile -compressive tests at constant amplitude and without mean strain. The lowcycle fatigue behaviors of AIMgo4Si12 and AlMgSil extrusion have been evaluated in the as received condition (AR) at roomtemperature. The cyclic material constants were calculated. The goal of this work is to understand the behavior of extrudedaluminum alloys under low cycle fatigue loading and to determine which materials are better able to resist low cycle fatigue.AlMgSi 1 shows a better resistance of low cycle fatigue, as long as the plastic strain doesn't exist. The presence of plastic strainreduces starkly the life time of the AIMgSi 1 alloy that the low cycle fatigue strength is inferior to AlMgo4Si1.

Key words ,ow cycle fatique, extruded alumunium allo~

PENDAHULUAN

Pengujian statik digunakan untuk menguji faktorkeamanan terhadap pembahan bentuk daD patahansnafu komponen, namun dalam penggunaan umumnyakomponen suatu konstruksi mengalami beban dinamis,sehingga pengujian lelah sangat diperlukan. Dalam halill ada 2 macam pengujian, yaitu: pengujian komponendengan umur tak telbatas, bempa komponen harus dapatbertahan pada berapapun siklus beban yang diberikantanpa patah, dan pengujian komponen umur terbatasdengan persyaratan komponen tersebut dapat bertahanuntuk jangka waktu yang terbatas, yaitu selama umur

penggunaan.Pengujian dinamis umur terbatas ini sangat

diperlukan temtama untuk konstruksi kendaraan, keretamesin-mesin daD konstruksi pesawat udara. Pengujian-pengujian dinamik dengan amplituda konstan akanmenghasilkan Wohler diagram, yang memberikaninformasi bahwa perpatahan bisa terjadi apabila bahandiberi beban berulang yang lebih kecil daTi teganganpatah statis (cr). Semakin kecil amplituda maka semakinbesar jumlah siklus pembebanan yang dapat diterima

bahan. Di bawah barns lelah (SaD) tidak alan terjadiperpatahan atau siklus pembebanan yang dapat diterimabahan tidal terhingga.

Hasil uji dinamis amplitudo konstan dapat dibagimenjadi tiga bagian berdasarkan intensitaspembebanannya. Daerah kekuatan siklus rendah(sampai sekitar 5xlO4 siklus tegangan), kekuatan siklusterhingga (daTi 5xlO4 sampai 2x1O6) dan daerah siklustak hingga (> 2xIO6). Di daerahkekuatan siklus rendahtersebut (low cycle fatigue) kekuatan material ditentukan

dengan menguji specimen dengan menggunakanpengujian kontrol regangan. Pengujian dengan kontrolregangan ini dilakukan untuk mendapatkan diagramtegangan-regangan clan Woehlerlinie regangan yangberguna untuk perhitungan umur berdasarkan konsep

tegangan setempat.Tujuan dari penelitian ini adalah memahami

kelakuan mekanik selama pengujian lelah siklus rendah.Hal ini dilakukan untuk menentukan paduan aluminiumyang memiliki ketahanan yang paling tinggi terhadappembebanan lelah siklus rendah. Diagram tegangan-

65

Prosiding Pertemuan Ilmiah Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002Serpong, 22 -23 Oktober 2002 ISSN 1411-2213

data dan monitor yang dihubungkan dengan amplifierpengukur tidak diberikan pada gambar.

Gambar 1. Siklus kontrol sistem mesin pengujian

Penyimpanan data daD penggambaran kembalidilakukan dengan menggunakan personal komputer daDprogram Dia/Dago yang di kontrol dengan signalmasukan yang diberikan. Dengan program tersebut basilpengukuran dapat diolah dan dikeluarkan dalam diagramamplitudo -waktu, atau kalang histeresis antarategangan daD regangan.

regangan dan Woehler linie regangan yang didapatdapat berguna untuk perhitungan urnur berdasarkan

konsep tegangan setempat.Siklus elastis-plastis akan menghasilkan Diagram

histeresis a-E. Pengujian dengan kontrol regangan inidilakukan mengingat pembebanan dasar takik pactakomponen. Prinsipnya adalah kontrol regangan.Pengujian ini lebih presisi dibandingkan denganpengujian kontrol tegangan [I]. Pacta pengujian denganbeberapa benda uji dengan amplitudo Eat yang berbeda,maka akan didapatkan diagram tegangan-regangan

dinamis dan Wohler diagram regangan.Telah diketahui bahwa regangan plastik

merupakan parameter yang mengendalikan perubahanmikroskopis pacta logam selama proses lelah, makakontrol regangan lebih penting dibandingkan kontroltegangan. Untuk tujuan perbandingan di alas makahams didapatkan data-data suat material berupa kalanghisteresis, kurva tegangan-regangan dinarnis, amplitudoregangan terhadap siklus hingga retak [I].

Paduan aluminium basil ekstrusi berupaAlMgo 4Si, 2' dan AIMgSi I dilakukan pengujian lelahsiklus rendah. Dari basil pengujian didapat konstantasiklis material. Berdasarkan nilai-nilai tersebut makakekuatan bahan dibandingkan. Pengujian dilakukandengan pembebanan aksial. Kontrol pembebanandilakukan dengan kontrol regangan pacta daerahpembebanan lelah siklus rendah. Penelitian inimerupakan bagian dari disertasi dengan lema prediksiumur berdasarkan mekanisme kerusakan pacta beban

berulang [2].

BAHAN DAN METODE PENELITIAN

Bahan yang diselidiki adalah dua jenis paduanaluminium hasil ekstrusi yaitu AlMgo4Si12 (aluminium

dengankandunganMgO,4%danSi 1,2%) danAlMgSi1.Kandungan unsur dalam paduan tersebut menyebabkanperubahan sifat bahan. Mg meningkatkan kekuatanpanas dan korosi tetapi menurunkan kemampuan tuang.Sedangkan silika meningkatkan kekuatan mekanik [3].

Mesin yang digunakan untuk pengujian adalahmesin servohidrolik yang secara sketsa ditunjukkanpada Gambar 1. Untuk pemberian signal masukan padasistem kontrol digunakan komputer yang memberikansignal mengenai regangan dan frekuensi. Signal masukantersebut kemudian diperkuat dengan amplifier daDmasuk kedalam servo venti I. Dari signal tersebutditerjemahkan pada silinder bersama denganfrekuensinya. Gerakan silinder tersebut diukur o1ehpemberi langkah. Alat ukur lain adalah Dynamometer(Kraftme.\'sdose) yang berada di alas alat pencekam.Besaran terpenting untuk signal masukan dan nilaisebenamya pada lingkaran kontrol tersebut ada1ahregangan yang terukur pada perekam regangan, yangdikuatkan dengan amplifier daD dibandingkan dengannilai masukan dalam amplifierpengontro1. Penyimpan

co

Gambar 3. Penentuan tegangan jenuh [5]

66

Karakterisasi Sifat Lelah Sikhls Rendah Uni Aksial pada Paduan Aluminium Ek6trusi (H Agus Suhartono)

Pada umumnya data mengenai kekuatan dinamismaterial konstmksi adalah basil pengujian lelah denganpembebanan sinus daD amplituda konstan. Hal inidisebabkan penghematan energi daD waktu hila

dibandingkan dengan pengujian dengan pembebanandinamis dengan spektrum pembebanan.

Besaran daTi kalang histeresis tersebut adalahlebar total amplituda regangan 2 E. daD total amplitudategangan 2 cr., dimana regangan total terbagi menjadibagian elastis daD bagian plastis [4] (Gambar 2). Pactapengujian lelah dengan kontrol regangan total amplitudadibuat konstan daD besaran yang diubah adalah

tegangan.Untuk menghitung pengujian lelah siklus rendah

diambil keadaanjenuh dari cr. danjumlah siklus hinggaretak [5]. Pacta umumnyajumlah siklus hingga retakditentukan daTi penurunan tegangan 5% daTi tegangan

jenuh seperti diperlihatkan pacta Gambar 3. Pactapengujian yang diberhentikan sebelum terjadinyapenurunan tegangan 5% menunjukkan adanya retakan.Dengan dasar ini maka selanjutnya penurunan

amplituda tegangan dianggap sebagai saatterbentuknyaretak [5].

PEMBAHASAN

BASIL PENGUJIAN

Sifat mekanis bahan diberikan pada Tabell. Nilai-nilai tersebut didapat dari basil pengujian tarik daDstandardDlN 59606.

Hasil pengujian lelah siklus rendah diberikan olehdiagram1egangan-regangan dan Woeh/er/inie reganganpacta Gambar 4 dan Gambar 5.

Besaran-besaran siklis diambil dari histeresistegangan regangan yang telah stabil. Pada pengujiandigunakan kurva histeresis pada jumlah sikIus setengahdaTi umur. Persamaan yang menggambarkan perilakusikIus bahan ditentukan terdiri alas regangan elastis daD

regangan plastis. Sehingga regangan total harus dibagimenjadi satu bagian regangan elastis dan satu bagianregangan plastis. Dari pengujian lelah kontrol regangan

didapatkan amplituda tegangan jenuh, amplitudaregangan jenuh daD siklus hingga retak. Bagianregangan elastis dapat diturunkan daTi amplitudategangan cra dan Modulus Young E. Bagian reganganplastis sap didapat daTi pengurangan regangan total SatdaD regangan elastis Sa.'

Dengan asumsi hubungan linear antara jumlahsikIus N A daD regangan elastis sa.dan regangan plastisSap yang diplot pada skala double logari.tma, dapat ditariksuatu regre.\'iTabet t. Sifat mekanis paduan aluminium

Sit'at mekanik AIMgo4Sil2

74000 MPa

231,5 MPa

125,5 MPa

AIMgSil

74500 MPa

437 MPa

420 MPa

log x = f(logy) (1)

dan y adalahDeugau x variabel bebas (Ea. atau Evariabel bebas (NA)'

ap'

Modulus E

Kuat Tarik

Batas luluh

Persamaan regresi yaitu:

10E..2 r logy=~ +a1 x log x

]

;~~""""P.'"D'..."., ., """(2)

Sehingga konstanta a, dan ao dapat ditentukan.Untuk penggambaran menurut persamaan

Man.\'on Coffin [5] persamaan (2) tersebut dapat dirubah

menjadi:

N=axca=:>c =cr'/EX (N) bA 0 a.l a. f A (3)

cr '= IO-loga I. X E/IOOOf 0 1 (4)

b= l/a, (5)

67

Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002~'erpong, 22 -23 Oktoher 2002 ISSN 1411-2213

Kurva Woehler regangan sering digambarkan bukanterhadap siklus hingga retak N A' tetapi terhadap duakali siklus hingga retak 2N f Sehingga koefisien cr; diubah

menjadi

keunggulan sifat mekanis hila diberikan beban yangmengakibatkan regangan plastis. Sedangkan hilapembebanan tidak mengakibatkan terjadi reganganplastis paduan AIMgSi 1 memiliki umur yang lebihpanjang. Timbulnya regangan plastis sangatmempengaruhi umur lelah paduan AlMgSi 1.= cr;(NA)/E X (N.)b = cr;(2Nf)/E X (2Nf)b (6)

(7)0" .-' 0 5 b

f (2NI) -O"f (NA) X . Tabel 2. Konstanta dinarnis bahan

Demikian juga regangan plastis menurnt persamaanMan.\'on Coffin hams diubah menjadi :

Konstantadinamis

Paduan

AIMgO4Si12

605

PaduanA 1M gS i 1

577,6MPa

-0,074

0,0967

-0,655

608 M Pa

0,152

752,1 M Pa

0,113

crr'

b

N =a x& 01:=>'?& =&'X (N )"AOap apf A (8)

-0,1249

0,0904

-0,5677

660 M Pa

0-'=10-./0 xE/I000.-n , (9) er'

cc=l/a, (10)

Kurva Woehler regangan sering digambarkanbukan terhadap siklus hingga retak N A' tetapi terhadapduakali siklus hingga retak 2Nr Sehinggakoefisien 0-;diubah menjadi

0,1339

1027 MPa

0,2199

er' (2Nr)

K'

(11) Dari basil pengujian lelah kontrol regangan inijuga dapat diprediksi bahwa material AlMgsi I memilikikepekaan takikyang lebih tinggi dibandingkan denganpaduan AIMgo 4Si] 2. Hal tersebut terjadi karenapembebanan pada d-derah takikan akan mengakibatkanterjadinya regangan plastis akibat pengaruh konsentrasitegangan, terutama pada daerah takik dengankonsentrasi tegangan yang tinggi, clan pembebanan

yang tinggi, sehingga pada perencanaan suatukomponen dengan menggunakan paduan AIMgSi Ihams dihindarkan terjadinya takik yang tajam. Demikianjuga hila dalam operasi terjadi benturan atau retak awalmaka barns segera dihaluskan dengan tara permesinanatau pengamplasan dan pemolesan untuk menghindariterjadinya kegagalan dini pada komponen tersebut.

~f'(NA) x (NA)C = &f'(2NI) X (2Nf)C

~ g;(2Nt) = g;(NA) X 0,5c (12)

Persamaan Manson-Coffin dapat dituliskan denganpenambahan regangan elastis dan regangan plastis

=:>Eat=cr;/E x (NA)b+E;(NA) x (NA)C (13)

Kurva tegangan regangan dinamis dapat dituliskanmenumt persamaan Ramberg-Osgood

= (cr.IE) + (cr./K'}lhl (14)

Konstanta K'dan n'dapat dihitung dari konstanta 0-;,b,&; daD c.

n'=b/c (15)

K'=cr '

/ '(hIc), E, (16)

500

1 1.50 I

.00 ~-'-~I.~___I__~-I 1 1

-'50 -"' 1 1 1 i,oo -T---~ :-~--: : ,; 1 " , I

i 250 T ---,- ---,- ---

[ ~~;~...gOI1i200 .L J J J Z' 1 1 1 1 -& gO"0112

'"'50 -1 +---"' 1 1 I 1 , , I

100 --r ---T ---, ---,- -.~ ---,- ---, 1 ,I. I;; I I50 I --""'-~"-~-"-~ I '-I 0

Hasil perhitungan konstanta berdasarkan persamaan(4,5,7, 10,12,15,16) diatasdiberikanpada Tabel2.

Perbandingan daTi kurva regangan basilpengujian pada Gambar 4 dan Gambar 5 menunjukkanbahwa apabila timbul regangan plastis pada amplitudaregangan yang sarna, paduan AlM~ 4Sil 2 memiliki umuryang 1,5 hingga 2 kali lebih panjang'dibanding AlMgSil.Penurunan tingkat amplituda regangan total hingga0,35 % mengakibatkan regangan plastis pada AlMgSilhampir mendekati nolo Pada tingkat amplituda reganganini paduan AlMgSi 1 memiliki umur lelah 4 kali lebihpanjang dibanding paduan AlMgo4Sil2, Dari fenomenaini diketahui bahwa paduan AiMgo,4Sil,2 memiliki

0 05 1 15 2 2,5 3

Regongon Eo (\I)

Gambar 6, Perbandingan kurva tegangan-reganganAlMgSil dan AlMg.,.Si',2

Bila kita membandingkan keadaan reganganplastis dan elastis tampak bahwa gradien reganganplastis lebih banyak berbeda dibandingkan denganbagian regangan elastis. Sehingga menghasilkan

68

Karakterisasi Sifat Lelah Siklus Rendah Uni Aksial pada Paduan Aluminium Ekstrusi (H Agus Suhartono)

perbedaan pacta Wohlerlinie di daerah siklus rendah.Di daerah siklus tinggi kurva Woehler regangan elastissaling mendekat karena gradien kedua bahan mirip,kurva Woehler dapat ditentukan daTi bagian reganganelastis.

[4]. FELTNER; C. E., Ba.\'ic Research on the (vclicDeformation and fracture Behavior ofMaterial.\'.Manual on Low Cycle Fatigue STP ~65, (1969).RASKE,D. T., JODEAN MORROW, Mechanicc\'of Material.\' in Low Cycle Fatigue Testing,Manual on Low Cycle Fatigue STP 465, (1969).

[5].

Pacta Gambar 6 ditunjukkan diagram siklustegangan regangan daTi kedua material. Kurva teganganregangan di daerah elastis masih berhimpit dan mulaiterjadi perbedaan pacta saat regangan memasuki daerahplastis. Paduan AIMgSi 1 memiliki kekuatan dinamisyang lebih tinggi, tetapi memiliki keuletan yang jauh

lebih rendah dibanding AlMgo,4Sil,2 .

KESIMPULAN

Hasil pengujian lelah siklus rendah pada paduanaluminium AlMgSi I dan AlMgo 4 Si I 2 menunjukkanbahwa paduan AlMgSi I memiliki kekuatan yang lebih

tinggi, dibanding paduan AlM~,4Sil,2. Tetapi dilihat daTikuIVa lelah regangan diketahui bahwa paduan AlMgSilsangat sensitif terhadap regangan plastis. Regangan

plastis sangat berpengaruh terhadap umur lelah,sehingga paduan Aluminium ini tidak sesuai untukkomponen yang mengalami beban plastis pacta saatpenggunaannya dan tidak direkomendasikan untukpembuatan komponen yang memiliki konsentrasitegangan yang tinggi. Sedangkan untuk penggunaanyang membutuhkan kekuatan tinggi tanpa menimbulkanregangan plastis maka. paduan AIMgSi 1 dapatdirekomendasikan.

Paduan AlM~,4Si1,2 meIniliki sifatkeuletanyangtinggi walaupun kekuatannya lebih rendah dibandingpaduan AlMgSi 1 yang mengakibatkan bahan ill memilikikeunggulan pacta daerah lelah siklus rendah.

UCAPAN TERIMA KASm

Penulis mengucapkan terima kasih kepadaDeutsche Forschung Gemeinschaft dan DAAD daDProf. Dr.-Ing. H. Zenner alas bantuan tinansial danbimbingan dalam pelaksanaan riset ini. Atas dukunganrekan-rekan di Laboratorium Uji Konstruksi penulismengucapkan banyak terima kasih.

DAFTARPUSTAKA

[1].

[2].

[3].

GUDEHUS; H., H. ZENNER, Leitfadenfiir eineBetriebsfestigkeitsrechnung, VBFEh, VDEh,Dusseldorf (1995).SUHARTONO, H. A., MechanismenorientierteLebensdauervorhersage fur zyklischbeanspruchte metallische Werkstoffe,Dissertation, TV Clausthal, Pappierflieger,Clausthal, (2000).ASTM Handbook Volume 2, Properties andSelection: Nonferrous Alloys and SpecialPurposeMaterials,VSA, (1990),132.

69