Sri Nitiswati ISSN 0216 - 3128 89-METODA UJI SMALL PUNCH UNTUK STUDI AWAL SIFATMEKANIK DAN PATAHAN MATERIAL

Sri NitiswatiPusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nukli r- SATAN

ABSTRAK

METODA WI SMALL PUNCH UNTUK STUDI AWAL SlFAT MEKANIK DAN PATAHAN

MA TERlAL. Metoda uji dengan benda uji mini telah dikenal sejak puluhan tahun yang lalu dan terusdikembangkan untuk berbagai aplikasi pengujian, khususnya di indu~·trinuklir. Tujuan penelitian ini adalahmemperkenalkan metoda uji small punch untuk studi awal sifat-sifat mekanik material meliputi kuat luluh,kuat tarik. temperatur transisi ulet ke rapuh. energi small punch dan specific fracture energy serta modelpatahannya. Studi ini perlu dilakukan karena sifat mekanik dan model patahan material adalahkarakteristik material dan perlu diketahui. Metoda yang digunakan adalah dengan melakukan pengujiansmall punch logam paduanferitik pada berbagai temperatur dari + 150°C sampai dengan -190°C. Hasilpenelitian menunjukkan bahwa metoda uji small punch dapat digunakan untuk studi awal sifat mekanikmaterial dan model patahannya yaitu ulet atau rapuh. Salah satu hasil pengujian pada temperatur -50oeadalah: kuat luluhnya 188,/2 MPa. kuat tariknya 279.77 MPa. energi small punch nya 1.76 J. specificfracture energy nya 3,45 J/mm, model patahannya ulet serta temperatur transisi ulet ke rapuh adalah ­16fc.Kata kunci : small punch. sifat mekanik.

ABSTRACT

SMALL PUNCH TEST METHOD FOR PRELIMINARY STUDY ON MECHANICAL PROPERTY AND

MA TERIAL FRACTURE. Testing method used miniaturized specimen has been known since tens years agoand continue to develop on several testing application especially in the nuclear industry. Aim of thisresearch is to introduce small punch test method for preliminary study on mechanical properties of thematerial such as yield strength, tensile strength. ductile-to-brittle transition temperature, small punchenergy, specific fracture energy and its fracture mode. This study needs to be done because mechanicalproperty and material fracture mode are material characteristic and need to be known. The method used issmall punch test offerritic alloy on several temperaturefrom +1500e to -1900C. Result of research revealsthat small punch test method can be usedfor preliminary study of the mechanical property and its fracturemode such as ductile or brittle. One of the testing result on -500e are: yield strength is 188.12 MPa. tensilestrength is 279.77 MPa, small punch energy is 1.76 J, specific fracture energy is 3.45 J/mm, the fracturemode is ductile and ductile-to-brittle transition temperature is -16feKeywords: small punch. mechanicalproperty.

PENDAHULUAN

Salah satu tujuan pengujian dengan benda ujimini adalah agar mampu melakukankarakterisasi sifat-sifat mekanik material

dengan menggunakan sejumlah kecil volumematerial. Metoda ini mempunyai arti penting padaindustri nuklir dimana ruang iradiasi netron dibatasidan biaya iradiasi meningkat sebanding denganvolume benda uji [I]. Ada beberapa metoda ujidengan benda uji mini salah satunya adalah smallpunch. Metoda ini belum ada standarnya meskipunsudah digunakan sejak puluhan tahun yang lalu, dansampai saat ini masih terus dikembangkan untukberbagai aplikasi pengujian maupun dalam rangka

mendapatkan standar. Metoda uji small punch inimerupakan salah satu metoda uji yangdirekomendasikan [2]. Jenis sifat mekanik yangdapat dipelajari meliputi : kuat luluh (yieldstrength), kuat tarik (tensile strength), temperaturtransisi ulet ke rapuh (ductile-to-brittle transitiontemperature), energi small punch dan spesificfracture energy [1,2,3]. Sedangkan model patahanyang dipelajari adalah patah rapuh (brittle) danpatah ulet (ductile). Tujuan penelitian ini adalahmemperkenalkan metoda uji small punch untukstudi awal sifat-sifat mekanik material meliputi kuatluluh, kuat tarik, temperatur transisi ulet ke rapuh,energi small punch dan specific fracture energy

Presiding PPI • PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

90- ISSN 0216 - 3128 Sri Nitiswtlti

serta model patahannya. Studi ini perlu dilakukan

karena sifat mekanik dan model patahan materialadalah karakteristik material dan perlu diketahui.Pada penelitian ini diberikan contoh bagaimanamelakukan pengujian small punch meliputi bentukbenda uji dan preparasinya, mesin yang digunakandan pelaksanaan pengujiannya, cara mendapatkankuat luluh dan kuat tarik, menentukan temperaturtransisi ulet ke rapuh, menentukan energi smallpunch dan specific fracture energy serta modelpatahannya. Metoda uji small punch ini sangatbermanfaat karena dengan sejumlah kecil volumematerial dapat memberikan banyak informasitentang sifat mekanik material.

TEOR!

Ada 2 (dua) jenis bentuk benda uji smallpunch, yaitu bentuk segi empat dan bentuk bulatpipih (bend disk). Benda uji tersebut keduapermukaannya dihaluskan dengan kertas ampelas(emery paper) grid 240, 400, 600, 800, 1000 dan1200, terakhir dipoles dengan menggunakanmaterial buff dan pasta diamond dari ukuran I~sampai dengan 0,25~ [4].

Metoda uji small punch dilakukan denganmenggunakan mesin uji tarik universal yangdilengkapi dengan kolom stainless steel yangberfungsi sebagai kolom tempat jig (pemegangbenda uji). Jig terdiri dari die atas (upper die) dandie bawah (lower die). Benda uji small punchditempatkan pada die bawah dan selanjutnyaditutup dengan die atas. Kontak permukaan antaradie atas dan die bawah diklem denganmenggunakan 4 (empat) buah baut dandikencangkan dengan kunci torsi. Mesin uji tarikketika digunakan untuk uji small punch cross headnya difungsikan bergerak arah ke bawah(difungsikan kompresi). Ketika cross head bergerakarah ke bawah punch akan menekan bola bajaberdiameter 2,4mm dan selanjutnya bola bajamenekan benda uji small punch sehingga benda ujimengalami deformasi. Pengujian dihentikan bilabenda uji sudah patah yang dapat diketahui melaluipengamatan langsung dari kurva beban (kN) vs.Oetleksi (mm) yang terbentuk ketika pengujianberlangsung dan juga ditandai dengan terjadinyapenurunan beban dengan tiba-tiba.

Skema mesin uji small punch ditunjukkanpada Gambar I dan skema jig uji small punchditunjukkan pad a Gambar 2. Contoh kurva normalbeban (kN) vs. detleksi (mm) ditunjukkan pad aGambar 3.

Oari Gambar 3 dapat dijelaskan bahwakurva normal hasil uji dengan metoda small punch

terdiri dari 4 tahap yaitu : I) tahap elastic bending,

2) tahap plastic bending, 3) tahap plasticmembrane stretching dan 4) tahap plasticinstability. Tanda panah di kiri menunjukkan bebanluluh (Py) yang berbatasan dengan daerah I) dan 2)[5]. Pada tahap plastic bending kontak an tara bendauji dengan bola baja dikontrol oleh deformasibending dan pad a tahap plastic membrane

stretching dikontrol oleh terjadinya penguranganketebalan benda uji [6]. Oari tahap 1 sampaidengan tahap 3 beban terus meningkat sampaibeban maksimum dicapai pada tahap plasticmembrane stretching dan pada akhimya memasukitahap plastic instability dimana pada tahap initerjadi penurunan beban dengan tiba-tiba yangakhimya benda uji patah (gagal) pada titik Pf.

Gambar 1. Skema Mesin Uji Small Punch

Keteram!an Gambar :

I. Jig uji small punch2. Punch3. Kolom stainless steel4. Cross head

5. Compression tester6. Strain gauge7. Thermocouple8. Kawat pemanas9. Kompensator temperatur10. Pengendali temperaturII. Pena pencatat12. Pompa vakum13. Nitrogen cair14. Pencatat X-Y

15. Strain amplifier

Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

Sri Nitiswati ISSN 0216 - 3128 9/-__ Punch

D~ bawah

Bola baja

Benda uji

Gambar 2. Skema Jig Uji Small Punch

~~ ... , ..~'''sP• 1.-_' •• ' •.'

•...•~,

~~- .."

p)' ""bMJuluh

Pt'!"';,t", btMII"-amum

p. _,...h

o

Gambar 3. Kurva Normal Beban (kN) vs Defleksi(mm) /5f.

Menentukan beban luluh (Py)

Beban luluh (Py) adalah beban yangditerima oleh benda uji small punch ketika bendauji telah melewati tahapan elastic bending danmulai memasuki tahapan plastic bending. Pydiperoleh dari titik potong garis singgung antaradaerah elastic bending dengan daerah plasticbending dari kurva beban (kN) vs. detleksi (mm).

Bila dari titik ini ditarik garis penghubung ke kiridari kurva beban (kN) vs. detleksi (mm), makaakan diperoleh harga Py.

Menentukan kuat luluh dan kuat tarik

Untuk menghitung harga kuat luluh

digunakan korelasi empirik antara kuat luluh O"y(MPa), beban luluh Py(kN) dan geometri benda uji,yaitu sebagai berikut: O"y= 360 Pylt2 [6]. Sedangkanuntuk menghitung harga kuat tarik digunakankorelasi antara kuat tarik O"TS(MPa), bebanmaksimum (PMax) dan geometri benda uji adalahsebagai berikut: O"TS= 130 (PMax/r) - 320 [6].Dimana t adalah tebal awal benda uji (dalam mm).

Menentukan energi small punch

Yang dimaksud dengan energi small punchadalah energi yang diperlukan (dikonsumsi) sampaibenda uji patah (fracture energy) yang ditandaidengan terjadinya retak makro. Energi small punchditentukan dari luasan .dibawah kurva beban (kN)vs. detleksi (mm) sampai beban turnn dengan tiba­tiba [7]. Dalam hubungannya energi small punch,dikenal pula suatu konsep yang dinamakan spesijic

fracture energy, yaitu energi small punch per unittebal benda uji [8].

Menentukan temperatur transisi

Yang dimaksud adalah temperatur transisidari ulet ke rapuh (ductile-to-brittle transitiontemperature). Temperatur transisi berhubungandengan setengah dari energi small punch untukpatah (frac/ure energy) [7]. Untuk mendapatkantemperatur transisi diperIukan penguj ian smallpunch pada berbagai variasi temperatur. Padacontoh ini untuk mendapatkan temperatur transisidilakukan pengujian small punch dari temperatur+ 150°C sampai temperatur - 190°C dengan tujuanuntuk mengetahui energi small punch tertinggi(maksimum) dan terendah yang dicapai dariberbagai variasi temperatur.

TAT A KERJA

Material dan Benda uji

Material yang digunakan sebagai contohstudi pengujian small punch ini adalah modellogam paduan Feritik dengan komposisi kimiaseperti Tabel 1 di bawah ini.

Prosiding PPI • PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

92 ISSN 0216 - 3128

Tabel 1. Komposisi Kimia (% berat)(41

Sri Nitiswati

Model

LogamPaduan

c Mn P s o N Mo

Feritik 0.004 1.27 0.042 0.0006 0.003 0.0004

Contoh pada studi ini digunakan benda uji berbentuk bulat pipih dengan ukuran (}8mm x tebal O.5mm.

Pelaksanaan pengujian

Pengujian small punch. dilakukan diLaboratorium Keandalan Komponen Dan Sistem ­Departemen Penelitian Keselamatan. Reaktor,JAERI. Sebelum pengujian dimulai terlebih dahuludilakukan seting mesin yaitu : cross head di setpad a kecepatan kon<;tan 0,2 mm/menit dan bebanmaksimum di set pada 3kN. Termokopel tipe-Rdihubungkan an tara jig uji dengan pengendalitemperatur. Pengujian pada temperatur di bawahOoC (temperatur minus) dilakukan denganmengalirkan nitrogen cair kedalam kolom stainlesssteel. Kemudian dilakukan seting temperatursampai temperatur pengujian dicapai dan dijagakonstan dengan toleransi maksimum ± 1,0oCselama 15 menit. Setelah itu pengujian dapatdimulai yaitu cross head digerakan arah ke bawah

• " I IJ. ~ IS. J•....•.\ ...

sehingga punch akan menekan bola bajaberdiameter 2,4mm dan selanjutnya bola bajamenekan benda uji small punch sehingga benda ujimengalami deformasi. Selama pengujianberlangsung kondisi temperatur uji harus dijagakonstan. Pengujian dihentikan bila benda uji sudahpatah yang dapat diketahui melalui pengamatanlangsung dari kurva beban (kN) vs. detleksi (mm)yang terbentuk ketika pengujian berlangsung danjuga ditandai dengan terjadinya penurunan bebandengan tiba-tiba.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Kurva beban (kN) vs detleksi (mm) danmodel patahan benda uji small punch pad a berbagaivariasi temperatur diperlihatkan pada Gambar 4.

~:~0J""'::"':'~'T;"1j •• i

•• , I•

•• ~[»oj. ",di •••,1" ••••.

fW~

(t.~[~j p,,", ••• ,p'"•••.41.!(fC

(.:. l}iqi p;;d;~np:~n_. .\<)""

(d.I.~~,..d.I ""P.or';;M.,00'('

(~·~IH4.ipd" ~:IIIF'~U

..J~C

fa ..•.} H•.t'Ut "'L,:'i! I"Jn.~1 )~b.I~:.nJ1-...1I~"(1'1'1 ••••

fi:t ••'\ I.-hlup.t"o.l.'u j"l

(~)t~. F4d.l iI;7'FI .•••w I (at J~i r..•.·~ "':"I~r"M,pch' ~H__fr

Gambar 4. Kurva Beban (kN) vs. Defleks; (mm) dan Foto M;kroskop Elektron Model Patallan Benda UjiSmall Puncll

Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

Sri Nitinvati ISSN 0216-3128 93-Dari kurva beban (kN) vs. detleksi (mm)

pada Gambar 4 (a), (c) sampai dengan (t) secaraumum dapat dipelajari bahwa beban maksimumyang dicapai sebelum benda uji patah meningkatdengan menurunnya temperatur pengujian. Jikakurva-kurva terse but dibandingkan dengan kurvanormal Gambar 3, maka dikatakan bahwa benda ujipatah (gagal) setelah 4 tahap dilalui yaitu dari tahapelastic bending sampai dengan tahap plasticinstability. Hal ini berarti bahwa benda uji patahdalam keadaan ulet (ductile fracture) dengan modelpatahannya seperti ditunjukkan pada fotomikroskop elektron Gambar 4 (a), (c) sampaidengan (t). Gambar 4 (g) benda uji patah padatahap plastic bending. Gambar 4 (h) benda ujipatah pada tahap elastic bending. Dengan mengacupad a kurva normal Gambar 3, benda uji yang patahsebelum melewati tahap plastic membranestretching dikatakan patah pada keadaan rapuh(brittle fracture) yang ditandai dengan terjadinyabanyak retakan tidak beraturan dengan modelpatahannya ditunjukkan pada foto mikroskopelektron Gambar 4(g) dan (h). Gambar 4 (b), bendauji patah setelah 4 tahap dilalui sehingga dikatakanpatahannya dalam keadaan ulet dengan modelpatahannya seperti ditunjukkan pada fotomikroskop elektron Gambar 4 (b). Detleksi sampaibenda uji patah (detlection to failure) cenderungmenurun dengan naiknya temperatur , sepertiditunjukkan pada Gambar 5.

2.2 •...--- - - --- --.- -- .

2.1~E 2E:= 1.9(I,)

~ 1.8-=

~ 1.71.61.5

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200Temperatur (CC)

Gambar 5. Kurva Defleksi (mm) vs. Temperatur(1C)

Kuat Luluh dan Kuat Tarik

Dari kurva beban (kN) vs. detleksi (mm)pada Gambar 4 (a) sampai dengan (t) diketahuibenda uji patah setelah melewati 4 tahap, ini berartidari kurva-kurva tersebut dapat ditentukan bebanluluh (Py) dan beban maksimumnya sehingga hargakuat luluh dan kuat tariknya dapat dihitung. Kurvabeban (kN) vs. detleksi (mm) pada Gambar 4 (g)hanya dapat ditentukan beban luluhnya saja karenabenda uji telah patah pada tahap plastic bendingsehingga hanya dapat dihitung harga kuat luluhnyasaja. Sedangkan kurva beban (kN) vs. detleksi(mm) pada Gambar 4 (h) benda uji telah patah padatahap elastic bending sehingga beban luluhnyatidak dapat ditentukan. Data kuat luluh dan kuattarik ditabulasikan pada Tabel 2.

Temperatur transisi

Energi small punch tertinggi yaitu sebesar2.47 J diperoleh pada kondisi uji -160°C (IihatTabel 2). Dari terminologi diatas (teori), setengahdari energi tertinggi (maksimum) adalah 1,235 J.Dengan memperhatikan Gambar 6 di bawah ini biladari titik 1,235 J ditarik garis tegak lurus kebawahakan diperoleh temperatur transisi sebesar -167°C.Mengacu pada kurva beban (kN) vs. detleksi (mm)dari Gambar 4 (t) dimana benda uji small punchdiuj i pada temperatur -160°C serta kurva beban(kN) vs. detleksi (mm) dari Gambar 4 (g) yaitubenda uji small punch diuji pad a temperatur ­170°C, maka temperatur transisi -167°C adalah bisaditerima. Karena pengujian pada temperatur -160°Cbenda uji small punch patah dalam keadaan ulet,sedangkan pengujian pada temperatur -170°Cbenda uji small punch patah dalam keadaan rapuh.Ini berarti bahwa temperatur transisi beradadiantara kedua temperatur tersebut.

Data hasil metoda uji small punchditabulasikan pada Tabel 2.

Tabel2. Data Hasil Metoda Vii Small Punch

':g2-55

0,48TR0,08090126,410,978231,821,212,52Feritik

I2-56 0,51..500,13592188,121,20279,771,763,452-57

0,51-1000,20388282,191,43394,722,054,022-58

0,50-1500,33657484,661,72574,402,344,682-60

0,51-1600,39482546,461,80579,652,474,842-59

0,51-1700,39806550,95----0,9751,912-64

0,50-190Linear------0,06310,13

2-650.50+1500,11262162,171,04220,801,272,54

Prosiding PPI • PDIPTN 2006

Pustek Akselerator dan Proses Bahan ..BATANYogyakarta, 10 Juli 2006

94 ISSN 0216 - 3128 Sri Niti.~wati

Keterangan :

Gambar 6. Energ; Small Punch (J) vs. emperatur(lCJ

TTTR

Py

~yP Max

0' TS

SP energySFE

: Tebal benda uji: Temperatur uji: Temperatur ruang: Beban luluh: Kuat luluh: Beban maksimum

Kuat tarik

: Energi small punch: Specific Fracture Energy

~2.471

-190 -180 -170 -160 -150

Temperatur (DC)

3. T. MISAWA, et.al., "Evaluation of ToughnessDegradation by Small Punch (SP) Tests ForNeutron Irradiated Structural Steels",Proceeding of the Fourth InternationalSymposium on Advanced Nuclear EnergyResearch.

4. Y. NISHIYAMA, "Data for Japanese FerriticAlloys", 2002.

5. J. KAMEDA, et. aI., "Hardening andIntergranular Embrittlement in Neutron­Irradiated Ferritic Alloys", Material Scienceand Engineering, AI12, 1989.

6. X. MAO, et. aI., "Development of a Further­Miniaturized Specimen of 3 mm Diameter forthe TEM Disk Small Punch Tests", Journal ofNuclear Material, Vol. 150, 1987.

7. JE-CHOON MOON, et. aI., "DataAccumulation and Analysis for Small PunchTest of 21/4 Cr-I Mo Steel With Regard toRound Robin Program", JAERI-Memo, 04­230, July, 1992.

8. SHENHUA SONG, et. aI., "Grain BoundaryPhosphorus Segregation Under Irradiation andThermal Aging and Its Effect on the Ductile­to-Brittle Transition", ASTM STP 1405,200 I.

KESIMPULAN

Hasil penelitian menunjukkan bahwa metodauji small punch dapat digunakan untuk studi awalsifat mekanik dan model patahannya yaitu ulet ataurapuh. Salah satu hasil pengujian pada temperatur ­50°C, kuat luluhnya adalah 188,12 MPa, kuattariknya 279,77 MPa, energi small punch nya 1,76J, specific fracture energy nya 3,45 J/mm, modelpatahannya ulet dan temperatur transisi ulet kerapuh adalah -167°C.

DAFT AR PUST AKA

I. K.V. KASIVISWANATHAN, et. aI.,"Miniature Shear Punch Test With On-Line

Acoustic Emission Monitoring For Assessmentof Mechanical Properties", Small SpecimenTest Techniques, ASTM STP 1329, ASTM,1998.

2. JUDE R. FOULDS, et.al., Fracture Toughnessby Small Punch Testing", Journal of Testingand Evaluation, JTEVA, Vol. 23, No. I,January 1995

TANYAJAWAB

Riil Isaris

- Mohon dijelaskan profit penggunaan metode inipada aspek teknologi, ekonomi, dan keselamatandan kelebihan dibanding metode lain?

- Mengapa menggunakan Ferritic Alloy, apakahaplikasinya punya prospek ?

- Karena penelitian ini baru, apakah sudahmengajukan paten, dan bagaimana dengantersedianya reference plant untuk demo?

Sri Nitiswati

Profit penggunaan metode Small Punch dariaspek teknologi adalah sederhana dan cepatbaik dari segi preparasi benda uji. pelaksanaanpengujian serla analisisnya. Denganmenggunakan satu metode saja yailll "SmallPunch" dapa! diperoleh 6-7 sifat mekanikmaterial. Sedangkan jika menggllnakan metodekonvensional, untllk mendapatkan 6-7 stratmekanik material diperlukan beberapa metode

Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Jull 2006

Sri Nitiswati ISSN 0216 - 3128 95

seperti : uji tarik, charpy-V notch, fracturetoughness, dll

- Profit dari aspek ekonomis adalah dengansejumlah kecil volume material dapat diperoleh6-7 sifat mekanik material. Sedangkan denganmetode konvensional (Vji tarik, Charpy-V notch,Fracture Toughness) ukuran benda ujinya lebihbesar, sehingga dengan menghabiskan banyamaterial yang tentu saja tidak ekonomis (Iebihmahal).

- Metode uji Small Punch dikembangkan dandigunakan untuk penelitian material PLTN.Ferritic Alloy adalah jenis logam paduan untukbejana tekan PLTN. Pada prinsipnya metode ujiSmall Punch dapat diaplikasikan untuk semuaindustri dan semuajenis material.

- Penelitian ini sudah dilakukan lebih dari 25tahun di negara-negara yang sudah mempunyaiPLTN, seperti : Amerika, Jepang, Korea, dll.Sampai saat ini metode Small Punch masih terusdikembangkan di negara-negara yang punyaPLTN untuk tujuan penelitian dan mendapatkanstandarisasi. Saya melakukan penelitian ini diJepang, penelitian ini adalah masih baru bagisaya. Tentunya paten adalah hak dari negara­negara yang sudah melakukan penelitian lebihdahulu. PTRKN (Pusat Teknologi Reaktor danKeselamatan Nuklir) mempunyai fasilitas mesinuji tarik yang dalam waktu dekat akandimodijikasi menjadi mesin uji Small Punch.Jadi "Reference Plant" untuk demodapat/tersedia di pusat saya PTRKN.

Prosiding PPI • PDlPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Jull 2006