Penggunaan Radiasi Synchroton Untuk Pengukuran Daerah Plastis Pada Material Baja Karbon (Yunan Prawoto)

PENGGUNAAN RADIASI SYNCHROTRONUNTUK PENGUKURAN DAERAH PLASTIS

PADA MATERIAL BAJA KARBON

Yunan PrawotoLaboratorium Uji Konstruksi (LUK-BPPTeknologi), Puspiptek Serpong Tangerang 15314

ABSTRAK

PENGGUNAAN RADIASI SYNCHROTRON UNTUK PENGUKURAN DAERAH PLASTIS PADAMATERIAL BAJA KARBON. Pada penelitian ini perubahan ukuran daerah plastis digunakan untuk verifikasibasil analisis faktor intensitas tegangan dari retakan lelah yang dilakukan pada material yang memiliki tegangansisa tarik. Daerah plastis vertikal digunakan untuk menyelidiki jejak faktor intensitas tegangan maksimum didalam dan di luar daerah yang memiliki tegangan sisa tarik. Daerah plastis vertikal dideteksi dengan metoda linebroadening dengan menggunakan radiasi synchrotron dengan ukuran spot 50 x 50 J,lm. Hasil pengukuran daerahplastis ini kemudian dibandingkan dengan basil estimasi analitik. Hasil estimasi analitik ini didapatkan denganmenjumlahkan faktor intensitas tegangan kerja maksimum dan faktor intensitas tegangan sisa yang dihitungdengan metoda weightfunction. Ukuran daerah plastis terletak antara basil analisis Rice dan Irwin. Juga dibandi:l1gkandengan perhitungan menggunakan konstanta yang diperoleh dengan metoda micro hardness dan metod~l etsa.Disimpulkan bahwa line broadening dari radiasi synchrotron dapat digunakan untuk mengukur daerah plastisyang terbentuk selama proses peretakan. Total maximum faktor intensitas tegangan adalah jumlah dari faktorintensitas tegangan kerja maksimum dan faktor intensitas tegangan sisa sesuai dengan prinsip superposisi.

Kata kunci : Faktor intensitas tegangan, daerah plastik, weight Junction, tegangan SiBS tarik, line broad'1ning,radiasi synchrotron

ABSTRACT

APPLICATIONS OF SYNCHROTRON RADIATION FOR PLASTIC ZONE INVESTIGATIONOF CARBON STEEL MATERIALS. In this research the plastic zone size changes are used to verify an analysisof the stress intensity factors for a fatigue crack grown in a tensile residual stress field. The vertical extent of theplastic zone was used to investigate the history of the maximum stress intensity factors outside and inside atensile residual stress field. The plastic zone was revealed by diffraction line broadening using a 50 x 50 J.1msynchrotron x-ray beam. The measured plastic zone size is compared to analytical estimates from the maximumstress intensity factor seen during crack growth. The maximum stress intensity factor during crack growth wasobtained by summing the applied maximum stress intensity factor and the residual stress intensity factorcomputed from the residual stresses using the weight function method. The measured plastic zone sizes al~ laidbetween Rice's and Irwin's analytical solutions. They are also compared with the calculation results using theconstants obtained by micro hardness and etching methods. It is concluded that diffraction line broadening, fromsynchrotron radiation is capable of revealing the plastic zone formed during fatigue cracking and that thl: totalmaximum stress intensity factor is indeed the sum of the maximum applied and residual stress intensity factors.

Key words: Stress intensity factor, plastic lone. weight function, residual stress, line broadening, synchrotron

radiation.

PENDAHULUAN

memberikan informasi tentang FIT efektif yang terjadiselama peretakan berlangsung. Pada penelitian ini, daerahplastis yang diukur secara eksperimen digunakan untukverifikasi basil analisis. Analisis tersebut dilakukandengan prinsip superposisi dan metoda weiJght function.

Berbagai cara digunakan untuk menl~ daerahplastis secara experimen. Lankford et al. [7] melaporkanbasil pengukumn ukumn dan bentuk daeralll plastis padaberbagai material dengan menggunakan me1loda electronchanneling. Metoda ini pada prinsipny:a dilakukan

Dari penelitian-penelitian sebelumnya[ 1-4],diketahui bahwa tegangan sisa tarik meningkatkan lajucepat rambat retak, sedangkan tegangan sisa tekanbersifat sebaliknya, yaitu menunmkan laju cepat rambatretak. Dilain pihak, konsep faktor intensitas tegangan(FIT) telah terbukti efektif untuk menganalisa laju cepatrambat [5]. Rice telah membuktikan pacta tahun 1967bahwa FIT memiliki hubungan unik dengan ukurandaerah plastis pada ujung retakan [6]. Sehingga daerahplastis yang terbentuk pada ujung retakan dapat

15

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

Vol. 1 No.3, Juni 2000, hal.. 15 -20ISSN.. 1411-1098

dengan menggeser ke depan/ke be1akang benda uji didalam e1ektron mikroskop. Deformasi p1astismenyebabkan degradasi yang sistematis pacta hasilelectron channeling pattern. Dengan metoda ini, merekamenemukan hubungan antara basil pengujian denganteori. Mereka juga menemukan bahwa bentuk daerahplastis tergantung pacta jenis material. Denganmenggunakan metoda laser speckle, Tay et a1. [8)menemukan hubungan yang beralasan antara teori daDpercobaan pacta material aluminium 2024- T3 51. Metodaini berdasar pacta perubahan kekasaran permukaan ketikasnafu material mengalami deformasi plastis. Merekamenemukan bahwa daerah plastis secara praktek lebihkecil dati teori. Bathias dan Pelloux [9) menelusuri daerahplastis dengan menggunakan metoda microhardnesspada material baja martensitik dan austenitik. Metoda iniberdasar pacta perubahan nilai kekerasan karenadeformasi plastis. Metoda etsa berhasil diterapkan olehHahn et al. [10, II). Metoda yang lain juga digunakandan didiskusikan secara rinci o1eh beberapa pene1iti lain.Diantaranya: optical interference [12), x-ray linebroadening [13), daD rekristalisasi yang diikuti oleh etsa[ 14]. Metoda yang terakhir ini merupakan penyempurnaanmetoda etsa. Uguz and Martin mendiskusikan 17 metodayang berbeda dalam mengukur daerah plastis [15). Semuametoda yang didiskusikan itu dilakukan pacta benda ujidengan kondisi tegangan bidang, baik dengan benda ujitipis maupun daTi permukaan benda uji.

lebih besar dari2

2 8 [1 2 .8 cos --V+SlD-

2 2r=C ,dan

(

~(J" YS

(4)

adalah FIT maksimum yang

TEORI

Banyak basil pengujian maupun basil analisistentang daerah plastis telah dipublikasikan. Dari

publikasi-publikasi tersebut, banyak juga yangdihubungkan dengan FIT [6, 9, 16, 17, 18]. Gambar 1mengilustrasikan daerah plastis pada tegangan bidangdan regangan bidang yang dihitung dengan kriteria luluhvan Mises. Dengan prinsip ini [19], batas daerah plastistegangan bidang adalah : Gambar 1. Batas daerah plastis sebagai fungsi e.

(a). menunjukkan kondisi tegangan bidang,(b). menunjukkan kondisi regangan bidang

dialami selama proses retak lelah, cr rs adalah teganganluluh, v adalah rasio Poisson, dan C adalah konstanta

Tabel I. Besar vertikal dan horizontal PZ dengan menggunakankriteria luluh von Mises and Tresca.

16

Penggunaan Radiasi Synchroton Unhtk Pengukuran Daerah Plastis Pada Material Baja Karbon (Yunan Prawoto)

TATA KERJA

Benda Uji daD Pengujian Retak Lellah

Benda uji yang dig\Ulakan adalah berula uji ASTMcompact tension (CT -specimen) [21] dengan 1mterial baja1080, seperti yang ditunjukkan pada Gamb~lf 2, Baja inikemudian dispheroidisasi dengan memanaskan pada8000 C selarna 3 jam dan kemudian didinginkan di udara,Ukuran butiran ferrite sekitar 5 ~m, sedangkan partikelcementite merniliki ukuran 1 ~, Tegangan sisa diberikandengan menekan suatu oversized tapered pin kedalamsuatu lubang dengan 1,9 % misfit strain secant hidraulis,

Peretakan awal dilakukan dengarl perangkatlunak[22] sehingga dapat dikontrol, Panjimg retakanretakan awal kira-kira 8,6 mm dibutuhkan sebelumpengujian yang sebenarnya dapat dilakukarl. Frekwensiyang digunakan adalah 4 Hz sinusoidal, Proses peretakandilakukan dengan selisih FIT kerja kon,s'tan sebesar25 MPa"m daD rasio pembebanan konstan 10, I, Panjangretakan diukur dengan menggunakan double-cantilever

clip-in displacement gage (clip gage) YWlg dipasangpada mulut benda uji sesuai dengan salran standarASTM [21], Panjang retakan juga diamati sc~ara cermat

dengan menggunakan traveling microscope,

yang tergantung pada jenis material. Pada umumnya,material dengan daktilitas tinggi memiliki nilai C yang

tinggi pula.Tabell merangkum persamaan (1)-(4). Tabel tersebutmemberikan perbandingan antara ukuran daerah plastissecara horizontal dan vertikal. Tabel ini memungkinkanuntuk diadakannya pembandingan basil percobaandengan basil-basil yang telah dipublikasikan sebelumnya

[6,9, 16-18].Pada proses retak lelah, perkembangan retakan

akan merusak daerah plastis horizontal. Namun, daerahplastis vertikal akan tetap tertinggal dan dapat diamati.Selama proses pelelahan berlangsung, daerah plastissiklis akan selalu dibarengi dengan daerah plastismonotonik. Telah diketahui bahwa daerah plastismonotonic berhubungan secara langsung dengan FITmaksinum Kmax' sedangkan daerah plastis siklis lebihberhubungan dengan selisih FIT t.K [6, 20]. Padaumumnya, percobaan retak lelah menggunakan rasiobeban positif, biasanya antara 0, 1 sid 0,5. Dengankondisiini, ukuran daerah plastis siklis adalah sekitar 80%sid 25% daTi daerah plastis monotonik. Namun demikian

kebanyakan peneliti melaporkan tentang sukarnyamengukur daerah plastis siklis [15]. Alasan utamasukamya menentukan daerah plastis siklis adalah karenaukurannya yang kecil dan miripnya karakteristik daerahplastis siklis dengan daerah plastis monotonik. Denganmetoda yang tersedia, batas antara daerah plastis siklislmonotonik tidak sejelas batas antara daerah plastis siklisdan elastic zone. Hal ini menyebabkan sangat sulitnyapembedaan antara daerah plastis siklis/monotonik.

Pacta penelitian ini yang dibutuhkan hanyalahdaerah plastis monotonik karena itulah yangberhubungan secara langsung dengan FIT maksimum.Besar daerah plastis vertikal digunakan untuk verifikasitotal-FIT maksimum pacta retakan yang dilakukan padamaterial yang memiliki tegangan sisa.

Pengukuran Tegangan Sisa Awal

Pengukuran tegangan sisa awal dilakilJkan dengandifraksi sinal X di Northwestern University 123]. Sumberrotating anode digunakan dengan kamkteristik chromiumdengan panjang gelombang 2,2897 A. Sinar J~ difokuskandengan tapered glass capillary tube pad:! benda uji.Ukuran spot pada permukaan benda uji adalah 210 J.l.m.Komponen tegangan yang diukur adalab yang tegakturns terhadap arab retakan daD tegak turns dengan

permukaanretakan

Pengukuran Daerah plastis

W=38.1, ~5.4

Karena tebalnya benda uji, fenomena retakandidominasi oleh regangan bidang, sehingga daerahplastis didalam benda uji merupakan yang hal palingmenarik untuk diamati. Benda uji dipotong secaramemanjang dengan abrasive wheel yang didinginkandengan air. lni memungkinkan dilakuk:mnya aksesterhadap daerah plastis terhadap obyek di dalam mate-rial. Untuk menghilangkan kerusakan material yangdisebabkan oleh proses pemotongan, benda lllji kemudiandipreparasi metallography yaitu dipolish and dietsa.Untuk polishing terakhir digunakan 0,05 j.l.m aluminapowder, sedangkan etsa menggunakan 2 0;0 nital.

Daerah plastis diukur dengan beam sinar Xdengan metoda peak broadening. Percobrum dilakukandi beam line BM-l di Advanced Photon Source diArgonne National Laboratory-USA. Sinar memiliki en-ergy 10 keY dengan ukuran spot 50 x 50 j.l.m, puncak

17

Jurnal Sa ins Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

Vol. 1 No.3, Jun; 2000, hal.. 15 -20ISSN,' 1411-1098

sisa. Percobaan dilakukan dengan selisih FIT kerjakonstans 25 MPa"m. Terlihat bahwa cepat rambat retakdipercepat secara signiflkan oleh adanya tegangan sisa.

Tegangan Sisa daB Daerah Plastis

Gambar 5 menunjukkan tegangan sisa awal.Tegangan sisa awal adalah tegangan sisa pada materialsebelum dilakukan pengujian retak lelah. Di sekitar pin,acta sedikit perbedaan tegangan sisa antara bagiandepan dan bagian belakang. Hal ini dibahas di publikasilain, dengan elemen hingga [24]. Gambar 6 menunjukkandaerah plastis vertikal. Data menunjukkan bahwasemakin retakan mendekati pin, besar daerah plastis jugabertambah.

yang digunakan diambil daTi ferrite 411 dengan sudutdifraksi 20 sebesar 133°.

Pengujian dimulai dengan mencari posisipermukaan retakan. lni dilakukan dengan menempatkanfluorescent screen. Posisi dimanajIuorescence mencapaisetengah daTi nilai penuhnya dinyatakan sebagaipermukaan retakan.

Setelah permukaan retakan diketemukan, puncakdifraksi pada beberapa lokasi yang berjarak tertentu

Superposisi

Tegangan sisa dikonversikan ke FIT sisa dengan

direkam. Oi sekitarpemlukaan retakan, akan terjadipeakbroadening karena deformasi plastis. Puncak difraksididekati dengan fungsi Gaussian dengan linearbackground untuk menentukan full width at halfmaximum (FWHM). Gambar 3 menunjukkan contoh basilpercobaan. Posisi dimana FWHM kembali ke nilai asalnyadinyatakan sebagai barns daerah plastis.

~~~.,

.~

~on

~~

I (XH;.O2

'"

.d6/ct'{ Tegang." sisa

" d6/ct'{ Tanpa tegangan sis.

.dK TegaJIg.,1 sisa

.,IK Tallpa tegallgan sia. =

,. J_~-_=:: J~"

~

,.~" i~» .,

i~~~~-

",.,

:£" lOOE-OJ

i~ IOOE-04

1000-OS.6 II 10

Panjang retak lInin]

Gambar 5. Tegangan sisa awal sepanjang garis caJonretakan (pro.rpeclive crack line).

GambqT 4. Perbandingan cepat rarnbat retak pada bendauji tanpa tegangan sisa dan dengan tegangan sisa.Walaupun selisih FIT kerja (25 MPa,jm) sarna, kecepatanmereka mef\iadi berbeda setelah retakan mencapai daerah

yang memiliki tegangan sisa.

menggunakan weight function [25, 26, 27]a

I U(x). m(a, x)dx , (5)0

Di sini, weight function m(a,x) hanya tergantung padabentuk dan ukuran suatu komponen. Kurva padaGambar 5 adalah rata-rata tegangan sisa yang digunakanpada persamaan (5) untuk menghitung FIT sisa. Gambar7 menunjukkan basil perhitungan dengan tiga basilanalitik daTi 3 weight function yang berbeda [25, 26, 27].

KR =f

BASIL DAN PEMBABASAN

Perambatan Retak Lelah

Gambar 4 menunjukkan perbandingan cepatrambat retak pada benda uji dengan dan tanpa tegangan

Penggunaan Radiasi Synchroton Untuk Pengukuran Daerah Plastis Pada Material Baja Karbon (Yunan Prawoto)

I.~

~-a.~~

.I~~

Gambar 6. Daerah plastis vertical diukur dari permukaan retakan. Hasilpengujian dibandingkan dengan beberapa basil analisis.

Tidak diketernukan perbedaan yang signifikan.Pendekatan dengan rnenggunakan linear ela.~tic

fracture mechanics sangat rnudah dilakukan, karenasetelah tegangan diubah rnenjadi FIT, penarnbahan daDpengurangan terhadapnya dapat dilakukan sesuaiprinsip superposisi. Untuk benda uji yang tidak rnemilikitegangan sisa, FIT rnaksirnurn sarna untuk sernua posisi

AKK =-max (1- R) (6)

Untuk selisih FIT kerja konstan AK =25 MPa..Jrn dan rasiobeban R=O, 1 Kmax adalah 27,78 MPa..Jrn. Di lain pihak,untuk benda uji yang rnerniliki tegangan sisa, FITrnaksirnurn akan berubah karena prinsip superposisihams diterapkan

Tabel 2. Konstanta yang digunakan untuk membandingkandaerah plastis

Rice[6)

Irwin[18)

Dugdale[17]

Birol[16)

Balbia.[9)

Pene/ill

Konstanta: 039 0101/27t 1/7t 1'.18

Catatan Konstanta-konstanta ini adalah 2C pads persamaan (1)-(4)

daerah plastis diketemukan meningkat. Total FIT adalahFIT sisa ditambabkan dengan FIT kerja sepertiditunjukkan pada persamaan (7). Pada Gambar 6, basilpercobaan dibandingkan dengan basil perhitungan.Dalamperhitungan, digunakan beberapa konstanta, 2Cpacta persamaan (1 )-(4), yang diperoleb secara analitikmaupun dengan percobaan [9, 16, 17, 18]. Untuk itudigunakan Tabel 1 daD Tabel 2. Kedua label inimemungkinkan kita untuk membuat peroandingan secaralangsung terbadap konstanta-konstanta yang dipubli-kasikan terdahulu. Data percobaan ini menunjukkanbahwa 2C= 0,25. Nilai ini dapat dibandingkan langsungdengan tabel2, yaitu antara Rice-2C, 1/2 1l'~ 0,159, daD

Irwin-2C, 1/1l'~0,318.

~i~

t:::Ix.

KESIMPULAN

Telah dibuktikan bahwa radiasi synchrotrondengan metoda peak broadening dapat digunakan untuk

Gambar 7. Faktor intensitas tegangan yang dihitung daTitegangan sisa dengan 3 solusi weight function.

19

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

Vol. 1 No.3, Juni 2000, hal ..15 -20

ISSN.. 1411-1098

mengukur besar daerah plastis. Juga telah dibuktikanbahwa prinsip superposisi dapat dibuktikan secaraexperimen. Besar daerah plastis terletak antara basilanalitik Rice dan Irwin. Ini membuktikan bahwa nilaidaerah plastis yang diukur dalam percobaan ini adalahbenar mengingat analisis Rice berdasarkan pacta daerahtegangan elastis dan Irwin berdasar pacta analisa elastis-

plastis sempuma.

[II)

[12]

[13J

[14]

[15]UCAP AN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih alaS bimbinganprofessor Winholtz dari University of Missouri dalammelakukan riset ini. Penulis juga mengucapkan terimakasih pada Dr. Almer atas pemberian data tegangan sisa.Pengujian dengan APS didukung oleh U.S Departmentof Energy, Basic Energy Sciences, Office of Science,dibawah kontrak No. W-31-109-Eng-38. Asistensi dalampengukuran ini dilakukan oleh Dr. Haeffner clan Dr. Lee,dari Argonne-Illinois.

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]DAFT AR ACUAN

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6)

m

G. T. HAHN, R. G. HOAGLAND, and A. R.ROSENFIELD, Metallurgical Transactions, 3(1972) 1189.G.R. CHANANI, International Journal ofFracture, 13 (1977) 394.W.H. SCHLOSBERG and J.B. COHEN, Metallur-gical Transactions A, 13A (1982) 1987.E. TSHEGG, C. FALTIN, and S. STANZL,Journal of Materials Science, 15 (1980) 131.A. UGUZ and J.W. MARTIN, MaterialsCharacterization, 37 (1996) 105.Y. BIROL, Journal of Materials Science, 23 (1988)2079.D.S. DUGDALE, Journal of Mechanics and Phys-ics of Solids, 8 (1960) 100.G.R. IRWIN, Proceeding of Seventh SagamoreOr dance Materials Conference, Syracuse University, 1960, p.63-78.D. BROEK, Elementary engineering fracturemechanics, 4th edition", Kluwer AcademicPublishers, Dordrecht-Netherland, (1996).A. SAXENA and C.L. MUHLSTEIN, Fatiguecrack growth testing in: ASM Handbook Vol. 19-Fatigue and Fracture, ASM International,Materials Park, OH, 1996, p. 168-184.Standard Test Methods for Measurement ofFatigue Crack Growth Rates, ASTM DesignationE 647-95a, American Society for Testing andMaterials, Philadelphia, PA, 1995, P 565-601.759.40 Testware fatigue crack growth testoperator's guide, MTS Systems Corporation, EdenPrairie, 1993.J. D. ALMER, Metallurgical and MaterialsTransactions A, 29A (1998) 2127.J.D. AlMER, J.B. COHEN, K.R. MCCALLUM, andR.A. WINHOLTZ, in: T. Erricson andM. aden(Eds.), Proceedings of the Fifth InternationalConference on Tegangan Sisa" , Soc. Exp. Mech.,Bethel, CT, 1997, p.l072-1077.A. TODOROKI and H. KOBAYASHI,Transactions of the Japan Society of MechanicalEngineers", series A, 54 (1988) 30-36.X. R. WU and A. J. CARLSSON, Weightfunctionsand faktor intensitas tegangan solutions,Pergamon Press, Oxford-UK, (1991).T. FETT and D. MUNZ, Faktor intensitastegangans and Weight Functions, Computationalmechanics publications, Southampton-UK, (1997).[8]

[9]

[10]

J.H. UNDERWOOD, "Experimental Mechanics",March 1995, p. 61-65.J.H. UNDERWOOD, L. P. POOK, and J.K. [21]SHARPLES, Flaw Growth and Fracture, STP 631,American Society for Testing and Materials,Philadelphia, PA, (1977) p.402-415.D. V. NELSON, Residual Stress Effects in Fatigue, [22]STP 776, American Society for Testing andMaterials, Philadelphia, PA, (1982) p. 172-194.A. P. PARKER, Residual Stress Effects in Fatigue, [23]STP 776, American Society for Testing andMaterials, Philadelphia, PA, (1982) p. 13-31. [24]H. P. ROSSMANITH, Fracture Research inRetrospect, An Anniversary Volume in Honour ofG.R. Irwin's ~ Birthday, A.A. Balkema Publishers,Rotterdam-Netherland, (1997).J.R. RICE, Fatigue Crack Propagation, STP415, [25]American Society for Testing and Materials,Philadelphia, PA, (1%7) p. 247-309.J. LANKFORD, D.L. DAVIDSON, and T.S. COOK, [26]in: "Cyclic Stress-Strain and Plastic DeformationAspects of Fatigue Crack Growth", STP 637,American Society for Testing and Materials, Phila- [27]delphia, PA, (1977) p. 36-55.T.E. TA Y, C.M. YAP, and C.J. TA Y, EngineeringFracture Mechanics, 52,5 (1995) 879.C. BATHIAS and R. M. PELLOUX, MetallurgicalTransactions, 4 (1973) 1265.G. T. HAHN, P. N. MINCHER and A. R.ROSENFIELD, Experimental Mechancis, (1971)248.

20