PENGARUH RASIO REGANGAN TERHADAP PERILAKU LOWCYCLE FATIGUE PADUAN Al 7075-T7

(TESIS)

Oleh

ARI BENI SANTOSO

PROGRAM PASCASARJANA MAGISTER TEKNIK MESINFAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITSA LAMPUNGBANDAR LAMPUNG

2017

i

ABSTRACT

THE EFFECT OF STRAIN RATIO ON BEHAVIOR OF LOWCYCLE FATIGUE ALUMINUM ALLOY 7075-T7

By

ARI BENI SANTOSO

The aluminium 7075 alloy is widely used in the air craft industry for componentson the front spar, stabilizer, frames that requires a high strength and low densityratio. The aerospace and automotive industries need to design for lightweightmaterials, where aluminum alloys are often used as the main component.Aluminum alloys have good corrosion resistance properties. This material is usedin a wide field not only for house hold appliances but also for industrial purposes,for example air-craft, car, marine and other constructions. The phenomenon ofductility decreasing due to pre-fatigue deformation, is the most significant for thecombination of long pre-fatigue time, high humidity, and low strain rate. Theprocess of making specimen shapes and dimensions were prepared according toASTM E8 standard for the tensile specimens and ASTM E606 standard for LCFtest, respectively. Characterization of changes in material structures and the typesof failure that occured were carried out using OM, SEM and EDX.

The aluminium alloy 7075 - T7 were systematically fatigued under low cyclefatigue testing with strain ratio (R) = -1, -0.05, 0.05, and 0.5, strain rate = 4 × 103/s, and strain amplitude = 0.006 mm/mm, 0.008 mm/mm, 0.010 mm/mm,0.012mm/mm, 0.014 mm/mm and 0.016 mm/mm. Aluminum alloys showcontinuous stability for failure cycle, and the highest material life (fatigue life) isfound for strain ratio = 0.05 with strain amplitude = 0.016 mm/mm while thelowest fatigue life is for strain ratio = -0.05 with strain amplitude = 0.006mm/mm, in which the material show continuous cyclic hardening of the firstfailed cycle.

Keywords: Low Cycle Fatigue, Aluminum, Fatigue Life, cyclic, Strain Rate andStrain Amplitude.

ii

ABSTRAK

PENGARUH RASIO REGANGAN TERHADAP PERILAKU LOWCYCLE FATIGUE PADUAN Al 7075-T7

Oleh

ARI BENI SANTOSO

Paduan aluminium 7075 banyak digunakan terutama pada industry pesawatterbang untuk komponen-komponen pada bagian front spar, stabilizer, frame yangmembutuhkan rasio antara kekuatan dan kepadatan yang tinggi. Dalam duniakedirgantaraan dan industri otomotif yang memiliki desain dengan material yangringan, paduan aluminium sering digunakan sebagai komponen utama.

Aluminium paduan merupakan logam ringan yang mempunyai sifat ketahanankorosi yang baik. Material ini digunakan dalam bidang yang luas bukan hanyauntuk peralatan rumah tangga saja tetapi juga dipakai untuk kepentingan industri,misalnya untuk industri pesawat terbang, mobil, kapal laut dan konstruksikonstruksi yang lain.

Fenomena penurunan keuletan, karena pra-kelelahan deformasi adalah yangpaling signifikan untuk kombinasi panjang pra-kelelahan waktu, kelembabantinggi, dan laju regangan rendah.

Proses pembuatan spesimen bentuk dan dimensi ukuran specimen uji tarikdisiapkan sesuai standar ASTM E8 dan untuk uji LCF menggunakan standarASTM E606. Karakterasasi perubahan struktur material dan jenis patahan yangterjadi dilakukan dengan melakukan pengujian OM, SEM serta EDX.

Pada pengujian ini, laju regangan uji kelelahan siklus rendah dengan lajuregangan (Strain rate) konstan= 4×103/s, rasio regangan (R) = -1, -0.05, 0.05, dan0.5 pada paduan Al 7075-T7, dan amplitudo regangan = 0.006 mm/mm,0.008mm/mm, 0.010 mm/mm, 0.012mm/mm, 0.014 mm/mm dan 0.016 mm/mm.Paduan aluminium menunjukkan stabilitas yang kontinyu untuk siklus kegagalan,dan umur material (fatigue life) yang tertinggi diperoleh pada rasio regangan =0.05 dengan amplitudo regangan = 0.016 mm/mm. Sedangkan umur (fatigue life)terendah yaitu pada rasio regangan = -0.05 dengan amplitudo regangan = 0.006

iii

mm/mm, di mana material menunjukan pengerasan siklik terus menerus darisiklus pertama yang gagal.

Kata kunci: Low Cycle Fatigue, Aluminium, Fatigue Life, siklik, Strain Rate danAmplitudo Regangan.

iv

PENGARUH RASIO REGANGAN TERHADAP PERILAKU LOWCYCLE FATIGUE PADUAN Al 7075-T7

Oleh

ARI BENI SANTOSO

Tesis

Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai GelarMAGISTER TEKNIK

Pada

Program pascasarjana Magister Teknik MesinFakultas Teknik Universitas Lampung

PROGRAM PASCASARJANA MAGISTER TEKNIK MESINFAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNGBANDAR LAMPUNG

2017

viii

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Magetan Propinsi Jawa Timur pada tanggal 01Mei 1987 sebagai anak ketiga dari tiga bersaudara, dari BapakMahroni dan Ibu Sitimah .

Pendidikan sekolah dasar di SD N 1 Srimenanti diselesaikan padatahun 1999, Sekolah Menengah Pertama (SMP) Kosgoro selesai

pada tahun 2002, Sekolah Menengah Atas di SMA Negeri 1 Bandar Sribhawonoselesai tahun 2005 serta Pendidikan S-1 di Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesindi Universitas Lampung selesai di tahun 2012. Tahun 2014, penulis terdaftarsebagai mahasiswa Pasca Sarjana UniversitasLampung pada Program MagisterTeknik Jurusan Magister Teknik Mesin. Penulis bekerja sebagai KoordinatorManajemen Asset Reliability Infrastructure and Operation (MARIO) di PT PGASSOLUTION Distribusi Area Lampung.

ix

Motto

Sebaik-baiknya manusia diantaramu adalah yang paling banyak manfaatbagi orang lain.

( Muhammad Rasullulah Saw)

Allah akan meninggikan derajat orang-orang yang beriman diantara kamudan orang-orang yang memiliki ilmu pengetahuan.

(Al-Mujadillah:11)

Barang Siapa menginginkan kebahagiaan didunia dan diakhirat makaharuslah memiliki banyak ilmu.

(HR.Ibnu Asakir)

x

PERSEMBAHAN

Dengan puji syukur kehadirat Allah SWT, Penulis persembahkan karya ini untuk :

Bapak Mahroni dan ibu Siti Fatimah ke dua orang tuaku yang mengajarkanbanyak hal kebaikan dalam hidupku.

Kedua kakakku Eko Supriyanto dan Dwi Purnomo, terimakasih selalu menjadisumber inspirasi, semangat dan kebanggan.

Kurniasih Mbak iparku terima kasih telah menyemangati aku selama ini. Helda yang selalu memberikan semangat dan motivasi. Almarhumah dr. Endang Rahayu Sedyaningsih, MPH, DR.PH dokter yang

telah menjagaku ketika aku kecil Dosen-dosen Magister Teknik Mesin, terimakasih bimbingan dan ilmu yang

disampaikan semoga menjadi Ilmu yang bermanfat Seluruh karyawan PT PGAS SOLUTION Distribusi area lampung Seluruh karyawan dan dosen Universitas Saburai Rekan-rekan Magister Teknik Mesin Angkatan I, semoga silahturahmi kita

selalu terjaga.

xi

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, segala puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atassegala karunia dan ridho-NYA, sehingga tesis dengan judul “Pengaruh RasioRegangan Terhadap Perilaku Low Cycle Fatigue Paduan Al 7075-T7” ini dapatdiselesaikan. Tesis ini disusun untuk memenuhi salah satu persyaratanmemperoleh gelar Magister Teknik (M.T.) dalam bidang keahlian Teknik MesinUniversitas Lampung.

Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa hormat danmenghaturkan terima kasih yang sebesar-besarnya, kepada :

1. Prof. Dr. Sudjarwo, M.S, selaku Direktur Program Pasca Sarjana UniversitasLampung

2. Prof. Suharno, selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Lampung3. Dr. Amrizal, selaku Ketua Program Magister Teknik Mesin4. Dr. M. Badaruddin, selaku Dosen pembimbing utama atas bimbingan, arahan

dan waktu yang telah diluangkan kepada penulis untuk berdiskusi dalamproses penyelesaian Tesis ini.

5. Dr. Shirley Savetlana., selaku Dosen Pembimbing kedua atas kesediaannyamemberikan bimbingan, saran, dan masukan dalam proses penyelesaian Tesisini

6. Dr. Sugiyanto, selaku Dosen Penguji yang telah memberikan masukan selamaproses pengujian.

7. Orang Tuaku , kakak tercinta, mbak iparku dan helda yang telah memberikandukungan dan motivasinya.

8. Kawan-kawan seperjuangan Angkatan I Magister Teknik MesinUniversitasLampung.

9. Seluruh karyawan PT PGAS SOLUTION Distribusi area lampung.10. Seluruh karyawan dan dosen Universitas Saburai.

Akhir kata, penulis menyadari akan kekurangan dan kelemahan dalampenyajianTesis ini, oleh karena itu Penulis mengharapkan kritik dan saran darisemua pihak yang sifatnya membangun dan demi perbaikan di masa yang akandatang. Penulis berharap semoga Tesis ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Bandar Lampung, 29 Juli 2017Penulis

Ari Beni Santoso

xii

DAFTAR ISI

HalamanABSTRACT..................................................................................................... iABSTRAK ....................................................................................................... iiCOVER DALAM ........................................................................................... ivLEMBAR PERSETUJUAN ............................................................................ vLEMBAR PENGESAHAN ............................................................................ viSURAT PERNYATAAN................................................................................. viiDAFTAR RIWAYAT HIDUP......................................................................... viiiMOTTO ........................................................................................................... ixPERSEMBAHAN............................................................................................ xKATA PENGANTAR ..................................................................................... xiDAFTAR ISI ................................................................................................... xiiDAFTAR GAMBAR ...................................................................................... xivDAFTAR TABEL ........................................................................................... xv

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................... 11.1. Latar Belakang................................................................................. 11.2. Tujuan Penelitian............................................................................. 41.3. Batasan Masalah .............................................................................. 41.4. Manfaat Penelitian........................................................................... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA.................................................................... 62.1. Studi Literatur.................................................................................. 62.2. Aluminium paduan .......................................................................... 72.3. Sifat Mekanik Aluminium ............................................................... 92.4. Kelelahan material (Fatik) ............................................................... 92.5. Pendekatan Berbasis Regangan ....................................................... 11

BAB III METODE PENELITIAN ............................................................... 143.1. Persiapan Spesimen dan Peralatan uji ............................................. 14

3.1.1 Material dan Pembuatan Spesimen ........................................ 143.1.2 Peralatan Pengujian................................................................ 15

3.2. Pengujian Fatik Siklus Rendah........................................................ 163.3. Observasi Mikrostruktur dan Fraktografi ........................................ 173.4. Pengujian tarik ................................................................................. 17

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ....................................................... 184.1. Hasil Pengujian Low Cycle Fatigue ................................................ 184.2. Pengaruh Tegangan Siklik Terhadap Jumlah Siklus ....................... 20

xiii

4.3. Pengaruh amplitude regangan terhadap jumlah siklus .................... 234.4. Pengaruh tegangan rata – rata terhadap jumlah siklus .................... 244.5. Pengaruh beban Siklik Terhadap Sifat bahan.................................. 254.6. Karakterisasi Struktur Mikro ........................................................... 274.7. Obseravsi Fraktografi ...................................................................... 294.8 Diskusi dan Pembahasan ................................................................. 31

4.8.1. Perilaku tegangan-regangan siklik terhadap jumlahsikluskegagalan ............................................................................. 31

4.8.2. Struktur mikro...................................................................... 324.8.3. Ketahanan terhadap tegangan Tarik .................................... 374.8.4. Kekelelahan siklus rendah (LCF) berbasis pendekatan

Coffin - Mansion.................................................................. 37

BAB V SIMPULAN DAN REKOMENDASI .............................................. 395.1. Simpulan.......................................................................................... 395.2. Saran ................................................................................................ 39

DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................... 41LAMPIRAN..................................................................................................... 43

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman

1. Diagram kebalikan siklus patah (2Nf) terhadap amplitudo regangan....... 102. Dimensi uji tarik ASTM E8...................................................................... 153. Dimensi uji fatik siklus rendah ASTM E606 ........................................... 154. Mesin MTS Landmark 100kN ................................................................. 155. Variasi respon puncak tegangan tarik vs jumlah siklus pada amplitudo

regangan yang berbeda dengan R = -1...................................................... 206. Variasi respon puncak tegangan tarik vsJumlah siklus pada amplitudo

regangan khas 0,6% .................................................................................. 217. Menggambarkan variasi respon puncak tegangan tarik vs Jumlah siklus

pada amplitudoregangan khas 1,6% ......................................................... 228. Menggambarkan variasi respon puncak tegangan tarik elastis dan plastis

pada R= -1................................................................................................. 239. Variasi respon puncak tegangan tarik maksimum terhadap jumlah siklus

patah .......................................................................................................... 2410. Variasi respon tegangan rata-rata terhadap jumlah siklus pada

amplitude regangan : (a) εa 0.6% dan (b) εa 1.6% ................................... 2411. Pengaruh pelunakan dan pengerasan AL 7075 – T7 pada amplitude

regangan 0.6 % dengan rasio regangan yang berbeda ............................. 2612. Pengaruh pelunakan dan pengerasan AL 7075 – T7 pada amplitude

regangan 0.8 % dengan rasio regangan yang berbeda ............................. 2613. Pengaruh pelunakan dan pengerasan AL 7075 – T7 pada amplitude

regangan 1.2 % dengan rasio regangan yang berbeda ............................. 2714. SEM struktur mikro dan perambatan retak specimen hasil uji LCF

dengan (a) R = -1, (b) R = -0.05, (c) R= 0.05, dan (d) R = 0.5 .............. 2815. SEM fractografi penampang patahan Al-7075 T7 yang di uji LCF ......... 2916. Kurva tegangan vs regangan paduan Al 7075 – T7 pada kondisi uji tarik

statis dan siklik.......................................................................................... .....30

xv

DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

1. komposisi kimia paduan aluminium 7075 - T7 (wt%)................................ 142. hasil uji low cycle fatigue paduan aluminium7075 - T7 ............................. 193. Sifat fatiq siklus rendah paduan AL 7075 - T7 pada pengujian R= -1 ..... 37

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Paduan aluminium 7075 banyak digunakan terutama pada industri pesawat terbang untuk

komponen-komponen pada bagian front spar, stabilizer, frame yang membutuhkan rasio

antara kekuatan dan kepadatan yang tinggi. Dalam dunia kedirgantaraan dan industri

otomotif yang memiliki desain dengan material yang ringan, paduan aluminium sering

digunakan sebagai komponen utama. Dengan demikian, ada beberapa paduan aluminium

kekuatan tinggi umum yang biasanya digunakan, termasuk banyak dari paduan

aluminium seri 2XXX, 6XXX, dan 7xxx. Untuk 7075 paduan aluminium biasanya

digunakan untuk kekuatan tinggi. Penelitian secara ekstensif dan komprehensif telah

dilakukan untuk memahami perilaku kelelahan paduan aluminium7075 dalam beberapa

decade tentang mekanisme kelelahan terkait dengan retak inisiasi dan perambatanretak.

[Zhu dkk.,2006], melakukan penelitian secara eksperimental perilaku kelelahan Al 7075-

T651 dalamzona high cycle fatigue (HCF) dengan pembebanan uniaksial, torsidanaksial-

torsi. Mereka melaporkan bahwa variasi mode tegangan mempengaruhi secara signifikan

model retak yang terbentuk: retakgeser, retak campuran dan perilaku retak tarik

tergantungpadabesarnyabeban. Selain itu, besara beban dan regangan maksimum

merupakan parameter kunci dalam mempelajari perilaku kegagalan [Torabi dkk., 2015].

2

Merekamengamati perilaku retak pada paduan Al 7075-T6 dengan kondisi pembebanan

campuran mode I dan II dimana deformasiplastis yang besar

belumtentumenghasilkanperambatanretakstabil,namun kegagalan secara tiba-tiba dapat

terjadi secara cepat pada daerah yang mengalami deformasi plastis yang besar. Di sisi

lain, Al 7075 adalah aluminium seng campuran yang memiliki kekuatan tertentu yang

lebih tinggi tetapi mampu bentuk yang lebih rendah. sifat mampu bentuk yang lebih

rendah ini membatasi penggunaannya untuk komponen struktur denganbentuk geometri

yang lebih rumit, seperti deep drawing, deep rolling terutama pada industri

kedirgantaraan dan transportasi [Song dkk., 2011]. Paduan Al 7075 lebih sering

digunakan untuk mengurangi berat bobot material namun tetap mempertahankan

kekuatan getasnya, dan ada beberapa konsekuensi yang tak terduga dalam aplikasi yang

melibatkan paparan panas untuk suhu tinggi. Bahkan, efek paparan suhu tinggi mendekati

kondisi anil pada perilaku kelelahan paduan Al 7075-T651 belum diteliti secara langsung.

Namun, efek anil pada monotonik dan anisotropi pada 400ºC selama 5 menit yang sudah

dilakukanpada paduan Al-7075 menghasilkan karakteristik dan anisotropi yang berbeda

[Song dkk., 2011]. Dengan demikian, efek anil pada paparan suhu tinggi untuk

mempelajari kekuatan lelah atau mekanisme fundamental paduan Al 7075 belum begitu

dipahami.

Dalam analisis kelelahan tradisional, kurva empiris melalui fittingyang diperoleh secara

eksperimental pada kondisi regangan siklik untuk menghasilkan sifat kelelahan bahan

dan dapat digunakan untuk mengkorelasi sifat fatik siklus rendah dari bahan tertentu.

Selain itu, model kelelahan rekayasa multi tahap (siklik tarik tekan) telah diusulkan oleh

[Mc Dowell dkk., 2003], untuk mengatasi efek dari pengaruh struktur mikro yang

berbeda dan cacat pada paduan aluminium cor. Model ini telah diterapkan dan diperluas

3

untuk paduan aluminiumtempa, paduan magnesium, dan beberapa paduan baja [Joshi

dkk., 2013]. Model kelelahan selama proses tahap kelelahan dalam paduan aluminium

secara eksperimen diamati termasuk tahap inkubasi retak, pertumbuhan retak

mikrostruktur, pertumbuhan retak kecil, dan pertumbuhan retak panjang [Mc Dowell

dkk., 2003]. Model ini menggunakan informasi mikrostruktur dan sifat material

makroskopik untuk memperhitungkan variasi umur kelelahan, kelelahan data yang

tersebar, dan kontribusi dari fase yang berbeda dari proses kelelahan. Paduan aluminium

7075 diuji pada kondisi siklik untuk obervasi mekanisme kegagalan bahan secara mikro,

melalui mekanisme propagasiretak primer celahkecildanretak menengahtelah dilakukan

oleh [Tschegg dkk., 2016].Dalam aplikasinya,retak kelelahanpaduan aluminium 7075-

T6, secara signifikan terjadi karena ketidakteraturanketika beban torsi stabil yang

diterapkan [Fonte dkk., 2015].

Masalah utama yang sering muncul pada komponen paduan Al-7075 adalah retak selama

periode waktu tertentu tanpa dapat diidentifikasi sejak awal. Low cycle fatique (LCF)

merupakan penyebap utama terbentuknya retak awal yang dipicu oleh deformasi platis

pada daerah retak mikro, dang akhirnya retak berkembang memicu terjadinya kerusakan

yang mengarah kepada kegagalan bagian yang lain. Dalam sudut pandang mikrostruktur,

peranan elemen-elemen seperti: Si, Cu, Fe, Mg dan Ti yang masuk kedalam paduan Al

mempunyai peranan penting dalam mempengatuhi sifat fatik paduan aluminium [Song

dkk., 2011]. Oleh karena itu sangat penting melakukan experimental secara

komprehensif sifat fatik paduan Al yang mengandung Silkon (Si), Magnesium (Mg),

Ferro (Fe), Zink (Zn), Calium (Cu) dan Titanium (Ti) untuk aplikasi komponen pesawat

terbang terhadap beban siklik (LCF) pada temperatur ruang.

4

1.2. Tujuan Penelitian

1. Untuk mempelajari perilakuLCF paduan Al 7075-T7pada kondisi rasio regangan (R)

bervariasi.

2. Mengetahui mekanisme kegagalan bahan karena beban siklik (LCF) yang dipelajari

melalui perubahan struktur mikro,fraktografi penampang patahan setelah uji LCF.

3. Memprediksi umur fatik melalui persamaan model matematika dari kriteria Coffin-

Manson.

1.3. Batasan Masalah

Ruang lingkup penelitian sebagai berikut:

1. Laju regangan konstan ̇ = 4×103/s

2. Variasi amplitudo regangan (a) 0.6 % - 1.6 %

3. Rasio regangan bervariasi (R) = -1, -0.05, 0.05, dan 0.5

4. Kondisi pengujian LCF pada temperatur ruang

1.4. Manfaat Penelitian

Hasil penelitian karakteristik LCF paduan Al7075-T7 diharapkan memberikan manfaat

yaitu:

1. Data-data sifat kekuatan tarik dan sifat LCF paduan Al 7075-T7 dapat digunakan oleh

industri pesawat terbang, yang menggunakan paduan ini untuk komponen-komponen

pada bagian front spar, stabilizer, dan frame yang membutuhkan rasio antara kekuatan

dan kepadatan yang tinggi.

5

2. Menambah masukan bagi ilmu pengetahuan tentang perilaku LCF paduan Al A7075-

T7 pada temperatur ruang.

3. Meningkatkan pengetahuan dan wawasan peneliti dalam mengevaluasi dan

memprediksi kekuatan fatik dan umur fatik dalam kondisi LCF paduan Al 7075-T7

Sistematika Penulisan

Sistematika yang digunakan pada penulisan tesis ini terdiri atas beberapa bagian, yaitu :

BAB I : PENDAHULUAN

Berisikan latar belakang masalah, tujuan, batasan masalah,dan sistematika

penulisan dari penelitian ini.

BAB II : TINJAUAN PUSTAKA

Berisikan tentang teori dan state of the art berkenaan dengan penelitianyang

sudah dilakukan mengenai sifat fatik paduan Al-7075-T7.

BAB III : METODE PENELITIAN

Bab ini berisikan bahan, peralatan pengujian, dan prosedur penelitian

BAB IV : HASIL DAN PEMBAHASAN

Berisikan data-data hasil pengujian dan pembahasan.

BAB V : SIMPULAN DAN SARAN

Berisikan kesimpulan dan saran.

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

6

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Studi Literatur

Material Al 7075 banyak menarik minat para peneliti sebelumnya sebagai

bahan kontruksi ringan dan memiliki kelebihan di banding paduan Al lainnya.

Namun, peningkatan penggunaan paduan Al ini dalam aplikasi padabagian

front spar, stabilizer, frame membutuhkan pemahaman yang lebih baik dari

respon paduan terhadap kekuatan fatiknya. Dalam sebuah penelitian

dikatakan bahwa Stress tidak terpengaruh oleh deformasi pra-

kelelahandengan kelembaban yang bervariasi dan frekuensi. Sebaliknya,

deformasi pra-kelelahan menghasilkan hilangnya daktilitas. Fenomena

penurunan keuletan, karena deformasipra-kelelahan adalah yang paling

signifikan untuk kombinasi waktu panjang pra-kelelahan, kelembaban tinggi,

dan laju regangan rendah [Yamadadkk., 2015]. Namun, peningkatkan umur

fatik yang diamati pada cacat internal adalah sebagai konsekuensi

perlambatan pembentukan retak inisiasi yang memicu penundaan perambatan

retak karena terbentuknya presipitasi fasa AlMg4Si11.

Hanya beberapa peneliti yang telah melakukan studi LCF pada paduan Al-Si

[Song dkk., 2011] mempelajari prilaku LCF Al-Si-Mg-Ti (A356) dari hasil

pengecoran grafitasi (GC) menunjukan bahwa umur kelelahan bahan

7

langsung dipengaruhi oleh penambahan 0.1 % Ti yang menghasilkan

tegangan luluh rendah dan selama uji LCF menghasilkan energi regangan

plastis tinggi, sehingga umur fatik paduan diperlama. [Fan dkk., 2015]

melakukan penelitian prilaku kelelahan [LCF] paduan Al-9Si-3Cu (A333)

hasil dari pengecoran grafitasi (GC) untuk kepala silinder pada temperatur

150 0C dan 250 C dalam atmosfir udara. Mereka melaporkan umur kelelahan

paduan A333 pada temperatur 150 C lebih tinggi dibandingkan pada

temperatur 250 C pada kondisi amplitudo regangan total yang sama.

Penurunan umur kelelahan bahan ini dapat temperatur 250 C dipengaruhi

beberapa faktor, seperti plastisitas, kehadiran zona bebas prisipitasi (PFZ)

bersama-sama presipitasi fasa AlMg4Zn11, serta difusi oksigen pada

permukaan retak. Meskipun penelitian prilaku kegagalan akibat LCF telah

dilakukan pada berbagai paduan Al-Si, namun data LCF untuk paduan Al-Si-

Mg-Ti pada temperatur ruang dan temperatur tinggi belum tersedia banyak

dalam beberapa literatur. Oleh karena itu, penelitian ini dilakukan dalam

rangka untuk mengeksplorasi secara komprehensif sifat LCF paduan Al-Si

yang mengandung sedikit elemen Mg dan Ti dan mekanisme kegagalan LCF

berkaitan erat dengan perubahan mikrostruktur dalam paduan dipelajari

melalui FTIR, SEM, EDS, XRD dan OM untuk memberikan informasi secara

detil terhadap prilaku LCF.

2.2. Aluminium paduan

Aluminium paduan merupakan logam ringan yang mempunyai sifat

ketahanan korosi yang baik. Material ini digunakan dalam bidang yang luas

8

bukan hanya untuk peralatan rumah tangga saja tetapi juga dipakai untuk

kepentingan industri, misalnya untuk industri pesawat terbang, mobil, kapal

laut dan konstruksi konstruksi yang lain. Untuk memenuhi tuntutan pasar dari

aluminium tuang dewasa ini harus memfokuskan pada peningkatan kualitas

logam dengan pengembangan pada proses peleburan. Proses difokuskan pada

eliminasi berbagai kotoran yaitu inklusi yang merupakan problem serius

dalam memproduksi hasil coran yang berkualitas. Inklusi yang dimaksud

adalah gas hidrogen yang dapat larut pada aluminium cair yang menyebabkan

porositas pada pengecoran. Daya larut hidrogen meningkat bila temperatur

naik. Tingkat kelarutan hidrogen pada paduan aluminium tidak sama. Pada

saat pembekuan, gas hidrogen masih tersisa sehingga pada hasil pengecoran

terdapat cacat. Dijelaskan pula bahwa tidak semua porositas diakibatkan oleh

gas hidrogen tetapi disebabkan pula oleh penyusutan. Penyusutan yang terjadi

pada saat aluminium membeku sebesar 6% dari volume ketika aluminium

bertransformasi dari cair ke padat.Aluminium Paduan yang digunakan dalam

casting diklasifikasikan menurut alloying elements utama mereka. Yang

paling umum dari klasifikasi ini adalah bahwa yang ditetapkan oleh Asosiasi

Aluminium dan diadopsi oleh badan standar lainnya (misalnya, ASTM dan

SAE).

Menurut klasifikasi ini, jenis yang paling penting adalah:

a) 1xx.x – pure aluminum alloys;

b) 2xx.x – aluminum-copper alloys;

c) 3xx.x – aluminum-silicon alloys ( dengan ditambahkan magnesium atau

tembaga);

d) 4xx.x – aluminum-silicon alloys;

9

e) 5xx.x – aluminum-magnesium alloys;

f) 7xx.x – aluminum-zinc alloys (dengan ditambahkan magnesium,

tembaga, chromium,manganese atau campuran dari sejenis);

g) 8xx.x – aluminum-tin alloys.

2.3. Sifat Mekanik Aluminium

Sifat teknik bahan aluminium murni dan aluminium paduan dipengaruhi oleh

konsentrasi bahan dan perlakuan yang diberikan terhadap bahan tersebut.

Aluminium terkenal sebagai bahan yang tahan terhadap korosi. Hal ini

disebabkan oleh fenomena pasivasi, yaitu proses pembentukan lapisan

aluminium oksida di permukaan logam aluminium segera setelah logam

terpapar oleh udara bebas. Lapisan aluminium oksida ini mencegah terjadinya

oksidasi lebih jauh. Namun, pasivasi dapat terjadi lebih lambat jika dipadukan

dengan logam yang bersifat lebih katodik, karena dapat mencegah oksidasi

aluminium.

2.4. Kelelahan material (Fatik)

Fatik atau kelelahan menurut ASM (1975) didefinisikan sebagai proses

perubahan struktur pada daerah tertentu secara terus menerus dan permanen

akibatregangan dan tegangan berfluktuasi, yang memicu terjadi retak awal

perambatan retak hingga terjadi perpatahan. Terdapat 3 fase dalam

perpatahan fatik: permulaan retak, penyebaran retak dan patah.

1. Mekanisme dari permulaan retak umumnya dimulai dari crack initiation

yang terjadi di permukaan material yang lemah atau daerah dimana terjadi

10

konsentrasi tegangan di permukaan (seperti goresan, notch, lubang-pits dll)

akibat adanya pembebanan berulang.

2. Penyebaran retak ini berkembang menjadi microcracks. Perambatan atau

perpaduan microcracks ini kemudian membentuk macrocracks yang akan

berujung pada failure. Maka setelah itu, material akan mengalami apa

yang dinamakan perpatahan.

3. Perpatahan terjadi ketika material telah mengalami siklus tegangan dan

regangan yang menghasilkan kerusakan yang permanen.

Gambar 2.1 Diagram siklus kebalikan patah (2Nf) terhadap amplituderegangan

HCS = high cycles stress/strain LCS = low cycles stress/strain

HCF = high cycles fatigue LCF = low cycles fatigue

PCS = plastis cycles strain ECS = elastic cycles strain

Konsep tegangan (S) terhadap jumlah siklus (N) merupakan pendekatan

pertama untuk memahami fenomena kelelahan logam akibat beban (high cycle

fatigue).Konsep ini secara luas digunakan dalam aplikasi perancangan material

dimana tegangan yang terjadi dalam daerah elastis dan siklus umur lelah

panjang (HCF). Sebaliknya, metode S-N ini tidak dapat diterapkan dalam

11

kondisi sebaliknya (tegangan dalam daerah plastis dan umur lelah yang relative

pendek), hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Kurva tersebut didapat dari pemetaan tegangan terhadap jumlah siklus sampai

terjadi kegagalan pada benda uji.Pada kurva ini siklus menggunakan skala

logaritma. Batas ketahan fatigue (endurance limit) baja ditentukan pada

jumlah siklus N>107. Kelelahan siklus tinggi (HCF) = Regangan hampir

seluruhnya elastis, sedangkan pada kelelahan siklus rendah

reganganhamperseluruhnya bersifat plastis [Angeloni, 2012].

2.5. Pendekatan Berbasis regangan

Pemodelan pendekatan berbasis regangan sering digunakan dalam aplikasi

Low Cycle Fatigue di mana secara akurat dapat dilihat sifat plastisitas yang

menghindarkan kerusakan keausan dalam daerah ini. Pendekatan berbasis

regangan bekerja menggunakan uji siklus penuh, yang merupakan

penjumlahan regangan elastis dan regangan plastis, seperti yang ditunjukkan

pada persamaan-persamaan.Ketika regangan plastis terjadi, maka kemampuan

material dalam sebuah konstruksi atau rangkaian akan menurun, tidak lebih

dari 10000 siklus, pada kelelahan siklus rendah. Pada penelitian penerbangan

tentang kelelahan siklus rendah dilakukan untuk regangan komponen mesin

yang terkena panas karena gesekan (tegangan termal).Kelelahan siklus

rendah biasanya ditunjukkan dalam bentuk logaritma regangan plastic

terhadap logaritma jumlah siklus kegagalan N.∆ = ∆ e +∆ p (2)

12

Luas tegangan, ∆ /2, dapat dinyatakan sebagai fungsi dari jumlah

pembalikan secara empiris dengan persamaan Basquin

∆ = f(2Nf )b (3)

Dimana f adalah koefisien kekuatan keausan dan b adalah eksponen

kekuatan keausan. Karena luas regangan elastis, ∆ e, sama dengan ∆ /2E,

dimana E adalah modulus elastisitas, persamaan (3) dapat diubah untuk

mengetahui kelelahanpada daerah plastis (LCF) elastis sebagai

∆= (2Nf )b (4)

Di sisi lain, untuk mengetahui luas kelelahan siklus tinggi(HCF)diwakili oleh

persamaan Coffin-Manson

∆= ′f (2Nf )c (5)

dimana ′f adalah koefisien daktilitas/kelenturan keausan, dan c adalah

eksponen daktilitas keausan. Gabungan Pers. (3) dan (4), kita memperoleh

luas regangan total sebagai fungsi dari jumlah siklus kegagalan.

∆= (2Nf )b + ′f (2Nf )c (6)

Serupa dengan kurva tegangan-regangan monoton yang telah digunakan

untuk menentukan parameter desain untuk struktur teknik dan komponen,

kurva tegangan-regangan siklik dapat digunakan untuk menilai daya tahan

struktur yang sama dan komponen yang mengalami beban siklik. Analog

dengan deformasi monoton dalam regangan, perilaku tegangan-regangan

siklik dapat diwakili oleh

∆ =K’ (∆

)n’ (7)

13

dimanaK’ adalah koefisien kekuatan siklik dan n’ adalah eksponen

pengerasan tekanan siklik [Brammer dkk., 2013].

14

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Persiapan Spesimen dan Peralatan uji

3.1.1.Material dan Pembuatan Spesimen

Semua spesimen uji dibuat dari paduan Al A7075-T7denganbentuk

dan dimensi ukuran spesimen uji tarik dan uji LCF disiapkan sesuai

standar ASTM E8 [ASTM E8., 2004] dan standar ASTM E606

[ASTM E606., 2004], masing-masing. Komposisi kimia paduan Al

7075 ditampilkan pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1Komposisi kimia paduan aluminium 7075-T7 (wt%).

Cu Mg Mn Fe Si Cr Ti Zn Al0.0104 0.494 0.0263 0.225 0.510 0.0023 0.0172 0.0172 98.6

Proses pemesinan pembuatan spesimen menngunakan CNC

EMCOTronic TM 02 buatan Australia, yang akan dikerjakan di

P2TK/VEDC Malang-Jawa Timur. Diameter grip spesimen semuanya

adalah 12 mm untuk uji tarik dan LCF. Total 3 spesimen uji tarik

dibuat untuk uji tarik temperatur ruang dan 30 spesimen untuk

spesimen untuk uji LCF temperatur ruang.

15

Gambar. 3.1 Dimensi uji tarik ASTM E8

Gambar. 3.2 Dimensi uji fatik siklus rendah ASTM E606

3.1.2. Peralatan Pengujian

Untuk pengujian Tarik dan LCF, semua spesimen uji yang sudah dibuat

sesuai standar, diuji menggunakan mesin MTS Landmark 100 kN (statik

dan dinamik)

Gambar 3.3 Mesin MTS Landmark 100kN

16

3.2. Pengujian Fatik Siklus Rendah

Spesimen bentuk silinder panjang total 150 mm dengan diameter reduksi

6.35mm dan gage length 13 mm paling sedikit 51 spesimen digunakan untuk

uji LCF pada temperatur ruang (~250C). Masing-masing pengujian dilakukan

setiap satu parameter uji adalah lima spesimen. Ekstensometer model

632.13F-20 dengan gage length 10 mm dan mempunyai kemampuan

mengontrol tegangan ± 15 % (tarik-tekan) dipasangkan pada daerah gage

length spesimen (gambar 4b, lampiran 2). Pengujian low cycle fatigue

dilakukan mengunakan MTS Landmark 100 kN dengan kondisi rasio

regangan -1, -0.05, 0.05, 0.5, laju regangan 4×103s-1dan variasi amplitudo

regangan 0.6 %1.6%.Kegagalanbahan selama pengujian LCF didefinisikan

sebagai penurunan 25% beban.

Kurva hysterisis loops (σ vs ε) dan kurva force vs jumlah siklus secara

otomatis direkam selama pengujian menggunakan program MTS testsuite

sebagai data-data kuantitatif untuk menentukan sifat fatik paduan Al A7075-

T7. Model matematika akan diformulasikan untuk mendapatkan parameter

kekuatan fatikdengan menggunakan pendekatan Coffin–Manson (ASTM E

606., 2004)dengan memasukkan variabel regangan elastis, regangan plstis

terhadap jumlah kebalikan siklus patah (2Nf). Plot kurva Hysterisis σ vs ε

setiap jumlah siklus tertentu (siklus pertama,1/2 jumlah siklus, siklus terakhir)

dilakukan untuk mempelajari prilaku LCF. Semua data yang diperoleh dari

hasil uji LCF dianalisis menggunakan software MTS fatigue analyzer

(berlisensi).

17

3.3. Observasi Mikrostruktur dan Fraktografi

Mikrostruktur dan fraktografi dilakukan untuk mengetahui perubahan struktur

mikro karena pembentukan presipitasi elemen Si, Cu, Fe, Mg dan Ti

menggunakan scanning elektron microscopy (SEM) dan EDS untuk

mempelajari fasa-fasa yang terbentuk pada paduan Al 7075-T7.

Pengambilan foto mikro paduan Al 7075-T7 dilakukan menggunakan

mikroskop optic (OM) untuk mengobservasi perubahan mikro struktur akbiat

deformasi plastis sebelum dan sesudah pengujian LCF.

3.4. Pengujian tarik

Pengujian tarik pada temperatur ruang dilakukan paling banyak tiga

spesimen. Selama pengujian tarik, kontrol penggerakkan aktuator secara

aksial pertama menggunakan laju regangan konstan 0.3 % / min untuk

menentukan modulus elastisitas dan tegangan luluh (0.2 % offset). Setelah

spesimen mencapai regangan 0.3 %, kontrol aktuator secara otomatis

dipindah ke kontrol displasemen dengan laju 0.15 mm/min (ASTM E8.,

2004). Pengujian dilakukan sampai spesimen patah.

Pengamatan fraktografi pada permukaan patahan bahan setelah uji LCF

dilakukan untuk menjelaskan perilaku fatik selama pengujia LCF dengan

menggunakan SEM.

40

BAB VSIMPULAN DAN SARAN

5.1 Simpulan

Pada pengujian ini, laju regangan untuk ujikelelahan siklus rendah pada laju

regangan konstan (Strain rate)= 4×103/spaduan Al7075-T7secara sistematis

diamatidalam rasioregangan (R) = -1, -0.05, 0.05, dan 0.5. Untuk setiap rasio

regangan diberikanamplitudo regangan = 0.006 mm/mm,0.008mm/mm,0.010

mm/mm,0.012mm/mm, 0.014 mm/mm dan 0.016 mm/mm. Paduan

aluminium menunjukkan stabilitas yang kontinyuuntuk siklus kegagalan,

umur material (fatique life) yang tertinggi didapatkan pada rasio regangan =

0.05 dengan amplitudo regangan = 0.016 mm/mm sedangkan umur (fatique

life) terendah yaitu pada laju regangan =-0.05 mm/mm dengan amplitudo

regangan = 0.006 mm/mm, di mana material menunjukan pengerasan siklik

terus menerus dari siklus pertama sampai gagal. Fenomena yang diamati

dalam loop histeresis tren yang baik dengandeformasi siklik (pengerasan atau

stabilitas). Frakturpermukaan untuk paduan Al 7075-T7 menunjukkan

beberapa crack strations, retak cekung pada bidang slip, dan retak kedua yang

merupakan cabang retak utama.

5.2 Saran

• Dari penelitian yang telah dilakukan, penulis dapat memberikan beberapa

saran yaitu :

41

• Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut tentang sistem siklus fatik tingi

(HCF) dari Al 7075 T7

Perlu dilakukan uji TEM untuk mengamati bentuk dislokasi yang terjadi

pada specimen hasil uji lCF terhadap variasi rasio regangan

42

Agarwal H., Gokhale A.M., Graham S., Horstemeyer M.F. Pertumbuhan Void di 6061-aluminium campuran bawah negara stres triaksial, Material Science and Engineering 2003; A341:35-42.

Angeloni M., 2013, Fatigue life evaluation of A356 aluminum alloy used for engine cylinder head.

ASTM E8, 2004, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, WestConshohocken, United States. ASTM E606, 2004, Standard Practice for Strain.

Brammer A.T., 2013, Experiments and modeling of the effects of heatexposure on fatigue of 6061and 7075 aluminium alloys.

Fan K.L., He G.Q., et.al., 2013, Tensile and fatigue properties of gravity casting aluminum alloysfor engine cylinder heads, Materials Science and Engineering: A, 586: 78-85.

Fonte M.D., Reis L., Freitas M.D, 2015, Fatigue crack growth under rotating bending loading onaluminium alloy 7075-T6 and the effect of a steady torsion, Theoretical and Applied FractureMechanics, 80, Part A: 57-64.

Joshi T.C., Prakash U., Dabhade V.V., 2015, Microstructural development during hot forging ofAl 7075 powder, Journal of Alloys and Compounds, 639: 123-130.

Matsunaga H., Makizaki M., Socie D.F., Yanase K., Endo M., 2014, Acceleration of fatigue crackgrowth due to occasional mode II loading in 7075 aluminum alloy, Engineering FractureMechanics, 123: 126-136.

M.S.Song, Kong Y.Y., et.al., 2011, Cyclic stress–strain behavior and low cycle fatiguelife of cast A356 alloys, International Journal of Fatigue, 33(12): 1600-1607.

DAFTAR PUSTAKA

43

Torabi A.R., Alaei M., 2015, Mixed-mode ductile failure analysis of V-notched Al 7075-T6 thinsheets, Engineering Fracture Mechanics, 150: 70-95.

Tschegg S.E.S.,Meischel M., Arcari A., Iyyer N., Apetre N., Phan N., 2016, Combined cyclefatigue of 7075 aluminum alloy – Fracture surface characterization and short crack propagation,

International Journalof Fatigue,doi:10.1016/j.ijfatigue.2015.10.022.

Yamada H., Tsurudome M., Miura N., Horikawa K., Ogasawara N., 2015, Keuletan loss of 7075aluminum alloys affected by interaction of hydrogen, fatigue deformation, and strain rate,Materials Science and Engineering: A, 642: 194-203. Journal of Fatigue,33(12) : 1600-1607.

Zhu X., Shyam A., et.al., 2006, Effects of microstructure and temperature on fatiguebehavior of E319-T7 cast aluminum alloy in very long life cycles, International Journal ofFatigue, 28(11): 1566-1571.