BAB II LANDASAN TEORI
2.5 Baja Tahan Karat (Stainless Steel)
2.5.4 Baja Tahan Karat Tipe Pengerasan Presipitasi
Struktur baja tahan karat, mempunyai unsur Cr yang menjadi
komponen utama dapat larut dalam besi dan memperluas daerah α (ferit).
2.6 Korosi
Korosi dapat didefinisikan rusaknya suatu bahan atau menurunnya kualitas bahan karena terjadinya reaksi dengan lingkungannya. Korosi mengakibatkan logam menjadi bertambah berat atau bertambah ringan dan sifat-sifat mekanisnya berubah. Selain itu akibat dari korosi adalah kerugian produksi, hilang efisiensi, dan bahan-bahan terkontaminasi.
Proses korosi umumnya melalui proses elektrokimia karena logam merupakan konduktor listrik dan secara kimiawi. Permukaan logam terdapat daerah anoda dan daerah katoda sehingga menyebabkan korosi.
Syarat-syarat untuk terjadinya korosi adalah:
1. Anoda, terkorosi dengan melepaskan elektron dari atom netral. Anoda
membentuk ion yang larut ke dalam larutan dan hasil korosi pada anoda yang tidak larut sehingga menghalangi pelarutan (korosi terhenti).
-2. Katoda, yang tidak mengalami korosi. Reaksi tergantung pH larutan: pH < 7 : H+ + e-→ H (atom) atau H2 (gas)
pH ≥ 7 : 2H2 + O2 + 4e-→ 4OH-
3. Elektrolit, istilah larutan yang bersifat menghantarkan listrik. Air yang sangat
murni bukan elektrolit.
4. Hubungan listrik
Korosi terbagi atas 3 kategori yaitu (Chamberlain, 1988 : 191):
1. Aktif, artinya logam terkorosi dengan bebas (baja karbon dalam air laut).
2. Imun, artinya logam dalam keadaan terlindung baik secara katodik maupun
dengan pengecatan.
3. Pasif, artinya logam dalam keadaan terlindung oleh selaput permukaan yang
dibangkitkan oleh korosi sendiri yaitu selaput oksida.
Macam-macam korosi menurut penampakan logam terkorosi (Fontana, 1986 :39):
1. Korosi yang merata, adalah proses kimiawi atom elektrokimia secara langsung
di seluruh permukaan logam yang berhadapan dengan lingkungan pengkorosi.
2. Korosi dwilogam (galvanis), adalah korosi yang diakibatkan adanya 2 logam
yang tak sejenis.
3. Korosi sumuran (pitting), adalah korosi yang terjadi di permukaan benda kerja
yang berbentuk lubang-lubang karena sangat destruktif (bahaya), sulit dicek, dapat menyebabkan runtuhnya konstruksi dengan tak terduga.
4. Korosi celah (crevice), adalah korosi yang terjadi secara lokal di dalam
dalamnya tidak bisa keluar dan banyak terjadi di bawah gasket, keling, baut, katub, dan sebagainya.
5. Korosi intergranuler (antar butir atau batas butir), adalah korosi yang terjadi
pada daerah batas butir akibat adanya endapan atau mengandung senyawa lain. Adapun cara untuk menghindari korosi ini adalah menurunkan kadar
karbon, misalnya sampai 0,03% sehingga tidak terbentuk Cr C6 seperti pada
stainless steel304 (Fe, 18Cr, 8Ni).
23
6. Korosi tegangan (stress corrosion), adalah korosi yang terjadi karena adanya
tegangan yang bekerja pada suatu mesin.
2.7 Lelah Korosi
Proses yang berlangsung secara bersamaan antara tegangan berulang dan serangan kimia dikenal sebagai lelah korosi. Lelah korosi logam dan paduannya itu penting untuk tegangan dinamis seperti perkembangan retak fatik jika disatukan dengan larutan korosif. Lelah korosi dapat dianggap lebih berbahaya daripada tegangan korosi jenis kegagalan, dan harus diperhitungkan dalam rancangan komponen-komponen.
Komposisi kimia dan kandungan oksigen, termomekanis, mikrostruktur dan sifat kimia tak sejenis material, tingkat keasaman (pH), komposisi larutan / kandungan klorida, dan suhu lingkungan sangat berpengaruh pada karakteristik lelah korosi material maupun parameter pembebanan putaran seperti perbandingan putaran, bentuk gelombang, rata-rata tegangan, dan faktor intensitas tegangan.
2.7.1 Mekanisme Kegagalan Lelah
Kegagalan yang terjadi pada keadaan beban dinamik dinamakan kegagalan
lelah (fatigue failures). Kegagalan lelah terjadi dalam elemen mesin yang harus
mengalami tegangan berulang-ulang (alternating) atau tegangan berubah-ubah
(fluctuating). Kegagalan suatu bahan akibat pembebanan berulang-ulang akan mengakibatkan kelelahan komponen suatu mesin pada konstruksi yang bersangkutan sehingga dibutuhkan analisa akibat dengan mengadakan penelitian tentang umur suatu bahan akibat beban berulang-ulang.
Ada 3 faktor dasar yang diperlukan agar terjadi kegagalan lelah (Dieter, 1992 : 1):
1. Tegangan tarik maksimum yang cukup tinggi.
2. Fluktuasi yang cukup tinggi.
3. Siklus penerapan yang cukup tinggi.
Selain itu masih terdapat sejumlah variabel-variabel lain, yaitu: konsentrasi tegangan, korosi, suhu, kelebihan beban, struktur metalurgi, tegangan-tegangan sisa, dan tegangan kombinasi yang cenderung mengubah kondisi kelelahan. Penelitian mengenai perubahan-perubahan struktur dasar yang terjadi apabila logam mengalami tegangan berulang, secara tepat telah membagi proses kelelahan menjadi tahapan berikut ini (Dieter, 1992: 18):
a. Permulaan pembentukan retak; termasuk pembentukan awal kerusakan retak
b. Pertumbuhan retak pergelinciran pita (slip band crack growth); melibatkan pertumbuhan lebih lanjut retakan awal pada bidang tegangan yang tinggi. Tahap ini biasa disebut pertumbuhan retakan tahap I.
c. Pertumbuhan retak pada bidang-bidang yang tegangan tarik tinggi; meliputi
pertumbuhan retak pada arah tegak lurus tegangan tarik maksimum. Tahap ini disebut pertumbuhan retakan tahap II.
d. Kegagalan ulet ultimate; terjadi apabila retak mencapai panjang yang cukup
besar, sedemikian hingga penampang yang tersisa tidak mampu menahan beban yang ada.
Gambar 2.1 Skema Berbagai Bentuk Korosi
(Sumber : Jones, Corrosion , 1992 , hal 10)
2.7.2 Efek Permukaan
Patah lelah ditandai dengan adanya awal retakan (crack initiation) yang
kemudian menjalar (crack propagation) sejalan dengan besarnya tegangan dan
(mempertinggi tegangan) mempunyai arah sejajar dengan arah tegangan tarik utama.
Adapun faktor-faktor yang mempengaruhi permukaan benda uji, yaitu:
1. Kekasaran permukaan atau mempertinggi tegangan pada permukaan.
2. Perubahan kekuatan lelah permukaan logam.
3. Perubahan kondisi tegangan sisa pada permukaan.
4. Mudahnya suatu permukaan mengalami oksidasi dan korosi.
2.8 Kelelahan pada Bahan Uji 2.8.1 Pengertian Kelelahan
Fatik / kelelahan menurut ASTM didefinisikan sebagai proses perubahan
struktur permanen “progressive localized” pada material yang berada pada kondisi
yang menghasilkan fluktuasi regangan dan tegangan pada beberapa titik yang
memuncak menjadi retak (crack) atau patahan (fracture) secara keseluruhan
sesudah fluktuasi tertentu. Suatu komponen mesin jika mendapatkan beban berulang secara periodik akan mengalami kerusakan yang biasa dikenal dengan
kelelahan (fatigue). Kelelahan berkaitan dengan perpatahan logam secara
prematur karena tegangan rendah yang terjadi secara berulang-ulang.
Beberapa hal yang perlu diperhatikan untuk menyatakan karakteristik tegangan (Smallman, 1991 : 87):
1. Besar tegangan maksimum.
2. Tegangan rata-rata yang cukup besar.
Ada 4 jenis penyusunan siklus tegangan yang berbeda :
a. Beban bolak-balik
b. Beban berubah
c. Beban fluktuasi
d. Beban berulang
Gambar 2.2 Bentuk Alternatif Pengulangan Regangan
(Sumber : Smallman, Metalurgi Fisik Modern, 1991 : 217)
Analisa pengujian dengan mesin uji kelelahan menggunakan kurva tegangan
(S) yang berbeda untuk setiap benda uji, jumlah siklus tegangan (N) yang dialami
oleh benda uji pada setiap tegangan tertentu hingga terjadi patah dicatat dan
Gambar 2.3 Pengujian Kelelahan
Umumnya benda uji tertentu mempunyai titik aman pada siklus tertentu, hal ini disebabkan karena :
1. Kegagalan akibat kelelahan bahan
Kegagalan lelah timbul akibat adanya retak kecil (initial crack), retak ini
sangat kecil, sehingga tidak dapat dilihat dengan mata telanjang. Retak tersebut timbul pada titik ketidakmulusan bahan seperti pada perubahan penampang, goresan pada permukaan bahan akibat pengerjaan dan lubang akibat pengecoran yang kurang baik pada bahan. Sekali saja retak awal, maka akan terjadi pengaruh pemusatan tegangan menjadi lebih besar lagi dan retak tersebut merambat lebih cepat pada penampang bahan. Jika ukuran luas yang menerima tegangan berkurang, maka tegangan bertambah besar sampai akhirnya luas yang tersisa tidak dapat menerima tegangan tersebut dan terjadilah kegagalan lelah.
Adapun penyebab kegagalan lelah yaitu :
1. Perkembangan dari retak yang ada.
2. Kepatahan mendadak pada bagian bahan yang rapuh.
Kegagalan lelah sering digolongkan sebagai akibat siklus, umur, dan waktu
penggunaan bahan. Daerah umur tak terhingga (infinite life region), meliputi
perancangan yang melampaui batas siklus tegangan lelah atau disebut dengan kegagalan bersiklus tinggi. Kegagalan ini juga disebut kegagalan bersiklus pendek antara putaran 0,5 sampai putaran 1000 siklus.
2. Kekuatan bahan
Penyusunan kekuatan lelah suatu bahan diperlukan beberapa benda uji dengan jumlah putaran yang sama pada setiap bahan, sampai bahan didapatkan hasilnya. Selanjutnya dibuat diagram S-N, sehingga dapat dilihat bentuk grafik sampai dengan siklus amannya. Koordinat pada diagram S-N disebut kekuatan lelah suatu pernyataan yang harus diikuti dengan jumlah siklus (N) yang bersangkutan.
3. Batas Ketahanan Kelelahan
Dalam menentukan ketahanan kelelahan perlu menyelesaikan semua pengujian terlebih dahulu sehingga dapat kita ketahui seberapa besar batas ketahanan terhadap kelelahan. Grafik akan terlihat garis mendatar setelah diberi tegangan dan jumlah siklus tertentu, maka akan terbaca bahwa bahan sudah dapat
melalui batas ketahanan lelah (endurance limit).
Diagram S-N memperlihatkan bahwa beberapa logam mampu menahan siklus tegangan balik yang berulang tak terhingga jika besar tegangan lebih kecil
dari tegangan batas maka disebut sebagai batas ketahanan. Tegangan tertinggi pada saat tidak terjadi kegagalan dianggap sebagai batas lelah.
dari tegangan batas maka disebut sebagai batas ketahanan. Tegangan tertinggi pada saat tidak terjadi kegagalan dianggap sebagai batas lelah.
Gambar 2.4 Hubungan Tegangan (S) dengan Jumlah Siklus (N) Gambar 2.4 Hubungan Tegangan (S) dengan Jumlah Siklus (N)
(Sumber : Colling, Industrial Materials, 1995 )
(Sumber : Colling, Industrial Materials, 1995 )
Penentuan batas kelelahan dilakukan dengan pemberian tegangan rendah
sampai pada siklus >2x106. Ini disebabkan batas lelah material baja pada tegangan
antara 106 sampai 107 siklus (Stephens dkk., 1980). Jika pada tegangan tertentu
pada siklus di atas 2x106 benda uji belum mengalami kegagalan patah, maka
tegangan tersebut dianggap batas lelah.
Penentuan batas kelelahan dilakukan dengan pemberian tegangan rendah sampai pada siklus >2x10
Keadaan lelah pada jumlah siklus yang besar (N > 105 siklus) menyebabkan
tegangan bersifat elastik, tetapi logam akan berdeformasi secara plastik pada daerah yang sempit. Pada tegangan-tegangan tinggi dengan cepat ketahanan lelah (fatigue life) turun, tetapi defomasi plastik secara keseluruhan mempersulit penafsiran dengan menggunakan besaran tegangan.
Keadaan lelah pada jumlah siklus yang besar (N > 10
6
. Ini disebabkan batas lelah material baja pada tegangan
antara 106 sampai 107 siklus (Stephens dkk., 1980). Jika pada tegangan tertentu
pada siklus di atas 2x106 benda uji belum mengalami kegagalan patah, maka
tegangan tersebut dianggap batas lelah.
5
siklus) menyebabkan tegangan bersifat elastik, tetapi logam akan berdeformasi secara plastik pada daerah yang sempit. Pada tegangan-tegangan tinggi dengan cepat ketahanan lelah (fatigue life) turun, tetapi defomasi plastik secara keseluruhan mempersulit penafsiran dengan menggunakan besaran tegangan.
2.8.2Retakan (Crack)
Retakan adalah deformasi plastis yang terjadi akibat beban lebih yang konstan selama periode tertentu. Retak juga bervariasi dengan berubahnya tegangan yang terjadi.
Ada 4 macam mekanisme terbentuknya retak (crack) :
1. Adanya dislokasi yang menghasilkan slip.
2. Pergeseran batas slip.
3. Difusi kekosongan.
4. Panjatan dislokasi yang menghasilkan slip.
Stress Corrosion Cracking (SCC) pada logam adalah retak (crack) yang disebabkan oleh pengaruh gabungan antara tegangan tarik dan lengkung korosif pada logam karena adanya beban atau tegangan sisa. Perkembangan retakan dapat terjadi karena interaksi antara tegangan yang dikenakan, tegangan sisa, dan lingkungan korosif. Mekanisme terjadinya retak karena tegangan dan korosi ini belum jelas, penyebabnya adalah prosesnya pada larutan / bahan tertentu saja.
Peretakan korosi-tegangan merupakan peretakan intergranuler. Ciri-ciri
utama peretakan korosi-tegangan yang dijabarkan oleh Brown (Chamberlain, 1991 : 179): tegangan tarik harus ada, paduan logam lebih rentan, unsur kimia sedikit, dan dapat menentukan tegangan ambang batas.
Cara menghindari terjadinya Stress Corrosion Cracking (SCC):
1. Menurunkan tingkat tegangan dan menghilangkan tegangan sisa dengan
annealing.
2. Lingkungan yang merugikan dihilangkan.
3. Ganti bahan, misalnya paduan titanium atau molibdenum, bukan stainless
steel pada mesin penukar panas yang kontak langsung dengan air laut.
4. Menggunakan pelindung katodik.
5. Tambahkan inhibitor.
Perkembangan retakan ditandai oleh sejumlah cincin / “garis pantai” (beach
mark), bergerak ke dalam dari titik dimana kegagalan mulai terjadi. Kegagalan
biasanya terjadi pada bagian dimana terdapat konsentrasi tegangan. Patahan merupakan tahapan akhir dari proses kelelahan di mana material tidak dapat menahan tegangan dan regangan yang ada sehingga patah menjadi 2 bagian atau lebih (Dieter, 1991 : 4).
Salah satu pencegahan kelelahan adalah mengendalikan retakan mikro. Menurut percobaan suatu retakan mikro berasal pada tahap yang sangat dini yaitu 0,1-0,5% dari umur kelelahan. Retak kecil sekali berawal di tempat yang
terlokalisir (localized spot), umumnya di takik atau di konsentrasi tegangan, dan
2.8.3Hal-hal yang Berpengaruh pada Kegagalan Lelah (Dieter, 1992 : 29)
1. Pengaruh Ukuran
Kekuatan lelah yang besar akan lebih baik dari kekuatan lelah yang kecil. Perubahan luas penampang yang mempengaruhi perubahan volume sehingga mengakibatkan perbedaan tegangan.
2. Pengaruh Suhu
Suhu mempengaruhi sifat mekanis bahan karena adanya tegangan statis dan dinamis yang akan menyebabkan perubahan bahan secara perlahan. Hal ini akan menyebabkan perubahan bentuk grafik pada diagram S-N. Jika dipakai pada suhu yang tinggi, maka akan menyebabkan disisolasi dan pada bahan akan terjadi pengurangan terhadap ketahanan lelah.
3. Pengaruh Permukaan Bahan
Halus dan tidaknya permukaan bahan merupakan faktor utama timbulnya retakan awal pada bahan, karena pada permukaan yang kasar akan banyak terdapat ketidakrataan permukaan. Akan tetapi pada permukaan yang halus akan sedikit terdapat lubang atau bekas sayatan pada saat pembuatan benda uji. Kehalusan dan kekasaran permukaan bahan sangat berpengaruh pada pengujian kelelahan. Tiap pengerjaan yang meningkatkan kekerasan atau kekuatan luluh bahan akan meningkatkan tegangan yang diperlukan untuk slip dan hal ini dengan sendirinya akan langsung meningkatkan kekuatan lelah.
Ada beberapa hal yang mempengaruhi kelelahan permukaan bahan, yaitu :
a. Tegangan sisa permukaan
Pembentukan tegangan sisa pada permukaan dapat meningkatkan ketahanan lelah bahan. Tegangan ini dihasilkan oleh beban luar (tarik dan tekan), dengan adanya tegangan sisa akan memperkecil celah pada suatu titik di permukaan. Oleh karena itu, perlu adanya perimbangan antara tegangan sisa tekan dengan tegangan sisa tarik agar tahan terhadap kelelahan.
b. Perubahan permukaan
Perubahan permukaan dapat terjadi karena proses perlakuan panas dalam pembentukan bahan tersebut, hal ini biasanya dilakukan dalam peleburan awal untuk mendapatkan komposisi bahan yang sesuai dengan yang diinginkan. Proses pelapisan permukaan ini pada kelanjutannya akan menentukan pertambahan atau pengurangan kekuatan lelah bahan.
c. Kekasaran permukaan
Kekasaran permukaan timbul dari pengerjaan awal benda uji pada mesin bubut atau mesin perkakas lainnya. Semakin besar suatu bahan akan semakin mudah mengalami keretakan, sehingga memudahkan lelah dan cepat patah.
d. Lingkungan
Lingkungan dapat mempengaruhi fatik, dimana lingkungan tersebut dapat menimbulkan korosi pada bahan. Serangan korosi yang terjadi serempak dengan pembebanan fatik akan menyebabkan efek kerusakan yang lebih parah. Hal ini biasanya disebabkan oleh media cair dan udara.