Simulasi Perilaku Mekanis Kekuatan Tarik Material Paduan Aluminium Magnesium Foam Dengan Menggunakan Software Ansys 14.0

(1)

SIMULASI PERILAKU MEKANIS KEKUATAN TARIK

MATERIAL PADUAN

ALUMINIUM MAGNESIUM

FOAM

DENGAN MENGGUNAKAN

SOFTWARE ANSYS 14.0

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

JULES RIMSON SIMANJUNTAK NIM. 090421039

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas

rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “ SIMULASI PERILAKU MEKANIS KEKUATAN TARIK MATERIAL

PADUAN ALUMINIUM MAGNESIUM FOAM DENGAN

MENGGUNAKAN SOFTWARE ANSYS 14.0 ’’. Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen

Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Dalam

menyelesaikan skripsi ini banyak kesuliitan yang dihadapi penulis,namun berkat

dorongan semangat doa dan bantuan baik materiil,moril, maupun spiritual dari

berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu sebagai manusia

yang harus tahu terima kasih, dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan

terima kasih yang tak terhingga kepada :

1. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri selaku Dosen pembimbing sekaligus

Ketua Departemen Teknik Mesin yang dengan penuh kesabaran telah

memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.

2. Bapak Suprianto, ST, MT yang telah banyak memberikan saran dan masukan

kepada penulis selama proses penelitian dan penulisan laporan.

3. Seluruh Staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang telah

membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama kuliah.

4. Buat kedua orang tua penulis, Ayah JR.Simanjuntak dan Ibu D.br.Harianja

serta kakak Maria, Stevana juga adik Peopina, Grace, Roy. Yang telah banyak

membatu pada dukungan, doa, materi, dan semangat kepada penulis.

5. Buat kakak senior saya Fadli dan Munawir Siregar yang telah membatu penulis

dalam penyelesaian skripsi khusus nya di bidang software.

6. Buat rekan – rekan Teknik Mesin Ekstensi dan Reguler yang telah banyak

membatu penulis.

Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna baik dari

segi materi maupun penguasaan bahasa. Oleh karena itu penulis akan sangat

(10)

bersifat membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis

berharap semoga tulisan ini dapat member manfaat kepada pembaca. Sekian dan

Terima Kasih.

Medan, Juli 2014

Hormat saya,

(11)

ABSTRACT

The process of making aluminum foam blowing agent with CaCO3 through the blowing agent titanium hydride ( TiH2 ) which is a gas producing compound that has been used commercially and has been widely used in the industry . By adding magnesium levels can create some variables for magnesium levels can also affect the strength of the product as well as physical properties . Then the results of the micro picture looks the addition of magnesium to the aluminum foam will result in the microstructure of a dark black line indicates the element magnesium particles and gray indicates aluminum . Products with magnesium levels as well as 4 % have a distribution of pore or cell aluminum foam is spread evenly , different levels of magnesium products 6 % and 8 % have uneven pores and just looked at some parts do not have pores. Specimens resulting from the simulation of mechanical behavior of tensile strength using ANSYS 14.0 software . So known aluminum with Mg content of 4 % , 6 % Mg , Mg 8 % each have a total value of deformation , stress , strain different.

(12)

ABSTRAK

Proses pembuatan aluminium foam dengan blowing agent CaCO3 melalui

blowing agent titanium hidrida (TiH2) yang merupakan senyawa penghasil gas

yang telah digunakan secara komersil dan telah banyak digunakan dalam industri.

Dengan menambahkan kadar magnesium dapat membuat beberapa variable untuk

kadar magnesium yang dapat juga mempengaruhi kekuatan produk serta sifatfisis.

Kemudian hasil dari foto mikro terlihat penambahan magnesium pada aluminium

foam akan menghasilkan struktur mikro yang berwarna hitam gelap berupa garis

partikel menunjukkan unsur magnesium dan warna abu-abu menunjukkan

aluminium. Serta Produk dengan kadar magnesium 4 % memiliki distribusi pori

atau sel aluminium foam yang tersebar merata, berbeda dengan produk kadar

magnesium 6% dan 8% yang memiliki pori tidak merata dan hanya tampak pada

beberapa bagian tidak memiliki pori. Dari spesimen yang dihasilkan maka

dilakukan simulasi perilaku mekanis kekuatan tarik dengan menggunakan

software ansys 14.0. sehingga diketahui aluminium dengan kadar Mg 4%, Mg

6%, Mg 8% masing – masing memiliki nilai total deformasi, stress, Strain yang

berbeda.

(13)

DAFTAR ISI

1.2.1. Tujuan Umum Penelitian ... 4

1.2.2. Tujuan Khusus Penelitian ... 4

1.3. Manfaat Penelitian ... 4

1.4. Ruang Lingkup Penelitian ... 5

1.5. Batasan Masalah ... 5

1.6. Sistematika Penulisan ... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 7

2.1. Aluminium ... 7

2.2. Magnesium ... 8

2.3. Paduan Aluminium – Magnesium ... 9

2.4. Logam busa ( Metal Foam ) ... 10

2.4.1. Penambahan Gas Secara Langsung ... 12

2.4.2. Metode Pemanfaatan Blowing Agent (AlporasTM) ... 14

2.4.3. Solid – Gas Eutectic Solidification ( Gasar ) ... 15

2.4.4. Metode Kompaksi Antara Serbuk Aluminium dengan blowing Agent ... 16

2.4.5. Foaming of Ingots Containing Blowing Agents (Formgrip) ... 17

2.5. Senyawa Penghasil Gas (Blowing Agent) ... 18

2.5.1. Titanium Hidrida (TiH2) ... 19

2.5.2. Kalsium Karbonat (CaCO3) ... 19

(14)

2.5.4. Zirkonium Hidrida (ZrH2) ... 20

2.6. Tahapan Pembentukan Struktur Foam ... 21

2.6.1. Pertumbuhan Sel ... 21

2.6.2. Faktor yang Mempengaruhi Stabilitas Foam ... 22

2.6.2.1. Difusi Gas ... 22

2.6.2.2 Pengaturan Sel ... 22

2.6.2.3. Viskositas ... 23

2.6.2.4. Tegangan Permukaan ... 23

2.6.2.5. Oksidasi Pada Aluminium ... 23

2.7. Karakteristik Mekanik Aluminium Foam... 24

2.7.1. Tingkat Skala ... 24

2.7.2. Deformasi Tekan Dan Tarik ... 24

2.7.3. Deformasi Metal Foam Pada Pembebanan Tekan ... 25

2.7.3.1. Sifat Pada Regangan Rendah ... 25

2.7.3.2. Keluluhan & Plastisitas Metal Foam ... 26

2.7.3.3. Modulus Kegagalan Getas dan Ulet ... 27

2.7.3.4. Modulus Kegagalan Untuk Energy Absorber ... 28

2.7.4. Aplikasi – Aplikasi Aluminium Foam... 29

2.7.4.1. Aplikasi Struktur Ringan ... 30

2.7.4.2. Penyerap Energi Mekanik (Impak) ... 31

2.7.4.3. Pengontrol Panas ... 32

2.7.5. Uji Kekerasan (Hardness Test) ... 32

2.7.5.1. Brinnel (HB / BHN) ... 33

2.7.5.2. Rockwell (HR / RHN) ... 34

2.7.5.3. Vikers (HV / VHN) ... 36

2.7.5.4. Micro Hardness (Knoop hardness) ... 37

2.7.6. ANSYS Secara Umum ... 38

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 39

3.1. Tempat dan Wakktu... 39

3.2. Bahan, Peralatan dan Metode ... 39

(15)

3.2.3. Metode ... 45

3.3. Diagram Alir Penelitian ... 52

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 53

4.1. Hasil Penelitian ... 53

4.2. Pengujian ... 53

4.2.1. Simulasi Aluminium – Magnesium 4% ... 54

4.2.4. Data Banding ... 93

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 94

5.1. Kesimpulan ... 94

5.2. Saran ... 95

(16)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Diagram Fasa Magnesium ... 9

Gambar 2.2 Diagram Klasifikasi Koloid berdasarkan fasa-fasa pembentukan foam (John Banhart, Advance Material;1999) ... 10

Gambar 2.3 Strukture dalam Metal Foam ( AlporasTM) ... 11

Gambar 2.4 Skema beberapa Metode Pembuatan Metal foam (John Banhart,

Advance Material;1999) ... 12

Gambar 2.5 Skema proses penambahan Gas secara Langsung ... 13

Gambar 2.6 Rentang Ukuran dan Fraksi Foam yang diperolehkan untuk metal

foam ... 14

Gambar 2.7 Skema proses foaming secara langsung dengan penambahan gas

releasing powders ... 15

Gambar 2.8 Rute proses alumunium foam dengan pembekuan eutectic dari Solid

Gas dan hasil proses ... 16

Gambar 2.9 Prinsip Metode kompaksi antara serbuk aluminium dengan blowing

Agent ... 17

Gambar 2.10 Rute Proses Formgrip dan penampang melintang dari produknya 18

Gambar 2.11 Skema pertumbuhan struktur sel ... 21

Gambar 2.12 Terminologi dan notasi struktur sel ... 21

Gambar 2.13 Kelarutan H2 didalam paduan Al-Si sebagai fungsi dari Konsentrasi

Si ... 22

Gambar 2.14 Efek dari tegangan permukaan padda batas sisi yang datar ... 23

Gambar 2.15 Skema kurva tegangan regangan pada deformasi tahap awal untuk metal foam dengan pori tertutup ... 25

Gambar 2.16 Tiga Tahapan pada kurva tegangan-regangan untuk metal foam ... 26

Gambar 2.17 Kurva Tegangan-regangan tekan untuk spesimen kubus ... 28

(17)

Gambar 2.19 Struktur Kompleks dari Alumunium Foam ... 29

Gambar 2.20 Diagram Sifat serta aplikasi Alumunium Foam ... 30

Gambar 2.21 (a) Pelat Alumunium Foam Sandwich (AFS) (b) Penggunaan pelat AFS pada lifting Arm (c) Prototipe Engine Mountingg Bracket BMW 31 Gambar 2.22 Prototipe Crash Absorber ... 31

Gambar 2.23 Dua Jenis Heat Exchanger yang terbuat dari Open Cell Foam ... 32

Gambar 2.24 Pengujian Brinnel dan perumusan untuk pengujian Brinnel ... 33

Gambar 2.25 Pengujian Rockwell ... 34

Gambar 2.26 Prinsip kerja metode pengukuran kekerasan Rockwell ... 34

Gambar 2.27 Pengujian Vickers dan bentuk identor Vickers (Callister, 2011) .... 36

Gambar 2.28 Bentuk Identor Knoop (Callister, 2001) ... 37

Gambar 3.1 Aluminium Ingot ... 39

Gambar 3.2 CaCO3 Powder ... 40

Gambar 3.3 Aluminium Powder ... 40

Gambar 3.4 Magnesium ... 41

Gambar 3.5 Drum Mixer ... 41

Gambar 3.6 Furnace ... 42

Gambar 3.7 Cawan Lebur (Crucible) ... 42

Gambar 3.8 Blower ... 43

Gambar 3.9 Batang Pengaduk dan Mesin hand drill ... 44

Gambar 3.10 Timbangan ... 44

Gambar 3.11 Mesin Bubut ... 45

Gambar 3.12 Thermocouple type- K ... 45

Gambar 3.13 Penimbangan dan Pencampuran Bahan ... 46

Gambar 3.14 Rangkaian tahapan proses pembuatan aluminium foam ... 47

(18)

Gambar 3.16 Universal Testing Machine ... 50

Gambar 3.17 Alat Uji Brinell ... 51

Gambar 3.18 Diagram Alir Penelitian ... 52

(19)

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1 Road Map Penelitian tentang Aluminium ... 3

(20)

DAFTAR NOTASI

Simbol Arti Satuan

E Modulus Elastisitas MPa

σ Tegangan MPa

σE Tegangan Elastis MPa

σp Tegangan proporsional MPa

σuy Tegangan luluh atas MPa

σly Tegangan luluh bawah MPa

σβ Tegangan tarik maksimum MPa

εy Regangan luluh %

εe Regangan elastic %

ε Regangan %

Lf Panjang Akhir cm

Lo Panjang Awal cm

∆L Pertambahan Panjang cm

A Luas Penampang cm2

D Diameter cm