STurn A W AL PENGUKURAN MODULUS YOUNG DAN POISSON RATIO MENGGUNAKAN TEKNIK HAMBURAN NEUTRON. M. Refai Muslih, Nadi Supamo dan Sairun

p~

~

N~

fI~

N~

~ ~

x ~ 4, ISSN

1410-

76g6

STurn A W AL PENGUKURAN MODULUS YOUNG DAN POISSON RATIO

MENGGUNAKAN TEKNIK HAMBURAN NEUTRON

M. Refai Muslih, Nadi Supamo

dan Sairun

Puslitbang Iptek Bahan -BAT AN; Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang

ABSTRAK

STUDI AWAL PENGUKURAN MODULUS YOUNG DAN POISSON RATIO MENGGUNAKAN TEKNIK HAMBURAN NEUTRON. Telah dilakukan studi awal untuk mengukur Modulus Young dan Poisson ratio dengan menggunakan teknik hamburan neutron. Pengukuran dilakukan pada sam pel besi pasaran dengan mengamati perubahan jarak kisi sebagai fungsi dari pembebanan yang dilakukan pada benda uji. Pengukuran hanya dilakukan pada bidang tertentu saja dari sampel. Modlrus Young (koefisien regangan) dan Poisson ratio diukur dengan menempatkan sampel sedemikian rupa sehingga vektor hamburan (Q) tegak lurus terhadap arah pembebanan dan kemudian dilanjutkan pengukuran yang sejajar terhadap arah pembebanan. Dari pengukuran ini didapatkan modulus Young dan Poisson ratio untuk bidang ini berturut turut adalah 288,7 GPa dan 1,44.

ABSTRACT

PRELIMINARY STUDY ON MEASUREMENT OF YOUNG MODULUS AND POISSON RATIO BY USING NEUTRON SCATTERING TECHNIQUE HAD BEEN DONE. Preliminary study on measurement of Young Modulus and Poisson ratio using neutron scattering technique. The

common iron used as a sample. The difference of plane distance of the samples as a function of applied load has been determined from a diffraction peak. The measurement was conducted only for chossen plane of the sample. Young modulus and Poisson ratio were calculated from the measurements of transverse and longitudinal strains of the sample. From this measurement, the Young modulus of the common iron is 288.7 GPa and Poisson ratio is 1.44.

PENDAHULUAN

yang representatif, artinya dapat dikendalikan secara elektronis. Untuk keperluan itu, dalam tahun anggaran ini akan diusahakan pembuatan alat uji tarik. Penelitian ini dilakukan untuk mencari spesifikasi dari alat yang akan dibuat.

Salah satu peralatan hamburan neutron yang terpasang di ruang percobaan Reaktor Serbaguna GA Siwabessy (RSG-GAS) saat ini telah dimodifikasi menjadi alat pengukur tegangan sisa menggunakan teknik hamburan neutron. Berkas neutron berasal daTi S-6 RSG-GAS. Neutron yang berasal daTi teras reaktor mula-mula diparalelkan dengan kolimator 40' sebelum sampai ke monokromator. Kristal Monokromator yang digunakan adalah Silikon (311). Monokromator yang digunakan adalah monokromator lengkung (parabola) yang titik fokusnya diatur tepat di titik pusat meja sampel. Neutron yang terhambur kemudian dideteksi dengan menggunakan detektor neutron 0 dimensi. Didepan detektor ini ditempatkan kolimator 20'.

Hamburan neutron merupakan salah satu metoda yang relatif barn untuk menentukan tegangan sisa (maupun yang sedang dibebankan , applied stress) pada bahan-bahan kristalin. Metoda ini harnpir sarna dengan metoda pengukuran tegangan sisa di permukaan bahan menggunakan hamburan sinar-x. Kelebihan neutron dibandingkan dengan harnburan sinar-x adalah bahwa neutron dapat mengukur tegangan sisa di kedalarnan beberapa sentimeter dari benda uji. Hal ini bisa dilakukan karena neutron tidak bermuatan, sehingga dapat menembus bahan dengan mudah. Tetapi sarnpai saat ini belum ada standar baku pengukuran tegangan sisa menggunakan teknik hamburan neutron. [I]

Penelitian ini adalah untuk mendapatkan modulus Young besi pasaran. Untuk maksud ini diperlukan alat uji tarik yang dapat ditempatkan di atas meja sarnpel alat ukur tegangan sisa (DNI-M) sehingga dapat diamati perubahan jarak kisi sebagai fungsi pembebanan yang diberikan pada sarnpel. Pada saat ini DNI-M belum dilengkapi dengan alat uji tarik/tekan

~I

6 J~ 2001

76

~ Aii'd

P~

,.,~ y~ J,...

Po:..- ~ ,.,~

1~ H~

N~

H.~H...,L:.J.,~

TEORI

a=P

₍₆₎

dimana E adalah Modulus Young (TPa), a adalah Stress

dalam MPa dan e adalah mikro Strain. Sedangkan

Poisson ratio dapat dihitung dari perbandingan

slope

strain kompresi

dengan

strain ekspansi

pada grafik strain

fungsi pembebanan.

BAHAN DAN ALA T

Bahan yang digunakan sebagai benda uji pada penelitian ini adalah besi pasaran dengan diameter IOmm yang biasa digunakan untuk pembuatan rangka bangunan. Benda uji kemudian dibubut sampai diametemya menjadi Smm.

Alat yang digunakan adalah pengukur tegangan sisa DNI-M. Spesifikasi teknis alat ini adalah sebagai berikut:

Dengan menggunakan teknik hamburan neutron, jarak kisi suatu bahan kristalin dapat diketahui. Jarak kisi ini akan berubah apabila benda mengalami pembebanan. Dalam hal ini alat pengukur tegangan sisa hanyalah dapat mengukur perubahan jarak kisi ini. Perubahan jarak kisi inilah yang dikenal dengan regangan (strain,e). Untuk mendapatkan besarnya tegangan (stress, a), diperlukan konstanta yang dikenal dengan Modulus Young. Modulus Young yang banyak beredar adalah modulus Young bulk material. Sedangkan

pengukuran strain menggunakan hamburan neutron

dimungkinkan untuk mengukur strain untuk bidang tertentu saja. Oleh karenanya modulus Young yang digunakan untuk menghitung stress haruslah modulus Young untuk bidang yang sarna.

Jarak kisi benda uji dapat diketahui dengan menggunakan hukum Bragg

Spesifikasi Teknis DNJ-M Pengukur Tegangan Sisa dengan Metode Hamburan Neutron

2.d.sine=).

₍₁₎

dimana d adalah jarakkisi dalam A clan e adalah Y2 sudut hamburan clan ]I. adalah panjang gelombang yang digunakan dalam satuan A. Perubahan jarak kisi Lld/do

adalah:

Ad/do= (d-do)/do

(2)

Karena panjang gelombang yang digunakan selama

pengukuran

adalah tetap, maka :

£1d/do=

(sin eol sin e) -

₍₃₎

1. Monokromator

2. Kolimator

3. Luas Berkas datang

4. Take-off angle

5. Sudut 2-theta

6. Incident slit to sample

7. Sample

to difraction slit

8. Beam axis height

9. Translator

] o. Detektor Utama

] 1. Sistem

pencacah

]2. Pengendali

13. Perangkat

lunak

14. Kurva resolusi

dimana eo ada!ah ~ sudut hamburan pada saat benda

tidak terbebani.

Besarnya

tekanan yang diberikan kepada benda

uji dapat dipero!eh dengan menggunakan persamaan

Pascal:

P=4.m.g/7tD2

(4)

dimana P adalah tekanan dalam MPa, m adalah beban

dalam kg, g=9,8 ms.2 dan D adalah diameter benda uji

dalam rom.

Poisson ratio adalah perbandingan transver~le

strain dengan longitudinal strain. Transverse strain

adalah strain yang tegak lurus dengan pembebanan.

Sedangkan

longitudinal strain adalah strain yang sejajar

dengan pembebanan.

Modulus Young dan Poisson ratio

dapat dihitung dari grafik strain fungsi pembebanan.

Modulus Young (E) dihitung dengan persamaan di

bawah ini:

Sedangkan untuk memegang dan membebani benda uji digunakan mesin penekan yang dapat ditempatkan diatas meja sampel. Alat ini dilengkapi dengan load cell, untuk mengetahui besamya pembebanan yang diberikan kepada sampel. Pembebanan tertinggi yang dapat dideteksi oleh load cell adalah 1000 kgf. Dengan benda uji berdiameter 5 mm, besamya tegangan yang dapat c;iiberikan kepada benda uji adalah mulai 0 sampai dengan 499 MPa.

(5)

E= 0"/ e

dengan

77

~I

6 J-:. 2001

: S i (311) terfokus vertikal dan horizontal : # 1 = 40' (sebelum mono-kromator) #2 = Tidak ada #3 = 20' (an tara sampel dengan detektor utama) : 30(1)*SO(t) mrn2 : 0-700 : -100 -+1000 : max. 190 mrn : max. 310 mrn : 91 mrn : X = -70 -70 nm1 Y = -70 -70 mrn Z =0- SO mm : He3 : Canberra : IBM-PC : RESA (JAERl) termodifikasi. : lihat gambar 1.

~ A~~ p~

HCIJ..l..,

y~ """" p~

~ H~

T~ h'~

N~

11.~I1~/~

-q)

~

Q) ..J

~

J:

~

didapatkan dengan memutar 90 derajat relatif terhadap posisi hoop-nya.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari basil pengukuran panjang gelombang dengan Silikon serb uk, didapatkan pola difraksi seperti ditunjukkan pada gambar 2. Sedangkan pola difraksi besi tanpa beban ditunjukkan pada gambar 3.

0

SO

100

2Theta (degree)

150

Gambar 1. Kurva resolusi DN1-M

TATA KERJA

Gambar 2. Pola difraksi neutron dari serbuksilikon

standar diukur dengan DN1-M

Pertama-tama DNI-M harus dikalibrasi terlebih dahulu untuk mengetahui panjang gelombang yang digunakan. Untuk keperluan ini digunakan sampel standar Silikon serbuk. Setelah diketahui dengan pasti panjang gelombangnya, benda yang akan diukur modulus elastisitasnya diamati pola hamburan neutronnya. Setelah itu ditentukan bidang yang mana yang akan diamati perubahan jarak kisinya.

Benda uji yang akan diukur kemudian diputar pada sumbu meja sampel pada posisi tegak dan mendatar dan kemudian di-scan theta-2theta disekitar sudut hamburan dari bidang yang akan diamati. Dari sini akan didapatkan jarak kisi referensi (do). Benda uji yang akan diukur pertama-tama ditempatkan pada pemegang sampel yang telah dipasang diatas meja sampel. Sebelum dilakukan pembebanan, hams diketahui terlebih dahulu jarak kisi tanpa beban. Pengukuran dilakukan dalam dua posisi, yaitu posisi Hoop dan Radial. Posisi Hoop adalah posisi pada saat vektor hamburan (Q) sejajar dengan gaya pembebanan. Penempatan benda uji pada posisi

Hoop ditunjukkan pada gambar 2.

_{Gambar 3. Pola difraksi neutron pad a besi tanpa}

beban

Dari pola difraksi besi diatas, terlihat adanya dua puncak, yaitu pada sudut 2theta sarna dengan 55,4 dan 82,2 derajat. Selanjutnya pengukuran dilakukan pada puncak yang kedua. Posisi puncak untuk posisi hoop dan radial dan besarnya pernbebanan ditarnpilkan dalarn tabel

1.

Tabel1. Posisi Puncak Hoop dan Radial pad a Besi

G8ye

Gambar 2. Penempatan benda uji pada posisi Hoop

Sedangkan

posisi radial adalah posisi pacta

saat

Q tegak lurns terhadap gaya. Pengarnbilan data untuk

posisi Hoop daD radial harus dilakukan di ternpat yang

sarna. Untuk keperluan itu daerah yang akan diarnati

haruslah terletak di tengah rneja sarnpel. Posisi radial

78

_~I

_{6 J~ 2001}

1

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

~

A4i.d

p~

H~

y~ "- Po:-- ~ H~

T~ H~

N~

H. R¥ H...l:t.

~

Dari tabel diatas kemudian dihitung besamya strain

(i\d/do) dan besamya tekanan yang diberikan kepada

benda uji (lihat tabel 2)

Tabel 2. Strain (Ad/do) dan Tekanan pad a Benda Uji

No

mikroStrain

Hoop

-0.06063 -260.132 -330.120 -530.009 -639.901 mikroStrain Radial 0.000 200.2181 260.3049 220.2459 510.7738 2 3 4

5

Tekanan (Mpa) 0 49.936 74.904 99.873 124.84

untuk bidang tertentu saja..

Sedangkan

untuk harga rasio

Poisson sebesar 1,44 hal ini jelas sulit dipertanggung

jawabkan secara

teoritis. Besarnya

harga Poisson

ratio ini

diduga disebabkan

dari metoda dan alat penekan sampel

yang digunakan. Dalam percobaan ini sampel ditekan

dengan

pembebanan

yang relatif besar. Dapat saja terjadi

sampel menjadi melengkung. Kejadian ini tidaklah

diharapkan,

karena akan terjadi gradasi jarak kisi pada

arab kelengkungan.

Melengkungnya sampel disebabkan

karena gaya-gaya

yang bekerja di kedua ujung sampel

tidaklah segaris lurus. Penekan yang digunakan selama

percobaan

ini dapat dilihat pada gambar 5.

Titik tengah antara kedua penekan sampel ini

sudah diusahakan

segaris waktu pembuatan,

tetapi karena

adanya toleransi yang cukup besar pada ulir yang

digunakan,

sehingga titik tengah dari keduanya

tidaklah

selalu segaris lurus horizontal. Hal ini pula yang

menyebabkan posisi sampeI semakin miring seiring

dengan bertambahnya

pembebanan.

Posisi sampel yang

bergerak seiring dengan pembebanan tidaklah

dikehendaki

karena akan menyebabkan

perubahan

posisi

daerah

pengamatan.

Dengan mengabaikan data pada baris kedua sampai

keempat, dibuat grafik strain stress seperti dtunjukkan

pada gambar

4.

Gambar 4. Kurva Strain Stress besi pasaran

(a) Posisi pemegang Sam pel Oi Atas Goniometer

Sampel.

Dengan memperhatikan

posisi sudut hamburan

untuk bidang (220) sampai dengan (331) sampel silikon

serbuk, didapatkan bahwa panjang gelombang yang

digunakan dalam percobaan ini adalah 0,1884 nm.

Pengukuran pergeseran puncak difraksi sampel besi

sebagai fungsi pembebanan di1akukan pada sudut

disekitar 82:2 derajat karena pada posisi ini volume

sampel yang terkena neutron adalah paling sedikit.

Meskipun daTi kurva resolusi DNI-M, posisi ini

bukanlah posisi optimum alat ini. Dalam hal ini yang

lebih dipentingkan adalah mendapatkan volum~

seminimal mungkin. ldealnya kurva resolusi alat ini

mempunyai

plateu yang lebar, sehingga untuk beberapa

posisi pengukuran yang berbeda akan mempunyai

resolusi

yang tidakjauh berbeda.

Dari kurva Strain Stress besi pasaran diketahui

besarnya modulus Young bahan ini adalah 288,7 GPa

dengan rasio Poisson sebesar 1,44. Nilai perbandingan

Poisson untuk benda yang diuji dengan mesin uji tarik

biasanya berkisar daTi 0 sampai 0,5 untuk bahan yang

isotropik. Sedangkan

modulus Young untuk besi berkisar

200-220 GPa [2,3]. Kedua nilai diatas terlihat jauh

berbeda. Tetapi untuk besaran modulus Young,

perbedaan

ini masih bisa ditolerir, karena harga 200-220

GPa adalah untuk bulk material. Sedangkan yang

didapatkan

dalam pengukuran

ini adalah modulus Young

(b). Detail Posisi Sampel pada Saat Pengukuran Gambar 5. Posisi pemegang Sam pel

Secara teoritis, pembebanan

berupa penekanan

dan penarikan terhadap sampel,

tidaklah berbeda. Tetapi

selama percobaan ini

terlihat bahwa apabila

pembebanannya

berupa penekanan,

posisi sampel akan

semakin

miring dengan

bertambahnya

beban. Karena hal

St...l.:

AiII,.L

p~

M~

y~ k". p~

~

M~

T~ H..,..t..,

,.

N~

H. R¥H~. ~

ini juga maka sulit diharapkan terjadinya pemampatan di tengah-tengah sampel apabila beban diperbesar, yang akan terjadi adalah melengkungnya sampel karena adanya gaya geser. Hal ini semua disebabkan karena tidak segarisnya gaya-gaya yang bekerja di kedua ujung sampel. Dan juga disebabkan besarnya toleransi daTi ulir penekan yang digunakan.

2.

Hasil daTi pengukuran Poisson ratio masih jauh daTi yang diharapkan karena pemegang sampel daD

sistim pembebanannya perlu disempumakan.

DAFTARPUSTAKA

KESIMPULAN

[1]. ISO V AMAS; Technology Trends Assessment:

Polycrystalline materials-Determination

of residual

stressess

by neutron diffraction; 151

edition 2001.

[2]. R.S. KHURMI & J.K.. GUPTA, A Text Book of

Machine Design, Eurasia Publishing House LTD.

Ram

Nagar

New

Delhi-I 10055,

1982.

http://www.iastate.edu/-em327/327exp/poisson/pois

son.html

Dari hasil studi pendahuluan

ini dapat disimpulkan

beberapa

hal sebagai

berikut:

Dengan menggunakan peralatan DNI-M dapat diukur Modulus Young daD Poisson ratio mikroskopik dari suatu bahan polikristal.

~,

~ J~ 2001

80