METODA UJI SMALL PUNCH UNTUK STUDI AWAL SIFAT MEKANIK DAN PATAHAN MATERIAL

(1)

Sri Nitiswati ISSN 0216 - 3128 89

-METODA

UJI

SMALL PUNCH

UNTUK STUDI AWAL SIFAT

MEKANIK

DAN PATAHAN MATERIAL

Sri Nitiswati

Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nukli r- SATAN

ABSTRAK

METODA WI SMALL PUNCH UNTUK STUDI AWAL SlFAT MEKANIK DAN PATAHAN MA TERlAL. Metoda uji dengan benda uji mini telah dikenal sejak puluhan tahun yang lalu dan terus dikembangkan untuk berbagai aplikasi pengujian, khususnya di indu~·trinuklir. Tujuan penelitian ini adalah memperkenalkan metoda ujismall punch untuk studi awal sifat-sifat mekanik material meliputi kuat luluh, kuat tarik. temperatur transisi ulet ke rapuh. energismall punch dan specific fracture energy serta model patahannya. Studi ini perlu dilakukan karena sifat mekanik dan model patahan material adalah karakteristik material dan perlu diketahui. Metoda yang digunakan adalah dengan melakukan pengujian

small punch logam paduanferitik pada berbagai temperatur dari +150°C sampai dengan -190°C. Hasil penelitian menunjukkan bahwa metoda uji small punch dapat digunakan untuk studi awal sifat mekanik material dan model patahannya yaitu ulet atau rapuh. Salah satu hasil pengujian pada temperatur-50oe

adalah: kuat luluhnya 188,/2 MPa. kuat tariknya279.77 MPa. energi small punch nya 1.76J. specific fracture energy nya 3,45J/mm, model patahannya ulet serta temperatur transisi ulet ke rapuh adalah

-16fc.

Kata kunci :small punch. sifat mekanik.

ABSTRACT

SMALL PUNCH TEST METHOD FOR PRELIMINARY STUDY ON MECHANICAL PROPERTY AND MA TERIAL FRACTURE. Testing method used miniaturized specimen has been known since tens years ago and continue to develop on several testing application especially in the nuclear industry. Aim of this research is to introduce small punch test method for preliminary study on mechanical properties of the material such as yield strength, tensile strength. ductile-to-brittle transition temperature, small punch energy, specific fracture energy and its fracture mode. This study needs to be done because mechanical property and material fracture mode are material characteristic and need to be known. The method usedis

small punch test offerritic alloy on several temperaturefrom +1500e to -1900C. Result of research reveals that small punch test method can be usedfor preliminary study of the mechanical property and its fracture mode such as ductile or brittle. One of the testing result on -500e are: yield strengthis 188.12 MPa. tensile strength is 279.77 MPa, small punch energyis 1.76 J, specific fracture energyis 3.45J/mm, the fracture modeisductile and ductile-to-brittle transition temperatureis-16fe

Keywords: small punch. mechanicalproperty.

PENDAHULUAN

Salah

_mini satu tujuan pengujian_adalah _agar _mampudengan benda uji_melakukan karakterisasi sifat-sifat mekanik material dengan menggunakan sejumlah kecil volume material. Metoda ini mempunyai arti penting pada industri nuklir dimana ruang iradiasi netron dibatasi dan biaya iradiasi meningkat sebanding dengan volume benda uji [I]. Ada beberapa metoda uji dengan benda uji mini salah satunya adalah

small

punch.

Metoda ini belum ada standarnya meskipun sudah digunakan sejak puluhan tahun yang lalu, dan sampai saat ini masih terus dikembangkan untuk berbagai aplikasi pengujian maupun dalam rangka

mendapatkan standar. Metoda uji

small punch

ini merupakan salah satu metoda uji yang direkomendasikan [2]. Jenis sifat mekanik yang dapat dipelajari meliputi : kuat luluh

(yield

strength),

kuat tarik

(tensile strength),

temperatur transisi ulet ke rapuh

(ductile-to-brittle transition

temperature),

energi

small punch

dan

spesific

fracture energy

[1,2,3]. Sedangkan model patahan

yang dipelajari adalah patah rapuh

(brittle)

dan patah ulet

(ductile).

Tujuan penelitian ini adalah memperkenalkan metoda uji

small punch

untuk studi awal sifat-sifat mekanik material meliputi kuat luluh, kuat tarik, temperatur transisi ulet ke rapuh, energi

small punch

dan

specific fracture energy

(2)

90

-

ISSN 0216 - 3128 Sri Nitiswtlti

serta model patahannya. Studi ini perlu dilakukan karena sifat mekanik dan model patahan material adalah karakteristik material dan perlu diketahui. Pada penelitian ini diberikan contoh bagaimana melakukan pengujian small punch meliputi bentuk benda uji dan preparasinya, mesin yang digunakan dan pelaksanaan pengujiannya, cara mendapatkan kuat luluh dan kuat tarik, menentukan temperatur transisi ulet ke rapuh, menentukan energi small punch dan specific fracture energy serta model patahannya. Metoda uji small punch ini sangat bermanfaat karena dengan sejumlah kecil volume material dapat memberikan banyak informasi tentang sifat mekanik material.

TEOR!

Ada 2 (dua) jenis bentuk benda uji small punch, yaitu bentuk segi empat dan bentuk bulat pipih (bend disk). Benda uji tersebut kedua permukaannya dihaluskan dengan kertas ampelas (emery paper) grid 240, 400, 600, 800, 1000 dan 1200, terakhir dipoles dengan menggunakan material buff dan pasta diamond dari ukuran I ~ sampai dengan 0,25~ [4].

Metoda uji small punch dilakukan dengan menggunakan mesin uji tarik universal yang dilengkapi dengan kolom stainless steel yang berfungsi sebagai kolom tempat jig (pemegang benda uji). Jig terdiri dari die atas (upper die) dan die bawah (lower die). Benda uji small punch ditempatkan pada die bawah dan selanjutnya ditutup dengan die atas. Kontak permukaan antara die atas dan die bawah diklem dengan menggunakan 4 (empat) buah baut dan dikencangkan dengan kunci torsi. Mesin uji tarik ketika digunakan untuk uji small punch cross head nya difungsikan bergerak arah ke bawah (difungsikan kompresi). Ketika cross head bergerak arah ke bawah punch akan menekan bola baja berdiameter 2,4mm dan selanjutnya bola baja menekan benda uji small punch sehingga benda uji mengalami deformasi. Pengujian dihentikan bila benda uji sudah patah yang dapat diketahui melalui pengamatan langsung dari kurva beban (kN) vs. Oetleksi (mm) yang terbentuk ketika pengujian berlangsung dan juga ditandai dengan terjadinya penurunan beban dengan tiba-tiba.

Skema mesin uji small punch ditunjukkan pada Gambar I dan skema jig uji small punch ditunjukkan pad a Gambar 2. Contoh kurva normal beban (kN) vs. detleksi (mm) ditunjukkan pad a Gambar 3.

Oari Gambar 3 dapat dijelaskan bahwa kurva normal hasil uji dengan metoda small punch

terdiri dari 4 tahap yaitu : I) tahap elastic bending, 2) tahap plastic bending, 3) tahap plastic membrane stretching dan 4) tahap plastic instability. Tanda panah di kiri menunjukkan beban luluh (Py) yang berbatasan dengan daerah I) dan 2) [5]. Pada tahap plastic bending kontak an tara benda uji dengan bola baja dikontrol oleh deformasi bending dan pad a tahap plastic membrane stretching dikontrol oleh terjadinya pengurangan ketebalan benda uji [6]. Oari tahap 1 sampai dengan tahap 3 beban terus meningkat sampai beban maksimum dicapai pada tahap plastic membrane stretching dan pada akhimya memasuki tahap plastic instability dimana pada tahap ini terjadi penurunan beban dengan tiba-tiba yang akhimya benda uji patah (gagal) pada titik Pf.

Gambar 1. Skema Mesin Uji Small Punch Keteram!an Gambar :

I. Jig uji small punch 2. Punch

3. Kolom stainless steel 4. Cross head 5. Compression tester 6. Strain gauge 7. Thermocouple 8. Kawat pemanas 9. Kompensator temperatur 10. Pengendali temperatur II. Pena pencatat 12. Pompa vakum 13. Nitrogen cair 14. Pencatat X- Y 15. Strain amplifier

Prosiding PPI - PDIPTN 2006

Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006

(3)

Sri Nitiswati ISSN 0216 - 3128

-

9/

__ Punch

D~bawah

Bola baja

Benda uji

Gambar 2. Skema Jig Uji Small Punch

~~ ...

• 1.-_' •• •...•~,

, ..~'''sP

' •.'

~~-

..

"

p)' ""bMJuluh Pt'!"';,t", btMII"-amum p.

_,...h

o

Gambar 3. Kurva Normal Beban (kN) vs Defleksi

(mm)

/5f.

Menentukan beban luluh

(Py)

Beban luluh (Py) adalah beban yang diterima oleh benda uji small punch ketika benda uji telah melewati tahapan elastic bending dan mulai memasuki tahapan plastic bending. Py diperoleh dari titik potong garis singgung antara daerah elastic bending dengan daerah plastic bending dari kurva beban (kN) vs. detleksi (mm).

Bila dari titik ini ditarik garis penghubung ke kiri dari kurva be ban (kN) vs. detleksi (mm), maka akan diperoleh harga Py.

Menentukan kuat luluh dan kuat tarik

Untuk menghitung harga kuat luluh digunakan korelasi empirik antara kuat luluh O"y (MPa), beban luluh Py (kN) dan geometri benda uji, yaitu sebagai berikut: O"y

=

360 Pylt2[6]. Sedangkan untuk menghitung harga kuat tarik digunakan korelasi antara kuat tarik O"TS(MPa), beban maksimum (PMax) dan geometri benda uji adalah sebagai berikut: O"TS

=

130 (PMax/r) - 320 [6]. Dimana t adalah tebal awal benda uji (dalam mm).

Menentukan energi small punch

Yang dimaksud dengan energi small punch adalah energi yang diperlukan (dikonsumsi) sampai benda uji patah (fracture energy) yang ditandai dengan terjadinya retak makro. Energi small punch ditentukan dari luasan .dibawah kurva beban (kN) vs. detleksi (mm) sampai beban turnn dengan tiba-tiba [7]. Dalam hubungannya energi small punch, dikenal pula suatu konsep yang dinamakan spesijic fracture energy, yaitu energi small punch per unit

tebal benda uji [8].

Menentukan temperatur transisi

Yang dimaksud adalah temperatur transisi dari ulet ke rapuh (ductile-to-brittle transition temperature). Temperatur transisi berhubungan dengan setengah dari energi small punch untuk patah (frac/ure energy) [7]. Untuk mendapatkan temperatur transisi diperIukan penguj ian small punch pada berbagai variasi temperatur. Pada contoh ini untuk mendapatkan temperatur transisi dilakukan pengujian small punch dari temperatur

+

150°C sampai temperatur - 190°C dengan tujuan untuk mengetahui energi small punch tertinggi (maksimum) dan terendah yang dicapai dari berbagai variasi temperatur.

TAT A KERJA

Material dan Benda uji

Material yang digunakan sebagai contoh studi pengujian small punch ini adalah model logam paduan Feritik dengan komposisi kimia seperti Tabel 1 di bawah ini.

(4)

92 ISSN 0216 - 3128

Tabel 1. Komposisi Kimia

(%

berat)(41

Sri Nitiswati Model Logam Paduan

c

Mn

P

s

o

N

Mo Feritik 0.004 1.27 0.042 0.0006 0.003 0.0004

Contoh pada studi ini digunakan benda uji berbentuk bulat pipih dengan ukuran (}8mm x tebal O.5mm.

Pelaksanaan pengujian

Pengujian small punch. dilakukan di Laboratorium Keandalan Komponen Dan Sistem -Departemen Penelitian Keselamatan. Reaktor, JAERI. Sebelum pengujian dimulai terlebih dahulu dilakukan seting mesin yaitu : cross head di set pad a kecepatan kon<;tan 0,2 mm/menit dan beban maksimum di set pada 3kN. Termokopel tipe-R dihubungkan an tara jig uji dengan pengendali temperatur. Pengujian pada temperatur di bawah OoC (temperatur minus) dilakukan dengan mengalirkan nitrogen cair kedalam kolom stainless steel. Kemudian dilakukan seting temperatur sampai temperatur pengujian dicapai dan dijaga konstan dengan toleransi maksimum ± 1,0oC selama 15 menit. Setelah itu pengujian dapat dimulai yaitu cross head digerakan arah ke bawah

• " I IJ. ~IS. J

•....•.\...

sehingga punch akan menekan bola baja berdiameter 2,4mm dan selanjutnya bola baja menekan benda uji small punch sehingga benda uji mengalami deformasi. Selama pengujian berlangsung kondisi temperatur uji harus dijaga konstan. Pengujian dihentikan bila benda uji sudah patah yang dapat diketahui melalui pengamatan langsung dari kurva beban (kN) vs. detleksi (mm) yang terbentuk ketika pengujian berlangsung dan juga ditandai dengan terjadinya penurunan beban

dengan tiba-tiba.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Kurva beban (kN) vs detleksi (mm) dan model patahan benda uji small punch pad a berbagai variasi temperatur diperlihatkan pada Gambar 4.

~:~0J""'::"':'~'T;"1

j ••

i ••_• , I •• ~[»oj.",di •••,1" ••••. fW~ (t.~[~j p,,", •••,p'" •••. 41.!(fC (.:. l}iqip;;d;~np:~n_ . .\<)"" (d.I.~~,..d.I ""P.or';;M .,00'(' (~·~IH4.ipd"~:IIIF'~U ..J~C

fa ..•.} H•.t'Ut"'L,:'i!I"J

n.~

1)~b.I~:.nJ1-...1I~"

(1'1'1 ••••

fi:t ••'\ I.-hlup.t"o.l.'uj"l

(~)t~.F4d.l,pch'iI;7'FI .•••w I (atJ~i ~H__r..•.·~fr"':"I~r"M

Gambar 4. Kurva Beban (kN) vs. Defleks; (mm) dan Foto M;kroskop Elektron Model Patallan Benda Uji Small Puncll

Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006

(5)

Sri Nitinvati ISSN 0216-3128

-

₉₃ Dari kurva beban (kN) vs. detleksi (mm)

pada Gambar 4 (a), (c) sampai dengan (t) secara umum dapat dipelajari bahwa beban maksimum yang dicapai sebelum benda uji patah meningkat dengan menurunnya temperatur pengujian. Jika kurva-kurva terse but dibandingkan dengan kurva normal Gambar 3, maka dikatakan bahwa benda uji patah (gagal) setelah 4 tahap dilalui yaitu dari tahap elastic bending sampai dengan tahap plastic instability. Hal ini berarti bahwa benda uji patah dalam keadaan ulet (ductile fracture) dengan model patahannya seperti ditunjukkan pada foto mikroskop elektron Gambar 4 (a), (c) sampai dengan (t). Gambar 4 (g) benda uji patah pada tahap plastic bending. Gambar 4 (h) benda uji patah pada tahap elastic bending. Dengan mengacu pad a kurva normal Gambar 3, benda uji yang patah sebelum melewati tahap plastic membrane stretching dikatakan patah pada keadaan rapuh (brittle fracture) yang ditandai dengan terjadinya banyak retakan tidak beraturan dengan model patahannya ditunjukkan pada foto mikroskop elektron Gambar 4(g) dan (h). Gambar 4 (b), benda uji patah setelah 4 tahap dilalui sehingga dikatakan patahannya dalam keadaan ulet dengan model patahannya seperti ditunjukkan pada foto mikroskop elektron Gambar 4 (b). Detleksi sampai benda uji patah (detlection to failure) cenderung menurun dengan naiknya temperatur , seperti ditunjukkan pada Gambar 5.

2.2 •...--- - - --- --.- -- . 2.1

~

E

2

E

:=

1.9 (I,) ~ 1.8 -= ~ 1.7 1.6 1.5 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 Temperatur (CC)

Gambar

5.

Kurva Defleksi (mm) vs. Temperatur

(1C)

Kuat Luluh dan Kuat Tarik

Dari kurva beban (kN) vs. detleksi (mm) pada Gambar 4 (a) sampai dengan (t) diketahui benda uji patah setelah melewati 4 tahap, ini berarti dari kurva-kurva tersebut dapat ditentukan be ban luluh (Py) dan beban maksimumnya sehingga harga kuat luluh dan kuat tariknya dapat dihitung. Kurva beban (kN) vs. detleksi (mm) pada Gambar 4 (g) hanya dapat ditentukan beban luluhnya saja karena benda uji telah patah pada tahap plastic bending sehingga hanya dapat dihitung harga kuat luluhnya saja. Sedangkan kurva beban (kN) vs. detleksi (mm) pada Gambar 4 (h) benda uji telah patah pada tahap elastic bending sehingga beban luluhnya tidak dapat ditentukan. Data kuat luluh dan kuat tarik ditabulasikan pada Tabel 2.

Temperatur transisi

Energi small punch tertinggi yaitu sebesar 2.47 J diperoleh pada kondisi uji -160°C (Iihat Tabel 2). Dari terminologi diatas (teori), setengah dari energi tertinggi (maksimum) adalah 1,235 J. Dengan memperhatikan Gambar 6 di bawah ini bila dari titik 1,235 J ditarik garis tegak lurus kebawah akan diperoleh temperatur transisi sebesar -167°C. Mengacu pada kurva beban (kN) vs. detleksi (mm) dari Gambar 4 (t) dimana benda uji small punch diuj i pada temperatur -160°C serta kurva be ban (kN) vs. detleksi (mm) dari Gambar 4 (g) yaitu benda uji small punch diuji pad a temperatur -170°C, maka temperatur transisi -167°C adalah bisa diterima. Karena pengujian pada temperatur -160°C benda uji small punch patah dalam keadaan ulet, sedangkan pengujian pada temperatur -170°C benda uji small punch patah dalam keadaan rapuh. Ini berarti bahwa temperatur transisi berada diantara kedua temperatur tersebut.

Data hasil metoda uji small punch ditabulasikan pada Tabel 2.

Tabel2. Data Hasil Metoda Vii

Small Punch

':g

2-55 0,48 TR 0,08090231,821,210,978126,412,52 Feritik I 2-56 0,13592279,771,76..500,511,20188,123,45 2-57 0,51 -100 0,20388394,722,051,43282,194,02 2-58 0,50 -150 0,33657574,402,341,72484,664,68 2-60 0,51 -160 0,39482579,652,471,80546,464,84 2-59 0,51 -170 0,39806--0,975550,95--1,91 2-64 0,50 -190Linear----0,0631 --0,13 2-65 0.50 +150220,801,270,112621,04162,172,54

Prosiding PPI • PDIPTN 2006

(6)

94 ISSN 0216 - 3128 Sri Niti.~wati

Keterangan :

Gambar 6. Energ; Small Punch (J)vs. emperatur

(lCJ T

T

TR Py ~y P Max 0' TS SP energy SFE

: Tebal benda uji : Temperatur uji : Temperatur ruang : Beban luluh : Kuat luluh : Beban maksimum Kuat tarik

: Energi small punch : Specific Fracture Energy

~2.471

-190 -180 -170 -160 -150

Temperatur

(DC)

3. T. MISAWA, et.al., "Evaluation of Toughness Degradation by Small Punch (SP) Tests For Neutron Irradiated Structural Steels", Proceeding of the Fourth International Symposium on Advanced Nuclear Energy Research.

4. Y. NISHIYAMA, "Data for Japanese Ferritic Alloys", 2002.

5. J. KAMEDA, et. aI., "Hardening and Intergranular Embrittlement in Neutron-Irradiated Ferritic Alloys", Material Science and Engineering, AI12, 1989.

6. X. MAO, et. aI., "Development of a Further-Miniaturized Specimen of 3 mm Diameter for the TEM Disk Small Punch Tests", Journal of Nuclear Material, Vol. 150, 1987.

7. JE-CHOON MOON, et. aI., "Data Accumulation and Analysis for Small Punch Test of 21/4 Cr-I Mo Steel With Regard to Round Robin Program", JAERI-Memo, 04-230, July, 1992.

8. SHENHUA SONG, et. aI., "Grain Boundary Phosphorus Segregation Under Irradiation and Thermal Aging and Its Effect on the Ductile-to-Brittle Transition", ASTM STP 1405,200 I.

KESIMPULAN

Hasil penelitian menunjukkan bahwa metoda uji small punch dapat digunakan untuk studi awal sifat mekanik dan model patahannya yaitu ulet atau rapuh. Salah satu hasil pengujian pada temperatur -50°C, kuat luluhnya adalah 188,12 MPa, kuat tariknya 279,77 MPa, energi small punch nya 1,76 J, specific fracture energy nya 3,45 J/mm, model patahannya ulet dan temperatur transisi ulet ke rapuh adalah -167°C.

DAFT AR PUST AKA

I. K.V. KASIVISWANATHAN, et. aI.,

"Miniature Shear Punch Test With On-Line Acoustic Emission Monitoring For Assessment of Mechanical Properties", Small Specimen Test Techniques, ASTM STP 1329, ASTM,

1998.

2. JUDE R. FOULDS, et.al., Fracture Toughness by Small Punch Testing", Journal of Testing and Evaluation, JTEVA, Vol. 23, No. I, January 1995

TANYAJAWAB

Riil Isaris

- Mohon dijelaskan profit penggunaan metode ini pada aspek teknologi, ekonomi, dan keselamatan dan kelebihan dibanding metode lain?

- Mengapa menggunakan Ferritic Alloy, apakah aplikasinya punya prospek ?

- Karena penelitian ini baru, apakah sudah mengajukan paten, dan bagaimana dengan tersedianya reference plant untuk demo?

Sri Nitiswati

Profit penggunaan metode Small Punch dari aspek teknologi adalah sederhana dan cepat baik dari segi preparasi benda uji. pelaksanaan pengujian serla analisisnya. Dengan

menggunakan satu metode saja yailll "Small Punch" dapa! diperoleh 6-7 sifat mekanik material. Sedangkan jika menggllnakan metode konvensional, untllk mendapatkan 6-7 strat mekanik material diperlukan beberapa metode

Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Jull 2006

(7)

Sri Nitiswati _{ISSN 0216 - 3128} ₉₅

METODA UJI SMALL PUNCH UNTUK STUDI AWAL SIFAT MEKANIK DAN PATAHAN MATERIAL

-METODA

UJI

SMALL PUNCH

UNTUK STUDI AWAL SIFAT

MEKANIK

DAN PATAHAN MATERIAL

ABSTRAK

ABSTRACT

PENDAHULUAN

Salah

small

punch.

small punch

(yield

strength),

(tensile strength),

(ductile-to-brittle transition

temperature),

small punch

spesific

fracture energy

(brittle)

(ductile).

small punch

small punch

specific fracture energy

-

TEOR!

-

9/

~~ ...

, ..~'''sP

~~-

..

"

_,...h

o

(mm)

(Py)

=

=

+

TAT A KERJA

(%

c

P

s

o

N

HASIL DAN PEMBAHASAN

~:~0J""'::"':'~'T;"1

j ••

n.~

-

~

E

2

:=

Gambar

Kurva Defleksi (mm) vs. Temperatur

Kuat Luluh dan Kuat Tarik

Temperatur transisi

Tabel2. Data Hasil Metoda Vii

':g

T

~2.471

Temperatur

KESIMPULAN

DAFT AR PUST AKA

TANYAJAWAB

seperti : uji tarik, charpy-V notch, fracture

toughness, dll

- Profit dari aspek ekonomis adalah dengan

sejumlah kecil volume material dapat diperoleh

6-7 sifat mekanik material. Sedangkan dengan

metode konvensional (Vji tarik, Charpy-V notch,

Fracture Toughness) ukuran benda ujinya lebih

besar, sehingga dengan menghabiskan banya

material yang tentu saja tidak ekonomis (Iebih