Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III
Serpong,
20 -21 Oktober 1998
ISSN1410-2897
SIFAT PERAMBATAN RETAK ALUMINUM
PADUAN 2024- T3
AKiBAT BEBAN BlHARMONIK
s..2J;
Anwar dan Djoko W. Karmiadji
UPT Laboratorium Uji Konstruksi BPP TeknologiABSTRAK
SIFAT PERAMBATAN RETAK ALUMINUM PADUAN AI 2024- T3 AKIBAT BEBAN BllIARMONIK. Material untuk struktur pesawat terbang harus memiliki beberapa kriteria seperti ringan, kuat serta mempunyai sifat perambatan retak yang baik. Kriteria terakhir diperlukan untuk mendukung perencanaan struktur pesawat terbang dengan kriteria damage tolerance. Perilaku perambatan retak dipengaruhi oleh beberapa faktor, salah satu diantaranya adalah jenis beban. Untuk mempelajari perilaku perambatan retak khususnya akibat beban dinamis random, dilakukan pengujian dengan beban biharmonik dan beban amplitudo konstan. Sebagai obyek penelitian adalah aluminum padu AI 2024-T3, yaitu jenis material yang banyak digunakan dalam rancang bangun pesawat terbang. .Hasil penelitian menunjukkan bahwa tidak terjadi efek perlambatan retakan pada beban biharmonik, dan kekuatan lelah akibat beban biharmonik dapat diprediksi secara linier dengan menganggap beban biharmonik sebagai beban dinamis blok.
ABSTRACT
CRACK GROWTH BEHAVIOR OF ALUMINUM ALLOY 2024- T3 UNDER BllIARMONIC LOADING. The aircraft structure material should have some criteria such as light, strong, and appropriate crack growth properties. The crack growth property is needed for supporting the design of aircraft structure to define the damage tolerance. Crack growth behavior is mainly influenced by load type. This, caused by random dynamic loads, is studied through the test with the biharmonic and constant amplitude loading. The test specimens are aluminium alloy 2024-T3, in which this material is often used in an aircraft design. The test result shows that decelerated crack effects due to biharmonic loads and fatigue strength against biharmonic loads can be linearly predicted with the assumption that the biharmonic load is the same as the block dynamic load.
PENDABULUAN
diperlukan untuk mendukung konsep perencanaan struktur pesawat dengan kriteria perencanaan kemsakan yang bisa ditolerir (damage tolerance). Tujuan konsep perencanaan ini tidak terlepas daTi tujuan utama perencanaan yaitu untuk mengurangi berat struktur. Walaupun tidak semua bagian atau komponen struktur pesawat terbang dapat dirancang dengan kriteria perencanaan ini, Damon pengurangan bobot yang diperoleh dengan penerapan konsep damage tolerance cukup memberi arti.
Sifat perambatan retak suatu material
dipengaruhi oleh beberapa faktor, salah satu di-antaranya adalah jenis beban. Beban yang terjadi selama pesawat terbang beroperasi adalah beban dinamis dengan besar daD urutan amplitudonya tidak beraturan (random). pengamh beban random terhadap sifat perambatan retak adaIah adanya efek beban puncak dimana beban tersebut umumnya melebihi beban luluh dari material benda uji sehingga kondisi plastik terjadi pada ujung-ujung retakan. Pada material yang mempunyai daerah tegangan plastik yang sangat kecil atau material rapuh (brittle), perambatan retak akan sangat cepat sehingga periode akhir kegagaian material terjadi pada waktu yang relatif singkat. Deselarasi laju perambatan retak dapat terjadi pada batas-batas daerah plastis (plastic range) yang Proses rancang bangun suatu konstruksi
di-lakukan melalui beberapa tahapan, salah satu tahapan diantaranya adalah pemilihan material (material selection). Tujuan dari tahapan pemilihan material adaIah
untuk mendapatkan jenis material yang sesuai dengan fungsi atau persyaratan konstmksi ditinjau dari beberapa segi misalnya sifat mekanik, fisik, kelelahan, manufakturability maupun tinjauan dari segi eko-nornisnya. Kriteria dalam pemilihan material adalah berbeda untuk setiap jenis rancang bangun, misalnya kriteria pemilihan material untuk konstmksi ringan seperti sruktur pesawat terbang akan berlainan dengan kriteria pernilihan material untuk konstruksi lainnya.
Kriteria yang perin diperhitungkan dalam perencanaan struktur pesawat terbang adalah bahwa struktur harns merniliki kekuatan tinggi namun berat struktur harns ringan. Kondisi ini dapat tercapai apabila material yang digunakan untuk pembuatan struktur adalah material yang mempunyai kriteria kuat namun ringan atau yang sering dikenal dengan istilah material yang merniliki perbandingan kekuatan dengan bobot (strength to weight ratio) yang tinggi. Disamping itu, material untuk pesawat terbangjuga hams rnemiliki sifat ketahanan terhadap perambatan retak. Sifat ini
Anwar dan Djoko ~ Karmiadji
Prosiding Pertemuan Ilmiah SainsMaterillI
Serpong,
20 -21 Oktober 1998
ISSN 1410-2897
agak luas sehingga pada beban-beban puncak proses keretakan selalu melalui kondisi plastis terlebih dal1ulu. Dengan adanya daerah plastis tersebut maka terjadi
perlambatan dimana keretakan merambat pada daerah ini.
diurnikan seperti pada gambar 1.
c
a
b
-'WV'M-A-~~~-r
-WNv--WMr-
~
I a I I anjang etak, a b c Siklus. NSalah satu jenis beban dinamis random adalah beban biharmonik. Beban biharmonik merupakan gabungan dari dua jenis beban dinamis amplitudo konstan dengan beban maksimumnya sarna sedangkan broan minimumnyauntuk beban yang besar adalah dua kali bOOan yang kocil. Dengan demikian tx:ban biharmonik dapat dikatakan sebagai beban dinamis amplitudo konstan, dimana setiap dua siklus terdapat beban puncak berupa beban tekan dengan besar beban puncak adalah dua ka1i bOOan minimum.
Untuk mengetahui apakah hipotesa yang menyatakan adanya perlambatan retakan akibat beban puncak, berlaku pada beban biharmonik, dilakukan penelitian secara eksperimental dengan menggunakan material paduan aluminium AI 2024- T3 sebagai obyek penelitian.. Selain itu da1am penelitian inijuga dilakukan pengujian perambatan retak dengan beban dinamis amplitudo konstan yang digunakan sebagai komparasi terhadap basil pengujian dengan beban biharmonik.
Gambar Metode prediksi secara linier terhadap umur lelah akibat beban biharmonik.
PROSEDURPENELITIAN
BendaUji
Paduan aluminium berkekuatan tinggi (high
strength aluminium alloy) AI 2024 T3 merupakan
ma-terial yang digunakan sebagai obyek dalam penelitian
ini. Bentuk benda uji adalah berupa lembaran pelat
dengan ketebalan 5,15 mm daD dibagian tengahnya
terdapat lubang dengan konsentrasi
tegangan
K, = 3,6
(lihat gambar
2).
SIFAT PERAMBATAN RETAK
Fenomena menarik dati kegagaian suatu bangun-an mesin ybangun-ang dalam opemnya mengaiami pembebbangun-anbangun-an dinamis adalah bahwa kerusakan tersebut tidak teljadi secara sekaligus sebagaimana kegagalan akibat beban statik, melainkan secara bertahap yang dimulai dengan teljadinya retak awal dan dilanjutkan dengan perambatan retak. Sifat inilah yang dijadikan sebagai dasar dalam perencanaan dengan kriteria damage tolerance yang banyak diaplikasikan dalam perencanaan struktur pesawat terbang.
Mekanisme kegagalan akibat beban dinamis, biasanya dinyatakan dalam bentuk kurva perambatan
retak yaitu kurva yang menggambarkan hubungan antara laju perambatan retak dengan faktor intensitas tegangan atau panjang retak. Sifat perambatan retak menjadi sangat kompleks jika beban yang menyebabkan teljadinya
retakan tersebut merupakan beban dinamis dengan amplitudo random. Untuk meneliti sifat perambatan retak akibat beban dinamis amplitudo random, dilakukan penelitian dengan beban biharmonik.
Beban biharmonik merupakan kombinasi dua beban dinamis amplitudo konstan dengan besar bebannya berlainan daD pemunculannya saling bergantian. Apabila analisa sifat perambatan retak akt"bat beban dinamik dilakukan secara tinier yaitu tanpa memperhitungkan adanya efek perlambatan retakan akibat beban puncak, maka analisa sifat perambatan retak akibat beban biharmonik dapat didekati dengan menggunakan beban dinarnis blok. Sifat perambatan retak akibat beban dinarnis blok menurut Schijve dapat
Sifat mekanis dari material benda uji adalah
sebagai
berikut :
.tegangan maksimum.
Suit
= 475 N/mm2
.tegangan yield, SY/eki
= 315 N/mm2
.modulus elastisitas,
E = 72500 N/mm2.
Sedangkan
komposisi
kimianya terdiri dari unsur
utama aluminium (AI) dan unsur paduan dalam
prosentase
berat sebagai
berikut :
.Cu=3.8-4.9% .Mg= 1.2-1.8%
77
Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III
Serpong, 20 -21 Oktober 1998
ISSN 1410-2897
.Zn<0.25% .Cr<0.10% .Mn=0.3-0.9% .8i<0.5% .Fe<0.5% .lain-lain < 0.15 %.
rupa melalui lubang-lubang pada benda uji sehingga sumbu pembebanan berimpit dengan sumbu longi-tudinal yang melewati pusat lubang benda uji dengan konsentrasi tegangan (Kt) 3,6.
Untuk mengukurpanjang retak selarna pengujian berlangsung, digunakan mikroskop dengan pembesaran
100 kali daD dilengkapi dengan skala pengukuran panjang dengan ketelitian 0.0 1 mm. Pengukurnn panjang retak dilakukan pada dua sisi depan dan belakang.
Metode Penelitian
BAS~ un DAN PEMBABASAN
Metode penelitian adalah secara eksperimental, yaitu dengan melakukan pengujian terhadap beberapa benda uji di laboratorium. Pengujian dilakukan dengan cara memberi beban dinamis pada benda uji yang arab pembebanan- nya vertikal atau tegak lorus terhadap lubang paralel pemegang benda uji. Jenis beban dinamis yang digunakan adalah beban dinamis amplitudo konstan dan beban dinamis biharmonik. Besar beban kedua jenis beban uji tersebut adalah sebagai berikut :
1. Beban dinamis amplitudo konstan : (a). tegangan maksimum S.-u = 206.5 N/mm2
tegangan minimum S- = 0 N/mm2 perbandingan tegangan R = 0
(b). tegangan maksimum S.-u = 206.5 N/mm2 tegangan minimum 5mBI = 103.25 N/mm2 pelbandingan tegangan R = 0.5 2. Beban biharmonik:
(c). tegangan maksimum S.-u = 206.5 N/mm2 tegangan minimum S..;.. = 0 N/mm2
Pengujian dilakukan di mesin uji servo-hidraulik dengan kapasitas 400 kN. Sedangkan sebagai pengatur beban uji digunakan komputer GA SPC 16/40. Pemasangan benda uji ke mesin uji dibuat sedemikian rupa sehingga alat bantu dapat dipasang pada ujung-ujung benda uji melalui lubang-lubang paralel dikedua ujung benda uji tersebut. Untuk menghindari tegangan awal pada benda uji sebelum pembebanan, pemasangan alat bantu, benda uji daD mesin uji diatur sedemikian
Hasil pengujian berupa data-data pengukuran panjang retak pada setiap interval siklus pembebanan tertentu ditunjukkan daIam bentuk diagram panjang retak (0) sebagai fungsi dari jumlah siklus (N). Gambar 3 memperlihatkan basil pengujian untuk ketiga jenis pembebanan yaitu kurva (a) daD (b) adalah basil pengujian dengan beban amplitudo konstan masing-masingdengan SmakJ= 206.5 N/mm2, Smin= 103.25 N/mm2 dan S -,.-= 206,5 N/mm\ S = 0 N/mm\ serta kurva (c)
m~ DIm
adalah basil pengujian beban biharmonik dengan SmakJ= 206.5 N/mm\ S =ON/mm2,
Berdas~an data-data basil pengujian diatas, kemudian ditentukan laju perambatan retak yang didefinisikan sebagai pertambahan panjang retak per satuan siklus pembebanan (da/dN). Nilai laju pe-rambatan retak untuk setiap interval pertambahan panjang retak, untuk ketigada/dN vs.a seperti pada gambar 4.
Dari gambar 3 terlihat bahwa dengan semakin besar tegangan amplitudo maka kekuatan lelahnya semakin rendah. Sedangkan dari gambar 4 me-nunjukkan bahwa semakin besar tegangan amplitudo, maka laju penjalaran retak menjadi semakin tinggi. Apabila beban biharmonik dianggap sebagai beban dinamis amplitudo konstan dimana setiap dua siklus terjadi beban puncak berupa beban tekan, maka dari penelitian ini terlihat bahwa pengaruh broaD puncak tersebut bukan memeperlambat laju perambatan retak, melainkan sebaliknya justru
(a) Amplitudo konstan (b) Amplitudo konstan (c) Bihannonik
S =2065 N/mm' S =10325 N/mm' S =2065 N/mm' ; S = 0' NI mm'
S =2065N/mm'. S =ON/mm'-'~ Gambar 3 Kurva pertambahan panjang retak terhadap
siklus pembebanan
Gambar 4. Kurva pertambahan panjang fetal terhadap siklus pembebanan
Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III
Serpong,
20- 21 Oktober 1998
ISSN 1410-2897
laju perambatan retak akibat beban bihaTn1onik. Gambar 6 rnernperlihatkan perbandingan perilaku perambatan retak akibat beban bibarmonik antara basil pengujian deprediksi secara akurnulasi tinier.
Dari gambar 6, terlihat bahwa perilaku perambatan retak antara basil prediksi dengan basil uji rnenunjukkan kecenderungan yang sarna. Prediksi dilakukan secara akurnulasi tinier (tanpa rnempertirnbangkan efek perlambatan retak akibat akibat beban puncak), sehingga kesarnaan pola kurva basil analisis dengan basil pengujian tersebut, rneng-indikasikan bahwa tidak terjadi efek perlambatan retakan akibat beban puncak pada beban biharn1Onik. Hal ini juga sesuai dengan pernbahasan diatas, yaitu dilihat dari perbandingan antar3 basil uji dengan beban arnpitudo konstan dan beban biharmonik, tidak terjadi efek perlarnbatan retakan pada beban biharmonik.
Gambar 6. Perbandingan perilaku perambatan fetal akibat beban biharmonik antara basil uji daD prediksi.
Walaupun pola kurva antara basil uji dengan prediksi relatif sarna, Damon terdapat perbedaan yang cukup signifikan, yaitu pada periode awal laju perambatan retak basil uji menunjukkan nilai yang lebih tinggi kemudian pada periode akhir laju penmlbatan retak basil prediksi lebih cepat. Perbedaan ini disebabkan karena prediksi diIakukan secara linier dengan mengasumsikan beban biharmonik dianggap sarna dengan beban dinamis hick (lihat Gambar 1). Prediksi kekuatan lelah seperti diuraikan pada Gambar 1, dilakukan dengan tara menjurnlahkan secara tinier antara kekuatan lelah beban yang kecil dengan beban yang besar. Karena analisa dilakukan dengan meng-gunakan beban yang kecil terlebih dahuIu, maka perilaku perambatan retak pada periode awal retakan menjadi lebih lambat dibandingkan dengan basil uji. Kemudian pada periode akhir retakan, analisa dilakukan dengan beban yang besar, sehingga perilaku perambatan retaknya menjadi lebih cepat dari pada basil uji.
mempen:epat. Hal ini terlihat dari gambar 3 bahwa kurva reban bihannonik (c) rerada diserelah kanan dari kurva beban amplitudo konstan untuk beban yang kecil (kurva a). yang berarti bahwa kekuatan lelah akibat beban bihannonik lebih rendah dibandingkan reban amplitudo konstan. Laju perambatan retak akibat beban bihannonik seperti ditunjukkan pada gambar 4. juga memperlihatkan nilai yang lebih tinggi (cepat) dibandingkan beban amplitudo konstan.
Efek akselerasi laju perambatan retak yang teljadi pada beban bihannonik dapat dijelaskan sebagai rerikut:
.Teljadinya perlambatan laju perambatan retak akibat beban puncak, disebabkan oleh adanya daerah plastis yang teljadi pada saat beban puncak (lihat gambar 5). Jika daerah plastis akibat beban puncak adalah rl daD daerah plastis akibat beban biasa (beban kecil) adalah r 0' maka akan teljadi perlambatart laju perambatan retak selama r 0 berada di dalam r, Sedangkan jika r 0 sudah melewati r" maka tidak teljadi efek perlambatan laju pe-rambatan retakan. .Pada beban bihannonik, beban puncak timbul setiap
dua siklus, dengan dernikian. maka sebelum r mencapai atau melewati r" sudah teljadi lagi r I~ Karena daerah plastis akibat beban puncak r ,lebih jenis pembebanan ditunjukkan dalam kurva dari r , maka laju perambatan retak yang diakibatkan oleh; I lcl>ih cepat dibandingkan laju perambatan retak yang diakibatkan oleh r o' Dengan demikian maka kecepatan perilaku perambatan retak beban bihannonik lcl>ih didorninasi oleh beban PUncaknya. Hal ini terlihat daTi basil penelitian yang menunjukkan bahwa kUIva beban bihannonik (kwva c) mempunyai kecenderungan yang sarna dengan beban amplitudo konstan (kurva b), lihat gambar 3 dan4.
Prediksi umur lelah secara teoritis akibat beban bihannoni dilakukan secara akumulasi tinier dengan mengabaikan pengaruh efek perlambatan retakan akibat beban puncak. Dengan demikian beban bihannonik dapat dianggap sebagai beban dinamis blok dan umur lelahnya dapat diprediksi seperti diuraikan pada gambar I. Berdasarkan basil prediksi umur lelah, dapat ditentukan
KESIMPULAN
Pengaruh perlambatan retakan akibat beban
puncak, sangat
tergantung pada jenis serta intensitas
Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi III
Serpong,
20 -21 Oktober 1998
ISSN1410-2897
pemunculannya. Pada pembebanan dengan beban puncak yang relatif sering muncuInya seperti beban bihannonik, tidak terjadi perlambatan retak akibat beban puncak. Dengan tidak adanya pengaruh perlambatan retakan akibat beban puncak, maka perilaku perambatan retak akibat beban biharmonik dapat dianalisis secara baik dengan pendekatan akumulasi linier berdasarkan data basil pengujian dinamis amplitudo konstan dan menganggap beban biharmonik sebagai beban dinamis blok.
Perilaku perambatan retak akibat pembebanan biharmonik mempunyai kecenderungan yang sama dengan perambatan retak akibat beban amplituda kODStan,jika beban maksimum dan minimum dari beban biharmonik sarna dengan beban amplituda konstan.
DAFfAR PUSTAKA
[1] BROEK D., "Elementary Engineering Fracture Mechanics", Martinus Nijhoff Publishers, Dordrecht.,1987
[2] CHEN W.F. & HAN D.J., "Plasticity for Structural Engineers". Springer-Verlag Hong Kong Limited.,
1991.
[3] SCHlJVE J., "Fatigue and Damage Tolerance of Aircraft Structures", Delft University of Tech-nology., 1993.
[4] WAHYU D. & TRAUTMANN K.H., "Fatigue Testing of Aircraft Materials". Cooperation LUK/ BPPT -DFVLR in the Field of Aircraft Ma-terials,Activity Report April 1986-1987.
[5] WAHYU D., ,. Analisa Sifat Lelah Alumunium Paduan Dalam Kaitan Hubungan Tegangan-Regangan". Simposium Nasional Kelelahan pada Material & Struktur, di Bandung, 13-15 Februari 1989.
