i PENGUJIAN TUTUP KOLIMATOR BERBASIS TIMBAL DENGAN
METODE UJI TEKAN
SKRIPSI
Untuk memenuhi sebagian persyaratan
mencapai derajat Sarjana Teknik di bidang Teknik Mesin
Diajukan oleh :
ALFONSUS CHRISTIAN WIBISONO NIM : 165214028
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
2020
ii COMPRESSIVE TEST ON LEAD-BASED COLLIMATOR
FINAL PROJECT
As partial fulfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree
in Mechanical Engineering
By :
ALFONSUS CHRISTIAN WIBISONO Student Number : 165214028
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA 2020
vii ABSTRAK
Dalam pengembangan teknologi nuklir, pengetahuan akan ilmu material diperlukan untuk menentukan material yang cocok untuk penggunaan pada spesifikasi tertentu. Pada penelitian ini, tutup kolimator ditemukan mengalami beban radial yang dihasilkan oleh beban beton pelindung kolimator. Timbal dipilih sebagai material penyusun tutup kolimator karena memiliki kekuatan tekan yang lebih besar dari paraffin dan nikel yang sekarang digunakan, serta memiliki ketahanan radiasi yang sama dengan material yang sebelumnya digunakan.
Penelitian ini bertujuan untuk mencari nilai kekuatan pada timbal dan melihat efek dari beban kompresi terhadap struktur material itu sendiri. Data yang dihasilkan berupa nilai kekuatan tekan dan deformasi yang terjadi pada material timbal. Penelitian tekan ini menggunakan mesin uji tarik yang sudah dimodifikasi sehingga menghasilkan beban tekan dengan pembebanan maksimal sebesar 1350 kgf. Material timbal akan di cor ulang dan dibentuk sesuai dengan standar ASTM E9 dan akan dikenai beban axial pada spesimennya.
Timbal mampu menghasilkan kekuatan tekan pada 20,2 ± 1 MPa dan dapat menahan gaya tekan sebesar 3330 N pada batas proporsionalnya. Ditemukan bahwa timbal memiliki sifat ulet yang mengakibatkan spesimen akan tetap mengalami deformasi hingga beban dilepaskan. Sifat ulet inilah yang membuat timbal memiliki kekuatan yang cenderung lebih tinggi mengikuti tingkat deformasi yang terjadi.
Dapat disimpulkan bahwa timbal memiliki kekuatan yang cukup untuk menahan beban kompresi dan sifat ulet yang dimiliki akan semakin meningkatkan nilai kekuatan tekan yang dimiliki oleh timbal seiring meningkatnya tingkat deformasi pada tutup kolimator.
Kata kunci : Tutup Kolimator, Timbal, Kekuatan Tekan, Titik Luluh, Batas Proporsional.
viii ABSTRACT
In the development of nuclear technology, knowledge of material science is needed to determine which material is suitable for use in certain specifications. In this study, the collimator cap was found to have radial loads generated by the collimator protective concrete. Lead was chosen as the constituent material for collimator caps because it has a compressive strength greater than paraffin and nickel that is now used, it also has the same radiation resistance as the material previously used.
This research aims to find the strength value on lead and see the effect of compression load on the structure of the material itself. The data generated in the form of compressive strength and deformation values that occur in lead material.
This compressive research uses a tensile testing machine that has been modified to produce a compressive load with a maximum loading of 1350 kgf. Lead material will be re-cast and shaped according to ASTM E9 standards and axial loads will be subjected to the specimen.
Lead is able to produce compressive strength at 20.2 ± 1 MPa and can withstand the compressive force of 3330 N at its proportional limit. It was found that lead had ductile properties which resulted in the specimen remaining deformed until the load was released. It is this ductile nature that makes lead have a power that tends to be higher following the level of deformation that occurs. It can be concluded that lead has sufficient strength to withstand the compression load and its ductile nature will further increase the compressive strength value of lead as the level of deformation increases on the collimator cap.
Keywords: Nuclear, Collimator, Lead, Compressive Strength, Yield Point, Proportional Limit
xi DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Susunan struktur kolimator ………..………… 1
Gambar 2.1 Grafik uji tekan ……….……. 10
Gambar 2.2 Metode offset 0,02 ….………. 11
Gambar 2.3 Struktur reaktor Kartini …….………. 16
Gambar 3.1 Alat uji tekan .………. 19
Gambar 3.2 Material timbal ..………. 20
Gambar 3.3 Material timbal hasil re-cast ….………. 20
Gambar 3.4 Oven (Furnace) ……….………. 20
Gambar 3.5 Tungku pembakaran ………..………. 21
Gambar 3.6 Cetakan tanah liat ………...…… 21
Gambar 3.7 Plat besi ……….. 22
Gambar 3.8 Mesin bubut ……… 22
Gambar 3.9 Magnet neodymium ……….... 23
Gambar 3.10 Diagram pelaksanaan penelitian ………... 24
Gambar 3.11 Permodelan dengan SolidWorks dari timbal ………. 25
Gambar 3.12 Cetakan yang digunakan dalam proses pengecoran …………... 26
Gambar 3.13 Bentuk 2D dari spesimen timbal ……….. 28
Gambar 4.1 Cetakan tanah liat sebelum proses penuangan timbal ……… 32
Gambar 4.2 Penampakan cetakan setelah proses penuangan ………. 32
Gambar 4.3 Spesimen yang siap di uji tekan ………....……….. 33
Gambar 4.4 Skema pengujian tekan ……….……….. 34
Gambar 4.5 Pengujian tekan pada timbal spesimen E ……..……….. 36
Gambar 4.6 Grafik uji tekan Pb spesimen F …………..………. 36
xii Gambar 4.7 Spesimen timbal I dan G setelah pengujian …..……….. 38 Gambar 4.8 Grafik uji tekan alumunium ………..……….. 39 Gambar 4.9 Grafik uji tekan paduan Alumunium 319 pada suhu 25oC …..……39 Gambar 4.10 Grafik Uji tekan Paduan NiAl-Cr (Mo)-xFe …………...……….. 41 Gambar 4.11 Grafik Uji tekan Paduan NiAl-Cr-xFe ………...………... 41
xiii DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Sifat fisik timbal ……… 5 Tabel 3.1 Tabel standarisasi pengujian tekan spesimen logam ………... 27 Tabel 4.1 Data Pengujian ………. 36 Tabel 4.2 Data Perubahan Panjang dan Diameter pada Spesimen ………….. 38
xiv DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
TITTLE PAGE ... ii
HALAMAN PERSETUJUAN ... iii
HALAMAN PENGESAHAN ... iv
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ... v
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ... vi
ABSTRAK ... vii
ABSTRACT ... viii
KATA PENGANTAR ... ix
DAFTAR GAMBAR ... xi
DAFTAR TABEL ... xiii
DAFTAR ISI ... xiv
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 3
1.3 Batasan Masalah ... 3
1.4 Tujuan Penelitian ... 3
BAB II DASAR TEORI DAN KAJIAN PUSTAKA ... 4
2.1 Spesimen Benda Uji ... 4
2.2 Landasan Teori ... 4
1. Timbal ... 4
2. Uji Tekan ... 8
3. Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) ... 13
4. Reaktor Kartini ... 14
5. Kolimator ... 16
6. Tanah Liat ... 16
2.3 Kajian Pustaka ... 17
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 19
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ... 19
3.2 Alat dan Bahan Penelitian ... 19
3.3 Pelaksanaan Penelitian ... 23
1. Studi Literatur ... 25
xv
2. Persiapan Spesimen ... 25
3. Pengujian spesimen timbal pada alat uji tekan ... 29
4. Analisis Data ... 30
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 31
4.1 Pengujian di Laboratorium ... 31
4.2 Hasil Pengujian ... 34
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 43
5.1 Kesimpulan ... 43
5.2 Saran ... 43
DAFTAR PUSTAKA ... 45
LAMPIRAN ....…….………48
1 BAB I
PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Saat ini BNCT sudah menarik perhatian para ilmuwan untuk dipelajari, diteliti dan juga teknik ini diaplikasikan pada pengobatan kanker, terutama kanker otak dan kulit. BNCT dapat dioperasikan pada fasilitas yang dilengkapi reaktor nuklir atau pada rumah sakit yang telah dibangun sumber neutron alternatif. Negara yang telah memiliki reaktor yang dimodifikasi untuk BNCT antara lain Jepang, Amerika, Finlandia, Argentina, dan Taiwan (Heydari & Ahmadi, 2015). Selain reaktor, sumber neutron untuk BNCT juga dapat dihasilkan dari siklotron maupun generator neutron (Masoudi, et al, 2017). Senyawa yang berbasis boron saat ini dalam proses penelitian yang sangat ketat dan berkelanjutan untuk memenuhi kriteria dasar dari BNCT. Dan terdapat banyak permintaan untuk pengembangan material-material baru yang dibutuhkan untuk memperkuat struktur dari mesin BNCT tersebut (Kaur, et al., 2019).
Gambar 1.1 Susunan struktur kolimator
Objek penelitian yang diambil adalah dari material yang digunakan untuk memperkuat struktur dari BNCT namun dengan tidak mengurangi kemampuan untuk menahan sinar radiasi terpancar ke segala arah dari mesin BNCT. Salah satu penelitian di BATAN (Badan Tenaga Nuklir Nasional) adalah dengan
2 menggunakan struktur parafin (Sardjono, 2019). Parafin yang digunakan sebagai shielding dari radiasi neutron cenderung untuk berubah bentuk meski dalam suhu ruangan saat diberikan tekanan yang berasal dari mesin BNCT (Zhang, et al., 2017), sehingga diperlukan material yang lebih kuat untuk menahan struktur mesin.
Kemudian, dapat dilihat pada gambar 1.1 terdapat bagian mesin lainnya yang perlu diperkuat strukturnya yaitu kolimator. Pada umumnya, kolimator adalah kumpulan formasi balok yang menentukan properti geometri dari balok tersebut. Dengan tambahan, terdapat juga filter untuk mengatur spektrum energi atau mengurangi kontaminasi dari radiasi gamma yang berasal dari balok tersebut (Rafhayudi, 2017).
Dalam rancangannya, tutup kolimator mendapat tekanan radial yang berasal dari susunan pelindung beton yang digunakan untuk melindungi lingkungan reaktor dari pancaran radiasi yang berbahaya.
Uji tekan merupakan sebuah metode destructive test yang menempatkan benda pada beban tekan secara axial, radial, maupun campuran. Dalam praktiknya, banyak sekali aplikasi-aplikasi yang melibatkan gaya tekan pada sebuah struktur.
Uji tekan menunjukkan bagaimana material bereaksi saat ditekan, dan dapat menentukan sifat material apakah bersifat elastis atau plastis, dan getas atau ulet.
Pengujian ini juga menentukan nilai modulus elastisitas, batas proporsional, titik beban luluh, kekuatan beban luluh, dan kekuatan tekan maksimal. Data ini sangat diperlukan untuk menentukan apakah material tersebut memenuhi spesifikasi yang dibutuhkan pada penggunaan tertentu atau akan mengalami kegagalan pada tegangan tertentu. (Chee, 2017).
Timbal (Pb; Lead) -dengan berupa logam campuran ataupun dalam bentuk murninya- banyak digunakan sebagai struktur pada perpipaan, untuk aplikasi rekayasa dan arsitektur, untuk patung dan uang logam. Selebihnya, paduannya digunakan pada kaca, enamel, cat dan pigmen, kosmetik dan aplikasi di bidang medis (Casas, 2006). Timbal memiliki sifat fisis yang kurang lebih serupa dengan logam lainnya yaitu; memiliki lapisan permukaan yang mengkilat, massa jenis yang tinggi, titik lebur yang rendah, merupakan konduktor listrik dan panas, serta lunak, elastis dan mudah dibentuk. Timbal diketahui juga bisa menangkal sinar radiasi gamma yang juga dihasilkan dari mesin BNCT (Arrijalu, 2018). Dalam penggunaannya, permukaan logam timbal dapat dengan mudah bereaksi dengan
3 oksigen membentuk PbO2, dan proses selanjutnya dapat membentuk PbCO3 jika oksida bereaksi dengan karbon dioksida. Setelah PbCO3 terbentuk, diketahui dapat melindungi lapisan bawahnya dari peristiwa oksidasi atau biasa disebut dengan karat.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian materi dari latar belakang di atas, maka diperlukan data–
data untuk permasalahan sebagai berikut:
1. Apa pengaruh beban tekan terhadap struktur kolimator?
2. Berapa nilai kekuatan dari struktur timbal terhadap beban tekan?
1.3 Batasan Masalah
Dalam penelitian ini, dibatasi dengan permasalahan sebagai berikut:
1. Desain dan material tutup kolimator yang digunakan menyesuaikan dengan desain rancangan BATAN yang berbahan timbal.
2. Material dianggap ideal, yaitu dengan densitas dianggap merata pada setiap bagian material tertentu.
3. Pengukuran kekuatan hanya pada nilai kekuatan tekan, titik luluh, dan batas elastis.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah
1. Untuk memahami efek dari beban tekan terhadap struktur kolimator.
2. Untuk mengetahui kekuatan tekan pada struktur timbal terhadap beban tekan.
4 BAB II
DASAR TEORI DAN KAJIAN PUSTAKA 2.1 Spesimen Benda Uji
Kolimator adalah salah satu bagian dari sebuah instalasi reaktor Kartini yang terdapat di BATAN yang diproteksi oleh lapisan beton. Kolimator berfungsi sebagai saluran yang mengalirkan aliran radiasi yang berasal dari reaktor pusat (core reactor). Dalam desainnya, bentuk kolimator adalah sebuah silinder berlubang yang nantinya pada bagian ujungnya terdapat penutup yang disebut tutup kolimator, yang berfungsi sebagai katup penutup batas untuk keluarnya sinar radiasi alfa, beta dan gamma. Dalam penelitian ini, material yang digunakan adalah berbahan dasar timbal murni, lalu dipotong menjadi lima lapis dan memiliki profil yang berbeda. Uji tekan akan menguji seberapa kuat tutup kolimator untuk menghadapi gaya tekan yang dihasilkan oleh bobot beton yang menekan dari atas kolimator.
Gaya tekan akan dihitung dari jumlah massa dari beton yang nantinya akan dipetakan dengan acuannya terhadap posisi dari kolimator yang akan diuji.
2.2 Landasan Teori 1. Timbal
a. Aplikasi Material
Timbal saat ini digunakan untuk baterai berbasis asam–timbal, untuk keperluan konstruksi (seperti dalam bentuk lembaran dan pipa), untuk bahan pelapis kabel, pelindung radiasi, di dalam paduan dan kegunaan–kegunaan lainnya. Senyawa timbal juga terdapat pada baterai, tambahan campuran pada PVC, sebagai cat aditif dan pigmen pada kaca, glasir, enamel, dan pada keramik. untuk pelidung radiasi, timbal dapat dikatakan mampu menahan serangan tembakan radiasi dengan kekuatan radiasi tingkat rendah. Dikarenakan timbal memiliki kepadatan serta jumlah atom yang tinggi sehingga berfungsi sebagai lapisan perlindungan dari sinar gamma dan radiasi sinar X. Proteksi ini perlu digunakan dalam instalasi alat medis dan pada industri PLTN.
b. Sifat Umum
Timbal adalah salah satu elemen logam berat yang memiiki warna putih kebiru–biruan yang berasal dari kelompok 14 dalam tabel
5 periodik. Tim dalam bentuk kristal berupa face-centered cubic (FCC) yang dimana memiliki atom pada setiap sudut (delapan), dan pada setiap muka kubus (enam). Dan memiliki jarak antar atom timbal (Pb- Pb) yang pendek sebesar 3.49 Å. Timbal memiliki sifat mekanis yang mirip seperti logam lainnya: memiliki warna metalik yang berkilau dengan kilap dari permukaan yang baru dipotong, massa jenis yang tinggi, titik lebur yang rendah, merupakan logam konduktor panas dan lisrik, dan lembut, ulet atau elastis serta dapat dengan mudah ditempa (malleable).
Tabel 2.1 Sifat fisik timbal (Kaye and Laby, 1995) Physical properties of lead
Density* (g/cm3) 11.34
Melting point (°C) 327.5
Boiling point* (°C) 1750
Mean specific heat capacity at 100oc (jkg-1k-1)
129.8
electrical resistivity at 20oC (µ ohm cm)
20.6
Thermal conductivity (300K) / Wm-1K1 34.9 Coefficient of linear thermal
expansion / K-1
29.1 x 10-6
Electrical resistivity (293K) / Ohm-m 20.648 x 10"8
Young's modulus / GPa 16.1
Beberapa data fisik yang signifikan untuk timbal ditunjukkan pada Tabel 2.1 ini. Terkhusus untuk massa jenisnya yang tinggi merupakan hasil dari massa relatif atom yang tinggi dan struktur atom FCC dengan jarak yang pendek antar atom (Pb-Pb) yang membuatnya terkristalisasi.
6 c. Sifat kimiawi
Saat timbal dipotong, bekas potongan yang baru terpotong tersebut akan kehilangan warna kilau metaliknya di udara yang lembab dikarenakan terbentuknya formasi dari lapisan timbal (II) oksida pada permukaan logam. Oksida tersebut dapat berekasi lebih lanjut dengan karbon dioksida untuk membentuk timbal (II) karbonat. Dalam kondisi normal, lapisan dipermukaan ini melindungi logam inti dari serangan lebih lanjut. Pada temperatur tinggi, timbal juga berekasi dengan sulfur dan zat halogen lainnya.
Meskipun air yang telah disuling tidak menyerang timbal, timbal akan teroksidasi oleh kekuatan gabungan dari oksigen dan air untuk membentuk Pb (II). Reaksinya adalah sebagai berikut:
Pb(s) ➔ Pb2+(aq) + 2e- (2.1)
Elektronnya akan bereaksi dengan reaksi sebagai berikut:
1/2 02(aq) + H20(l) + 2e- ➔ 2OH-(aq) (2.2)
Atau
2H30+(aq) + 2e- ➔ H2(g) + H20 (2.3) Reaksi ini berurutan mulai dari air suling dan media asam
Reaksi korosi ini dapat memproduksi disolusi dalam air yang dalam prakteknya sangat pelan dan sering kali dikontrol oleh produk hasil reaksinya, yaitu garam Pb (II) yang secara umum memiliki tingkat kelarutan dalam air yang rendah dan berpotensi menjadi lapisan pelindung.
Timbal mempunyai luas penampang penangkap neutron yang sangat kecil (logam yang memiliki nilai yang lebih rendah hanyalah magnesium dan berilium). Dengan konsekuensi timbal tidak menyerap neutron dan tidak bisa menjadi radioaktif dan tidak stabil (sekalipun
7 terdapat kecacatan dalam timbal dapat menyerap neutron dan kemudian bertransmulasi).
d. Sifat Mekanis i. Kegetasan
Timbal sangat ulet (mudah ditempa), dapat terdeformasi secara plastis dan memungkinkan terjadi deformasi yang besar sebelum material hancur. Timbal berlaku agak berbeda dari kebanyakan material lainnya, dikarenakan timbal meleleh pada temperatur yang jauh lebih rendah. Karena titik lelehnya sangat dekat dengan temperatur penggunaannya (suhu ruangan), beberapa proses pemulihan dapat terjadi pada logam secara spontan. Ini membuat deformasi yang ekstensif sebelum retak, tanpa memberikan annealing pada logam.
ii. Creep Behavior
Creep (jalaran) adalah deformasi plastis yang lambat pada material akibat dari tegangan yang konstan. Pada logam, ini dapat terjadi bahkan pada temperatur rendah, tetapi dengan efek yang sangat rendah dan hanya penting diterapkan pada penggunaan yang membutuhkan sensitifitas yang tinggi.
Fenomena ini sangat penting pada temperatur yang lebih tinggi (relatif terhadap titik luluh) dikarenakan posisi dari atom logam (Ion, lebih tepatnya) dapat dibaca secara lebih tepat.
Timbal menjadi retak pada temperatur normal, dimana titik lelehnya relatif rendah. Retak ini dapat terjadi pada tegangan rendah, dapat mengakibatkan juga kegagalan jauh sebelum titik kekuatan tarik.
Kekuatan retak dalam jangka panjang pada logam sulit untuk diukur, dikarenakan butuh bertahun-tahun untuk pengujiannya. Bagaimanapun, penelitian menemukan bahwa retak dapat terjadi pada timbal (99% kemurnian) pada
8 tegangan sebesar 0,7 MPa (dengan perubahan panjang sebesar 0,06% setelah 500 hari pada temperature 30oC;
tegangan yang digandakan menghasilkan 2% tambahan panjang ada periode pengujian yang sama (Blasket and Boxall, 2017)). Ekstrapolasi pada pengujain lainnya menunjukkan bahwa dalam kondisi nomal, tidak ada retak yang cukup besar yang kemungkinan akan terjadi pada tegangan dibawah 1,72 MPa (atau pada beban tekan, 2,75 MPa) untuk 99,9% timbal (LDA technical notes 2015). Hasil yang berbeda diasumsikan dikarenakan akibat dari perbedaan suhu dan kondisi pengujian lainnya.
2. Uji Tekan
Kekuatan tekan adalah salah satu faktor yang paling penting dalam sifat fisis suatu material. Uji tekan merupakan proses pengujian dimana sebuah material diterapkan gaya dengan arah berlawanan yang satu mengarah ke arah spesimen dan lainnya menekan atau menghancurkan atau memampatkan. Spesimen yang diuji biasanya diletakkan di antara dua plat yang mendistribusi beban yang diterapkan ke seluruh permukaan dari dua permukaan yang berlawanan dan kemudian kedua plat ini didorong bersamaan oleh mesin uji universal yang membuat sampel menjadi pipih.
Tujuan dari pengujian tekan atau uji kompresi adalah untuk menentukan respon atau tingkah laku dari sebuah material saat mengalami beban tekan dengan mengukur variabel–variabel dasar seperti regangan, tegangan, dan deformasi. Dengan menguji material dalam uji tekan ini dapat ditentukan pula kekuatan tekan, tegangan luluh, kekuatan puncak (ultimate tensile strength), batas elastis dan modulus elastisitas. Dengan memahami parameter–parameter yang berbeda ini dan nilai-nilai yang terkait dengan spesimen tertentu dapat ditentukan apakah bahan tersebut cocok untuk aplikasi tertentu atau akan gagal di bawah tekanan yang diberikan.
9 Uji tekan dilakukan dengan menggunakan mesin uji terkontrol servo elektro-hidrolik ataupun dengan mesin uji universal. Pembebanan dari pelat tekan dibuat dari besi atau baja yang dikeraskan dan memiliki permukaan yang sudah diperhalus. Spesimen kubus atau silinder dikenakan kompresi pada tingkat regangan sebesar antara 10-5/s hingga 10-3/s. Tingkatan regangan diatur oleh kecepatan axial pada pusat pelat pembebanan yang dapat diubah sebelum pengujian. Minyak atau pelumas lainnya dapat digunakan pada permukaan spesimen atau permukaan pelat beban untuk mengurangi efek dari gesekan antar permukaan.
Selama pengujian, banyak sifat–sifat mekanis yang akan di perhitungkan dan digambarkan melalui diagram regangan–tegangan.
Diagram regangan–tegangan biasanya digunakan untuk memberikan ilustrasi hubungan antara regangan dan tegangan yang dimiliki oleh suatu material. Lengkung regangan–tegangan dapat digambarkan dari data yang didapatkan dari berbagai uji mekanis (dalam hal ini adalah uji tekan) dimana beban diterapkan kepada material dan pengukuran secara kontinu terhadap regangan dan tegangan dibuat secara simultan.
Diagram akan menunjukkan grafik pada deformasi material akibat dari beban tekan, tarik dan juga puntir.
Hasil yang didapat bergantung pada material yang diujikan, diagram tegangan regangan pada gambar 2.1 dapat mengindikasikan sifat–sifat mekanis yang utama dari material tersebut seperti daerah elastis, daerah plastis, titik luluh (yield point), dan tegangan maksimal.
10 Gambar 2.1 Grafik uji tekan (Lueth, 1970)
I. Batas Elastis
Batas elastis yang dimiliki oleh sebuah material adalah nilai terbesar dari tegangan yang dapat diaplikasikan kepada benda kerja tanpa menyebabkan deformasi plastis (perubahan bentuk permanen). Saat material diberikan tegangan di bawah titik batas elastis, benda atau material tersebut akan kembali pada panjang benda semula ketika tegangan dihilangkan. Lain halnya ketika material diberi tegangan diatas titik batas elastis, benda tersebut mulai luluh permanen dan saat tegangan dihilangkan material tersebut tidak akan sepenuhnya kembali ke bentuk atau panjang semula. Sangat sulit untuk menentukan titik batas elastis secara akurat dengan menggunakan mesin uji universal, namun dapat ditentukan dengan metode offset 0,02 seperti yang terlihat pada Gambar 2.2. Metode ini digunakan pada diagram regangan–
tegangan hasil dari pengujian, dalam grafik tersebut terdapat garis lurus yang menunjukkan daerah elastis. Lalu metode offset 0,02 diterapkan sebagai berikut: plot garis lurus pada daerah elastis, kemudian geser garis lurus tersebut pada regangan (sumbu X) sebesar 0,2%, lalu titik perpotongan antara garis lurus
11 tersebut dengan grafik akan disebut sebagai titik luluh atau titik batas elastis atau yield point. Contoh penerapan offset 0,02 ditunjukkan pada gambar 2.2.
Gambar 2.2 Metode offset 0,02 (ASTM E9) II. Proportional Limit
Titik batas proporsional adalah titik pada lengkungan tegangan–regangan dimana garis lurus pada daerah deformasi elastis bertransisi menjadi garis tidak lurus, daerah deformasi plastis. Dengan kata lain, batas proporsional menentukan tegangan puncak yang secara langsung proporsional dengan regangan. Titik transisi ini dapat dihitung dengan perubahan persentase yang spesifik di puncak grafik (0,2%).
Pada batas elastis, ditentukan oleh tegangan maksimum yang dapat diterapkan pada sebuah material tanpa menyebabkan deformasi plastis (permanen). Untuk kebanyakan material, batas elastisnya akan ekuivalen atau mendekati ekuivalen dengan proportional limit. Untuk material lainnya, seperti elastomer, hubungan tegangan dan regangan menjadi non – linear dan
12 material akan tetap di dalam wilayah elastisnya jauh setelah melewati titik batas proporsionalnya. Batas elastis secara esensinya adalah nilai teoritis yang sangat sulit ditentukan menggunakan mesin uji universal.
III. Compressive Strength (Kekuatan Tekan)
Kekuatan tekan adalah tegangan maksimum yang mampu ditopang oleh sebuah material saat pembebanan tekan.
Kekuatan tekan dari sebuah material yang mengalami kegagalan dengan patahan, didefinsikan sebagai properti batas tersendiri.
Jika kekuatan tekan sebuah material yang tidak pecah saat ditekan harus didefinisikan sebagai jumlah beban yang diperlukan untuk membuat material tersebut pecah atau mulai retak. Kekuatan tekan dapat dihitung dengan membagi beban maksimum dengan luas penampang awal dari spesimen yang diujikan. (Mostafa, 2017)
Uji tekan menyediakan data kepada industri untuk menilai integritas dan keamanan dari sebuah material, komponen dan produk selama beberapa fase proses manufaktur. Potensi penggunaan (pengujian) dapat bermacam–macam mulai dari uji kekuatan kaca depan pada mobil sampai ketahanan pilar beton pada kontruksi bangunan. Material yang mempunyai kekuatan tarik yang tinggi, cenderung untuk (tidak selalu) menunjukkan kekuatan tekan yang rendah. Sebaliknya, material yang memiliki kekuatan tekan yang tinggi cenderung untuk menunjukkan gejala kekuatan tarik yang rendah.
Karena itu, pengujian kompresi (uji tekan) biasanya digunakan pada material yang getas seperti beton, logam, plastik, keramik, komposit, dan material yang bergelombang seperti kardus, material ini seringkali digunakan dalam kapasitas beban dimana integritasnya dalam tenaga kompresi adalah kritikal.
Tidak seperti uji tarik yang biasanya dilakukan untuk menentukan nilai–nilai yang berkaitan dengan tegangan (tensile properties) pada
13 material tertentu, pengujian tekan biasanya dilakukan pada produk yang sudah jadi. Benda sehari–hari seperti bola tenis, bola golf, botol air, wadah pelindung, pipa plastik, dan furnitur adalah contoh produk yang perlu dievaluasi berkaitan dengan kekuatan tekannya. Sebagai contoh, jika seorang teknisi ingin mengurangi penggunaan plastik dengan membuat botol yang memiliki dinding yang lebih tipis, namun botol tersebut masih harus cukup kuat untuk dikemas dalam palet dan ditumpuk selama perjalanan. Uji tekan dapat membantu teknisi untuk mencari keseimbangan yang tepat antara kekuatan produk dan penggunaan materialnya.
Kekuatan tekan maksimum pada suatu material adalah nilai dari tegangan tekan yang dicapai saat material mengalami kegagalan secara menyeluruh. Saat material yang getas mencapai nilai kekuatan tekan maksimumnya material tersebut akan hancur dan beban akan melemah secara drastis. Material yang memiliki keuletan yang tinggi (contohnya pada beberapa jenis plastik), tidak akan pecah, tetapi akan terus mengalami deformasi sampai beban tidak lagi diaplikasikan pada spesimen, melainkan diantara dua pelat tekan. Pada kasus ini, kekuatan tekan dapat diketahui dengan perubahan bentuk spesimen yang spesifik sebesar 1% atau 10% dari tinggi spesimen semula.
Banyak standar ASTM dan ISO yang berkaitan dengan pengujian tekan pada berbagai jenis material. Sebagai contoh, industri furnitur, otomotif, dan matras akan mengikuti standar ASTM D3574, yang mengukur gaya defleksi pada indensi busa poliuretan (uji tekan pada material berbahan sel yang diperluas). Pengujian ini mengukur kelembutan awal dari busa dengan mengukur kekuatan saat busa dikompresikan hingga 25% dari ketebalan semula. Pengujian kemudian mengukur seberapa mendukung sebuah busa dengan cara mengukur tekanannya saat dikompresi hingga 65% dari tebal semula.
3. Boron Neutron Capture Therapy (BNCT)
Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) adalah bentuk terapi radiasi yang menggunakan nuklida non-radioaktif, Boron-10 untuk
14 menangkap neutron 12 termal sehingga menghasilkan reaksi nuklir 10B(n,α)7Li. Reaksi ini menghasilkan produk dengan karakteristik transfer energi linear yang tinggi, yakni partikel alfa mendekati 150 keVμm-1 dan inti 7Li mendekati 175 keVμm-1. Panjang lintasan partikel berada pada rentang 4,5 μm hingga 10 μm. Oleh karena itu, reaksi ini menghasilkan energi deposisi yang terbatas untuk diameter sel tunggal (diameter sel 18 ± 2 μm) sehingga peluang mengenai sel sehat di sekitarnya sangat kecil atau nol (Sauerwein & Moss, 2009). Fasilitas BNCT harus cukup dan memadai untuk menghasilkan neutron melalui beamport. Neutron dan gamma dipancarkan dari reaktor dan dimoderasi, difilter, dan atau diatenuasi, hingga mencapai intensitas yang dibutuhkan. Neutron epitermal dengan energi antara 0.5 eV hingga 10 keV digunakan dalam banyak jenis 13 kanker.
4. Reaktor Kartini
Reaktor Kartini merupakan salah satu fasilitas yang dimiliki PSTA- BATAN Yogyakarta yang didesain untuk penelitian, latihan, dan pendidikan. Reaktor Kartini merupakan tipe reaktor kolam yang memiliki daya 100 kWatt. Reaktor kolam adalah reaktor dengan elemen-elemen bahan bakar dan teras berada pada dasar tangki yang berisi air. Kelebihan dari desain reaktor kolam adalah lebih sederhana dan mudah dalam perawatan. Reaktor Kartini menggunakan atom fisil berupa U235 dan neutron yang menyebabkan reaksi pembelahan adalah neutron termal. Reaktor Kartini merupakan salah satu reaktor penelitian jenis Triga Mark II yang diresmikan pada tahun 1979. Teras Reaktor Kartini berbentuk silinder yang terdiri dari plat kisi tempat dudukan elemen bahan bakar, elemen dummy, dan batang kendali. Elemen- elemen tersebut tersusun dalam 6 daerah atau ring yang sepusat. pada masing-masing ring sepusat dengan jarak sama sehingga akan membentuk sebuah silinder. Teras reaktor berbentuk silinder dengan radius 22,88 cm dan tinggi teras 66,2 cm . Teras reaktor dikelilingi oleh reflektor dengan tebal 30,5 cm dengan tingginya 55,9 cm. Batang- batang bahan bakar dimasukkan ke dalam lubang-lubang yang
15 dinamakan ring B, C, D, E, dan F. Sedangkan ring A sebagai kanal sentral tempat fasilitas irradiasi fluks neutron paling tinggi.
(Clinton,2019)
Tangki reaktor Kartini terbuat dari aluminium murni setebal 6mm berbentuk silinder berdiameter 200 cm dan tinggi 600 cm. Tangki reaktor berisi air dengan kemurnian yang sangat tinggi dengan tahanan jenis mencapai 500 K Ω/cm. Air ini berfungsi sebagai moderator tambahan, pendingin, dan perisai radiasi arah vertikal. Bahan bakar reaktor Kartini terdiri dari campuran homogen uranium zirconium hibrida (U Zr H) dalam bentuk paduan, dengan kandungan uranium sebanyak 8,5% dan perkayaan U235 sebesar 20%. Setiap elemen bahan bakar mengandung isotop U235 sekitar 3,7 gram (Widarto, 2002).
Reaktor Kartini memiliki beberapa fasilitas irradiasi (aktivasi neutron), antara lain fasilitas irradiasi Central Timble dengan fluks neutron sebesar orde 1013 n cm-2 s-1, Lazy Susan dengan fluks neutron rerata sebesar 2,5×1011 n cm-2 s-1, dan Pneumatic Transfer System dengan fluks neutron sebesar 3,5×1011 n cm-2 s-1. Selain itu, reaktor Kartini juga memiliki fasilitas irradiasi column thermal, beamport tangensial, beamport tembus radial, dan thermalizing column (Widarto, 2002). Adapun skema Reaktor Kartini seperti gambar 2.3 berikut
Gambar 2.3 Struktur reaktor Kartini (BATAN, 2019)
16 5. Kolimator
Kolimator adalah alat untuk mengubah cahaya yang menyimpang atau radiasi lain dari sumber titik menjadi sinar paralel. Kolimasi cahaya ini diperlukan untuk melakukan pengukuran khusus dalam spektroskopi dan optik geometris dan fisik. Tanpa kolimator, sinar dari segala arah akan direkam; misalnya, sinar yang telah melewati bagian atas spesimen tetapi kebetulan bergerak ke arah bawah dapat direkam di bagian bawah pelat. Gambar yang dihasilkan akan sangat kabur dan tidak jelas sehingga tidak berguna. BNCT membutuhkan sinar neutron dengan energi dan intensistas energi yang cocok dan sinar gamma yang rendah.
Untuk mendapatkan sinar tersebut, diperlukan suatu perangkat Beam Shaping Assembly (BSA) dan kolimator adalah salah satu bagian dari BSA. Desain kolimator yang sesuai untuk aplikasi BNCT adalah tabung dengan diameter bagian dalam 3 cm, 5 cm, dan 7 cm dengan diameter luar 17 cm dengan panjang total 7,5 cm dalam enam buah silinder yang memiliki kemurnian timbal diatas 80%. BSA didesain dengan tujuan untuk memoderasi neutron berenergi tinggi menjadi berenergi rendah dan mengeliminasi neutron cepat, neutron thermal, dan kontaminasi gamma sesuai dengan rekomendasi dari IAEA (Fanditis & Nicolau, 2017).
6. Tanah Liat
Untuk digunakan sebagai material bangunan, pada seni tembikar, pengobatan tradisional untuk penyakit pencernaan, dan kegunaan lainnya pada industri–industri masa kini. Tanah liat memiliki struktur seperti lembaran dan terdiri dari silikat yang tersusun seperti tetrahedral dan kelompok aluminat yang tersusun seperti octahedral. Partikel tanah yang memiliki diameter butir kurang dari 0,005 milimeter. Tanah liat terbentuk sebagai hasil dari pelapukan dan erosi batuan yang memiliki kelompok mineral (dikenal sebagai induk dari tanah liat) selama rentang waktu yang lama. Material tanah liat ini mengandung materi quartz (SiO2), besi oksida (Al2O3) dan materi organik lainnya.
17 2.3 Kajian Pustaka
Dalam penelitian yang dilakukan oleh Isabel Duarte, dkk yang meneliti tentang variasi dari properti fisik dari blok busa Alumunium dalam uji tekan statis dan dinamis. Spesimen dibedakan menjadi 2 yaitu spesimen besar (200 x 80 x 50mm2) dan spesimen kecil (20 x 20 x 20mm2). Uji tekan dilakukan dalam dua orientasi (pararel dan tegak lurus) sesuai dengan arah gerak busa saat ditekan. Penelitian ini berfokus pada efek dari properti fisik seperti massa jenis dan besarnya pori-pori busa Alumunium yang mempengaruhi kekuatan tekannya.
Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa penekanan akan menghasilkan kecacatan dalam struktur busa (sturktur internal) walaupun regangan masih dalam wilayah elastis. Nilai kekuatan tekan sangat dipengaruhi oleh tingkat regangan dan massa jenis.
Penelitian yang dilakukan oleh Luigi Viespoli, dkk membahas tentang karakteristik tegangan tarik paduan timbal (Sb-Pb), dilihat dari deformasi creep dan sensitifitas tingkat regangan. Spesimen dicetak menggunakan teknik ekstrusi dengan berbagai ketebalan dan diujikan dalam tingkat regangan yang berbeda. Kesulitan terjadi dikarenakan tingginya sifat plastis yang dimiliki oleh paduan timbal, sehingga perlu memperhatikan rentang regangan pada permukaan spesimen. Paduan timbal juga memiki tingkat deformasi yang konstan, ditandai dengan adanya creep dengan intesitas yang rendah Hasil dari pengujian tarik ini adalah untuk menentukan kalibrasi yang tepat untuk pengujian dengan berbagai spesifikasi seperti saat menguji dengan tingkat regangan yang tinggi.
Penelitian yang dilakukan oleh Lei Wang, Chengli Yao, dkk membahasa tentang nilai dari kekuatan tekan dan struktur mikro dari paduan eutektik NiAl-Cr (Mo) and NiAl-Cr dengan variasi tambahan kandungan Fe. Pada struktur mikro didapati sedikit perubahan pada jarak antar sel pada 5%-10% penambahan Fe. Perubahan yang signifikan akan terlihat pada penambahan Fe sebesar 15%-20% yang merubah struktur dari yang eutektik seluruhnya menjadi dendrit Cr
18 (Mo) + struktur hipereutektik. Pada nilai kekuatan tekannya, penambahan Fe sebesar 5% diketahui meningkatkan kekuatan tekan serta elastisitas. Sedangkan pada penambahan Fe yang semakin besar maka nilai kekuatan tekan dan elastisitasnya akan semakin berkurang.
19 BAB III
METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan mulai dari November 2019 sampai dengan Mei 2020 di Laboratorium Ilmu Logam Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Hasil Dari penelitian ini akan dimanfaatkan oleh Pusat Sains dan Teknologi Akselerator Badan Tenaga Nuklir Nasional (PSTA BATAN) Yogyakarta berupa nilai dari kekuatan tekan dari timbal saat beban tekan diaplikasikan secara radial oleh beton pelindung Reaktor Kartini pada penggunaan timbal sebagai kolimator.
3.2 Alat dan Bahan Penelitian
Berikut alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah:
1. Alat Uji Tekan pada gambar 3.1, digunakan untuk memberikan beban tekan pada spesimen. Alat uji tekan ini merupakan konversi dari mesin uji tarik dengan model JTM-UTC220.
Gambar 3.1 Alat uji tekan
20 2. Spesimen timbal pada gambar 3.2, digunakan sebagai representasi penggunaan material yang sesungguhnya. Gambar 3.3. adalah salah satu bentuk material yang sudah dicor ulang pada cetakan tanah liat.
Gambar 3.2 Material Timbal
Gambar 3.3 Material timbal hasil re-cast
3. Oven pada gambar 3.4, untuk memanaskan cetakan yang kosong juga saat telah berisikan timbal cair.
Gambar 3.4 Oven (furnace)
21 4. Tungku pembakaran pada gambar 3.5, untuk melelehkan logam
timbal sebelum pencetakan
Gambar 3.5 Tungku pembakaran
5. Cetakan dari tanah liat pada gambar 3.6, untuk mencetak spesimen menjadi sesuai dengan standar ASTM E9.
Gambar 3.6 Cetakan tanah liat
22 6. Plat besi dalam gambar 3.7 dengan ukuran 10cm x 10 cm x 0,8cm sebanyak 2 buah untuk dijadikan sebagai permukaan tekan pada pengujian.
Gambar 3.7 Plat besi
7. Mesin bubut pada gambar 3,8 digunakan untuk menghilangkan kecacatan dari proses pengecoran pada spesimen.
Gambar 3.8 Mesin bubut
23 8. Magnet Neodymium dalam gambar 3.9 digunakan untuk
memasang plat besi pada mesin uji tekan.
Gambar 3.9 Magnet neodymium 3.3 Pelaksanaan Penelitian
Dalam melakukan Pengujian Tutup Kolimator Berbasis Timbal Dengan Metode Uji Tekan, tahapan penelitian yang dilakukan adalah sebagai berikut:
1. Studi literatur.
2. Persiapan spesimen timbal.
3. Pengujian spesimen timbal pada alat uji tekan.
4. Analisis data.
5. penulisan laporan.
Alur pelaksanaan penelitian, secara detail tersaji pada gambar 3.10
24 Gambar 3.10 Diagram pelaksanaan penelitian
Mulai
Studi Literatur
Persiapan Spesimen Timbal
Pengujian spesimen pada alat uji tekan
Analisis Data
Penulisan Laporan
Selesai
• Persiapan awal
• Persiapan cetakan
• Proses Pengecoran
• Penuangan timbal cair dalam cetakan
• Heat Treatment pada spesimen
Jika data tidak valid
25 1. Studi Literatur
Studi literatur dilakukan untuk mendapatkan landasan teori dan mendalami tentang sifat dari timbal dan kekuatan tekan suatu material. Pada tahap ini dikumpulkan informasi mengenai parameter–parameter yang diukur selama pengujian tekan, karakteristik dari material timbal seperti sifat fisis, sifat kimiawi dan sifat mekanisnya. Selain itu, pencarian sumber–sumber kajian dan penelitian tentang uji tekan dan standarnya yang perlu dipelajari sebagai bahan acuan untuk melakukan penelitian kali ini.
2. Persiapan Spesimen
a. Persiapan Awal Spesimen
Pada pengujian uji tekan pada material timbal ini, dimensi awalnya berupa tabung dengan lubang ditengahnya. Pada gambar 3.11 yang disajikan di bawah, tidak terlihat akan adanya kerusakan dikarenakan sulit untuk menggambarkan kerusakan secara nyata. Berikut adalah gambar secara 2 dimensi pada aplikasi SolidWorks.
Gambar 3.11 Permodelan dengan SolidWorks dari timbal
Pada spesimen yang sebenarnya, terdapat berbagai kerusakan yang dapat mempengaruhi bentuk dan nantinya data
26 yang ada. Pada prosesnya, material ini akan dicor ulang dan akan dibentuk dalam beberapa spesimen yang lebih kecil dan tentunya sesuai dengan standar ASTM.
b. Persiapan Cetakan
Pada praktiknya, spesimen yang diperoleh oleh peneliti dari BATAN merupakan spesimen yang tidak berbentuk, sehingga harus di cetak ulang (Casting) untuk membuat bentuk baru dari spesimen yang sesuai dengan standar ASTM yang berlaku. Dalam hal itu, diperlukan cetakan seperti pada gambar 3.12 untuk membentuk timbal yang sudah dicairkan untuk dibentuk sesuai yang dianjurkan oleh ASTM.
Gambar 3.12 Cetakan yang digunakan dalam proses pengecoran Spesimen uji nantinya akan dibentuk menyesuaikan dari spesimen awal. Berdasarkan dari ASTM E9 (Tabel 3.1) ada perbandingan antara tinggi silinder dengan diameternya. Dalam pengujian ini, penguji akan mengambil data dari silinder pendek (short) yang memiliki rasio L/D sebesar 2,0.
Cetakan yang didapatkan dari pengerajin tidak matang sepenuhnya sehingga harus dipersiapkan terlebih dahulu.
27 Persiapan berupa pemanasan kembali cetakan dalam oven, dipanaskan hingga suhu 900oC dan didinginkan secara perlahan.
Cetakan terlebih dahulu dipanaskan kembali sebelum dituangkan timbal cair untuk menghilangkan sisa–sisa air yang digunakan selama pencetakan.
Dalam persiapannya, cetakan yang sudah dipanaskan kemudian kembali dipanaskan saat sudah berisi timbal yang nanti akan dijadikan spesimen. Pemanasan kembali dimaksudkan agar menghindari porositas yang terjadi pada timbal saat berada dalam cetakan tanah liat.
Tabel 3.1 Tabel Standarisasi pengujian tekan spesimen logam (ASTM E9)
28 Gambar 3.13 Bentuk 2D dari spesimen timbal
Bentuk spesimen pada gamabr 3.13 yang sesuai standar ASTM E9 adalah silindris dengan diameter berkisar antara 13mm dan tinggi 25mm. dan berjumlah sebanyak sepuluh sampel.
c. Proses Pengecoran
Proses pengecoran dilakukan menggunakan furnace di Laboratorium Logam Universitas Sanata Dharma yang kemampuan nya maksimal hingga 1000oC pada prakteknya.
Pemanasan pada timbal dilakukan hingga timbal berubah fase menjadi cair dengan suhu berkisar antara 320oC-330oC. Waktu yang diperlukan untuk mengubah fase timbal adalah 10–15 menit waktu pemanasan.
d. Penuangan timbal cair pada cetakan tanah liat
Penuangan dilakukan dengan pengawasan laboran untuk menghindari kesalahan yang mungkin terjadi, seperti tumpahnya cairan timbal yang memiliki kemungkinan untuk menghasilkan ledakan saat bersentuhan dengan lantai laboratorium.
e. Perlakuan panas pada spesimen dalam cetakan
Perlu adanya perlakuan panas kembali pada cetakan yang sudah terisi oleh timbal yang sudah mengering untuk memperhalus permukaan timbal hasil coran. Pemanasan kembali dilakukan dengan cara memasukkan cetakan beserta isinya ke dalam oven, dan dipanaskan kembali hingga suhu 550oC saat
29 timbalnya mencair, kemudian diamkan selama 5 menit dan dinginkan dengan perlahan dalam oven.
3. Pengujian spesimen timbal pada alat uji tekan
Spesimen mengalami beban tekan yang meningkat. Kedua dari beban dan regangan dapat dipantau secara kontinu ataupun terbatas pada beberapa data, dan sifat mekanis dalam beban tekan dapat langsung ditentukan.
Pada pengujiannya, mesin yang digunakan adalah mesin uji tarik di laboratorium Logam Universitas Sanata Dharma.
Beberapa modifikasi diperlukan untuk melakukan uji tekan, modifikasi tersebut berupa penambahan plat besi setebal 0.8mm untuk dijadikan sebagai landasan pembebanan pada spesimen.
Setelan untuk pembebanan pada mesin uji tekan adalah sebesar 5mm/menit dikarenakan sifat timbal yang mudah dibentuk dan sensitif terhadap laju regangan, juga timbal memiliki kekuatan tekan yang cenderung rendah yang lebih mirip kepada high–strength plastic daripada kebanyakan logam.
Spesimen mengalami beban tekan axial yang meningkat terus menerus; baik beban dan regangan akan tercatat secara berkelanjutan atau pada kenaikan tak terbatas dan sifat mekanik dalam penekanan akan ditentukan. Sifat mekanik dalam uji tekan berguna dalam analisis struktur yang melibatkan tekanan atau beban puntir atau keduanya dan dalam analisis dari pengerjaan logam dan proses fabrikasi yang memerlukan deformasi tekan yang besar seperti penempaan dan penggulungan. Untuk logam rapuh atau getas yang mengalami retak tegang saat tekanan dibawah kekuatan luluh, uji kompresi menawarkan kemungkinan perluasan dari rentang regangan dari data tegangan-regangan. Saat uji tekan tidak menjadi rumit oleh necking seperti pada uji tarik pada material metalik, insiden buckling dan barreling dapat mempersulit pengujian dan harus segera diminimalisir. Untuk material getas yang mengalami
30 kegagalan dengan menunjukan kehancuran atau retakan, kekuatan tekan puncak ditentukan dari tegangan maksimum pada saat atau sebelum terjadinya kegagalan, juga ditentukan dengan membagi beban maksimum dengan luas penampang.
Untuk material ulet, kekuatan tekan dapat ditentukan dari diagram tegangan-regangan pada regangan total yang sudah ditentukan. (ASTM E9)
4. Analisis Data
Menentukan sifat–sifat material dari ukuran spesimen dan diagram regangan–tegangan yang menunjukkan modulus elastisitas, yield strength, dan kekuatan tekan. Untuk mesin penguji yang mencatat perubahan beban selama pengujian sebagai ganti dari tegangan, konversikan diagram beban dengan regangan menjadi tegangan dengan membagi beban dengan luas penampang awal dari spesimen tersebut. Anilisis data akan menggunakan aplikasi OriginLab dan Microsoft Excel serta dibantu dengan pengukuran data manual dari grafik yang sudah didapatkan.
31 BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Pengujian di Laboratorium
Pengujian tekan timbal ini dilakukan dalam tiga tahapan, yaitu persiapan cetakan, persiapan spesimen dan pengujian tekan. Persiapan ini dilakukan agar hasil yang nantinya didapatkan berupa hasil yang dapat dipertanggungjawabkan secara ilmiah dan sesuai dengan standar pengujian yang sudah diterapkan dalam ASTM. Untuk mendapatkan data yang valid, dibutuhkan data dari sepuluh spesimen yang nantinya perlu melewati beberapa tahapan sebelum dilakukan pengujian tekan.
Tahap pertama adalah persiapan cetakan untuk molding. Cetakan dipesan dan dibuat menggunakan tanah liat yang sudah melewati tahapan pembakaran awal saat keluar dari proses produksi tembikar dengan kondisi seperti pada gambar 4.1. Percobaan dilakukan dengan melakukan penuangan timbal cair langsung pada cetakan. Pada saat penuangan ditemukan adanya air yang tersisa pada cetakan, yang kemudian mengakibatkan kebocoran pada cetakan. Kebocoran terjadi akibat adanya porositas yang terdapat pada cetakan tanah liat dan pori–pori tersebut terisi partikel–partikel air, sehingga saat timbal cair dituangkan muncul efek seperti mendidih pada cairan timbal yang diakibatkan oleh proses perubahan fase partikel air menjadi partikel gas. Perubahan fase ini disebabkan oleh tingginya suhu tuang timbal yang mencapai 370oC yang dapat menguapkan air. Porositas ini diperbaiki dengan cara memanaskan kembali tanah liat kedalam oven hingga suhu 900oC untuk menghilangkan partikel–partikel air yang terdapat pada cetakan. Setelah oven mencapai suhu 900oC, suhu ditahan selama sekitar lima menit dan kemudian dilakukan pendinginan.
Pendinginan pada cetakan dilakukan secara perlahan dengan mematikan oven dan membiarkan oven dingin dengan sendirinya bersamaan dengan cetakannya. Pendinginan secara perlahan dilakukan dengan tujuan untuk tidak merusak cetakan, karena ketika cetakan dalam keadaan panas (berubah warna menjadi merah menyala) ketika dikenai udara luar, maka cetakan tersebut akan mulai retak dan tidak dapat digunakan kembali.
32 Gambar 4.1 Cetakan tanah liat sebelum penuangan timbal Proses penuangan dilakukan setelah cetakan berada pada suhu sekitar 250oC, dan pada suhu terebut saat cetakan dikeluarkan dari oven dalam keadaan warna yang berubah menjadi agak terang dan tidak retak saat berada di luar oven. Timbal dituang pada suhu 370oC dan kemudian ditunggu hingga timbal mengeras seperti yang terlihat pada gambar 4.2.
Saat timbal sudah mengeras, cetakan yang sudah berisikan timbal kemudian dipanaskan kembali dalam oven hingga pada suhu 550oC dan ditahan pada suhu tersebut selama 10 menit. Dalam waktu tersebut, dilakukan pengecekan dengan membuka oven untuk melihat indikasi kebocoran yang mungkin terjadi selama proses pemanasan kembali ini. Pendinginan dilakukan dengan mematikan oven dan didinginkan hingga suhu ruangan, pendinginan yang lama bertujuan untuk menyamakan tingkat penurunan suhu antara timbal dengan cetakannya.
Gambar 4.2 Penampakan cetakan setelah proses pengecoran
33 Proses berlanjut ke proses machining yaitu proses pembubutan. Proses bubut yang dilakukan adalah proses facing yaitu proses perataan permukaan pada bagian atas silinder. Proses ini dilakukan untuk menghilangkan cacat–
cacat permukaan yang didapatkan selama pengecoran, seperti porositas dan sisa penuangan pada permukaan atas spesimen. Pembubutan dilakukan pada kecepatan 450 rpm dan dilakukan pemakanan sekitar 0,5mm per sekali makan. Pemakanan yang cenderung sedikit tersebut diperuntukan untuk timbal yang memiliki sifat ulet, pada proses pembubutan sendiri berbagai kesalahan terjadi dikarenakan pemakanan yang terlalu dalam dan membuat spesimen menjadi penyok akibat dari tekanan ragum dan pisau pahat.
Penampakan bentuk spesimen setelah dibubut, dapat dilihat pada gambar 4.3
Gambar 4.3 Spesimen yang siap di uji tekan.
34 Pengambilan data menggunakan mesin uji Tarik yang terdapat di laboratorium Ilmu Logam Universitas Sanata Dharma Yogyakarta dengan bantuan aplikasi Tension PC untuk memantau mesin secara digital.
Pengujian tekan dilakukan pada 10 spesimen dengan kecepatan tekan 5mm/menit dan beban maksimal 1350 kgf. Pengujian dilakukan dengan meletakkan spesimen diantara dua plat besi pada mesin, dan pastikan benda terletak tepat ditengah–tengah bidang plat. Skema teknis pengujian di laboratorium dapat dilihat pada gambar 4.4
Gambar 4.4 Skema pengujian tekan 4.2 Hasil Pengujian
Pada pengujian yang lakukan di laboratorium, Sepuluh spesimen diujikan pada mesin uji tekan hingga spesimen mengalami deformasi.
Spesimen diletakkan segaris lurus dengan arah pembebanan dalam suhu ruangan, sehingga spesimen timbal mengalami beban axial. Pengujian dilakukan dengan mengatur kecepatan pembebanan sebesar 5 mm/min (milimeter per menit), adalah standar kecepatan pengujian untuk logam
35 yang memiliki tingkat sensivitas yang tinggi terhadap laju regangan. Mesin uji juga di atur dengan pembebanan maksimum 1350 kgf. Dalam pengujian tidak memperhitungkan kenaikan suhu pada spesimen selama pembebanan berlangsung, dan hanya memperhatikan deformasi yang terjadi serta kekuatan tekan pada spesimen.
Tabel 4.1 Data Pengujian
SPESIMEN
Beban Tekan maks
Gaya Tekan
Maks
Luas Permukaan
(mm2)
Kekuatan Tekan Maksimal (MPa)
Engineering Strain (-)
Kgf N
A 482.4 4730.4 176.6 24.8 0.6
B 340.4 3338.1 176.6 18.9 0.7
C 218.8 2146.0 132.7 16.2 0.8
D 313.7 3076.2 176.6 17.4 0.8
E 325.0 3187.1 176.6 18.0 0.1
F 256.7 2517.0 132.7 18.9 0.8
G 330.7 3242.7 176.6 18.4 0.7
H 410.7 4027.7 176.6 22.8 0.7
I 377.2 3699.2 132.7 27.9 0.7
J 340.0 3334.4 176.6 18.9 0.7
Rata - rata 339.6 3329.9 163.4 20.2 0.6
Pada Tabel 4.1 dapat kita lihat bahwa dari ke sepuluh spesimen ini diketahui bahwa beban maksimum yang dapat ditahan oleh timbal rata–rata sebesar 339,6 kgf (3329,9 N), sedangkan didapatkan juga kekuatan tekan maksimum nya sebesar 20,2 MPa (memiliki margin of error sebesar 5%
atau sebesar 1 MPa). Pada pengujian di laboratorium, data puncak diperoleh dan dicatat saat grafik mulai menunjukkan kenaikan drastis dalam pembebanan akibat dari deformasi spesimen. Spesimen diketahui bersifat ulet sehingga pada beban maksimum, luas permukaan dari spesimen bertambah sehingga membutuhkan beban yang lebih untuk menekan spesimen hingga pembebanan masksimal yang sudah diatur. Titik dimana terjadi deformasi akan ditandai dengan kenaikan beban yang drastis akibat dari perubahan luas permukaan, dan di titik inilah akan ditentukan sebagai
36 kekuatan tekan saat spesimen masih dalam bentuk yang semula. Deformasi yang terjadi pada spesimen setelah beban tekan dilepaskan dapat dilihat pada gambar 4.5
Gambar 4.5 Pengujian tekan pada timbal spesimen E
Pengujian dilakukan dengan suhu ruangan, dan spesimen mengalami perlakuan panas yang sama, yakni dengan pemanasan ulang bersamaan dengan cetakan tanah liat dengan suhu 550oC. Selama pengujian didapatkan data berupa grafik yang dapat dilihat pada lampiran. Berikut akan dijelaskan pembacaan pada grafik spesimen F. Dalam grafik, sumbu X menyatakan perubahan panjang dalam X E-2mm, sedangkan pada sumbu Y menyatakan beban yang diaplikasikan pada spesimen sebesar Y E-2 kgf.
Gambar 4.6 Grafik uji tekan Pb spesimen F
37 Dalam grafik terdapat dua garis tambahan di sisi kiri dan kanan grafik, dapat dilihat garis yang berada disisi kanan memiliki kemiringan dan berwarna merah, sedangkan garis yang di sebelah kiri sejajar dengan sumbu X dan berwarna biru. Garis yang berada di sebelah kanan mempresentasikan daerah yang linear dalam garis grafik F, kemudian garis sebelah kiri berfungsi sebagai garis bantu yang menghubungkan grafik F dengan sumbu Y. Dapat dilihat dari grafik bahwa spesimen F memiliki daerah linear dan juga daerah non-linear dimana beban meningkat secara signifikan. Garis linear dibuat untuk membantu menentukan titik deformasi pada spesimen, yang ditandai dengan garis grafik F yang menjadi tidak segaris dengan garis linear. Di titik tersebut, garis linear dan garis grafik sudah tidak bersinggungan dan akan terpisah semakin jauh akibat dari meningkatnya beban akibat dari deformasi spesimen. Dalam contoh grafik F, garis bantu menunjukkan bahwa beban maksimum terdapat pada kisaran angka 250-260 kgf seperti yang dapat dilihat pada Gambar 4.6 diatas, sedangkan pembacaan lebih detail melalui software OriginLab menunjukkan angka 255,66 kgf.
Tabel 4.2 Data Perubahan Panjang dan Diameter pada Spesimen
Spesimen
Sebelum Pengujian Setelah Pengujian Tinggi
(mm)
Diameter (mm)
Tinggi (mm)
Diameter (mm)
A 28 15 9 25.5
B 27 15 8 28
C 28 13 7 25
D 30 15 6.5 32
E 27 15 8 26
F 30 13 6 28
G 28 15 9 29
H 29 15 9 28.5
I 29 13 8 29
J 30 15 9 29
Rata - Rata 28.6 14.4 7.95 28
38 Tabel 4.2 menunjukkan bukti dari deformasi yang terjadi pada sepuluh spesimen yang diuji tekan. Perubahan terjadi pada bentuk, diameter dan juga pada tinggi spesimen, dalam Gambar 4.7 bisa dilihat deformasi yang terjadi akibat dari beban tekan yang sudah melewati batas proporsional dan beban tetap diaplikasikan hingga batas maksimum beban dicapai. Timbal memiliki sifat ulet yang akan menyebabkan spesimen mengalami deformasi terus menerus, dan tidak menunjukkan adanya retak ataupun tanda-tanda kegagalan lainnya.
Gambar 4.7 Spesimen timbal I dan G setelah pengujian
Dalam literatur yang peroleh, menurut data timbal dengan tingkat kemurnian sekitar 98%, timbal dapat menahan beban tekan hinggal 12 MPa atau 122,4 kg/cm2 (Casas, 2006). Dalam perbandingannya dengan logam lain seperti Alumunium, timbal memiliki kekuatan tekan yang lima sampai enam kali lebih rendah. Data yang berhasil didapatkan dari jurnal Patrick Shower adalah sebagai berikut
39 Gambar 4.8 Grafik uji tekan alumunium (Patrick, 2017)
Pada Gambar 4.8, didapatkan hasil bahwa dalam berbagai macam suhu, Alumunium memiliki hasil uji yang berbeda. Uji tekan pada timbal dilakukan dalam suhu ruangan yakni 25oC, sehingga dapat dibandingkan dengan data Alumunium pada suhu 25oC. Didapatkan data bahwa aluminuim mengalami deformasi elastis yang cukup cepat, jika dilihat dari bentuk grafiknya.
Gambar 4.9 Grafik uji tekan paduan Alumunium 319 pada suhu 25oC (Patrick, 2017)
Dalam gambar 4.9 tersebut dapat diketahui bahwa beban maksimal yang dapat ditahan oleh silinder alumunium 319 adalah sebesar 590 MPa.
Jika dibandingkan dengan data yang ada pada timbal, yang memiliki rata–
rata kekuatan tekan di angka 20 MPa, maka hasil tersebut memiliki
40 ketidaksesuaian dengan literasi yang menyatakan bahwa kekuatan tekan pada timbal berkisar lima kali lebih rendah dibandingkan dengan kekuatan tekan dari Alumunium. Pada Alumunium paduan 319, Setelah kompresi suhu kamar, batas misorientasi (misoriented line) yang sangat rendah diamati karena kepadatan yang tinggi dari dislokasi yang tidak selaras.
Dislokasi ini berakibat pada mulai retaknya sisi dari silinder alumunium yang berawal dari sisi atas silinder akibat kepadatan yang cenderung tidak merata akibat deformasi yang dialami oleh beban tekan. Sedangkan pada timbal yang digunakan pada penelitian ini, memiliki tingkat kemurnian yang lebih rendah, sehingga dapat diasumsikan bahwa paduan yang ditambahkan pada timbal berfungsi untuk meningkatkan kekuatan tekan pada timbal.
Deformasi yang terjadi terus-menerus pada spesimen akibat beban tekan cenderung disebabkan oleh beban tekan yang rendah. Kemudian tingkat kekuatan tekan yang mampu ditahan oleh timbal akan meningat seiring dengan tingkat deformasi yang dialami oleh timbal
Timbal mulai digunakan pada rancangan tutup kolimator saat ini untuk menggantikan material nikel yang digunakan sebelumnya. Berikut didapatkan perbandingan antara uji tekan timbal dengan uji tekan pada paduan nikel aluminium yang diteliti oleh Lei Wang, Chengli Yao, Jun Shen, dkk.
41 Gambar 4.10 Grafik Uji tekan Paduan NiAl-Cr (Mo)-xFe
Gambar 4.11 Grafik Uji tekan Paduan NiAl-Cr-xFe
42 Diketahui bahwa paduan logam nikel-Alumunium merupakan paduan super (supper alloy) yang mempunyai titik lebur yang tinggi, massa jenis yang rendah, tahan terhadap oksidasi serta memiliki konduktivitas thermal yang baik, namun memiliki nilai elastisitas dan kekuatan retak yang rendah pada suhu ruangan yang membuatnya dibatasi dalam pemakaian secara umum. Dalam pengujian ini, pengujian tekan dilakukan pada suhu ruangan, dengan variasi penambahan Fe. Pada praktiknya, paduan ini ditambahkan paduan makro seperti Crom dan Molybdenum untuk meningkatkan kekuatan serta tingkat elastisitas. Ditemukan dalam Gambar 4.10 bahwa paduan yang ditambahkan dengan kedua paduan makro tersebut memiliki kekuatan tekan hingga 2229 ± 43 MPa pada penambahan 5% Fe, juga didapatkan bahwa penambahan Fe justru mengurangi nilai kekuatan tekan dari paduan. Gambar 4.11 menunjukan bahwa molybdenum adalah sumber dari kekuatan tekan yang besar pada paduan niikel-aluminium ini, nilai kekuatan tekan terbaik pada paduan NiAl-Cr adalah sebesar 1333 ± 52 MPa dengan tanpa adanya penambahan Fe, didapati pula bahwa peningkatan Fe akan semakin mengurangi nilai kekuatan tekan pada paduan Ni-Al tersebut.
Sehingga dapat disimpulkan bahwa molybdenum berperan penting untuk meningkatkan nilai kekuatan tekan pada paduan nikel-aluminium.
43 BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil dari pengujian tekan pada spesimen, dapat disimpulkan bahwa:
1. Material timbal memiliki kekuatan tekan yang cukup untuk menahan beban yang dihasilkan oleh lapisan pelindung beton yang menimpa kolimator. Beban berlebih nantinya hanya akan membuat bentuk tutup kolimator mengalami deformasi, yang juga meningkatkan nilai kekuatan tekan pada timbal. Sifat ulet yang dimiliki oleh timbal juga membuat tutup kolimator akan bertahan lebih lama, akibat dari deformasi yang meningkatkan nilai kekuatan tekan serta tidak adanya retakan yang muncul akibat dari beban tekan, berbeda dari material dengan sifat getas yang akan langsung menunjukkan retak dan akan membuat nilai kekuatan tekan material tersebut berkurang.
2. Dari hasil pengamatan bahwa spesimen timbal dengan diameter 13mm dengan tinggi 25mm dapat menanggung gaya tekan sebesar 3330 N (beban tekan sebesar 359,6 kgf) dan memiliki kekuatan tekan rata-rata sebesar 20.2 MPa.
5.2 Saran
Selama praktiknya, terdapat berbagai kesalahan yang dilakukan oleh peneliti selama proses penelitian ini. Terdapat beberapa saran yang bisa berguna untuk penelitian selanjutnya, yaitu
a. Lebih berhati-hati pada proses pembubutan spesimen. Dikarenakan sifat timbal yang mudah ditempa, sehingga timbal akan terdeformasi hanya dari tekanan pada ragum.
b. Pada saat menuangkan timbal cair, pastikan bahwa cetakan tanah liat yang digunakan sudah kering untuk menghindari efek porositas saat penuangan. Sangat disarankan cetakan menggunakan bahan logam.
44 c. Saat pengujian, pastikan sudah menentukan batas maksimal pembebanan, untuk menghindari kerusakan pada mesin uji tekan akibat dari pembebanan yang diluar kapasitas.
d. Pengujian tekan ini hanya dilakukan pada suhu ruangan, sehingga masih terdapat banyak kemungkinan untuk melakukan uji tekan timbal pada suhu tinggi (T > 25oC).
e. Terdapat variasi lain dari standar pengujian tekan bada logam selain standar short yang digunakan pada penelitian kali ini seperti medium atau long.
45 DAFTAR PUSTAKA
Casas, Jose (Ed.). 2006. Lead Chemistry, Analytical Aspects, Environmental Impact and Health Effects. Chapter 1. Elsevier Science.
Dong, Zhichao, et al. (2019). Experimental and numerical studies on the compressive mechanical properties of the metallic auxetic reentrant honeycomb. Didapatkan dari ScienceDirect.
Duarte, Isabel, et al. (2014). Variation of quasi-static and dynamic compressive properties in a single aluminium foam block. Material Science & Engineering A Hal 171-182. Didapatkan dari ScienceDirect.
Guan, Xingcai, et al. (2016) Experimental study on the performance of an epithermal neutron flux monitor for BNCT. Applied Radiation and Isotopes Hal 28-32. Didapatkan dari ScienceDirect.
Kato, Takahiro, et al. (2020). Design and construction of an accelerator- based boron neutron capture therapy (AB-BNCT) facility with multiple treatment rooms at the Southern Tohoku BNCT Research Center.
Applied Radiation and Isotopes 156. Didapatkan dari ScienceDirect Kaur, Manjot, et al. (2019). Boron Nitride (10BN) a prospective material for
treatment of cancer by Boron Neutron Capture Therapy (BNCT).
Material Letters. Elsevier.
Kim, Hyunmin, et al. (2015) Interpretation of cryogenic temperature Charpy fracture initiation and propagation energies by microstructural evolution occurring during dynamic compressive test of austenitic Fe- (0.4,1.0)C-18Mn steels. Material Science & Engineering A Hal 340- 347. Didapatkan dari ScienceDirect.
Krimsky, Erez, et al. (2019). Quantification of damage and its effects on the compressive strength of an advanced ceramic. Engineering Fracture Mechanics Hal 107-118. Didapatkan dari ScienceDirect.
Kusumawardaningsih, Yuliarti, et al. (2015). UHPC compressive strength test specimens: Cylinder or cube. Art. 125 Hal 1076-1080. Didapatkan dari Procedia Engineering.
