METODA UJI SMALL PUNCH UNTUK STUDI AWAL SIFAT
MEKANIK DAN PATAHAN MATERIAL
Sri Nitiswati
Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nukli r- BATAN
ABSTRAK
METODA UJI SMALL PUNCH UNTUK STUDI AWAL SIFAT MEKANIK DAN PATAHAN MATERIAL. Metoda uji dengan benda uji mini telah dikenal sejak puluhan tahun yang lalu dan terus dikembangkan untuk berbagai aplikasi pengujian, khususnya di industri nuklir. 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 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 paduan feritik pada berbagai temperatur dari +1500C sampai dengan -1900C. 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 -500C
adalah: kuat luluhnya 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 serta temperatur transisi ulet ke rapuh adalah -1670C.
Kata kunci : small punch, sifat mekanik.
ABSTRACT
SMALL PUNCH TEST METHOD FOR PRELIMINARY STUDY ON MECHANICAL PROPERTY AND MATERIAL 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 used is small punch test of ferritic alloy on several temperature from +1500C to -1900C. Result of research reveals
that small punch test method can be used for preliminary study of the mechanical property and its fracture mode such as ductile or brittle. One of the testing result on -500C are: yield strength is 188.12 MPa, tensile
strength is 279.77 MPa, small punch energy is 1.76 J, specific fracture energy is 3.45 J/mm, the fracture mode is ductile and ductile-to-brittle transition temperature is -1670C
Keywords : small punch, mechanical property.
PENDAHULUAN
alah satu tujuan pengujian dengan benda uji mini adalah agar mampu 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 [1]. 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
S
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 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 .
TEORI
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 1μ sampai dengan 0,25μ [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. Defleksi (mm) yang terbentuk ketika pengujian berlangsung dan juga ditandai dengan terjadinya penurunan beban dengan tiba-tiba.
Skema mesin uji small punch ditunjukkan pada Gambar 1 dan skema jig uji small punch ditunjukkan pada Gambar 2. Contoh kurva normal beban (kN) vs. defleksi (mm) ditunjukkan pada Gambar 3.
Dari Gambar 3 dapat dijelaskan bahwa kurva normal hasil uji dengan metoda small punch
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 1) dan 2) [5]. Pada tahap plastic bending kontak antara benda uji dengan bola baja dikontrol oleh deformasi
bending dan pada tahap plastic membrane stretching dikontrol oleh terjadinya pengurangan
ketebalan benda uji [6]. Dari tahap 1 sampai dengan tahap 3 beban terus meningkat sampai beban maksimum dicapai pada tahap plastic
membrane stretching dan pada akhirnya memasuki
tahap plastic instability dimana pada tahap ini terjadi penurunan beban dengan tiba-tiba yang akhirnya benda uji patah (gagal) pada titik Pf.
Gambar 1. Skema Mesin Uji Small Punch Keterangan Gambar :
1. Jig uji small punch
2. Punch
3. Kolom stainless steel
4. Crosshead 5. Compression tester 6. Strain gauge 7. Thermocouple 8. Kawat pemanas 9. Kompensator temperatur 10. Pengendali temperatur 11. Pena pencatat 12. Pompa vakum 13. Nitrogen cair 14. Pencatat X-Y 15. Strain amplifier
Gambar 2. Skema Jig Uji Small Punch
Gambar 3. Kurva Normal Beban (kN) vs Defleksi (mm) [5].
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. defleksi (mm).
Bila dari titik ini ditarik garis penghubung ke kiri dari kurva beban (kN) vs. defleksi (mm), maka akan diperoleh harga Py.
Menentukan kuat luluh dan kuat tarik
Untuk menghitung harga kuat luluh digunakan korelasi empirik antara kuat luluh σy
(MPa), beban luluh Py (kN) dan geometri benda uji,
yaitu sebagai berikut: σy = 360 Py/t2 [6]. Sedangkan
untuk menghitung harga kuat tarik digunakan korelasi antara kuat tarik σTS (MPa), beban
maksimum (PMax) dan geometri benda uji adalah
sebagai berikut: σTS = 130 (PMax/t2) – 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. defleksi (mm) sampai beban turun dengan tiba-tiba [7]. Dalam hubungannya energi small punch, dikenal pula suatu konsep yang dinamakan spesific
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 (fracture energy) [7]. Untuk mendapatkan temperatur transisi diperlukan pengujian small
punch pada berbagai variasi temperatur. Pada
contoh ini untuk mendapatkan temperatur transisi dilakukan pengujian small punch dari temperatur +1500C sampai temperatur – 1900C dengan tujuan
untuk mengetahui energi small punch tertinggi (maksimum) dan terendah yang dicapai dari berbagai variasi temperatur.
TATA KERJA
Material dan Benda ujiMaterial yang digunakan sebagai contoh studi pengujian small punch ini adalah model logam paduan Feritik dengan komposisi kimia seperti Tabel 1 di bawah ini.
Tabel 1. Komposisi Kimia (% berat)[4] 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 ø 8mm x tebal 0,5mm.
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 pada kecepatan konstan 0,2 mm/menit dan beban maksimum di set pada 3kN. Termokopel tipe-R dihubungkan antara jig uji dengan pengendali temperatur. Pengujian pada temperatur di bawah 00C (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 ± 1,00C selama
15 menit. Setelah itu pengujian dapat dimulai yaitu
cross head digerakan arah ke bawah 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. defleksi (mm) yang terbentuk ketika pengujian berlangsung dan juga ditandai dengan terjadinya penurunan beban dengan tiba-tiba.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kurva beban (kN) vs defleksi (mm) dan model patahan benda uji small punch pada berbagai variasi temperatur diperlihatkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Kurva Beban (kN) vs. Defleksi (mm) dan Foto Mikroskop Elektron Model Patahan Benda Uji Small Punch
Dari kurva beban (kN) vs. defleksi (mm) pada Gambar 4 (a), (c) sampai dengan (f) secara umum dapat dipelajari bahwa beban maksimum yang dicapai sebelum benda uji patah meningkat dengan menurunnya temperatur pengujian. Jika kurva-kurva tersebut 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 (f). Gambar 4 (g) benda uji patah pada tahap plastic bending. Gambar 4 (h) benda uji patah pada tahap elastic bending. Dengan mengacu pada 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). Defleksi sampai benda uji patah (deflection to failure) cenderung menurun dengan naiknya temperatur , seperti ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Kurva Defleksi (mm) vs. Temperatur (0C)
Kuat Luluh dan Kuat Tarik
Dari kurva beban (kN) vs. defleksi (mm) pada Gambar 4 (a) sampai dengan (f) diketahui benda uji patah setelah melewati 4 tahap, ini berarti dari kurva-kurva tersebut dapat ditentukan beban luluh (Py) dan beban maksimumnya sehingga harga kuat luluh dan kuat tariknya dapat dihitung. Kurva beban (kN) vs. defleksi (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. defleksi (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 -1600C (lihat
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 -1670C.
Mengacu pada kurva beban (kN) vs. defleksi (mm) dari Gambar 4 (f) dimana benda uji small punch diuji pada temperatur -1600C serta kurva beban
(kN) vs. defleksi (mm) dari Gambar 4 (g) yaitu benda uji small punch diuji pada temperatur -1700C, maka temperatur transisi -1670C adalah
bisa diterima. Karena pengujian pada temperatur -1600C benda uji small punch patah dalam keadaan
ulet, sedangkan pengujian pada temperatur -1700C
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.
Tabel 2. Data Hasil Metoda Uji
Tabel 2. Data Hasil Metoda Uji Small PunchSmall Punch
Model Logam Paduan No. Benda Uji t (mm) T (0C) Py (kN) σy (MPa) P Max (kN) σ TS (MPa) SP Energy (J) SFE (J/mm) Feritik 2-55 0,48 TR 0,08090 126,41 0,978 231,82 1,21 2,52 2-56 0,51 -50 0,13592 188,12 1,20 279,77 1,76 3,45 2-57 0,51 -100 0,20388 282,19 1,43 394,72 2,05 4,02 2-58 0,50 -150 0,33657 484,66 1,72 574,40 2,34 4,68 2-60 0,51 -160 0,39482 546,46 1,80 579,65 2,47 4,84 2-59 0,51 -170 0,39806 550,95 -- -- 0,975 1,91 2-64 0,50 -190 Linear -- -- -- 0,0631 0,13 2-65 0,50 +150 0,11262 162,17 1,04 220,80 1,27 2,54
Keterangan :
T : Tebal benda uji T : Temperatur uji TR : Temperatur ruang Py : Beban luluh Σy : Kuat luluh P Max : Beban maksimum σ TS : Kuat tarik
SP energy : Energi small punch
SFE : Specific Fracture Energy
Gambar 6. Energi Small Punch (J) vs. emperatur (0C)
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 -500C, 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 -1670C.
DAFTAR PUSTAKA
1. K.V. KASIVISWANATHAN, et. al., “Miniature Shear Punch Test With On-Line Acoustic Emission Monitoring For Assessment of Mechanical Properties”, Small Specimen Test Techniques, ASTM STP 1329, ASTM, 1998.
1. JUDE R. FOULDS, et.al., Fracture Toughness by Small Punch Testing”, Journal of Testing and Evaluation, JTEVA, Vol. 23, No. 1, January 1995
2. 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.
3. Y. NISHIYAMA, “Data for Japanese Ferritic Alloys”, 2002.
4. J. KAMEDA, et. al., “Hardening and Intergranular Embrittlement in Neutron-Irradiated Ferritic Alloys”, Material Science and Engineering, A112, 1989.
5. X. MAO, et. al., “Development of a Further-Miniaturized Specimen of 3 mm Diameter for the TEM Disk Small Punch Tests”, Journal of Nuclear Material, Vol. 150, 1987.
6. JE-CHOON MOON, et. al., “Data Accumulation and Analysis for Small Punch Test of 21/4 Cr-1Mo Steel With Regard to Round Robin Program”, JAERI-Memo, 04-230, July, 1992.
7. SHENHUA SONG, et. al., “Grain Boundary Phosphorus Segregation Under Irradiation and Thermal Aging and Its Effect on the Ductile-to-Brittle Transition”, ASTM STP 1405, 2001.
TANYA JAWAB
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 serta analisisnya. Dengan
menggunakan satu metode saja yaitu “Small Punch” dapat diperoleh 6-7 sifat mekanik material. Sedangkan jika menggunakan metode konvensional, untuk mendapatkan 6-7 sifat mekanik material diperlukan beberapa metode
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 (Uji tarik, Charpy-V notch, Fracture Toughness) ukuran benda ujinya lebih besar, sehingga dengan menghabiskan banya material yang tentu saja tidak ekonomis (lebih mahal).
−Metode uji Small Punch dikembangkan dan digunakan untuk penelitian material PLTN. Ferritic Alloy adalah jenis logam paduan untuk bejana tekan PLTN. Pada prinsipnya metode uji Small Punch dapat diaplikasikan untuk semua industri dan semua jenis material.
−Penelitian ini sudah dilakukan lebih dari 25 tahun di negara-negara yang sudah mempunyai PLTN, seperti : Amerika, Jepang, Korea, dll. Sampai saat ini metode Small Punch masih terus dikembangkan di negara-negara yang punya PLTN untuk tujuan penelitian dan mendapatkan standarisasi. Saya melakukan penelitian ini di Jepang, penelitian ini adalah masih baru bagi saya. Tentunya paten adalah hak dari negara-negara yang sudah melakukan penelitian lebih dahulu. PTRKN (Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir) mempunyai fasilitas mesin uji tarik yang dalam waktu dekat akan dimodifikasi menjadi mesin uji Small Punch. Jadi “Reference Plant” untuk demo dapat/tersedia di pusat saya PTRKN.
