PENGUKURAN TEGANGAN SISA ill SEKITAR DAERAH HEA T AFFECTED ZONE P ADA BAHAN BAJA 1

Prosiding Pel1emuan IImiah Sains Matcri 1996

PENGUKURAN TEGANGAN SISA ill SEKITAR DAERAH

HEA T AFFECTED ZONE P ADA BAHAN BAJA 1

M.R.Muslich 2 W. Prasuad, Gunawan, A.Fajar, Edi S.

ABSTRAK

PENGUKURAN TEGANGAN SISA DI SEKITAR DAERAII HEAT AFFECTED ZONE PADA BAliAN BAJA. Telah

dilakukan pengukuran distribusi tegangan sisa tiga dimensi pada daerah terpengaruh panas dari baja lasan berketebalan 10 mm menggunakan teknik difraksi neutron. Pengaruh tegangan sisa yang timbul akibat proses pengelasan berada pada jarak 46,2S mm dari pusat lasan. Tegangan tensil yang paling besar terletak pada arab x, yang besamya sepanjang posis melintang cuplikan lebih dari 2 GPa. Pada arab Y dan Z juga mengalami tegangan tensil dengan harga mutlak berada di antara O,S sampai 1,5 GPa. Serta dapat diketahui bahwa tegangan di daerah pinggir cuplikan lebih besar daripada di daerah tengah cuplikan.

ABSTRACf

RESIDUAL STRESS MEASUREMENTS IN nOT AFFECfED WNE OF STEEL. Tree dimensional residual stress

distribution in the hot affected zone of 10 rnm thick welded steel by means of neutron diffraction technique have been measured. The results showed that the residual stress distributed near the weld metal, namely within about 46,25 rom. The major tensil stresses occured in the X-direction, and they attained a level greater than 2 GPa through the position far away from the weldment. While the tensile stresses of Y and Z- direction lied between 0,5 and 1,5 GPa. Also from the results, it was known that the stresses in the surface was greater than in the middle of the sample.

PENDAHULUAN

Bila kelelahan (fatigue) daD stress

corossion crack pada daerah sekitar lasan

bahan struktural berukuran besar menjalar,

tegangan sisa pada daerah belahan lasan

menjadi bebas, maka tegangan

sisa pada arab

depan belahan juga mengalami distribusi

kembali. Bersamaan dengan itu, distribusi

koefisien muai tegangan akan berubah,

sehingga gerakan menjalarnya belahan juga

mengalami perubahan

terhadap gerakan yang

diprediksi dari distribusi tegangan sisa

awalnya. Untuk memperkirakan umur sisa

bahan dengan ketelitian tinggi

yang

mempertimbangkan menjalarnya belahan,

diperlukan pengembangan

teknik yang dapat

menguji secara

tak merusak distribusi kembali

tegangan sisa yang timbul bersamaan

menjalarnya belahan permukaan ke bagian

dalam bahan struktural [I). Analisis simulasi

dengan menggunakan

metoda elemen hingga

(finite element method) merupakan metoda

pengujian yang sedang dikembangkan saat

ini. Di pihak lain, teknik pengtlkuran

gerakan

1

distribusi kembali tegangan sisa secara tak merusak, untuk melengkapi analisis secara numerik tersebut juga merupakan topik yang masih dalam penelitian daD pengembangan sekarang.

Metoda difraksi sinar-X merupakan contoh

konvensional dari teknik pengukuran

tegangan sisa secara tidak merusak. Tetapi daya tembus sinar-X sangat rendah yakni hanya sekitar 20 ~m [2], sehingga tidak dapat

digunakan untuk mengukur tegangan sisa

internal yang diperlukan untuk menguji penjalaran belahan. Sebaliknya, neutron memiliki daya tembus yang tinggi, misalnya

pada bahan baja dapat menembus sampai

kedalaman 50 mm, sehingga memungkinkan melakukan pengukuran tegangan sisa internal dari bahan struktural lasan yang tebal. Dengan memanfaatkan sifat neutron yang unik ini, Instalasi Spektrometri

Neutron-PPSM BAT AN sedang mengembangkan

teknik pengukuran tegangan sisa

menggunakan metoda difraksi neutron di Indonesia, bekerjasama dengan Departemen Fisika JAERI Jepang. Pada makalah ini akan dijelaskan mengenai pelaksanaan daD basil

terpengaruh panas dari baja lasan yang

diterima dari PT. Krakatau Steel.

Dan persamaan (1) dapat diketahui bahwa untuk menghitung tcgangan daTi regangan pacta

~ = -«() -(}O)cot(}O 8 = do

[ 2

TATA KERJA

1. Pengukuran tegangan sisa menggunakan metoda difraksi neutron.

Berkas neutron yang datang pada

cuplikali mengalami hamburan mengikuti syarat difraksi Bragg, sarna dengan metoda difraksi sinal-X. Berdasarkan persamaan

Bragg yang diturunkan, pengukuran

regangan pada arab tiga sumbu dilakukan daTi perubahan jarak antar bidang difraksi l\d = d -do, atau perubahan sudut difraksi l\8. Untuk ini diperlukan jarak antar bidang kisi dalam keadaan bebas regangan do atau sudut difraksi 80. Penentuan posisi puncak daTi pola difraksi adalah, hila pada metoda difraksi sinar-X diterapkan tara mencari titik tengah

daTi harga setengah lebar maksimum

(FWHM), maka pada metoda difraksi neutron dipergunakan metoda penentuan puncak daTi titik tengah pola difraksi yang telah didekati dengan fungsi distribusi Gaussian.

Tegangan tidak dapat ditentukan dcngan hanya mengukur regangan pada satu sumbu, maka pada metoda difraksi neutron tegangan ditentukan dengan terlebih dahulu melakukan pengukuran regangan pada arab tiga sumbu X, Y dan Z. Bila Ex adalah regangan arab X, Ey adalah regangan arab Y, daD Ez adalah regangan arab Z, maka tegangan ditentukan dengan persamaan 1.

1

arab tiga sumbu, diperlukan modulus Young (E) dan perbandingan Poisson (v). Adapun unluk cuplikan yang digunakan kali ini, harga konstanta terscbut adalah masing-masing E=230 Gpa dan v=0,3.

Gambar 1 memperlihatkan skema peralatan difraktometer neutron yang digunakan untuk pengukuran tegangan sisa yang terpasang di ujung berkas tangensial S6 balai percobaan reaktor riset scrba guna G.A. Siwabessy, kawasan Puspiptek Serpong. Berkas neutron termal yang dihasilkan di dalam reaktor

dimonokromatisasi dengan

mendifraksikannya pacta monokromator

kristal tunggal PG(004), dan didapat berkas neutron dengan panjang gelombang 0,1924 nm. Setelah kolimator-2 dipasang slit kadmium yang mudah menyerap neutron untuk menentukan daerah volume cuplikan dari berkas neutron datang. Percobaan kali ini menggunakan slit berbentuk lingkaran dcngan diameter 3 rom baik untuk bcrkas

datang dan bcrkas yang dihamburkan

cuplikan ke dctcktor, dan keduanya

ditempalkan dckat lerhadap cuplikan yang akan diukur. Untuk mendeleksi neutron dipcrgunakan detektor sensitif posisi dengan panjang aktif 256 rom, serta sudut hamburan

setiap kanal adalah 0,0138°. Pacta

pengukuran dengan menggunakan 512

kallal, sudut difraksi 28 selebar 7,06° dapat

disclesaikan dengan hanya sekali

pengukuran. Pencacahan dilakukan pacta bidang difraksi (110) dengan sudut refleksi

28s = 57°.

2. Cuplikan baja lasan Di mana harga rata-rata regangan ke arah

vektor hamburan Q dalam volume cuplikan ditentukan daTi persamaan 2.

.(Ex + &y + &z

)

11

Seperti te!ah disebutk"an di alas, pada

pengukuran tegangan sisa menggunakan

difraksi neutron memerlukan pengukuran daTi jarak antar bidang kisi da!am keadaan bcbas

yang menjadi titik acuan pencacahan,

semua

penetapan

posisi pengukuran berikutnya dapat

dilaksanakan

oleh komputer secara

otomatis.

BASIL DAN PEMBAHASAN

Pengukuran jarak antar bidang kisi pacta difraksi bidang (110) daTi cuplikan bebas regangan yang diambil daTi bagian pipa yang jauh daTi lasan, daD telah dilaksanakan perlakuan panas (7000 selama 2 jam) untuk menghilangkan regangan sebelum melakukan

pengukuran tegangan sisa. Dari basil

pengukuran diperoleh jarak antar bidang kisi do sekitar 0,2014 om.

Hasil pengukuran regangan sisa melintang daerah lasan pada arab X, Y, daD Z cuplikan ditunjukkan pada Tabel 1 (lampiran 1) dalam bentuk numcrik daD ditunjukkan pula dalam Gambar 3. Pengukuran dilakukan pacta pusat lasan daD

pada jarak 9,25 mm, 18,5 mm, 27,75 mm, 37 mm, daD 46,25 mm ke arab kiri daD kanan pusat lasan. Dalam gambar diperlihatkan pula distribusi regangan sisa dengan arab kedalaman posisi pengukuran sepeni terlihat pada Gambar 2, sebagai parameter. Dari gambar dapat diketahui bahwa jarak menjauh sekitar 46,25 mm dati pusat lasan, regangan sisanya hampir tidak bcrpcngaruh lagi untuk semua arab.

Gambar 1. Skema difraktometer netron untuk

pengukuran

tegangan

sisa (DNI-M) yang

dipasang pada ujung berkas tangensial

S6

RSG-GAS Serpong

regangan

dengan ketelitian yang baik. Cuplikan

yang akan diasumsikan

bebas regangan

berasal

dari pel at bahan yang sarna, daD diambil pacta

posisi yang berada jauh dari pusat lasan. Lalu

dilakukan anil selama tiga jam pacta suhu 700°

dalam udara bebas untuk menghilangkan

tegangan sisa yang masih acta di dalam bahan.

Jarak antar bidang kisi dalam keadaan bebas

regangan d(hkl)o didapatkan daTi pengukuran

pola difraksi cuplikan ini.

Cuplikan dipasangkan di atas goniometer tiga

sumbu x-y-z. Goniometer dapat bergerak

secara

horizontal pada arab sumbu x daD y, serta

vertikal dengan arab sumbu z, kemudian dapat

diputar secara manual 90°. Pergerakan

goniometer tiga sumbu dikontrol dengan

komputer daD digerakkan melalui stepping

motor. Karena itu setelah menetapkan posisi

"""°5

Gambar 2. Geometri cuplikan baja l~san

dan posisi pengukuran. Tanda arsi

Dan dalarn nilai nurnerik dapat dilihat pacta Tabel 2 (larnpiran 2). Pola distribusi tegangan sisa harnpir serupa dcngan distribusi regangan

sisa, yang ditunjukkan pacta garnbar

scbelurnnya. Di sini karena pengukuran arab Z hanya dipcrolch 7 titik rnaka perhitungan tcgangan sisanyapun hanya dapat dilakukan pacta jurnlah titik yang sarna pula.

3.0 i Sepcrti terlihat pacta garnbar, regangan

sisa pacta arab X sepanjang garis rnelintang lasan mengalami regangan tcnsil dengan harga regangan yang harnpir sarna, kernudian rnengecil pacta daerah pengukuran yang terjauh daTi lasan. Untuk pengukuran yang lebih dekat ke perrnukaan rnengalarni regangan tensil yang lebih besar. Besar regangannya berada di antara 8,359 x 10-3 pacta bagian pinggir, dan 2,27 x 10.4 pacta bagian tengah. Regangan sisa ini bergantung pacta posisi kedalarnan

cuplikan.

2.5

2.0

";;

D-e,

<{ II) in

~

_~ z <{ ~_UJ

I-1.5

8

f

1

[[--1.0

-

PI I 0

~

«

V] ii5

~

~

(.:1 UJ ~

4

_0.5

-0

0.0

0

-0.5

A;,

_~

0.. arah XI G.. arah Y 6.. arah Z -40

0

40

-4 ".;0 ~"

-40

0

40

POS'SI MELINTANG PUSAT LASAN (nm)

POSISI MELINTANG PUSAT LASAN (nYn) ;:!" Garnbar 4, Distribusi tcgangan sisa tiga

dirncnsi pada posisi rnclintang pusat lasan baja

Bila dipcrhatikan tegangan sisa arah X,

pada garnbar dapat dilihat sernuanya

rncngalarni tegangan tensil. Pada dae.rah lasan tegangan sisanya adalah 2,490 GPa untuk posisi

di tengah, dan 2,690 GPa untuk di daerah

pinggir cuplikan, Padajarak rncnjauh dari lasan

harganya tidak rnengalarni perubahan yang

berarti, hanya untuk daerah tengah cuplikan harganya turun drastis rnendekati nol di dacrah ujung cuplikan, Pada daerah sebelah kanan pusat lasan tcgangan sisa bagian pinggirnya lcbih bcsar daripada bagian tcngah, tctapi pada arab ncgatif tcrhadap pusat lasan terjadi hal yang scbaliknya, Hasil yang sarna juga dapat dilihat untuk arab Y dan Z, Hasil yang diperoleh ini sangat dipcngaruhi kondisi cuplikan yang diukur, Dikarenakan keadaan cuplikan yang tidak sirnetris, sehingga rnernpersulit rnenentukan penernpatan posisi berkas di dalarn cuplikan secara teliti. Seperti tcrlihat pada garnbar 2, bagian tengah Gambar 3. Distribusi rcgangan sisa tiga

dimensi pada posisi melintang pusat lasan baja

Regangan sisa arab X, rnakin ke dalarn rnakin kecil regangannya dibanding di pinggir. Untuk regangan sisa pada arab Y, scbagian besar adalah regangan tcnsil, daD nilainya scrnakin besar pada posisi- sernakin jauh dari lasan. Kernudian regangan sisa pada arab Z,

harnpir seluruhnya rnengalarni regangan

kornprcsi. Pada kedua arab ini harga rnutlak

regangannya kecil dan perbedaan antara

daerah pinggir dan tengah juga relatif kecil. Dengan rnenggunakan persarnaan (1), distribusi regangan sisa yang terlihat pada Garnbar 3 dapat dikonversi rnenjadi distribusi tegangan sisa. Hasilnya diperlihatkan pada Garnbar 4, rnasing-rnasing adalah distribusi tegangan sisa pada arab X, Y, dan Z

4

Tegangan di daerah pinggir cuplikan

terlihat lebih besar di bandingkan di tengah

cuplikan untuk semua

arab.

pengukuran, untuk daerah sebelah kiri pusat

lasan rnenjadi lebih dekat ke pinggir cuplikan,

begitu pula sebaliknya, bila di sebelah kanan

lebih dekat ke pinggir, dise belah kiri rnenjadi

lebih ke tengah.

Kecendrungan

pola distribusi tegangan

sisa

yang sarna dengan arah X terlihat pula untuk

arab Y dan Z. Narnun harga absolutnya

jauh

lebih lebih kecil dibandingkan dengan arah X,

kecuali untuk daerah di ujung cuplikan.

UCAPAN TERIMA KASm

Pcnulis mcngucapkan terima kasih kepada

seluruh rekan-rekan kelompok Hamburan

Neutron Instalasi Spektrometri Neutron (ISN)-Pusat Penelitian Sains Materi (pPSM) BAT AN, atas kerjasamanya sehingga makalah ini dapat diselesaikan.

KESIMPUL~

Pengukuran tegangan sisa pacta baja lasan yang diterima dari PT Krakatau Steel telah dilakukan untuk mengamati distribusi tegangan sisanya pacta posisi melintang pusat lasan. Dengan basil sebagai berikut :

1. Pengaruh tegangan sisa yang timbul karena proses pengelasan, adalah pacta jarak 46,25 mm dari pusat lasan.

2. Tegangan tensil yang paling besar terletak pacta arab X, yang besarnya sepanjang arah melintang lasan adalah lebih dari 2 GPa.

3. Tegangan sisa pacta arab Y dan Z juga

mengalami tensil, dengan harga mutlak yang relatif sarna besarnya berada di antara 0,500 sampai 1,500 GPa.

DAFTAR PUSTAKA

1. M.HAYASHI,M. ISHIWATA, Y. MORII

and N. MINAKAWA, "Residual Stress

Distribution in Carbon Steel Pipe Welded

Joints Measured by Neutron Diffraction",

1995 (akan diterbitkan pada majalah

Nihon Zairyo Gakkai -dalam bahasa

Jepang)

2. B.B.,CULLITY, Elements of X-ray

Diffraction, ed. kedua, 1956 ( Reading,

M.A. : Addison-Wesley)

3. D.J.SMITH, .,R.H. LEGATT, G.A.

WEBSTER, H. J. MACGLLIVRAY,

H.J., WEBSTER, P.J., MILLS, G.,

Neutron Diffraction Measurements of

Residual Stress and Plastic Deformation

in an Aluminium Alloy Weld, J. Strain

Analysis, 23, (1988), 201

Diskusi :

Tanya:

1. Kocfisien Poison dan Modulus yang digunakan apakah dilakukan pcngukuran kembali setelah pcngclasan untuk menghitung tegangan sisa

2. Berapahan biaya untuk melakukan pengtlkuran dan abalisisnya. (Ilham Halta, BPPT, SCrpOllg) Jawab :

1. Digtmakan label dari ASTM

2. Silahkan bcrhubungan

dcngan DAGST

AN-PPSM

BATAN.

LAMP IRAN

-Tabell. Nilai regangan

hasil pengukuran

pada posisi melintang pusat lasan

Posisi Aroh Jarak dari

lasan (mm) Nomo.kJmal puncak 233,858 227,275 197,780 194,135 194,748 195,351 195,305 194,429 194,700 198,570 200,925 224,964 231,549 236,101 231.653 234,030 237,478 229,942 231,593 229,713 227,756 227,992 _1.26,706 I Sudut posisi I puncak 280 57,056 56,965 56,558 56,507 56,516 56,524 56,524 56,511 56,515 56,569 56,601 56.933 , 57024

.

5\,087 51,025 57,058 57,106 57,002 57;024 56,998 56,971 56,975 56,957 Regangan 51sa Standar

.Jarak bidang kisi

(A) 2,014301 2,017244 2,030550 ),032209 2,031929 2,031655 2;031676 2,032075 2;031951 2,030t91 2,029122 2.01~279 2,015332 ~,O13301 2;015286 2;014224 2;0)2687 2,O160~0 2;01531) 2;016153 2,017018 2oi~923, 2.0j74~ -46,25 -37 -27,75 -18,5 -9,25 0 9,25 18..5 27,75 37

~,~5

0,001461 0,008067 0,008890 0,008752 0,008615 0,008626 0,008824 0,008762 0,007889 0,007358 0,OOI9~7 Tengah

x

-46,25 -37 -27,75 -]8,5 -9,25 0 9,25 ]8,5 27,75 37 46.25 0,000512 -0,000497 0,0004$9 0,000038 -0,000801 -0,000868 0,000502 0,000919 0,001354 0,001302

o.,~L

y -46.~5 -3? .27.75 -IS,5 -9,25 0 9,25 IS,5 27,75 37 46,25 .243.919 257.259 247,837 237,056 236,888 235,528 231,477 57,194 57,379 57,248 57,100 57,097 57,079 57,023 2,009823 2,003920 2,008085 2,012875 2,012950 2,013556 2,015364 -0,002223 -0,005154 -0,003086 -0,000708 -0,000671 -0,000370 0,000528 z -46,25 -37 -27,75 -18,5 -9,25 0 9,25 18,5 27,75 37 ~,25 2,030747 2,030997 2,030063 2,030415 2,030794 2,029277 2,030405 2,018538 2,015819 2016913 197,346 196,797 198,851 198,077 197,244 200,582 198,100 224,386 230,460 228,014 56,552 56,544 56,572 56,562 56,550 56,596 56,562 56,925 57,009 56,975 0,008165 0,008289 0,007825 0,008000 0,008188 0,007435 0,007995 0,002104 0,000753 Q,QQ!12L Pinggir x -46,25 -37 -27,75 -18,5 -9,25 0 9,15 18,5 27,75 37 46.25 232,106 234,391 234,888 233,796 233,985 233,751 235,490 232,221 233,396 232,398 231,025 57,031 57,063 57,070 57,055 57,057 57,054 57,078 57,033 57,049 57,035 57.016 2,015083 2,014063 2,013842 2,014329 2,014244 2,014349 2,013573 2,015032 2,014507 2,014953 2,015566 0,000388 -0,000118 -0,000228 0000014 -0,000028 0,000024 -0,000361 0,000363 0,000102 0,000324 0.000628 y -46,25 -37 -27,75 -18,5 -9,25 0 9,25 18,5 27,75 37 46,25 240,186 241,949 237,107 235,493 236,044 234,484 232,164 57,143 57,167 57,100 57,078 57,086 57,064 57,032 2,01 2,01 2,01 2,01 2,01 2,01 2,01 -0,001400 -0,001789 -0,000719 -0,000362 -0,000484 -0,000139 0,000375 z 1482 0698 2852 3572 3326 4022 5057

LAMPIRAN-2

Tabcl 2. Nilai tcgangan basil pcrhitungan pad a arab mclintang lasan

Posisi Iarak _Regangan

arab X Regangan arab Y Regangan arahZ T egangan arah X (GPa) Tegangan arab Y (GPa) Tegangan arahZ --(gP.) -46,25 -37 -27,75 -18,5 -9,25 0 9,25 18,5 27,75 37 46,25 0,001461 0,008067 0,008890 0,008752 0,008615 0,008626 0,008824 0,008762 0,007889 0,007358 0,001957 0,000512 -0,000497 0,000489 0,000038 -0,000801 -0,000868 0,000502 0,000919 0,001354 0,001302 0,001587 0,000388 -0,000118 -0,000228 0000014 -0,000028 0,000024 -0,000361 0,000363 0,000102 0,000324 0,000628 -0,002223 -0,005154 -0,003086 -0,000708 -0,000671 -0,000370 0,000528 2,52239 2,02082 2,15156 2,69197 2,70962 2,7857 2,69228 1,03606 0,465662 0,485654 1,3194 1,23727 1,39809 1,53609 0,556246 -0,439477 0.0813846 1,04051 1,02914 1,11004 1,38995 Tengah 46,25 -37 -27,75 -18,5 -9,25 0 9,25 18,5 27,75 37 46.25 0,008165 0,008289 0,007825 0,008000 0,008188 0,007435 0,007995 0,002104 0,000753 0.001297 -0,001400 -0,001789 -0,0007]9 -0,000362 -0,000484 -0,000139 0,000375 2,35038 2,18721 2,3778 2,49028 2,18987 2,5051 0.714725 0,843525 0,805265 0,957463 1,04588 0,810573 1,15482 0,360525 0,636171 0,486273 0,83521 0,977588 0,788812 1,06601 0,408825 Pinggir