KETANGGUHAN IMPAK James Marrow Alih bahasa: Arbintarso dan Nurnawati  Staf pengajar Manchester Material Science Centre, Manchester, UK

Mengapa Mengukur Ketangguhan Impak? Bahan-bahan digunakan untuk membangun struktur yang menahan suatu beban. Seorang insinyur perlu mengetahui jika bahan akan bertahan pada kondisi dimana struktur akan dipergunakan. Faktor yang penting yang mempengaruhi ketangguhan dari sebuah struktur meliputi pengujian temperatur rendah, pembebanan lebih, dan laju regangan tinggi terhadap angin atau impak (benturan) dan efek dari konsentrasi tegangan seperti takikan dan retakan.

Mengapa Mengukur Ketangguhan Impak? Hal tersebut cenderung untuk mendorong terjadinya perpatahan. Untuk hal yang lebih luas, interaksi kompleks dari faktor-faktor ini dapat dimasukkan dalam proses desain dengan menggunakan teori mekanisme perpatahan.

Mengapa Mengukur Ketangguhan Impak? Dalam keadaan dimana keselamatan sangat ekstrim diperlukan, komponen teknik dalam bentuk/ukuran sebenarnya diuji pada kemungkinan kondisi yang paling buruk ketika dipergunakan. Sebagai contoh, tabung untuk memindahkan bahan bakar nuklir telah diuji dalam ukuran yang sebenarnya ditabrak dengan kereta api untuk mendemonstrasikan bahwa tabung tersebut mampu menahan keutuhan strukturnya (structural integrity) (sebuah lokomotif 140 Ton dan 3 gerbong 35 Ton dengan kecepatan 161 km/jam ditabrakkan pada tabung yang diletakkan pada jalur kereta api.

Mengapa Mengukur Ketangguhan Impak? Kereta api mengalami kerusakan tetapi tabung tetap terselubungi. Puncak gaya impak dari kereta uji lebih besar dari pada kereta Inter-City 125 dengan kecepatan 201 km/jam. Secara teoritis mekanika perpatahan keutuhan struktur untuk situasi tersebut sangat sulit diperkirakan.

Mengapa Mengukur Ketangguhan Impak? Pengujian dengan ukuran sebenarnya sangat mahal dan sangat jarang dilakukan. Mekanika perpatahan juga baru berkembang dalam teknik desain, dan pengukuran dari parameter ketangguhan patah yang dibutuhkan untuk membentuk sebuah perkiraan keutuhan struktur selama proses desain (seperti KIC) memakan waktu yang lama dan mahal.

Mengapa Mengukur Ketangguhan Impak? Pengujian untuk ketangguhan impak, seperti halnya pengujian Impak Charpy, telah dikembangkan sebelum teori mekanika perpatahan tersedia. Pengujian impak adalah sebuah metode untuk mengevaluasi ketangguhan relatif dari bahan-bahan teknik.

Mengapa Mengukur Ketangguhan Impak? Pengujian impak Charpy secara kontinyu digunakan pada saat ini sebagai metode kontrol kualitas yang ekonomis untuk memperkirakan sensitifitas takikan dan ketangguhan impak dari bahan-bahan teknik. Hal ini biasanya digunakan untuk menguji ketangguhan logam-logam. Pengujian yang serupa dapat digunakan untuk polimer, keramik dan komposit.

Apakah Pengujian Impak Charpy itu? Pengujian impak Charpy mengukur energi yang diserap oleh laju regangan tinggi perpatahan dari sebuah benda uji bertakik standar. Adapun bentuk alat uji dapat dilihat pada gambar 1 dan bentuk benda uji terlihat pada gambar 2.

Apakah Pengujian Impak Charpy itu? Gambar 1. Alat uji Gambar 2. Benda uji

Apakah Pengujian Impak Charpy itu? Benda uji dipatahkan dengan benturan dari sebuah palu pendulum yang berat, yang jatuh dari jarak tetap (energi potensial yang konstan) untuk membentur benda uji dengan kecepatan yang tetap (energi kinetik yang konstan). Bahan-bahan yang tangguh (tough) menyerap banyak energi ketika dipatahkan dan bahan-bahan yang getas (brittle) menyerap energi sangat sedikit.

Apakah Energi Impak itu? Energi impak yang diukur dengan pengujian Charpy adalah usaha yang dilakukan untuk mematahkan benda uji. Pada Impak, spesimen berubah bentuk secara elastis sampai peluluhan tercapai (deformasi plastik); dan sebuah zona plastis berkembang pada takikan. Ketika pengujian dilanjutkan, perubahan specimen oleh impak menyebabkan usaha pada zona plastis mengeras. Hal ini mengingkatkan tegangan dan regangan pada zona plastis sampai specimen patah.

Apakah Energi Impak itu? Energi Impak Charpy meliputi energi regangan elastis, usaha plastis yang terjadi selama peluluhan, dan usaha yang terjadi untuk menciptakan permukaan patah. Energi elastis biasanya tidak merupakan bagian yang signifikan terhadap energi total, dimana didominasi oleh usaha plastis.

Apakah Energi Impak itu? Energi impak total tergantung pada ukuran dari benda uji, dan standar ukuran benda uji yang digunakan untuk dibandingkan diantara bahan-bahan yang berbeda. Energi impak dipengaruhi oleh sejumlah faktor, seperti halnya: Kekuatan peluluhan dan keuletan Takikan Suhu dan laju regangan Mekanisme perpatahan

Kekuatan Luluh dan Keuletan Peningkatan kekuatan luluh dari suatu logam melalui proses seperti pengerjaan dingin, penguatan presipitasi dan penguatan penggantian atau intersisi larutan pada umumnya menurunkan keuletan. Hal inilah yang dinamakan kegagalan regangan plastis.

Kekuatan Luluh dan Keuletan Peningkatan kekuatan luluh oleh mekanisme tersebut kemudian akan menurunkan energi impak Charpy ketika usaha plastis yang kecil dapat terjadi sebelum regangan pada zona plastis yang cukup untuk mematahkan benda uji. Peningkatan kekuatan luluh dapat juga mempengaruhi energi impak disebabkan oleh perubahan mekanisme perpatahan

Kekuatan Luluh dan Keuletan Gambar 3 memperlihatkan hubungan antara tegangan dan regangan dimana kekuatan luluh akan mempengaruhi keuletan bahan tersebut. Pada umumnya untuk logam, kekuatan luluh berbanding terbalik dengan keuletannya.

Kekuatan Luluh dan Keuletan Gambar 3. Diagram tegangan dan regangan

Takikan Takikan pada benda uji mempunyai dua efek. Keduanya dapat menurunkan energi impak. Pertama, konsentrasi tegangan dari takikan menyebabkan peluluhan atau deformasi plastis terjadi pada takikan. Suatu daerah plastis dapat berkembang pada takikan, dimana akan menurunkan jumlah total deformasi plastik pada benda uji.

Takikan Hal ini menurunkan usaha yang dilakukan oleh deformasi plastik sebelum perpatahan. Kedua, pembatasan deformasi pada takikan meningkatkan tegangan tarik di zona plastis. Tingkat pembatasan tergantung pada kerumitan takikan (kedalaman dan keruncingan). Peningkatan tegangan tarik mendorong perpatahan dan menurunkan usaha yang dilakukan oleh deformasi plastis sebelum perpatahan terjadi.

Takikan Beberapa bahan lebih sensitif terhadap takikan dibanding yang lain, dan sebuah standar jari-jari ujung takikan dan kedalaman takikan kemudian memungkinkan digunakan untuk membandingkan antara bahan-bahan yang berbeda. Pengujian impak Charpy kemudian mengindikasikan sensitifitas takikan dari suatu bahan.

Suhu dan Laju Regangan Karena sebagian besar energi impak Charpy terdiri dari usaha plastik peluluhan benda uji, hal ini dipengaruhi oleh faktor perubahan perilaku peluluhan dari bahan, seperti halnya suhu dan laju regangan, yang mempunyai efek pada sifat dislokasi. Peningkatan kekuatan peluluhan oleh suhu rendah atau laju regangan tinggi menurunkan keuletan, dan begitu juga menurunkan energi impak Charpy.

Suhu dan Laju Regangan Kekuatan peluluhan dari logam kubus badan terpusat (bcc) lebih sensitif terhadap laju regangan dan suhu dibandingkan dengan logam kubus sisi terpusat (fcc). Energi impak Charpy dari logam bcc seperti halnya baja karbon feritik yang mempunyai ketergantungan yang kuat pada laju regangan dan suhu dibandingkan dengan logam fcc misalnya alumunium, tembaga dan baja nirkarat austenitik.

Mekanisme Perpatahan Energi impak Charpy dipengaruhi oleh mekanisme perpatahan. Logam biasanya patah dengan gabungan rongga mikro (Microvoid Coalescence) dimana regangan plastik menyebabkan rongga pengintian di sekitar inklusi, lihat gambar 4a. Penggabungan ini tumbuh dan bergandengan sampai terjadi kegagalan. Pada logam bcc, kegagalan dapat juga terjadi oleh pembelahan (cleavage) sepanjang bidang kristal {001} pada tegangan tarik kritis, lihat gambar 4b.

Mekanisme Perpatahan a b Gambar 4. Struktur mikro mekanisme perpatahan a) Microvoid Coalescence  b) Cleavage 

Mekanisme Perpatahan Sebagaimana peningkatan kekuatan peluluhan logam, tegangan tarik pada zona plastis dapat menjadi cukup besar untuk terjadinya pembelahan. Mekanisme perpatahan pada baja karbon feritik kemudian akan berubah dari penggabungan rongga mikro menjadi pembelahan dengan meningkatnya kekuatan peluluhan.

Mekanisme Perpatahan Hal ini dapat disebabkan oleh peningkatan laju regangan atau penurunan suhu. Usaha dari perpatahan pembelahan jauh lebih sedikit dari usaha perpatahan penggabungan rongga mikro. Karena hal ini melibatkan lebih sedikit deformasi plastis. Perubahan pada mekanisme perpatahan kemudian akan menyebabkan transisi ulet ke getas secara tajam pada energi impak Charpy.

Transisi Ulet ke Getas Pengujian impak Charpy digunakan untuk menentukan perilaku transisi ulet ke getas dari suatu logam. Hal ini sangat penting untuk diwujudkan, dimana transisi ulet ke gatas didefinisikan dalam hubungan dengan energi patah. Perpatahan getas adalah suatu energi patah yang rendah dan perpatahan ulet adalah suatu energi patah yang tinggi.

Transisi Ulet ke Getas Beberapa hal yang membingungkan sering terjadi karena kita dapat menggunakan istilah getas dan ulet untuk menjelaskan mekanisme perpatahan. Gabungan rongga mikro adalah mekanisme perpatahan ulet dan pembelahan adalah mekanisme perpatahan getas.

Transisi Ulet ke Getas Bagaimanapun juga hal ini memungkinkan terjadi suatu perpatahan getas energi rendah baik dengan gabungan rongga mikro ulet (pengerjaan dingin tembaga) atau pembelahan getas (misal baja feritik pada suhu rendah). Seharusnya anda selalu berhati-hati terhadap perbedaan kedua hal yaitu, ketangguhan dan mekanisme perpatahan.

Transisi Ulet ke Getas Kurva transisi ulet ke getas mencatat efek suhu pada energi perpatahan. Energi impak pada umumnya menurun seiring menurunnya suhu dimana kekuatan peluluhan meningkat dan kekuatan menurun. Sebuah transsisi yang tajam dimana perubahan sejumlah besar energi untuk perubahan suhu yang kecil, dapat terjadi ketika terdapat perubahan mekanisme perpatahan.

Transisi Ulet ke Getas Jika bahan mempunyai transisi ulet ke getas yang tajam, kemudian suatu transisi suhu dapat didefinisikan bahwa bahan tersebut ketangguhannya jelek. Ini dapat digunakan sebagai panduan untuk penggunaan suhu yang minimum. Hal ini sangat mudah terjadi pada bahan dengan transisi yang halus dari lingkungan ulet ke getas.

Transisi Ulet ke Getas Transisi suhu bisa didefinisikan dengan menggunakan energi impak rata-rata antara nilai tertinggi dan nilai terendah. Suatu transisi suhu dapat juga didefinisikan menggunakan ekspansilateral benda uji (suatu pengukuran sejumlah deformasi plastis), atau perubahan dalam bentuk permukaan perpatahan. Sayangnya, perbedaan pengukuran pada bahan yang sama tidak harus memberikan transisi suhu yang sama!

Transisi Ulet ke Getas Masalah ini merupakan salah satu faktor utama dalam perkembangan mekanika perpatahan. Gambar 5 memperlihatkan dua buah skema kurva transisi ulet ke getas antara baja karbon dan aluminium. Kedua kurva memperlihatkan perbedaan transisi dari ulet ke getas yang nyata, untuk baja karbon transisi sangat terlihat menyolok dibandingkan dengan aluminium.

Transisi Ulet ke Getas Gambar 5. Skematik kurva transisi ulet ke getas

Bagaimana Energi Impak Charpy digunakan? Pengujian impak Charpy dapat digunakan untuk memperkirakan ketangguhan relative dari bahan-bahan yang berbeda, misal baja dan alumunium, sebagai suatu alat untuk memilih bahan-bahan dalam desain. Hal ini juga bisa digunakan untuk kontrol kualitas, untuk menjamin bahan tersebut telah diproduksi mencapai tingkatan minimum ketangguhan spesifik.

Bagaimana Energi Impak Charpy digunakan? Kesulitan muncul ketika anda mencoba untuk menjawab pertanyaan seperti halnya berapa ketangguhan impak yang harus dipunyai baja jika akan dijadikan sebagai bahan tiang pengeboran lepas pantai yang akan terkena benturan gelombang di laut utara pada suhu di bawah nol?

Bagaimana Energi Impak Charpy digunakan? Masalah desain seperti di atas dapat dipecahkan dengan menggunaan energi impak minimum untuk suhu yang digunakan yang didasarkan pada pengalaman sebelumnya. Sebagai contoh, telah ditemukan terjadi perpatahan pada lempeng baja kapal Liberty pada tahun 1940-an yang hanya terjadi pada suhu laut dimana energi impak baja adalah 20 J.

Bagaimana Energi Impak Charpy digunakan? Data ini dapat digunakan untuk memilih baja untuk desain kapal yang akan datang. Pendekatan ini masih sering digunakan untuk menspesifikasikan energi impak minimum dalam pemilihan bahan, meskipun kriteria tersebut juga didasarkan pada hubungan antara pengukuran dan perhitungan mekanika perpatahan.

Bagaimana Energi Impak Charpy digunakan? Penting sebagai catatan, bahwa energi impak dari baja yang dipakai pada kapal Titanic ditemukan sangat rendah (getas) pada -1 Celsius. Inilah perkiraan suhu laut pada saat benturan dengan gunung es. The Materials Science Internet Microscope © Dr. James Marrow Manchester Materials Science Centre, UMIST and University of Manchester. www.umist.ac.uk/matsci/ Diterjemahkan secara bebas oleh Wa1 and Wine