Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN1410-2897

SIFAT PERAMBATAN RETAK ALUMINUM PADUAN 2024- T3AKiBAT BEBAN BlHARMONIK

s..2J;

Anwar dan Djoko W. KarmiadjiUPT Laboratorium Uji Konstruksi BPP Teknologi

ABSTRAKSIFAT PERAMBATAN RETAK ALUMINUM PADUAN AI 2024- T3 AKIBAT BEBAN BllIARMONIK. Material

untuk struktur pesawat terbang harus memiliki beberapa kriteria seperti ringan, kuat serta mempunyai sifat perambatan retak

yang baik. Kriteria terakhir diperlukan untuk mendukung perencanaan struktur pesawat terbang dengan kriteria damage tolerance.

Perilaku perambatan retak dipengaruhi oleh beberapa faktor, salah satu diantaranya adalah jenis beban. Untuk mempelajari

perilaku perambatan retak khususnya akibat beban dinamis random, dilakukan pengujian dengan beban biharmonik dan beban

amplitudo konstan. Sebagai obyek penelitian adalah aluminum padu AI 2024-T3, yaitu jenis material yang banyak digunakan

dalam rancang bangun pesawat terbang. .Hasil penelitian menunjukkan bahwa tidak terjadi efek perlambatan retakan pada beban

biharmonik, dan kekuatan lelah akibat beban biharmonik dapat diprediksi secara linier dengan menganggap beban biharmonik

sebagai beban dinamis blok.

ABSTRACTCRACK GROWTH BEHAVIOR OF ALUMINUM ALLOY 2024- T3 UNDER BllIARMONIC LOADING. The

aircraft structure material should have some criteria such as light, strong, and appropriate crack growth properties. The crackgrowth property is needed for supporting the design of aircraft structure to define the damage tolerance. Crack growth behavioris mainly influenced by load type. This, caused by random dynamic loads, is studied through the test with the biharmonic andconstant amplitude loading. The test specimens are aluminium alloy 2024-T3, in which this material is often used in an aircraftdesign. The test result shows that decelerated crack effects due to biharmonic loads and fatigue strength against biharmonic loadscan be linearly predicted with the assumption that the biharmonic load is the same as the block dynamic load.

PENDABULUANdiperlukan untuk mendukung konsep perencanaanstruktur pesawat dengan kriteria perencanaan kemsakanyang bisa ditolerir (damage tolerance). Tujuan konsepperencanaan ini tidak terlepas daTi tujuan utamaperencanaan yaitu untuk mengurangi berat struktur.Walaupun tidak semua bagian atau komponen strukturpesawat terbang dapat dirancang dengan kriteriaperencanaan ini, Damon pengurangan bobot yangdiperoleh dengan penerapan konsep damage tolerancecukup memberi arti.

Sifat perambatan retak suatu materialdipengaruhi oleh beberapa faktor, salah satu di-antaranyaadalah jenis beban. Beban yang terjadi selama pesawatterbang beroperasi adalah beban dinamis dengan besardaD urutan amplitudonya tidak beraturan (random).pengamh beban random terhadap sifat perambatan retakadaIah adanya efek beban puncak dimana beban tersebutumumnya melebihi beban luluh dari material benda ujisehingga kondisi plastik terjadi pada ujung-ujungretakan. Pada material yang mempunyai daerah teganganplastik yang sangat kecil atau material rapuh (brittle),perambatan retak akan sangat cepat sehingga periodeakhir kegagaian material terjadi pada waktu yang relatifsingkat. Deselarasi laju perambatan retak dapat terjadipada batas-batas daerah plastis (plastic range) yang

Proses rancang bangun suatu konstruksi di-lakukan melalui beberapa tahapan, salah satu tahapandiantaranya adalah pemilihan material (materialselection). Tujuan dari tahapan pemilihan material adaIahuntuk mendapatkan jenis material yang sesuai denganfungsi atau persyaratan konstmksi ditinjau dari beberapasegi misalnya sifat mekanik, fisik, kelelahan,manufakturability maupun tinjauan dari segi eko-nornisnya. Kriteria dalam pemilihan material adalahberbeda untuk setiap jenis rancang bangun, misalnyakriteria pemilihan material untuk konstmksi ringan sepertisruktur pesawat terbang akan berlainan dengan kriteriapernilihan material untuk konstruksi lainnya.

Kriteria yang perin diperhitungkan dalamperencanaan struktur pesawat terbang adalah bahwastruktur harns merniliki kekuatan tinggi namun beratstruktur harns ringan. Kondisi ini dapat tercapai apabilamaterial yang digunakan untuk pembuatan strukturadalah material yang mempunyai kriteria kuat namunringan atau yang sering dikenal dengan istilah materialyang merniliki perbandingan kekuatan dengan bobot(strength to weight ratio) yang tinggi. Disamping itu,material untuk pesawat terbangjuga hams rnemiliki sifatketahanan terhadap perambatan retak. Sifat ini

Anwar dan Djoko ~ Karmiadji76

Prosiding Pertemuan Ilmiah SainsMaterillISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

agak luas sehingga pada beban-beban puncak proseskeretakan selalu melalui kondisi plastis terlebih dal1ulu.Dengan adanya daerah plastis tersebut maka terjadiperlambatan dimana keretakan merambat pada daerah

ini.

diurnikan seperti pada gambar 1.

ca b -'WV'M-A-~~~-r -WNv--WMr- ~

Ia II

anjangetak, a b c

,.

Siklus. N

~

Salah satu jenis beban dinamis random adalahbeban biharmonik. Beban biharmonik merupakangabungan dari dua jenis beban dinamis amplitudokonstan dengan beban maksimumnya sarna sedangkanbroan minimumnyauntuk beban yang besar adalah duakali bOOan yang kocil. Dengan demikian tx:ban biharmonikdapat dikatakan sebagai beban dinamis amplitudokonstan, dimana setiap dua siklus terdapat beban puncakberupa beban tekan dengan besar beban puncak adalahdua ka1i bOOan minimum.

Untuk mengetahui apakah hipotesa yangmenyatakan adanya perlambatan retakan akibat bebanpuncak, berlaku pada beban biharmonik, dilakukanpenelitian secara eksperimental dengan menggunakanmaterial paduan aluminium AI 2024- T3 sebagai obyekpenelitian.. Selain itu da1am penelitian inijuga dilakukanpengujian perambatan retak dengan beban dinamisamplitudo konstan yang digunakan sebagai komparasiterhadap basil pengujian dengan beban biharmonik.

Gambar Metode prediksi secara linier terhadap umurlelah akibat beban biharmonik.

PROSEDURPENELITIAN

BendaUji

Paduan aluminium berkekuatan tinggi (highstrength aluminium alloy) AI 2024 T3 merupakan ma-terial yang digunakan sebagai obyek dalam penelitianini. Bentuk benda uji adalah berupa lembaran pelatdengan ketebalan 5,15 mm daD dibagian tengahnyaterdapat lubang dengan konsentrasi tegangan K, = 3,6

(lihat gambar 2).

SIFAT PERAMBATAN RETAK

Fenomena menarik dati kegagaian suatu bangun-an mesin yang dalam opemnya mengaiami pembebanandinamis adalah bahwa kerusakan tersebut tidak teljadisecara sekaligus sebagaimana kegagalan akibat bebanstatik, melainkan secara bertahap yang dimulai denganteljadinya retak awal dan dilanjutkan dengan perambatanretak. Sifat inilah yang dijadikan sebagai dasar dalamperencanaan dengan kriteria damage tolerance yangbanyak diaplikasikan dalam perencanaan struktur

pesawat terbang.Mekanisme kegagalan akibat beban dinamis,

biasanya dinyatakan dalam bentuk kurva perambatanretak yaitu kurva yang menggambarkan hubungan antaralaju perambatan retak dengan faktor intensitas teganganatau panjang retak. Sifat perambatan retak menjadi sangatkompleks jika beban yang menyebabkan teljadinyaretakan tersebut merupakan beban dinamis denganamplitudo random. Untuk meneliti sifat perambatan retakakibat beban dinamis amplitudo random, dilakukanpenelitian dengan beban biharmonik.

Beban biharmonik merupakan kombinasi duabeban dinamis amplitudo konstan dengan besarbebannya berlainan daD pemunculannya salingbergantian. Apabila analisa sifat perambatan retak akt"batbeban dinamik dilakukan secara tinier yaitu tanpamemperhitungkan adanya efek perlambatan retakanakibat beban puncak, maka analisa sifat perambatanretak akibat beban biharmonik dapat didekati denganmenggunakan beban dinarnis blok. Sifat perambatanretak akibat beban dinarnis blok menurut Schijve dapat

Sifat mekanis dari material benda uji adalahsebagai berikut :

.tegangan maksimum. Suit = 475 N/mm2.tegangan yield, SY/eki = 315 N/mm2.modulus elastisitas, E = 72500 N/mm2.Sedangkan komposisi kimianya terdiri dari unsur

utama aluminium (AI) dan unsur paduan dalamprosentase berat sebagai berikut :

.Cu=3.8-4.9%

.Mg= 1.2-1.8%

77Anwar dan Djoko ~ Karmiadji

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

.Zn<0.25%

.Cr<0.10%

.Mn=0.3-0.9%

.8i<0.5%

.Fe<0.5%

.lain-lain < 0.15 %.

rupa melalui lubang-lubang pada benda uji sehinggasumbu pembebanan berimpit dengan sumbu longi-tudinal yang melewati pusat lubang benda uji dengankonsentrasi tegangan (Kt) 3,6.

Untuk mengukurpanjang retak selarna pengujian

berlangsung, digunakan mikroskop dengan pembesaran100 kali daD dilengkapi dengan skala pengukuranpanjang dengan ketelitian 0.0 1 mm. Pengukurnn panjangretak dilakukan pada dua sisi depan dan belakang.

Metode Penelitian

BAS~ un DAN PEMBABASANMetode penelitian adalah secara eksperimental,

yaitu dengan melakukan pengujian terhadap beberapabenda uji di laboratorium. Pengujian dilakukan dengancara memberi beban dinamis pada benda uji yang arabpembebanan- nya vertikal atau tegak lorus terhadaplubang paralel pemegang benda uji. Jenis beban dinamisyang digunakan adalah beban dinamis amplitudokonstan dan beban dinamis biharmonik. Besar bebankedua jenis beban uji tersebut adalah sebagai berikut :1. Beban dinamis amplitudo konstan :(a). tegangan maksimum S.-u = 206.5 N/mm2

tegangan minimum S- = 0 N/mm2perbandingan tegangan R = 0

(b). tegangan maksimum S.-u = 206.5 N/mm2tegangan minimum 5mBI = 103.25 N/mm2pelbandingan tegangan R = 0.5

2. Beban biharmonik:(c). tegangan maksimum S.-u = 206.5 N/mm2

tegangan minimum S..;.. = 0 N/mm2

Pengujian dilakukan di mesin uji servo-hidraulikdengan kapasitas 400 kN. Sedangkan sebagai pengaturbeban uji digunakan komputer GA SPC 16/40.Pemasangan benda uji ke mesin uji dibuat sedemikianrupa sehingga alat bantu dapat dipasang pada ujung-ujung benda uji melalui lubang-lubang paralel dikeduaujung benda uji tersebut. Untuk menghindari teganganawal pada benda uji sebelum pembebanan, pemasanganalat bantu, benda uji daD mesin uji diatur sedemikian

Hasil pengujian berupa data-data pengukuranpanjang retak pada setiap interval siklus pembebanantertentu ditunjukkan daIam bentuk diagram panjang retak(0) sebagai fungsi dari jumlah siklus (N). Gambar 3memperlihatkan basil pengujian untuk ketiga jenispembebanan yaitu kurva (a) daD (b) adalah basilpengujian dengan beban amplitudo konstan masing-masingdengan SmakJ= 206.5 N/mm2, Smin= 103.25 N/mm2dan S -,.-= 206,5 N/mm\ S = 0 N/mm\ serta kurva (c)

m~ DIm

adalah basil pengujian beban biharmonik dengan SmakJ=206.5 N/mm\ S =ON/mm2,

Berdas~an data-data basil pengujian diatas,kemudian ditentukan laju perambatan retak yangdidefinisikan sebagai pertambahan panjang retak persatuan siklus pembebanan (da/dN). Nilai laju pe-rambatanretak untuk setiap interval pertambahan panjang retak,untuk ketigada/dN vs.a seperti pada gambar 4.

Dari gambar 3 terlihat bahwa dengan semakinbesar tegangan amplitudo maka kekuatan lelahnyasemakin rendah. Sedangkan dari gambar 4 me-nunjukkanbahwa semakin besar tegangan amplitudo, maka lajupenjalaran retak menjadi semakin tinggi. Apabila bebanbiharmonik dianggap sebagai beban dinamis amplitudokonstan dimana setiap dua siklus terjadi beban puncakberupa beban tekan, maka dari penelitian ini terlihat bahwapengaruh broaD puncak tersebut bukan memeperlambatlaju perambatan retak, melainkan sebaliknya justru

(a) Amplitudo konstan(b) Amplitudo konstan(c) Bihannonik

S =2065 N/mm' S =10325 N/mm'S =2065 N/mm' ; S = 0' NI mm'S =2065N/mm'. S =ON/mm'-'~

Gambar 3 Kurva pertambahan panjang retak terhadapsiklus pembebanan

Gambar 4. Kurva pertambahan panjang fetal terhadapsiklus pembebanan

78 Anwar dan Djoko ~ Karmiadji

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20- 21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

laju perambatan retak akibat beban bihaTn1onik. Gambar6 rnernperlihatkan perbandingan perilaku perambatanretak akibat beban bibarmonik antara basil pengujiandeprediksi secara akurnulasi tinier.

Dari gambar 6, terlihat bahwa perilaku perambatanretak antara basil prediksi dengan basil uji rnenunjukkankecenderungan yang sarna. Prediksi dilakukan secaraakurnulasi tinier (tanpa rnempertirnbangkan efekperlambatan retak akibat akibat beban puncak), sehinggakesarnaan pola kurva basil analisis dengan basilpengujian tersebut, rneng-indikasikan bahwa tidak terjadiefek perlambatan retakan akibat beban puncak padabeban biharn1Onik. Hal ini juga sesuai dengan pernbahasandiatas, yaitu dilihat dari perbandingan antar3 basil ujidengan beban arnpitudo konstan dan beban biharmonik,tidak terjadi efek perlarnbatan retakan pada bebanbiharmonik.

Gambar 6. Perbandingan perilaku perambatan fetalakibat beban biharmonik antara basil uji daD

prediksi.

Walaupun pola kurva antara basil uji denganprediksi relatif sarna, Damon terdapat perbedaan yangcukup signifikan, yaitu pada periode awal laju perambatanretak basil uji menunjukkan nilai yang lebih tinggikemudian pada periode akhir laju penmlbatan retak basilprediksi lebih cepat. Perbedaan ini disebabkan karenaprediksi diIakukan secara linier dengan mengasumsikanbeban biharmonik dianggap sarna dengan beban dinamishick (lihat Gambar 1). Prediksi kekuatan lelah sepertidiuraikan pada Gambar 1, dilakukan dengan taramenjurnlahkan secara tinier antara kekuatan lelah bebanyang kecil dengan beban yang besar. Karena analisadilakukan dengan meng-gunakan beban yang kecilterlebih dahuIu, maka perilaku perambatan retak padaperiode awal retakan menjadi lebih lambat dibandingkandengan basil uji. Kemudian pada periode akhir retakan,analisa dilakukan dengan beban yang besar, sehinggaperilaku perambatan retaknya menjadi lebih cepat daripada basil uji.

mempen:epat. Hal ini terlihat dari gambar 3 bahwa kurvareban bihannonik (c) rerada diserelah kanan dari kurvabeban amplitudo konstan untuk beban yang kecil (kurvaa). yang berarti bahwa kekuatan lelah akibat bebanbihannonik lebih rendah dibandingkan reban amplitudokonstan. Laju perambatan retak akibat beban bihannonikseperti ditunjukkan pada gambar 4. juga memperlihatkannilai yang lebih tinggi (cepat) dibandingkan bebanamplitudo konstan.

Efek akselerasi laju perambatan retak yang teljadipada beban bihannonik dapat dijelaskan sebagai rerikut:.Teljadinya perlambatan laju perambatan retak akibat

beban puncak, disebabkan oleh adanya daerahplastis yang teljadi pada saat beban puncak (lihatgambar 5). Jika daerah plastis akibat beban puncakadalah rl daD daerah plastis akibat beban biasa(beban kecil) adalah r 0' maka akan teljadi perlambatartlaju perambatan retak selama r 0 berada di dalam r,Sedangkan jika r 0 sudah melewati r" maka tidakteljadi efek perlambatan laju pe-rambatan retakan.

.Pada beban bihannonik, beban puncak timbul setiapdua siklus, dengan dernikian. maka sebelum rmencapai atau melewati r" sudah teljadi lagi r I~Karena daerah plastis akibat beban puncak r ,lebihjenis pembebanan ditunjukkan dalam kurva dari r ,maka laju perambatan retak yang diakibatkan oleh; Ilcl>ih cepat dibandingkan laju perambatan retak yangdiakibatkan oleh r o' Dengan demikian makakecepatan perilaku perambatan retak bebanbihannonik lcl>ih didorninasi oleh beban PUncaknya.Hal ini terlihat daTi basil penelitian yangmenunjukkan bahwa kUIva beban bihannonik (kwvac) mempunyai kecenderungan yang sarna denganbeban amplitudo konstan (kurva b), lihat gambar 3dan4.

Prediksi umur lelah secara teoritis akibat bebanbihannoni dilakukan secara akumulasi tinier denganmengabaikan pengaruh efek perlambatan retakan akibatbeban puncak. Dengan demikian beban bihannonik dapatdianggap sebagai beban dinamis blok dan umur lelahnyadapat diprediksi seperti diuraikan pada gambar I.Berdasarkan basil prediksi umur lelah, dapat ditentukan

KESIMPULAN

Pengaruh perlambatan retakan akibat bebanpuncak, sangat tergantung pada jenis serta intensitasGambar 5. Daerah plastis akibat beban puncak

Anwar don Djoko ~ Karmiadji 79

Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN1410-2897

pemunculannya. Pada pembebanan dengan bebanpuncak yang relatif sering muncuInya seperti bebanbihannonik, tidak terjadi perlambatan retak akibat bebanpuncak. Dengan tidak adanya pengaruh perlambatanretakan akibat beban puncak, maka perilaku perambatanretak akibat beban biharmonik dapat dianalisis secarabaik dengan pendekatan akumulasi linier berdasarkandata basil pengujian dinamis amplitudo konstan danmenganggap beban biharmonik sebagai beban dinamisblok.

Perilaku perambatan retak akibat pembebananbiharmonik mempunyai kecenderungan yang samadengan perambatan retak akibat beban amplitudakODStan,jika beban maksimum dan minimum dari bebanbiharmonik sarna dengan beban amplituda konstan.

DAFfAR PUSTAKA

[1] BROEK D., "Elementary Engineering FractureMechanics", Martinus Nijhoff Publishers,Dordrecht.,1987

[2] CHEN W.F. & HAN D.J., "Plasticity for Structural

Engineers". Springer-Verlag Hong Kong Limited.,1991.

[3] SCHlJVE J., "Fatigue and Damage Tolerance ofAircraft Structures", Delft University of Tech-nology., 1993.

[4] WAHYU D. & TRAUTMANN K.H., "FatigueTesting of Aircraft Materials". Cooperation LUK/BPPT -DFVLR in the Field of Aircraft Ma-

terials,Activity Report April 1986-1987.[5] WAHYU D., ,. Analisa Sifat Lelah Alumunium

Paduan Dalam Kaitan Hubungan Tegangan-Regangan". Simposium Nasional Kelelahan padaMaterial & Struktur, di Bandung, 13-15 Februari 1989.

80 Anwar dan Djoko ~ Karmiadji