-
Prediksi tak-rusak lokasi inisiasi retak pada proses fatik ...
(Dr. Roziq Himawan, M.Eng.)
PREDIKSI TAK-RUSAK LOKASIINISIASI RETAK PADAPROSES FATIK SIKLUS
RENDAH PADUAN TEMBAGA
MENGGUNAKAN ULTRASONIK
Roziq HimawanPusat Teknologi Bahan Industri Nuklir, BATAN,
Serpong
e-mail: [email protected]
ABSTRAK
PREDIKSI TAK-RUSAK LOKASI INISIASI RETAK PADA PROSES FATIK
SIKLUS
RENDAH PADUAN TEMBAGA MENGGUNAKAN ULTRASONIK. Fatik logam
merupakan faktordominan penyebab kegagalan komponen struktur,
dibandingkan dengan penyebab lainnya seperticreep dan beban
berlebih. Fenomena fatik ini juga terjadi pad a beberapa struktur
PLTN misalnyabejana tekan reaktor, pipa-pipa pendingin primer dan
pressurizer. Fatik pada struktur-struktur tersebutmerupakan fatik
siklus rendah yang dipicu oleh beban siklus yang terjadi sa at
reaktor start-up dan shutdown. Untuk menjamin integritas struktur,
dalam pelaksanaan in-service inspection dilakukan uji tak-rusak
untuk mendeteksi te~adinya retak dalam memonitor proses terjadinya
fatik. Penelitian terkaitdengan pengembangan metode monitoring
proses fatik telah dilakukan dengan objek pengamatan retakmikro
atau monitoring pertumbuhan retak. Dalam penelitian ini, dilakukan
uji tak-rusak menggunakanultrasonik terhadap spesimen yang sedang
mengalami uji fatik siklus rendah yang bertujuan untukmengembangkan
metode untuk memprediksi lokasi inisiasi retak. Selama uji fatik
berlangsung, ujiultrasonik dilakukan beberapa kali dengan
menghentikan sementara uji fatiknya. Uji ultrasonik dilakukandengan
metode water immersion yang menggunakan focusing probe 15MHz.
Analisis hasil uji ultrasonikdilakukan melalui analisis spektrum
frekuensi dengan dua parameter yaitu intensitas puncak
spektrumfrekuensi dan gradien fungsi atenuasi. Dari hasil analisis
diketahui bahwa seiring dengan kenaikansiklus pembebanan,
intensitas puncak spektrum frekuensi mengalami kenaikan yang
selanjutnya turundan gradien fungsi atenuasi mengalami penurunan di
awal proses fatik, selanjutnya meningkat secarakonsisten. Dari
hasil eksperimen disimpulkan, proses fatik logam dapat dimonitor
secara tak-rusakdengan ultrasonik saat pengujian tetapi belum mampu
menunjukkan lokasi inisiasi retak.
Kata kunci: Fatik siklus rendah, uji tak-rusak, uji ultrasonik,
metode water immersion, analisis spektrum.
ABSTRACT
NON-DESTRUCTIVE PREDICTION OF CRACK INITIATION LOCATION OF
COPPER
ALLOY ON LOW-CYCLE FATIGUE PROCESS USING ULTRASONIC. Metal
fatigue is a dominantfactor to structure's component failure
compared to the other factors such as creep and over load.Fatigue
phenomenon can occur in nuclear power plant's structure such as
reactor pressure vessel,primary coolant pipe and pressurizer.
Fatigue in these structures is a low-cycle fatigue due to
cyclicload when reactor start-up and shut down. To assure the
structure integrity, non-destructive testingswere performed along
in-service inspection to detect the crack occurence to monitor
fatigue process.Research on development of fatigue monitoring
method has been conducted subjected to micro cracksdetection or
crack growth monitoring. In this study, ultrasonic non-destructive
tests were performed tospecimens subjected to low-cycle fatigue
test, in order to predict location of crack initiation.
Ultrasonictests were performed using water immersion method with
focusing probe of 15MHz frequency. Resultsof ultrasonic tests were
analyzed by spectrum analysis with two parameters, that are peak
intensity andgradient of atenuation function. Analysis results show
that peak intensity of frequency spectrumincreases and then
decreases due to increasing of cycle number. Gradient of
attenuation functiondecreases then increases consistently. It's
concluded that metal fatigue process could be
monitorednon-destructively using ultrasonic, but crack initiation
location could not be detected yet.
Key words: Low-cycle Fatigue, non-destructive testing,
Ultrasonic Testing, water immersion method,spectrum analysis
315
-
Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan
Peneliti
BABI PENDAHULUAN
ISSN 2087-8079
Komponen-komponen penyusun sistem umumnya akan menerima beban
selamamasa operasi, baik beban yang sifatnya statis atau dinamis
(beban siklus). Terjadinya bebansiklus pada suatu material dapat
mengakibatkan terjadinya patah fatik (fatigue fracture).Berdasarkan
jumlah siklus pembebanan pada saat terjadi patah fatik, maka
fatikdikelompokkan menjadi dua, yaitu fatik siklus rendah dan fatik
siklus tinggi. Fatik siklusrendah didefinisikan jika patah fatik
terjadi pada pengulangan beban kurang dari 100.000 kali,sedangkan
fatik siklus tinggi adalah jika pengulangan beban lebih dari
100.000 kali. Padasuatu instalasi PLTN, banyak komponen yang
mengalami beban berulang yang dapatmengakibatkan kegagalan, baik
berupa fatik siklus rendah maupun fatik siklus tinggi. Fatiksiklus
rendah misalnya dapat terjadi pada bejana tekan reaktor, pipa
pendingin primer,pressurizer, katup isolasi uap utama dan pompa
resirkulasi, sedangkan, fatik siklus tinggimisalnya dapat terjadi
pada pompa dan tube-tube pada penukar panas.
Proses fatik material, secara garis besar dapat dibedakan
menjadi dua tahap yaitusebelum terjadi retak dan sesudah terjadi
retak. Proses sebelum terjadi retak meliputiterjadinya deformasi
plastis dan terjadinya slip band yang peristiwanya terjadi dalam
skalamikro. Pada proses setelah terjadinya retak pada dasarnya
merupakan proses perambatan(growth) retak hingga terjadinya
patah.
Untuk menghindari terjadinya patah fatik selama sistem
beroperasi maka perludilakukan pengelolaan terhadap umur (lifetime
management), yang salah satunya melaluipelaksanaan in-service
inspection (/SI). Oalam pelaksanaan ISI umumnya digunakanberbagai
macam metode pengujian yang sifatnya tidak merusak objek yang diuji
yang disebutuji tak-rusak, seperti uji penetrant, uji partikel
magnet, uji ultrasonik dan uji eddy current. Ujitak-rusak ini
bertujuan untuk mendeteksi adanya retak, yang merupakan akibat dari
prosesfatik.
Telah banyak dilakukan penelitian dalam rangka pengembangan
teknik pemantauanproses degradasi material akibat fatik, yang
umumnya pada objek pasca terjadinya retak[1-5].Selain itu, Ching,
et.al melakukan monitoring secara tak-rusak dengan metode
ultrasonikterhadap struktur mikro material akibat deformasi plastis
dengan kuantitas regangan yangberbeda-beda, di mana deformasi
plastis merupakan awal dari terbentuknya suatu retak[6].Oalam
penelitian tersebut diketahui bahwa parameter-parameter gelombang
ultrasonikmengalami perubahan seiring dengan kuantitas perubahan
deformasi plastis. Pada penelitiansebelumnya[7], proses degradasi
fatik siklus tinggi dipantau dengan metode ultrasonik yangbertujuan
untuk memprediksi lokasi terjadinya retak. Meskipun parameter
ultrasonikmenunjukkan perubahan seiring dengan jumlah pembebanan
berulang, namun lokasi retakbelum dapat diketahui.
Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan suatu metode
pemantauan prosesdegradasi material akibat fatik, khususnya untuk
memprediksi lokasi terjadinya retak.Berdasarkan kondisi operasi
PLTN, terjadinya fatik siklus rendah pada bejana tekan
reaktormengakibatkan deformasi plastis besar, maka uji fatik
dilakukan pada fatik siklus rendahsedangkan pemantauan secara
tak-rusak menggunakan metode ultrasonic water immersiondengan
focusing probe 15 MHz. Metode ultrasonik dipilih karena di samping
memiliki sifatnon-radiasi, gelombang ultrasonik juga mampu
mendeteksi kodisi di dalam material.Spesimen dibuat menggunakan
material kuningan (brass). Meskipun material ini tidakdigunakan
secara langsung terkait dengan reaktor nuklir, namun karena
material ini memilikielongation yang besar yang mana diharapkan
dapat memberikan dampak pada parametergelombang ultrasonik secara
signifikan. Sehingga, dalam tahap awal pengembangan ini akanlebih
mempermudah diperoleh hubungan antara proses fatik dan parameter
dalam pengujianultrasonik. Hasil uji ultrasonik dianalisis dengan
analisis spektrum frekuensi gelombangultrasonik.
Melalui penelitian ini diharapkan akan diperoleh metode untuk
memprediksi lokasiinisiasi retak pada proses fatik, sehingga dapat
diaplikasikan dalam pelaksanaan ISI yangakan menjamin integritas
struktur dalam PLTN. Selain itu penelitian ini juga menunjang
tugasbidang dalam evaluasi integritas struktur reaktor.
316
-
Prediksi tak-rusak lokasi inisiasi retak pada proses tatik ...
(Dr. Roziq Himawan, M.Eng.)
BAB II TEORI
2.1. Fatik Dalam Material Logam
Banyak struktur mekanik yang mengalami kegagalan meskipun
struktur tersebuthanya menerima beban yang jauh di bawah kuat tarik
material penyusun struktur tersebut.Hal ini dapat terjadi karena
beban terse but bekerja secara dinamis atau berulang-ulangterhadap
waktu. Fenomena ini disebut fatik, yang didefinisikan sebagai
perubahan sifat(mekanik) yang dapat terjadi pada material logam
akibat adanya tegangan atau regangansecara berulang. Secara umum
perubahan sifat ini akan mengakibatkan retak atau bahkanpatah.
Definisi ini juga berlaku untuk material non-Iogam seperti material
polimer.
Jika suatu material logam diberi beban, misalnya dalam uji
tarik, seiring dengansemakin bertambahnya tegangan, material akan
mengalami deformasi elastis sampai padategangan luluh (ays)
material tersebut dan setelah itu material akan mengalami
deformasiplastis. Meskipun dalam proses fatik material log am
tegangan yang bekerja lebih kecil daritegangan luluhnya, namun
proses fatik diawali oleh terjadinya deformasi plastis lokal,
yangkemudian memicu terjadinya retak kecil, selanjutnya tumbuh
menjadi retak besar danakhirnya mengakibatkan patah. Deformasi
plastik yang terjadi pad a proses fatik inidisebabkan oleh beban
yang bekerja secara siklus.
Deformasi plastis dapat terjadi karena di dalam struktur
material terdapat bidanggeser (slip plane) di mana jika ada beban
bekerja akan timbul pergeseran yangmengakibatkan deformasi plastis.
Karena bidang geser ini dalam satuan terkecil dimiliki olehkristal,
maka dalam suatu material terdapat bidang geser yang sangat banyak.
Jika materialmemperoleh beban dalam satu arah, misalnya pad a saat
uji tarik, maka arah pergeserannyake satu arah. Namun, jika
pembebanan dilakukan berulang-ulang secara siklus, di manasecara
relatif beban bekerja ke dua arah yang berlawanan secara
bergantian, maka arahpergeserannyapun ke dua arah yang berlawanan.
Jika dilihat secara mikro, hal ini akanmengakibatkan bentuk jejak
pergeseran yang menyerupai gunung dan lembah padapermukaan
material. Bagian yang berbentuk gunung ini disebut extrusion,
sedangkan bagianlembah disebut intrusion (Lihat Gambar 1). Jika
beban berulang terus terjadi, maka intrusionakan berevolusi menjadi
retak mikro, yang selanjutnya retak mikro ini akan tumbuh
menjadiretak makro .
.....•.... --- --- ----.-..••....,/ Slip pklnes "'.
1/ . ,.,,:::;. '\/ExtruslO~ ..:::::::~= \
i./:~;Y~· \ ._"[: ~ ,~ ~o(".
~ : 1 .~• J , •
, J • I ,\ ; .~•....... ,• J, .. ,"'\""" •.~,~l
." ..,.--------- ---..-...•....
Gambar 1. Skema terjadinya extrusion dan intrusion
2.2. Uji Tak-rusak
Untuk menjamin integritas struktur pada suatu instalasi setelah
instalasi beroperasi,. dilakukan In-service Inspection (/SI). ISI
yang dilakukan terhadap struktur termasuk
komponen penyusunnya harus tidak berdampak pada penurunan
sifat-sifat mekaniknya. Olehkarena itu, ISI umumnya dilakukan
dengan metode yang tidak menimbulkan kerusakan padaobjek yang
diujinya yang disebut uji tak- rusak (Non-destructive Testing).
Meskipun demikian,dalam instalasi PLTN dilakukan juga uji rusak
yang ditujukan untuk melakukan surveilanceprogramme bejana tekan
reaktor. Uji rusak yang biasanya dilakukan misalnya uji tarik,
ujiimpak dan uji kekerasan. Metode ini dilakukan untuk mengetahui
secara aktual kekuatan sifatmekanik bejana tekan.
317
-
Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti
ISSN 2087-8079
Dalam uji tak-rusak terdapat beberapa metode, di mana
metode-metode yangditetapkan sebagai metode uji tak-rusak untuk
satu negara berbeda dengan negara lain.Metode-metode yang
dikategorikan sebagai metode uji tak-rusak hampir di semua
negaraadalah:
1. Visual Testing (VT)2. Eddy Current Testing (ET)3. Magnetic
Particle Testing (MPT)4. Ultrasonic Testing (UT)5. Radiography
Testing (RT)
Sebagaimana namanya, VT dilakukan melalui pengamatan visual
terhadap objekpengujian. Untuk metode ET dan MPT disebut surface
method, karena secara umumdigunakan untuk melakukan deteksi
cacat-cacat permukaan, sedangkan metode UT dan RTdisebut volumetric
method, karena mampu digunakan untuk mendeteksi cacat-cacat
yangterdapat di dalam material.
Kelima metode uji tak-rusak di atas, masing-masing memiliki
keunggulan dankekurangan sehingga dalam uji tak-rusak tidak ada
metode yang paling baik dan metodeyang tidak baik. Masing-masing
metode digunakan untuk tujuan tertentu yangmempertimbangkan kondisi
cacat, lokasi cacat, lokasi objek pengujian, faktor ekonomis
danlain sebagainya. Bahkan, dalam suatu pengujian tidak dapat
ditentukan hanya dengan satujenis metode saja. Dalam hal ini, satu
metode merupakan pelengkap atau pendukung metodeyang lainnya.
2.3. Uji Tak-rusak MetodeUltrasonik
Sebagaimana namanya, uji tak-rusak metode ultrasonik adalah
metode pengujianyang mengaplikasikan gelombang ultrasonik. Dalam
pengujiannya, gelombang ultrasonikdibangkitkan oleh rangkaian
elektronik yang disebut pulser, selanjutnya gelombang
ultrasonikdalam bentuk energi listrik ini diubah menjadi energi
mekanik untuk diteruskan ke benda ujioleh sensor yang disebut
probe. Jika gelombang ultrasonik mengenai suatu
inhomogenitaskarakteristik akustik, maka akan terjadi pemantulan.
Gelombang pantul tersebut akanditangkap oleh probe dan diubah lagi
menjadi energi listrik.
Dalam pelaksanaan pengujian ultrasonik, terdapat berbagai jenis
gelombangultrasonik, tipe probe, dan metode pengujian yang
disesuaikan dengan objek dan tujuanpengujiannya. Saat ini metode
ultrasonik banyak digunakan untuk mendeteksi adanya cacatyang
sering muncul dalam sambungan las atau metode fabrikasi yang
lainnya. Selain itu,metode ultrasonik dapat juga digunakan untuk
memprediksi modulus Young, E, kekerasanmaterial logam, menentukan
porositas dan lain-lain, yang dilakukan dengan penyusunansuatu
rumus empiris untuk suatu material tertentu.
2.4. PengujianUltrasonik Untuk Monitor Proses Fatik
Dalam studi Ching etal., diketahui bahwa bahwa
parameter-parameter pengujianultrasonik memiliki korelasi dengan
kuantitas deformasi pada material logam[6]. Oleh karenaitu,
berdasarkan hasil tadi, dilakukan studi untuk memprediksi lokasi
inisiasi retak padaproses fatik menggunakan metode ultrasonik.
Dalam pengujian ultrasonik, hasil pengujian diperoleh berupa
sinyal gelombangpantul, gelombang transmisi atau gelombang hambur
di mana sinyal-sinyal tersebut beradadalam domain waktu. Untuk
melakukan analisis kuantitatif di dalam domain waktu, kadangkala
terdapat kesulitan karena perubahan nilai-nilai parameter terlalu
kecil, di mana nilaiperubahan ini lebih kecil dari derau (noise)
atau fluktuasi hasilnya. Parameter yang biasadigunakan dalam domain
waktu adalah amplitudo sinyal, nilai atenuasi dan cepat
rambatgelombang dalam spesimen.
Dalam penelitian ini, analisis hasil pengujian ultrasonik
dilakukan dalam domainfrekuensi. Untuk mengubah dari domain waktu
ke domain frekuensi diperlukan suatu fungsimatematika yang disebut
Fourier Transform. Jika f(t) adalah suatu fungsi dalam domainwaktu,
dan F(w) adalah suatu fungsi dalam domain frekuensi, Fourier
Transform dinyatakandengan persamaan
318
-
Prediksi tak-rusak lokasi inisiasi retak pada proses tatik ...
(Or. Roziq Himawan, M.Eng.)
00
F(m)= ff(t)e-j{Ufdt (1 )
(2)
dengan t adalah waktu, w adalah frekuensi dan j adalah bilangan
imajiner.Oalam pelaksanaan analisis, sinyal ultrasonik
di-digitalisasi untuk mendapatkan data
numerik. Karena persamaan (1) merupakan fungsi kontinyu, maka
dalam pelaksanaananalisis digital diperlukan fungsi diskrit. Fungsi
Fourier Transform dalam persamaan (1),dapat dinyatakan dengan
persamaan diskrit
2 .n-l -~ jk
fj = LXke nk=O
Nilai x dalam persamaan (2) adalah data numerik hasil pengujian
ultrasonik dan n adalahjumlah data. Algoritme untuk melakukan
komputasi persamaan (2) dengan cepat disebut FastFourier Transform
(FFT) dan yang paling umum digunakan adalah algoritme Cooley-
Tukey.Gambar 2 memperlihatkan contoh sinyal ultrasonik dan spektrum
frekuensi hasil FFT.
Untuk melakukan kuantifikasi digunakan dua parameter, yaitu:1.
Intensitas puncak spektrum2. Gradien fungsi atenuasi
Intensitas puncak spektrum adalah nilai maksimum yang
ditunjukkan dalam Gambar 2(b),sedangkan gradien fungsi atenuasi
didefinisikan sebagaimana diuraikan berikut.
4
-2
-4
6 7 8 9 10
Time (l-1s)
(a) Sinyal gelombang pantul
II
16
12
.G-.;;;~ 8.•.=-
4
0
0
5 to 15 20 25 30
Frequency (MHz)
(b) Spektrum frekuensi geJombang pantul
Gambar 2. Contoh sinyal ultrasonik dan spektrum frekuensi hasil
FFT
319
-
Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti
ISSN 2087-8079
Pada pengujian ultrasonik dalam penelitian ini, diambil 2 (dua)
data yaitu sinyalgelombang pantul dari permukaan atas spesimen
standar dan dari permukaan bawahspesimen. Jika spektrum frekuensi
gelombang pantul permukaan atas spesimen standardinyatakan dengan
'R(w) dan spektrum frekuensi gelombang pantul permukaan
bawahspesimen uji dinyatakan dengan 'B(w) , perbandingan kedua
parameter terse but dinyatakandengan persamaan
(3)
Persamaan ini disebut dengan transfer function[8]. Namun karena
persamaan inimenunjukkan rasio atenuasi pada domain frekuensi, maka
selanjutnya disebut fungsiatenuasi[8]. Selanjutnya, untuk mencari
gradien fungsi atenuasi dilakukan regresi dalamrentang frekuensi
antara 1OMHz-20MHz seperti yang diperlihatkan pad a Gambar 3.
Rentang gradienfungsi atenuasi
140
CC
2- 120c0u 100c =""-c.2 80§ cQ) 60::;:
400
5 10 15
Frequency (MHz)
20 25 30
BAB III METODOLOGI
3.1. Bahan
Gambar 3. Contoh hasil fungsi atenuasi
Pada penelitian ini digunakan spesimen yang terbuat dari
material paduan tembaga(Cu-40Zn) berbentuk pelat dengan ketebalan
4mm. Komposisi unsur paduan tembaga inidiperlihatkan pada Tabel 1
sedangkan bentuk dan ukuran spesimen diperlihatkan pad aGambar 4.
Seperti diperlihatkan pad a Gambar 4, bagian tengah spesimen dibuat
melengkungdengan jari-jari 100 mm, dengan tujuan agar tegangan
terkonsentrasi di bagian tengahspesimen sehingga deformasi plastis
dan retak akan mudah terjadi di bagian tengah ini.Untuk
menghilangkan tegangan sisa (residual stress), spesimen diberi
perlakuan panasmelalui proses annealing yang dilakukan pada
temperatur 837 K(600°C) dan waktu tahanselama 4 jam. Untuk
menghindari besarnya hamburan gelombang ultrasonik padapermukaan
spesimen, maka spesimen dipoles menggunakan amplas dengan
tingkatkekasaran #100 - #800.
320
-
Prediksi tak-rusak takasi inisiasi retak pada proses tatik. ..
(Dr. Raziq Himawan, M.Eng.)
Tabel 1. Komposisi unsur paduan Cu-40Zn (wt%)
No. Komponen Komposisi1
Cu 59,0-62,02
Pb
-
Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti
ISSN 2087-8079
Pengujian ultrasonik dilakukan dengan metode Ultrasonic Water
Immersion (UWI).Set-up pengujian ultrasonik diperlihatkan pada
Gambar 5. Pengujian dilakukan menggunakanprobe tipe focusing dengan
jarak fokus 25 mm dan memiliki frekuensi tengah/nominal 15 MHz.Pada
saat pengujian, titik fokus probe diposisikan pada permukaan bawah
spesimen dengancara sedemikian rupa sehingga amplitudo gelombang
balik pertama mencapai maksimum.Untuk melakukan pengujian pengaruh
luas penampang karena terjadinya deformasi plastis,dilakukan
pengujian ultrasonik di sepanjang garis tengah spesimen (arah
memanjang)dengan interval titik pengujian 5 mm (Gambar 6(a)). Pada
daerah yang diperkirakanmengalami regangan (strain) besar yaitu di
bagian tengah spesimen, dilakukan pengujianultrasonik dengan
interval 1 mm (berjumlah 14 titik ke arah panjang spesimen dan 23
titik kearah tegak) seperti diperlihatkan pad a Gambar 6(b).
Pengujian pada area ini dilakukandengan menganalisis gelombang
pantul dari permukaan atas (surface reflected wave) dangelombang
pantul dari permukaan bawah pertama (backwall reflected wave). Data
pengujianyang berupa gelombang ultrasonik didigitalisasi dan
diakuisisi secara langsung dengankomputer. Digitalisasi dilakukan
dengan laju akuisisi (sampling rate) 0,2 ns dan setiap
datagelombang terdiri dari 10.020 titik data. Untuk mengeliminasi
fluktuasi hasil pengukuran yangbersumber dari alat uji, maka dibuat
spesimen standar dari material yang sama danmengalami perlakuan
yang sama. Setiap pengujian diawali dengan pengujian
spesimenstandar yang hasilnya digunakan untuk menormalisasi hasil
pengujian terhadap spesimen uji.Untuk menganalisis gelombang pantul
ultrasonik, dilakukan analisis spektrum sebagaimanadiuraikan pada
bab sebelumnya.
Arah beban
Load Direction
-50
000000000000000
o
(a)
(b)
50
Arah beba
Load direction
Gambar 6. Titik dan area pengujian ultrasonik
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 7 memperlihatkan intensitas puncak spektrum frekuensi
dari gelombangpantul permukaan bawah pada masing-masing titik
pengukuran di sepanjang garis tengah
322
-
Prediksi tak-rusak takasi inisiasi retak pada proses tatik ...
(Dr. Raziq Himawan, M.Eng.)
spesimen (titik-titik yang tersusun memanjang ke arah sumbu
spesimen pada Gambar 6 (a)).Masing-masing simbol dalam grafik
menunjukkan jumlah siklus pembebanan pada saatpengujian ultrasonik.
Oari gambar ini dapat diketahui beberapa hal. Pertama, sejak
awalpengujian ultrasonik (sebelum spesimen diberi beban) nilai
intensitas spektrum berbeda-bedatergantung pada posisinya. Hal ini
menunjukkan bahwa kondisi material tidak homogensecara akustik
(dampaknya terhadap gelombang ultrasonik), di mana karena
gelombangultrasonik merambat menembus material, maka inhomogenitas
ini disebabkan oleh kondisistruktur mikro di dalam material.
o
Position from center line [mm]
Ket: N adalah jumlah siklus pembebanan
0.008
Q:)
2-~~0.007
U()Cor/)>, 0.006
()c:()""()~Il. 0.0050 ~.~
-+-N=O
"...•..• N=50.000
c:
0.004 +N=70.000.:<
-+- N=90.000
.,+- N=1l0.000() c. ...g... N=130.000
0.003-50
-25
25 50
Gambar 7. Intensitas puncak spektrum frekuensi pada garis tengah
spesimen
Kedua; meskipun di semua titik memiliki pola perubahan nilai
intensitas puncakspektrum yang sama, namun tidak terlihat hubungan
yang jelas antara kenaikan sikluspembebanan dengan intensitas
puncak spektrum frekuensi. Ketiga, secara kualitatif, di
awalpembebanan, intensitas puncak spektrum frekuensi di bagian
tengah spesimen mengal amikenaikan secara drastis, setelah itu
mengalami kenaikan sedikit dan akhirnya mengalamipenurunan.
Kenaikan di awal pembebanan ini disebabkan karena besarnya tegangan
yangbekerja pada spesimen saat uji fatik siklus rendah, sehingga
spesimen mengalami deformasiplastis besar yang mengakibatkan
penipisan tebal spesimen akibat efek poisson ratio.Deformasi
plastis ini memberikan dampak pada kenaikan intensitas puncak
spektrum,sedangkan di bagian pinggir spesimen rentang perubahan
intensitas puncak spektrum tidakselebar pada bagian tengah
spesimen.
Gambar 8 memperlihatkan hasil pengujian di bagian tengah
spesimen (Iokasipengujian ultrasonik yang diperlihatkan pada Gambar
6 (b), berupa 14 titikx23 titik). Gambarini menunjukkan kontur
intensitas puncak spektrum frekuensi dari gelombang pantulpermukaan
bawah. Arah mendatar pada gambar searah dengan arah pembebanan.
Warna-warna di dalam gambar menunjukkan nilai intensitas puncak
spektrum, di mana warna hijauadalah nilai terendah dan semakin
beralih ke warna hijau muda, kuning, oranye dan merahnilai semakin
besar. Nilai intensitas puncak spektrum tidak memiliki satuan. Oari
gambar inidapat diketahui bahwa distribusi intensitas puncak
spektrum frekuensi mengalami perubahanselama proses degradasi
fatik.
Oalam Gambar 8 dapat diamati bahwa sebelum spesimen mengalami
pembebanan,N=O, hasil pengujian ultrasonik menunjukkan hasil yang
hampir sama di semua lokasi,kecuali di beberapa tempat menunjukkan
nilai yang lebih besar. Hal ini memperkuat hasilpengujian pad a
Gambar 7, bahwa secara akustik material memiliki inhomogenitas.
Selain itu,distribusi intensitas puncak spektrum frekuensi
menunjukkan adanya pola berbentukmemanjang ke arah sumbu
pembebanan. Karena arahnya yang sama dengan arahpengerolan saat
fabrikasi material, maka pola ini terbentuk karena kondisi struktur
mikro yangdiakibatkan ketika proses pengerolan.
323
-
Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti
ISSN 2087-8079
Setelah dilakukan pembebanan pada spesimen (pada N=50.000),
terjadi kenaikanintensitas puncak spektrum frekuensi yang ditandai
dengan perubahan warna. Perubahan iniumumnya terjadi pad a daerah
di mana pada saat N=O memiliki nilai yang relatif tinggi. Oisamping
mengalami kenaikan intensitas, daerah ini mengalami pelebaran
juga.
Seiring dengan pertambahan jumlah siklus pembebanan (dari
N=70.000 -N=110.000) pola ini hampir tidak mengalami pergeseran
lokasi. Oi dalam daerah sabuk ininilai intensitas puncak spektrum
mengalami kenaikan dibandingkan kondisi awal. Karena diawal
pembebanan, spesimen menerima tegangan yang besar, maka hal ini
menimbulkandeformasi plastis sehingga terbentuknya pola sabuk ini
merupakan perwujudan terjadinya slipband pada spesimen[8,9]. Oari
pengamatan ini (hasil pengujian sebelum pembebanan dansetelah
dilakukan pembebanan) maka dapat diketahui bahwa pola-pola yang
terbentuk padakontur hasil pengujian merupakan refleksi atau
pengaruh dari struktur dalam material (strukturmikro).
Pada N=130.000, daerah sabuk yang memiliki nilai intensitas
puncak spektrum tinggimengalami penurunan intensitas (membelah
warna merah). Penurunan ini diakibatkan olehadanya proses hardening
pada material. Oi mana pada proses hardening ini terjadi
vortex(patahan) slip band selama material mengalami deformasi.
Selain itu, dalam pengujian fatik,retak pertama kali diamati pada
saat jumlah pembebanan N mencapai 130.000, sedangkanspesimen
mengalami patah pada NF133.900. Meskipun retak diamati pada
N=130.000 tetapihasil pengujian ultrasonik (dalam hal ini
intensitas puncak spektrum frekuensi) tidakmemperlihatkan
tanda-tanda kejadian retak. Oari pengamatan visual yang dilakukan
denganmikroskop diketahui bahwa inisiasi retak terjadi dari sisi
samping spesimen (bukanpermukaan), sehingga tidak terefleksikan
pada gelombang pantul permukaan bawah. Oarijumlah siklus pembebanan
saat terjadinya inisiasi retak dibandingkan jumlah sikluspembebanan
saat spesimen patah, dapat diketahui bahwa umur fatik didominasi
oleh umurterjadinya inisiasi retak. Hal ini menunjukkan monitoring
degradasi fatik pra terjadinya retakperlu dilakukan.
Gambar 9 memperlihatkan hubungan antara nilai gradien fungsi
atenuasi di bagiantengah dan bagian ujung posisi pengujian yang
diperlihatkan pada Gambar 6(a) denganjumlah siklus pembebanan.
Sumbu mendatar menunjukkan jumlah pembebanan, sedangkansumbu tegak
menunjukkan nilai gradien fungsi atenuasi. Simbol hitam (closed)
menunjukkanhasil pengujian di bagian ujung, sedangkan simbol putih
(open) menunjukkan hasil pengujiandi bagian tengah.
(a)
5
i9111315Ii192123-(Y) •...M'"r--0\•...M•... •...
(b)
324
(c)
-
Prediksi tak-rusak lokasi inisiasi retak pada proses tatik ...
(Dr. Roziq Himawan, M.Eng.)
11
13
15
17
19
21
(d) (e)
• < 0,004 D 0,004 - 0,0045 D 0,0045 - 0,005D 0,005 - 0,0055 •
0,0055 - 0,006
(f)
(a) N=O, (b) N=50.000, (c) N=70.000, (d) N=90.000, (e)
N=110.000, (f) N=130.000N indicates number of load cycle
Gambar 8. Oistribusi intensitas puncak spektrum frekuensi hasil
pengujian ultrasonik padamasing-masing jumlah pengulangan
pembebanan (N)
Dari gambar ini diketahui bahwa sebelum spesimen men gal ami
pembebanan, nilaigradien atenuasi menunjukkan perbedaan. Setelah
beban diberikan pada spesimen, gradienfungsi atenuasi men gal ami
penurunan, setelah nilai minimum tercapai mengalami kenaikansecara
gradual seiring dengan kenaikan jumlah siklus pembebanan. Pad a
tahap akhir,menjelang spesimen patah, gradien fungsi atenuasi
mengalami stagnan atau sedikitpenurunan. Kecenderungan atau trend
ini terjadi baik di bagian tengah maupun ujungspesimen, namun
perubahan di bagian tengah mengalami perubahan yang lebih
besar.
••••
•
3.5
:i ~~
3.3
~ c.9Uc3.]:: ~c.9~:: 2.9
c E
-
Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti
ISSN 2087-8079
(4)
Interaksi gelombang ultrasonik dengan material yang berdampak
pada atenuasidipengaruhi oleh dua hal utama, yaitu dislokasi dan
hamburan oleh batas butir material. Jikagelombang ultrasonik
dimasukkan ke dalam material, maka dislokasi yang ada di
dalammaterial tersebut akan mengalami vibrasi menggunakan energi
gelombang ultrasonik,sehingga energi gelombang ultrasonik mengalami
penurunan atau atenuasi.
Interaksi antara atenuasi dan dislokasi di dalam material
dijelaskan oleh Granato[10],yang dinyatakan dalam persamaan berikut
ini.
a = (1~~~~}L4/'dengan, (J. adalah atenuasi gelombang ultrasonik,
G adalah shear modulus, B adalah specificdamping constant, A adalah
densitas dislokasi, L adalah panjang rata-rata loop dislokasi,
fadalah komponen frekuensi gelombang ultrasonik yang digunakan, b
nilai Burgers vector,
dan C adalah dislocation-line tension dan dinyatakan dengan AGb2
, A adalah konstantayang nilainya 0,5.
Pada awal proses fatik, dalam waktu yang pendek terjadi
deformasi plastis yangbesar dan menimbulkan terjadinya slip band.
Terjadinya slip band akan meningkatkandensitas dislokasi yang
kemudian dislokasi bergerak menuju ke subsurface[11].Peningkatkan
densitas dislokasi memberikan konsekuensi meningkatnya panjang
loopdislokasi (L). Berdasarkan persamaan (8), karena A dan L
meningkat maka atenuasimeningkat. Selain itu, terjadinya deformasi
plastis berdampak juga pad a spektrum frekuensi,dimana spektrum
frekuensi akan mengalami ke arah frekuensi yang lebih tinggi [8].
Dua hal inimengakibatkan penurunan nilai gradien atenuasi
sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 9.
Pada proses fatik selanjutnya, deformasi plastis relatif konstan
dan pada tahap initerjadi hardening (pengerasan). Pad a saat ini
densitas dislokasi mengalami penurunan dangerak/mobilitasnyapun
berkurang. Sehingga hal ini akan mengurangi atenuai. Kondisi
inimengakibatkan kenaikan gradien fungsi atenuasi pada Gambar
9.
Hubungan antara atenuasi dan hamburan batas butir dinyatakan
denganpersamaan[12].
(5)
dengan (J. atenuasi gelombang ultrasonik, a konstanta absorbsi,
S koefisien hamburan, 0diameter rata-rata butiran dan f frekuensi
gelombang ultrasonik yang digunakan. Daripersamaan (5) dapat
diketahui bahwa ukuran butir dalam material memberikan dampak
padaatenuasi sebanding dengan pangkat 3. Selama proses fatik, pad a
arah sumbu memanjangspesimen akan mengalami elongasi sebaliknya,
karena efek poisson ratio pada arahketebalan akan mengalami
penipisan. Hal ini berdampak pada bentuk mikrostruktur yangberubah
menjadi kecil memanjang. Ukuran mikrostruktur ini berhubungan erat
dengankuantitas regangan (strain) E. pengaruh regangan terhadap
atenuasi ini dinyatakan dengan[8]
dengan (J. atenuasi, B konstanta, E regangan dan f frekuensi
gelombang ultrasonik yangdigunakan.
Dari persamaan (6) diketahui bahwa atenuasi merupakan fungsi
dari regangan danfrekuensi. Peningkatan regangan akan meningkatkan
atenuasi, dalam parameter penelitianini akan berdampak pada
penurunan gradien fungsi atenuasi.
Berdasarkan kedua teori di atas, maka proses perubahan gradien
fungsi atenuasiselama proses fatik dapat dijelaskan sebagai
berikut. Proses fatik dapat dibedakan menjadi 3tahap. Pertama,
terjadinya deformasi plastis secara signifikan di awal-awal
pemberian beban.Deformasi plastis ini mengakibatkan penurunan
gradien frekuensi. Dalam saat yangbersamaan, deformasi plastis ini
mengakibatkan kenaikan densitas dislokasi yang akanmeningkatkan
gradien fungsi atenuasi. Namun, karena dampak perubahan struktur
mikroakibat deformasi terhadap gradien fungsi atenuasi lebih besar
daripada dampak dislokasi
326
-
Prediksi tak-rusak lokasi inisiasi retak pada proses fatik ...
(Dr. Roziq Himawan, M.Eng.)
terhadap gradien fungsi atenuasi, maka penurunan gradien fungsi
atenuasi mendominasiperubahan.
Kedua, setelah deformasi plastis besar terjadi, deformasi
plastis tetap berlangsungmeskipun keci!. Pada tahap ini peran
peningkatan densitas dislokasi lebih dominan, sehinggagradien
fungsi atenuasi mengalami peningkatan.
Ketiga, tahap terakhir dalam proses fatik, deformasi plastis
telah selesai yang diikutidengan proses pengerasan (hardening) pada
material, di mana pada proses penegrasan inidislokasi mengalami
pengungkungan sehingga tidak bisa bergerak. Oleh karena
dislokasitidak memerlukan energi untuk bergerak, maka gelombang
ultrasonik tidak kehilangan energi,yang ditunjukkan dengan gradien
fungsi atenuasi yang konstan atau relatif turun.
Jika melihat kedua spektrum pengujian (spektrum gelombang pantul
dari permukaanspesimen standar dan spektrum gelombang pantul dari
permukaan bawah spesimen uji),penurunan gradien fungsi atenuasi
kemungkinan disebabkan oleh pergeseran spektrumfrekuensi gelombang
pantul dari permukaan bawah spesimen uji ke arah frekuensi
tinggi.Untuk memastikan hal ini, selanjutnya dilakukan simulasi
perubahan gradien fungsi atenuasimenggunakan sinyal gelombang
pantul permukaan atas spesimen standar dan sinyalgelombang pantul
permukaan bawah spesimen uji yang belum diberi beban, dengan
tatacara sebagai berikut.
Pertama-tama, dicari spektrum frekuensi dari kedua sinyal
tersebut, selanjutnyaspektrum frekuensi gelombang pantul permukaan
bawah spesimen uji digeser ke arahkomponen frekuensi tinggi sedikit
demi sedikit sebesar 1 MHz seperti diperlihatkan pad aGambar 10.
Pada Gambar 10, spektrum yang lebih besar adalah spektrum gelombang
pantuldari permukaan spesimen standar yang menggunakan skala di
sebelah kanan, sedangkanspektrum yang kecil adalah spektrum
gelombang pantul dari permukaan bawah spesimen ujiyang menggunakan
skala di sebelah kiri. 4 spektrum frekuensi kecil menunjukkan
pergeseranatau perubahan posisi spektrum dari frekuensi rendah ke
frekuensi tinggi.
Setelah itu, untuk masing-masing posisi spektrum frekuensi yang
kecil dicarispektrum fungsi atenuasinya, di mana hasilnya
diperlihatkan pada Gambar 11. Oari Gambar11 dapat diketahui bahwa
jika spektrum frekuensi kecil mengalami pergeseran ke arahfrekuensi
tinggi, grafik fungsi atenuasi mengalami penurunan di bagian
kanan.
0.015 I , 15
Frequency Spectrum from front surface reflected wave
//--''
-
Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti
ISSN 2087-8079
110
coU 90c::J
(.L.
Co..;:ro::JC(!j 70~
50
o
Initial atenuation function diagram
Atenuation Function arter I MHz shirtnlg
Atenuation Function arter 2 M Hz shilling
Atenuation Function arter 3 MHz shirtnlg
10
Frequency (MHz)
20 30
3
2
1
o
-1
Gambar 11. Perubahan fungsi atenuasi da/am simu/asi
o 1 2 3 4
Shifting ofbackwall reflected wave (MHz)
Gambar 12. HasH Simu/asi Pergeseran Spektrum
Terakhir, dari grafik fungsi atenuasi dieari gradien fungsi
atenuasi untuk komponenfrekuensi di dalam rentang frekuensi 10-20
MHz. Hasil perhitungan gradien fungsi atenuasidiperlihatkan pada
Gambar 12. Oari Gambar 11 dan 12 dapat diketahui bahwa
semakinspektrum frekuensi bergeser ke arah frekuensi tinggi, grafik
fungsi atenuasi semakin landai(Gambar 11) dan ini mengakibatkan
gradien fungsi atenuasi berkurang (Gambar 12).
Oari simulasi ini diketahui bahwa untuk penurunan gradien fungsi
atenuasi sebesar 1dB/MHz, spektrum frekuensi perlu bergeser sekitar
0,5MHz ke arah frekuensi tinggi. Namun,dalam penelitian ini
perubahan gradien fungsi atenuasi dalam pengujian ultrasonik lebih
keeildari 0,5dB/MHz. Pad a Gambar 9 diperlihatkan bahwa perubahan
gradien fungsi atenuasi
328
-
Prediksi tak-rusak takasi inisiasi retak pada proses (atik ...
(Dr. Raziq Himawan, M.Eng.)
pada pengujian ultrasonik besarnya sekitar 0,1 dB/MHz. Sehingga
perubahan puncakfrekuensi tidak akan dapat terdeteksi sebagai
frekuensi puncak dalam spektrum frekuensi.Oari hal ini diketahui
bahwa resolusi alat ukur tidak cukup untuk mendeteksi perubahan
yangterjadi selama proses fatik untuk dapat memprediksi lokasi
retak. Pada pengujian takmerusak menggunakan ultrasonik, resolusi
sistem terkait dengan frekuensi probe gelombangultrasonik yang
digunakan. Semakin tinggi frekuensi gelombang ultrasonik yang
digunakan,akan semakin meningkatkan resolusi sekaligus sensitivitas
pengujian.
BAB V KESIMPULAN
Telah dilakukan pengujian ultrasonik terhadap material yang
diberi beban siklus untukmemprediksi lokasi inisiasi retak selama
proses degradasi fatik berlangsung. Pengujianultrasonik dilakukan
dengan metode water immersion menggunakan probe fokus
denganfrekuensi 15 MHz. Oari hasil pengujian diketahui bahwa
intensitas puncak spektrumfrekuensi tidak menunjukkan kecenderungan
yang baku terhadap kenaikan jumlah sikluspembebanan, sedangkan
gradien fungsi atenuasi mengalami penurunan di awal proses
fatik,selanjutnya meningkat secara konsisten. Oengan demikian
metode tak-rusak denganultrasonik dapat digunakan untuk melakukan
monitoring proses fatik, namun perubahan yangmenunjukkan lokasi
retak atau daerah plastis tidak dapat diamati dengan metode
yangditerapkan pada penelitian ini.
SARAN
Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan, untuk dapat
memperoleh hasilpengujian yang dapat memonitor lokasi retak, maka
dalam penelitian berikutnya disarankanuntuk:
1. Menggunakan frekuensi yang lebih tinggi untuk meningkatkan
ketelitian pengukuran,sehingga area deformasi yang diamati lebih
kecil.
2. Memperkecil jarak jumlah pembebanan antara satu pengujian
ultrasonik denganpengujian berikutnya.
DAFTAR PUSTAKA
[1] HIRAO, M., et ai, Small Fatigue Crack Behavior in 7075- T651
Aluminum as Monitoredwith Rayleigh Wave Reflection, Metallurgical
Transaction A, Vol. 24A, (1998) 1773-1782.
[2] J. Lankford, The Growth of Small Fatigue cracks in 7075-T6
Aluminum, Fatigue of Eng.Mat. And Struc., Vol. 5(3) 233-248.
[3] R.L. Jungerman, et aI., Optical Detection of Acoustic
Displacement for theCharacterization of Surface Defects, Material
Evaluation, Vol. 42 (4) 444-450.
[4] R. Himawan, Deteksi Retak Permukaan Akibat Fatik Siklus
Rendah Dengan MetodeWater Immersion Transduser Tunggal, Pros.
Pertemuan dan Presentasi IImiahPenelitian Oasar IImu Pengetahuan
Oan Teknologi Nuklir, (2003) 107-114.
[5] TRUELL, et aI., Ultrasonic Methods in Solid State Physics,
Academy Press, New York,1969.
[6] CHING, et aI., Influences of Tensile Direction and Plastic
Strain on Ultrasonic
Parameters Measured with Rolled Brass Plates, NDT&E
International, Vol. 32 (1999)355-361.
[7] Roziq Himawan, Perubahan Spektrum Frekuensi Gelombang
Ultrasonik pada ProsesRusak Fatik Siklus Tinggi, Prosiding
Pertemuan dan Presentasi IImiah Kalibrasi,Instrumentasi dan
Metrologi (PPI-KIM) (2003) 256-268.
[8] KATO, et aI., Relationship Between Ultrasonic Parameters and
Local Strain in PlasticallyDeformed Brass Plates, JSNOI, Vol. 50,
No.1, (2001) 34-40.
329
-
Iptek Nuklir: Bunga Rampai Presentasi IImiah Jabatan Peneliti
ISSN 2087-8079
[9] Suprapedi and Toyooka, Time-division Observation of Plastic
Deformation ProcessUsing Digital Speckle Pattern Interferometry,
Optical Review, 4, (1997) 284-287,.
[10] GRANATO, et. aI., Theory of Mechanical Damping due to
Dislocation, Journal of AppliedPhysics, 27 (1956) 583.
[11] HIRAO, M., et aI., Ultrasonic Attenuation Peak During
fatigue of Polycrystalline, ActaMaterialia, Vol. 48, (2000)
517-524.
[12] ANONYMOUS, Ultrasonic Flaw Detection Method, Japanese
Industrial Newspaper,(1974)13.
330