Document

KAPAL42ANALISA KEKUATAN PUNTIR DAN KEKUATAN LENTUR PUTARPOROS BAJA ST 60 SEBAGAI APLIKASI PERANCANGAN BAHANPOROS BALING-BALING KAPALSukanto Jatmiko*, Sarjito Jokosisworo** Program Studi Teknik Perkapalan Fakultas Teknik UNDIPAbstrakDalam penelitian ini akan dilakukan uji tarik, uji komposisi, uji puntir dan uji lentur putar untuk material bajakarbon ST 60. Tujuannya untuk mengetahui apakah baja ST 60 memenuhi persyaratan BKI sebagai bahan porosbaling-baling kapal ditinjau dari aspek kekuatan tarik dan komposisi materialnya. Sedangkan tujuan uji puntirdan uji lentur putar adalah untuk menganalisa aspek kekuatan puntir material dalam menerima beban puntirhingga patah. Dan juga untuk memprediksi ketahanan lelah material terhadap beban lentur putar hingga terjadikegagalan lelah.Metode pengujian material akan dilakukan hingga dicapai hasil yang menggambarkankekuatan dankarakteristik material. Sampel bahan uji berupa spesimen yang menggunakan standar ASTM. Sifat beban yangdiberikan mencakup beban statis untuk uji tarik dan puntir, dan beban dinamis untuk uji lentur putar.Hasil penelitian ini berupa nilai kekuatan material yang kemudian dibandingkan dengan nilai minimumpersyaratan BKI. Beberapa hasil seperti penampang patahan juga dapat mewakili karakter keuletan material.Hasil yang dicapai bahwa baja ST 60 memenuhi persyaratan BKI ditinjau dari kekuatan tarik (706,47 Mpa) dankomposisi materialnya C (0,473%), Mn (0,71%), Si (0,274%), P (0,0014%), S (0,0034%). Sedangkan untuk ujilentur putar diperoleh nilai batas maksimum aman untuk beban tekuk yaitu 283,95 Mpa.Kata kunci : uji tarik, uji puntir, uji lentur putar, komposisi material, takik.PENDAHULUANLatar BelakangSeiring dengan banyaknya kegagalan mekanisyang ditemui, perkembangan ilmu pengetahuandan banyaknya penemuan baru, menyebabkanfaktor-faktorperancangan mulaibertambah.Salah satu contohnya misalnya faktor kelelahanlogam. Pada saatfaktor kelelahan belumdiketahui, perencanaan suatu komponen hanyadidasarkan pada pembebanan statik. Namundalam prakteknya kemudian ditemukan banyakmasalah seperti patahnya poros kereta api,poros roda mobil, rusaknya rivet pada kabinpesawat, dan peristiwa patahnya poros baling-baling kapal (Propeller Shaft).Untuk mengetahui seberapa besar pengaruhbeban-beban tersebut terhadap kekuatan lelahmaterialporos, maka diperlukan pengujianmaterial menggunakan benda uji (spesimen)dan disertai dengan analisa maupun perhitungansecara teliti.Dalam pengujian lelah/ fatigue dipengaruhiolehbeberapafaktoryaitukonsentrasitegangan,kondisipermukaan,dimensi,temperatur, beban dan efek lain-lain (korosi,tegangan sisa, dll).Tanda-tanda yangmenunjukkan permulaanadanya kegagalan fatigue tidak begitu jelas,oleh karena itu fatigue menjadi satu bahayabesar yang harus diperhatikan secara serius olehpara teknisi-teknisi dalam dunia perancangan.TujuanDapat dirumuskan bahwa tujuan yang hendakdicapai dalam penelitian ini adalah :1.Menganalisakekuatantarik,kekuatanpuntir, kekuatan lentur putar dan komposisikimia baja ST 60 dari hasil pengujianmaterial dengan standar ASTM.2.Menguji baja ST 60 hasil dari uji tarik danuji komposisi apakah memenuhi standarBKI sebagaibahan poros baling-balingkapal.Batasan MasalahPembatasan masalah yang ditetapkan dalampenelitian ini adalah :1.Pembahasan dalam tugas akhir ini adalahpembebanan pada poros baling-baling jenisfix picth.2.Pengujiankekuatanmaterialyangdilakukan untuk pembahasan tugas akhiradalah dengan menggunakan benda uji(spesimen)tanpa perlakuan panas (rawmaterial), dan dengan jenis pengujian uji

KAPAL43 DoLoRRLgDg ASTM E-8( Test Method for Tension Testing of Metalic Materials )tarik, uji komposisi, uji lentur putar(Rotary Bending), uji puntir (Torsion).3.Spesimen yang digunakan adalah jenis bajaST 60 dengan bentuk uji standar ASTM.4.Jenis baja ST 60 yang dipilih memilikitensile strenght antara 600-720 N/mm2SesuaiBKIVolumeIII(RulesForMachinery Installations) 2006 (Section 4),mensyaratkan bahwa material untuk porosbaling-balingmemilikitensilestrenghtantara 400-800 N/mm .25.Analisa tidak membahas tentang getaran,kenaikkantemperatur,danperubahanstruktur mikro yang terjadi pada spesimenselama pengujian.6.Analisa hasil pengujian meliputi :Analisa karakteristik kekuatan materialhasil uji tarik.Analisakomposisimaterialyangberpengaruh terhadap sifat mekanikmaterial.Penggambaran hasil pengujian dalambentukgrafik(diagramS-N) yangmenyatakan hubungan antara bebanterhadap umur bahan/ kekuatan lelahmaterial.Analisapengaruhperbedaanbesarbebanyangdiberikanterhadapkekuatan lelah.Analisa pengaruh perbedaan dimensidengan pengkondisian cacat material.Analisa terhadap bentuk penampangpatahan spesimen.Diagram Tegangan-Regangan dan HukumHooke ABCDE V DaerahLinierElastisitasLuluh/PlastisitasSempurnaStrain HardeningNeckingFrakturOTeganganUltimateTegangan LuluhLimitProporsional Gambar II.2 Diagram tegangan-reganganHukumHooke menyatakan bahwa untuksebagian besar jenis bahan jika diberi bebanselamatidakmelampauibataselastik,deformasi akan sepadan dengan beban ataulebih seringdinyatakansebagaitegangansepadan dengan regangan. Beberapa informasiyang kita peroleh dari uji tarik yaitu:Kekuatan Luluh ( yield strength )( Sy ),adalahbataskekuatanbahanuntukmenghasilkan deformasi dimana saat bebandihilangkan bahan masih dapat kembali kebentuk semula namun terjadi deformasipermanenyangkecil.Padagambarditunjukkan dengan garisAB. TitikBmerupakan batas luluh bahan. Kekuatanluluh dirumuskan :yS = awalpenampangluasluluhpembebanan....= 0APyKekuatan Tarik ( ultimate strength )( Su ),adalah tegangan maksimum yang bekerjapada bahan. Harga maksimum ini dicapaikarena deformasi plastis bertambah besardan terjadipengerasanregang(strainhardening) sehingga beban yang diperlukanuntuk berdeformasi lagi bertambah besar.Kekuatan tarik dirumuskan dengan :uS = awalpenampangluasmaksimumtegangan....= omaksimumAPBatas Endurance TeoritisUntukmemperkirakanbesarbebanyangbekerja pada spesimen, terlebih dahulu dicaribatas lelahnya (Endurance Limit). Denganmengetahui batas lelahnya, maka pengujianlelah di daerah beban tersebut sudah amandalam arti tidak ada faktor pereduksi lain.Setiap material memilki ketahanan lelah yangberbeda-beda, dimana bats kelelahan logam(fatigue limit) dapat diketahui dengan dua cara,pertama dari pengujian fatigue secara langsungdimana beban diberikan dalam kondisi statisatau cara kedua dengan menggunakan kurva S N yang sudah ada.Spesimen UjiUji TarikGambar 1 Spesimen uji tarik standar ASTM E-8SpesimenUjiDoLoRDgLg860151260Dimensi Spesimen ( mm )ASTM E-8Jumlah = 3 spesimen

KAPAL44 LoDoRRLgDg ASTM E-466( Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitudo AxialFatigue Test of Metallic Material ) LoDoRRLgDg ASTM E-143( Standart Test Method for Shear Modulus at Room Temperatures ) ? FSupport BearingLoad BearingSPESIMENSupport BearingLoad Bearing Z SPESIMENArah PutaranChuck / clawChuck / clawLoad Cell Tabel 1 Dimensi spesimen uji tarik standar ASTM E-8Uji KomposisiUkuran :d = 20 mm,t = 5 mm, dtSpesimen Uji Komposisi Gambar 2 Spesimen uji komposisiJumlah spesimen =1 buah (sudah mewakilidari material ST 60 yang digunakan dalamtugas akhir ini, karena bahan dari uji tarik, ujipuntir dan lentur putar sama).Uji Lentur PutarGambar 3 Spesimen uji rotary bending standar ASTM E-466(tanpa takik)SpesimenUjiDoLoRDgLg832151225Dimensi Spesimen ( mm )ASTM E-466Jumlah = 7 spesimen Tabel 2 Dimensi spesimen uji tarik standar ASTM E-466 tanpatakikUji PuntirGambar 4 Spesimen uji puntir standar ASTM E-143 (tanpa takik)SpesimenUjiDoLoRDgLg8100151232Dimensi Spesimen ( mm )ASTM E-143Jumlah = 5 spesimen Tabel 3 Dimensi spesimen uji tarik standar ASTM E-143 tanpatakikKeterangan :Spesimen uji lentur putar dan puntir dibuatdalam dua kondisi, meliputi kondisi normal dankondisi bertakik.Gambar di atas menunjukkan spesimen dalamkondisinormal. Sedangkan dalamkondisibertakik(asumsicacatmaterial),akanditambahkan takikjenisUditengah-tengahpanjang ukur (Lo) dengan kedalaman 1 mm (Lo= 6 mm) dan jari-jari kelengkungan takik (Rt) 2mm. Jumlah spesimen masing-masing 7 buah.Skema PengujianUji Lentur PutarGambar 5 Skema uji lentur putarKeterangan :Kondisispesimensaatpengujianmengkondisikan poros baling-baling kapal yangdiberiperlakuanbebanbendingkarenapergeseran posisibearingpenyangga porospada bagian tengah.Mekanisme pembebanan spesimen pada saatpengujianditentukanmelaluiperhitunganbeban yangmengacu padakekuatan tarikmaterial dan dimensi spesimen.Uji PuntirGambar 6 Skema uji puntirKeterangan :Untuk mengetahui kekuatan puntir material(baja ST 60) seperti pengujian di atas, makamaterialakan diberibeban puntir hinggamengalami patah. Dari kondisi itu kemudianbaru dianalisa mengenai properties materialyangdiperlukansebagaidatadalamperancangan poros baling-baling kapal.Hasil PengujianUji TarikSetelah dilakukan perhitungan, maka hasil yangdidapatkan adalah sebagai berikut:SpsDoAoPyPuSySuUji(mm)(mm )2(kg)(kg)(kg/mm ) (kg/mm )22Sps 17,9549,662.2803.60045,9172,49Sps 2850,292.3603.62046,9371,98Sps 37,9549,662.2003.56044,371,69

KAPAL45 Tabel 4 Hasil perhitungan kekuatan luluh dan kekuatan tarikspesimenUntukmenganalisakekuatan tarikmaterialhasil uji tarik, perlu dilakukan konversi satuandari(kg/mm2)menjadi(N/mm2). Halinidiperlukan karena untuk perhitungan pengujianmaterialberikutnyamenggunakan satuan(N/mm2 = MPa).Hasilnya adalah sebagai berikut :SpesUji(kg/mm )2(N/mm )2(kg/mm )2(N/mm )2Spes 145,91449,9572,49710,88Spes 246,93460,2371,98705,88Spes 344,3434,4371,69702,65448,20706,47*)1kg (force) = 9,80665 N (newton)SySuHasil rata-rata Tabel 5 Hasil konversi satuan kekuatan luluh dan kekuatan tarikspesimenDari hasil uji tarik baja ST 60, diketahui bentukpenampangpatahannya sepertigambardibawah ini :Gambar 7 Bentuk patahan uji tarik baja ST 60Bila dilihat dari bentuk patahan yang terjadiakibat uji tarik, maka material baja ST 60 inidapatdiklasifikasikan sebagai baja karbonmenengah (terjadi bentuk partial cup cone).Kekuatan tarik (tensile strength) baja ST 60dibandingkan dengan persyaratan BKI sebagaiberikut :UmumStandar BKIHasil PengujianBaja ST 60600-720400-800706,47Kekuatan Tarik (Tensile Strength)(MPa)Material Tabel 6 Perbandingan kekuatan tarik standarBKI dengan hasilpengujianJadi, material baja ST 60 yang digunakan dalampengujian ini memenuhi standar BKI VolumeIII (Rules For Machinery Installations) 2006(Section 4), yang mensyaratkan bahwa materialuntuk poros baling-baling kapal harus memilikitensile strength antara 400-800 N/mm .2Uji KomposisiUji komposisi ini bertujuan untuk mendeteksisecara detail jenis dan kadar dari unsur-unsurkimia penyusun sebuahmaterial. Sehinggadapat diketahui unsur-unsur apa saja dan berapabesarjumlahnyayangterkandungdalammaterial baja ST 60.Hasilnya sebagai berikut :UNSUR( % )UNSUR( % )C0,4730W0,0009Si0,2742Ti0,0053S0,0034Sn0,0340P0,0014Al0,0130Mn0,7100Pb0,0000Ni0,0089Ca0,0016Cr0,0291Zn0,0012Mo0,0022Fe98,40Cu0,0313 Tabel 7 Komposisi material baja ST 60Sedangkankomposisimaterialyangdisyaratkan BKI adalah :Standar BKICKarbonmax. 0,50MnMangan0,30 - 1,70SiSilikonmax. 0,45PFosformax. 0,035SBelerangmax. 0,035Batas Komposisi Kimia Baja Karbon ( % )Unsur Kimia Tabel 8 Batas komposisi material baja karbon standar BKIApabiladibandingkandenganhasilujikomposisi material baja ST 60 pada Tabel 7,maka darikelima komposisikimia yangdipersyaratkanBKImenunjukkanbahwamaterial baja ST 60 memenuhi persyaratan BKIVolume V 5XOHV IRU 0DWHULDOV tahun 2001Section 5, sebagai material/ bahan pembuatanporos baling-baling kapal (propeller shaft).Uji Lentur PutarUji lentur putar merupakan salah satu daripengujian lelah (fatigue) yang berfungsi untukmenganalisa/ mengetahui ketahanan lelah darisuatu bahan/ material. Beberapa hal yang perludipertimbangkan dalam pengujian ini adalahvariabel-variabel sebagai berikut :Pemilihan jenis bahan/ material yang akandiuji.Dimensi dari benda uji (spesimen).Putaran spesimen/ benda uji.Pembebanan yang akan diberikan ketika diproses pengujian berlangsung.Perlakuan terhadap spesimen (panas/ heattreatment,pemberiantakiksebagaipengkodisian cacat material,dll)Dari beberapa pertimbangan di atas, maka telahditentukan beberapa ketentuan yangakandikondisikan dalam pengujian rotary bending.Yaitu sebagai berikut :Bahan yang dipilih merupakan baja karbonST 60 dengan kekuatan tarik maksimum +710 N/mm .2

KAPAL46Kapasitas mesin untuk memutar spesimenmemiliki kecepatan 2850 rpm, atau denganfrekuensi 50 Hz.Besarbebanyangakandigunakanbervariasi sesuai dengan perhitungan.Perlakuan khusus yang diberikan terhadapspesimen adalah dengan memberikan takikbentukU(sebagaipembandingdenganspesimen yangtanpa takikan), dimanafungsi takik ini adalah sebagai upaya untukmembuat konsentrasi tegangan di daerahtakikan.Halinidibuatuntukmengkondisikan/asumsicacatpadamaterialporossebelumdilakukanpengujian.Data Hasil Uji Lentur PutarSetelah selesai melakukan pengujian, makadiperoleh data-data sebagai berikut :Tahap pertama :ST 60Do (mm)P (newton)SiklusSpesimen 17,951401.179.900Spesimen 27,95150561.700Spesimen 37,98160197.700Spesimen 47,94170160.900Spesimen 57,95180107.600Spesimen 67,9519027.700Spesimen 77,9220025.000Uji Rotary Bending Raw Material Tabel 9 Hasil uji lentur putar ( tanpa takik )Tahap kedua :ST 60Do (mm)P (newton)SiklusSpesimen 15,837010.700Spesimen 25,906013.600Spesimen 35,875021.000Spesimen 45,844032.000Spesimen 55,903038.200Spesimen 65,902091.400Spesimen 75,901019.700Uji Rotary Bending dengan Takik U Tabel 10 Hasil uji lentur putar ( dengan takik )Tahap-tahap analisa uji lentur putar :1.Memperolehjumlahsiklusseluruhspesimendarimasing-masingpembebanannya dankemudian dihitungtegangan bendingyang terjadiselamapengujian.2.Menggambargrafikhasildarimempertemukan tegangan bending yangditerima dengan siklus yang dicapai dalamdiagram S-N (Stress-Natural frequency).3.Menganalisa karakteristik ketahanan lelahmaterialdengan variabel variasibeban,konsentrasi tegangan (dengan dan tanpatakik), menganalisa foto makro penampangpatahDarihasilpencatatansiklus, maka dapatdigambar diagram S-N dengan terlebih dahulumenghitung/ mengkoversi besar beban masing-masing spesimen ke bentuk tegangan bending.Untuk itu digunakan persamaan dibawah ini :P = aM.2(Newton)Sedangkan nilai M sendiri dapat dijelaskandengan persamaan:M= 32..3daV(N.mm)Sehingga nilaiaVdapat dicari denganmensubtitusikan persamaan diatas menjadi :aV=3...16daP(Mpa)Dengan menggunakan formula di atas, nilaitegangan dari masing-masing spesimen dapatdicari. Dan setelah dihitung menggunakan excelhasilnya adalah sebagai berikut :ST 60Do (mm)P (newton)SiklusStress (Mpa)Spesimen 17,951401.179.900283,95Spesimen 27,95150561.700304,24Spesimen 37,98160197.700320,87Spesimen 47,94170160.900346,10Spesimen 57,95180107.600365,08Spesimen 67,9519027.700385,37Spesimen 77,9220025.000410,27Uji Rotary Bending Raw Material Tabel 11 Hasil perhitungan uji lentur putar ( tanpa takik )Untuk mendapatkan nilai tegangan bendingyang terkonsentrasi pada daerah takikan, makanilaitegangan(stress)yangdihitungmenggunakanpersamaandiatasharusdikalikanduludengannilaiKt(faktorkonsentrasi tegangan) yang didapatkan darimembaca grafik di bawah ini : Gambar 8 Grafik Kt pada Momen BendingUntuk mendapatkan nilai Kt dari grafik di atas,terlebih dahulu harus diketahui nilai (r/d) dan(D/d). Perhitungannya sebagai berikut :r = 2 mmD = 7,95 mmd = 5,90 mmmaka,r/d = 0,34

KAPAL47300400500STRESS ( MPa )101010104567SIKLUSKnee Daerah aman 200 Knee BertakikTanpa TakikD/d = 1,35Karenapadagrafiknilaitersebuttidaktercantum, maka akan dicari dengan metodeekstrapolasi. Yaitu membentukgaris baru/perpanjangan garis yang sudah ada denganmengikuti trend dari grafik. Dan didapat nilaiKt = 1,35.Kt =nmVVmV= tegangan maksimumnyata (padatakikan)nV=teganganmaksimumnominal(digunakan jika tanpa takik)Hasil perhitungannya adalah sebagai berikut :ST 60Dt (mm) P (N)Siklus(Mpa)Kt(Mpa)Spes. 15,837010.700360,011,35486,01Spes. 25,906013.600297,731,35401,93Spes. 35,875021.000251,931,35340,10Spes. 45,844032.000204,661,35276,30Spes. 55,903038.200148,861,35200,96Spes. 65,902091.40099,241,35133,98Spes. 75,901019.70049,621,3566,99Uji Rotary Bending Material Bertakik U nVmVTabel 12 Hasil perhitungan uji lentur putar ( dengan takik )Setelah didapatkan nilai Stress (S) dan NaturalFrequency (N)/siklus, diagram S-N dapatdiplot dengan hasil dibawah ini :Gambar 9 Diagram S-N hasil uji rotary bendingTelah diketahui dari hasil pengujian dan olahdata sebelumnya bahwa besar pembebanan,kondisimaterial dan sifatketahanan lelahmaterial memiliki hubungan yang sangat erat.Hubungannya dapat dijelaskan sebagai berikut :Setiap penambahan beban pada spesimenuji akan memperpendek siklus/ ketahananlelah material.Penambahan beban berarti juga menambahtegangan pada spesimen, batas aman bebandapatdiketahuidariperhitungandanpengujian (diagramS-N) berada padadaerah beban < 140 N atau tegangan