p~ ~ N~ fI~ N~ ~ ~ x ~ 4, ISSN 1410- 76g6

STurn A W AL PENGUKURAN MODULUS YOUNG DAN POISSON RATIOMENGGUNAKAN TEKNIK HAMBURAN NEUTRON

M. Refai Muslih, Nadi Supamo dan Sairun

Puslitbang Iptek Bahan -BAT AN; Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang

ABSTRAK

STUDI AWAL PENGUKURAN MODULUS YOUNG DAN POISSON RATIO MENGGUNAKAN TEKNIK HAMBURAN NEUTRON.Telah dilakukan studi awal untuk mengukur Modulus Young dan Poisson ratio dengan menggunakan teknik hamburan neutron. Pengukurandilakukan pada sam pel besi pasaran dengan mengamati perubahan jarak kisi sebagai fungsi dari pembebanan yang dilakukan pada benda uji.Pengukuran hanya dilakukan pada bidang tertentu saja dari sampel. Modlrus Young (koefisien regangan) dan Poisson ratio diukur denganmenempatkan sampel sedemikian rupa sehingga vektor hamburan (Q) tegak lurus terhadap arah pembebanan dan kemudian dilanjutkanpengukuran yang sejajar terhadap arah pembebanan. Dari pengukuran ini didapatkan modulus Young dan Poisson ratio untuk bidang ini berturutturut adalah 288,7 GPa dan 1,44.

ABSTRACT

PRELIMINARY STUDY ON MEASUREMENT OF YOUNG MODULUS AND POISSON RATIO BY USING NEUTRON SCATTERINGTECHNIQUE HAD BEEN DONE. Preliminary study on measurement of Young Modulus and Poisson ratio using neutron scattering technique. Thecommon iron used as a sample. The difference of plane distance of the samples as a function of applied load has been determined from adiffraction peak. The measurement was conducted only for chossen plane of the sample. Young modulus and Poisson ratio were calculated fromthe measurements of transverse and longitudinal strains of the sample. From this measurement, the Young modulus of the common iron is 288.7GPa and Poisson ratio is 1.44.

PENDAHULUAN

yang representatif, artinya dapat dikendalikan secaraelektronis. Untuk keperluan itu, dalam tahun anggaran iniakan diusahakan pembuatan alat uji tarik. Penelitian inidilakukan untuk mencari spesifikasi dari alat yang akandibuat.

Salah satu peralatan hamburan neutron yangterpasang di ruang percobaan Reaktor Serbaguna GASiwabessy (RSG-GAS) saat ini telah dimodifikasimenjadi alat pengukur tegangan sisa menggunakanteknik hamburan neutron. Berkas neutron berasal daTi S-6 RSG-GAS. Neutron yang berasal daTi teras reaktormula-mula diparalelkan dengan kolimator 40' sebelumsampai ke monokromator. Kristal Monokromator yangdigunakan adalah Silikon (311). Monokromator yangdigunakan adalah monokromator lengkung (parabola)yang titik fokusnya diatur tepat di titik pusat mejasampel. Neutron yang terhambur kemudian dideteksidengan menggunakan detektor neutron 0 dimensi.Didepan detektor ini ditempatkan kolimator 20'.

Hamburan neutron merupakan salah satumetoda yang relatif barn untuk menentukan tegangan sisa(maupun yang sedang dibebankan , applied stress) padabahan-bahan kristalin. Metoda ini harnpir sarna denganmetoda pengukuran tegangan sisa di permukaan bahanmenggunakan hamburan sinar-x. Kelebihan neutrondibandingkan dengan harnburan sinar-x adalah bahwaneutron dapat mengukur tegangan sisa di kedalarnanbeberapa sentimeter dari benda uji. Hal ini bisa dilakukankarena neutron tidak bermuatan, sehingga dapatmenembus bahan dengan mudah. Tetapi sarnpai saat inibelum ada standar baku pengukuran tegangan sisamenggunakan teknik hamburan neutron. [I]

Penelitian ini adalah untuk mendapatkanmodulus Young besi pasaran. Untuk maksud inidiperlukan alat uji tarik yang dapat ditempatkan di atasmeja sarnpel alat ukur tegangan sisa (DNI-M) sehinggadapat diamati perubahan jarak kisi sebagai fungsipembebanan yang diberikan pada sarnpel. Pada saat iniDNI-M belum dilengkapi dengan alat uji tarik/tekan

~I 6 J~ 200176

~ Aii'd P~ ,.,~ y~ J,... Po:..- ~ ,.,~ 1~ H~ N~H.~H...,L:.J.,~

TEORI a=P (6)

dimana E adalah Modulus Young (TPa), a adalah Stressdalam MPa dan e adalah mikro Strain. SedangkanPoisson ratio dapat dihitung dari perbandingan slopestrain kompresi dengan strain ekspansi pada grafik strainfungsi pembebanan.

BAHAN DAN ALA T

Bahan yang digunakan sebagai benda uji padapenelitian ini adalah besi pasaran dengan diameter IOmmyang biasa digunakan untuk pembuatan rangkabangunan. Benda uji kemudian dibubut sampaidiametemya menjadi Smm.

Alat yang digunakan adalah pengukur tegangansisa DNI-M. Spesifikasi teknis alat ini adalah sebagaiberikut:

Dengan menggunakan teknik hamburanneutron, jarak kisi suatu bahan kristalin dapat diketahui.Jarak kisi ini akan berubah apabila benda mengalamipembebanan. Dalam hal ini alat pengukur tegangan sisahanyalah dapat mengukur perubahan jarak kisi ini.Perubahan jarak kisi inilah yang dikenal denganregangan (strain,e). Untuk mendapatkan besarnyategangan (stress, a), diperlukan konstanta yang dikenaldengan Modulus Young. Modulus Young yang banyakberedar adalah modulus Young bulk material. Sedangkanpengukuran strain menggunakan hamburan neutrondimungkinkan untuk mengukur strain untuk bidangtertentu saja. Oleh karenanya modulus Young yangdigunakan untuk menghitung stress haruslah modulusYoung untuk bidang yang sarna.

Jarak kisi benda uji dapat diketahui denganmenggunakan hukum Bragg

Spesifikasi Teknis DNJ-M Pengukur Tegangan Sisadengan Metode Hamburan Neutron2.d.sine=). (1)

dimana d adalah jarakkisi dalam A clan e adalah Y2 suduthamburan clan ]I. adalah panjang gelombang yangdigunakan dalam satuan A. Perubahan jarak kisi Lld/doadalah:

Ad/do= (d-do)/do (2)

Karena panjang gelombang yang digunakan selamapengukuran adalah tetap, maka :

£1d/do= (sin eol sin e) - (3)

1. Monokromator

2. Kolimator

3. Luas Berkas datang4. Take-off angle5. Sudut 2-theta6. Incident slit to sample7. Sample to difraction slit8. Beam axis height9. Translator

] o. Detektor Utama] 1. Sistem pencacah]2. Pengendali13. Perangkat lunak

14. Kurva resolusi

dimana eo ada!ah ~ sudut hamburan pada saat bendatidak terbebani.

Besarnya tekanan yang diberikan kepada bendauji dapat dipero!eh dengan menggunakan persamaanPascal:

P=4.m.g/7tD2 (4)

dimana P adalah tekanan dalam MPa, m adalah bebandalam kg, g=9,8 ms.2 dan D adalah diameter benda ujidalam rom.

Poisson ratio adalah perbandingan transver~lestrain dengan longitudinal strain. Transverse strainadalah strain yang tegak lurus dengan pembebanan.Sedangkan longitudinal strain adalah strain yang sejajardengan pembebanan. Modulus Young dan Poisson ratiodapat dihitung dari grafik strain fungsi pembebanan.Modulus Young (E) dihitung dengan persamaan dibawah ini:

Sedangkan untuk memegang dan membebanibenda uji digunakan mesin penekan yang dapatditempatkan diatas meja sampel. Alat ini dilengkapidengan load cell, untuk mengetahui besamyapembebanan yang diberikan kepada sampel. Pembebanantertinggi yang dapat dideteksi oleh load cell adalah 1000kgf. Dengan benda uji berdiameter 5 mm, besamyategangan yang dapat c;iiberikan kepada benda uji adalahmulai 0 sampai dengan 499 MPa.

(5)E= 0"/ e

dengan

77~I 6 J-:. 2001

: S i (311) terfokus vertikaldan horizontal

: # 1 = 40' (sebelum mono-

kromator)#2 = Tidak ada#3 = 20' (an tara sampel

dengan detektor utama): 30(1)*SO(t) mrn2: 0-700: -100 -+1000: max. 190 mrn: max. 310 mrn: 91 mrn: X = -70 -70 nm1Y = -70 -70 mrn

Z =0- SO mm: He3: Canberra: IBM-PC: RESA (JAERl)

termodifikasi.: lihat gambar 1.

~ A~~ p~ HCIJ..l.., y~ """" p~ ~ H~ T~ h'~ N~

11.~I1~/~

-q)

~Q)..J

~J:

~

didapatkan dengan memutar 90 derajat relatif terhadapposisi hoop-nya.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari basil pengukuran panjang gelombangdengan Silikon serb uk, didapatkan pola difraksi sepertiditunjukkan pada gambar 2. Sedangkan pola difraksi besitanpa beban ditunjukkan pada gambar 3.

0 SO 100

2Theta (degree)

150

Gambar 1. Kurva resolusi DN1-M

TATA KERJA

Gambar 2. Pola difraksi neutron dari serbuksilikonstandar diukur dengan DN1-M

Pertama-tama DNI-M harus dikalibrasi terlebihdahulu untuk mengetahui panjang gelombang yangdigunakan. Untuk keperluan ini digunakan sampelstandar Silikon serbuk. Setelah diketahui dengan pastipanjang gelombangnya, benda yang akan diukur moduluselastisitasnya diamati pola hamburan neutronnya. Setelahitu ditentukan bidang yang mana yang akan diamati

perubahan jarak kisinya.Benda uji yang akan diukur kemudian diputar

pada sumbu meja sampel pada posisi tegak danmendatar dan kemudian di-scan theta-2theta disekitarsudut hamburan dari bidang yang akan diamati. Dari siniakan didapatkan jarak kisi referensi (do). Benda uji yangakan diukur pertama-tama ditempatkan pada pemegangsampel yang telah dipasang diatas meja sampel. Sebelumdilakukan pembebanan, hams diketahui terlebih dahulujarak kisi tanpa beban. Pengukuran dilakukan dalam duaposisi, yaitu posisi Hoop dan Radial. Posisi Hoop adalahposisi pada saat vektor hamburan (Q) sejajar dengangaya pembebanan. Penempatan benda uji pada posisiHoop ditunjukkan pada gambar 2. Gambar 3. Pola difraksi neutron pad a besi tanpa

beban

Dari pola difraksi besi diatas, terlihat adanyadua puncak, yaitu pada sudut 2theta sarna dengan 55,4dan 82,2 derajat. Selanjutnya pengukuran dilakukan padapuncak yang kedua. Posisi puncak untuk posisi hoop danradial dan besarnya pernbebanan ditarnpilkan dalarn tabel1.

Tabel1. Posisi Puncak Hoop dan Radial pad a BesiG8ye

Gambar 2. Penempatan benda uji pada posisi Hoop

Sedangkan posisi radial adalah posisi pacta saatQ tegak lurns terhadap gaya. Pengarnbilan data untukposisi Hoop daD radial harus dilakukan di ternpat yangsarna. Untuk keperluan itu daerah yang akan diarnatiharuslah terletak di tengah rneja sarnpel. Posisi radial

78 ~I 6 J~ 2001

10,90,80,70,60,50,40,30,2

~ A4i.d p~ H~ y~ "- Po:-- ~ H~ T~ H~ N~H. R¥ H...l:t. ~

Dari tabel diatas kemudian dihitung besamya strain(i\d/do) dan besamya tekanan yang diberikan kepadabenda uji (lihat tabel 2)

Tabel 2. Strain (Ad/do) dan Tekanan pad a Benda Uji

No mikroStrainHoop

-0.06063

-260.132

-330.120

-530.009-639.901

mikroStrainRadial0.000

200.2181260.3049220.2459510.7738

2345

Tekanan(Mpa)

049.93674.90499.873124.84

untuk bidang tertentu saja.. Sedangkan untuk harga rasioPoisson sebesar 1,44 hal ini jelas sulit dipertanggungjawabkan secara teoritis. Besarnya harga Poisson ratio inididuga disebabkan dari metoda dan alat penekan sampelyang digunakan. Dalam percobaan ini sampel ditekandengan pembebanan yang relatif besar. Dapat saja terjadisampel menjadi melengkung. Kejadian ini tidaklahdiharapkan, karena akan terjadi gradasi jarak kisi padaarab kelengkungan. Melengkungnya sampel disebabkankarena gaya-gaya yang bekerja di kedua ujung sampeltidaklah segaris lurus. Penekan yang digunakan selamapercobaan ini dapat dilihat pada gambar 5.

Titik tengah antara kedua penekan sampel inisudah diusahakan segaris waktu pembuatan, tetapi karenaadanya toleransi yang cukup besar pada ulir yangdigunakan, sehingga titik tengah dari keduanya tidaklahselalu segaris lurus horizontal. Hal ini pula yangmenyebabkan posisi sampeI semakin miring seiringdengan bertambahnya pembebanan. Posisi sampel yangbergerak seiring dengan pembebanan tidaklahdikehendaki karena akan menyebabkan perubahan posisidaerah pengamatan.

Dengan mengabaikan data pada baris kedua sampaikeempat, dibuat grafik strain stress seperti dtunjukkanpada gambar 4.

Gambar 4. Kurva Strain Stress besi pasaran

(a) Posisi pemegang Sam pel Oi Atas Goniometer

Sampel.

Dengan memperhatikan posisi sudut hamburanuntuk bidang (220) sampai dengan (331) sampel silikonserbuk, didapatkan bahwa panjang gelombang yangdigunakan dalam percobaan ini adalah 0,1884 nm.Pengukuran pergeseran puncak difraksi sampel besisebagai fungsi pembebanan di1akukan pada sudutdisekitar 82:2 derajat karena pada posisi ini volumesampel yang terkena neutron adalah paling sedikit.Meskipun daTi kurva resolusi DNI-M, posisi inibukanlah posisi optimum alat ini. Dalam hal ini yanglebih dipentingkan adalah mendapatkan volum~seminimal mungkin. ldealnya kurva resolusi alat inimempunyai plateu yang lebar, sehingga untuk beberapaposisi pengukuran yang berbeda akan mempunyairesolusi yang tidakjauh berbeda.

Dari kurva Strain Stress besi pasaran diketahuibesarnya modulus Young bahan ini adalah 288,7 GPadengan rasio Poisson sebesar 1,44. Nilai perbandinganPoisson untuk benda yang diuji dengan mesin uji tarikbiasanya berkisar daTi 0 sampai 0,5 untuk bahan yangisotropik. Sedangkan modulus Young untuk besi berkisar200-220 GPa [2,3]. Kedua nilai diatas terlihat jauhberbeda. Tetapi untuk besaran modulus Young,perbedaan ini masih bisa ditolerir, karena harga 200-220GPa adalah untuk bulk material. Sedangkan yangdidapatkan dalam pengukuran ini adalah modulus Young

(b). Detail Posisi Sampel pada Saat Pengukuran

Gambar 5. Posisi pemegang Sam pel

Secara teoritis, pembebanan berupa penekanandan penarikan terhadap sampel, tidaklah berbeda. Tetapiselama percobaan ini terlihat bahwa apabilapembebanannya berupa penekanan, posisi sampel akansemakin miring dengan bertambahnya beban. Karena hal

~I 6 J~ 2001 79

St...l.: AiII,.L p~ M~ y~ k". p~ ~ M~ T~ H..,..t.., ,. N~H. R¥H~. ~

ini juga maka sulit diharapkan terjadinya pemampatan ditengah-tengah sampel apabila beban diperbesar, yangakan terjadi adalah melengkungnya sampel karenaadanya gaya geser. Hal ini semua disebabkan karenatidak segarisnya gaya-gaya yang bekerja di kedua ujungsampel. Dan juga disebabkan besarnya toleransi daTi ulir

penekan yang digunakan.

2. Hasil daTi pengukuran Poisson ratio masih jauh daTiyang diharapkan karena pemegang sampel daDsistim pembebanannya perlu disempumakan.

DAFTARPUSTAKA

KESIMPULAN

[1]. ISO V AMAS; Technology Trends Assessment:Polycrystalline materials-Determination of residualstressess by neutron diffraction; 151 edition 2001.

[2]. R.S. KHURMI & J.K.. GUPTA, A Text Book ofMachine Design, Eurasia Publishing House LTD.Ram Nagar New Delhi-I 10055, 1982.http://www.iastate.edu/-em327/327exp/poisson/poisson.html

Dari hasil studi pendahuluan ini dapat disimpulkanbeberapa hal sebagai berikut:

Dengan menggunakan peralatan DNI-M dapatdiukur Modulus Young daD Poisson ratiomikroskopik dari suatu bahan polikristal.

~, ~ J~ 200180