REKAYASA MATERIAL, SISTEM MANUFAKTUR DAN …...Prosiding Seminar Nasional Rekayasan Material, Sistem...

2014JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS HASANUDDIN

PROSIDING

SEMINAR NASIONALREKAYASA MATERIAL,SISTEM MANUFAKTURDAN ENERGI

Makassar, 24-25 September 2014

Prosiding Seminar Nasional Rekayasan Material, Sistem manufaktur dan Energi

Page i

PROSIDING SEMINAR NASIONAL

REKAYASA MATERIAL, SISTEM

MANUFAKTUR DAN ENERGI

Makassar-Gowa, 24-25 September, 2014

Kampus II Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin,

Jl. Poros Malino No 72, Gowa, Sulawesi Selatan, Indonesia

Editor :

· Rafiuddin Syam, PhD � Hasanuddin University�Indonesia

Progam Studi Magister Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin


Page ii

PROSIDING SEMINAR NASIONAL REKAYASA

MATERIAL, SISTEM MANUFAKTUR DAN ENERGI

ISBN: 978-602-71380-0-1

© 2014 Progam Studi Magister Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin

Dilarang keras mengutip, menjiplak atau memfotokopi baik sebagian maupun seluruh isi buku ini serta

memperjualbelikannya tanpa mendapat izin tertulis dari Penerbit Progam Studi Magister Teknik

Mesin, Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin. Permintaan dan pertanyaan tentang reproduksi dan

hak kekayaan intelektual dialamatkan ke Rafiuddin Syam, PhD email: [email protected]

Kekayaan intelektual dari setiap jurnal yang ada dalam prosiding ini tetap berada di tangan penulis

seperti yang tercantum pada jurnal terebut.

Penerbit oleh :

Progam Studi Magister Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin

Jl. P. Kemerdekaan Km 10 Makassar

Sulawesi Selatan, Indonesia 90221

Telp/Fax : (0411) 586015

Email : [email protected]

Website: pasca.unhas.ac.id


Page v

Tim Editor

Ketua Editor Rafiuddin Syam, PhD

Editorial Board Prof. Satrio Soemantri Brodjonegora-ITB-Indonesia

Prof. Dadang A Suryamiharja� Hasanuddin University-Indonesia

Prof. Dr.Ir. Mursalim-Hasanuddin University-Indonesia

Prof.Ir. Jamasri, M.Eng, PhD�UGM-Indonesia

Prof. Syukri Himran � Hasanuddin University-Indonesia

Prof. Dr.-Ing Nandy Setiadi Djaya Putra-UI-Indonesia

Prof.Dr. Saleh Pallu � Hasanuddin University-Indonesia

Prof. Dr.H.Hammada Abbas � Hasanuddin University-Indonesia

Prof. Effendi Arief� Hasanuddin University-Indonesia

Prof.Dr. Syamsul Arifin� Hasanuddin University-Indonesia

Dr.-Ing Wahyu H Piarah� Hasanuddin University-Indonesia

Dr. Johannes Leonard � Hasanuddin University-Indonesia

Dr. Zahir Zainuddin � Hasanuddin University-Indonesia

Dr.-Ing Ir. Wahyu H. Piarah, MSME--Hasanuddin University-Indonesia

Prof. Dr. Ir. Salama Manjang, MSEE--Hasanuddin University-Indonesia

Prof.Dr. Ir. Jusuf Siahaya, MSME--Hasanuddin University-Indonesia

Editors Dr.Ir. Abdul Hay,MT --Hasanuddin University-Indonesia

Dr.Eng Armin Lawi, MSc--Hasanuddin University-Indonesia

Dr.Ir. Zuryati Djafar, MT--Hasanuddin University-Indonesia

Dr. Jalaluddin, ST,MT--Hasanuddin University-Indonesia

Dr. A. Erwin Ekaputra, ST,MT--Hasanuddin University-Indonesia

Dr. Rustan Taraka, ST, MT--Hasanuddin University-Indonesia

Dr. Adi Tonggiroh, MT--Hasanuddin University-Indonesia

Dr.phil.nat. Sri Widodo, ST. MT. --Hasanuddin University-Indonesia

Dr.Eng. Rudi Djamaluddin, M.Eng--Hasanuddin University-Indonesia

Dr. Eng Nasruddin Junus, MT--Hasanuddin University-Indonesia

Dr. Ir. Johannes Leaonard--Hasanuddin University-Indonesia

Dr. Dipl-Ing Ganding Sitepu--Hasanuddin University-Indonesia

Dr. Ir. Rhiza S. Sajjad, MSEE--Hasanuddin University-Indonesia

Dr. Ir. Ilyas Palentei, MSEE--Hasanuddin University-Indonesia

Dr. Indrabayu, ST,MT.M.Bus.Syst--Hasanuddin University-Indonesia

Dr.Eng Wardi, MEng--Hasanuddin University-Indonesia

Dr.Eng Mukhsan Putra Hatta--Hasanuddin University-Indonesia

Dr.Eng. Ihsan, MT--Hasanuddin University-Indonesia

Dr. Mukti Ali, MT--Hasanuddin University-Indonesia

Dr. Andi Haris Muhammad, MT--Hasanuddin University-Indonesia

Dr. Faisal, M.Eng--Hasanuddin University-Indonesia

Dr. Ulva Ria Irfan, ST. MT--Hasanuddin University-Indonesia


Page vi

Panitia Pelaksana

Pelindung:

· Rektor Universitas Hasanuddin

Penasihat:

· Direktur Pascasarjana Unhas

· Dekan Fakultas Teknik Unhas

Penanggung Jawab:

· Ketua Jurusan Mesin Unhas

· Ketua Program Studi Magister Mesin Unhas

Ketua Umum : Rafiuddin Syam, PhD

Wakil Ketua : Jumadil, ST

Anggota:

Arham Hamid, SE

Munawar, ST

Ratnawati, ST

Laode Asman, ST, MT

Mustari, ST, MT

Yunus, ST

Sallolo Suluh, ST, MT

Alfian Djafar, ST

Budi Jaelani, S.Pd

Dedy Harianto, ST, MT

Nurfuadah,ST, MT

Abdul Halik, ST

Sarman, ST

Irdam, ST, MT

Harfan, ST

Muh Syahrul, ST

Muh Alfian, ST

Sulfan Suardi. ST

Kamaruddin, ST

Noeryadin, ST

Jamaluddin, ST

Doddy Suanggana, ST, MT

Karel Tikupadang, ST

Secretariat Journal Room, Faculty of Engineering, Hsanuddin University

email: [email protected]

Phone: +62411586015 Fax: +62411586015


Page vii

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL i

KATA PENGANTAR iii

SAMBUTAN DEKAN FAKULTAS TEKNIK UNHAS iv

TIM EDITOR v

PANITIA PELAKSANA vi

DAFTAR ISI vii

REKAYASAMATERIAL

01. Penerapan Metode Elemen Hingga dalam Analisis Pengaruh Persentase Filler terhadap Getaran BalokKomposit Serbuk Kayu Jati dan Bayam

OlehM. Ahadyat ZdanHammada Abbas

I-1

02. Analisa Eksperimen Daerah Penyekatan Pada Proses Karburasi Setempat Terhadap Nilai KekerasanBaja Karbon

OlehAndri Yonodan Johannes Leonard

I-9

03. Distribusi Kekerasan Baja Karbon Rendah Setelah Pack Carburizing

Pack Carburizing dengan Variasi Media Carburizing dan Media Pendingin

OlehDewa Ngakan Ketut Putra Negara danDewa Made Krishna Muku

I-17

04. Pengaruh Pendinginan Air Mengalir Pada Proses Kuens Terhadap Kekuatan Tarik, Kekerasan danStruktur Mikro Baja AISI 1045

OlehEnos Tambingdan Johannes Leonard

I-21

05. Efek Tekanan Kompaksi Dan Temperatur Sinter Terhadap Nilai Induksi Magnetik Hasil MetalurgiSerbuk

OlehHairul Arsyad

I-29

06. Pengaruh Parameter Pemotongan (Feeding, Cutting Speed, Depth of Cut) Terhadap Konsumsi EnergiPada Permesinan Bubut

OlehHamka Munir, Johannes Leonard dan Rafiuddin Syam

I-33

07. Pengaruh Putaran dan Temperatur Terhadap Kekuatan Sambungan Las Hasil Friction Welding AntaraBajaAISI 1045dengan BajaTahanKarat AISI 316L

OlehHoppy Istiawan, Abdul Hay MuchsindanHammada Abbas

I-38

08. Efek Perlakuan Forging danTemperatur Anil terhadap Kekerasan dan Frekuensi Natural pada BilahPerunggu 80%Cu-20%Sn

Oleh I Ketut Gede Sugita dan Istri Putri Kusuma Kencanawati

I-44

09. Analisis Kekuatan Impact Dan Mode Patahan Komposit Serat Tapis Kelapa

Oleh I MadeAstika dan I Gusti Komang DwijanaI-48

10. Pengembangan Metode Prediksi Propertis Material Berdasarkan Model Elemen Hingga IndentorGanda (Dual Indenter) Sebagai Dasar Evaluasi Deformasi Sambungan Las Titik

Oleh I Nyoman Budiarsa

I-52

11. Sifat Tarik Komposit Epoxy Berpenguat Serat Sisal Pada Fraksi Volume Yang Berbeda

Oleh I Putu Lokantara dan I Wayan SurataI-57

12. Analisis Kekuatan Struktur Komposit Benang Rami Hand SpinningDengan Matriks Thermoplastic HighDensity Polyethylene (HDPE)

OlehLies Banowati, Aulia Lazuardi Muhammad, Bambang K. Hadi danRochim Suratman

I-60

13. Metode Elemen Hingga untuk Analisis Eksperimental dan Numerik Pengaruh Variasi Arah Seratterhadap Getaran Balok Komposit Serat Abaca dan Ijuk Bermatriks Epoksi

OlehNanangEndriatno dan Hammada Abbas

I-64

Sekretariat:

Kampus Unhas Tamalanrea Gedung POMD Lantai 3,

Ruang Program Studi Magister Mesin, Fakultas Teknik Unhas

Jl P. Kemerdekaan Km 10 Makassar, Sulawesi Selatan

Homepage : siaka.unhas.ac.id/snmme

ISBN 978-602-71380-0-1


Rekayasa Material I-52

Pengembangan Metode Prediksi Propertis Material

Berdasarkan Model Elemen Hingga Indentor Ganda

(Dual Indenter) Sebagai Dasar Evaluasi Deformasi

Sambungan Las Titik

I Nyoman Budiarsa

Jurusan Teknik Mesin. Universitas Udayana

Bali. Indonesia

[email protected]

Abstrak�Dalam proses karakterisasi sifat material, parameter

bahan elastis-plastik dan parameter fraktur (fracture

parameters) bahan dapat dengan mudah ditentukan saat

spesimen standar tersedia. Namun untuk permasalahan hasil

sambungan las titik (spot welding), pengujian standar tidak

berlaku untuk mengkarakterisasi HAZ dan nugget karena

struktur yang kompleks dan ukuran kecil. Dalam rangka hal

tersebut, pada penelitian ini model elemen hingga (Finite

Element) indentor tajam (Vickers indentation) dan indentor

tumpul (Spherical indentation) dikembangkan. Pengaruh

beberapa parameter pemodelan kunci seperti sensitivitas mesh,

ukuran sampel dan kondisi batas (boundary conditions)

dievaluasi. Tiga metode pemodelan inverse yaitu analisis

dimensi, 3D mapping dan dual indenter chart approach telah

diusulkan. Validitas dan akurasi dari masing-masing pendekatan

dalam memprediksi sifat material secara sistematis dievaluasi

dengan menggunakan kurva indentasi numerik yang berpotensi

digunakan untuk mengkarakterisasi sifat material berbasis

metode indentor ganda (dual indenter). Konsep dan metode

yang dikembangkan ini sangat berguna digunakan untuk

menguji welding zones yang berbeda dan parameter material,

dimana hasil prediksi yang diperoleh akan digunakan untuk

mensimulasikan deformasi sambungan las titik (spot welding)

pada kondisi beban yang kompleks.

Kata Kunci---Model elemen hingga, Vickers, Spherical

indentation, Dual indenter

I. PENDAHULUAN

Proses penyambungan pada alas titik (Spot welding)

melibatkan proses termal, metalurgi dan mekanik proses, yang

menghasilkan struktur campuran baik sifat maupun fasenya.

Ada tiga wilayah utama yang berbeda yang dihasilkan yaitu:

bahan dasar, nugget dan daerah keterpengaruhan panas

(HAZ). Nugget hasil las terdiri dari fase martensit dan bainitik

[1]. Sedangkan daerah di sekitar nugget yang mengalami

keterpengaruhan panas (HAZ), memiliki mikrostruktur yang

terdiri dari martensit, bainit, ferit dan perlit. Nugget ini jauh

lebih sulit daripada bahan dasar karena efek pendinginan,

sedangkan HAZ memiliki gradien sifat mekanik struktur

campuran dengan kekuatan menurun dari struktur nugget ke

logam induk. Dalam banyak kasus, kegagalan las titik

cenderung terjadi di sekitar daerah las, khususnya di sekitar

zona yang terkena panas (HAZ)[2]. Banyak penelitian telah

dilakukan untuk meningkatkan pemahaman di tempat

sambungan las sebagai interaksi antara fenomena listrik,

termal, metalurgi dan mekanik. Suatu bidang penelitian yang

masih aktif adalah pada prediksi dimensi tempat sambungan

las dengan mensimulasikan proses pengelasan dengan

pemodelan elemen hingga[3]. Bidang penelitian aktif lain

yaitu pada studi mikrostruktur. Model mikro harus

mempertimbangkan sifat termo-fisik bahan dalam rangka

untuk menggambarkan transformasi fasa selama pemanasan

dan pendinginan tahap. Penelitian dan pengembangan

diperlukan untuk menghasilkan beberapa model yang mampu

menggambarkan pembentukan simultan serta memungkinkan

untuk memprediksi perkembangan mikro dan transformasi

selama proses pengelasan spot, dan juga untuk mengetahui

karakteristik dan perilaku bahan, berkaitan dengan kondisi

beban yang diterapkan pada las titik

II. EKSPERIMENTAL

Dua spesimen dengan bahan dan ketebalan yang berbeda

(Stainless steel dan Mild steel) digunakan dalam penelitian ini.

Komposisi kimia dari dua baja logam induk seperti yang

tercantum dalam Tabel.1.

TABEL 1. Komposisi kimia material spot welding test

Concen-

tration

C Cr Ni Mn Si P S

Stainless

Steel

G304

<0.08% 17.5-20% 8-11% <2% <1% <0.045% <0.03%

Mild

steel

0.14% 0.01% 0.01% 0.32% 0.03% 0.2% 0.05%

Stainless steel yang digunakan adalah stainless steel grade

304 dengan lebar 25mm, dan ketebalan 0.8mm, spesimen lain

adalah Mild steel dengan lebar 25mm dan ketebalan 1.44mm.

Sambungan las dari dua kombinasi bahan disiapkan dan diuji.

Tes tarik (Tensile tests) dilakukan menggunakan Lloyd LR

30K Universal material testing machine yang dapat

melakukan test tarik maupun kompresi. Mesin ini memiliki

kapasitas maksimum 30kN, dengan pembacaan yang akurat

untuk 0.5% dari gaya. Mesin ini dihubungkan dengan

microcomputer sehingga keluaran grafis hasil tes serta data uji



dapat diperoleh dan disimpan. Spesimen dilakukan uji tarik

dengan beban awal sekitar 50 N, dijepit dengan dua gasket

untuk menghindari lentur selama pengujian. Uji tarik dilakukan

pada loading rate 5 mm / menit. Untuk pengujian kekerasan

Sampel Baja batang elips padat dengan diameter 5 mm dan

panjang 90 mm dan memiliki dudukan di tepi. Dua bahan

utama yang digunakan dalam penelitian ini mencakup

Stainless steel dan spesimen Mild steel. Sampel uji kekerasan

disiapkan sebagai disk dengan diameter 5 mm, sampel yang

disajikan dalam bentuk arah melintang (transverse direction)

dan arah panjang (length direction). Spesimen dipersiapkan

dalam resin menggunakan termoseting (Bakelite) dan

dibersihkan (polishing) sebelum dilakukan pengujian

kekerasan. Uji kekerasan Vickers dilakukan dengan

menggunakan Duramin-1 Struers hardness Vickers. Mesin uji

Duramin-1 Struers hardness Vickers menggunakan metode

pembebanan langsung dengan berbagai beban dari 490.3 mN

sampai 19.61 N. indentor memiliki bentuk piramida yang tepat

dengan dasar persegi dan sudut 136o

antar sisi muka yang

berlawanan.

III. MODEL NUMERIK DAN HASIL

Model elemen hingga indentasi Vickers dirancang dengan

menggunakan piranti komersial ABAQUS komersial. Dalam

penelitian ini indentor Vickers disimulasikan berbentuk

piramida dengan dasar persegi dan sudut 136o

antara sisi muka

yang berlawanan seperti Gambar 1(a). Hanya seperempat dari

indentor dan bahan kolom disimulasikan sebagai akibat dari

bangun indentor memiliki bentuk geometri simetris (symmetric

geometry). Ukuran sampel dibuat lebih dari 10 kali

dibandingkan kedalaman indentasi maksimal, yang cukup

besar untuk menghindari efek ukuran sampel atau efek batas[4]

Bagian dasar model dipertahankan tetap untuk semua derajat

kebebasan (degree of freedom) dan memiliki bentuk simetris

tetap dalam arah y dan x.

1(a) 1(b) 1(c)

Gambar 1(a). Model Elemen Hingga indentasi Vickers (b). Tipikal kontak antar muka dan ekspansi plastis selama loading dan

unloading pada indentasi Vickers (c). Tipikal perbandingan hasil numerik dengan experimental data publikasi

2(a) 2(b) 2(c)

Gambar 2(a). Model Elemen Hingga indentasi Bulat (spherical) (b). Tipikal kontak antar muka dan ekspansi plastis selama

loading dan unloading pada indentasi Bulat (c). tipikal perbandingan antara Gaya (force)-hasil kedalaman indentasi (h) hasil

simulasi model FE sesuai dengan solusi analisis dengan data properties materials yang dikenal untuk indentasi bahan elastis linear

Jenis elemen yang digunakan adalah C3D8R (reduced

integration element used in stress/ displacement analysis).

Kontak didefinisikan pada antar muka(interface) indentor dan

spesimen (Gbr.1(b)) dengan koefisien gesekan 0.2. Model FE

(finite element) uji indentasi Vickers diverifikasi dengan

membandingkan hasil numerik dari penelitian ini dengan

beberapa model dari hasil eksperimen yang telah

dipublikasikan. Hasil ditunjukkan pada Gambar 1(c). Bahan

properti dalam model FE diadopsi dari data yang digunakan

oleh [5], dan kemudian kurva P-h diprediksi dibandingkan

dengan data numerik dan eksperimental yang telah

dipublikasikan. Seperti terlihat pada kurva, untuk kedua bahan,

hasil prediksi sangat dengan data eksperimen. Hal ini

menunjukkan bahwa model tersebut akurat dan valid.



Gambar 2(a). menunjukkan model FE Indentasi bulat

(spherical). Model 2-D simetris aksial digunakan untuk

memodelkan keadaan simetri dari indentor bola. Indentor

tersebut diasumsikan kaku (rigid) jauh lebih solid

dibandingkan dengan bahan indentor indentasi. Elemen

penyusunnya adalah simetris: CAX4R dan CAX3 (4-node

bilinear asymmetric quadrilateral and 3-node linear

asymmetric triangle element). Pergerakan indentor

disimulasikan dengan menggusur busur kaku (rigid body)

sepanjang sumbu Z. Dalam model ini, ukuran sampel dapat

diubah untuk memastikan bahwa sampel jauh lebih besar

daripada daerah radius / kontak indentor selama indentasi

berlangsung, untuk menghindari potensi ukuran sampel dan

efek batas [4]. Ketebalan dan lebar dari model yang digunakan

adalah 3mm di kedua sisi. Inti model dipertahankan tetap

dalam semua tingkat kebebasan (Degree Of Freedom) dan

dibatasi oleh garis sentral simetris. Gambar 2(b).

menunjukkan grafik ekspansi wilayah plastic selama indentasi

bulat (spherical indentation) berlangsung. Gambar 2(c)

menunjukkan tipikal perbandingan antara Gaya (force)-hasil

kedalaman indentasi (h) hasil simulasi model FE sesuai

dengan solusi analisis dengan data properties materials yang

dikenal untuk indentasi bahan elastis linear. Seperti

ditunjukkan dalam gambar, hasil FE menunjukkan

kesepakatan yang baik dengan solusi analitis (analytical

solution). Sampel material dasar (stainless steel dan mild

steel ) dilakukan sebagai dog bone spesimen dan dengan

bentuk berlekuk (notched shape) Gambar 3(a). Uji tarik

dilakukan dengan memuat spesimen dalam mesin dan

mengencangkan pemegangan dengan pra-beban 200 N,

dengan menggunakan tampilan digital pre-load di set ke

nilai nol. Informasi tentang jenis spesimen bentuk dan materi

diberikan kepada mesin melalui unit kontrol komputer dan

kecepatan dilakukan pada tingkat 5mm / min. Hasil percobaan

uji kekuatan tarik digunakan untuk mendapatkan kurva

tegangan-regangan untuk mendapatkan parameter bahan

(yield stress, eksponen pengerasan regang, dan koefisien

kekuatan). Perbandingan kurva gaya-perpindahan dari hasil

eksperimen dan pemodelan FE digunakan untuk memvalidasi

hasil pemodelan FE. Sebuah model simetris FE untuk

sambungan las dua buah lembaran plat telah ditetapkan seperti

yang ditunjukkan pada Gambar 3(b) yang akan digunakan

dalam pemodelan deformasi tarik geser Gambar 3(c)dan

dampak deformasnya. Sifat material yang digunakan dalam

model ini akan diprediksi oleh model terbalik FE. Sebuah tipe

unsur C3D8R (a reduced-integration element used in

stress/displacement analysis) digunakan. Karena simetri

perpindahan y-arah pada bagian tengah (permukaan bawah)

telah diset nol. Sisi kiri dari spesimen itu tetap (Ux, y, z) = 0

dan perpindahan (Ux) = L diterapkan pada akhir bergerak. Z

perpindahan pada bagian pertengahan ditetapkan ke nol.

Dimensi dari zona las didasarkan pada data mikrohardness

eksperimen dan observasi langsung. Semua zona ini

diasumsikan memiliki properti elasto-plastik.

3(a) 3(b) 3(c)

Gambar 3(a). Model Elemen Hingga tensile test material dasar dalam bentuk dogbone dan notched shape sampel test (b).

Tipikal model simetris FE untuk sambungan las dua buah lembaran plat dengan spot welding (c). Spesimen hasil pengujian

sambungan las titik dengan variasi perbedaan bahan dasar (kombinasi stailess steel dan mild steel)

IV. METODE PREDIKSI SIFAT MATERIAL BERDASARKAN

VICKERS DAN SPHERICAL INDENTASI

4.1.Kurva Curvature Indentasi

Kurva P-h untuk kedua indentasi yaitu Vickers dan

Spherical memiliki hubungan berikut:

C = P/ h2

��..� (1)

Dimana P dan beban dan kedalaman indentasi pada kurva

beban masing-masing. Cv adalah koefisien curvature dengan

kelengkungan untuk Vickers Indentasi dan indentor bola

ditunjuk sebagai Cs dan Curvature adalah fungsi dari

hubungan antara yield stress dan koefisien pengerasan kerja.

Hal ini akan memberikan hubungan yang potensial

memungkinkan prediksi parameter material dari indentasi

test kontinyu. Pada tahap pertama, model FE secara

sistematik dikembangkan untuk membentuk ruang simulasi

meliputi berbagai potensi sifat material. Pada tahap

berikutnya, kurva beban yang digunakan untuk

mengembangkan ruang simulasi. Data kemudian akan

diproses melalui tiga pendekatan yang berbeda (pemetaan 3D,

analisis dimensi, dan grafik pendekatan dual indentor) untuk

memprediksi parameter material. Tiga pendekatan telah

dikembangkan komparatif untuk menilai kesesuaian mereka

untuk memprediksi sifat bahan yang didasarkan pada

pendekatan indentor ganda (dual indenter). Pendekatan kedua



adalah analisis dimensi normal di mana hubungan tersebut

dinormalisasi dari analisis berdimensi yang diterapkan. Dalam

pendekatan ketiga, hubungan antara kelengkungan untuk

kedua Vickers dan spherical dikembangkan kemudian

digunakan grafik untuk memprediksi semua bahan set dengan

kelengkungan yang sama. Hubungan ini digunakan untuk

memprediksi set materi memiliki curvature indentasi

sebenarnya

4.2.Pendekatan 3D- Mapping

Dalam pendekatan pemetaan 3D, data curvature diplotkan

terhadap material propertis, yang persamaannya telah

dikembangkan berdasarkan linear fitting atau nonlinear

fitting, yang akan memberikan persamaan antara curvature

(Cv,Cs) pengerasan kerja (n) dan yield stress (!y). Variasi

curvature (Cv,Cs) terhadap n untuk Vickers indentor yang

digambarkan oleh surface plot seperti Gambar 4. Data

diperoleh secara numerik melalui analisis elemen hingga

indentasi meliputi domain dari 100 sampai 300 MPa dan n

bervariasi antara 0.01-0.5 Ini jelas menunjukkan bahwa

koefisien curvature meningkat dengan meningkatnya n tetapi

dengan gradien yang berbeda untuk daerah yang berbeda.

Evaluasi dilakukan pada surface plot 3D pada proses loading

kurva curvature dan sifat material, pendekatan ini dimulai

dengan menetapkan nilai curvature dan sifat material sebagai

pemetaan 3D linier fitting plane. Untuk setiap nilai curvature,

ada sebuah susunan dari set properti material. Data ini diambil

dan diplot seperti pada Gambar 4. Properti materi ditetapkan

pada titik persimpangan antara data untuk Vickers dan

indentasi Spherical akan mewakili sifat material yang benar.

Ketepatan pendekatan telah dinilai menggunakan rentang nilai

awal. Evaluasi akurasi pada pendekatan menggunakan bagan

3D mapping yang dilaksanakan dengan mengambil input data

terpilih dengan mengacak dan mewakili ruang sampel. Input

data yang dipilih dengan 2 variasi nilai (n), yaitu n = 0.15 dan

n = 0.28 (kisaran n = 0.01- 0.30) dan !y = 100, 140, 190 dan

300 MPa. Ketepatan studi pada pendekatan pemetaan 3D-

Linier diketahui bahwa nilai rata-rata prediksi pembeda (n)

terhadap n-input sebagai n = 0.056 - 0.069 dan rata-rata error

akurasi adalah 0.1% baik prediksi (n) dari Vickers Indentasi

maupun pada Indentasi bulat (spherical).

Gambar4.Tipikal surface mapping (non linier) yang memplot

data loading curvature dan sifat material (materials

properties)

Hal ini menunjukkan prediktor yang dipilih secara signifikan

dapat diterima dalam batas tingkat kepercayaan kurang dari

0.5%. Sedangkan pada studi Akurasi pada pendekatan

menggunakan pemetaan 3D-Non Linier (parabola) diketahui

bahwa nilai rata-rata prediksi pembeda (n) terhadap n-input

sebagai n = 0.059 - 0.061 dan error akurasi rata-rata adalah

0.22% baik prediksi (n) dari Vickers Indentasi dan Indentasi

bulat. Hal ini menunjukkan prediktor yang dipilih secara

signifikan dapat diterima dalam batas tingkat kepercayaan

kurang dari 0.5%. Dengan Membandingkan dua pendekatan

bagan pemetaan 3D, diketahui memiliki rata-rata kesalahan

lebih kecil dibandingkan dengan prediksi menggunakan

pemetaan 3D linear. Yaitu 0.1% dibandingkan dengan

menggunakan non linear (parabola) 0.22%. Evaluasi ini

menunjukkan bahwa pendekatan pemetaan 3D dapat berfungsi

menilai prediktor koefisien pengerasan regang (n) dari kedua

prediksi (n) dari Vickers Indentasi dan Indentasi bulat

4.3 Analisis Dimensional dan hasil

Dalam analisis dimensional, hubungan antara curvature vs

sifat material dikembangkan berdasarkan analisis dimensional.

untuk mempelajari mekanika kontak untuk diinstrumentasi

indentasi normal. Pada Indentasi yang terjadi pada elasto

plastic umumnya mengikuti hukum power (power law)

dimana beban P dapat ditulis sebagai :[5]

P = P (h, E, v, Ei, vi, !y, n) (2)

Dimana E = modulus Young indentor, dan v = Poisson rasio.

Dengan menggabungkan efek elastisitas sebuah indentor

elastis dan elasto plastik solid dapat ditulis :

P = P(h, E*,!y, n) (3)

Dimana

E*= (4)

Sebagai alternative persamaan (3) dapat di tulis sebagai

P = P (h, E*,!y ,!r) (5)

Dengan mengaplikasikan theorem dalam analisa dimensi

persamaan (3) menjadi

P = (6)

Kemudian menjadi

C = (7)

Dimana 1 adalah fungsi dimensionless. Sehingga loading

curvature C dapat ditulis sebagai:

C = (8)

Bila fungsi dimensionless diberikan dalam persamaan (3),

maka normalisasi diperlukan sehubungan dengan pendekatam



terhadap !y atau !r. Dengan simulasi diketahui hubungan

antara normalisasi Cv Vs properties bahan dan hubungan

antara normalisasi Cs Vs sifat bahan (pengerasan regangan

eksponen (n) dan Yield stress (!y). Hal ini jelas menunjukkan

bahwa semua data. curve fitting telah dilakukan dengan iterasi

hubungan antara beban curvature indentasi dan bahan properti

(!y, n) sebagai persamaan berikut.

Cv = !y¾ . 374.14. e3.197 n

(9)

Demikian pula untuk Spherical indentation

Cs = !y¾ . 8011.9 e1.984 n

(10)

Dengan hubungan tersebut, untuk setiap kombinasi Cv dan

Cs, dapat di tentukan berbagai data material seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 5. Titik persimpangan akan

mewakili sifat material diprediksi. Dalam hal ini, untuk = 150

MPa, n = 0.2, Cv = 30647.664 dan Cs = 515752. Dan hasil

prediksi adalah !y = 149 MPa, n '= 0.209. Studi Akurasi hasil

dilakukan untuk beberapa nilai propertis masukan, hasilnya

tercantum pada Tabel 2. Kesalahan rata-rata akurasi adalah

= 0.065196 dan n /n = -0.06296, yang jauh lebih baik

daripada akurasi pendekatan pemetaan 3D mapping

Gambar 5 Tipikal proses prediksi parameter material

berdasarkan interseksi antara kurva properties dual indentor

pada Vickers dan indentasi spherical (!y=120 MPa, n = 0.2).

TABEL 2. Akurasi studi hasil dari inverse FE modeling pada indentor ganda (dual indenters) Vickers dan indentasi Spherical

Material Properties Value of Curvature Prediksi Beda dengan input Akurasi ( Error )

!y N Cs Cv !y n " !y "n "!y/ !y "n/n

100 0.10 303841.6 15725.8 102 0.09 -2 0.01 -0.020 0.100

100 0.20 387159.4 22631.7 105 0.19 -5 0.01 -0.050 0.050

100 0.30 495483.9 32535.1 111 0.29 -11 0.01 -0.110 0.033

200 0.10 526000.0 27710.0 202 0.10 -2 0.00 -0.010 0.000

200 0.20 629700.0 37670.0 195 0.20 5 0.00 0.025 0.000

200 0.30 754700.0 50610.0 195 0.30 5 0.00 0.025 0.000

290 0.10 689200.0 37340.0 275 0.12 15 -0.02 0.052 -0.200

290 0.20 803900.0 48850.0 265 0.22 25 -0.02 0.086 -0.100

290 0.30 936500.0 63490.0 255 0.31 35 -0.01 0.121 -0.033

V. KESIMPULAN

FE model indentor tajam (Vickers) dan indentor tumpul

(indentor Bulat) dikembangkan. Pengaruh beberapa parameter

pemodelan kunci seperti sensitivitas mesh, ukuran sampel dan

kondisi batas dinilai. Tiga metode pemodelan terbalik terbalik

yaitu analisis dimensi, pemetaan 3D dan pendekatan grafik

dual indentor telah diusulkan dan validitas dan akurasi

masing-masing pendekatan dalam memprediksi sifat material

secara sistematis dievaluasi dengan menggunakan kurva

indentasi numerik. Di bagian eksperimental, tes geser tarik

telah melakukan di tempat sambungan las dari bahan yang

berbeda. Metode yang dikembangkan telah meletakkan dasar

yang baik terhadap tujuan akhir dari penelitian ini dalam

membangun efek parameter pengelasan pada sifat statis dan

dinamis las titik (spot welding) sistem bahan yang berbeda.

Pada tahap berikutnya, pendekatan inverse prediksi properti

yang akan diperluas untuk uji kekerasan konvensional untuk

mengkarakterisasi sifat dari zona struktur yang berbeda dalam

sambungan las dari sistem bahan yang berbeda(dissimilar

materials welding). Sifat diprediksi kemudian akan digunakan

dalam model numerik dengan properties bahan realistis untuk

mensimulasikan deformasi las titik dalam kondisi pembebanan

yang berbeda

DAFTAR PUSTAKA

[1] Ni K., and Sankaran M.,Strain-based probabilistic fatigue life

prediction of spot-welded joints, International Journal of

fatigue, vol 26, 7, 2004. 763-772

[2] Mukhopadhyay M., Bhattacharya S., and Ray K.K, Strength

assessment of spot-welded sheets of interstitial free steels, Mat.

processing technology, vol 209, iss 4, 2009,1995-2007

[3] Emmanuel H., Lamouroux J., Detailed model of spot welded

joints to simulate the failure of car assemblies, Interactive

Design and manufacturing, vol.1, No.1, 2007, 33-40

[4] Taljat B., Zacharia T. and Kosel F. New analytical procedure to

determine stress-strain curve from spherical indentation data,

Int. J. of Solids and Structures, Vol. 35(33), 1998,pp. 4411-4426

[5] Dao M., Chollacoop N., Van Vliet K. J., Venkatesh T. A. and

Suresh S., Computational modelling of the forward and reverse

problems in instrumented sharp indentation, Acta Materialia,

Vol. 49, 2001, pp. 3899�3918

��

�

��

��

�� !�� "��

��#�� #��#�� #�� $��$��

�� %�##%�## � �� & & ''�� (�� (�

)� #�)� #� �� *��*�� )� �#)� �# +��+��

��

��

��

� ��

��

��

��!�� !�� !�� !��

��

��!�� !��

,�##� �� $��-�� #

'(��*"�� *��

' (�� *��

)$��.�� # /�

0$��

��

�

Finite Element modelFE Model Simulation

FE Simulate Database

Input

FE Model Training Processing

OutputConvergence

Indentation test

Inverse FE Model

YesNo

��"��#�

��

� �$�� $�� $�%

��'�(

��'��(

�

&�

��

� �$�� $�� $�%

��'�(

��'��(Experiment curve

��"��#�

��"��#�

� �$� �$" �$� �$#

1�� )��

��

2��-3��

Tensile Shear test

��#�� #�� )$��"�� #�

$� �� 4�"��-��%� ��

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025

P (

N)

h (mm)

��#�� # �� )$��"��

�� #� $� �� 4�"��-��%� ��

��

%

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08

Fo

rce,

N

h, mm

Data Ekperimental Publikasi

Numerikal hasil yang diusulkan

5�� )$��"��

�� '�� ()� *�� !� �+ !��,-�� +�� +

'�(�� $.�/01�$&!!2.'/01�$34!!2.�/01�$�&!!$

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0.000 0.010 0.020

P (

N)

h (mm)

Analytical

FEM R = 0.50 mm

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0.000 0.010 0.020

P (

N)

h (mm)

Analytical

FEM R = 0.79 mm

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0.000 0.010 0.020

P (N

)

h (mm)

Analytical

FEM R = 1.25 mm

(a) (b) ( c)

5�� )$��"��

(a) (b) (c)

0

300

600

900

1200

1500

0.00 0.05 0.10

P(N

)

h(mm)

R= 0.50 mm

0

300

600

900

1200

1500

0.00 0.05 0.10

P(N

)

h(mm)

R= 0.79 mm

0

300

600

900

1200

1500

0.00 0.05 0.10

P(N

)

h(mm)

R= 1.25 mm

��+�� ( �� *� ��!� �� (� ��

�� +� �� '� '�� .!�� +��5

6 1 %&��7 � 1 �$�/

5�� )$��"��

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

P(N

)

h(mm)

n=0.03, �y= 200 MPa

n=0.03, �y= 300 MPa

n=0.03, �y= 500 MPa

n=0.03, �y= 600 MPa

n=0.03, �y= 700 MPa

(a). Pengaruh yield stress (�y) pada kurva p-h

Spherical indentation.(b). Pengaruh work hardening coefficient (n) pada

Kurva p-h Spherical indentation.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

P(N

)

h(mm)

�y= 600 MPa, n=0.01

�y= 600 MPa, n=0.03

�y= 600 MPa, n=0.05

�y= 600 MPa, n=0.10

�y= 600 MPa, n=0.20

�� (��+��+� *��(��+

��'��.��(� ��/

��

"

)��*"��$�� %4��

�� #� ��*� ��'σ� ��(

� �

,-!��(�8��+� ��

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

P(N

)

h(mm)

Tipical Force Indentation Vs Depth Curve Vickers

Indentation

(E=200 Gpa, �y= 350 Mpa, n =0.05).

Tipical Force Indentation Vs Depth Curve Vickers

Indentation

(E=200 Gpa, �y= 350 Mpa, n =0.05).

2�� # $ � �� 5�"��

9�� :��

��*��+� � ;��

��#�� # �� )��$��

�� #� $� �� 5�"��%� ��

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

P(N

)

h(mm)

��#�� #�� )��$��

�� #� $� �� 5�"��%� ��

��

&

Tipikal kurva (P-h) pada Vickers indentasi dengan variasi mesh sizes

(E=200 GPa, �y=308 MPa, n=0.05).

0

20

40

60

80

100

120

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

P(N

)

h(mm)

2169 4139 9066

5�� 5�"��

��$�� #��$�� *�� #�� $ �� $��

5�"�� '�6788&��9�6�:88��68�8;(�

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

P(N

)

h(mm)

� = 0.10

� = 0.20

� = 0.30

5�� 5�"��

�� '�� (�� !� �+ �� '��(�� <�� !��

�� *��+� � .�� 5 -1 3� =��7 61 &��

��7 �1�$��2 �� 5 -1��$# =��7 61 �#" ��7 �1�$�#/

0

2

4

6

8

10

12

0.000 0.005 0.010 0.015

P, N

h, Um

Material 1, This work numerical results Material 1, Published numerical results

Material 1, Published experimental data Material 2, This work numerical results

Material 2, Published numerical results Material 2, Published experimental data

5�� 5�"�� Tipikal data yang memperlihatkan perunahan Kurva P-h

dengan variasi parameter material propertis berbeda

(a) . P-h curves with different σy.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 0.02 0.04 0.06

P(N

)

h (mm)

n=0.03, �y= 700 MPan=0.03, �y= 600 MPa

n=0.03, �y= 500 MPan=0.03, �y= 300 MPa

n=0.03, �y= 200 MPa

0

50

100

150

200

250

0 0.02 0.04 0.06

P(N

)

h(mm)

�y= 600 MPa, n=0.20

�y= 600 MPa, n=0.10

�y= 600 MPa, n=0.05

�y= 600 MPa, n=0.03

�y= 600 MPa, n=0.01

(c) . P-h curves with different n.

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

3�

n=0.03, �y= 700 MPa

n=0.03, �y= 600 MPa

n=0.03, �y= 500 MPa

n=0.03, �y= 300 MPa

n=0.03, �y= 200 MPa

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

3�

�y= 600 MPa, n=0.20

�y= 600 MPa, n=0.10

�y= 600 MPa, n=0.05

�y= 600 MPa, n=0.03

�y= 600 MPa, n=0.01

(b) Curvature value for P-h curves in (a)

(d). Curvature value for P-h curves in (c)

��#��*��$��$ ��5�"��

��

�

0

0.1

0.2

0.3

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

n

�y ( MPa )

4�# �� ')��$"�(�� #� ��

�� $�#�� # �� #

�� *� ��

0

100

200

300

400

500

600

100

200

300

400

500600

700800

900

0.050.10

0.150.20

0.250.30

HV

Yie

ld s

tres

s (M

Pa)

n

)��*"��$�� %5��

�� #� ��*� ��'σ� ��(

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

0 2 4 6 8 10 12

Forc

e, N

Displacement, mm

CS-0.10 %C

CS-0.54 %C

CS-0.85 %C

)��*"�� $�� $��

�# ;��$$�#��$$��"��

0.0

2.0e+5

4.0e+5

6.0e+5

8.0e+5

1.0e+6

1.2e+6

100

120

140

160

180

0.1

0.2

0.3

0.4

Cs

Sy

n

��$%�

��$��

��$��

�$��

�$��

�$��

�$%�

�$"�

�$&�

�$��

�$3�

� �� %�� "��

1�� )��$�

)*�&�

)��&�

)*%��

)�%��0

2e+4

4e+4

6e+4

8e+4

1e+5

100

120

140

160

180

0.10.2

0.30.4

Cv

SY

n�� %>9�� !��

��$�"��$��$�� "��$��"��

�� ;��$$�#� $$��"�

��

3

�� %>?�� 9��

!��

��$�"��$��$�� "��$��"��

�� ;��$$�#� $$��"�

0

2e+4

4e+4

6e+4

8e+4

1e+5

100

120

140

160

180

0.1

0.2

0.3

0.4

Cv

Sy

n

0.0

2.0e+5

4.0e+5

6.0e+5

8.0e+5

1.0e+6

1.2e+6

120

140

160

180 0.1

0.2

0.3

0.4

Cs

Sy

n

��$��

��$"�

��$��

�$��

�$��

�$"�

�$��

�$#�

� �� %�� "��

1�� )��$

)*�&�

)*%��

)��&�

)�%��

)��#�

)*�#�

)��*"�� $�� $��

�# ;��+��$$�#��$$��"��

Cs = �y ¾ . 8011.9 e 1.984 n

Cv = �y ¾ . 374.14. e 3.197 n

,�� $�� $��$��

%�� $� �� 2�� #�$ 5�"��

)$��"�� ##�� ;��+�� "�� "��$$�#

�$��

0""��"��

5�"�� )$��"��

��$��$�� 5��"�� "��

��

��**��

-��$��

��

0""��"��

'��<(

�� "��

��

��**��

-��$��

��

0""��"��

'��<(

� 3� 3� = =

�$�& �� # "��3&�$�&�-�� &$&�%-�� %$�#�-�� $"33-�� 4$33�-�� $&�%-��

�$�& �"� ��# "��3&�$&%#-�� %$3#�-��% �$&�"-�� $�%4-�� $%##-�� 4$�&%-��

�$�& �4� ��# "��3&

#$4"4-�� $�&�-�� "$�%"-�� &$4��-�� 4$�#4-�� $�&4-��

�$�& %�� # "��3&�&$�4#-�� $��-�� $%"3-@�� $3�"-�� %$��"-�� $�"%-@��

�$�# �� 4"� 4�&#��&$3"4-�� $4"4-�� $�&%-@�� $%4�-�� %$&4�-�� $�#%-@��

�$�# �"� ��4"� 4�&#��

&$�%&-�� $"%&-�� #$�4&-�� &$&&%-�� $3&%-�� 4$#%%-��

�$�# �4� ��4"� 4�&#��"$&4�-�� $34�-�� $%4#-�� "$&��-�� $3��-�� $�4�-��

�$�# %�� 4"� 4�&#��%$�33-�� %$33�-�� $%"�-�� $��-�� &$44"-�� $�"�-��

��$��

)$��-�� >��

��

#

��$�� $�� %5� %4�� #�

�# �� $�� ##��

�

��

��

%��

"��

&��

��

3)�8�?8<3 3)�8�@A<3 3)�8�B@<3

-<�� !��

� ��

��'�

�(

��

�$��

�$�&

�$��

�$�&

�$��

�$�&

�$%�

3)�8�?8<3 3)�8�@A<3 3)�8�B@<3

-<�� !��

� ��

��

Sample

Experiment FE Model Accuracy Study

Hardness Properties Hardness Properties Different (� Exp-FE model) Accuracy (Error %)

HV HR Sy n HV HR Sy n � HV � HR � Sy �n

� HV/

HV

� HR/

HR

� Sy /

Sy

�n/

n

CS-0.10%C124.773 53.211 126.55 0.25 123.107 55.209 127.754 0.26

1.67 -2.00 -1.20 -0.01 0.01 -0.04 -0.010 -0.040

CS-0.54%C216.595 77.085 345.90 0.14 219.724 78.784 340.880 0.14

-3.13 -1.70 5.02 0.00 -0.01 -0.02 0.015 0.008

CS-0.85%C275.158 91.200 527.45 0.14 266.889 86.747 528.150 0.14

8.27 4.45 -0.70 0.00 0.03 0.05 -0.001 -0.014

,��$��

� FE model indentor tajam (Vickers) dan indentor tumpul(Spherical) telah dikembangkan dan divalidasi. Pengaruhbeberapa parameter pemodelan kunci seperti sensitivitasmesh, ukuran sampel dan kondisi batas dievaluasi

� Metode yang dikembangkan telah meletakkan dasar yang baikterhadap tujuan akhir dari penelitian ini dalam membangun efekparameter pengelasan pada sifat statis dan dinamis las titik (spotwelding) sistem bahan yang berbeda.

� Pendekatan inverse prediksi properti yang akan diperluas untukuji kekerasan konvensional untuk mengkarakterisasi sifat darizona struktur yang berbeda dalam sambungan las dari sistembahan yang berbeda(dissimilar materials welding). Sifatdiprediksi kemudian akan digunakan dalam model numerikdengan properties bahan realistis untuk mensimulasikandeformasi las titik dalam kondisi pembebanan yang berbeda

��4��0 ,0)�%

REKAYASA MATERIAL, SISTEM MANUFAKTUR DAN …...Prosiding Seminar Nasional Rekayasan Material, Sistem...

Documents

Transcript of REKAYASA MATERIAL, SISTEM MANUFAKTUR DAN …...Prosiding Seminar Nasional Rekayasan Material, Sistem...