Jurnal Dinamis, Volume.5, No.3 September 2017
ISSN  0216-7492

## SIMULASI  UJI FATIK PADA MATERIAL PADUAN ALUMINIUM DAN MAGNESIUM DENGAN VARIASI PEMBEBANAN
Apriyan A. Saputra 1 , Ikhwansyah Isranuri 2 , Bustami Syam 3 , Marragi M. 4 , M. Sabri 5 1,2,3,4,5 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara E-mail : apriyananggi@gmail.com

## ABSTRAK
Objek  pengujian  adalah  paduan  aluminium  dan  magnesium.  Variasi  persentase  bahan  adalah 96% aluminium dan 4% magnesium. Untuk mengetahui galat atau error perbandingan hasil uji sebenarnya dengan hasil uji simulasi. Pada proses simulasi pengujian fatik, dilakukan 3 variasi berat  beban  uji.  Pada  berat  11,94  kg  menghasilkan  tegangan  59,70  MPa,  Pada  berat  7,62 menghasilkan  tegangan  53,74  MPa,  Pada  berat  5,97  menghasilkan  tegangan  45,52  MPa. Dilakukan  juga  simulasi  uji  fatik  dengan  menggunakan  program ansys 14.5 dan  di  ketahui  : Pada  beban  117,13  N  didapatkan  umur  kelelahan  minimum  47120 cycles ,  faktor  keamanan 1,2949 cycles ,  tegangan alternating  stress maksimum  8,945  MPa,  Pada  beban  74,7522  N didapatkan  umur  kelelahan  minimum  82565 cycles ,  faktor  keamanan  1,7128 cycles ,  tegangan alternating  stress maksimum  2,074  MPa,  Pada    beban  58,5657  N  didapatkan  umur  kelelahan minimum  135515 cycles ,  faktor  keamanan  2,1106 cycles ,  tegangan alternating  stress maksimum 0,00114 MPa.
Kata Kunci : Aluminium, Magnesium, Fatik, Solidwork, Ansys.

## 1. PENDAHULUAN
Aluminium memiliki peranan yang sangat penting dalam dunia industri dimana banyak  rancangan  komponen  mesin  pabrik  menggunakan  material  tersebut.  Sifat mekanik yang dimiliki material ini cukup mampu untuk berbagai penggunaan lapangan dalam  berbagai  aplikasi.  Pada  dasarnya  unsur  magnesium  dapat  meningkatkan kemampuan    kedua  material  dan  memiliki  nilai  ketahanan  korosi  tinggi.  Tetapi    jika kadar  yang diberikan  tidak tepat, maka terdapat  kemungkinan  kekuatan paduan akan menurun.[1]

## 2. TINJAUAN PUSTAKA Aluminium
Aluminium  ditemukan  kira-kira  sekitar  160  tahun  yang  lalu  dan  mulai diproduksi  skala  industri  sekitar  90  tahun  yang  lalu.  Sifat-sifat  penting  lainnya  yang dimiliki aluminium sehingga banyak digunakan sebagai material teknik, antara lain:
1. Berat jenisnya ringan (hanya 2,7 gr/cm³, sedangkan besi ± 8,1 gr/ cm³)
2. Tahan korosi
3. Penghantar listrik dan panas yang baik
4. Mudah di fabrikasi/di bentuk. [2]

## Magnesium
Magnesium adalah unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki simbol Mg dan nomor atom 12 serta berat atom 24,31. Logam alkali tanah ini terutama digunakan sebagai  zat  campuran  (alloy)  untuk  membuat  campuran  alumunium-magnesium  yang sering disebut "magnalium" atau "magnelium".[3]
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.3 September 2017
Fatik atau kelelahan merupakan fenomena terjadinya kerusakan material karena pembebanan  yang  berulang-ulang,  diketahui  bahwa  apabila  pada  suatu  logam  dikenai tegangan  berulang  maka  logam  tersebut  akan  patah  pada  tegangan  yang  jauh  lebih rendah dibandingkan dengan tegangan yang dibutuhkan untuk menimbulkan perpatahan pada beban statik. [4]
Kerusakan akibat beban berulang ini disebut patah lelah ( fatigue failures ) karena umumnya  perpatahan  tersebut  terjadi  setelah  periode  pemakaian  yang  cukup  lama. Mekanisme terjadinya kegagalan fatik dapat dibagi menjadi tiga fase yaitu:
Awal  retak  ( initiation  crack ),  perambatan  retak  ( crack  propagation ),  dan perpatahan  akhir  ( fracture  failure ).  Penyajian  data fatigue rekayasa  adalah menggunakan  kurva  S-N  yaitu  pemetaan  tegangan  (S)  terhadap  jumlah  siklus  sampai terjadi kegagalan (N).[5]
Kurva  S-N  ini  lebih  diutamakan  menggunakan  skala  semi  log  seperti  ditunjukan pada gambar 1 Untuk beberapa bahan teknis yang penting.
Gambar 1 Kurva S-N
Kurva  tersebut  didapat  dari  pemetaan  tegangan  terhadap  jumlah  siklus  sampai terjadi  kegagalan  pada  benda  uji.  Pada  kurva  ini  siklus  menggunakan  skala  logaritma. Batas ketahan fatigue ( endurance limit ) baja ditentukan pada jumlah siklus N>10 7 . [6] Persamaan umum kurva S-N dinyatakan oleh persamaan  ( dowling ,1991). S = B + C ln (N f ) Dengan : B dan C adalah konstanta empiris material.

## Solidworks
SOLIDWORKS adalah  salah  satu  CAD  software  yang  dibuat  oleh DASSAULT SYSTEMES dimana  software  ini    digunakan  untuk  merancang  part  permesinan  atau susunan  part  permesinan  yang  berupa assembling dengan  tampilan  3D  untuk merepresentasikan part sebelum real part nya dibuat atau tampilan 2D (drawing ) untuk gambar proses permesinan. Logo software solidworks seperti gambar 2.
Gambar 2 Logo Software Solidworks
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.3 September 2017
ANSYS adalah  sebuah  software  analisis  elemen  hingga  dengan  kemampuan menganalisa  dengan  cakupan  yang  luas  untuk  berbagai  jenis  masalah  (  Tim  Langlais, 1999). ANSYS mampu  memecahkan  persamaan  differensial  dengan  cara  memecahnya menjadi elemen-elemen yang lebih kecil. [7]
Program ANSYS dapat  digunakan  dalam  teknik  sipil,  teknik  listrik,  fisika  dan kimia. Logo software ansys seperti gambar 3 dibawah.

## Gambar 3 Logo Software Ansys

## 3. METODOLOGI PENELITIAN Bahan Penelitian
Bahan yang digunakan dalam penelitian antara lain :
a. Aluminium
Peleburan ini menggunakan material aluminium yang dibentuk batangan (ingot). Aluminium  yang  didapat  berdasarkan  proses  daur  ulang  oleh  perusahaan  industri aluminium.
b. Magnesium
Magnesium  salah  satu  dari  beberapa  unsur  yang  dapat  dicampur  dengan aluminium.  Karena magnesium memiliki massa jenis lebih ringan daripada aluminium sehingga  dapat  meningkatkan  efisiensi  pada  perpaduan  kedua  material.Magnesium Terdiri  dari  unsur  9%  Al,  0.5%  Zn,  0.13%  Mn,  0.5%  Si,  0.3%  Cu,  0.03%  Ni  dan sisanya Mg.

## Alat Penelitian
Dalam proses  penelitian ini banyak menggunakan alat-alat teknik, dimana alat- alat tersebut  memiliki fungsi masing-masing dalam  proses penelitian ini.  Adapun alat- alat tersebut antara lain :
1. Mesin Gergaji
2. Dapur Lebur
3. Ladel
4. Crucible
5. Blower
6. Cetakan Spesimen
7. Mesin Uji Heattreatment
8. Mesin Bubut
9. Mesin Uji Tarik
10. Mesin Uji Fatik
11. Mesin Uji Struktur Mikro
12. Laptop
13. Software Solidworks 2013
14. Software Ansys 14.5

## Simulasi Uji Fatik
Simulasi  uji  fatik  dilakukan  dengan  bantuan  komputer  dan  2  tahapan  yaitu dengan  menggunakan  program  aplikasi Solidworks 2013 dan Ansys 14.5.  Disini solidworks hanya untuk menggambar bentuk spesimen benda kerja, dan untuk simulasi uji fatik akan mengggunakan bantuan program aplikasi Ansys 14.5.
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.3 September 2017
Dibawah ini beberapa tahapan yang dilakukan untuk membuat gambar spesimen benda kerja dan cara simulasi:
a. Buka program aplikasi Solidworks 2013 b. Klik File – New – Part lalu OK, kemudian atur document properties.
c. klik Front Plane lalu klik Sketch, Klik circle kemudian klik di pusat grid, tahan lalu tarik kemudian lepas. Setelah itu klik Smart Dimension untuk memberikan ukuran.
d. Kemudian pilih features lalu klik extruded boss/base tool , lalu beri ukuran panjang benda kerja dan klik OK.
e. Klik front plane kembali lalu klik reference geometry tool lalu pilih plane, kemudian ubah ukuran titik letak gambar yang akan kita gambar selanjutnya,  lalu klik OK.
f. Lakukan langkah diatas hingga berbentuk seperti gambar 6 berikut ini:

## Gambar 6 Tampilan Pemodelan Spesimen
a. Dari solidworks, klik file – Ansys 14.5 b. Kemudian klik static structural kemudian drag ke work project
c. Klik Geometry dari kotak geometry dan drag ke geometry kotak static structural .
d. Double klik  kotak engineering  data kemudian  pada  kotak outline  of  schematic  B2:
Engineering  data dibagian  paling  bawah  kotak  klik  pada click  here  add  a  new material lalu masukkan nama material yaitu aluminium-magnesium lalu pada bagian kotak description masukkan keterangan mengetahui benda kerja kita.
e. Kemudian  masukkan  semua  data  mengenai aluminium-magnesium yang  kita kerjakan, misalnya berat, kekuatan tarik bahan dan lain sebagainya. Caranya double klik di kotak toolbox lalu pilih parameter yang diinginkan.
f. Kemudian  klik  kanan  kotak model lalu  pilih edit. Setelah  itu  klik  kanan mesh- generate  mesh. Kemudian  klik  kanan mesh-insert-refinement, tandai  semua  gambar benda kerja lalu apply. Klik mesh kembali lalu relevance ubah menjadi 100.
g. Klik  kanan static  structural-insert-fixed  support lalu  tandai  area  benda  kerja  untuk bagian pemegang benda  kerja, klik kanan kembali static structural-insert-force lalu klik bagian ujung benda kerja, ubah define by menjadi component dan ubah di titik Y
Klik  kanan solution-insert Kemudian  masukkan  yang  ingin  kita  dapatkan  dari hasil  simulasi  uji  fatik.  Setelah  itu  klik  kanan  kembali solution-insert-fatigue-fatigue tool, lalu klik kanan fatigue too-insert kemudian masukkan parameter yang diinginkan. Setelah selesai memasukkan semua parameter klik solve.

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Variabel Analisa
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.3 September 2017
Penetapan  komponen  yang  akan  dianalisa  berserta  data  tekniknya,  dibawah  ini variabel analisa yang dimasukkan pada variabel material yang digunakan. Dapat dilihat pada tabel 1 dibawah.
Tabel 1 Tabel Properties material paduan al-mg

## Perhitungan Beban yang diberikan
Beban  yang  diberikan  pada  simulasi  pengujian  fatik  untuk  mendapatkan  hasil yang  mendekati  pada  pengujian  yang  sebenarnya  juga  perlu  dihitung,  berikut perhitungan untuk pemberian beban maksimum fatik sebenarnya:
𝜎𝑏      = 𝐹 .(𝑥−𝑙) . 𝑑 2 𝜋 64 .  8 4 42,77 = 𝐹 .(10−100) . 8 2 𝜋 64 .  8 4
𝐹 = 42,77 . 𝜋 64 .  8 4 (10−100) .  8/2 𝐹 = 23,88 𝑘𝑔 Keterangan: d = Diameter terkecil spesimen y  =  Jarak titik pusat lingkaran ke poros kulit terluar x = Jarak chuck ke diameter terkecil neckling l = Jarak diameter terkecil neckling ke ujung spesimen
Disini beban yang digunakan pada simulasi fatik adalah beban yang akan dibagi dengan ½ , 1 / 3 dan ¼.  Perhitungan beban adalah sebagai berikut: a. ½ x 23,88 kg = 11,94 kg b. 1 / 3 x 23,88 kg = 7,62 kg c. 1 / 4 x 23,88 kg  = 5,97 kg
Dari hasil diatas dapat disimpulkan bahwa beban ½ adalah beban maksimum, 1 / 3 adalah beban normal, dan 1 / 4 adalah beban minimum.
Setelah  beban  dibagi,  selanjutnya  untuk  beban force (gaya)  yang  akan dimasukkan  dalam  ansys  dikalikan  dengan  gaya  gravitasi  bumi  9,81  m/s 2 ,  Berikut perhitungannya dan tampilan force seperti gambar 9.
Force 1 = 11,94 kg x 9,81 m/s 2
= 117,13 N Force 2 = 7,62 kg x 9,81 m/s 2
= 74,7522 N Force 3 = 5,97 kg x 9,81 m/s 2
= 58,5657 N

## Gambar 9 Tampilan arah pembebanan pada force (gaya)
Kemudian  perhitungan  untuk  momen,  dan  momen  yang  terjadi  antara lain;momen  yang  dilakukan  untuk  pengujian  fatik  sebenarnya  momen  puntir  yaitu diputar  secara  terus-menerus  hingga  sampai life  time  fatigue (umur  kelelahan),  setelah sampai pada umur kelelahan maksimum benda kerja akan patah.
Jadi  disini  cukup dimasukkan momen saja, Dan  perhitungan untuk  momen dan tampilan force seperti gambar 10 adalah sebagai berikut: gaya ( force) x panjang benda kerja dari ujung sampai fixed support M 1 = Force 1 . x = 117,13 N x 4,69 mm = 549,34 N.mm M 2 = Force 2 . x = 74,7522 N x 4,69 mm = 350,59 N.mm M 2 = Force 3 . x = 58,5657 N x 4,69 mm = 274,67 N.mm
Gambar 10 Tampilan pembebanan pada moment

## Hasil Simulasi
Pada  bab  ini  akan  dibahas  tentang  hasil  yang  diperoleh  setelah  dilakukan simulasi pengujian fatik dengan program Ansys 14.5. a.Hasil Simulasi Pada Beban Maksimum
Pada  normal  stress  gambar  11  ,  stress  maksimum  yang  terjadi  adalah  pada tengah benda kerja, tepatnya pada ujung yang berdekatan dengan pemegang benda kerja dan  tepat  di  tirus  benda  kerja,  stress  maksimum  yang  terjadi  adalah  sebesar  29,6901 MPa dan stress minimum yang terjadi adalah sebesar 28,4817 MPa.

## Gambar 11 Normal Stress Beban Maksimum
Hasil  simulasi  umur  kelelahan  minimum  yang diperoleh  pada  pembebanan maksimum adalah sebesar 47120 cycles pada gambar 12.
Gambar 12 Tampilan Umur Kelelahan Pada Material al-mg Beban Maksimum
Simulasi  faktor  keamanan  harus  didasarkan  juga  pada  umur  desain  yang diberikan.  Hasil  faktor  keamanan  minimum  pada  beban  maksimum  adalah  1,2949 cycles pada gambar 13.
Gambar 13 Tampilan Faktor Keamanan Material al-mg Pada Beban Maksimum
Hasil distribusi tegangan alternating ekivalen maksimum pada material paduan al-mg  adalah  sebesar  8,945  MPa  pada  beban  maksimum.  Tampilan  pada  gambar  14 dibawah.
Gambar 14 Tampilan Tegangan Alternating Pada al-mg Pada Beban Maksimum
Dari grafik SN gambar  15 untuk  beban maksimum  bisa dilihat bahwa semakin meningkat alternating stress yang terjadi maka cycles akan menurun. Dan saat sampai pada 47120 cycles specimen akan mengalami crack kemudian patah.
Gambar 15 Tampilan Alternating Stress terhadap Cycles Pada Beban Maksimum
b. Hasil Simulasi Pada Beban Normal
Pada  normal  stress  gambar  16,  stress  maksimum  yang  terjadi  adalah  sebesar 18,9482 MPa dan stress minimum yang terjadi adalah sebesar 18,177 MPa.
Gambar 16 Normal Stress Beban Normal Hasil  simulasi  umur  kelelahan  minimum  pada  gambar  17  yang diperoleh  pada pembebanan normal sebesar 82565 cycles .

## Gambar 17 Tampilan Umur Kelelahan Pada Material al-mg Beban Normal
Simulasi  faktor  keamanan  pada  gambar  18.  Hasil  faktor  keamanan  minimum pada beban minimum adalah 1,7128 cycles .
Gambar 18 Tampilan Faktor Keamanan Pada Material al-mg Beban Normal
Hasil distribusi tegangan alternating ekivalen maksimum pada gambar 19  pada material  paduan  al-mg  adalah  sebesar  3,3586e-7  atau  sebesar  2,07  Mpa  pada  beban normal.
Gambar 19 Tegangan Alternating Stress Material al-mg Pada Beban Normal
Dari  grafik  SN  gambar  20  untuk  beban  normal  bisa  dilihat  bahwa alternating stress yang  terjadi  mengalami  peningkatan  tetapi  stabil  dan cycles mengalami penurunan.  Dan  saat  sampai  pada  82565 cycles specimen  akan  mengalami crack kemudian patah.
Gambar 20 Tampilan Alternating Stress terhadap Cycles Pada Beban Normal
c. Hasil Simulasi Pada Beban Minimum
Pada normal stress gambar 21, stress minimum yang terjadi adalah pada tengah benda  kerja,  tepatnya  pada  ujung  yang  berdekatan  dengan  pemegang  benda  kerja  dan tepat  di  tirus  benda  kerja,  stress  maksimum  yang  terjadi  adalah  sebesar  14,8452  MPa dan stress minimum yang terjadi adalah sebesar 14,241 MPa.
Gambar 21 Normal Stress Pada Beban Minimum
Hasil  simulasi  umur  kelelahan  minimum  yang diperoleh  pada  pembebanan minimum adalah sebesar 135515 cycles gambar 22.
Gambar 22 Tampilan Umur Kelelahan Pada Material al-mg Beban Minimum
Simulasi  faktor  keamanan  pada  gambar  23  Hasil  faktor  keamanan  minimum pada beban minimum adalah 2,1106 cycles .
Gambar 23 Tampilan Faktor Keamanan Pada Material al-mg Beban Minimum
Hasil distribusi  tegangan alternating ekivalen maksimum  pada  material  paduan al-mg  adalah sebesar 2,6313e-7 MPa atau sebesar 0,00114 MPa pada beban minimum ditampilkan pada gambar 24.
Gambar 24 Tegangan Alternating Material al-mg Pada Beban Minimum
Pada  gambar  25  grafik  SN  diatas  untuk  beban  normal  bisa  dilihat  bahwa alternating stress yang terjadi mengalami peningkatan tetapi lebih lambat dibandingkan pada beban normal dan cycles mengalami penurunan yang lebih lama. Dan saat sampai pada 135515 cycles specimen akan mengalami crack kemudian patah.
Gambar 25 Tampilan Alternating Stress terhadap Cycles Pada Beban Minimum

## Analisa Hasil Simulasi
Analisa  hasil  kelelahan  material  paduan  al-mg  96%-4% didasarkan  pada kriteria-kriteria sebagai berikut:
1. Umur  dinilai  berdasarkan  posisinya  pada  kurva  S-N,  dimana  lebih  kecil  dari life design umurnya  terhingga  sedangkan  lebih  besar  atau  dari life  design umurnya  tak terhingga. Life design yang dibuat pada simulasi ini adalah 10 6 cycles .
2. Dari  simulasi  didapat  siklus  pada  beban  maksimum  yaitu  11,94  kg  adalah  47120 cycles dan tegangan ekivalennya sama dengan 8,945 MPa. Pada beban normal yaitu
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.3 September 2017
7,62  kg  adalah  82565 cycles dan  tegangan  ekivalennya  sama  dengan  2,074  Mpa, Sedangkan  pada  beban  minimum  yaitu  5,97  kg adalah  135515 cycles dan  tegangan ekivalennya sama dengan 0,00114 MPa.
3. Berikut ini hasil yang didapat dari uji fatik sebenarnya yang dilakukan (Tabel 2).
Tabel 2 Hasil Pengujian Fatik Sebenarnya Beban (kg) Siklus (cycles) Tegangan (Mpa) 5,97 902342 45,33 7,62 358316 49,03 11,94 53026 57,68
5. Dari  Hasil  Pengujian  sebenarnya  bisa  dilihat  perbandingan  antara  hasil  uji  fatik sebenarnya dengan simulasi uji fatik (Tabel 3).
a. Untuk  umur  kelelahan  uji  fatik  sebenarnya  pada  beban  maksimum  yaitu  11,94 kg adalah 53026 cycles sedangkan pada simulasi 47120 cycles .
b. Untuk  umur  kelelahan  uji  fatik  sebenarnya  pada  beban  normal  yaitu  7,62  kg adalah 358316 cycles sedangkan pada simulasi 82565 cycles .
c. Untuk umur kelelahan uji fatik sebenarnya pada  beban minimum  yaitu 5,97 kg 902342 cycles sedangkan pada simulasi 135515 cycles .
Tabel 3 Hasil Pengujian Fatik Simulasi Beban (kg) Siklus (cycles) Tegangan (Mpa) 5,97 135515 8,945 7,62 82565 2,074 11,94 47120 0,00114

## 5. KESIMPULAN
Dari  hasil-hasil  penelitian  yang  telah  dilakukan,  maka  dapat  ditarik  beberapa kesimpulan sebagai berikut:
a. Pada material  paduan aluminium-magnesium dengan perbandingan 96% aluminium dan  4%  magnesium  Setelah  dilakukan  foto  mikro  ternyata  paduan  aluminium  yang telah di tempering mempunyai porositas yang lebih besar dibandingkan dengan yang tidak  ditempering ,  sedangkan  untuk  unsur-unsur  paduannya  tidak  begitu  banyak mengalami perubahan yang signifikan..
b. Dan  dari  hasil  uji  umur  kelelahan  Untuk  umur  kelelahan  uji  fatik  sebenarnya  pada beban  maksimum  yaitu  11,94  kg  adalah  47120 cycles dan  tegangan  ekivalennya sama dengan 8,945 MPa. Pada beban normal yaitu 7,62 kg adalah 82565 cycles dan tegangan  ekivalennya  sama  dengan  2,074  Mpa,  Sedangkan  pada  beban  minimum yaitu 5,97 kg adalah 135515 cycles dan tegangan ekivalennya sama dengan 0,00114 MPa.  Semakin  kecil  siklus  ( cycles) yang  terjadi  dibanding  dengan  umur  kelelahan design material  maka  umur  kelelahan  material  semakin  pendek  atau  akan  cepat patah.
Jurnal Dinamis, Volume.5, No.3 September 2017 ISSN  0216-7492

## DAFTAR PUSTAKA
[1]. ASM Handbook. 1988. Metals Handbook Ninth Edition Volume 15 Casting. The University of Alabama.
[2]. ASM  Handbook.  2000. Volume  9  Metallography  and  Microstructures. ASM International.
[3]. B. H. Amstead, Teknologi Mekanik, Terjemahan Sriati Djaprie, Erlangga, Jakarta, 1987.
[4]. E.  P  Propov,  Mekanika  Teknik,  Terjemahan  Zainul  Astamar  Msc,  Erlangga, Jakarta, 1984.
[5]. George  E.  Dieter,  Metalurgi  Mekanik,  Terjemahan  Sriati  Djaprie,  Erlangga, Jakarta, 1988.
[6]. Ferdinand L. Singer, Andrew Pytel, Kekuatan Bahan, Terjemahan Ir. Darwin
[7].  H. Dieter Wilhelm, Guided Ansys-Mode Hands