Abstrak — Poros  berfungsi  untuk  meneruskan  tenaga  baik berupa  puntiran,  torsi  maupun  bending  dari  suatu  bagian  ke bagian  yang  lain.  Akibatnya  suatu  poros  sering  mengalami kegagalan  dalam  operasinya.  Tugas  akhir  ini  bertujuan  untuk mengestimasi usia siklus dari poros dengan mempertimbangkan perhitungan  faktor  intensitas  tegangan  untuk  retak  semi elliptical  yang  diaplikasikan  displacement.  Analisa  metode elemen  hingga  dengan  opsi  smart  crack  growth  ANSYS  19.1 untuk  melakukan  simulasi  perambatan  retak  yang  kemudian didapatkan  nilai  faktor  intensitas  tegangan  dengan  variasi panjang  retak  dan  jenis  material.  Range  dari  faktor  intensitas tegangan digunakan untuk memprediksi laju perambatan retak dan  estimasi  usia  siklus  dengan  menggunakan  hukum  Paris. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa semakin kecil intial crack maka  energi  yang  dibutuhkan  semakin  besar  sehingga  siklus yang  dibutuhkan  untuk  menyelesaikan  patahan  lebih  lama kemudian  untuk  penambahan  unsur  paduan  yang  bersifat sebagai  pembentuk  karbida  dan  penstabil  karbida  maka semakin mudah membentuk karbida yang mampu menghambat pertumbuhan butir dan meningkatkan ketangguhan.
Kata  Kunci — Intensitas,  Siklus,  SMART,  Perambatan  Retak, Poros

## I. PENDAHULUAN
oros  adalah  komponen  mekanis  untuk  mentransmisikan torsi  dan  rotasi  yang  biasanya  digunakan  untuk mengkoneksikan    antar  komponen.  Khususnya  pada mesin  uap,  poros  digunakan  untuk  menghubungkan  dan mengkonversi  gerakan  translasi  piston  menjadi  gerakan putar yang memutar flywheel dan roda gigi. Dimana terdapat keyways sebagai tempat pengunci roda gigi sehingga sering kali  terjadi  retakan  pada  daerah  tersebut.  Pembebanan sebenarnya yang terjadi pada mesin uap ada beban statis dan beban  siklik.  Dalam  kasus  sebenarnya  sering  terjadi  beban kejut  oleh  suatu  sebab  dan  terjadi  dalam single  application of  load yang  melebihi  kapasitas  kekuatan  material  poros tersebut.  Pada  simulasi  ini  menggunakan  jenis  pembebanan statis  dan  diasumsikan  sebagai  quasi-dinamis  (pembebanan statis  namun  seolah  olah  dinamis).  Fraktur  terjadi  pada struktur  dengan  adanya  perambatan  retak  dan  memecahnya menjadi  lebih  dari  satu  bagian.  Fraktur  diklasifikasikan antara  lain opening,  sliding, atau tearing berdasarkan perpindahan  retaknya.  Pada  penelitian  ini,  menggunakan metode SMART  Crack  Growth ANSYS  19.1  dengan mengevaluasi  faktor  intensitas  tegangan  sepanjang crack front. Kemudian  dilakukan  perhitungan  menggunakan hukum  Paris  untuk  mendapatkan  laju  perambatan  retak  dan usia  siklus  engan  variasi  jenis  material  AISI  1040,  4140, 4340 dan panjang inisiasi retak 10 mm dan 20 mm

## II. METODOLOGI PENELITIAN

## A. Preparasi Spesimen
Spesimen  yang  digunakan  pada  simulasi  ini  yaitu  poros dengan dimensi panjang 4 meter dan diameter rata-rata 220 mm  seperti  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  1.  Spesimen didesain  menggunakan  software  Solidworks  2018.  Material yang  digunakan  yaitu  bervariasi  AISI  1040,  AISI  4140  dan AISI  4340.  Kemudian  mendesain  inisiasi  retak  dengan bentuk semi ellipitical yang mempunyai panjang 10 mm dan 20  mm  dengan  22  degree  sebagai  singularitasnya  seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.

## B. Aspek yang Dibandingkan
Pada  simulasi  ini  menggunakan  enam  variasi  yang disajikan dalam Tabel 1 berikut:
Kemudian  untuk  membandingkan  jenis  material,  maka ditentukan  beberapa  parameter  pada  Tabel  2  untuk dimasukkan kedalam engineering data pada ANSYS 19.1

## Analisa Faktor Intensitas Tegangan dan Usia Siklus pada Simulasi Perambatan Retak Komponen Poros Menggunakan Metode Smart Crack Growth
Anky Fitrian Wibowo, Mas Irfan Purbawanto Hidayat dan Rochman Rochiem Departemen Teknik Material, Institut Teknologi Sepuluh Nopember
e-mail : masirfan.ph@gmail.com
P b)
Gambar 1. Dimensi desain poros menggunakan Solidwork
Gambar 2. Dimensi inisiasi retak pada poros:  ( a) 10 mm dan (b) 20 mm
a b
Selain perbandingan diatas, pada simulasi ini menggunakan  3  jenis  material  dengan  komposisi  masing masing material sebagai berikut pada Gambar  3, 4, dan 5
C. Metode Smart Crack Growth
Simulasi  perambatan  retak  menggunakan  metode Smart Crack  Growth pada  software  ANSYS  19.1.  Berikut  adalah langkah-langkah  untuk  melakukan  simulasi.  Pertama, mengimpor  desain  file  .igs,  menggunakan  modul static structural dan melakukan pengaturan pada engineering data menyesuaikan  dengan  property  dari  jenis  material. Kemudian  mensetting global  coordinate  system dan crack tip  coordinate  system .  Setelah  itu  melakukan meshing dengan  opus body  sizing,  face  sizing,  edge  sizing dan tetrahedrons  patch  conforming  method .  Selanjutnya memberikan named  selection pada  bagian face dan nodal selection pada  inisiasi  retak.  Menggunakan  menu fracture kemudian  mensetting  bagian premeshed  crack yang selanjutnya  diproses  dengan  menu Smart  Crack  Growth. Memberikan  pengaturan  analisa  dengan  memasukkan time steps,  support dan displacement. Kemudian  Langkah
terakhir dengan mensolusikan dengan opsi Total Deformation, Von Mises Stress dan Fracture SIFs [1].

## D. Metode Paris Law
Setelah melakukan simulasi, maka langkah selanjutnya yaitu mengevaluasi  stress  intensity  factor  pada  hasil  simulasi. Pada  hasil  simulasi  didapatkan  pola  grafik  dan  tabel  stress intensity  factor  dan  pertambahan  panjang  retak.  Dari informasi  ini  maka  langkah  selanjutnya  yaitu  menghitung dan  memprediksi  usia  siklus  dan  laju  perambatan  retak menggunakan formula Paris
Dimana da/dN adalah crack growth rate per cycle atau laju perambatan  retak  per  siklus  akibat  pembebanan  yang diberikan  dengan  satuan  in/cycle. adalah  range  dari stress intensity factor dengan ksi
. Kemudian untuk nilai konstanta  material  (  C  )  dan  nilai  eksponen  material  (  m  ) berdasarkan  material  AISI  4340  yang  termasuk  dalam kategori ferrite-pearlite  steels yaitu  3,6.10 -10 untuk C dan 3 untuk m [2].
Langkah pertama yaitu  Menentukan  konstanta geometri ( C ) dan eksponen material (m) yang terdapat pada spesifikasi  material.  Membuat  tabel  pada  excel  yang  terdiri dari crack length (a) , Stress Intensity Factor (∆K) , jumlah siklus (N) , pertambahan panjang (∆a) dan  laju perambatan retak  (da/dN)  dengan  metode  hukum  Paris.  Kemudian menentukan critical crack length sesuai dengan ketangguhan material  dan  pembebanan,  kemudian  melakukan  plotting antara  pertambahan  panjang  dengan  pertambahan  jumlah siklus  untuk  mengetahui  usia  siklus  hingga  retak  mencapai critical  crack  length selain  itu  juga  membuat  grafik  antara laju  perambatan  (da/dN)  dengan  faktor  intensitas  tegangan (K)  untuk  mengetahui  laju  perambatan  berdasarkan  pola faktor intensitas tegangan.

## III. BENCHMARK PROBLEM
Dengan  tujuan  untuk  menvalidasi  solusi  kriteria  factor intensitas  tegangan  ( stress  intensity  factor), benchmark dengan  hasil  pada  literatur.  Analisa  pada  geometri  retak menggunakan  software ANSYS  19. 1  dan  benchmark  model
(c)
Tabel 1
Tabel Variasi pada Simulasi Perambatan Retak
Variabel Bebas Variabel Tetap Variabel Kontrol Jenis Baja Inisiasi Retak Boundary Condition, Jumlah Meshing , arah dan beban displacement (0,3 m) Stress Intensity Factor, Laju Perambatan Retak dan Jumlah Siklus ( Number of
Cycles) AISI 1040 10 mm 20 mm AISI 4140 10 mm 20 mm
AISI 4340 10 mm 20 mm
Tabel 2 Aspek yang Dibandingkan pada Engineering Data Material (AISI) Kuat Tarik (MPa) Kuat Luluh (MPa) Modulus Elastisitas (GPa) Fracture Toughness (Ksi in 0.5 ) 1040 595 370 200 48,6 4140 1020 655 205 54 4340 1282 862 205 60 Tabel 3. Komposisi AISI 1040 (Plain Carbon Steel)
Tabel 4. Komposisi AISI 4140 (Cr-Mo Steel)
Tabel 5. Komposisi AISI 4340 (Ni-Cr-Mo Steel)
Gambar 6. Poros Setelah Dilakukan Proses (a) Meshing ; (b) Premeshed Crack dan (c) Displacement and Fix Support
University menggunakan software Franc3D dengan geometri  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  7  dan  Gambar  8 berikut
Franc3D menunjukkan  hasil  yang  dapat  disetujui. Reliabilitas  dan function  range harus  dikembangkan. Program  multipurpose  Franc3D  dan  ANSYS  menunjukkan tingkat  reliabilitas  yang  baik  dan  pemrograman  untuk mengadaptasi  penyelesaian masalah mekanika patahan yang praktis  untuk engineer .  Ini  menunjukkan  bahwa  kredibilitas dari  software  dapat  digunakan  pada  penelitian  ini  yaitu analisa  faktor  intensitas  tegangan  dan  usia  siklus  pada simulasi  perambatan  retak  komponen  poros  mesin  uap menggunakan metode SMART Crack Growth [3].

## IV. H ASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  simulasi  perambatan  retak  yang  telah  dilakukan menggunakan  ANSYS  19.1  dengan  metode Smart  Crack Growth adalah  pola  faktor  intensitas  tegangan  sebagai berikut :
A. Hasil Simulasi Perambatan Retak
Pada baja AISI 4340 didapatkan faktor intensitas tegangan maksimal  sebesar  1,816.10 7 Pa  dan  nilai  minimal  sebesar 1,6189.10 7 Pa  untuk  inisiasi  retak  10  mm  sedangkan  untuk inisiasi  retak  20  mm  didapatkan  factor  intensitas  tegangan maksimal  sebesar  6,942.10 7 Pa  dan  nilai  minimal  sebesar 2,9356.10 7 Pa. Kemudian untuk baja AISI 4140  didapatkan faktor  intensitas  tegangan  maksimal  sebesar  1,8869.10 7 Pa dan nilai minimal sebesar 1,6573.10 7 Pa untuk inisiasi retak 10  mm  sedangkan  untuk  inisiasi  retak  20  mm  didapatkan faktor  intensitas  tegangan  maksimal  sebesar  6,9521.10 7 Pa dan  nilai  minimal  sebesar  3,14.10 7 Pa.  Selanjutnya  untuk baja  AISI  1040  didapatkan  faktor  intensitas  tegangan maksimal  sebesar  6,706.10 7 Pa  dan  nilai  minimal  sebesar 3,0488.10 7 Pa  untuk  inisiasi  retak  10  mm  sedangkan  untuk inisiasi  retak  20  mm  didapatkan  faktor  intensitas  tegangan maksimal  sebesar  6,7054.10 7 Pa  dan  nilai  minimal  sebesar 2,8594.10 7 Pa.  Dapat  dilihat  bahwa  pada  inisiasi  retak  20 mm mempunyai faktor intensitas tegangan yang lebih tinggi, sehingga retak  semakin  dapat  terakselerasi  seiring peningkatan  SIF  [4].  Setalah  mendapatkan  data  dari  hasil simulasi  maka  langkah  selanjutnya  adalah  melakukan  input data menggunakan Microsoft Excel yaitu panjang retak awal dan  panjang  retak  akhir  yang  ada  pada report  review ANSYS  19.1.  Kemudian  mendapatkan  delta  panjang  retak. Hal  yang  sama  dilakukan  pada  faktor  intensitas  tegangan setelah  mendapatkan  faktor  intensitas  tegangan  maksimal dan  minimal  dan  mendapatkan  delta  faktor  intensitas tegangan  ( )  sebagai  bahan  kalkulasi  untuk  mendapatkan laju  perambatan  retak  dan  jumlah  siklus,  dengan menggunakan Hukum Paris
B. Laju Perambatan Retak dan Jumlah Siklus
Dengan  menggunakan  hukum  paris  maka  dilakukan perhitungan  sesuai  hasil  simulasi  untuk  mendapatkan  laju perambatan  retak  dan  jumlah  siklus  pada  masing  masing variasi jenis material dan panjang retak.
Dari  grafik  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  11,  dapat dilihat  bahwa  pergerakan  laju  perambatan  retak  dengan variasi  panjang  inisiasi  dan  jenis  material  mempunyai  pola yang sama. Namun untuk nilai faktor intensitas tegangan dan titik  akhir  perambatan  retak  setiap  variasi  berbeda.  Grafik
Gambar 7. Dimensi Geometri untuk Benchmark
Gambar 8. Finit Element Benchmark a) Model Franc 3D ; b) ANSYS 19
yang  dibutuhkan  hingga  dapat  dikategorikan  patah. Critical crack length didapatkan dengan formula
Gambar 10. Faktor Intensitas Tegangan pada baja a) AISI 4340/10 mm ; b) AISI 4340/20 mm ; c)AISI 4140/10 mm ; d) AISI 4140/20 mm ; e)  AISI 1040/10 mm ; f)AISI 1040/20 mm
Gambar 11. Grafik Laju Perambatan Retak dengan Faktor Intensitas
Gambar 12. Grafik Pertambahan Panjang Retak dengan Jumlah Siklus
Tegangan
Dimana ; K IC = Fracture  toughness yang  bergantung  pada  jenis materialnya
= Tegangan principal yang teraplikasikan pada poros F    = Koefisien pada stress intensity factor akibat bending
Hasil  laju  perambatan  retak  rata-rata  dan  total  usia siklus dari enam variasi ini adalah sebagai berikut
Pada  Gambar  14  dan  15  didapatkan  hasil untuk  AISI 4340 dengan panjang retak 10 mm mempunyai jumlah siklus yang  paling  tinggi  dengan  nilai  476000  cycles  dan  laju perambatan  retak  (da/dN)  yang  rendah  yaitu  dengan  nilai rata-rata  2,58.10 -6 in/cycle.  Posisi  kedua  yaitu  AISI  4140 dengan  panjang  retak  10  mm  mempunyai  jumlah  siklus 378000  cycles  dan  laju  perambatan  retak  yang  lebih  tinggi yaitu  dengan  nilai  rata-rata  2,79.10 -6 .  Posisi  ketiga  yaitu AISI 4340 dengan panjang retak 20 mm mempunyai jumlah siklus 132000 cycles dan laju perambatan retak dengan nilai rata-rata 7,168.10 -6 in/cycle. Posisi keempat yaitu AISI 1040 dengan panjang retak 10 mm mempunyai jumlah siklus yang hampir sama yaitu 119000 cycles dan laju perambatan retak rata-rata  7,24.10 -6 in/cycle.  Kemudian  untuk  posisi  kelima
yaitu  AISI  4140  dengan  panjang  retak  20  mm  mempunyai jumlah  siklus  92000  cycles  dan  laju  perambatan  retak  rata- rata  9,11.10 -6 in/cycle.  Posisi  terakhir  yaitu  AISI  1040 dengan  panjang  retak  20  mm  mempunyai  jumlah  siklus 75300  cycles  dan  laju  perambatan  retak  rata-rata  9,49.10 -6 in/cycle.  Hal  ini  sesuai  dengan  teori Anthony  C.  Fischer- Cripps, yang menyebutkan bahwa semakin kecil initial crack maka energi yang dibutuhkan semakin besar sehingga siklus yang dibutuhkan untuk menyelesaikan fraktur lebih lama dan dengan  inisiasi  retak  yang  lebih  besar  maka  akan  semakin cepat  untuk  mencapai critical  crack  length .  Untuk mengilustrasikan  simulasi  retak  yang  telah  dilakukan, berikut adalah hasil visualisasi perambatan retak [5].
C. Aspek Metalurgi
Ketangguhan mempengaruhi  hasil  dari  jumlah  siklus dan  laju  perambatan  retak.  Perbedaan  tingkat  ketangguhan (Kic)  disebabkan  komposisi  paduan  yang  berbeda. Berikut tabel komposisi material AISI 1040, 4140 dan 4340. Ketiga jenis  baja  ini  termasuk  sebagai  baja  karbon  menegah ( medium carbon steel) dengan kadar karbon rata-rata 0,4%. Struktur mikronya masih terdiri dari ferit dan perlit dengan komposisi perlit yang cukup banyak sehingga baja in lebih kuat  dan  keras  serta  dapat  dikeraskan  dan  banyak digunakan  untuk  konstruksi  mesin  seperti  poros,  poros engkol,  batang  torak,  roda  gigi,  pegas  dan  lain  sebagainya yang  memerlukan  kekuatan  dan  ketangguhan  yang  lebih tinggi.  Dari  unsur  paduan  diatas,  terdapat beberapa fungsi. Untuk AISI 4140 dan 4340 terdapat kandungan Cr dan Mo sedangkan  pada  AISI  4340  terdapat  tambahan  Ni.  Ketiga
Tabel 6 Critical crack length Material Critical Crack Length (m) AISI 1040 0,019117 AISI 4140 0,0236 AISI 4340 0,029137
Gambar 13. Diagram Batang Laju Perambatan Retak Rata-Rata Terhadap Variasi
Gambar 14. Diagram Batang Jumlah Siklus Terhadap Variasi
Gambar 15. Pola patahan pada AISI 4340 a) 10 mm dan b) 20 mm
Gambar 16. Pola patahan pada AISI 4140 a) 10 mm dan b) 20 mm
Gambar 17. Pola patahan pada AISI 1040 a) 10 mm dan b) 20 mm
unsur  ini  bertindak  sebagai  pembentuk  karbida  dan penstabil  karbida.  Adanya  karbida  akan  menaikkan  sifat tahan  aus.  Unsur  yang  dapat  membentuk  karbida  berupa partikel  halus  yang  terdispersi  secara  merata  akan mencegah terjadinya pertumbuhan butir. Dalam banyak hal ini akan memberikan pengaruh baik terhadap sifat mekanik, kekuatan dan ketangguhan yang tinggi [6]. Pada kasus baja ferit-perlit,  perambatan cleavage  crack tidak  memerlukan perubahan  bidang  untuk  melewati  beberapa  batas  ferit- perlit  dan  dapat  menunjukkan  bahwa  ini  bukan high  angle boundaries .  Mengingat  bahwa  karbida  adalah  fase  getas dengan  ikatan  yang  kuat  dengan  ferit,  oleh  karena  itu menghambat  defleksi  retak,  perambatan  retak  belahan melalui  perlit.  Pengamatan  terakhir  ini  akan  menunjukkan bahwa
parameter
mikrostruktur
mengendalikan ketangguhan  patah  adalah  wilayah  ferit  ditambah  perlit dengan orientasi ferit yang sama [7].

## V. KESIMPULAN/RINGKASAN
Berdasarkan  hasil  simulasi  dan  analisa  yang  telah dilakukan maka dapat ditarik dua kesimpulan dari penelitian ini.
Pertama, h asil dari simulasi perambatan retak menggunakan  software  ANYS  19.1  yaitu  grafik  faktor intensitas  tegangan  disertai  tabel  pertambahan  retak  dan distribusi faktor intensitas tegangan. Dimana laju perambatan retak terus meningkat seiring dengan meningkatnya stress  intensity  factor. Hal  ini  mengartikan bahwa drving  force pada  ujung  retak  semakin  besar. Kemudian  hasil  perhitungan  formula  yaitu  laju  perambatan retak  dan  usia  siklus.  Hasil  simulasi  dihubungkan menggunakan  hukum  Paris  yang  melibatkan  range  faktor intensitas tegangan, konstanta dan eksponen material.
Kedua,  p anjang  inisiasi  retak  dan  jenis  material memiliki pengaruh terhadap faktor intensitas tegangan, laju  perambatan  retak  dan  usia  siklus.  Semakin tinggi ketangguhan  material  yang  dipengaruhi  oleh  unsur paduan  maka  akan  memperlambat  laju  perambatan retak  dan  meningkatkan  usia  siklus.  Semakin  kecil inisiasi  retak  maka  semakin  panjang  usia  siklusnya. Pada  penelitian  ini  baja  AISI  1040  dengan inisiasi 20 mm mempunyai laju perambatan paling cepat dan usia siklus  yang paling rendah. Sedangkan baja AISI 4340 dengan  inisiasi  10  mm  mempuyai  laju  perambatan paling lambat dan usia siklus yang paling tinggi.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Ansys  Help  19.1 .,    Nasdaq  Ansys  S&P  500 Component,  Pennsylvania, United State (2019).
[2]  M.  Barsom, Fracture  and  Fatigue  Control  in Structures , 3 rd ed. ,  Oxford,  Butterworth-Heinemann (1999).
[3]  M.  Vorel  and  E.  Leidich,  “Accuracy  of  Determining Stress Intensity Factors in Some Numerical Programs ,” Acta Polytechnica, Vol 41, No.2. (2001).
[4]  G.  Sen,  “Determination  of  Fracture  and  Fatigue Behaviours  of  4340  Steel,  “ M.S.  Thesis,  Graduate
School of Mathematical and Applied Science, Ankara, Turki (2015).
[5]  A,  Fischer, Introduction  to  Contact  Mechanics,  2 nd Edition, Springer  Science  &  Business  Media,  LLC. USA (2007).
[6]  W.  Suherman,  “Ilmu  Logam  II,”  Institut  Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, Indonesia (1999)
[7]  M.A.  Linaza,  J.L.  Romero,  J.M.  Rodriguez-Ibabe,  and J.J  Urcola,  “Influence  of  The  Microstructure  on  The Fracture Toughness and Fracture Mechanism of Forging Steels Microalloyed with Titanium with Ferrite-Pearlite Structures ,” Scripta  Metallurgica  et  Materialia, Vol.
29 (1993), 451-456