( Mahendra Indiaryanto )

## ANALISIS DISTORSI DAN TEGANGAN SISA PADA POROS KAPAL TERHADAP PERLAKUAN PANAS (QUENCHING)

## MENGGUNAKAN FEM

## Distorsion and Residual Stress Analysis on Solid Silender of Quenching Treatment with FEM
Mahendra Indiaryanto
UPT Balai Pengkajian dan Penelitian Hidrodinamika, BPPT-Surabaya
Email : indiaryanto@gmail.com
Diterima: 13 Juni 2013; Direvisi: 21 Juni 2013; Disetujui: 3 Juli 2013

## Abstrak
Pada bidang perkapalan sistem propulsi kapal merupakan salah satu bagian yang penting. Dimana poros kapal terbuat dari silinder pejal  yang  mempunyai kekerasan struktur dan kuat tarik  material. Sehingga apabila  diberikan  perlakuan  panas  (Quenching)  akan  meningkatkan  kekerasan  dan  kuat  tarik  struktur poros,  serta  terjadi  perubahan  distorsi  dan  tegangan  sisa.  Jadi  dengan  adanya  perubahan  ini  perlu  di analisa, sehingga pengaruh distorsi dan teganagan sisa tidak melebihi batas yang di izinkan. Analisa ini menggunakan Metode Elemen Hingga ( Finite Element Methods ) dengan bentuk silinder pejal (poros).
Kata kunci : distorsi, tegangan sisa, quenching, poros, metode elemen hingga

## Abstract
In naval Architect, shafting system is important part. Shaft  is made from solid cylinder that of course has structure hardness and tensile strenght. So give heat treatment (Quenching) will  increase hardness and  tensile  strenght  on  shaft.  As  well  as  change  in  distortion  and  residual  stresses.  So  with  these changes  need  to  be  analyzed, so  that  the  effect  of  distortion  and  residual  stress  not  exceed  the authorized limit. This analysis using the Finite Element Method (Finite Element Methods) with a solid cylindrical.
Keywords : distorsion, residual stress, quenching, shafting, finite element methods

## PENDAHULUAN
Proses  perlakuan  panas  secara  umum  merupakan operasi  pemanasan  dengan  pendinginan  secara terkontroluntuk  mendapatkan  struktur  dari  materila propertis  khusus  yang  merupakan  kombinasi  dari penyusunya. Banyak baja karbon yang di hasilkan dari proses perlakukan panas sehingga mempengaruhi atau merubah  mechanical  propertis  suatu  material,  seperti tingkatan  kekerasan,  tingkat  ketangguhan,  dan  tingkat ketahanan terhadap korosi.
Elemen  pokok  dari  beberapa  perlakuan  panas adalah,  siklus  pemanasan,  temperatur  penahanan, waktu  dan  siklus  pendinginan.  Laju  pendinginan
tergantung  pada  dimensi  material  dan  kapasitas  dari oven  pemansanan  yang  digunakan.  Diasumsikan ketika  bagian  permukaan  material  di  panaskan mencapai suhu yang ditentukan maka proses pemansan telah  selesai.  Waktu  penahanan  tergantung  pada tingkat kelarutan yang didinginkan, karena jumlah dan jenis  karbida  berbeda  antara  jenis  baja  yang  satu dengan baja yang lainya. Sedangkan waktu pendinginan akan mempengaruhi terjadinya perubahan struktur mikro dalam baja paduan.
Sebagian  besar  perlakuakuan  panas  untuk  baja melibatkan  pendinginan  berlanjut  dari  specimen
menuju  temperatur  ruang.  Digram  transformasi ishotermal  berlaku  untuk  kondisi  dimana  temperatur transformasinya  adalah  konstan,  sehingga  diagram tersebut  harus  di  ubah  untuk  transformasi  seiring dengan perubahan temperatur.
Quenching merupakan  salah  satu  jenis  perlakuan panas. Proses Quenching memiliki  ciri  yang  khas  jika di  bandingkan  dengan  proses  perlakuan  panas  lainya. Material  yang  mengalami  proses Quenching harus didinginkan  dengan  seketika  menggunakan  berbagai medium pendingin. Proses pendinginan dengan cepatdi maksudkan  untuk  menghasilkan  meterial  dengan tingkat  kekerasan  yang  tinggi  atau  mencapai  fase martensite.  Media  yang  di  pakai  dalam Quenching adalah: gaas, air, dan oli.
Persyaratan  utama  dari  medium Quenching adalah harus  dapat  mendinginkan    komponen  cukup  cepat untuk menghasilkan struktur material yang diinginkan. Jika  kecepatan  pendinginan  terlampau  cepat  maka distorsi  dan  retak  akan  terjadi.  Adapun  beberapa langkah  penndinginan  pada  proses  perlakuan  panas Quenching adalah:
1. Vapour Blanket Stage (tahap selimut uap) Saat  benda  kerja  dimasukan  kedalam  quenchant, quenchant  akan  meguap  dan  membentuk  selimut disekeliling  komponen.  Tahap vapour  blanket dapat  dipersingkat  dengan  agitasi  quenchant  atau menggerakan benda kerja ke dalam quenchant.
2. Vapour Transport Stage (tahap trasnport uap) dimana  saat  suhu  benda  kerja  turun,  selimut  uap akan hilang dan cairan akan langsung bersentuhan dengan  logan panas sehingga akan  mendidih. Dan menyebabkan kurva pendinginan menjadi curam
3. Liquid Transport Stage (tahap transport cairan) Selama  tahap  ini,  pendinginan  logam  terjadi melalui  konduksi  dan  konveksi  yang  berlansung sangat lambat daripada tahap vapour transport.
Gambar 1. Grafik quenching
Distorsi  adalah  perubahan  bentuk  material  setelah dilakukan  perlakuan  panas,  hal  tersebut  akan  terjadi selama  proses Quenching ,  secara  umum  tergantung ukuran  bentuk  dan  karakteristik  quenchant  yang digunakan.  Bentuk-bentuk  bagian  secara  umum berubah  dengan  rasio  yang  lebih  besar.  Komposisi bagian-bagian  tersebut  juga  penting  apakah  akan terjadi distorsi atau tidak.
Tegangan  sisa  adalah  suatu  tegangan  yang tersimpan  di  dalam  suatu  material  yang  telah  di berikan  perlakuan  panas,  biasanya  tegangan  tersebut berkisar  antara  5%  sampai  10%  dari  tegangan  yield material setelah dilakukan perlakuan panas Quenching . (Hardin R.A, C. Beckermann)

## METODOLOGI
Metode  Elemen  Hingga,  konsep  dasar  yang melandasi  metode  ini  adalah diskritisasi yang sebenarnya  sudah  di  pergunakan  manusia.  Dengan menggunakan  elemen  dalam  Ansys  benda  yang  di modelkan  bisa  dikategorikan  kedalam  2-dimensi  atau 3-dimensi  dan  terdiri  dari  elemen  titik,  elemen  garis, elemen  area  dan  elemen  solid.  Dan  elemen  ini  dapat dikombinasikan sesuai dengan kebutuhan.
Material  yang  digunakan  pada  analisa  ini  adalah jenis Alloy  Steel yang  biasanya  digunakan  sebagai poros baling-baling  kapal  maupun poros  kemudi pada kapal. Adapun Alloy Steel yang digunakan adalah tipe AISI  4140.  Material  jenis  sangat  baik  digunakan sebagai  sistem  peroporosan  pada  kapal  karena  tahan terhadap  korosi.  Adapun  tabel  mechanical  propertise dan  physical  propertise  sebagai  syarat  untuk menjalankan program Ansys 9.

## Tabel 1. Material propertise AISI 4140
Temperature (Celcius) Elongation (%) Yield Point (Psi) TensileStreght (psi) 400 7.5 180000 197000 600 9 108000 125000 800 13.75 90000 106000 850 15 85600 97000 Tabel 2. Physical propertise AISI 4140 Thermal Conductivity W/(m*k) Specific Heat J/(kg*k) Density Kg/m 3 Enthalphy 42.7 473 7.850x10 3 5.16E+7 Thermal Expansion 0 C -1 Poisson Ratio Modulus Elasticity (Gpa) Hardness (Rb) 1.22x10 -6 0.29 207 80
( Mahendra Indiaryanto )
g
Gambar 2. Flowchart proses pembebanan thermal
Pembebanan  pada  material  AISI  4140  di  lakukan secara menyeluruh. Ada dua tipe pembebanan yang di berikan  pada  model  poros  yaitu,  yang  pertama  model diberi beban suhu secara merata pada suhu 850 o C lalu didinginkan  dengan  media  air  secara  cepat  pada temperatur  ruang  25 o C.  Yang  kedua  permodelan struktur  yang  digunakan  untuk  mengetahui  besarnya distorsi dan tegangan sisa pada model.
Gambar 3. Flowchart proses pembebanan struktural
Mulai Pemilihan Preferences
Preprocessor 1. Pembuatan geometri 2. Menjalankan operasi geometri 3. Data termal pada material 1. Pemilihan elemen
2. Membuat meshing
Pemeriksaan elemen dan meshing
Penulisan Thermal environment
1. Penggantian tipe elemen 2. Data struktur pada material 3. Penulisan Structure environment
Solution Membaca kembali Thermal environment
1. Pemilihan jenis analisa ( transient) , dan pengaturan Accuracy Level 2. Pemberian beban termal pada permukaan material. 3. Mengatur waktu pembebanan ( Load Step )
Pemberian nilai film coefficient & bulk temperature air
Write and Solve Load step 1 s/d n
Solving done General postprocessor
Melihat & menganalisa sebaran panas model
Validasi percobaan & penelitian C. Beckermann Time history Postprocessor Plot grafik pada nodal solution Selesai Ya Tidak Tidak Ya Ya Tidak Tidak Tidak Tidak Start Select Preferences Read Environment Structural Apply Displacement ( Constraint ) Membaca HasilAnalisis Thermal Write Load Step From Thermal Solve Load Step 1 s/d n Check Stress dan distorsi Time History Postprocessor ( Plot Grafik Tegangan Sisa dan Distorsi ) Stop No Membenarkan Constraint Yes Periksa Tahap Pembebanan Thermal

## Gambar 4. Bentuk meshing pada model

## ANALISA PEMBAHASAN
Untuk mempermudah dalam menjalankan program Ansys,  maka  pembagian  elemen  untuk  poros  tidak  di bagi  dengan  ukuran  yang  sama,  namun  menggunakan fasilitas  rasio  dalam  software.  Hal  ini  berguna  untuk membagi  model  menjadi  beberapa  elemen-elemen. Untuk pembebanan secara thermal menggunakan lama waktu  pendinginan  yaitu  0  detik,  3detik,  9  detik,  12 detik, dan seterusnya sampai 1000 detik.
Selain  beban  thermal  ada  beberapa  kondisi  batas yang  dimaksukkan  pada  permodelan,  karena  adanya kontak  langsung  antara  permukaan  poros  dengan  air sebagai  media  pendingin.  Untuk  itu  ada  faktor konveksi kedalam permodelan,yaitu
- Film Koefisien    = 2000W/m*k 2 - Bulk Temperatur = 298 K Film  koefisien  merupakan  koefisien  faktor  konveksi yang  terjadi  antara  logam  yang  di  panaskan  dengan udara.  Sedangkan  Bulk  Temperatur  adalah  koefisien yang  pada  saat  proses  pemansan  awal.Untuk mengetahui bentuk tegangan awal suatu material maka bisa menggunakan persamaan dasar sebagai berikut:
 =    E(Δl/l)                            (1)
Dimana:
 =    Tegangan sisa yang terjadi.
E  =    Modulus elastisitas. Δl  =    Perubahan panjang sebelum & sesudah di beri pembebanan.
l =    Panjang sebelum dipotong.
Sedangkan untuk mengetahui tegangan sisa setelah dilakukan  pembebanan  baik  secara  thermal  maupun struktural  dapat  menggunakan  persamaan  tegangan Von  Mises  (σ e )  merupakan  tegangan  sisa  total berdasarkan Ansys teori,
σ e =(1/2[(σ x σ y ) 2 +(σ y σ z ) 2 +(σ z σ x ) 2 +6(σ 2 xy +σ 2 yz +σ 2 xz )]) 1/2
(2) Dimana: σ e =  Tegangan Sisa (Von Mises). σ x
=  Tegangan sisa ke arah sumbu x.
σ y
=  Tegangan sisa ke arah sumbu y.
σ z
=  Tegangan sisa ke arah sumbu z.
σ 2 xy
=  Resultan tegangan sisa xy.
σ 2 yz
=  Resultan tegangan sisa yz.
σ 2 xz =  Resultan tegangan sisa xz.
Dari  hasil  analisa  dapat  dilihat  nilai  terbesar  dari bentuk  distorsi  pada  setiap  sumbu  ditandai  dengan warna  merah  pada  sisi  silindernya,  dimana  warna  ini menunjukan  perubahan  bentuk  maksimal  dari  poros setelah  di  beri  pembebanan  struktural  dalam  skala mikro  dari  benda  uji.  Hal  tersebut  sama  dengan  nilai tegangan  sisa  yang  terjadi,  dimana  bentuk  atau  arti fisik dari material poros tersebut mengalami perubahan warna,  terutama  warna  merah  yang  menandakan tegangan  sisa  maksimum  yang  terjadi  pada  material. dapun  perbedaan  pada  setiap  variasi  pengujian  adalah diameter  yang  digunakan,  dimana  fungsi  variasi  ini penting  karena  akan  menentukan  penggunaan  poros berdasarkan  batasan-batasan  pada  material  AISI  4140 setelah  dilakukan  perlakuan  panas,  dan  mengapa material  AISI  4140  sangat  cocok  untuk  dilakukan perlakuan panas karena material jenis ini adalah Alloy yang  mempunyai  tingkat  kekerasan  yang  menengah, sehingga  sangat  bagus  jika  di  beri  perlakuaan  panas yang  bertujuan  untuk  meningkatkan  kekerasan material  guna  menahan  Torque  (momen  puntir)  pada poros saat baling-baling kapal berputar, terutama pada saat  baling-baling  kapal  berputar  pada  kecepatan penuh  yang  mengakibatkan  momen  puntir  pada  poros menjadi sangat besar.
Berikut  ini  beberapa  hasil  analisa  distorsi  pada  poros tipe AISI 4140  ke arah sumbu X, sumbu  Y, Sumbu  Z beserta tengangan sisa (Von Mises) berdasarkan Ansys teori yang terjadi setelah dilakukan proses pembebanan baik thermal maupun struktural.
Gambar 5. Distorsi arah sumbu x
Gambar. 6 Distorsi arah sumbu Y
Gambar 7. Distorsi arah sumbu z
Gambar 8. Tegangan sisa
Berdasarkan  pada  masing  –  masing  variasi  proses pembebanan  model  maka  dapat ditarik sebuah analisa dari proses permodelan tersebut.
1. Semakin besar diameter poros yang digunakan, maka  semakin  besar  harga  Distorsi  ke  arah sumbu X, sumbu Y, dan Sumbu Z 2. Untuk  tegangan  sisa  yang  terjadi  relatif kondisinya terhadap setiap variasi tegangan.
Tabel 3. Hasil analisa permodelan
Keterangan:
-  Hasil  distorsi  dan  tegangan  sisa  diambil  pada waktu  tertentu,  dimana  didapat  hasil  maksimum pada setiap variasi.

## KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  permodelan  analisa  perlakuan panas (Quenching) pada poros, maka dapat dimpulkan bahwa distorsi pada arah sumbu x, sumbu  y, sumbu z terkecil terjadi pada variasi yang pertama. Untuk harga tegangan  sisa  terjadi  relatif  sama,  namun  masih dibawah  10%  dari  tegangan  Yieldnya.  Kemudian semakin  kecil  diameter  pada  poros  propeller  setelah dilakukan  perlakuan  panas,  maka  semakin  kecil  pula harga distorsi dan tegangan sisanya.

## DAFTAR PUSTAKA
Ansys 9 Documentation, Ansys Djapire Sriati. (1990). Metarulugi Mekanik.  Erlangga, Jakarta Flecther  A.J.  (1989).  Thermal  Stress  and  Strain
Generation  in  Heat  Treatment.  Elsevier  Science, London.
Hardin  R.A,  C.  Beckermann.  (1998).  Simulation  Of Heat  Treatment  Distorsion.  The  University  Of
Lowa. J. Crystal Growth 187 (1998) 289—302. Totten, GE, Bates, CE, Clinton. (1993). Handbook Of Quenchant  And  Quenching  Technology.  ASM International. USA.
Wirjosoedirdjo,  J  S.  (1979).  Dasar–dasar  Metode Elemen Hingga. Erlangga, Jakarta. B.  Lynn  Ferguson, Zhichao  Li.  (2010).  Using Simulation  for  Heat  Treat  Process  Design: Matching the Quenching Process with Steel Grade and  Product  Geometry. Deformation  Control Technology,  Inc.,  7261  Engle  Road,  Suite  105, Cleveland, OH 44130, USA.