## Perilaku Perambatan Retak Fatik Stainless Steel 304 yang Dilapisi Aluminium Celup Panas Secara Eksperimental dan Numerikal.
F. Nanda 1 , M. Badaruddin 1
1 Jurusan Teknik Mesin, Universitas Lampung Jl. Prof. Soemantri Brojonegoro, Bandar Lampung 35145 E-mail: mbruddin@eng.unila.ac.id

## Abstrak
Analisa perambatan retak fatik stainless steel 304 yang dilapisi aluminium dengan metode hot-dip secara ekperimen dan numerikal untuk mengetahui perubahan sifat mekanik pada SS304 serta memprediksi hasil uji fatik secara metode numerik yang berbasis program CFD dengan hasil secara ekperimen. Hasil simulasi siklus perambatan retak fatik menunjukkan hasil yang sama. SS 304 dengan difusi 1 jam memiliki siklus terpendek yaitu pada data simulasi terjadi retakan di siklus 8778 dengan Panjang retak 0,703 mm, sedangkan untuk hasil eksperimen retakan terjadi di siklus 5000 dengan panjang retak 0,267 mm. Lalu  SS304  tanpa  pelapisan  memiliki  siklus  terpanjang  yaitu,  retakan  pada  hasil  simulasi  terjadi  di  siklus  20351  dengan Panjang retak 0,6787 mm, sedangkan pada data hasil eksperimen awal retakan di siklus 8700 dengan Panjang retak 0,6 mm. Berdasarkan analisis laju perambatan retak fatik dan tegangan, pemberian perlakuan difusi pada SS304 memberikan dampak baik untuk umur kelelahan maupun tegangan untuk merambatkan retak. Kekuatan dan plastisitas SS304 terdegradasi oleh perlakuan aluminisasi. Setelah perlakuan, SS304 menunjukkan keuletan yang lebih tinggi dan kekuatan yang lebih rendah.
Kata kunci: Stainless steel, aluminium celup panas, perambatan retak fatik, ansys

## PENDAHULUAN
Sifat  mekanik  pada  suatu  material,  seperti kekuatan  tarik,  kekuatan  luluh,  modulus  elastisitas, serta  elongasi  merupakan  parameter  yang  paling mendasar  untuk  desain  struktur,  khususnya  dalam perhitungan tegangan-regangan dan analisis kekuatan komponen  dan  elemen  struktur.  Sifat  material  tidak hanya  bergantung  pada  faktor  metalurgi  saja,  seperti ukuran  butir  dan  elemen  paduan  tetapi  juga  dapat dipengaruhi  oleh  riwayat  pembebanan  material, lingkungan, suhu, dll. Struktur material yang bekerja di  bawah  kondisi  pembebanan  dinamis,  sifat mekaniknya cenderung akan menurun seiring dengan waktu  material  tersebut  beroperasi.  Fenomena degradasi sifat bahan tersebut disebut juga kerusakan fatik (Duyi Ye, Yuandong Xu, et al., 2010).
Fatik  adalah  kerusakan  struktural  terlokalisasi dan progresif yang terjadi ketika material mengalami pembebanan  siklik  atau  dimana  kondisi  material menerima beban dinamis (pembebanan yang berulang-ulang  atau  berubah-ubah  tiap  waktu). Semakin  besar  amplitudo  pembebanan  dinamis semakin  cepat  retak  merambat  (Timing  (1998). Stainless  steel  merupakan  baja  paduan  tinggi  yang memiliki  sifat  ketahanan  korosi  yang  sangat  baik, kekuatan tinggi, keuletan dan ketangguhan yang baik. Stainless  steel  memiliki  sifat  yang  dapat  bertahan terhadap oksidasi dikarenakan stainless steel mengandung unsur chromium lebih dari 11%.  Unsur chromium ini merupakan pelindung utama baja dalam stainless steel terhadap gejala gejala yang disebabkan
oleh  kondisi  lingkungan  (Covert  dan  Tuthill,  2000). Sehingga,  stainless  steel  banyak  digunakan  pada konstruksi shells, tangki bahan bakar untuk rudal dan bagian struktur kendaraan serta pertahanan dan bidang nuklir. (H. G. Simms, 2011).
Berdasarkan uraian diatas aplikasi stainless steel sangat  memungkinkan  terjadinya  korosi  mencakup sulfidasi, karburisasi, korosi suhu tinggi dan oksidasi. Maka salah satu pendekatan untuk dapat memertahankan  sifat  mekanik  pada  stainless  steel terhadap  korosi  adalah  dengan  penerapan  lapisan pelindung (coating) (Kevin L. Smith, Armen Kutyan, et  al.,  2013).  Pelapisan  hot  dip  aluminium  adalah metode  yang  efektif  sehingga,  teknologi  ini  sering digunakan pada permukaan baja yang bertujuan untuk ketahanan  korosi  pada  suhu  tinggi  serta  memiliki ketahanan  keausan  dengan  membentuk  lapisan senyawa  intermetalik  Fe–Al  dan  lapisan  aluminium murni pada permukaan baja. (Wanga, S.P., Zhoua, L., et al., 2019).
Efek oksidasi dapat dikurangi melalui pelapisan hot  dip  aluminium.  Pada  kondisi  suhu  tinggi, permukaan  kaya  aluminium  teroksidasi  menjadi lapisan aluminium oksida yang sangat protektif yang dapat  menghambat  korosi.  Sehingga,  stainless  steel 304  memiliki  ketahanan  oksidasi  dan  sulfidasi  yang baik.  Seperti  penelitian  yang  dilakukan  Mukhtar, S., Asghar,  W.,  dkk  (2018),  Stainless  steel  316  hot  dip mampu  meningkatkan  kekerasan  dan  ketahanan korosi,  namun  belum  dapat  diketahui  apakah pelapisan  difusi  juga  dapat  memengaruhi  stainless steel terhadap laju perambatan retak fatik.
Pada penelitian ini, pemodelan perambatan retak fatik  menggunakan  software  Ansys  19.2  dengan metode  SMART  Crack  Growth.  Seperti  yang dilakukan  oleh  Abdulnaser,  2021,  Analisis  numerik menggunakan  FEM  yang  diterapkan  pada  ANSYS APDL  ((ANSYS  Parametric  Design  Language)  19.2 adalah metode yang efektif untuk mengurangi waktu komputasi dan biaya yang terkait dengan pelaksanaan studi  eksperimental  sehingga  hasil  simulasi  dapat dicompare  dengan  ekperimental  dengan  kesesuaian yang baik untuk semua kasus. Selanjutnya, Fakhrizal, 2021,  melakukan  studi  perbandingan  perilaku  lelah AISI 316L dengan menggunakan metode eksperimen dan  simulasi  dengan  hasil  penyimpangan  data  uji kekuatan lelah dengan beban 6 kgf yaitu sebesar 8%. Lalu  penelitian  yang  dilakukan  oleh  Berata,  2003, melakukan  simulasi  perambatan  retak  menggunakan ANSYS  dengan  penyimpangan  terbesar  11,68% dengan eksperimental  yang dilakukan Siyi Chen dan Zhenyuan  Cui  (1988),  sehingga  penggunaan  metode elemen  hingga  menggunakan  ANSYS  cukup  valid dalam  mensimulasikan  perambatan  retak  fatik. Berdasarkan  uraian  diatas,  maka  saya  ingin  meneliti tentang  Perilaku  Perambatan  Retak  Fatik  Stainless Steel  304  yang  Dilapisi  Aluminium  Celup  Panas Secara Eksperimental dan Numerikal.

## METODOLOGI
2.1 Pembentukan Spesimen dan Pemodelan
Geometri
SS304 dibentuk dengan ketebalan plat 3mm dan Geometri  benda  didesain  menggunakan Solidwork dengan dimensi berdasarkan standar ASTM E8.
Gambar 1 . Dimensi SS304 sesuai ASTM E8
Lalu  Spesimen  uji  fatik  dibentuk  berdasarkan acuan  standar  ASTM  E  647  dimensi  benda ditunjukkan  pada  Gambar  7  dengan  ketebalan  untuk benda tanpa dan dengan lapisan pada Tabel 1.
Tabel 1. Ketebalan SS304
S S304 SS3 04+Al S S304 Dif 1 Jam S S304 Dif 9 Jam S S304 Dif 49 Jam T ebal 2 ,98 3,0 4 3, 107 3, 14 3 ,13

## 2.2 Hot dipping
Proses  hot  dipping  adalah  proses  akhir  atau pelapisan  yang  dilakukan  dengan  mencelupkan Stainless  steel 304  ke  dalam  Aluminium  dan  waktu pencelupan  yang  akan  dilakukan  dalam  proses pelapisan ini adalah 2 menit.
2.3 Uji tarik
Setelah  proses  pelapisan, stainless  steel 304 dilakukan  pengujian  tarik  dengan  menggunakan mesin  MTS  Landmark  100  kN.  Pengujian  tarik dilakukan  untuk  mendapatkan  nilai  tegangan  luluh (σy).

## 2.4 Uji fatik
Setelah melakukan proses uji tarik stainless steel 304  dilakukan  pengujian  perambatan  retak  fatik. Metode yang digunakan untuk menghitung perambatan  retak  fatik  yaitu  metode  polynomial incremental. (ASTM E647, 2004)
a 𝑖 = b 0 +  b 1 ( N 𝑖 −C 1 C 2 ) +   b 2 ( N 𝑖 −C 1 C 2 ) 2 (1)
Dimana :
−1  ≤ ( N 𝑖 −C 1 C 2 )   ≤ + 1 (2)
Laju  pertumbuhan retak pada Ni diperoleh dari turunan  dari  parabola  di  atas,  sehingga  diperoleh persamaan sebagai berikut:
( da dN ) d i = ∗b 1 C 2 +  2 b 2 ( N 𝑖 −C 1 C
2 ) 2 (3)
Nilai ΔK terkait dengan nilai da/dN ini dihitung dengan menggunakan ukuran retak âi, sesuai  dengan Ni  .  Persamaan  nilai  ΔK  untuk  spesimen  retak  sisi tunggal yaitu :
ΔK = ΔP B√W (2 + α ) (1 – α )3/2 ( 0.886 + 4.6 α – 13.32 α 2
+ 14.72 α 3 – 5.6 α 4 )                                          (4) Dimana : α=a/W (5)

## 2.5 Simulasi dengan menggunakan Ansys 19.2
Material  dasar  yang  digunakan  adalah  SS304. Material  ini  dilapisi  oleh  alumunium  dan  diberikan perlakuan  difusi  1,  9,  dan  49  jam  sehingga menghasilkan  sifat  mekanik  yang  berbeda.  Sifat mekanik  berupa  kekuatan  material  yang  diperoleh berdasarkan  uji  tarik,  sedangkan  nilai  C  dan  m  yang merupakan  konstanta  Paris  Law  diperoleh  dari  uji kelelahan.  Masukkan  data  tersebut  ke  dalam  Data Engineering.  Jenis mesh yang  digunakan  untuk simulasi adalah tetrahedron . Lalu perkembangan atau pertumbuhan  retak  menggunakan SMART  crack growth ,  dengan  inisiasi  retak pre-meshed  crack dan memilih material yang telah diberikan konstanta paris
law.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Hasil Uji Fatik
Perambatan  retak  hasil  simulasi  untuk  SS304 tanpa  dan  dengan  lapisan  ditunjukkan  oleh  grafik cycles vs crack probe pada Gambar 2 di bawah ini.
Gambar 2 . Panjang Retak vs Siklus (Simulasi)
Simulasi  perambatan  retak  fatik  ini  material diasumsikan  homogen,  isotropik  dan  kontinyu  serta tidak memperhitungkan adanya pengaruh lingkungan. Selanjutnya data perambatan retak diambil sebanyak 11 hingga 16 step. Berdasarkan grafik pada Gambar 2, terlihat  bahwa  SS304  tanpa  lapisan  memiliki  jumlah siklus  terpanjang,  diikuti  oleh,  perlakuan  49  jam, perlakuan  9  jam,  SS304  +  Aluminium  dan  terakhir perlakuan  1  jam.  Awal  retak  untuk  kelima  kondisi relatif sama, yakni pada panjang 0.5 – 0.7 mm. Retak paling panjang terjadi pada SS304 dengan difusi 1 jam dan  difusi  9  jam.  Kemudian  oleh  SS  304  lapisan alumunium,  SS304  tanpa  perlakuan,  dan  terkahir SS304  difusi  49  jam.  Berdasarkan  hasil  simulasi perkembangan  retak  lelah,  pelapisan  SS304  dan perlakuan difusi memberikan pengaruh terhadap umur kelelahan.  Pelapisan  alumunium  memberikan  umur kelelahan  yang  hampir  sama  dengan  difusi  selama  9 jam  dan  lebih  baik  dibanding  difusi  selama  1  jam. Namun,  pelapisan  alumunium  dan  perlakuan  difusi selama  1  dan  9  jam  memberikan  penurunan  umur kelelahan dibandingkan dengan SS304 tanpa lapisan.
Gambar 3 . Panjang Retak vs Siklus (Eksperimental) Jumlah siklus terhadap panjang retak eksperimental  dengan  hasil  simulasi  menunjukan perbandingan yang tidak jauh berbeda, dimana SS304 tanpa  pelapisan  memiliki  jumlah  siklus  terpanjang, dimana  pada  siklus  35500,  panjang  retak  mencapai 9,045  mm.  Lalu  SS304  dengan  lapisan  aluminium memiliki penurunan jumlah siklus, dimana pada siklus 28600 panjang retak SS304 mencapai 8,643 mm.
Berdasarkan  analisis  perkembangan  retak  lelah, pemberian perlakuan difusi pada SS304 memberikan dampak baik untuk umur kelelahan maupun tegangan untuk  merambatkan  retak.  Hasil  yang  ditunjukkan oleh SS304 dengan perlakuan difusi 49 menghasilkan siklus  dan  tegangan  tertinggi  dibanding  dengan perlakuan yang lain.
Data  panjang  retak  dan  jumlah  siklus  digunakan untuk  menentukan  laju  perambatan  retak  da/dN  dan faktor intensitas tegangan (ΔK) menggunakan metode polynomial incremental (ASTM E647, 2004). Setelah diperoleh, nilai da/dN dan ΔK, kemudian diplot kurva log-log  pada  gambar  25  dan  gambar  26.  Slope  dari kurva da/dN vs ΔK yang disebut konstanta Paris (nilai C dan m).
0 2 4 6 8 10 12 14 0 50000 100000 150000 C rack P ro b e (mm) Number of Cycles BS HD HD1 HD9 HD 49 0 2 4 6 8 10 12 2000 12000 22000 32000 P an jan g Ret ak (mm) Siklus (n) BS Hda 1 Jam 9 Jam 49 Jam
Gambar 4 . Perbandingan da/dn vs ΔK (Simulasi)
Gambar 5 .  Perbandingan  da/dn  vs  ΔK (Eksperimental)
Tabel 2. Perbandingan Nilai Hukum Paris Law Eksperimen Simulasi Konstanta C Konsta nta m Konstanta C Konstan ta m SS30 4 7.523 × 10- 9 1,2725 3,9 × 10-8 0,9356 HDA   7,639 × 10- 9 1,3708 1,493 × 10- 8 1,1316 HDA 1 1,213 × 10- 9 2,0764 4,343 × 10- 9 1,6509 HDA 9 1,382 × 10- 8 1,2001 1,67 × 10-8  0,9899 HDA 49 0,9655 × 10-8 1,1536 8,69 × 10-9  0,9809
Gambar  29  menunjukkan  hasil  dari  grafik  laju perambatan  retak  da/dN  vs  ΔK  eksperimen  dengan nilai  m  (slope  dari  kurva  da/dN  fungsi  ΔK  yang disebut konstanta Paris) pada SS 304 sebesar 1,2725, sedangkan  hasil  simulasi  ANSYS  pada  gambar  25 mendapatkan  nilai  m  sebesar  0,9356.  Untuk  grafik laju perambatan retak da/dN vs ΔK eksperimen pada SS 304 dengan lapisan mendapatkan nilai  m  sebesar 1,3708 (gambar 26), sedangkan hasil simulasi ANSYS mendapatkan  hasil  1,1316.  Lalu  grafik  laju perambatan  retak  da/dN  vs  ΔK  eksperimen  pada SS 304  +  difusi  49  Jam  mendapatkan  nilai  m  sebesar 1,1536 sedangkan dengan simulai yaitu 0,9809.
Terdapat  penyimpangan  antara  hasil  eksperimen dan  hasil  ANSYS  untuk  da/dN  vs  ΔK  dimana  hasil simulasi  ANSYS  lebih  kecil  dari  hasil  ekperimen. Artinya  bahwa  laju  perambatan  retak  fatik  dengan pemodelan ANSYS lebih lama dibandingkan dengan data hasil uji perambatan retak yang dilakukan secara eksperimen. Hal ini dipengaruhi oleh kondisi material
saat  pemodelan  ANSYS,  dimana  material  SS  304 dengan  lapisan  diasumsikan  sebagai  material homogen dan isotropic sedangkan pada kenyataannya material tidak memiliki sifat ideal.
Selanjutnya,  pemodelan  peraambatan  retak  fatik  ini dalam  kondisi  LEFM  ( Linear  Elastic  Fracture Mechanic )  yang  mengabaikan  munculnya  daerah plastis  disekitar  ujung  retak,  sedangkan  kemunculan daerah  plastis  ini  akan  menyebabkan  adanya perlambatan  perambatan  retak.  Disamping  itu  dalam pemodelan  ANSYS  tidak  menyertakan  pengaruh lingkungan, padahal lingkungan berpengaruh terhadap  laju  perambatan  retak  seperti  hasil  dari penelitian  Berata,  W.,2003,  dimana  gambar  27 menunjukkan  perbandingan  grafik  ∆K  terhadap panjang  retak  dengan  menggunakan  ANSYS  secara umum mendekati hasil eksperimen, dengan penyimpangan  grafik  sebesar  11.68  %  serta mendapatkan hasil bahwa harga m dari konstanta paris pada  kondisi  hampa  udara  lebih  besar  dibanding dengan kondisi udara laboratorium.

## KESIMPULAN
Dengan  menggunakan  software  ANSYS  dapat memudahkan kita dalam memprediksi siklus perambatan  retak fatik dimana hasil simulasi  dengan hasil  eksperimen  menunjukkan  hasil  yang  sama.  SS 304  dengan  difusi  1  jam  memiliki  siklus  terpendek yaitu pada data simulasi terjadi retakan di siklus 8778 dengan  Panjang  retak  0,703  mm,  sedangkan  untuk hasil eksperimen retakan terjadi di siklus 5000 dengan panjang retak 0,267 mm. Lalu SS304 tanpa pelapisan memiliki  siklus  terpanjang  yaitu,  retakan  pada  hasil simulasi terjadi di siklus 20351 dengan Panjang retak 0,6787  mm,  sedangkan  pada  data  hasil  eksperimen awal retakan di siklus 8700 dengan Panjang retak 0,6 mm. Lalu berdasarkan analisis laju perambatan retak fatik  dan  tegangan,  pemberian  perlakuan  difusi  pada SS304  memberikan  dampak  baik  untuk  umur kelelahan  maupun  tegangan  untuk  merambatkan retak.  Sementara  kekuatan  dan  plastisitas  SS304 terdegradasi  oleh  perlakuan  aluminisasi.  Setelah perlakuan,  SS304  menunjukkan  keuletan  yang  lebih tinggi dan kekuatan yang lebih rendah. Dengan asumsi harga dasar $308/ton, penyesuaian harga akibat nilai GCV  diperoleh  68.92%  seharga  $224.106/ton, 30.84%  seharga  $263.081/ton,  dan  0.01%  seharga $282.569/ton.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Abdulnaser  M.  Alshoaibi,  2021.  Numerical Modeling  of  Crack  Growth  under  Mixed-Mode Loading. Applied Science. 2021, 11, 2975.
[2] ASTM  E647.  2004.  Metal  Test  Methods  and Analitycal  Prosedures.  Annual  Book  of  STM Standard.  Sec.3,  Vol.03.01,  pp.615-657,  Bar Harbor Drive, Weat Conshohocken.
[3] ASTM  E8.  2001.  Standard  Test  Method  for Tension Testing of Metallic Materials. USA.
[4] Berata, Wajan. 2003. Faktor Intensitas Tegangan Pada  Part  Through  Crack  Untuk  Kasus  Surface Crack  Dengan  Metode  Elemen  Hingga.  Jurnal Teknik Mesin Vol. 5, No. 2. Pp. 48 – 55.
[5] Duyi Ye, Yuandong Xu, et  al, 2010. Effects Of Low-Cycle  Fatigue  On  Static  Mechanical Properties, Microstructures And Fracture Behavior  Of  304  Stainless  Steel.  Institute  for Process Equipments,  Zhejiang University,
Hangzhou, China. Pp 4092–4102.
[6] Fakhrizal,  Syifaul  Huzni,  dkk.  2021.  Studi perbandingan  perilaku  lelah  AISI  316L  dengan menggunakan metode eksperimen dan simulasi. Jurnal Polimesin Volume 19, Nomor 2. PP. 194-
200.
[7] H.  G.  Simms,  2011.  Oxidation  behaviour  of austenitic  stainless  steels  at  high  temperature  in supercritical plant. University of Birmingham.
[8] Kevin  L.  Smith,  Armen  Kutyan,  et  al.,  2013. Aluminide  Coatings  on  304  Stainless  Steel. California State Polytechnic University, Pomona 3801,  W.  Temple  Avenue  Pomona,  CA  91768, USA.
[9] Mukhtar,  S.,  Asghar,  W.,  et  al.,  2018. Development  and  Characterization  of  Hot  Dip Aluminide Coated Stainless Steel 316L. J. Cent. Suouth Univ. Pp. 2578-2588.
[10] Timings,  Roger  Leslie.  1998.  Engineering Materials.  Jilid  1,  edisi  2.  Penerbit  Longman Scientific & Technical. New York.
[11] Wanga, S.P., Zhoua, L., et al., 2019. Morphology Of  Composite  Coatings  Formed  On  Mo1 Substrate  Using  Hot-Dip  Aluminising  And Micro-Arc Oxidation Techniques. China. Pp. 1-
9.
[12] Ziyi  Chen  dan  Zhenyuan  Cui,  Surface  Crack Growth  Behaviour  Under  Tensile  Cyclic
Loading, Int. J Fatigue 10, 1988, no 1 pp 43-47