AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin

## ANALISIS FENOMENA PATAHAN BRACKET AKIBAT PEMBEBANAN SISTEM ROTARY MATERIAL SK-5
Yusup Firmansyah 1) , Edi Sutoyo 2)
1 Program StudiTeknik Mesin, Universitas Ibn Khaldun Bogor e-mail: yusuffirmansyah41@gmail.com
2 Program StudiTeknik Mesin, Universitas Ibn Khaldun Bogor e-mail: edi.sutoyo@ft.uika-bogor.ac.id

## ABSTRAK
Bracket merupakan  komponen  yang  digunakan  pada  industri  otomotif  berfungsi  sebagai  sistem penggerak rotary pada  mekanisme  sistem vibrator. Bracket  berfungsi  juga balancing  force ,  sehingga memerlukan  ketahanan  yang  merata  di  seluruh  permukaan.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  investigasi terhadap kegagalan fungsi bracket (patah) setelah mengalami pembebanan rotary pada komponen assembly unit,  untuk  mengetahui  penyebab  terjadinya  patahan  pada bracket diperlukan  investigasi  terhadap  jenis patahan,  aktual  proses  manufakturing bracket ,  uji  komposisi  kimia  material  SK-5,  distribusi  kekerasan Bracket ,  serta  foto  mikro.  Hasil  Pengujian  dan  Observasi  :  patahan  termasuk  jenis brittle ,  adanya initial crack propagation pada visual patahan, proses austempering adanya perbedaan  jumlah content mass (kg) 12 – 46 kg, patahan memiliki fluktuasi kekerasan 48-55 HRC serta distribusi  kekerasan tidak merata 550- 760  HV  kedalaman  0,5  mm,  fotomikro  menunjukkan  adanya  penyebaran  pearlit  pada  fasa  bainit pembesaran  100x  dan  200x.  Dari  hasil  pengujian  dan  observasi  dapat  disimpulkan  bahwa  fenomena patahan  pada bracket terjadi  karena  adanya  timbul pearlit pada  fasa bainit .  Hal  ini  menunjukkan  adanya penyebaran suhu yang tidak merata saat pada proses austempering sehingga pada fasa transformasi tertentu suhu benda kerja di angka < 720°C sehingga menyebabkan distribusi kekerasan tidak merata pada seluruh permukaan bracket dan beach mark membentuk crack propagation .
Kata kunci : Austempering, Bracket, Brittle, Crack Propagation, Patahan ,  Rotary.

## ABSTRACT
The bracket is a component that is used in the automotive industry as a rotary driving system on a vibrator system that is used to balance strength, so this component requires a balanced resistance throughout the surface. This study discusses  the  investigation  of  bracket  failure  (fracture)  after  repairing  rotary  loading  on  the  assembly  unit components,  to  determine  the  cause  of  damage  to  the  bracket  required  investigation  of  the  type  of  fracture,  the actual  manufacturing  process of the  bracket, the SK-5 spectrometer test  material,  the distribution of  the bracket material,  also  photo  micro.  Test  and  Observation  Results:  the  fracture  is  brittle  type,  there  is  initial  crack propagation in visual fault, the austempering process there is a difference in the amount of mass content (kg) 12 - 46 kg, the fracture has fluctuations in the race 48-55 HRC and the distribution is not accounted for 550-760 HV depth 0.5  mm,  showing  the  spread  of  pearlite  in  the  100x  and  200x  magnification  bainite  phase.  From  the  results  of examinations and observations, it can be concluded that the phenomenon of fracture in the bracket occurs because of the pearlite phase in bainite. This shows the effect of uneven temperature on the austempering process so that the phase transforms a part of the workpiece in the figure <720 ° C, causing an incorrect distribution of coordination on the entire surface of the bracket and shore mark which causes crack propagation.
Keywords : Austempering, Bracket, Brittle, Crack Propagation, Fracture, Rotary. .

## 1. PENDAHULUAN
Patahan  pada  metal  baja  karbon  tinggi  contoh patahan ductile,  brittle,  moderate  ductile diawali dengan adanya strecth mark atau initial crack pada produk  (Broek,  1982;  Knott,  1973).  Hal  ini disebabkan  adanya  proses  yang  tidak  normal  pada penggunaan  disertai  dengan  beban  berat  yang melebihi  kapasitas  produk  ataupun  pada  proses
manufakturing  produk  seperti  kegagalan  dalam proses  perlakuan  panas (Ashby  dan  Jones,  1980) . Menurut  (Cottrell,  1958),  adapun  jenis  patahan dibedakan  menjadi  dua  kriteria  yakni  patahan ductile dan  patahan brittle ,  patahan ductile terjadi saat  kondisi  temperatur  tinggi  dimana  adanya microvoid  coalescence atau  gabungan microvoid selama proses kegagalan ductile sedangkan patahan
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
brittle terjadi  saat  temperatur  rendah    dimana adanya  simulasi transgranular  cleavage atau pembelahan  kristal  intragranur  selama  patahan brittle jika terdapat transgranular cleavage adanya garis  atau initial  crack sepanjang boundry dengan perambatan crack membentuk crack  propagation baru. Crack  propagation menurut  Gilbert  et  al. (1995) diawali dari strecth mark / initial crack pada material karena fatigue stress dan adanya dislokasi pada  struktur  material  mendukung  intragranular crack membentuk garis patahan.
Adanya fatigue  stress dalam  material  berasal dari  mekanisme  di  dalam  proses heat  treatment atau  pemanasan  logam  sebelum  dilakukan  proses tempering  dimana  dalam  proses  ini  awal  mula terciptanya  struktur  logam  baik  struktur body center cubik atau face cneter cubic ataupun sruktur lainnya,  menurut  Pramono  (2011)  perubahan karakter  baja  AISI  1045  Pada  aplikasinya  ini  baja tersebut harus mempunyai ketahanan aus yang baik sesuai  dengan  fungsinya  harus  mampu  menahan keausan akibat bergesekan dengan rantai. Ketahanan  aus  didefinisikan  sebagai  ketahanan terhadap abrasi atau ketahanan terhadap pengurangan dimensi akibat suatu gesekan (Avner, 1974)  dalam  proses  hardening  dengan  variasi quenching  agitasi  dapat  merubah  nilai  kekerasan 57,62,  58,37  dan  59,62  HRC.  Untuk  mendapatkan kekerasan  dan  ketahanan  terhadap  aus  dari  bahan tersebut  dapat  dilakukan  melalui  perlakuan  panas dengan  cara  hardening  yang  dilanjutkan  dengan proses  quenching,  tujuannya  untuk  mendapatkan struktur  martensit  yang  keras  dan  memiliki ketahanan  aus  yang  baik.  Dari  proses  quenching tersebut spesimen sering sekali mengalami cracking ,  distorsi  dan  ketidakseragaman  kekerasan yang diakibatkan oleh tidak seragamnya temperatur larutan  pendingin.  Pada  proses  quenching  terjadi perpindahan  panas  dari  spesimen  baja  kelarutan pendingin yang ditandai dengan terjadinya pembentukan  gelembung-  gelembung  udara  yang kemudian  berlanjut  dengan  terbentuknya  selubung udara  pada  permukaan  spesimen  tersebut.  Adanya selubung udara ini dapat membuat laju pendinginan  menjadi  lebih  kecil  dari  pada  laju pendinginan  kritis  Turunnya  laju  pendinginan  ini dapat menyebabkan tidak tercapainya pembentukan fasa  martensit.  Totten  et  al.  (1993)  menyatakan perubahan  struktur  mikro  dari  ST.70  sebelum diberikan  perlakuan heat  treatment terdiri  dari  50 % perlit dan  50  % ferrit ,  sedangkan  yang  sudah diberikan  perlakuan heat  treatment didapat  100  % martensit.  Jadi  dengan  pemanasan  800°C  dan pendinginan yang cepat dengan media air selama 2
jam ternyata terjadi transformasi struktur dari perlit dan ferrit menjadi struktur martensite (Hidayat dan Herwandi,  2006).  Rizal  dan  Sepfitrah  (2014), adanya  pengaruh  waktu  dipping  saat  proses quencing material  AISI  1045  nilai  karbon  0,43- 0,48%.  Jika proses pendinginan quenching dipercepat  maka  kemungkinan  besar  terjadi keretakan pada material baja karbon.
Berdasarkan  sumber  dan  beberapa  penelitian bahwasannya fenomena terjadinya perubahan pada proses heat  treatment sehingga  menyebabkan kegagalan  berpotensi  besar,  beberapa  potensi abnormal  seperti  variasi  suhu  part  karena  efek ketidakseimbangan  proses heat  treatment ,  variasi waktu pendinginan, variasi nilai  karbon  dan  media quenching  dapat  merubah  struktul  kristal  material dan  menimbulkan fatigue  stress dan  berujung patahan. Tujuan penelitian ini adalah mengungkapkan  studi  kasus  fenomena  patahan pada komponen bracket dan mengetahui kegagalan fungsi setelah menerima beban rotary .

## 2. METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  dilakukan  di  Laboratorium Manufaktur,  Program Studi Teknik Mesin, Fakultas  Teknik  dan  Sains,  Universitas  Ibnu Khaldun  Bogor  dengan  mengikuti  diagram  alir seperti pada gambar 1.
Langkah  pertama  dalam  investigasi  adalah observasi  aktual  proses  manufaktur bracket . Selanjutnya dilakukan uji komposisi kimia material pada  SK-5  sebagai  material  braket.  Menggunakan spectrometer. Untuk mengetahui distribusi kekerasan Bracket dilakukan uji kekerasan Hardness Rockwell, serta foto mikro Spesifikasi    pengujian  dalam  penelitian  ini diantaranya:
- Hardness Rockwell testing
- Hardness Vickers
- Spectrometer
- Foto  mikro: Olympus  Metallurgical

## Microscopes (100x dan 200x)
Spesifikasi  proses  pada  penelitian  ini  sebagai berikut:
- Lapisan Electroplating Zinc
- Proses Baking
- Heat treatment austempering
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
E-ISSN 2581-0979

## Gambar 1. Diagram alir penelitian

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1   Pembahasan  Hasil  Pengujian  komposisi kimia Baja Karbon SK-5
Pengujian  komposisi  kimia  bertujuan  untuk melihat  kandungan  komposisi  kimia  yang  terdapat pada  material  SK-5.  Komposisi  tersebut  akan berpengaruh terhadap kemampuan produk baik dari sisi  fungsi  maupun  kemampuan  mekanis.  Hasil pengujian  komposisi  kimia raw  material  SK-5 termasuk  golongan  baja  karbon  tinggi  (<0,60%  C) ditunjukkan  pada Gambar  2 dengan  penyusun utama  besi  (Fe)  sebesar  98,0%  berpengaruh  pada kekuatan dan kekerasan. carbon (C) sebesar 0,85% meningkatkan  sifat  kekerasan,  mangan  (Mn) sebesar 0,42% untuk memperbaiki dan meningkatkan  kekuatan,  kekerasan  dan  keuletan. Silika  (Si)  sebesar  0,21%  menambah  kekuatan baja. Nikel (Ni) sebesar 0,01 % meningkatkan sifat keuletan  dan  tahan  karat.  Chrome  (Cr)  sebesar 0,14%  meningkatkan  sifat  keuletan  dan  tahan karat,  tembaga  (Cu)  sebesar  0,01%  mempunyai sifat fisik daya penghantar listrik yang tinggi, daya hantar panas dan tahan karat. Sulfur (S) dan Pospor (P)  0,01% menambah  ketahanan  kerapuhan pada baja karbon
Dari  hasil  diatas  ditunjukkan  Gambar  3 membuktikan seluruh komposisi kimia baja karbon SK-5 yang terkandung didalam produk braket tidak adanya  perubahan  komposisi  kimia  pada  material pada produk patahan.
Gambar 2.  Uji  komposisi  kimia  SK-5  dilakukan  3 titik inspeksi
Gambar 3. Komposisi kimia baja karbon SK-5

## Pengaruh  Pengujian  Mikrokopis  Terhadap Nilai Kekerasan Rockwell
Hasil Pengujian Foto mikro struktur mikro dengan  menggunakan Olympus  Metallurgical Microscopes pembesaran
100x dan
Pembesaran 200x adanya struktur pearlit pada struktur bainite pada  produk  patahan bracket , ditunjukkan  pada  Gambar  4  dan  5  dimana struktur pearlit yang ada  merupakan hasil dari adanya proses abnormal pada proses austempering dan dari data pengujian kekerasan menunjukkan data di atas standar 40 HRC  dari  sampel  uji  7  produk  menunjukan variable  kekerasan  dari  47  hingga  54  HRC (Gambar 6).
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
E-ISSN 2581-0979
Gambar 4. Foto mikro perbesaran 100x
Gambar 5. Uji foto mikro perbesar 200x
Gambar  6.  Grafik  nilai  kekerasan  terhadap  matrik struktur mikro
Variasi  kekerasan  terlihat  ditunjukkan  pada Gambar 7, struktur dan matrik yang terbentuk pada logam termasuk baja karbon jenis SK-5. Dari Hasil di  atas  terlihat  adanya  variasi  struktur  mikro  dari kekerasan yang terbentuk dalam logam atau produk patahan bracket, saat kekerasan pada titik 53 HRC hingga  54  HRC  struktur  pearlit  yang  terbentuk tidak rata. Pada titik  kekerasan 50 HRC hingga 54 HRC  dengan  interval  4  HRC  memperlihatkan pembentukan struktur pearlit  lebih tinggi  ditambah adanya  struktur  ferrite  dengan  luasan  yang  lebih besar  dari  pearlit.  Fasa  ferrite  dimana  struktur  ini
merupakan  dampak  adanya  proses  abnormal.  Pada proses  austempering  dan  kekerasan  pada  titik  47 HRC hingga 48 HRC dalam luasan struktur bainite masih  adanya  struktur  pearlit.  Hal  ini  disebabkan karena  perubahan  fasa  yang  terbentuk  antara perbedaan  waktu  dengan  temperatur  tidak  terlalu signifikan .
Pengaruh  Suhu  Produk  Terhadap  Nilai Kekerasan Rockwell
Hasil pengamatan proses austempering seperti yang  ditunjukan Gambar 6 adanya perbedaan suhu mesin dengan suhu part atau produk dimana hal ini terlihat  pada  pengujian  foto  mikro  struktur  mikro dengan menggunakan olympus metallurgical microscopes. Pembesaran  100x  dan  pembesaran 200x  adanya  struktur pearlit pada  struktur bainite produk  patahan bracket ,  diperlihatkan  pada Gambar  4  dan  Gambar  5  dimana  struktur pearlit yang  ada  merupakan  hasil  dari  adanya  proses abnormal.  Pada  proses austempering dan  dari  data pengujian  kekerasan  menunjukkan  data  di  atas standar  40  HRC,  dari  sampel  uji  7  produk menunjukkan variabel kekerasan dari 47 hingga 54 HRC (Gambar 6).
Gambar 7.  Grafik nilai kekerasan terhadap perbedaan  suhu  produk  pada  proses austempering
Variasi  suhu  produk  Ditunjukan  Gambar  7 berdampak  pada  nilai  kekerasan  terlihat  pada struktur  dan  matrik  yang  terbentuk  pada  logam termasuk  baja  karbon  jenis  SK-5  ,  pada  suhu  part atau  produk  sebsar  821,2°C  mempunyai  nilai kekerasan  sebesar  53  HRC,  suhu  part  sebesar 821,4°C  mempunyai  nilai  kekerasan  sebesar  53,9 HRC,  suhu  part  sebesar  820,8°C  mempunyai  nilai kekerasan  sebesar  48  HRC,  suhu  part  sebesar 820,6°C  mempunyai  nilai  kekerasan  sebsar  47 HRC,  suhu  part  sebesar  820,2°C  mempunyai  nilai kekerasan  sebesar  50  HRC,  suhu  part  sebesar
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
E-ISSN 2581-0979
821,6°C  mempunyai  nilai  kekerasan  sebesar  54 HRC,  dan  suhu  part  sebesar  821,2°C  mempunyai nilai kekerasan sebesar 53 HRC.
Gambar  8  menunjukkan  adanya  variasi  nilai kekerasan pada produk patahan 25 hingga 55 HRC dimana  pada  lot  no  produksi  202  dengan  uji sampling  quantity 15  pcs  variasi  kekerasan  pada nilai  terendah  22  HRC  hingga  tertinggi  50,7  HRC selisih  deviasi  varian  28,7  HRC.  Lot  no  produksi 430  dengan  uji sampling  quantity 15  pcs  variasi kekerasan  pada  nilai  terendah  46,5  HRC  hingga tertinggi 51,7 HRC selisih deviasi varian 5,2 HRC. Lot no produksi 1563 dengan uji sampling quantity 15  pcs  variasi  kekerasan  pada  nilai  terendah  50,2 HRC  hingga  tertinggi  53,2  HRC  selisih  deviasi varian  3,0  HRC.  Lot  no  produksi  1620  dengan  uji sampling  quantity 15  pcs  variasi  kekerasan  pada nilai terendah 49,7 HRC hingga tertinggi 54,5 HRC selisih  deviasi  varian  4,8  HRC  Lot  no  produksi 4072  dengan  uji sampling  quantity 15  pcs  variasi kekerasan  pada  nilai  terendah  45,8  HRC  hingga tertinggi 51,4 HRC selisih deviasi varian 5,6 HRC. Lot no produksi 5324 dengan uji sampling quantity
15  pcs  variasi  kekerasan  pada  nilai  terendah  38,7 HRC  hingga  tertinggi  51,7  HRC  selisih  deviasi varian 13,0 HRC. Lot no produksi 4147 dengan uji sampling  quantity 15  pcs  variasi  kekerasan  pada nilai  Terendah  39,2  HRC  hingga  tertinggi  52,5 HRC  selisih  deviasi  varian  13,3  HRC.  Lot  no produksi 6678 dengan uji sampling quantity 15 pcs variasi  kekerasan  pada  nilai  Terendah  52,5  HRC hingga  tertinggi  54,4  HRC  selisih  deviasi  varian 1,9 HRC, lot no produksi 359 dengan uji sampling quantity  15  pcs  variasi  kekerasan  pada  nilai Terendah 52 HRC hingga tertinggi 55 HRC selisih deviasi  varian  3,0  HRC.  Lot  no  produksi  865 dengan  uji sampling  quantity 15  pcs  variasi kekerasan  pada  nilai  terendah  40,5  HRC  hingga tertinggi 42,7 HRC selisih deviasi varian 2,2 HRC. Dari  data  tersebut  menunjukan  tingkat  variasi kemampuan  proses austempering dimana  proses tersebut  menghasilkan  tingkat  kekerasan  yang abnormal  dan  batas  limit  proses  abnormal ditunjukan  pada  lot  number  202  yang  mana  nilai deviasi perubahan hingga 28,7 HRC.
Tabel 1. Variasi nilai kekerasan berdasarkan lot no produksi

## Grafik variasi nilai kekerasan berdasarkan no plot produksi
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
E-ISSN 2581-0979

## Gambar 1. Grafik variasi nilai kekerasan berdasarkan no plot produksi
Pengaruh  Initial  Crack  Bracket  pada  Fenomena Patahan
Hasil  pengamatan  yang  ditunjukkan  pada Gambar  9  adanya initial  crack pada  produk sebelum terjadinya patah.
Gambar 2. Initial crack area takikan
Gambar 3. Patahan jenis rotary bending
Patahan  yang  terbentuk  merupakan  patahan jenis  patah rotary  bending sebagaimana  yang terlihat  pada  Gambar  10.  Patahan  tersebut mempunyai  ciri  khas  adanya initial  crack yang membentuk beach  mark sebagai  awal  mula terjadinya  patah,  saat  terjadi  beban  bending  dan faktor  pendukung  lainnya  yang  membuat  laju patahan  semakin  cepat  diantaranya  pada  proses manufakturing  produk.  Cetakan  yang  membentuk pola  profil  terdapat  cacat  atau  sisa  tegangan  pada proses bending profil, sehingga tidak bisa menahan beban  bending  dan  menghasilkan  sisa  material akibat  pengaruh  proses  stamping  yang  dihasilkan. Pengaruh kotoran dan burry sisa potongan material pada cetakan diperlihatkan pada Gambar 11.
Gambar 4. Terdapat burry sisa potong material
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin

## Gambar 5. Titik simulasi patahan bracket
Pada Gambar 12 menunjukkan bahwa patahan beban rotary  bending sebelum  terjadi  patahan dimulai  adanya initial  crack di  titik  B  dan  di  titik A. beach  mark mengindikasikan  benturan  halus hasil  proses  abnormal  pada  cetakan. Beach  mark kemudian  membentuk  garis streacth  mark pada profil produk yang menghubungkan ke titik C yang disebut  titik notched dimana  titik tersebut merupakan batas akhir titik patah.

## 4. KESIMPULAN DAN SARAN
Dari  hasil pengujian dan  analisis terhadap fenomena patahan pada bracket dapat disimpulkan:  Hasil  uji  komposisi  kimia, material  SK-5  masih  dalam  kategori  material standar.  Hasil  uji  mikrokopis  menunjukan adanya  struktur pearlit dan ferrite pada  fasa bainite .  Hasil  uji  kekerasan  dengan  Metode Rockwell adanya  variasi  tingkat  kekerasan hingga  28,7  HRC.  Hasil  pengamatan  visual patahan  adanya initial  crack dan beach  mark yang terbentuk saat proses stamping saran agar terjadinya patahan pada bracket bisa  diantisipasi:  Hindari  adanya  struktur pearlit dan ferrite dengan cara memaksimalkan jumlah muatan (kg) pada tungku austempering , hal  ini  guna  meminimalisir  adanya  perbedaan suhu  antara  suhu  mesin  dengan  suhu  produk. Diperlukan  adanya  kontrol  periodik  terhadap cetakan stamping guna menghindari cacat pada produk.  Kekerasan  produk  ideal  di  angka  40 HRC  hingga  50  HRC.  Perlu  penambahan proses tempering setelah  proses austempering untuk  meminimalisir  variasi kekerasan dengan selisih deviasi yang tinggi.

## REFERENSI
Ashby, M. F., Jones, D. R. H. (1980). Engineering Materials:  An  Introduction  to  Their Properties  and  Applications .  New  York: Pergamon Press Avner,  S.  H.  (1974). Introduction  to  physical metallurgy (Vol.  2):  McGraw-Hill  New
York.
Broek, D. (1982). Elementary engineering fracture mechanics :  Springer  Science  &  Business Media.
Cottrell, A. H. (1958). Theory  of brittle fracture in steel  and  similar  metals. Trans.  Met.  Soc. AIME, 212 .
Gilbert, C., Petrany, R., Ritchie, R., Dauskardt, R.,
Steinbrech,  R.  (1995).  Cyclic  fatigue  in monolithic alumina:  mechanisms  for crack advance  promoted  by  frictional  wear  of grain  bridges. Journal  of  Materials Science,
30 (3), 643-654. doi:
https://doi.org/10.1007/BF00356324
Hidayat,  A.,  Herwandi,  H.  (2006).  Analisa Perubahan Struktur Akibat Heat Treatment pada Logam ST FC Dan Ni-Hard 4. Jurnal Teknik Mesin, 7 (2), 57-62. Knott,  J.  F.  (1973). Fundamentals  of  fracture mechanics : Gruppo Italiano Frattura.
Pramono, A. (2011). Karakterisrik Mekanik Proses
Hardening Baja Aisi 1045 Media Quenching Untuk Aplikasi Sprochet Rantai. Jurnal  Ilmiah  Teknik  Mesin CakraM Vol, 5 (1), 32-38.
Rizal,  Y.,  Sepfitrah.  (2014).  Analisa  Kegagalan
Fatik Pada Plunger Pompa Torak
Reciprocating  5H3S. Jurnal  APTEK,  6 (1), 73-86.
Totten,  P.  L.,  Lindsey,  D.  W.,  King,  B.  J.  (1993).
High temperature well cement compositions and methods: Google
Patents.