Abstrak — Shaft merupakan bagian yang cukup penting di dalam motor karena shaft berfungsi sebagai penyalur gaya atau tenaga. Shaft bekerja sesuai dengan kerja mesin dan motor. Penelitian ini dilakukan untuk menganalisis penyebab kegagalan yang terjadi pada shaft  gearbox mesin palletizer .  Beberapa  pengujian dilakukan untuk mendukung analisis ini. Dari hasil uji komposisi didapatkan bahwa material shaft tersebut merupakan AIS I 1030 dan  material shaft tersebut  sesuai  dengan  AS TM  A291.  Dari pengujian metallography didapatkan hasil  struktur mikro  yang terdiri  dari  ferit  dan  perlit.  Pengujian  S EM  dilakukan  pada permukaan patahan dan hasil dari uji S EM menunjukkan adanya retakan  dan  terdapat  garis  striasi  halus  akibat  adanya pembebanan  berulang  dan  terus  menerus.  Uji  kekerasan dilakukan pada 2 daerah yaitu daerah dekat patahan dan daerah yang  jauh  dari  patahan.  S emakin  jauh  titik  pengujian  dari patahan  maka  hasil  kekerasan  semakin  menurun.  Dari  hasil analisis rietvield didapatkan nilai regangan dan tegangan sisa pada daerah yang dekat dari patahan lebih besar dari pada daerah yang jauh dari patahan. Pada patahan shaft ini terdapat retakan yang ditandai  dengan  adanya  awal  retakan  ( crack  initiation )  pada daerah ujung rumah pasak, penjalaran retak ( crack propagation ) yang  ditandai  dengan  garis  pantai  dan final  fracture dengan permukaan yang kasar.
Kata kunci — crack , metallography , palletizer , rietvield, shaft

## I. PENDAHULUAN
HOLCIM  Tbk  Tuban  merupakan  perus ahaan  yang bergerak di bidang industri  semen. Produksi semen  di Indonesia  setiap  tahun  mengalami  kenaikan  sehingga perusahaan  semen  menggunakan  beberapa  alat  atau  mesin untuk mendukung produksi  semen tersebut.  Salah satu  mesin yang cukup membantu produksi semen adalah mesin palletizer . Mesin palletizer berfungsi untuk menyusun atau memindahkan barang produksi  ke tempat  yg telah  disediakan. Mesin palletizer ini  dikendalikan secara  manual  dan  semi otomatis. Mesin ini digerakkan oleh sebuah motor. Pada motor tersebut  terdapat  beberapa  komponen  penting  seperti  poros, gear dll.  Komponen  mesin  yang  menghubungkan  daya  dari motor ke mesin yaitu disebut poros atau shaft .
Poros  biasanya  merupakan  material  yang  terbuat  dari  baja karbon.  Baja  karbon  yang  cocok  diaplikasikan  untuk  poros adalah baja karbon yang cukup kuat yaitu seperti baja  karbon menengah.  Poros  berfungsi  untuk  meneruskan  tenaga baik berupa  puntiran,  torsi  maupun  bending dari  suatu  bagian  ke bagian  yang  lain.  Akibat beban  tersebut  poros  mengalami pembebanan yang terus berulang. Akibatnya suatu poros sering mengalami  kegagalan  dalam  operasinya. Kegagalan  akibat
beban  berulang  sangat  tidak diinginkan  karena  tanda-tanda akan  terjadinya kegagalan  tidak  dapat  diketahui  secara langsung.  Kegagalan  ini  dapat  berupa crack yang  terus berkembang hingga terjadi perambatan crack yang kemudian menjadi patah  [1].  Untuk  itu  perlu  dilakukan  penelitian  untuk mengetahui  penyebab-penyebab  terjadinya  kegagalan  pada poros atau shaft .

## II. METODOLOGI PENELITIAN
Adapun rancangan dan prosedur percobaan akan dijelaskan sebagai berikut:

## A. Diagram Alir Penelitian
Gambar 1. Diagram Alir Penelitian
B. Peralatan yang digunak an dalam penelitian ini:
1. Penggaris digunakan untuk mengukur  spesimen
2. Alat pemotong digunakan untuk memotong  spesimen
3. Kamera  digunakan  untuk  melihat  kegagalan  secara makro
4. Mesin uji kekerasan digunkan untuk mengetahu i nilai kekerasan dari spesimen

## Analisis  Kegagalan  pada Shaft Gearbox Mesin Palletizer di PT Holcim Tbk Tuban
Asia, Lukman Noerochim, dan Rochman Rochiem Departemen Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS, Kampus ITS-Keputih Sukolilo,  Surabaya e-mail : lukman@mat-eng.its.ac.id
PT
5. Peralatan untuk  pengujian  metalografi  seperti  amplas grade 80 sampai 2000,  mesin polish, dan larutan etsa
6. Mikroskop optik digunakan untuk mengetahui struktur mikro  dari shaft
7. Optical  Emission  Spectrometer digunakan  untuk mengetahui komposisi kimia  unsur dari shaft
8. SEM digunakan untuk  mengetahui karakterisasi  pada permukaan  patahan
9. XRD digunakan untuk mengetahui fasa dan tegangan sisa material shaft

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN

## A. Pengujian k omposisi
Material  yang  digunakan  untuk  oenelitian  mempunyai komposisi kimia  sebagai berikut:
T abel 1. Komposisi Kimia Material Shaft yang Dibandingkan dengan AST M Unsur Kadar (%) 1030 (AST M A29) AST M A291 C 0,315 0,28-0,34 0,55 max Si 0,151 - 0,35 max Mn 0,771 0,60-0,90 0,60-0,90 P 0,0133 0,040 max 0,040 max S 0,0190 0,050 max 0,040 max Cr 0,198 - 0,25 max Mo 0,0180 - 0,10 max Cu 0,180 - 0,35 max Ni 0,115 - 0,30 max Fe 98,2197 - -
Tabel  1  merupakan  komposisi  kimia  material shaft .  Jika dilihat  dari  komposisinya  material  tersebut  termasuk  baja karbon  menengah  yaitu  AISI  1030  (ASTM  A29).  Material tersebut  juga  sesuai  dengan  ASTM  A291  yang  menjelaskan tentang komposisi yang cocok untuk digunakan sebagai shaft .

## B. Pengamatan Mak ro
Gambar 2. Permukaan Patahan Shaft
Pada  gambar  2  tersebut  terlihat  jelas  pada  permukaan patahan terdapat adanya awal retakan, perambatan retak  yang ditandai dengan adanya garis pantai dan akhir retakan dengan permukaan  yang kasar.

## C. Pengamatan Struk tur Mik ro
Gambar 3. Hasil Pengamatan Struktur Mikro Menggunakan Etsa Nital dengan Perbesaran 50x  (a) Daerah yang Jauh dari Patahan (b) Daerah yang Dekat dari Patahan
Pada hasil pengamatan struktur mikro terdapat 2 warna yang berbeda yang menandakan pada struktur mikro tersebut terdiri dari  2  fasa  yaitu  sesuai  dengan  diagram  fasa  Fe-Fe 3 C  bahwa dengan kadar karbon 0,3% maka struktur mikro yang terbentuk adalah ferit  (warna terang) dan perlit (warna  gelap).

## D. Pengamatan SEM
Gambar 4. Hasil Pengamatan SEM (a) Fraktografi Bagian T epi Permukaan Patahan shaft (b) Fraktografi Akhir Retakan yang Ditandai dengan Permukaan Kasar dan Lebih Gelap

## E. Pengujian Kek erasan
Pengujian  kekerasan  dilakukan  pada  2  daerah  yaitu  daerah yang jauh dari patahan dan daerah yang dekat dengan patahan.
Gambar 5. T itik-titik Pengujian Kekerasan
Hasil yang didapatkan dari pengujian kekerasan yaitu:
T abel 2.
Kekersan Shaft pada Daerah yang Jauh dari Patahan Titik D1 D2 HV BHN 1 0,928 0,962 208 198 2 0,978 0,972 195 185,5 3 0,984 0,988 191 181,9 4 1,006 1,008 183 174 Rata-rata 194,25 184,85 Perambatan retakan Awal retakan
Akhir retakan (patah) a b retakan striasi a b gearbox shaft
Gambar 6. Distribusi Kekerasan Shaft Daerah yang Jauh dari Patahan
T abel 3.
Kekerasan Shaft pada Daerah yang Dekat Patahan T itik D1 D2 HV BHN 1 0,792 0,892 260 247 2 0,884 0,942 222 211 3 0,878 0,964 219 208,1 4 0,932 0,954 208 198 Rata-rata 227,25 216,025
Gambar 7. Distribusi Kekerasan Shaft Daerah yang Dekat dari Patahan

## F. Analisis Rietvield
Analisis rietvield juga dilakukan pada 2 daerah yaitu daerah yang jauh dan dekat dari patahan. Analisis ini bertujuan untuk menganalisis  regangan  dan  tegangan  sisa  yang  terjadi  pada material shaft tersebut.  Analisis  ini  menggunakan  program rietica dan MAUD berdasarkan data dari pengujian XRD.
Gambar 8. Hasil Uji XRD pada Daerah yang Jauh dari Patahan
Gambar 9. Hasil Uji XRD pada Daerah yang Dekat dari Patahan
Hasil dari  analisis ini dapat dilihat pada table dibawah ini:
T abel 4.
Hasil Output Program Rietica Bagian Rp Rwp x 2 Jauh dari patahan 3,93 6,13 2,93 Dekat dari patahan 3,67 5,94 3,23 T abel 5. Hasil Perhitungan Regangan dan T egangan Sisa Bagian Regangan T egangan (MPa) Jauh dari patahan 0,000157437 31,4874 Dekat dari patahan 0,000551367 110,2734

## G. Pembahasan
Berdasarkan  hasil  uji  komposisi  unsur  kimia  menggunakan OES,  komposisi  kimia  dari shaft  gearbox tersebut  sesuai dengan komposisi kimia material AISI 1030. Shaft ini  termasuk baja karbon  sedang atau  medium. Baja  karbon sedang dalam dunia  teknik  biasanya  digunakan sebagai  alat-alat perkakas, poros,  engkol,  roda gigi,  ragum,  pegas, dan lain-lain .  Material  yang  digunakan  sebagai shaft  gearbox ini sesuai  dengan  ASTM  A291  tentang  penggunaan  komposisi kimia material yang cocok digunakan sebagai shaft . Kegagalan yang  terjadi  pada shaft ini  bukan  dikarenakan  kesalahan pemilihan  material.  Kegagalan  yang  terjadi  bisa  saja disebabkan  karena  kondisi  operasi  yang  berlebihan,  cacat produksi, dan pemeriksaan  yang kurang baik  [2].
Shaft tersebut  menerima pembebanan  secara terus  menerus baik  dari  motor  maupun  mesin.  Pada gearbox juga  terdapat gear yang memberikan beban torsi kepada shaft .  Pembebanan yang  didapat shaft dari  motor  yaitu  sebesar  4,99  N.m  dan pembebanan  yang  didapat  dari  mesin  untuk  mengangkut   5 kantong semen yaitu sebesar 350 kg. Momen bending dari shaft tersebut  yaitu  sebesar  342  Mpa.  Kegagalan shaft juga  bisa dikarenakan pembebanan yang berlebihan atau overload . Selain pembebanan yang berlebihan, kegagalan juga bisa disebabkan karena  perawatan  komponen  atau maintenance yang  tidak benar sehingga kegagalan tidak bisa dihindari.
Dari  pengujian  struktur  mikro  pada gambar  3  didapatkan struktur  mikro  ferit  dan  perlit yang  mendukung  karakterisasi material  ini  sebagai carbon  steel dan  juga  sesuai  dengan diagram  fasa  Fe-Fe 3 C  bahwa  struktur  mikro  dengan  kadar
198 185,5 181,9 174 160 170 180 190 200 1 2 3 4 B H N Titik  Pengujian 247 211 208,1 198 0 100 200 300 1 2 3 4 B H N Titik  Pengujian
karbon  0,3%C  adalah  ferit  dan  perlit [3].  Pada  gambar  3  (a) menunjukkan  hasil  pengujian  struktur  mikro  material  shaft  di daerah yang jauh dari patahan. Terlihat hasil dari struktur mikro tersebut terdapat 2 fasa yang berbeda yaitu fasa ferit dan perlit. Fasa  ferit  terlihat  lebih  dominan  dibandingkan  dengan  perlit. Hal ini disebabkan karena sifat  dari baja dengan kadar  karbon 0,3% C sedikit ulet sehingga perlit lebih sedikit dari pada ferit. Apabila  dilihat  dari  diagram  fasa  Fe-Fe 3 C  didapatkan perhitungan  perbandingan  fasa  pada  0,3%  C  yaitu  sebagai berikut:
α = 0,8−0,3
0,8−0,008 × 100% =  63,13% (1) p  = 0,3−0,008
0,8−0,008 × 100% =  36,87% (2)
Dari hasil perhitungan terlihat banyaknya fasa ferit dan perlit. Berdasarkan perhitungan dari lever rule diagram fasa  Fe-Fe 3 C yaitu banyaknya perlit hampir setengah dari ferit sehingga sifat dari baja ini tidak terlalu keras.
Pada  gambar  3  (b)  menunjukkan  hasil  pengujian  struktur mikro material shaft di daerah yang dekat dari patahan. Sekilas terlihat tidak ada yang berubah karena struktur yang terbentuk tetap yaitu ferit dan perlit. Akan tetapi, struktur mikro di daerah yang  dekat  patahan  terlihat  strukturnya  memanjang  (terjadi elongation ).  Terjadinya  pertambahan  panjang  dari  struktur mikro  material  tersebut  disebabkan  karena  terjadi strain hardening pada  material  sebelum  mengalami  patah. Strain hardening sendiri yaitu pengerasan regangan yang disebabkan karena  pergeseran  dislokasi.  Dislokasi  pada  logam  semakin rapat dan meningkat serta terjadi pembentukan dislokasi  baru. Dengan adanya pembentukan dislokasi baru membuat dislokasi lama terdesak. Pada saat material akan mengalami patah terjadi peregangan  sehingga  struktur  mikro  dari  material  tersebut mengalami  penarikan  dan  membuat  struktur  mikronya  terlihat memanjang.
Material yang mengalami pembebanan pada umumnya  akan mengalami peningkatan  tegangan  dalam yang dikenal  dengan strain  hardening .  Terjadinya strain  hardening juga  sangat dipengaruhi  oleh  seberapa besar  beban  luar  yang  dikenakan pada  material  tersebut.  Beban  yang  dikenakan pada  material akan menyebabkan  material  mengalami  reaksi  terhadap  beban tersebut  dengan  mengalami deformasi  yaitu  mengalami regangan  atau strain .  Selama  regangan  masih  dalam  batas kemampuan  material  untuk  menahan,  maka  energi  dari  luar tersebut yang berupa beban akan digunakan oleh material untuk mengalami peregangan.  Akibatnya  energi dalam  material  akan meningkat. Atau  hal  ini  dikenal  dengan  terjadinya internal stress atau  tegangan  dalam.  Semakin  besar  tegangan dalam yang  terjadi  dapat  menyebabkan  kerusakan  atau  perpatahan pada  material,  jika  tegangan  tersebut melebihi  kemampuan kekuatan dari  material  tersebut [4].
Dari  hasil  pengamatan  makroskopik  terlihat  jelas  dari permukaan  patahan  terdapat  adanya initial  crack atau  awal retakan yang terdapat di pinggir cekungan. Awal retakan terjadi pada daerah tersebut  karena pada  daerah tersebut  merupakan pusat  tegangan  sehingga  lebih  sering  terjadi  retakan  pada daerah  tersebut.  Retak  mulai  menjalar  dan akhirnya menyebabkan  patah  yang  berujung  di  daerah  seberang
terjadinya  awal  retakan.  Pada  daerah  tengah  permukaan patahan material shaft tersebut terlihat adanya garis striasi yang halus.  Penjalaran  retak  disepanjang  permukaan  patahan ditandai  dengan  adanya  garis  pantai.  Sedang kan  pada  akhir patahan terlihat dengan jelas permukaannya lebih kasar.
Hasil uji SEM terlihat pada permukaan patahan terdapat garis striasi  halus.  Garis  striasi  yang  timbul  disebabkan  karena adanya  pembebanan  berulang  yang  dialami  oleh  komponen sebelum patah.
Pada  gambar  4  merupakan  hasil  dari  uji  SEM  pada permukaan patahan shaft . Pada gambar 4 (a) menunjukkan hasil fraktografi pada permukaan patahan shaft di bagian tepi.  Pada gambar  tersebut  menunjukkan  adanya  retakan.  Di  daerah tersebut juga terlihat adanya garis striasi halus. Adanya retakan menandakan  awal  terjadinya  kegagalan  pada  material shaft . Pembebanan  berulang  dan  terus  menerus  yang  dialami  oleh komponen  akan  menyebabkan  retak  yang  terbentuk  akan mudah menjalar hingga akhirnya mencapai dimensi y ang cukup signifikan  untuk  menyebabkan  komponen  patah  [5].  Pada gambar  4  (b)  merupakan  hasil  uji  SEM  pada  daerah  akhir patahan. Dari  hasil  SEM  tersebut  terlihat  patahan  lebih  kasar dan lebih gelap.
Pengujian  kekerasan  dilakukan  pada  2  daerah  yaitu  daerah yang jauh dari patahan dan daerah yang dekat dengan patahan. Daerah yang jauh  dari patahan diambil  di ujung material shaft dengan 4 titik pengujian. Titik 1 didapatkan nilai kekerasan 208 HV.  Titik  2  didapatkan  nilai  kekerasan  195  HV.  Titik  3 didapatkan  nilai  kekerasan  191  HV  dan  titik  4  di  ujung shaft didapatkan  nilai  kekerasan  183  HV.  Semakin  jauh  titik pengujian  dari  daerah  patahan  maka  kekerasan  semakin menurun.
Pengujian kekerasan yang kedua dilakuan pada daerah yang dekat dari patahan. Titik 1 didaerah ujung patahan didapatkan nilai kekerasan  260 HV.  Titik 2  didapatkan nilai  kekerasan  222 HV.  Titik  3  didapatkan  nilai  kekerasan  219  HV  dan  titik  4 didapatkan nilai  kekerasan  208  HV. Sama  halnya  pada  daerah yang  jauh  dari  daerah  patahan,  nilai  kekerasan  akan  semakin turun seiring jauhnya titik  pengujian dengan patahan.
Dari  data  hasil  pengujian  didapatkan  nilai  kekerasan  yang sesuai  dengan  standar  pada  ASTM  A291.  Akan  tetapi,  pada daerah yang dekat dari patahan didapatkan nilai kekerasan yang lebih tinggi dari nilai kekerasan daerah yang jauh dari patahan. Hal ini disebabkan karena pada daerah yang dekat dari patahan mengalami strain hardening sehingga menyebabkan kekerasan di daerah yang dekat dengan patahan meningkat.
Bila dilihat dari hasil analisis rietvield yang digunakan untuk menghitung analisis regangan dan tegangan sisa dapat dilihat pada  tabel  5  bahwa  daerah  yang  dekat  dari  patahan  memiliki nilai regangan dan tegangan sisa yang lebih besar d ibandingkan dengan  daerah  yang  jauh  dari  dari  patahan.  Semakin  besar tegangan dalam  atau  tegangan  sisa  yang  terbentuk  dapat menyebabkan  kerusakan  atau  perpatahan  pada  material  jika tegangan tersebut melebihi  kemampuan kekuatan dari  material tersebut [4].

## IV. KESIMPULAN
Kesimpulan  yang dapat diambil dari penelitian ini  yaitu : 1. Berdasarkan  hasil  penelitian  didapatkan  faktor-faktor penyebab terjadinya kegagalan:
a. Terjadi strain  hardening pada  material shaft sebelum  patah  yang  menyebabkan  kekerasan material  di  dekat  daerah  patahan  meningkat  dan strain hardening menyebabkan adanya tegangan sisa sehingga menyebabkan komponen patah atau mengalami kegagalan pada material jika tegangan tersebut melebihi  kemampuan  kekuatan  dari material  tersebut
b. Terdapat  retakan  sebelum  material  patah  yang ditandai  dengan  adanya  awal  retakan  ( crack initiation ) yang terjadi pada ujung rumah pasak, penjalaran  retak  ( crack   propagation )  yang ditandai  dengan  adanya  garis  pantai  dan final fracture dengan  permukaan  yang  kasar.  Pada daerah tengah permukaan patahan terdapat garis - garis  striasi  halus  yang  menandakan  adanya pembebanan berulang
c. Kegagalan  yang  terjadi  pada shaft ini  bukan dikarenakan kesalahan pemilihan material. Kegagalan  yang  terjadi  bisa  saja  disebabkan karena  kondisi  operasi  yang  berlebihan,  cacat produksi, dan pemeriksaan  yang kurang baik.
2. Mekanisme terjadinya kegagalan pada kasus ini  disebabkan karena ada beban berulang dan terus menerus sehingga pada saat  mencapai  titik  maks imum  komponen  menerima  beban
akan menyebabkan komponen patah. Terdapat retakan pada daerah  rumah  pasak  dimana  daerah  tersebut  merupakan daerah  terjadinya  gesekan  antara shaft dengan  komponen motor  yang  lain  seperti gear dan  daerah  tersebut  juga merupakan  daerah pemusatan tegangan 3. Hal-hal  yang  perlu  dilakukan  agar  kegagalan shaft tidak terjadi lagi yaitu  perlu dilakukan  pengecekan secara  berkala sehingga  bisa  langsung  ditangani  sebelum  akhirnya  terjadi kegagalan.  Hal  lain  yang  perlu  diperhatikan  yaitu  masalah maintenance atau perawatan komponen mesin sehingga bisa meminimalisir  terjadinya  kegagalan  pada shaft maupun komponen motor ataupun mesin yang lainnya.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] T . dkk Sugiarto, “Analisis Uji Ketahanan Lelah Baja Karbon Sedang AISI  1045  dengan  Heat  T reatment  (Quenching)  dengan Menggunakan Alat Rotary Bending,” Universitas Lampung, 2013.
[2] A. Brooks, Charlie and Choudhury, Failure Analysis of Engineering Materials . New York: McGraw-Hill, 2002. [3] W.  D.  Callister  Jr, Materials  Science  and  Engineering  an Introduction, 9th Edition . New Jersey: John Wiley & Sons, Inc, 2014.
[4] T . Rusianto, “Pengaruh T egangan Dalam (Internal Stress) terhadap Laju Korosi pada Baut,” AKPRIND, 2008.
[5] C. dkk Sutowo, “ Analisa Kegagalan pada Poros Baja Karbon S45C Aplikasi Komponen As Sink Roll,” T angerang, 2014.