MAT - 064 Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012 Pengaruh Beban Siklik Terhadap Perilaku Korosi Lelah Baja Tahan Karat AISI 304 dalam Larutan 3,5% NaCl Syifaul Huzni1,2 , Herdi Susanto1,3 dan M. Ridha1,2 1 Program Studi Magister Teknik Mesin, Program Pascasarjana, Universitas Syiah Kuala Jl. Tgk. Syech Abdul Rauf No.7 Darussalam, Banda Aceh, 23111, Indonesia 2 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala Jl. Tgk. Syech Abdul Rauf No.7 Darussalam, Banda Aceh, 23111, Indonesia 3 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Teuku Umar, Meulaboh 23681 Aceh Barat Email: syifaul@unsyiah.ac.id Abstrak Kegagalan akibat korosi lelah merupakan fenomena yang sering terjadi pada struktur yang berhubungan dengan lingkungan korosif. Langkah penggunaan bahan tahan karat seperti AISI 304 telah dilakukan, namun fenomena kegagalan akibat korosi lelah masih terjadi dan mekanisme kegagalannya masih belum dapat difahami dengan baik. Kombinasi lingkungan korosif dan jenis pembebanan siklik yang diterima bahan merupakan salah satu penyebab inisiasi korosi lelah. Pembentukan pit (lubang) pada permukaan struktur menyebabkan terjadinya konsentrasi tegangan yang pada tahap tertentu akan memicu kegagalan lelah. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa perilaku lelah baja tahan karat AISI 304 yang mengalami pembebanan siklik dalam lingkungan air laut buatan (3,5% NaCl). Pengujian korosi lelah dilakukan berdasarkan ASTM F1801-97, menggunakan mesin uji lelah tipe rotary bending. Spesimen dibuat berdasarkan ASTM E466. Pertumbuhan pit dan retak diamati pada tujuh siklik yang berbeda, sedangkan kurva polarisasi diukur pada empat siklik yang berbeda, dengan tegangan lelah konstan 369,53MPa. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pertumbuhan pit berlangsung dari siklik 0 sampai siklik 4.2x105, selanjutnya diikuti dengan perambatan retak hingga siklik 7.2x105. Kegagalan yang terjadi lebih didominasi oleh dampak perambatan retak. Rasio pertumbuhan antara panjang dan lebar pit didominasi oleh pertumbuhan panjang retak. Selanjutnya, hasil pengukuran potensial dan arus korosi yang direpresentasikan oleh kurva polarisasi menunjukkan bahwa peningkatan jumlah siklik menyebabkan nilai potensial korosi menurun sedangkan densitas arus korosi meningkat. Retak dipermukaan spesimen menyebabkan terjadinya penurunan densitas arus korosi yang diukur dibandingkan kondisi sebelumnya. Keywords: beban siklik, korosi lelah, AISI 304, pertumbuhan pit, kurva polarisasi Pendahuluan Baja tahan karat AISI 304 adalah jenis material yang banyak digunakan secara ekstensif dalam dunia industri petrokimia, pembangkit industri seperti listrik transportasi. Penggunaan yang luas dari baja tahan karat ini karena sifat mekanik dan fisik serta ketahanan korosi yang sangat baik (Michael F. McGuire 2008). Aplikasi baja tahan karat pada konstruksi dan transportasi yang berhubungan langsung dengan air laut sangat beresiko mengalami korosi. Oleh karena itu, penanganan yang tepat sangat diperlukan untuk mendeteksi lebih awal kegagalan yang mungkin terjadi pada baja tahan karat tipe AISI 304 sehingga kegagalan yang mungkin terjadi dapat diantisipasi dengan baik. termal, alat konstruksi dan faktor Penelitian lingkungan ion klorida, dan inhibitor pitting terhadap sifat lelah korosi stainless steel tipe 347 pada pengujian lelah siklik tinggi dan pengamatan pertumbuhan retak lelah telah dilakukan pada lingkungan air dan udara. Hasil penelitian tinggi menunjukkan berkurang dalam larutan asam dan larutan yang mengandung klorida (Chih-Kuang Lin & I-Lon Lan 2005). terdahulu mengenai pengaruh termasuk pH, kekuatan lelah siklik Hasil penelitian perilaku lelah baja SAE 8620 dalam larutan 3,5 % NaCl menunjukkan bahwa korosi pit terjadi karena adanya serangan anodik yang menyebabkan terjadinya inisiasi retak korosi lelah (Nelson do Nascimento Atanazio Filho et. al 2007). Dari kedua penelitian diatas, diketahui bahwa
MAT - 064 Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012 kehadiran ion klorida memberikan pengaruh yang lelah. besar pada pertumbuhan pit dan Pertumbuhan pit dan retak lelah terjadi pada area terlokalisasi, dimana area tersebut mengalami regangan plastik akibat tegangan lelah, sehingga pada area tersebut akan terbentuk daerah anoda yang merupakan salah satu syarat terjadinya korosi. retak Pengaruh regangan elastik dan plastik terhadap densitas arus korosi pada lingkungan air laut buatan telah disimulasi menggunakan program MSC Nastran untuk penelitian menunjukkan bahwa efek galvanik akan terjadi di nilai atas elastik/regangan plastik yang lebih besar menjadi lebih anodik dan area ini lebih terkorosi (M. Ridha and S.Aoki. 2006). spesimen U-bend, hasil permukaan baja karbon dengan rotary (2900 rpm), dan rasio tegangan R=-1. fatigue bending dengan frekuensi 50Hz Susunan Peralatan Susunan (set-up) peralatan untuk pengujian korosi lelah dapat dilihat Gambar 2. Air laut buatan (3,5% NaCl) disirkulasikan ke permukaan uji spesimen dengan menggunakan alat sirkulasi media korosif yang dirancang sesuai dengan standar ASTM F-1801-97. Air laut tersebut dipompa dengan laju rata-rata 400ml/menit (ASTM STP 81) dari sebuah resevoir yang mempunyai kapasitas 25 L menuju fluid chamber. Tegangan aplikasi pada baja tahan karat AISI 304 dalam lingkungan air laut buatan mempengaruhi kurva polarisasi. Potensial korosi (Ecor) semakin negatif dengan bertambahnya tegangan dan densitas arus korosi semakin tinggi dengan bertambahnya (Marzuki Daud 2010), namun dalam penelitian ini terbatas pada beban statik. Perubahan perilaku korosi bahan AISI 304 dalam kondisi beban siklik atau dinamik belum diketahui. (icor) tegangan Gambar 2 Set-up mesin uji lelah dengan tambahan peralatan sirkulasi media korosif Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui hubungan antara beban siklik dengan perilaku elektrokimia, pertumbuhan pit dan kurva polarisasi bahan AISI 304 dalam lingkungan air laut. Metode Penelitian Bahan dan Spesimen Baja tahan karat AISI 304 dengan komposisi kimia (dalam persen), 18.28 Cr, 8.1 Ni, 1.71 Mn, 0.44 Si, 0.042 C, 0.036 P dan 0.008 S. Bahan tersebut memiliki kekuatan tarik 563.30 N/mm2, kekuatan luluh 219.20 N/mm2, dan perpanjangan (elongation) 67 %. Bentuk dan ukuran spesimen disesuaikan dengan standar ASTM E466 (Tangentially Blending Fillets), sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 1. Sebelum pengujian korosi lelah dilakukan, kekasaran permukaan spesimen yang akan diuji terlebih dahulu diukur dengan menggunakan alat uji kekasaran permukaan TR200, untuk memastikan bahwa kekasaran permukaan spesimen berada di bawah 0,2μm (ASTM E 466 - 96), Selanjutnya pengujian korosi lelah dilakukan dilakukan untuk mendapatkan data kekuatan lelah yang diplot dalam kurva S-N. Permukaan patah dari spesimen diamati dengan menggunakan scanning electron microscope (SEM) Hitachi TM3000. Pengukuran panjang, lebar pertumbuhan pit dan retak dilakukan 369.53MPa. tegangan Pengukuran dengan menggunakan mikroskop optik Olympus. pada lelah dilakukan Gambar 1. Ukuran spesimen Prosedur Penelitian Dalam kajian ini digunakan mesin uji lelah tipe
MAT - 064 Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012 Gambar 3. Set-up pengukuran kurva polarisasi. yang lebih besar daripada 720 x 103. Metode pengukuran polarisasi korosi dilaksanakan berdasarkan standar ASTM G5-94, pengukuran dilakukan pada tingkatan tegangan lelah 369.53MPa menggunakan galvanostat Hokuto Denko HA-301 dan ossiloscope Tektronik TDS 304. Set-up pengukuran polarisasi elektrokimia lihat Gambar 3. Hasil dan Pembahasan Perilaku Kurva Polarisasi Hasil secara anodik-katodik terhadap spesimen baja tahan karat AISI 304 yang diberi variasi siklik (dalam 3,5% NaCl dan suhu kamar) dengan tegangan lelah konstan 369.63 MPa, ditampilkan dalam bentuk grafik kurva polarisasi anodik dan katodik (skala log) sebagaimana dapat dilihat dalam Gambar 6. uji polarisasi galvanostatik Perilaku Pertumbuhan Pit dan Retak Gambar 4 menunjukkan bahwa pit telah tumbuh dan berkembang pada siklik 120x103 dengan ukuran pit rata-rata 27,275 µm. Pit tersebut terus berkembang sehingga mencapai siklik 420x103 dengan ukuran terhadap rata-rata pertumbuhan retak yang terjadi menunjukkan bahwa pada tegangan maksimum 369,63 MPa, kegagalan lelah yang terjadi lebih di dominasi oleh dampak dari perambatan retak yang tarjadi akibat pembebanan siklik dari 520x103 hingga siklik 720x103. Perbedaan perbandingan antara pertumbuhan panjang dan lebar pit terlihat sangat signifikan. Pertumbuhan panjang lebih dominan dibandingkan pertumbuhan lebar retak. 137.91 µm. Pengamatan Gambar 5. Pertumbuhan Inisiasi Pit dan Retak Gambar 4. Grafik pengaruh siklik terhadap pertumbuhan pit dan retak dalam larutan 3,5% NaCl Foto hasil pengamatan pertumbuhan pit dan retak pada permukaan spesimen baja tahan karat AISI 304 pada tegangan lelah 369.53 MPa dalam larutan 3,5% NaCl ditunjukkan dalam Gambar 5. Dari Gambar 5 terlihat bahwa pertumbuhan pit berkembang hingga siklus 320 x 103. Retak mikro tidak terjadi pada tegangan lelah 369.53 MPa. Mulai siklus 320 x 103 pit berkembang ke arah perambatan retak hingga terjadi perpatahan pada jumlah siklus Gambar 6. Hasil uji polarisasi katodik-anodik baja tahan karat AISI 304 Gambar 6 menunjukkan bahwa jumlah siklik
MAT - 064 Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012 mempengaruhi perubahan potensial yang terjadi pada permukaan spesimen, dimana semakin besar jumlah siklik yang terjadi maka nilai potensial permukaan spesimen semakin menurun dan densitas arus korosi semakin meningkat. Pengaruh Beban Siklik terhadap Pertumbuhan Pit dan Polarisasi Korosi Gambar 7 menunjukkan bahwa inisiasi pertumbuhan pit untuk tegangan lelah 369.53 MPa. Dari gambar tersebut total siklik didominasi oleh perambatan retak dan sisanya 57% dari total siklik terjadi pertumbuhan pit. terlihat bahwa 43% dari menjalar pada permukaan spesimen, sehingga tegangan yang bekerja di permukaan spesimen diluar area retak menjadi lebih kecil. Dari pengamatan mengenai hubungan polarisasi korosi terhadap beban siklik, dapat dinyatakan bahwa terjadi peningkatan densitas arus Icor yang rata-rata relatif lebih besar pada permukaan benda uji pada saat awal sebelum pertumbuhan pit dan inisiasi retak, dan nilai tersebut akan mengecil seiring dengan munculnya retak pada permukaan benda uji. Kesimpulan Dari hasil penelitian perilaku korosi lelah yang telah dilakukan pada baja tahan karat AISI 304 dalam lingkungan air tegangan lelah konstan 369.53 MPa, maka dapat disimpulkan: laut buatan (3,5% NaCl) dan 1) Beban siklik mempengaruhi nilai potensial permukaan dan densitas arus korosi bahan yang diuji. Semakin besar jumlah siklik lelah, maka nilai potensial permukaan menurun dan densitas arus korosi semakin meningkat. 2) Untuk kasus yang diuji, kegagalan lelah yang terjadi lebih didominasi oleh dampak perambatan retak. Gambar 7 Hubungan Beban siklik terhadap per- tumbuhan pit dan polarisasi korosi 3) Kehadiran retak pada pada permukaan benda uji menyebabkan terjadinya penurunan densitas arus korosi kondisi yang sebelumnya. dibanding diukur Referensi ASTM E 466 - 96, Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials. ASTM F1801 - 97 Standard Practice for Corrosion Fatigue Testing of Metalic Implant Materials. Gambar 8 Hubungan polarisasi korosi terhadap siklus ASTM G5-94, Standard Reference Test Method for Making Potentiostatic and Potentiodynamic Anodic Polarization Measurement. Perilaku polarisasi korosi pada Gambar 7 dan Gambar 8 menunjukkan bahwa terjadi peningkatan densitas arus Icor dari siklik 0 hingga 50x103 dengan kisaran kenaikan 0,4 μA/cm2. Jika dibandingkan dengan kenaikan pada siklik antara 50 x103 hingga 75 x103 dimana terjadi kenaikan densitas harus sebesar 0,1 μA/cm2, maka peningkatan densitas arus Icor relatif kecil pada siklik diatas 50x103 untuk tegangan lelah 369.53 MPa. Hal ini dikarenakan tegangan yang terjadi telah terpusat pada retak yang ASTM STP 81, Enviromental Influences on the Aqueous Fatigue Crack Growth Rates of HY-130 Steel, editor Oleh T. W. Crooker, ASTM Committee E-9 on Fatigue Chih-Kuang Lin and I-Lon Lan, Environmental Effects On The Fatigue Behavior Of An Austenitic of Mechanical Stainless Steel, Department
MAT - 064 Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XI (SNTTM XI) & Thermofluid IV Universitas Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012 Engineering, National Central University, Taiwan (2005) M. Ridha and S.Aoki., "Simulation of Corrosion Rate of Carbon Steel Subjected to Elastic/Plastic Strain", EPMESC X, Sanya, Hainan,China (2006) Marzuki Daud, Kepekaan Retak Korosi Tegangan Baja Nirkarat Austenitik Aisi 304 Dalam Lingkungan Air Laut Buatan, Tesis Teknik Mesin, USU, Medan (2010) Michael F. McGuire, Stainless Steels For Design Engineering, ASM International, United State of Amerika (2008) Nelson do Nascimento Atanazio Filho, et. al, Corrosion Fatigue Behaviour of SAE 8620 Steel In NaCl 3,5% Solution, SMiRT, Toronto (2007)