high strain rate

FENOMENA ADIABATIC SHEAR STRAIN AKIBAT LAJU REGANGAN TINGGI PADA ARMOR STEEL

Beny Bandanadjaja* & Arif Basuki**

*Peserta Program Doktorat pada Program Studi Teknik Material, Departemen Mesin, ITB

**Staf Pengajar Departemen Mesin,FTI, ITB

benybj@yahoo.com ; arifbasuki@material.itb.ac.id

ABSTRAK

enomena hypervelocity impact sudah diminati oleh banyak peneliti sejak lama. Deformasi yang besar terjadi pada daerah lokal yang secara umum dikenal sebagai adiabatic shear band dapat terjadi pada logam pada saat berdeformasi dengan laju regangan yang sangat tinggi (very high strain rate). Material cenderung untuk mengalami geser secara lokal bila diberi beban dinamik dengan laju pembebanan yang sangat tinggi. Dari berbagai jenis pengujian dan pendekatan, uji ballistic merupakan metode yang cukup baik untuk meneliti pengaruh pemberian high strain rate pada logam. Namun pada pengujian ballistic impact banyak parameter yang sulit diukur karena proses pengujian yang berlangsung sangat cepat. Karenanya perlu ada suatu pemahaman mengenai mekanisme perusakan (destroying mechanism) yang terjadi dengan mengamati perubahan struktur mikro di logam target dan proyektil sebelum dan sesudah proses ballistic impact. Pada penelitian ini dilakukan pengujian ballistic dengan cara menembak target berbentuk pelat dengan tebal 7 mm. Material pelat merupakan jenis baja armor steel dengan paduan Ni, Cr dan Mo yang sudah dikeraskan (quench–temper). Pengamatan terhadap struktur mikro pada daerah tumbukan dilakukan untuk mendapatkan informasi mengenai tingkat deformasi dan perubahan struktur mikro yang terjadi. Pada saat proyektil menumbuk target dengan kecepatan tinggi maka terjadi pemanasan lokal dan membentuk lapisan yang menunjukkan adanya proses pendinginan cepat. Keyword : Hypervelocity Impact, Ballistic Test, Adiabatic Shear Band, High Strain Rate

PENDAHULUAN

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui perubahan struktur mikro material Armor Steel NiCrMo bila diberikan pembebanan dengan laju regangan yang sangat tinggi (very high strain rate). Material akan memberikan respon yang berbeda apabila diberi beban dengan kecepatan sangat tinggi [1,2]. Aliran (flow) dan perpatahan (fracture) logam sangat dipengaruhi oleh besarnya regangan dan laju regangan[3]. Spektrum laju regangan untuk beberapa beban ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Jenis Beban dan Laju Regangan yang Terjadi [1].

Pada prinsipnya, terdapat perbedaan yang mencolok antara pembebanan statik dan impact (kejut). Pengujian creep atau quasi static berlangsung secara isothermal, pada kedua pengujian tersebut, efek inersia dapat diabaikan karena laju regangan yang cukup rendah. Pada pembebanan impact, tegangan (juga regangan) yang terjadi tidak sempat didistribusikan ke seluruh benda, sehingga deformasi, patahan atau retakan dapat terjadi secara lokal. Pada laju regangan yang tinggi yaitu 10⁶ s^-1 fenomena shock wave [4] akan muncul, sedang pada laju regangan mulai dari 10⁰ s^-1 deformasi akan berlangsung secara adiabatik, hal itu terjadi karena perpindahan panas tidak terjadi dan akan mengakibatkan kenaikan temperatur secara lokal [3].

Ballistic impact yang dilakukan terhadap permukaan logam memungkinkan terjadinya deformasi yang terkonsentrasi pada daerah yang sempit dalam logam tersebut, sehingga fenomena adiabatic shear bands pada struktur-mikro logam dapat teramati [5]. Pembentukan adiabatic shear band dapat terjadi pada logam dengan kekerasan yang tinggi dan jarang terjadi pada logam lunak [5,6]. Eksperimen dan karakterisasi yang dilakukan dalam penelitian ini bertujuan untuk memahami perilaku material bila terkena pembebanan dengan hypervelocity strain rate serta terjadinya adiabatic shear band. Pada gilirannya, pemahaman tentang hal tersebut dapat digunakan untuk menjelaskan fenomena terminal ballistic impact akibat FOD (Foreign Object Damage) yang sering terjadi pada komponen-komponen berputaran tinggi. Disamping itu pemahaman tentang adiabatic shear band ini dapat digunakan untuk merancang suatu jenis material yang akan diproses dengan explosive forming yaitu proses proses pembentukan yang deformasi plastisnya terjadi dengan hypervelocity strain rate.

EKSPERIMEN DAN KARAKTERISASI

Untuk memunculkan fenomena adiabatic shear strain pada baja armor steel NiCrMo, dalam penelitian ini dilakukan ekperimen serta karakterisasi dengan urutan sebagai berikut.

1. Karakterisasi material target dilakukan dengan tujuan mengetahui sifat dan karakter material sebelum di tembak. Pemeriksaan yang dilakukan meliputi pemeriksaan komposisi kimia dengan OES (Optical Emission Spectrometry) dan Uji Kekerasan Rockwell C serta SEM (Scanning Elecon Microscopy). Material target merupakan jenis Armor Steel paduan NiCrMo dengan komposisi:

Tabel 1. Komposisi Kimia Material Target

C	Si	S	P	Mn	Ni	Cr	Mo	Al
0.112	0.260	0.003	0.010	0.670	2.063	0.482	0.345	0.046

Kekerasan material sebesar 52 HRC. Struktur-mikro pada bagian tengah berupa martensit-temper hasil proses hardening dan tempering, sedang pada tepinya adalah struktur hasil decarburizing berupa ferit seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Struktur-mikro Baja Ni-Cr-Mo yang diuji.

2. Terhadap plat baja tersebut diatas dilakukan ballistic impact test, hasil pengujiannya ditunjukkan pada Gambar 3. Dua pengujian dilakukan dengan menggunakan 2 buah proyektil yang sama beratnya. Kode H menunjukkan bekas tumbukan dengan kecepatan proyektil sebesar 940 mm/s sedang Kode L adalah hasil tumbukan proyektil dengan kecepatan 920 mm/s. Kecepatan proyektil 940 mm/s meninggalkan bekas tumbukan yang lebih lebar dan lebih dalam (Gambar 3. Penampang Melintang) dibanding dengan bekas tumbukan proyektil berkecepatan 920 mm/s. Selain itu terlihat juga sebagian material proyektil berkecepatan 940 mm/s tertinggal dan terlihat dengan warna kuning pada Gambar 3 (Tampak Depan).

Penampang Melintang

Gambar 3. Uji ballistic impact terhadap plat baja Ni-Cr-Mo,

H: kecepatan proyektil saat tumbukan sebesar 940 m/s

L: kecepatan proyektil saat tumbukan sebesar 920 m/s

ANALISIS STRUKTUR-MIKRO

1. Struktur-mikro hasil uji ballistic impact dengan kecepatan proyektil 940 m/s (Kode H)

Gambar 4 adalah struktur-mikro yang diamati dengan SEM pada Daerah A-Kode H pada Gambar 3. Pada daerah ini belum terlihat perubahan struktur-mikro, berbeda dengan struktur-mikro pada Daerah B-Kode H (lihat Gambar 5) yang telah mengalami perubahan secara drastis akibat tegangan/regangan tekan yang sangat besar. Bagian tepi, yang memiliki struktur ferit (akibat decarburizing) dan merupakan daerah yang langsung bertumbukan dengan proyektil, tak dapat dibedakan lagi dengan struktur martensit temper dibawahnya. Hal ini terjadi karena butir-butir ferit yang awalnya berbentuk equiaxial grain berubah menjadi butir yang pipih dan panjang.

Daerah C1-Kode H dan Daerah C2-Kode H ditunjukkan pada Gambar 6 dan 7. Kedua daerah ini mengalami tegangan geser yang mengakibatkan regangan geser yang besar dengan laju regangan yang tinggi. Secara umum beban yang diakibatkan oleh proyektil mengakibatkan struktur mikro pada daerah ini terorientasikan dengan sudut kurang lebih 45^o relatif terhadap posisi semula. Pada daerah ini pula ditemukan adanya shear-band dengan lebar kurang lebih 5 mm seperti ditunjukkan dengan anak panah pada Gambar 6 dan 7. Shear-band ini terbentuk akibat strain localization, daerah terjadinya shear-band ini mengalami regangan (geser) yang lebih tinggi dibanding daerah sekelilingnya.

Gambar 4. Struktur-mikro Daerah A-Kode H (Gambar 3)

Gambar 5. Struktur-mikro Daerah B-Kode H (Gambar 3)

Strain localization yang terjadi pada Daerah C1 & C2 Kode H ini terjadi pada laju regangan yang tinggi pula. Tingginya laju regangan ini mengakibatkan panas yang terbentuk selama deformasi tidak sempat dialirkan kesekelilingnya, dengan demikian kenaikan temperatur akan terjadi dalam daerah shear-band ini. Kenaikan temperatur ini bisa mengakibatkan perubahan struktur mikro dan retakan sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 8. Disamping itu, strain localization yang disertai kenaikan temperatur ini juga bisa mengakibatkan pencairan setempat (local melting) yang kemudian berakibat timbulnya retakan pula, hal ini ditunjukkan pada Gambar 9. Fenomena strain localization yang mengakibatkan local heating inilah yang dinamakan adiabatic shear band.

Gambar 6. Struktur-mikro Daerah C1-Kode H (Gambar 3)

Gambar 7. Struktur-mikro Daerah C2-Kode H (Gambar 3)

Gambar 8. Perubahan struktur mikro pada daerah shear band

Gambar 9. Pencairan lokal yang berakibat terjadinya retakan dalam daerah shear band

2. Struktur-mikro hasil uji ballistic impact dengan kecepatan proyektil 920 m/s (Kode L)

Gambar 10. menunjukkan struktur mikro Daerah A-Kode L yang merupakan daerah yang belum dipengaruhi oleh tumbukkan. Gambar 11. merupakan Daerah B-Kode L yang merupakan daerah terbawah dan seperti stuktur mikro Daerah B-Kode H seharusnya memiliki struktur mikro yang terdeformasi dan memunculkan struktur ferit yang pipih. Namun nampak sebagian struktur mikro ferit pada permukaan berbentuk equiaxial, hal itu menunjukkan terjadinya rekristalisasi pada permukaan yang mengembalikan bentuk ferit permukaan kembali menjadi equiaxial. Terjadinya rekristalisasi menunjukkan bahwa temperatur yang terjadi pada permukaan cukup tinggi dan bertahan dalam waktu yang cukup untuk terjadinya rekristalisasi. Berbeda dengan kode H rekristalisasi tidak terjadi karena strain localization yang diikuti oleh local heating tidak terkonsentrasi pada permukaan namun tersebar dan bahkan menembus ke bawah permukaan dengan pembentukan shear band yang melintang 45 ^o.

Gambar 10. Struktur-mikro Daerah A-Kode L (Gambar 3)

Gambar 11. Struktur-mikro Daerah B-Kode L (Gambar 3)

Daerah C1-Kode L dan Daerah C2-Kode L ditunjukkan pada Gambar 10 dan 11. nampak stuktur ferit pada permukaan sudah menghilang dan berubah menjadi struktur shear-band yang memiliki morfologi mirip dengan shear-band pada posisi Daerah C1 dan C2-Kode H. Berbeda dengan sampel dengan kode H, shear-band yang terjadi tidak melintang dengan posisi 45 ^o yang masuk kedalam, namun shear band yang terjadi masih disekitar permukaan sampel. Kapasitas tumbukan yang lebih rendah karena kecepatan proyektil untuk kode L lebih rendah dibanding dengan kode H maka strain-localization hanya terjadi pada permukaan dan tidak terjadi jauh menembus kebawah permukaan sampel. Strain localization pada permukaan yang membentuk shear-band tersebut juga diikuti oleh adanya kerusakan dalam bentuk retakan. Retakan yang terjadi dapat terlihat pada Gambar 15 memanjang mengikuti shear-band.

Gambar 12. Struktur-mikro Daerah C1-Kode L (Gambar 3)

Gambar 13. Struktur-mikro Daerah C2-Kode L (Gambar 3)

Gambar 14. Perubahan struktur mikro daerah shear band permukaan

Gambar 15. Retakan daerah shear band permukaan

Kerusakan yang terjadi pada sampel kode L tidak separah dibanding dengan sampel kode H, yaitu kedalaman penetrasi untuk sampel kode H lebih dalam 0,55 mm sedangkan kode L 0,35 mm dan retakan yang terjadi untuk sampel kode H melintang kedalam dan kode L hanya sekitar permukaan. Hal tersebut itu dapat di pahami karena pada eksperimen penerapan kecepatan proyektil yang berbeda menghasilkan energi kinetik yang berbeda.

KESIMPULAN

1. Adiabatic shear band dapat dimunculkan pada material armor steel dengan menggunakan pengujian ballistic impac testing dengan kecepatan proyektil sekitar 900 m/s.
2. Adiabatic shear band merupakan fenomena kegagalan material bila material tersebut menerima beban dengan laju regangan yang tinggi. Dengan demikian untuk merancang material yang tahan terhadap ballistic impact, material tersebut haruslah:
1. Relatif homogen dan mudah mengalami deformasi plastis, agar strain localization tidak mudah terjadi
2. Memiliki konduktivitas yang tinggi, agar local heating juga tidak mudah terjadi
3. Penembakan dengan kecepatan 940 m/s menghasilkan Adiabatic shear band yang melintang kedalam memunculkan retakan yang masuk kedalam sedangkan pada penembakan dengan kecepatan 920 m/s muncul disekitar permukaan.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Dieter, George E ; “ Mechanical Metallurgy” ; Mc Graw Hill Book Co. ; 1988

[2] Donald J. Sandstrom ; “ARMOR Anti-ARMOR Materials by Design” ; Los Alamos Science ; www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/pubs/00326856.pdf (dibuka Oktober 2004); 1989

[3] Honeycombe, RWK ; “ The Plastic Deformation of Metals” ; Edward Arnold Ltd. ; 1977

[4] Yu I Mescheryakov et al ; “Role of Mesostructure effects in dynamic plasticity and strength of ductile steels” ; www.ipme.ru/e-journals/MPM/no_1301/mesch/mesch.pdf (dibuka Juli 2004); 2001

[5] Duan, Z Q et al ; “Microstructure And Adiabatic Shear Bands Formed By Ballistic Impact In Steels And Tungsteen Alloy” ; Fatique Fract Engng Mater Struct 26, 1119-1126 ; 2003

[6] Chang Gil Lee et al ; “ Microstructural Development Of Adiabatic Shear Bands Formed By Ballistic Impact In Weldalite 049 Alloy” ; Metallurgical and Material Transactions A Journal; 1998

[7] E. Murr, Lawrence et al ; “Metallurgical Applications of Shock-Wave and High Strain Rate Phenomena” ; Marcel Dekker, Inc. ; New York ; 1986