ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri 1996
APLIKASI UJITAK MERUSAK ULTRASONIK UNTUK MENENTUKAN MODULUS ELASTisITAS DARI PADUAN Ag-Sn DAN Co-So YANG DIGUNAKAN SEBAGAI BAHAN PENCAMPUR UNTUK MEMBUA T AMALGAM 1 3 Amoranto Trisnobudi2,Ellyza Herda3dan Parangtopo
ABSTRAK APLIKASI un TAK MERUSAK ULTRASONIK UNTUK MENENTUKAN MODULUS ELASTISITAS DARI PADUAN Ag-Sn DAN Co-Sn YANG DIGUNAKAN SEBAGAI BAHAN PENCAMPUR UNTUK MEMBUAT AMALGAM. Bahan amalgam yang digunakan untuk keperluan kedokteran gigi biasanya dibuat dengan mencampur air raksa dengan bubuk paduan yang terdiri dari peTak, timah dan tembaga. Kualitas daTi amalgam yang dibuat tergantung pada sifat-sifat paduan pencampumya. Salah satu sifat paduan pencampur yang mempengaruhi kinerja klinis dari amalgam ini adalah modulus elastisitasnya. Dalam makalah ini akan disampaikan basil-basil pengukuran modulus elastisitas dari dua jenis paduan pencampur yang merupakan paduan utama untuk membuat bahan amalgam, yaitu paduan 73% Ag -27% Sn dan 62% Cu -38% Sn. Modulus elastisitas yang akan ditentukan antara lain adalah modulus Young, modulus kekakuan dan perbandingan Poisson. Salah satu cara yang dapat digunakan untuk menentukan modulus elastisitas bahan adalah dengan uji tak merusak ultrasonik. Penentuan modulus elastisitas ini dilakukan dengan memanfaatkan ketergantungan kecepatan gelombang ultrasonik terhadap sifat-sifat elastis bahan. Dengan mengukur kecepatan gelombang longitudinal dan kecepatan gelombang transversal serta mengetahui besamya rapat masa bahan, maka modulus-modulus elastisitas tersebut di atas dapat dihitung. Setiapjenis paduan dibuat tiga buah sampel bahan dengan tiga cara pendinginan yang berbeda, yaitu pendinginan udara, pendinginan semprot udara dan pendinginan celup air. Dari basil-basil pengukuran yang dilakukan diperoleh kesimpulan bahwa pada umurnnya modulus Young dan modulus kekakuan daTi paduan yang dibuat dengan pendinginan celup air lebih kecil dibandingkan modulus Young dan modulus kekakuan daTi paduan yang dibuat dengan kedua cara pendinginan yang lain. ABSTRACT ULTRASONIC NON DESTRUCTIVE TESTING APPLICATION FOR DETERMINING ELASTIC MODULI OF Ag-Sn AND Cu -Sn ALLOY USED AS MIXING ALLOYS FOR MAKING DENTAL AMALGAM. Amalgams for dental application are usually produced by mixing mercury with a powdered alloy containing silver, tin and copper. The quality of the amalgam depends on the properties of the mixing alloys. One of the properties that influence the clinical performance of the amalgam is its elasticity modulus. This paper deals with elastic moduli measurementof two principal mix alloys, i.e. alloy 73 % Ag -27 % Sn and alloy 62 % Cu -38 % Sn. The elastic moduli that will be determined are Young modulus, rigidity modulus and Poisson ratio. One way of determining the elastic moduli is by ultrasonic non destructive testing. The elastic moduli are determined by employing the dependence of ultrasonic wave velocity on the elastic properties of material being propagated. The calculation of the elastic moduli is based on the density of the material, and the longitudinal and transversal velocity of the waves. Each alloy is made with three different types of cooling i.e. as-cast, air-blown and water quenched cooling. From the measurements we can conclude that the Young modulus and rigidity modulus of the alloy with water quenched cooling is lower than the Young modulus and rigidity modulus of the alloy with two others type of cooling.
PENDAHULUAN Amalgam adalah suatu paduanantara air raksa (Hg) dengan satu atau beberapalogam lain. Amalgam yang dipakai untuk aplikasi kedokteran gigi biasanya dibuat dengan mencampur air raksa dengan bubuk paduan yang mengandungpeTak,timah daD tembaga. Amalgamkonvensionalbiasanyadibuat dengan menggunakanpaduan yang terdiri daTi 70 % peTak,27 % timah dan hanya 5 % tembaga. Amalgam konvensionalini sering disebutjuga sebagai amalgam bertembaga sedikit (low copper amalgam). Dari berbagai penelitian diperoleh kesimpulan bahwa dengan menambahjumlah tembagaakan mempertinggi kualitas daTi amalgam [1,2]. Oleh karena itu sekarang hampir semua amalgam yang digunakan untuk aplikasi kedokteran gigi
menggunakanjumlah tembaga yang lebih banyak yang sering disebut sebagaiamalgam bertembagabanyak (high copper amalgam). Kualitas daTiamalgamyang dibuat tergantung pada sifat-sifat paduan pencampumya daD salah satu sifat paduan pencampur yang mempengaruhikinerja klinis daTi amalgam adalah modulus elastisitasnya. Modulus elastisitasdaTi amalgamyang akan digunakan sebagaibahan penambal gigi biasanya harus mempunyaiharga tertentu. Untuk memperoleh amalgam dengan modulus elastisitas tertentu perlu diketahui besamya modulus elastisitas daTi paduan-paduanpencampumya. Dalam makalah ini akan dibahas mengenai pengukuran modulus elastisitas daTi dua paduanpencampuryangbiasa digunakanuntuk membuatamalgam, yaitu paduanlogam 73% Ag -27% Sn daDpaduanLogam 62 % Cu -38
1Dipresentasikanpada PertemuanIlmiah SainsMateri 1996 2LaboratoriaFisika Bangunandan Akustik, JurusanTeknik Fisika ITB 3ProgramMaterials Science,ProgramPascaSarjana,UniversitasIndonesia
112
% Sn. Modulus-modulus elastisitas yang diukur antara lain adalah modulus Young, moduluskekakuandan perbandinganPoisson. Kedua paduan di alas merupakanpaduan logam yang cukup getas.sehinggatidak dapat atau sukar sekali dilakukan uji tarik untuk menentukan modulus elastisitasnya. Seperti kita ketahui, uji tarik memerlukan bahan uji dengan bentuk tertentu agar uji tarik dapat dilaksanakan dengan baik. Oleh karena itu diperlukancara lain yang tidak merusakbahan uji dan cara yang dipakai dalam penelitian ini adalah dengan menggunakanuji tak merusak ultrasonik. Penentuan modulus elastisitas dilakukan dengan cara mengukur kecepatan gelombang ultrasonik yang dirambatkan di dalam bahan uji. Hal ini dapat dilakukan karena kecepatangelombang ultrasonik yang merambat di dalam suatu bahan besarnya tergantung pacta sifat-sifat elastis bahan tersebut.Karena tidak merusakbahan uji maka pengukurandapatdilakukanberulang-ulang. Modulus elastisitas dari amalgam yang dibuat selain tergantung pacta modulus elastisitas dari paduan-paduanpencampurnya tentunya juga tergantung pacta cara pembuatannya. Dalam penelitian ini setiap jenis paduan dibuat dengan tiga cara pendinginan yang berbeda,yaitu pendinginan udara, pendinginan semprot udara dan pendinginan celup air. Diharapkan dari pengukuran-pengukuranini dapat diketahui pengaruhdari ketigajenis pendinginantersebut di alas. TEORI Dalam penelitian ini paduan-paduanlogam yang digunakan dianggap sebagai bahan isotropik. Menurut leon elastisitas sifat-sifat mekanik dari bahan isotropik ditentukan oleh dua konstanta elastisitas, yaitu A daD ~ yang sering disebut sebagai konstanta-konstanta Lame'. Dan teori elastisitas dapatditurunkan hubungan antara konstanta-konstantaLame' ini denganmodulus-moduluselastisitasseperti yang ditunjukkan pada persamaan-persamaan di bawahini.
E=~~~
A.
(3)
v=~i~ dimana E = modulusYoung G = moduluskekakuan v = perbandinganPoisson
Dan leon gelombang ultrasonik dapat diturunkan hubungan antara konstantakonstanta Lame' clan kecepatan gelombang ultrasonik yang menjalar di dalam bahan isotropik, seperti yang ditunjukkan pada persamaan-persamaan di bawahini [3,4].
(4)
x=J~
(5)
Vy=~~ dimana
VL = kecepatangelombang
longitudinal V T = kecepatangelombangtransversal p = rapatmassa Dengan demikian daTiteori elastisitasdan teori gelombangultrasonik diperolehhubungan antara modulus-modulus elastisitas daD kecepatan-kecepatangelombang ultrasonik seperti yang ditunjukkan pada persamaanpersamaandi bawah ini [5]. Ketiga persamaan terakhir inilah yang akan digunakan untuk menghitung modulus-modulus elastisitas setelahterlebih dahulu mengukur rapat massa, kecepatan longitudinal daD kecepatan transversal. 1
E=pVy
3VL -4Vy
\1:1_\,:1 L y
z
(1)
G= pVr
(6)
(7)
(A,+J.1) v=
G=~
(2)
\1:2-2\1;2 L Y 2(VL 2 -Vy2)
(8)
113
CARA KERJA Kecepatan gelombang ultrasonik dapat ditentukan dengan menggunakan berbagai metoda pengukuran seperti metoda-metoda pantuIanpulsa,sing-around,superposisipulsa,
tumpang tindih dan gelombang kontinu [6J. Dalam penelitian ini digunakan metoda pengukuran yang paling sederhana yaitu metoda pantuian pulsa. Secara umum blok diagram dari metoda ini dapat dilihat pada GambarI.
Gambar Diagram blok metodapantulanpulsa Generatorpulsa mengeluarkanpulsa-pulsa elektronik dengan durasi yang sangat pendek dan dengan frekuensi perulangan yang cukup rendah,Pulsa-pulsaelektronik ini diubah oleh transduser T menjadi gelombang ultrasonik yang diradiasikanke dalam bahan,Gelombang ultrasonik ini akan dipantulkanberulang-ulang oleh permukaan-permukaanbahan sehingga transduser R akan menerima pulsa-pulsa berturutandengan selangwaktu sebesarwaktu tempuh dua kali melintasi tebal bahan, Gelombang ultrasonik yang diterirna oleh transduserR ini diubah kembali menjadipulsapulsa elektronik yang setelah diperkuat ditampilkan pada alat peraga. Teknik pengukuran dengan menggunakandua buah transduserini disebutteknik transrnisi. Teknik pengukuran dapat juga dilakukan dengan menggunakanhanya satubuah transduseryang disebut teknik refleksi dimana transduser T bertindak baik sebagai transduser pemancar maupun sebagai transduser penerima. Kecepatan gelombang ultrasonik yang akan ditentukandapatdihitung dari persamaan:
U4
2L V=-
AT
dimana
(9)
v = kecepatan gelombang L = leba!bahan
~ T = selangwaktu antaradua pulsa berturutan Pengukurankecepatandengancara tersebutdi atashanya dapatdilakukan bila atenuasibahan tidak terlalu besar sedemikian rupa sehingga pada alat peraga dapat diamati minimum dua pulsa berturutansepertiyang ditunjukkan pada Gambar 2. Bila atenuasibahan terlalu besar atau bahannya terlalu tebal, maka pada alat peraga hanya dapat diamati satu buah pulsa seperti terlihat pada Gambar 3 dan kecepatan gelombangdihitung dari persamaan:
L T
V=-
(10)
I
P .L\T
~ : AT :. --~
I~
~ I~
:
Gambar2. Pulsa-pulsayang diamatipada alat peragahila atenuasibahankecil.
:
I T
Gambar3. Pulsayang diamati padaalat peragabila atenuasibahanbesar.
Dalam penelitian ini sebagai generator pulsa digunakanUltrasonic Flaw DetectorType USIP-12 dari KRAUTKRAMER sedangkan sebagai penguat dan alat peraga digunakan Oscilloscope Type 88-7610 dari tWAT8U. Untuk mengukur kecepatan gelombang longitudinal digunakan satu buah transduser ultrasonik Type V-Z-l"-5 dari NORTEC. Transduser ultrasonik ini merupakan transduser gelombang longitudinal lurns berpita lebar (straight beam broad-band transducer)denganfrekuensitengah5
megahertz. Sedangkan untuk mengukur kecepatan gelombang transversal digunakan dua buahtraDsduserultrasonik TypeMWB454E dari KRAUTKRAMER. Transduser ultrasonik ini merupakan transduser gelombangtransversalbersudutberpita sempit (angle beam narrow-band transducer)dengan frekuensi resonansi sebesar 4 megahertz. Pemasangantransduserpada saat pengukuran dapat dilihat pada Gambar 4. Pengukuran dilakukan di LaboratoriumMekanika Struktur, Pusat Antar Universitas -Ilmu Rekayasa, lnstitut TeknologiBandung.
115
T
T/R
(1
Gambar4. Pemasangantransduserpadabahanuji
BASIL DAN PEMBAHASAN Rapat rnassa bahan uji ditentukan dengan mengukur massadan volume. Massabahan uji diukur dengan menggunakanneraca analitis sedangkanvolume benda uji diukur dengan menggunakangelas ukur. Basil pengukuran rnassadan volume sertabasil perhitunganrapat
massa dapat dilihat pada Tabel I. Kecepatan gelombang longitudinal ditentukan dengan mengukur tebal bahan uji dan selang waktu antara dua pulsa berturutan. Hasil perhitungan kecepatanlongitudinal dapatdilihat pada Tabel 2. Kecepatan transversal ditentukan dengan mengukurtebal bahan uji, jarak transduserdan waktu tempuh. Hasil perhitungan kecepatan transversaldapatdilihat pada Tabel3.
Tabell. Hasil perhitunganrapatmassabahanuji.
No. Bahan
~
JenisPaduan
Massa [gram]
Volume
udara
70,5
7
10074
semprotudara
111,4
12
9283
115
1]
10455
Cara Pendinginan
(mIJ
RapatMassa [kg/In3] -
1
73 % Ag -27 %
So 2
73 % Ag -27 %
So 3
73 % Ag -27 %
celupair
Sn 5
J-620/0Cu -3!!-O/O SO f udara 162 % Cu -38 % Sn se~protudara ---
~
6
I 62 %~-
152.5
4
116
38 % Sn I ~lupair
148
~
17
9095 8706
18
8472
~ I~% 173
Tabel2. Hasil perhitungankecepatangelombanglongitudinal.
Tebal No. BahanUji
SelangWaktu
KecepatanLongitudinal VL[m/s]
d[mrnJ
8.00 -
2
3604 3562 3548 4477 4458
~ ~ ~ ~
3 4 5 6
Tabel3. Hasil perhitungankecepatantransversal.
TebaJ No. BahanUji
d [mm]
Jarak Transduser
Waktu Tempuh T
Kecepatan Transversal
[~]
Vr [m/s]
.?f:J.~
1783 1656 1533 2383
a
[rnrn]
~~
2 3 4 5
.i2
6
5,0
~
2:d
~
~
Hasil perhitungan rapat massa,kecepatan longitudinal dan kecepatan transversal pada ketiga label di alas selanjutnya digunakan untuk menentukanmodulus-moduluselastisitas
2210
4,56
2195
dari bahan uji. Hasil perhitungan modulus Young, modulus kekakuan dan perbandingan Poissondari bahan uji dapatdilihat pada Tabel 4.
Tabel4. Hasil perhitunganmodulusYoung, moduluskek kuandan perbandinganPoisson.
No.
Bahan Uji
JenisPaduan
Cara Pendinginan
Modulus Young [GPa]
,
'-73 % Ag -27 %
~~
% Ag -27 %-Sn-r celuDair 6~% Cu -38 o/-;;Sn~udara --~I 62 % Cu -38 % So I celup air
Perbandingan Poisson
(GPa]
-32.0 ~
A~2 3
Modulus Kekakuan
, .
~ 113,8 0-34
117
Ketelitian basil perhitunganpada Tabel 4 di atas tergantungpada kesalahanpengukuran rapat massa, kecepatan longitudinal dan kecepatantransversal.Pada pengukuran rapat massakesalahanterutarna disebabkankarena ketidaktelitian mengukur volume bahan uji dengan gelas ukur. Kecepatan longitudinal dapat ditentukan dengan cukup teliti karena tebal bahan uji diukur dengan jangka sorong (ketelitian 0,05 rom) dan pada osiloskopdapat diarnati dua buah pulsa yang berturutan sehingga selang waktu yang diukur mernang benar-benar merupakan waktu tempuh gelombangultrasonik melintasi dua kali tebal bahan uji. Hal ini disebabkankarena untuk gelombang longitudinal atenuasi bahan uji mempunyai harga yang tidak terlalu besar. Berbedahalnya dengan penentuan kecepatan transversaldirnana basilnya tidak begitu teliti karena dua halo Hal yang pertarna adalah pengukuranjarak transduserdilakukan dengan
menggunakanpenggarisdenganketelitian maksimum 0,5 mm. Hal yang kedua adalah untuk gelombang transversal bahan uji mempunyai atenuasi yang cukup besar. Di samping itu gelombanguItrasonik menempuh jarak yang lebih jauh karena arahnya miring. Akibatnya hanya ada satu pulsa yang dapat diamati dan waktu tempuh yang diukur tidak benar-benarwaktu tempuh di dalam bahan tetapijuga ditambahdenganwaktu tempuhdi dalam transduserdan kabel-kabelpenghubung. U otuk mengurangi kesalahan ini dilakukan terlebih dahulu penentuantitik nolnya dengan melekatkankedua transdusertanpa bahan uji. Pengukuranwaktu tempuhakan menjadi lebih teliti bila transduserR yang digeser kekanan (Gambar 5) dapat menerima satu puIsa lagi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Di sini selang waktu 6-T yang diamati adalah benar-benar waktu tempuh gelombang ultrasonik selama melintasi tiga kali tebal bahanuji.
Gambar5. PergeserantransduserpenerimaR untuk mengukurkecepatantransversal
I I :
:4
L\T
~
.;
I ~-Gambar6. Pulsa-pulsayang diterima transduserR pactadua posisiyangberbeda.
ttS
KESIMPULAN
UCAPAN TERIMA KASIH
Dan basil penclitian untuk menentukan modulus-modulus elastisitas pada berbagai paduan logam ini dapat ditarik beberapa kesimpulan,yaitu :
Penulis mcngucapkan tcrimakasih kepada Dr.Ir. Adang Surahman yang mengijinkan penulis untuk menggunakan perangkat uji tak merusak ultrasonik yang ada di Laboratorium Mekanika Struktur, Pusat Antar UniversitasIlmu Rekayasa,ITB.
Dcngan mcnggunakan uji tak P'lerusak ultrasonik, pengukuran sifat-sifat elastis daTi paduan logam dapat dilakukan dengan cara yang relatip mudah. 2. Modulus Young dan modulus kekakuandaTipaduan logam 62 % Cu -38 % Sn ul;Ilumnya relatip lebih. besar (lebih daTi 50 %) hila dibandingkan dengan modulus Young dan modulus kekakuan dari paduan logam 73 %Ag-27%Sn. . 3. Paduanlogamyang di9~t!;lengan pendinginancelup-air metnpunyai modulus Young daD modulus kekakuanyang sedi.kit.Icbih kecil hila dibanding~nd~ganpaduan logam yang dib~t dengan pendinginan udara atau pendinginan semprot udara. Hal yang sebaliknya terjadi pada hargaperbandinganPoisson-nya. 1
DAFTAR PUSTAKA 1.
2. 3.
4.
5.
6.
FERRACANE, Materials in Dentistry : Principals and Applications, J.B. Lippincott Company, 1995,. p. 117. CRAIG, Restorative Dental Materials, Mosby Company, St. Louis, 1993,p. 214. GOOBERMAN, Ultrasonics: Theory and Applications, English Universities Press Ltd., London, 1968, p. 9. THURSTON, Physical Acoustics (W.P. Mason,ed.) : Wave Propagation in Fluids and Normal Solids, Vol. lA, Chap. I, Academic Press,New York, 1964, p. 72. . GRENOBLEand J.L. KATZ, The Pressure ~ndence of the Elastic Constants of Dental Amalgam, J. Biomed. Mater. Res., 5 (1971) 490-491. TRUELL, C. ELBAUM and B.B. CmCK, illtrasonic Methods in Solid State Physics, Academic Press,New York, 1969,p.77-87.
::-~."'!O'
119
