1 Karakterisasi Mekanik Rifani Magrissa Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Padang, Padang Abstrak Characterization is something that is important in determining the properties of a material. One characterization is used the mechanical characterization. This paper describes the mechanical characterization of a material. Mechanical characterization is a trait that related with elastic or non-elastic properties of a material, if given a stress, such as stress, strain, hardness, etc. Each material has mechanical properties that are different. Some mechanical properties of such materials, stress, strain, hardness, ductility, toughness, elastic modulus, creep, fatigue, etc. Each of the mechanical properties of the material can be determined through standarized testing. Tests commonly performed is tensile test, hardness test, creep test, fatigue test and impact test. Testing is done through existing methods, and assisted with machine tools that support. Keywords: Mechanical characterization 1. Pendahuluan Banyak material yang terdapat di alam, dan telah menjadi bagian dari pola berpikir manusia. Material yang terdapat di alam merupakan bagian dari alam semesta. Setiap material memiliki sifat-sifatnya khas yang dimanfaatkan dalam bangunan, mesin, peralatan atau produk, seperti logam, keramik, semikonduktor, polimer, gelas, dielektrik serat, kayu, pasir, batu dan berbagai komposit lainnya. [11] Penentuan karakter struktural material, baik dalam bentuk pejal atau partikel, kristalin atau mirip gelas, merupakan kegiatan inti dari ilmu material. Berbagai cara yang digunakan oleh ilmuwan untuk menentukan karakter suatu material. Salah satu yang digunakan melalui sifat-sifat mekanik yang dimiliki oleh material. [1] 1.1. Definisi Karakterisasi Mekanik Karakterisasi mekanik adalah sesuatu yang berhubungan dengan sifat elastis maupun plastis dari suatu material terhadap pembebanan yang diberikan. Ilmu metalurgi dari material membahas tentang sifat-sifat mekanik dari suatu material, bagaimana bentuknya atau terbentuknya material tersebut, serta proses untuk mengetahui sifat-sifat mekanik material tersebut. Sumber yang lainya menyebutkan, bahwa karakterisasi mekanik adalah suatu sifat yang berhubungaan dengan sifat elastis atau non elastis dari suatu material, apabila diberikan suatu
25
Embed
Abstrak - · PDF filePrilaku luluh ini merupakan karakteristik berbagai jenis ... Pengaruh vektor gaya ... Keuletan adalah suatu besaran kualitatif dan sifat subyektif suatu
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
Karakterisasi Mekanik
Rifani Magrissa
Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Negeri Padang, Padang
Abstrak
Characterization is something that is important in determining the properties of a material.
One characterization is used the mechanical characterization. This paper describes the
mechanical characterization of a material. Mechanical characterization is a trait that related with
elastic or non-elastic properties of a material, if given a stress, such as stress, strain, hardness,
etc. Each material has mechanical properties that are different. Some mechanical properties of
such materials, stress, strain, hardness, ductility, toughness, elastic modulus, creep, fatigue, etc.
Each of the mechanical properties of the material can be determined through standarized testing.
Tests commonly performed is tensile test, hardness test, creep test, fatigue test and impact test.
Testing is done through existing methods, and assisted with machine tools that support.
Keywords: Mechanical characterization
1. Pendahuluan
Banyak material yang terdapat di alam, dan telah menjadi bagian dari pola berpikir
manusia. Material yang terdapat di alam merupakan bagian dari alam semesta. Setiap material
memiliki sifat-sifatnya khas yang dimanfaatkan dalam bangunan, mesin, peralatan atau produk,
seperti logam, keramik, semikonduktor, polimer, gelas, dielektrik serat, kayu, pasir, batu dan
berbagai komposit lainnya. [11]
Penentuan karakter struktural material, baik dalam bentuk pejal atau partikel, kristalin atau
mirip gelas, merupakan kegiatan inti dari ilmu material. Berbagai cara yang digunakan oleh
ilmuwan untuk menentukan karakter suatu material. Salah satu yang digunakan melalui sifat-sifat
mekanik yang dimiliki oleh material. [1]
1.1. Definisi Karakterisasi Mekanik
Karakterisasi mekanik adalah sesuatu yang berhubungan dengan sifat elastis maupun
plastis dari suatu material terhadap pembebanan yang diberikan. Ilmu metalurgi dari material
membahas tentang sifat-sifat mekanik dari suatu material, bagaimana bentuknya atau
terbentuknya material tersebut, serta proses untuk mengetahui sifat-sifat mekanik material
tersebut.
Sumber yang lainya menyebutkan, bahwa karakterisasi mekanik adalah suatu sifat yang
berhubungaan dengan sifat elastis atau non elastis dari suatu material, apabila diberikan suatu
2
tekanan, seperti tegangan, regangan, kekerasan, dll. Beberapa dari sifat tersebut berhubungan
dengan tegangan dan regangan, elastisitas, kekuatan, ductility, malleability, kekerasan, kerapuhan,
creep dan ketangguhan. Penentuan karakteristik mekanik dari material diperlukan pengujian
melalui metode-metode yang sering diterapkan. Berbagai tes dan alat yang digunakan untuk
menentukan sifat mekaniknya. Tes tersebut seringkali bersifat destruktif yang nantinya dapat
merusak spesimen yang diuji. [2]
1.2. Jenis-jenis Karakterisasi Mekanik
Suatu material, mempunyai sifat-sifat mekanik yang beragam. Penentuan sifat tersebut
dilakukan melalui karakterisasi mekanik berdasarkan sifat-sifat yang ingin ditentukan. Berikut
jenis-jenis karakterisasi mekanik yang dilakukan untuk memberikan informasi mekanik material.
1.2.1. Kekuatan Tarik
Kekuatan tarik atau kekuatan tarik maksimum (ultimate tensile strength) adalah nilai yang
paling sering dituliskan sebagai hasil suatu uji tarik, tetapi pada kenyataannya nilai tersebut kurang
bersifat mendasar dalam kaitannya dengan kekuatan material. Untuk logam ulet, kekuatan tariknya
harus berkaitan dengan beban maksimum, dimana logam dapat menahan beban sesumbu untuk
keadaan yang sangat terbatas. Pada tegangan yang lebih kompleks, kaitan nilai tersebut dengan
kekuatan logam, kecil sekali kegunaannya. Kecenderungan yang banyak ditemui adalah,
mendasarkan rancangan statis logam ulet pada kekuatan luluhnya. Tetapi karena jauh lebih praktis
menggunakan kekuatan tarik untuk menentukan kekuatan bahan, maka metode ini lebih banyak
dipakai. Kekuatan tarik adalah besarnya beban maksimum dibagi dengan luas penampang lintang
awal benda uji.
Kekuatan tarik sangat erat hubungannya dengan elastisitas, tegangan, regangan, serta
plastisitas. Umumnya, untuk menentukan sifat-sifat itu dibutuhkan suatu pengujian. Pengujian
dilakukan menggunakan alat melalui uji tarik.
Uji tarik mungkin adalah cara pengujian bahan yang paling mendasar. Pengujian ini sangat
sederhana, tidak mahal dan sudah mengalami standarisasi di seluruh dunia, misalnya di Amerika
dengan ASTM E8 dan Jepang dengan JIS 2241. Dengan menarik suatu bahan akan segera
diketahui bagaimana bahan tersebut bereaksi terhadap tenaga tarikan dan mengetahui sejauh mana
material itu bertambah panjang. Alat eksperimen untuk uji tarik ini harus memiliki cengkraman
(grip) yang kuat dan kekakuan yang tinggi (highly stiff). Brand terkenal untuk alat uji tarik antara
lain adalah Shimadzu, Instron dan Dartec.
Pada uji tarik, kedua ujung benda uji dijepit; salah satu ujung dihubungkan dengan
perangkat pengukur beban dari mesin uji dan ujung lainnya dihubungkan ke perangkat peregang.
Regangan diterapkan melalui kepala-silang yang digerakkan motor dan elongasi benda uji
ditunjukkan dengan pergerakan relatif dari benda uji. Beban yang diperlukan untuk menghasilkan
regangan tersebut ditentukan dari defleksi elastis suatu balok atau proving ring, yang diukur
dengan menggunakan metode hidrolik, optik, atau elektromekanik.
Tegangan (beban per satuan luas, P/A) terhadap regangan (perubahan panjang per satuan
panjang, dl/l) dapat diperoleh setelah mengetahui dimensi benda uji. Pada tegangan rendah
deformasi bersifat elastis, mampu balik (reversible), dan mengikuti hukum hooke, yaitu tegangan
berbanding lurus dengan regangan. Konstanta proporsional yang mengaitkan tegangan dengan
regangan disebut modulus elastisitas dan dapat berupa (a) modulus elastisitas atau modulus Young,
E, (b) kekakuan atau modulus geser, Β΅, atau (c) modulus curah, K, bergantung apakah regangan
3
bersifat tarik, geser, atau kompresi hidrostatik. Hubungan dari ketiga modulus serta rasio Poisson
v untuk tegangan tarik uniaksial, mempunyai hubungan sebagai berikut:
π² = π¬
π(πβππ) , Β΅ =
π¬
π(π+ππ) , π¬ =
ππ²Β΅
ππ²+ Β΅ ....( 1 )
Umumnya, limit elastis bukan merupakan definisi tegangan yang jelas, tetapi pada besi-
tidak-murni dan baja-karbon-rendah, titik awal terjadinya deformasi plastis ditandai dengan
penurunan beban secara tiba-tiba yang menunjukkan adanya titik luluh atas dan titik luluh bawah.
Prilaku luluh ini merupakan karakteristik berbagai jenis logam, khususnya yang memiliki struktur
bcc dan mengandung sejumlah kecil elemen larut. Untuk material yang tidak memiliki titik luluh
yang jelas, berlaku definisi konvensional mengenai titik awal deformasi plastis, yaitu tegangan uji
0,1 %. Di sini ditarik garis sejajar dengan bagian elastis kurva tegangan-regangan dari titik dengan
regangan 0,1 %.
Spesimen tarik juga memberikan informasi mengenai jenis perpatahan yang terjadi.
Biasanya logam polikristalin mengalami perpatahan transgranular (yaitu permukaan
perpatahannya menembus butir) dan tipe perpatahan βcup and coneβ sering dijumpai pada logam
ulet, seperti tembaga. Pada tipe perpatahan ini, perpatahan benda uji dimulai di pusat daerah yang
mengalami penciutan dan mula-mula tumbuh tegak lurus pada sumbu tarik. Dengan demikian
terbentuk βcupβ, akan tetapi mendekati permukaan luar, perpatahan berubah menjadi βconeβ dan
permukaan patahan membentuk sudut 45o dengan sumbu tarik. Kadang-kadang terjadi perpatahan
interkristalin, dan seringkali tidak diiringi deformasi yang berarti. Tipe perpatahan ini biasanya
ditimbulkan oleh fasa presipitasi kedua yang getas di sekitar batas butir, seperti yang dialami
tembaga yang mengandung bismut atau antimon. [9]
Dari bahan yang diuji dibuat sebuah batang coba dengan ukuran yang distandarisasikan,
dieratkan pada sebuah mesin renggut dan dibebani gaya tarik yang dinaikkan secara perlahan-
lahan sampai ia putus. Selama percobaan diukur terus menerus beban dan regangan batang. Skala
tegangan menunjukkan tegangan dalam daN/mm2 dengan berpatokan pada penampang batang
semula, sedangkan skala mendatar menyatakan regangan (perpanjangan) yang bersangkutan
dalam persentasi panjang awalnya. [11]
4
Grafik 1. Tegangan-Regangan pada Uji Tarik [11]
Gambar 1. Alat Uji Tarik [4]
5
Gambar 2. Bagian Alat Uji Tarik [6]
Pertama-tama lengkungan memperlihatkan garis lurus miring, ini berarti bahwa tegangan
dan regangan naik sebanding. Pada batas kesebandingan jika beban terus ditingkatkan, maka akan
dicapai batas elastisitas dengan tegangan. Jika pada saat batang dilepaskan dari tegangan, maka
akan kembali pada kedudukan awalnya tanpa meninggalkan bentuk yang berarti. Jika beban
dinaikkan melampaui batas elastisitas, maka regangan membesar relatif lebih pesat dan
lengkungan segera menunjukkan sebuah tekukan yang akan tampil semakin jelas, semakin ulet
bahan itu. Pada pembebanan yang ditingkatkan lebih lanjut, maka tegangan akan mencatat titik
puncaknya sekaligus mempercepat regangan batang. Apabila bahan telah mencapai pada
pembebanan tertinggi, maka akan terjadinya penyusutan dan terus meregang hingga putus pada
batas titik z.
Pada pengujian tarik, pengukuran dilaksanakan berdasarkan tegangan yang diperlukan
untuk menarik benda uji dengan penambahan tegangan konstan. Bila suatu logam dibebani dengan
beban tarik, maka akan mengalami deformasi. Deformasi adalah perubahan ukuran atau bentuk
karena pengaruh beban yang dikenakan kepadanya. Deformasi ini dapat terjadi secara elastis atau
plastis. Melalui kurva dari uji tarik dapat didapatkan sifat-sifat mekanik dari suatu material seperti
kekuatan, yield point, ductility,elongation, dan modulus elastisitas. [11]
Kekuatan tarik dapat dihitung dengan persamaan:
ππ = π
π¨π ....( 2 )
6
Dimana:
ππ = tegangan teknik (Mpa)
F = beban (N)
π΄π = luas penampang awal (mm2)
Regangan dapat dihitung melalui persamaan:
πΊπ = π³β π³π
π³π=
βπ³
π³π ....( 3 )
Sehingga, modulus elastis dapat ditentukan melalui persamaan:
π¬π = π
πΊπ ....( 4 ) [12]
Uji tarik dilakukan untuk mengetahui:
a. Kekuatan maksimum logam (kg/mm2 atau N/mm2) terhadap beban yang bekerja
pada logam tersebut.
b. Regangan (%) yang dicapai dari logam sewaktu mendapat beban dari luar.
c. Ketangguhan logam, dinilai dari dan
Batang uji tarik yang biasa dipakai merupakan sebuah batang yang bundar, dengan ujung-
ujung tebal untuk pemasangan pada mesin tarik. Ditengah-tengah batangnya (bagian yang lebih
kecil) terdapat bagian pengukuran yang sebenarnya, dimana panjang pengukurannya dinyatakan
dengan dua tanda pengenal. Panjang lo dari daerah ukur ini mempunyai perbandingan tertentu
diameter do dari batang itu, yang banyak dipakai ialah perbandingan lo
do= 10 atau 5. Batang yang
memenuhi syarat perbandingan tetap disebut dengan batang uji tarik proporsional. [11]
Gambar 3. Bentuk Batang Uji Tarik [11]
7
Stress (Tegangan)
Stress didefinisikan sebagai perubahan gaya terhadap luas penampang daerah yang dikenai gaya
tersebut. Dalam satuan internasional, stress memiliki lambang S dan satuan N/m. Gaya yang
bekerja pada benda menyebabkan terjadinya perubahan ukuran benda. Pengaruh vektor gaya
terhadap sumbu x menghasilkan besaran tensile stress dengan lambang π. Strain (Regangan)
Strain atau regangan didefinisikan sebagai perbandingan perubahan panjang benda terhadap
panjang mula-mula akibat suatu gaya dengan arah sejajar perubahan panjang tersebut. Dalam
satuan internasional, strain memiliki lambang e dengan satuan mm/mm atau %
Kekuatan Luluh
Kekuatan luluh menyatakan besarnya tegangan yang dibutuhkan tegangan untuk berdeformasi
plastis material. Pengukuran besarnya tegangan pada saat mulai terjadi deformasi plastis atau batas
luluh, tergantung pada kepekaan pengukuran regangan. Sebagian besar material mengalami
perubahan sifat dari elastis menjadi plastis, yang berlangsung sedikit demi sedikit dan titik saat
deformasi plastis mulai terjadi, sukar ditentukan secara teliti. Sehingga kekuatan luluh sering
dinyatakan sebagai kekuatan luluh offset, yaitu besarnya tegangan yang dibutuhkan untuk
menghasilkan sejumlah kecil deformasi plastis yang ditetapkan. Kekuatan luluh offset ditentukan
tegangan pada perpotongan antara kurva tegangan-regangan dengan garis sejajar dengan
kemiringan kurva pada regangan tertentu.
Modulus Elastisitas
Gradien bagian linear awal kurva tegangan-regangan adalah modulus elastisitas atau modulus
Young. Modulus elastisitas adalah ukuran kekakuan suatu bahan. Makin besar modulus elastisitas
makin kecil regangan elastis yang dihasilkan akibat pemberian tegangan.
Kelentingan
Kelentingan adalah kemampuan suatu bahan untuk menyerap energi pada waktu berdeformasi
secara elastis dan kembali ke bentuk awal apabila bebannya dihilangkan. Kelentingan biasa
dinyatakan sebagai modulus kelentingan, yaitu energi regangan tiap satuan volume yang
dibutuhkan untuk menekan bahan dari tegangan nol hingga tegangan luluh.
Keuletan (ductility)
Keuletan adalah suatu besaran kualitatif dan sifat subyektif suatu bahan, yang secara umum
pengukurannya dilakukan untuk memenuhi tiga kepentingan, yaitu:
a. Menyatakan besarnya deformasi yang mampu dialami suatu material, tanpa terjadi patah.
Hal ini penting untuk proses pembentukan logam seperti pengerolan dan ekstruksi.
b. Menunjukkan kemampuan logam untuk mengalir secara plastis sebelum patah Keuletan
logam yang tinggi menunjukkan kemungkinan yang besar untuk berdeformasi secara
lokal tanpa terjadi perpatahan.
c. Sebagai petunjuk adanya perubahan kondisi pengolahan.
Ukuran keuletan dapat digunakan untuk memperkirakan kualitas suatu bahan walaupun tidak ada
hubungan langsung antara keuletan dengan perilaku dalam pemakaian bahan. Cara untuk
menentukan keuletan yang diperoleh dari uji tarik adalah regangan teknis pada saat patah (e), yang
biasa disebut perpanjangan dan pengukuran luas penampang pada patahan (q). Kedua sifat ini
8
didapat setelaah terjadi patah, dengan cara menaruh uji kembali, kemudian diukur panjang akhir
benda uji (Lf) dan diameter pada patahan (D), untuk menghitung luas penampang patahan (A). [7]
Plastisitas
Plastisitas adalah sifat yang dimiliki oleh suatu material, yaitu ketika beban yang diberikan kepada
suatu benda/ material hingga mengalami perubahan bentuk kemudian dihilangkan lalu benda tidak
bisa kembali sepenuhnya ke bentuk semula. Peningkatan pembebanan yang melebihi kekuatan
luluh (yield strength) yang dimiliki mengakibatkan aliran deformasi permanen yang disebut
plastisitas. [9]
Elastisitas
Menyatakan kemampuan bahan untuk menerima tegangan tanpa mengakibatkan terjadinya
perubahan bentuk yang permanen setelah tegangan dihilangkan. Tetapi apabila tegangan
melampaui batas maka perubahan bentuk akan terjadi walaupun beban dihilangkan. [8]
Prinsip pengujian adalah dengan memberikan gaya satu arah atau uniaxial pada sampel uji
yang memiliki bentuk dan dimensi tertentu. Pengujian dilakukan dengan menggunakan mesin
tarik. Sampel ditarik dengan gaya yang membesar secara kontinu. Akan terjadi perpanjangan
bahan logam pada setiap penambahan gaya yang diberikan. Uji dilakukan sampai sampel putus.
[1]
Data yang diperoleh dari hasil uji tarik adalah:
1. Kekuatan (kekuatan luluh dan kekuatan tarik)
2. Keuletan (perpanjangan dan reduksi penampang)
3. Modulus elastisitas
4. Modulus kelentingan
5. Modulus ketangguhan [8]
Uji tarik terhadap logam dilakukan dalam beberapa metoda pembebanan di antaranya tarik
(tension), tekan (compression), geser (shear), dan puntir (torsion), uji torsion digunakan untuk
mengukur tenaga putaran suatu material. Beberapa logam mempunyai kekuatan tarik dan tekan
yang berdekatan, tetapi logam besi mempunyai kekuatan tarik yang rendah dibandingkan kekuatan
tekan. Kekuatan geser untuk logam lebih rendah dari kekuatan tarik pada faktanya untuk semua