BAB IX PENGUJIAN DAN PERHITUNGAN KEKUATAN BAHAN Segala konstruksi harus dihasilkan dengan pengorbanan bahan sekecil mungkin, karena setiap kelebihan berat yang tidak perlu akan mempermahal hasil atau merintangi fungsi. Supaya untuk berbagai macam tuntutan senantiasa dapat dipilih bahan yang cocok, maka sifat-sifatnya seperti kekuatan, keuletan, kekerasan, dan lain-lain harus diketahui dan tingkah lakunya harus diuji pada persyaratan pengoperasian tertentu. Pengujian lain bertujuan untuk mengetahui kesalahan bahan yang dapat muncul pada saat pembuatan dan pengolahan. Untuk mencapai maksud ini tersedia serangkaian macam cara pengujian yang sesuai dengan sasaran pengujian masing- masing. 1
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
BAB IX
PENGUJIAN DAN PERHITUNGAN KEKUATAN BAHAN
Segala konstruksi harus dihasilkan dengan pengorbanan
bahan sekecil mungkin, karena setiap kelebihan berat yang tidak
perlu akan mempermahal hasil atau merintangi fungsi. Supaya
untuk berbagai macam tuntutan senantiasa dapat dipilih bahan
yang cocok, maka sifat-sifatnya seperti kekuatan, keuletan,
kekerasan, dan lain-lain harus diketahui dan tingkah lakunya harus
diuji pada persyaratan pengoperasian tertentu. Pengujian lain
bertujuan untuk mengetahui kesalahan bahan yang dapat muncul
pada saat pembuatan dan pengolahan. Untuk mencapai maksud
ini tersedia serangkaian macam cara pengujian yang sesuai
dengan sasaran pengujian masing-masing.
Kekuatan bahan-bahan
Jika sebuah badan dibebani dari luar dengan sebuah gaya, maka di
dalam penampang badan tersebut bangkit tegangan yang menyebabkan
perubahan bentuk (peregangan, perapatan). Bila gaya luar itu cukup besar,
maka benda itu akan pecah.
Sebagai satuan ukuran untuk gaya berlaku Newton (N), ini setara
dengan gaya yang menderitakan percepatan sebesar 1 m tiap detik pada
badan dengan massa 1 kilogram (kg). Di dalam pengujian bahan digunakan
satuan yang diperlipat, deka – Newton (daN). 1 daN = 10 N.
1
F1F2
Yang disebut tegangan ialah gaya pertahanan dalam, dalam daN yang
muncul pada suatu satuan bidang seluas 1 mm2 atau 1 cm2 (daN/mm2 atau
daN/cm2).
Pengertian kekuatan ialah tegangan tertinggi yang mungkin di dalam
bahan; ia mengakibatkan perubahan bentuk terbesar sebelum terjadi
perpecahan (gambar 2).
Menurut jenis, pengaruh gaya luar dibedakan :
1. Kekuatan tarik.
Gaya luar F bekerja menarik pada arah memanjang, tegangan tarik
berdiri tegak lurus pada penampang yang menderita beban dan
memperpanjang batang, kekuatan tarik dalam daN/mm2 membentuk angka
ciri untuk nama-nama bahan.
Sebutan untuk tegangan perpecahan B (sigma B).
Baja St 34 M putus pada suatu tegangan tarik sebesar 34 daN/mm2,
artinya: σB = 34 daN/mm2.
Rumus :
Dimana ; F1+F2 = gaya yang bekerja pada 2 arah
σβ= P
A.Kg
Cm2 A = Luas penampang ( mm²)
2
F2F1
A B
2. Kekuatan tekan.
Gaya luar bekerja menekan pada arah memanjang saling berlawanan
arah tegangan tekan terdiri tegak lurus pada penampang yang menderita
beban dan memperpendek batang.
Sebutan tegangan tekan : d
Rumus :
σα= P
A.Kg
Cm2 ( FI+F2) = P= gaya2 yang bekerja pd 2 arah.
A= luas penampang.( cm² )/ mm²
3. Penekukan
Jika batang yang tertekan sangat panjang, bila dibandingkan terhadap
ukuran penampangnya, maka akan tertekuk menyimpang di bawah pengaruh
gaya sumbu.
4. Kekuatan geser (kekuatan seret)
Pada batang bekerja 2 gaya F yang sama besar, berlawanan arah, dan
di dalam bidang yang sama tegak lurus terhadap sumbu batang gaya ini
berusaha untuk menggeser bagian batang dalam penampang ini satu sama
lainnya. Tegangan terletak sejajar dengan penampang. Jika kekuatan geser
3
P1
P2
Mur/baut
P
N
A B
dilampaui, maka akan terjadi pemenggalan (pengguntingan) batang.
Tegangan geser selalu timbul pada setiap proses penyayatan.
Kekuatan geser B (tau B) diukur dalam kp/mm2.
Kekuatan geser baja B = 0,85 B, lebih kecil dari kekuatan tariknya.
Rumus :
Atau σ = P/A . kg/cm².
5. Pelenturan
Sebuah batang akan menderita beban lentur apabila sebuah gaya yang
bekerja tegak lurus terhadap sumbu batang mengakibatkan pelengkungan
sumbu.
b
a
4
α= PA
.Kg
Cm2
F1
F2
Rumus :/EMPIRIS.
MAX= P2
8
6. Pemuntiran
Pada batang bekerja 2 gaya yang sama besar, sebidang, tegak lurus
terhadap sumbu batang dan berusaha memuntirkan penampang satu
terhadap lainnya. Seperti pada penyeretan timbul tegangan geser (gaya torsi).
Rumus :
π=TpJ
Keterangan :
ζT = Tegangan geser atau
Tp = Torsi
J = Momen Inersia.
Benda coba di dalam bengkelPengenalan bahan besi menurut tampak permukaan.
Jenis baja pada batang dan profil biasanya terlihat melalui cat warna
atau cap pada sebuah ujung batang. Oleh karena itu pemakaian hendaknya
5
bermula dari ujungnya yang tidak ditandai. Jika tanda semacam itu tidak ada,
tampak permukaan dapat digunakan untuk mengenal jenis bahan.
Contohnya :
Baja lunak (baja konstruksi) : Keping yang tergantung bebas
mengeluarkan bunyi redup pada pemukulan. Batang yang digiling
menunjukkan bidang yang penuh rongga susut, kasar, dengan tepi yang tidak
tajam dan ukuran tidak tepat. Batang yang direntang memiliki permukaan
yang licin dengan tepi yang tajam dan ukuran yang tepat.
Baja perkakas : Keping yang tergantung bebas, mengeluarkan bunyi
pukulan yang terang dan berkelanjutan. Batang yang digiling memiliki
permukaan yang berwarna kelabu kehitam-hitaman, mengkilat, dengan sedikit
rongga susut dan pinggiran yang tajam. Batang yang direntang memiliki
permukaan yang polos, mengkilap seputih perak bagaikan dipoles, dengan
tepi-tepi tajam, bentuk dan ukuran yang tepat.
Tuangan kelabu : Permukaan grafit yang gelap dan mewarnai kelabu
hitam. Juga bidang polos mewarnai, dan menunjukkan titik-titik hitam kecil;
bunyi pukulan yang redup.
Tuangan baja : Permukaan coklat kelabu, tidak menghitamkan; bentuk
sosok kebanyakn kasar; bunyi pukulan yang berkelanjutan.
Penilaian bidang pecahan
Pada umumnya bidang pecahan berkebutiran kasar dapat
menyimpulkan kekuatan yang rendah, bidang pecahan berbutir halus
kekuatan yang tinggi (baja perkakas). Tuangan kelabu menunjukkan bidang
pecahan yang kelabu berbutir kasr, tuangan keras putih berbutir halus,
tuangan baja putih berserat. Setelah suatu perlakuan panas, maka bidang
pecahan memberikan keterangan mengenai jenis baja, jenis struktur, tingkah
6
kekerasan serta mengenai perlakuan panas yang benar dan yang salah (lihat
bab “perlakuan panas”).
Percobaan mengenai tingkah laku pada perubahan bentuk tanpa
serpihan
Percobaan demikian pada benda coba perhatikan oleh gambar 1 :
a. Percobaan lentur kian kemari memungkinkan
pengujian keuletan kawat dan lembaran dengan
pelenturan beberapa kali sejauh 1800 hingga pembentukan
retakan.
b. Percobaan tempa (percobaan panas) digunakan untuk penyidikan
kesudian tempa dalam keadaan panas melalui perentangan, pemapatan,
pelenturan, pelipatan, penyebaran, pelubangan, dan pemorosan.
c. Percobaan pampat memberikan keterangan mengenai tingkah laku bahan
keling. Benda coba silindris h = 2d harus dapat dimampatkan menjadi 2/3
h tanpa rengat
d. Percobaan pemorosan
e.f Percobaan lentur dan lipat memungkinkan pengujian keuletan pada
benda tebal melalui pelenturan mengitari sebuah poros atau pelipatan
tanpa poros. Bidang kasar dan taktikan sangat mengurangi sudut lentur
yang dapat dicapai.
g. Percobaan Rentang merongga menyelidiki kecocokan bahan lembar
untuk perentangan merongga untuk membuat bejana. Ke dalam yang
7
tercapai hingga pembentukan rengatan pertama diukur; ia bergantung
juga pada lembar.
h. Percobaan pembingkaian menyelidiki perubahan bentuk dalam keadaan
dingin.
Percobaan bunga api
Susunan campuran jenis baja dapat diperkirakan menurut tampat bunga
api pengasahan. Dengan cara ini dapat diketahui apakah baja ini lenak atau
kerasa, bukan paduan, paduan rendah, atau paduan tinggi. Namun untuk ini
dibutuhkan pengalaman besar. Seorang penguji yang terlatih dapat
membedakan hingga 20 macam jenis baja yang berlainan dari tampak bunga
api dalam ruangan yang digelapkan. Tetapi yang palinga mudah ialah
perbandingan tampak bunga api dengan yang dihasilkan oleh bermacam-
macam batang pembanding yang susunan campuran diketahui dan diasah
bersama benda coba.
Ujian kekuatan.
Ujian kekuatan mekanis pada badan percobaan yang distandarisasikan
di dalam persyaratan percobaan yang seragam, memberikan hasil dalam
bentuk bilangan yang dapat dimanfaatkan secara keilmuan. Dibedakan antara
percobaan statis pada bahan diam (tarik, tekan, seret, lentur, puntir,
kekerasan) dan penyelidikan dinamis pada pembebanan berubah nilai dengan
cepat.
Percobaan tarik statis (gambar 2)
Percobaan ini menghasilkan angka-angka ciri bahan terpenting
kekuatan, kesudian regang, dan kekenyalan.
8
Dari bahan yang diuji dibuat sebuah batang coba dengan ukuran yang
disetandarisasikan, dieratkan pada sebuah mesin renggut (gambar 5, 6) dan
dibebani gaya tarik yang dinaikkan secara perlahan-lahan sampai ia terputus.
Selama percobaan diukur terus menerus beban dan regangan batang coba
dan kedua besaran ini ditampilkan dalam sebuah gambar unjuk (diagarm).
Skala tegak menujukkan tegangan dalam daN/mm2 dengan berpatokan pada
penampang batang semula, sedangkan skala mendatar menyetakan
regangan (berpanjangan) yang bersangkutan dalam prosentasi panjang
awalnya.
Pertama-tama, lengkungan memperlihatkan garis lurus miring, ini bebarti
bahwa tegangan dan regangan naik sebanding (proposional). Pada batas
propesonalitas (batas kesebandingan), yaitu pada ujung atas garis lurus,
maka berdaulat tegangan P. Jika beban terus ditingkatkan, maka akan
dicapai batas elastisitas (batas kekenyalan) dengan tegangan E.
9
Gambar 2. Gambar unjuk tegangan-tegangan pada percobaan tarik
Kiri : batas rentang S menonjol dengan jelas; kanan : batas rentang S tidak begitu menonjol, batas regang 0,2%.
Jika pada saat ini batang dilepaskan dari tegangan, ia akan memegas
kembali secara kenyal ke dudukan awalnya (kedudukan semula L0) tanpa
meninggalkan bentuk yang berarti. Rintangan yang menetao disini hanya
boleh sampai setinggi-tingginya 0,01%.
Jika beban dinaikan melampaui batas kekenyalan, maka rentangan
membesar relatif lebih pesat dan lekung secara menunjukan sebuah tekukan
yang akan tampil semakin jelas, semakin ulet bahan itu. Tegangan S dalam
tahap percobaan ini dinamakan batas rentang atau batas lelah. Pertama
10
kalinya melalui munculnya wujud-wujud leleh pada permukaan batang.
Didalam kasus yang tidak jelas, maka batas rentang S ditetapkan sebagai
tegangan yang menimbulkan rentangan sebesar 0,2 % (gambar 2 kanan)
Pada pembebanan yang ditingkatkan lebih lanjut, maka tegangan akan
mencatat titik puncaknya seraya melajunya rentangan batang. Bahan telah
mencapai pembebanan tertinggi yang mungkin, dan batang kini menyusut
pada kedudukan yang nantinya merupakan tempat perpecahan. Ia tidak dapat
lagi menahan beban tertinggi dan terus meregang walaupun beban tertinggi
dan terus meregang walaupun beban menukik, sampai ia putus pada batas
perenggutan (tiik Z).
Tegangan tertinggi B dalam daN/mm2 atau daN/cm2 yang berpatokan
pada penampang batang semula, menghasilkan kekuatan tarik bahan.
Rentangan memanjang batang sampai saat menghasilkan kekuatan kekuatan
tarik beban. Rentangan memanjang batang sampai saat perenggutan (titikZ)
disebut rentangan pecah dan diungkapkan dalam persentase (%) dari
panjang semula Lo. Suatu bahan ulet menghasilkan rentangan percecahan
yang besar.
Contoh : batang 20 mm (penampang Ao = 3,14 cm2 ), panjang terukur
Lo = 200 mm. Beban tertinggi yang terukur F = 12560 daN, panjang
perenggutan L = 240 mm.
Hasil percobaan :
Beban tertinggi 12560Kekuatan tarik = = = 4000 daN/sm2 atau 40 daN/mm2. Penampang semula 3,14 240 – 200 Regangan pecah = 100 = 20 per seratus (20%) 200
Beban didalam mesin renggut
dibangkitkan pada gaya kecil bobot dengan
11
penerjemah tuas (gambar 5), pada gaya besar
secara hidraulis oleh tekanan minyak
(gambar6). Mesin renggut mutakhir
menggambarkan diagram tegangan-tegangan
secara otomatis selama percobaan
berlangsung.
Gambar 3. Gambar unjuk tegangan-regangan untuk berbagai
macam bahan a…baja keras, b… baja lunak, c… besi tuang,
d… tembaga.
Batang coba (gambar 4). Hasil percobaan sangat bergantung pada
ukuran batang coba. Supaya percobaan menghasilkan nilai yang dapat
diperbandingkan, maka ukuran batang distandarisasikan. Pada batang
bundar, panjang awal Lo bernilai 5 kali atau 10 kali garis tengah standar (d)
berlaku perbandingan penampang dan panjang yang sama. Perbandingan
panjang Lo terhadap garis tengah d, yaitu 5:1 atau 10:1, diimbuhkan pada
sebutan singkat dalam pengutaraan hasil percobaan. Contohnya : regangan
S = 10% berarti : regangan (perpanjangan) 10% pada perbandingan Lo
: d = 5.
Gambar 4. Bentuk batang coba
Gambar 5. Percobaan tarik statis dengan mesin renggut mekanis.
Gambar 6. Percobaan tarik statis dengan mesin renggut hydaulis.
Percobaan tekan.
12
Ini hanya dilaksanakan pada bahan yang pada pengoperasian terutama
dibebani tekanan (contohnya logam dudukan, besi tuang, bata, beton). Pada
logam benda coba silindris pendek bergaris tengah 10…30 mm ditempatkan
di bawah pengaruh suatu beban yang meningkat secara kesinambungan
sampai terjadi penghancuran. Di sini diukur : kekuatan tekanan B dalam
daN/cm2 pada pembuatan letak atau perpecahan, pada bahan yang ulet.
Pemampatan dalam persentase dari panjang semula atau batas perobekan
dalam daN/cm2 pada gejala pemampatan pertama (gambar 7).
Tuangan kelabu memiliki kekuatan tekanan sekitar 4 kali kekuatan
tariknya. Pada logam lain, kedua nilai kekuatan ini kurang lebih sama
besarnya.
Percobaan seret.
Benda coba dengan penampang A (mm2) dibeban dengan gaya seret F
(daN) di dalam besi seret berpenyayat dua pada mesin rengut hingga
pengguntingan. Hasil pengukuran ialah kekuatan seret B dalam daN/mm2
(gambar8).
Pada bahan yang ulet,contohnya baja, terdapat hubungan antara tarik B
dan kekutan seret B. Pada baja B = 0,85 B
Percobaan lentur
Percobaan lentur pada bahan besi pada pokonya memegang peranan
dalam pengujian besi tuang, karena pada bahan ini perbedaan antara
13
kekuatan tekan dan lentur tetapi secara menonjol. Sebuah batang coba
dengan d = 10 mm (polos) atau 30 mm (kasar) terbaring di antara dua
penyangga yang dibundarkan pada jarak 1 dengan dudukan mengengsel dan
dibebani di tegah-tengah dengan beban titik F yang meningkat hingga
perpecahan (peletakan dapat dilihat pada gambar 6,). di garis titik
F . 1Kekuatan pecah = (daN/cm2 ) 1 dan d dalam cm F dalam daN 0,4 . d3 Contoh : F = 36 daN; 1 = 20 cm; d =10 mm = 1 cm F . 1 36 . 1Kekuatan pecah B = = = 1800 daN/cm2 atau 18 daN/mm2
0,4 . d3 0,4
Percobaan jangka panjang pada beban bergeser.
Pengalaman menujukan, bahwa bagian kontruksi yang didalam
pengoprasian dibebani dengan kejutan atau dengan beban yang cepat
berubah-ubah, akan pecah lebih dini bila dibandingkan dengan pada beban
yang lebih besar tetapi nilainya tetap (beban tegang). Penyebab perpecahan
yang lebih dini ini ialah gejala keletihan yang muncul di dalam bahan akibat
pertukaran tegangan secara terus menerus.
Yang dimaksudkan dengan batas kelelahan (W, W) ialah tegangan
tertinggi dalam daN/mm2 yang masih tertahankan oleh bahan tanpa menjadi
pecah setelah jutaan kali pertukaran beban W dan W diperoleh melaui
percobaan jangka panjang (pengujian batas kelelahan) di dalam mesin uji
khusus dengan beban tarik, tekan lentur (W) dan puntir (W) yang bergetar.
Bergantung pada kedudukan batas tegangan atas dan bawah, dibedakan
berbagai bentuk beban tukar (gambar 9).
Batas kelelahan (kekuatan jangka panjang) untuk baja kontruksi pada
pergantian tarik-tekan pada permukaan polos bernilai sekitar 0,35…0,4B
14
Gambar 9. Beban tukar (beban bolak balik)kiri : batas kelelahan (lengkungan Wohler). A) Pada suatu tegangan sekitar 25 daN/mm2 terjadi perpecahan setelah kira-kira 2,5 juta pertukaran beban, b) Pada beban sekitar 20 daN/mm2 masih belum terjadi perpecahan setelah 10 juta pertukaran beban (batas kelelahan).Kanan : Bentuk dasar beban yang kekuatannya berganti-ganti.
Pada peninjaun sebuah bidang pecahan yang
terjadi akibat perpecahan keletihan, dapat
dibedakan dengan jelas dua tempak pecahan
yang berlainan, seperti gambar 10 samping ini !
1. Pecah paksaan, keadaan yang terjadi akibat pembebanan melewati batas
yang terjadi satu kali secara mendadak pada saat yang sama di segenap
penampang, dengan perubahan bentuk yang jelas pada bidang dan
pinggiran.
2. Pecahan. Keletihan, terjadi dalam perjalanan waktu, berawal pada
kedudukan yang telah menjadi lemah tanpa perubahan bentuk yang
menyolok. Mulai dari titik awal perpecahan, bidang pecahan penampilan
suatu wilayah yang tergahar polos dengan garis perhentian, pecahan
keletihan yang sebenarnya, dan berlanjut dengan suatu wilayah berbidang
kasar, yang dinamakan pecahan keletihan yang sebenarnya, dan berlanjut
dengan suatu wilayah berbidang kasar, yang dinamakan pecahan sisia. Ini
15
merupakan pecahan paksaan, karena penampang telah diperlemah oleh
pecah keletihan yang telah lama melaju!
Percobaan lantur pukul batang tertakik
Cedera kecil permukaan (takikan-takikan) sangat memperkecil kekuatan bahan
dan mengakibatkan perpecahan keletihan. Melalui percobaan pukul batang tertarik
akan ditentukan keuletan takik suatu bahan, yaitu kemampuan menahan beban mirip
pukulan pada kedudukan yang diperlemah setempat.
Gambar 11. Percobaan lentur pukul batang tertarik :
kerja pemukulan (daNm)
Keuletan pukul tarik = penampang pecahan dalam cm2
Sebuah batang coba yang dibubuhi takikan dan distandarisasikan,
ditumpu bebas pada kedua ujungnya dan ditebas dengan sebuah martil
bandul yang dijatuhkan dari ketinggian tertentu H menuju kedudukan
takikan.dalam pada itu dampak bobot martil akan mengalami hambatan dan
martil akan membumbung kembali di belakang batang, tetapi hanya akan
mencapai ketinggian h yang lebih kecil. Semakin besar nilai keuletan takik,
akan semakin kecil ketinggian h. dari selisih H-h dihitung atau dibaca kerja
16
pemukulan yang terpakai. Pada bahan yang sangat rapuh, benda coba tidak
diberi takikan.
Pengujian kekerasan.
Pengertian umum kekrasan ialah penolakan suatu badan (bahan)
melawan desakan suatu badan lainya. Untuk penyelidikan kekerasan dan
beberapa cara pengukian. Derajat kekerasan diungkapkan dengan angka
kekerasan yang berlainan untuk setiap cara. Tetapi angka ini dapat dihitung
alih dari yang satu ke yang lainnya dengan pertolongan tabel (disetarakan
satu sama lain). Angka ini mengizinkan perbandingan antara kekerasan
bahan yang berlainan, bahkan juga pernyataan yang dilandasi pengalaman
mengenai kekuatan dan sifat lainya. Pengujuan kekerasan memiliki
keunggulan berupa kenyataan bahwa di sini benda yang diuji tidak
dihancurkan.
Pengujian kekerasan Brinell (HB), gambar 12 di samping ini.
Sebuah bola baja atau logam keras yang sangat keras dengan garis
tengah D (mm) ditekankan ke dalam permukaan licin benda uji di dalam
17
sebuah mesin uji dengan suatu tekanan F (daN) yang dinaikan perlahan-
lahan. Setelah beban dilepaskan, maka garis tengah d (mm) dampak tekan
bola yang telah terjadi diukur di bawah kaca pembesar atau mikroskop.
Dengan pertolongan besaran D, F dan d kemudin dibaca kekerasan Brinell
HB dalam dmN/mm2 dari sebuah tabal benda kerja, digunakan ukuran
standar garis tengah bola D = 10 mm, 5 mm atau 2,5 mm, masing-masing
dengan tekanan uji F yang besarnya berlainan, menurut tabel 1.
gambar 14. Untuk menyeimbangkan ketidakrataan yang diakibatkan oleh
permukaan yang tidak bersih, maka krucut intan ditekankan ke atas bidang
uji, pertama-tama dengan satu beban pendahuluan (biasanya 10 daN) dan
kemudian penunjuk jam ukur disetel pada nol (gambar 14b).
Setelah ini, beban ditingkatkan menjadi 150 daN 9beban tambahan 140
daN) sehingga tercapai kedalaman pembenaman terbesar. Kemudian beban
tambahan (140 daN) ditiadakan, namun beban awal (10 daN) dipertahankan
(gambar 14c, d).
Sebagai ukuran kekerasan digunakan kedalaman pembenaman
menetap t dalam mm yang ditinggalkan oleh beban tambahan. Nilai ini dibaca
pada jam ukur yang dipasangkan pada mesin. Sebagai satua ukuran untuk t
berlaku e = t dalam 0,002 mm.
Sebutan singkat benda coba. Rokwell dengan kerucut : HRC (C dari
bah. Inggris cone = kerucut).
20
Gambar 14. ,Pengujian kekerasan Rockwell. Kanan (e) : V…dampak tekan beban awal, Z… dampak tekan beban tambahan R… pemegasan kembali setelah pengangkatan beban tambahan.