Elastisitas

Elastisitas adalah kemampuan suatu material untuk kembali ke ukuran semula saat tegangan yang diberikan dihilangkan.Sifat mekanis daerah elastis pada diagram tegangan-regangan:

1. Tegangan Elastic dan modulus young

Merupakan kemampuan untuk menerima beban tanpa terjadi deformasi plastis (ditunjukkan oleh titik luluh) dan digunakan sebagai harga batas beban bila digunakan dalam suatu perencanaan. Sedangkan modulus young dapat diartikan secara sederhana, yaitu adalah hubungan besaran tegangan dan regangan tarik.

Rumus modulus young

Keterangan :   

E     = Modulus young (N/ )

F     = Gaya yang diberikan (N)

A0  = Luas penampang bahan mula-mula ( )

Δl   = Pertambahan panjang bahan (mm)

L0 = Panjang mula-mula bahan (mm)

2. Kekakuan

Merupakan kemampuan bahan menerima beban atau ketegangan tanpa menyebabkan perubahan bentuk (deformasi).

3. Resilient

Merupakan kemampuan menyerap energi tanpa terjadi deformasi plastis. Biasanya dinyatakan dalam modulus resilient (energi yang diserap untuk meregangkan satu satuan volume bahan sampai batas plastis). 

Hubungan Tegangan – Regangan (Rekayasa – Sejati)

Kurva tegangan regangan memiliki 2 macam kurva. Pada gambar terlihat jelas perbedaan antara kedua kurva tersebut. Kurva tegangan regangan rekayasa (ordinary stress-strain curve) berdasarkan pada dimensi benda uji sedangkan kurva tegangan regangan sejati (true stress-strain curve) yang naik terus sampai patah.

Kurva tegangan regangan rekayasa diperoleh dari hasil pengukuran benda uji tarik. Tegangan yang diperlukan pada kurva diperoleh dengan cara membagi bahan dengan awal penampang benda uji. Sedangkan regangan yang digunakan pada kurva diperoleh dengan cara membagi perpanjangan ukur benda uji terhadap panjang awal persamaannya.

Proses penambahan regangan yang berlebihan akan mengakibatkan material mengalami penyempitan penampang (necking). Pada regangan-tegangan sejati, nilai luas penampang yang dipakai adalah luas penampang specimen sebenarnya, sehingga ketika terjadi necking, nilai tegangan tariknya tetap atau justru naik. Sedangkan pada tegangan-regangan rekayasa nilai luas penampang yang dipakai adalah luas penampang semula benda uji, sehingga ketika terjadi necking pada titik beban maksimum, nilai tegangan tariknya akan turun.

Tahapan Necking

Sumber: 

Metalurgi Mekanik Jilid I, George E. Dieter

Avner, Sydney H 

Plastisitas

1. Plastisitas

Adalah sifat yang dimiliki oleh suatu material, yaitu ketika beban yang diberikan kepada suatu benda / material hingga mengalami perubahan bentuk kemudian beban dihilangkan, benda tidak bisa sepenuhnya kembali kebentuk semula Sifat mekanik daerah plastis :

2. Keuletan

Merupakan kemampuan suatu material untuk berdeformasi plastis tanpa mengalami patah. Keuletan menunjukkan kemampuan logam untuk dibentuk tanpa mengalami patah/retak. Untuk logam yang memiliki kualitas tinggi, kerusakan dapat diketahui secara dini dengan melihat deformasi yang mendahului bahan tersebut retak/patah.

3. Ketangguhan

Ketangguhan dinyatakan dalam modulus ketangguhan (banyaknya energi yang diperlukan untuk mematahkan bahan persatuan volume) dan sangat sulit untuk diukur karena dipengaruhi oleh cacat, bentuk dan ukuran bahan, dan juga kondisi pembebanan. Untuk mengetahuinya dilakukan pengukuran Harga Impact.

HI=E/A

Keterengan

HI = Harga Impact(N/m)

E   = Energi yang diserap ( J )

A = Luas penampang ( m^2 )

Hubungan Tegangan dan Regangan pada Kekuatan Tarik

    Kekuatan tarik (tensile strength) adalah tegangan maksimum yang bisa ditahan oleh sebuah bahan ketika diregangkan atau ditarik, sebelum bahan tersebut patah.Tegangan yang digunakan adalah tegangan rata-rata pada uji tarik yang diperoleh dari pembagian beban gaya persatuan luas penampang bahan.

Tegangan tarik merupakan distribusi gaya tarik persatuan luas bahan, dirumuskan:

σT=F/A

Keterangan :

σ𝑇       = Tegangan tarik (N/m2)

F          = Gaya tarik (N)

A         = Luas penampang (m2)

Regangan adalah perbandingan antara pertambahan panjang dengan panjang awal, dirumuskan:

ℰ=L/Lo x 100%

Keterangan:

ℰ= Regangan (%)

𝑙0= Panjang awal (mm)

Δl = Pertambahan panjang (mm)

    Untuk hampir semua logam pada tahap uji tarik hubungan antara beban atau gaya yang diberikan pada bahan percobaan berbanding lurus terhadap perubahan panjang bahan tersebut, ini disebut daerah linier. Didaerah ini kurva pertambahan panjang terhadap beban memiliki rasio tegangan dan regangan yang konstan. Sehingga hubungan antara tegangan dan regangan di rumuskan :

E = σ/ ℰ

Keterangan:

 E = Modulus elastisitas (N/mm2)

 σ = Tegangan (N/mm2)

 ℰ= Regangan (%)

    Hubungan antara regangan dan tegangan juga dapat diketahui dengan jelas dari grafik tegangan – regangan yang berdasarkan hasil uji tarik sebagai berikut :

Dari grafik diatas dapat diketahui :

1. Daerah elasits (O-P)

Daerah terjadiya deformasi elastisitas, yang dimulai dari titik O sampai batas (P) proporsional. Kenaikan tegangan dan regangan berbanding lurus.

2. Batas proporsional (P)

Batas proporsional (P) sama dengan batas elastis, yang mana merupakan batas keseimbangan antara pertambahan tegangan dan regangan.

3. Deformasi plastis (Plastic deformation) (Y-B)

Yaitu perubahan bentuk yang tidak kembali ke keadaan semula ketika material dikenai gaya. Pada gambar diatas, material di tarik sampai melewati titik yield (Y) dan mencapai daerah landing.

4. Yield strength(Y)

Tegangan luluh adalah tegangan yang dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah kecil deformasi plastis yang ditetapkan.Nilai Kekuatan luluh dapat dilihat dari titik luluh dimana titik awal sebuah material bahan atau logam mulai terdeformasi secara plastis.Sifat mekanik ini menunjukkan kekuatan bahan terhadap deformasi plastik, dan biasa disebut sebagai kuat luluh, yield strength. Data ini digunakan untuk menentukan beban minimum yang diperlukan agar bahan atau logam dapat dideformasi secara plastis

5. Tegangan tarik maksimum (UltimateTensile Strenght)

Pada gambar diatas ditunjukkan dengan titik M, merupakan besar tegangan maksimum yang didapatkan dalam uji tarik.

6. Titik Patah (B)

Adalah titik dimana benda sudah tidak bisa mempertahankan kesatuannya sehingga patah menjadi dua bagian. Hal ini diakibatkan sangat lemahnya gaya tarik-menarik antar atom benda, sehingga benda dapat dipisahkan.

Apabila suatu proses material dihasilkan dengan tegangan-regangan yang tidak memperlihatkan titik yield/ luluh,maka mencarinya dengan metode offset, yaitu menarik garis lurus sejajar dengan diagram tegangan dimulai dari titk 0 regangan yang digunakan sebagai acuan dengan jarak 0,2%  (O-X) dari regangan maksimum. 

 

 

  

Menentukan Titik Patahan dengan Metode Offset

Apabila suatu proses material dihasilkan dengan tegangan-regangan yang tidak memperlihatkan titik yield/ luluh, maka cara menentukan titik patahannya menggunakan metode offset, yaitu menarik garis lurus sejajar dengan diagram tegangan dimulai dari titk 0 regangan yang digunakan sebagai acuan dengan jarak 0,2%  (O-X) dari regangan maksimum.

Perpotongan garis offset denga kurva tegangan regangan itulah tegangan yield dari bahan tersebut. Adapun pengaruh kandungan karbon terhadap grafik tegangan regangan bisa dilihat dengan klasifikasi berikut :

a)    Baja karbon rendah (≤ 0,25% C)

Adapun garis tegangan-regangan berada paling bawah, dengan daerah yield yang jelas.Kemudian naik sampai titik Ultimate strength kemudian turun dan putus.

b)   Baja karbon menengah (0,25%-0,6% C)

Adapun garis tegangan-regangan naik secara linier sampai titik tertentu, kemudian naik secara polynomial sampai titik Ultimate strength kemudian turun dan putus, tetapi penurunan tidak sepanjang pada baja karbon rendah.

c)    Baja karbon tinggi (0,6%-1,7% C)

Adapun garis tegangan-regangan naik secara linier dengan kecuraman yang besar , kemudian terus naik sampai titik tertentu, kemudian naik secara polynomial sampai titik Ultimate strength kemudian turun dan putus.

Iframe

Kode Iklan 1

Kode Iklan 2

Kode Iklan 3

Kode Iklan 4

Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Kekuatan Impact

Kekuatan impact adalah kekuatan spesimen terhadap impact(beban kejut). Dinyatakan dengan banyaknya energi yang diperlukan untuk mematahkan material tersebut.Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi kekuatan impact, yatitu:

1. Bentuk dan Ukuran SudutNotch

                                                    Takik atau notch dengan ukuran sudut semakin kecil akan mendukung terjadinya patahan karena takik merupakan tempat pemusatan tegangan saat benda diberi beban kejut

   

2. Kadar Karbon

Semakin tinggi kadar karbonnya, maka impact strength-nya semakin rendah karena karbon mempunyai sifat rapuh.

3. Homogenitas

Homogenitas suatu material akan berpengaruh terhadap gaya antar ikatan atom-atomnya.Semakin kecil ukuran butir maka material tersebut semakin rapuh dan impact strength-nya semakin rendah.Semakin besar ukuran butir maka material tersebut semakin ulet dan impact strength-nya semakin besar.

Kekuatan impact suatu material juga dipengaruhi oleh arah orientasi kristalnya.Semakin homogen suatu material atau semakin sama arah orientasi kristalnya maka material tersebut bersifat ulet dan impact strength-nya semakin besar.Bila strukturnya heterogen atau berbeda arah orientasi kristalnya maka material tersebut bersifat keras dan impact strength-nya semakin kecil.

4. Jenis Material

Jenis material yang berbeda akan mempunyai susunan atom yangberbeda sehingga kekuatan impact-nya berbeda-beda pula

            5.  Heat Treatment

         Proses heat treatmentyang berbeda akan menghasilkan impact strengthyang berbeda pula, karena proses heat treatment menghasilkan perubahanmekanik yang berbeda pula. Urutan kekuatan impact dari yang kecil sampaiyang besar yaitu :

· Hardening

· Tempering

· Tanpa perlakuan

· Normalizing

· Annealing

6. Tensile Strength

Suatu material dengan tensile strength yang tinggi akan memiliki impact strength yang rendah. Hal ini menunjukkan tensile strength berbanding terbalik dengan impact strength.

7. Kecepatan Pendinginan

Pendinginan yang cepat akan menurunkan harga impact strength-nyakarena pendinginan yang cepat setelah pemanasan akan cenderung     membentuk struktur martensite yang cenderung bersifat keras dan rapuh.

8. Kekerasan 

Semakin tinggi tingkat kekerasan suatu material maka semakin rendahharga impact strength-nya.Kareana material yang keras cenderung rapuh.

Pengujian Impact Pada Logam

            Definisi Kekuatan Kejut

Kekuatan impact adalah kemampuan suatu bahan untuk menahan beban dinamis atau mendadak yang dapat menyebabkan  rusak atau patah. Pengujian impactmerupakan suatu pengujian yang mengukur ketahanan bahan terhadap beban kejut. Inilah yang  membedakan pengujian impact dengan pengujian tarik dan kekerasan dimana pembebanan dilakukan secara perlahan-lahan. Dasar pengujian impact ini adalah penyerapan energi potensial dari suatu pendulum beban yang berayun dari suatu ketinggian tertentu dan menumbuk benda uji sehingga benda uji mengalami deformasi.Pada pengujain impact ini banyaknya energi yang diserap oleh bahan untuk terjadinya perpatahan merupakan ukuran ketahanan impact atau ketangguhan bahan tersebut.

Macam – Macam Metode Pengujian Impact

1.    Pengujian Pukul Takik (Beam Impact Test)

Digunakan untuk mengetahui kemampuan suatu logam untuk menahan beban atau pukulan suatu logam.Suatu material dikatakan tangguh bila mampu menyerap energi lebih besar tanpa terjadinya retak atau terdeformasi dengan mudah. Secara umum benda uji impact dikelompokkan ke dalam dua cara yaitu cara uji charpy dan cara uji izod.

a.  Cara Pembebanan Charpy

Benda uji charpy memiliki luas penampang lintang bujur sangkar ( 10 mm x 10 mm) dan memiliki takik (notch) berbentuk V dengan sudut 45 derajat dengan jari – jari dasar 0,25 mm dan kedalaman 2 mm. Benda uji diletakkan pada tumpuan dalam posisi mendatar dan bagian yang tertakik diberi beban impact dari ayunan bandul.Cara ini banyak digunakan di Amerika.

Pada pengujian impact,energi yang diserap oleh benda uji biasanya dinyatakan dalam satuan Joule dan dibaca langsung pada skala (dial) penunjuk yang telah dikalibrasi yang terdapat pada mesin penguji. Harga impact (HI) suatu bahan yang diuji dengan metode charpy didapatkan dari rumus  HI = E/ A dimana E adalah energi yang diserap dalam satuan Joule dan A luas penampang di bawah takik satuan mm².

b.    Cara Pembebanan Izod

Benda uji Izod mempunyai penampang lintang bujur sangkar atas lingkaran dengan takik berbentuk  V yang dijepit di bagian ujungnya. Cara melakukan pengujian ini yaitu salah satu bagian benda uji dijepit tepat pada bibir takik dan posisi takik berhadapan dengan pendulum yang akan memberikan beban kejut. Pembebanan ini banyak digunakan terutama di Inggris.

Sumber : Kakani (2004 : 156)

Cacat Logam Dan Dislokasi

Cacat Titik

Cacat adalah kerusakan atau ketidaksempurnaan susunan atom   dalam   kristal   yang   terjadi   akibat   kekurangan   atau kelebihan atom, penyebab umum dari cacat titik adalah perangsangan atom oleh suhu. Macam-macam cacat antara lain :

1. Kekosongan

    Bila mana sebuah atom lepas dari posisi kisi normal disebabkan  oleh  gangguan  blok  selama     pertumbuhan kristal.

2. Sisipap

    Terjadi bila atom dalam kristal dititik pertengahan antara posisi kisi yang normal.

3. Subtitusi

     Pertukaran kedudukan susunan atom yang terjadi antara dua unsur atom berbeda yang memiliki             ukuran dan ikatan yang hampir sama

Cacat Garis (dislokasi)

merupakan   gabungan   dari   cacat   titik.  cacat garis  adalah ketidaksempurnaan  periodik  atom  dalam  kristal  yang  membentuk  satu  jalur  tertentu.  Dislokasi  pada kristal merupakan cacat yang menyebabkan gejala slip (luncur)  sebagai penyebab dari sebagaian besar logam yang  berubah bentuk secara plastis. Terdapat 3 dislokasi yaitu :

1.    Dislokasi sisi

Dapat digambarkan sebagai satu sisipan bidang atom tambahan dalam struktur Kristal di sekitar lokasi dislokasi terdapat daerah yang mengalami tekanan dan tegangan  sehingga terdapat energi tambahan di samping dislokasi tersebut disebut vector geser, vector ini tegak lurus pada garis dislokasi tersebut. 

2.      Dislokasi ulir

Menyerupai  spiral  dengan  garis  cacat  sepanjang sumbu   ulir. Vektor luncurnya   sejajar   dengan   garis dislokasi. Atom-atom di sekitar dislokasi ulir mengalami gaya  geser.  Oleh  karena  itu,  disana  terdapat  energi tambahan. Disloksai ini memudahkan   pertumbuhan kristal, karena atom dan sel tambahan dapat bertumpuk pada setiap anak tangga ulir.  

3.        Dislokasi campuran

Dislokasi ini terjadi ketika diberi gaya yang mengakibatkan dislokasi ulir maupun   dislokasi sisi. Keduanya menghasilkan deformasi akhir yang sama dan sebetulnya dihubungan satu sama lainnya oleh garis dislokasi yang  terjadi.

Cacat bidang

Terjadinya pergeseran kristal  relativ  terhadap  bagian  kristal lainnya, sepanjang bidang kristolografi tertentu. Bidang terjadinya slip disebut bidang slip (slip direction), umumnya bahwa slip lebih mudah terjadi pada daerah yang lebih padat 

Dan kemudian terdapat Twinning yaitu suatu fenomena adanya perubahan arah orientasi suatu bagian butir kristal sehingga susunan atom di bagian tersebut  akan   simetri   dengan   bagian   lain   yang   tidak   mengalami  perubahan. Bidang yang merupakan pusat simetri dan menjadi cermin  antara  kedua  bagian  ini  disebut  bidang  kembaran.

Sumber : 

Schaffer Saxena (1999)

Avner, Sidney (1974)

Smith, WF (1988) 

Pembentukan Butir Pada Baja

Ketika material mengalami perubahan fasa dari cair menjadi fasa padat, maka terjadi pembentukan butir. Mekanisme pembentukan butir adalah sebagai berikut :

 Pengintian

Ketika material mengalami pendinginan maka atom atomnya akan semakin sulit bergerak, sehingga mulai mengatur kedudukannya dan mulai membentuk inti Kristal dan lattice ( susunan atom menjadi struktur kristal )

 Kristalisasi

Kristalisasi adalah pembentukan inti dominan dan butir-butir kristal yang besar, kristalisasi terjadi setelah terjadinya tarik-menarik inti-inti yang telah stabil.

Pembentukan butir

Pembentukan butir terjadi ketika inti dominan membentuk butir-butir Kristal yang besar saling bergandengan dengan butir lain atau inti dominan lainnya.

Sumber : William F. Smith ( 1996:121)

Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Kekerasan Baja

Kekerasan suatu material ditentukan oleh beberapa hal, diantaranya :               

        Kadar Karbon

Karbon sangat mempengaruhi kekerasan material karena Karbon berperan untuk pembentukan sementit (serta karbida lainnya), dan pembentukan fase-fase yang mana martensit adalah fase terkeras dari fase lainnya, dengan menaikkan kadar karbon maka kekerasan material juga akan meningkat.

        Unsur Paduan

Unsur paduan diperlukan untuk menyempurnakan sifat mekanik dari material, salah satunya kekerasan dari material, adapun beberapa unsur paduan yang berperan terhadap sifat mekanik material yaitu karbon (C), mangan (Mn), kromium (Cr), Silikon (Si), Nikel (Ni), Molybdenum (Mo), Vanadium (Va) dan banyak lainnya.

        Heat Treatment

Perlakuan-perlakuan pada Heat Treatment dapat merubah sifat mekanik dari material, seperti proses Annealing dapat mengurangi kekerasan namun meningkatkan keuletan dari logam, proses pendinginan cepat (quenching) juga berpengaruh terhadap butir yang terbentuk sehingga juga mempengaruhi kekerasan material.

        Ukuran dan dimensi butir

Semakin kecil dan halus ukuran dari butir yang terbentuk maka semakin tinggi pula tingkat kekerasan material, dan semakin besar dan kasar struktur butir dari material maka tingkat kekerasan material semakin berkurang.