Post on 06-Aug-2015
description
LAPORAN AWAL
PRAKTIKUM PENGUJIAN MATERIAL
PENGUJIAN TARIK
Dewi Lestari Natalia
1006704530
Kelompok .....
Laboratorium Metalurgi Fisik
Departemen Metalurgi dan Material FTUI
2012
MODUL I
PENGUJIAN TARIK
I. Tujuan Praktikum
1. Untuk membandingkan kekuatan maksimum beberapa jenis logam
(besi tuang, baja, tembaga, dan aluminium).
2. Untuk membandingkan titik luluh (yield) logam-logam tersebut.
3. Untuk membandingkan tingkat keuletan logam-logam tersebut,
melalui penghitungan % elongasi dan % pengurangan luas.
4. Untuk membandingkan fenomena necking pada logam-logam
tersebut.
5. Untuk membandingkan modulus elastisitas dari logam-logam tersebut.
6. Untuk membuat, membandingkan serta menganalisis kurva tegangan
regangan, baik kurva rekayasa maupun sesungguhnya dari beberapa
jenis logam.
7. Untuk membandingkan tampilan perpatahan (fractografi) logam-
logam tersebut dan menganalisisnya berdasarkan sifat-sifat mekanis
yang telah dicapai.
II. Dasar Teori
Suatu logam mempunyai sifat-sifat tertentu yang dibedakan atas sifat
fisik, mekanik, thermal, dan korosif. Salah satu yang penting dari sifat
tersebut adalah sifat mekanik. Sifat mekanik terdiri dari keuletan, kekerasan,
kekuatan, dan ketangguhan. Sifat mekanik merupakan salah satu acuan
untuk melakukan proses selanjutnya terhadap suatu material, contohnya
untuk dibentuk dan dilakukan proses permesinan. Untuk mengetahui sifat
mekanik pada suatu logam harus dilakukan pengujian terhadap logam
tersebut. Pengujian material ada dua jenis, yaitu dengan pengujian tidak
merusak dan pengujian yang merusak. Pengujian tidak merusak, yaitu kita
2
tidak perlu merusak atau setelah pengujian sampel dapat dipakai kembali,
contohnya adalah uji radiografi, uji ultrasonic, uji magnetik, dan uji dengan
cairan penetran. Sedangkan untuk pengujian merusak, sampel yang telah
diujikan tidak dapat dipakai kembali. Contohnya adalah pengujian tarik,
pengujian kekerasan, pengujian impak, pengujian keausan.
Pengujian tarik adalah pengujian mekanik yang paling luas dilakukan
untuk berbagai aplikasi rekayasa. Dari hasil pengujian tarik dapat
digambarkan beberapa karakteristik mekanik penting dari bahan seperti
kekakuan, kekuatan, keuletan dan ketangguhan. Data-data seperti Kekuatan
Luluh (Yield Strength), Tegangan Tarik Maksimum (Ultimate Tensile Stress)
dan Elongasi (Elongation) adalah data-data standar bahan untuk aplikasi
struktur. Dari data-data beban dan perpanjangan yang diambil pada
pengujian tarik dapat dikonstruksi kurva tegangan regangan rekayasa
(engineering stress and strain diagram). Beban yang dicatat dalam hal ini
adalah beban tarik yang diaplikasikan pada spesimen uji. Perubahan panjang
yang dicatat adalah perubahan panjang ukur spesimen.
Gambar 1. Mesin uji tarik dilengkapi spesimen ukuran standar
Prinsip pengujian tarik yaitu sampel atau benda uji dengan ukuran
dan bentuk tertentu diberi beban gaya tarik sesumbu yang bertambah besar
secara kontinu pada kedua ujung spesimen tarik hingga putus, bersamaan
dengan itu dilakukan pengamatan mengenai perpanjangan yang dialami
3
benda uji. Data yang didapat berupa perubahan panjang dan perubahan
beban yang selanjutnya ditampilkan dalam bentuk grafik tegangan-regangan.
Data mentah yang diperlukan untuk memperoleh diagram stress
strain dari pengujian tarik yaitu :
Data yang diukur secara manual:
o Data spesimen luas penampang (A)
Data yang terekam mesin tarik:
o Beban yang diberikan atau load cell (P)
o Strain yang terbaca extensometer ( )ε
Data reduksi:.
Gambar 2. Stress-Strain
Tegangan yang dipergunakan pada kurva adalah tegangan membujur
rata-rata dari pengujian tarik. Tegangan tersebut diperoleh dengan cara
membagi beban dengan luas awal penampang lintang benda uji.
Regangan yang digunakan untuk kurva tegangan-regangan Rekayasa
adalah regangan linear rata-rata, yang diperoleh dengan cara membagi
perpanjangan panjang ukur (gage length) benda uji, δ
, dengan panjang awal.
Bentuk dan besaran pada kurva tegangan-regangan suatu logam
tergantung pada komposisi, perlakuan panas, deformasi plastik yang pernah
dialami, laju regangan, suhu, dan keadaan tegangan yang menentukan selama
4
σ= PAo
ε= δLo
= ΔLL
=L−LoLo
pengujian. Parameter-parameter yang digunakan untuk menggambarkan
kurva tegangan-regangan logam adalah kekuatan tarik, kekuatan luluh atau
titik luluh, persen perpanjangan, dan pengurangan luas.
1. Sifat Mekanik Material
a. Batas Proporsionalitas (Proportionality Limit)
Merupakan daerah batas dimana tegangan (stress) dan regangan
(strain) mempunyai hubungan proporsionalitas satu dengan lainnya. Setiap
penambahan tegangan akan diikuti dengan penambahan regangan secara
proporsional dalam hubungan linier :
bandingkan dengan hubungan y = mx; dimana y mewakili regangan dan m
mewakili slope kemiringan dari modulus kekakuan). Titik P pada Gambar 3
dibawah ini menunjukkan batas proporsionalitas dari kurva tegangan
regangan.
Gambar 3. Kurva tegangan-regangan dari sebuah benda uji terbuat dari baja ulet
b. Batas Elastisitas (Elastic Limit)
Daerah elastis adalah daerah dimana bahan akan kembali kepada
panjang semula bila tegangan luar dihilangkan. Daerah proporsionalitas
merupakan bagian dari batas elastik ini (daerah elastis dibatasi sampai titik
proporsional). Selanjutnya bila bahan terus diberikan tegangan (deformasi
dari luar), maka batas elastis akan terlampaui dan pada akhirnya bahan tidak
akan kembali pada ukuran semula (terdeformasi plastis/permanen). Dengan
5
kata lain dapat didefinisikan bahwa batas elastis merupakan suatu titik
dimana tegangan yang diberikan akan menyebabkan terjadinya deformasi
permanen (plastis) pertama kalinya. Kebanyakan material teknik memiliki
batas elastis yang hampir berhimpitan dengan batas proporsionalitasnya.
c. Titik Luluh (Yield Point) dan Kekuatan Luluh (Yield Strength)
Titik ini merupakan suatu batas dimana material akan terus
mengalami deformasi tanpa adanya penambahan beban tegangan (stress)
yang mengakibatkan bahan menunjukkan mekanisme luluh ini disebut
tegangan luluh (yield stress). Titik luluh ditunjukkan oleh titik Y pada gambar
3 diatas.
Gejala luluh umumnya hanya ditunjukkan oleh logam-logam ulet
dengan struktur kristal BCC dan FCC yang membentuk interstitial solid
solution dari atom-atom karbon, boron, hidrogen dan oksigen. Interaksi
antara dislokasi dan atom-atom tersebut menyebabkan baja ulet seperti mild
steel menunjukkan titik luluh bawah (lower yield point) dan titik luluh atas
(upper yield point).
Gambar 4. Fenomena titik luluh pada kurva uji tarik
Baja berkekuatan tinggi dan besi tuang yang getas umumnya tidak
memperlihatkan batas luluh yang jelas. Untuk menentukan kekuatan luluh
material seperti ini maka digunakan suatu metode yang dikenal sebagai
Metode Offset. Dengan metode ini kekuatan luluh (yield strength) ditentukan
sebagai tegangan dimana bahan memperlihatkan batas penyimpangan/
6
deviasi tertentu dari proporsionalitas tegangan dan regangan, umumnya
diambil 0.1 – 0.2% dari regangan total dimulai dari titik nol.
Kekuatan luluh merupakan suatu gambaran kemampuan bahan
menahan deformasi permanen bila digunakan dalam penggunaan
struktural yang melibatkan pembebanan mekanik seperti tarik, tekan
bending atau puntiran. Di sisi lain, batas luluh ini harus dicapai
maupun dilewati bila bahan dipakai dalam proses manufaktur produk-
produk logam seperti proses rolling, drawing, stretching dan
sebagainya. Dapat dikatakan bahwa titik luluh adalah suatu tingkat
tegangan yang:
tidak boleh dilewati dalam penggunaan struktural (in service)
harus dilewati dalam proses manufaktur logam (forming
process)
d. Kekuatan Tarik Maksimum (Ultimate Tensile Strength)
Merupakan tegangan maksimum yang dapat ditanggung oleh material
sebelum terjadi perpatahan (fracture). Nilai kekuatan tarik maksimum σuts
ditentukan dari beban maksimum Fmaks dibagi luas penampang awal Ao.
Pada bahan ulet tegangan maksimum ini ditunjukkan
oleh titik M (Gambar 3) dan selanjutnya bahan akan terus terdeformasi
hingga titik B. Bahan yang bersifat getas memberikan perilaku yang berbeda
dimana tegangan maksimum sekaligus tegangan perpatahan. Dalam
kaitannya dengan penggunaan struktural maupun dalam proses forming
bahan, kekuatan maksimum adalah batas tegangan yang sama sekali tidak
boleh dilewati.
e. Kekuatan Putus (Breaking Strength)
Kekuatan putus ditentukan dengan membagi beban pada saat benda
uji putus (Fbreaks) dengan luas penampang awal A0. Untuk bahan yang bersifat
ulet pada saat beban maksimum M terlampaui dan bahan terus terdeformasi
7
hingga titik putus B maka terjadi mekanisme penciutan (necking) sebagai
akibat adanya suatu deformasi yang terlokalisasi. Pada bahan ulet kekuatan
putus adalah lebih kecil daripada kekuatan maksimum sementara pada
bahan getas kekuatan putus adalah sama dengan kekuatan maksimumnya.
f. Keuletan (Ductility)
Merupakan suatu sifat yang menggambarkan kemampuan logam
menahan deformasi hingga terjadi perpatahan. Dalam beberapa tingkatan,
sifat ini harus dimiliki oleh bahan bila ingin dibrntuk melalui proses rolling,
bending, stretching, drawing, hammering, cutting, dan sebagainya. Secara
umum dilakukan dengan tujuan sebagai berikut:
Untuk menunjukan perpanjangan dimana suatu logam dapat
berdeformasi tanpa patah dalam proses pembentukan
Untuk memberikan petunjuk umum mengenai kemampuan logam
untuk berdeformasi secara plastis sebelum patah
Petunjuk adanya perubahan permukaan kemurnian atau pengolahan
Pengujian tarik memberikan dua metode pengukuran keuletan bahan yaitu :
Persentase perpanjangan (Elongation)
Diukur sebagai penambahan panjang ukur setelah perpatahan terhadap
panjang awalnya.
Elongasi, (%) = [(Lf – Lo) / Lo] x 100%ε
dimana Lf adalah panjang akhir dan Lo adalah panjang awal benda uji.
Persentase pengurangan / reduksi penampang (Area reduction)
Diukur sebagai pengurangan luas penampang setelah perpatahan
terhadap luas penampang awalnya.
Reduksi Penampang, R (%) = [(Ao – Af) / Ao] x 100%
dimana Af adalah luas penampang akhir dan Ao luas penampang awal.
8
g. Modulus Elastisitas (Modulus Young)
Modulus elastisitas atau modulus Young merupakan ukuran kekakuan
suatu material. Semakin besar harga modulus ini maka semakin kecil
regangan elastis yang terjadi pada suatu tingkat pembebanan tertentu atau
dapat dikatakan material tersebut semakin kaku (stiff). Modulus elastis
dirumuskan sebagai :
dimana α adalah sudut yang dibentuk oleh daerah elastis kurva tegangan
regangan. Modulus elastisitas suatu material ditentukan oleh energi ikat
antar atom-atom, sehingga besarnya nilai modulus ini tidak dapat dirubah
oleh suatu proses tanpa merubah struktur bahan.
Gambar 5. Daerah Modulus Young pada kurva uji tarik
h. Modulus Kelentingan (Modulus of Resilience)
Resilience adalah kapasitas material untuk menyerap energi ketika
mengalami deformasi elastis dan ketika beban dilepaskan, energi ini juga
dilepaskan. Modulus of resilience adalah energi regang persatuan volume
yang diperlukan sehingga material mendapat tegangan dari kondisi tidak
berbeban ketitik luluh. Material yang mempunyai sifat resilience adalah
material yang mempunyai tegangan luluh tinggi ( y ) dan modulus elastisitasσ
9
E =σε= tan α
rendah. Contoh material yang memiliki modulus of resilience adalah alloy
untuk pegas.
Gambar 6. Nilai Modulus of Resilience berdasarkan luas segitiga daerah elastis
Nilai modulus (UR)dapat diperoleh dari luas segitiga yang dibentuk
oleh area elastis diagram tegangan-regangan atau dengan menggunakan
persamaan:
i. Modulus Ketangguhan (Modulus of Toughness)
Merupakan kemampuan material dalam menyerap energi hingga
terjadinya perpatahan. Secara kuantitatif dapat ditentukan dari luas area
keseluruhan di bawah kurva tegangan-regangan hasil pengujian tarik.
Pertimbangan desain yang mengikutsertakan modulus ketangguhan menjadi
sangat penting untuk komponen-komponen yang mungkin mengalami
pembebanan berlebih secara tidak disengaja. Material dengan modulus
ketangguhan yang tinggi akan mengalami distorsi yang besar karena
pembebanan berlebih, tetapi hal ini tetap disukai dibandingkan material
dengan modulus rendah dimana perpatahan akan terjadi tanpa suatu
peringatan terlebih dahulu. Material disebut tangguh apabila bila memiliki
baik kekuatan dan keuletan.
10
Gambar 7. Modulus ketangguhan
j. Kurva Tegangan-Regangan Rekayasa dan Sesungguhnya
Jika pada kurva tegangan-regangan rekasaya (engineering stress-
strain curve), dimensiawal (luas area dan panjang) dari benda uji diasumsikan tetap.
Pada kurva tegangan-tegangan sesungguhnya (true stress-strain curve), luas
permukaan diperhitungkan berubahsehingga nilai tegangan terus akan
bertambah karena luas permukaan menjadi semakin kecil.
Kurva tegangan-regangan rekayasa didasarkan atas dimensi awal
(luas area dan panjang) dari benda uji, sementara untuk mendapatkan kurva
tegangan-regangan sesungguhnya diperlukan luas area dan panjang aktual
pada saat pembebanan setiap saat terukur. Perbedaan keduanya tidak
signifikan pada regangan yang kecil, namun menjadi signifikan pada rentang
terjadinya pengerasan regangan (strain hardening), yaitu setelah titik luluh
terlampaui. Secara khusus perbedaan menjadi demikian besar di dalam
daerah necking.
Pada kurva tegangan-regangan rekayasa, dapat diketahui bahwa
benda uji secara aktual mampu menahan turunnya beban karena luas area
awal Ao bernilai konstan pada saat penghitungan tegangan = P/Ao.
Sementara pada kurva tegangan-regangan sesungguhnya luas area aktual
adalah selalu turun hingga terjadinya perpatahan dari benda uji mampu
menahan peningkatan tegangan karena = P/A.σ
True Stress :
True Strain :
11
Dibawah ini adalah grafik yang membandingkan antara kurva tegangan-
regangan rekayasa dan sesungguhnya:
Gambar 8. Kurva perbandingan true dan engineering stress-strain
k. Deformasi
Pada pengujian tarik terjadi deformasi. Pada kebanyakn logam, seformasi
elastis hanya terjadi sampai regangan 0,005. Jika bahan berdeformasi
melewati batas elastis, tegangan tidak lagi proorsional terhadap regangan.
Daerah ini disebut plastis.
1. Deformasi elastis, yaitu perubahan bentuk yang disebabkan gaya
luar dan apabila gaya luar dilepas maka bahan tersebut akan kembali
ke bentuk dan ukuran semula.
2. Deformasi plastis, yaitu perubahan bentuk yang disebabkan gaya
luar dan apabila gaya luar dilepas maka bahan tidak akan kembali ke
bentuk dan ukuran semula.
l. Pengerasan Regang (Strain Hardening)
Sifat kebanyakan logam yang ditandai dengan naiknya nilai tegangan
berbanding regangan setelah memasuki fase plastis.
m. Poisson Ratio
12
Poisson ratio adalah perbandingan antara regangan tegak lurus
terhadap regangan aksial.
Gambar 9. Rumus poisson ratio pada uji tarik
2. Karakteristik Perpatahan
Saat sampel ditarik sampai patah, akan terlihat beberapa model
tampilan perpatahan yang berbeda-beda untuk setiap jenis material
tergantung sifat keuletan dari material tersebut.
Gambar 10. Metode perpatahan material dari ulet ke getas
Klasifikasi perpatahan didasarkan pada kemampuan material
mengalami deformasi plastis. Jenis perpatahan dibagi menjadi perpatahan
brittle dan perpatahan ulet. Secara umum, patah ulet memiliki
karakteristik permukaan yang berserat (fibrous) dan gelap (dull),
sedangkan patah getas/brittle memiliki permukaan yang berbutir
(granullar) dan terang.
13
Gambar 11. Model perpatahan ulet (a) dan getas (b)
a. Perpatahan ulet
Perpatahan ulet memiliki ciri-ciri sebagai berikut.
1. Permukaan patahan berserabut (fibrous) dan gelap (dull).
2. Pada umumnya patahan membentuk cup dan cone.
3. Retak/perpatahan intergranular.
4. Terdapat ‘necking’ (penciutan) pada sampel hasil pengujian tarik.
Perpatahan ulet umumnya lebih disukai karena bahan ulet umumnya
lebih tangguh dan memberikan peringatan lebih dahulu sebelum terjadi
kerusakan.
Gambar di bawah ini merupakan ilustrasi skematis terjadinya
perpatahan ulet pada suatu spesimen yang diberikan pembebanan tarik:
Gambar 12. tahapan terjadinya perpatahan ulet pada sampel uji tarik : (a). Penyempitan awal; (b) Pembentukan rongga – rongga kecil (cavity); (c) Penyatuan rongga-rongga
membentuk suatu retakan; (d) Perambatan retak; (e) perpatahan geser akhir pada sudut 450
14
Perpatahan yang memiliki mekanisme seperti gambar di atas biasanya memiliki patahan cup dan cone, karena salah satu patahannya berbentuk cup dan patahan lainnya berbentuk cone.
Gambar 13. Ciri
perpatahan ulet menunjukan adanya dimpel (diambil dengan SEM)
b. Perpatahan getas
Perpatahan getas memiliki ciri-ciri sebagai berikut.
1. Permukaan patahan berbutir (granular) dan terang .
2. Tidak ada atau sedikit sekali deformasi plastis yang terjadi pada
material.
3. Retak/perpatahan merambat sepanjang bidang-bidang kristalin
membelah atom-atom material (transgranular).
4. Pada material lunak dengan butir kasar (coarse grain) maka dapat
dilihat pola-pola yang dinamakan chevrons atau fan-like pattern yang
berkembang keluar dari daerah awal kegagalan.
5. Material keras dengan butir halus (fine-grain) tidak memiliki pola-
pola yang mudah dibedakan.
6. Material amorphous (seperti gelas) memiliki permukaan patahan
yang bercahaya dan mulus.
Pengamatan kedua tampilan perpatahan itu dapat dilakukan baik
dengan mata telanjang maupun dengan bantuan stereoscan macroscope.
Pengamatan lebih detail dimungkinkan dengan penggunaan SEM (Scanning
Electron Microscope). SEM dapat mengamati perpatahan karena mamiliki
resolusi dan kedalaman (depth of field) yang lebih baik dari mikroskop optik.
15
Di bawah ini merupakan contoh perpatahan brittle pada benda uji
berbentuk plat :
Gambar 14. Perpatahan getas antara dua sampel logam berpenampang lintang persegi
panjang (pelat)
3. Standar Pengujian
Standar ASTM yang mengatur specimen uji tarik yaitu :
ASTM E8 standar metode pengujian tarik untuk material logam. Khususnya
untuk logam ulet (ductile).
ASTM A370 Standar metode pengujian dan definisi dari uji mekanik produk
baja.
ASTM D368 Standar metode pengujian untuk sifat-sifat tarik plastik
ASTM E527 Numbering of metals and alloys
ASTM D2290 Standar test methods for Apparent tensile strength of ring or
tubular plastic & reinforced plastic by split disk method.
III. Metodologi Penelitian
III. 1. Alat dan Bahan
1. Universal testing machine, Servopulser Shimadzu kapasitas 30 ton
2. Caliper dan/atau micrometer
3. Spidol permanent atau penggores (cutter)
4. Stereoscan macroscope
5. Sampel uji tarik
16
III. 2. Flow Chart Proses Pengujian
IV. Daftar Pustaka
Modul Praktikum Pengujian Material (Destructive Test) Departemen
Teknik Metalurgi dan Material FTUI 2012
Saptono, Rahmat. 2008. Lecture Notes: Engineering Material. Depok.
Departemen Teknik Metalurgi dan Material FTUI.
http://blog.ub.ac.id/zainal/2011/12/01/uji-tarik/
17
Pengujian
selesaiMaterial Lain
Tandai pada grafik titik UTS dan perpatahan
Pasang benda uji pada mesin uji
Tandai panjang ukur
Sketsa benda uji, catat ukurannya
Mulai penarikan
Ukur dimensi benda uji
Amati hingga sampel patah
Amati mekanisme deformasi dan
tampilan grafik.
Ukur dimensi
akhir
Amati dan catat
karakteristik
jenis perpatahan
Hitung formulasi yang sesuai nilai-nilai