MODUL I

PENGUJIAN TARIK

I. Tujuan Praktikum

1. Untuk membandingkan kekuatan maksimum beberapa jenis logam (besi

tuang, baja, tembaga, dan aluminium)

2. membandingkan titik luluh logam-logam tersebut.

3. Untuk membandingkan tingkat keuletan logam-logam tersebut, melalui

perhitungan % 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 kurva sesungguhnya dari beberapa

jenis logam.

7. Untuk membandingkan tampilan perpatahan (fraktografi) logam-logam

tersebut dan menganalisanya berdasarkan sifar-sifat mekanis yang telah

dicapai.

II. Dasar Teori

Pengujian tarik merupakan salah satu pengujian sifat mekanis dari suatu

material. Pengujian sifat mekanis material penting untuk mengetahui dan

menganalisis respon material dari suatu produk material konstruksi, komponen

ataupun rakitan fabrikasi pada saat dikenakan beban mekanis dari luar (external

applied load). Pengujian mekanis ini juga dapat digunakan untuk menganalisis

sifat inheren, yaitu sifat fisis material yang disebabkan lebih karena fenomena

atomik bukan oleh bentuk maupun ukuran benda tersebut, terhadap

pembebanan.

Prinsip pengujian tarik ini adalah sampel dengan bentuk dan ukuran

tertentu diberikan beban tarik uniaksial (satu arah) yang bertambah secara

kontinu sambil diukur pertambahan panjangnya sampai sampel tersebut putus.

Sampel yang digunakan pada pengujian tarik ini memiliki bentuk dan

ukuran tertentu sesuai dengan standar yang digunakan. Sampel yang digunakan

bisa berbentuk plat, sheet, wire atau rod. Standar yang biasa digunakan pada

pengujian tarik material logam pada temperatur ruang adalah ASTM E8/E8M

atau JIS Z 2241. Secara umum sampel yang ada memiliki bentuk dog bone shape

dimana bagian tengah sampel memiliki luas yang lebih kecil dibandingkan kedua

ujungnya. Hal ini dimaksudkan agar patahan yang terjadi selama proses uji tarik

berlangsung berada di bagian tengah sampel.

Gambar 1 Sampel Uji Tarik

Daerah perpatahan sampel tersebut disebut gauge length. Daerah

gauge length biasanya ditandai dengan cara digores atau ditandai dengan

menggunakan spidol. Daerah gauge length ini akan diukur elongasinya

menggunakan ekstensometer.

Gambar 2. Deformasi Sampel Saat Diuji Tarik

Jika sampel diberikan beban, sampel tersebut dapat mengalami

deformasi. Pada material yang bersifat brittle material hanya mengalami

deformasi elastis dimana material tersebut tidak akan mengalami pertambahan

panjang secara permanen sampai akhirnya patah. Sedangkan pada material

yang bersifat ductile material tersebut akan mengalami deformasi plastis

dimana material tersebut akan mengalami pertambahan panjang yang

permanen dan akhirnya patah.

F

bonds stretch

return to initial

(a)

planes still sheared

F

elastic + plastic

bonds stretch & planes shear

plastic

(b)

Gambar 3. Perbandingan Mekanisme Deformasi Elastis (a) dan

Deformasi Plastis (b)

Pada saat ditarik, ikatan antar atom dari material yang mengalami

deformasi elastis akan merenggang namun akan kembali ke posisi semula begitu

bebannya dihilangkan. Sedangkan pada material yang mengalami deformasi

plastis, ikatan antar atomnya akan merenggang, bidangnya bergeser dan

selanjutnya akan terbentuk ikatan atom yang baru. Setelah beban dibebaskan

atom yang bergeser tersebut tidak akan berpindah ke posisi semula, sehingga

terjadi elongasi. Umumnya pada logam yang bersifat ductile akan terbentuk

daerah elastis dan plastis yang ditunjukkan pada kurva tegangan-regangan.

Dari pengujian tarik ini bisa didapatkan mechanical properties dari

material yang diuji antara lain :

1. Batas Proporsional

Daerah batas dimana tegangan dan regangan mempunyai hubungan

proporsional atau linear satu sama lain. Hubungan ini dapat

diformulasikan hukum hooke dengan :

σ = E ε

dimana σ adalah tegangan (MPa), ε adalah regangan (mm), dan E

adalah modulus young (GPa).

Gambar 4. Kurva Tegangan Regangan

Pada kurva tegangan regangan di atas batas proporsional

ditunjukkan oleh huruf P.

2. Batas Elastis

Daerah elastis merupakan daerah dimana material akan

kembali ke ukuran semula jika tegangan eksternal ditiadakan. Daerah

proporsional merupakan bagian dari batas elastis. Apabila tegangan

eksternal melewati nilai batas elastis, maka material itu akan

mengalami deformasi permanen yang tidak akan kembali ke ukuran

semula.

Kebanyakan material memiliki batas elastis yang hampir

berimpitan dengan batas proporsionalnya.

3. Titik luluh (yield point) dan kekuatan luluh (yield strength)

Merupakan batas material yang akan terus mengalami

deformasi tanpa adanya penambahan beban. Tegangan yang

megakibatkan bahan menunjukkan mekanisme luluh ini disebut

tegangan luluh (yield stress). Pada gambar 4, titik Y merupakan titik

luluh.

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 antar dislokasi dan atom-atom tersebut menyebabkan baja

ulet seperti mild steel menunjukan titik luluh bawah (lower yield

point) dan titik luluh atas (upper yield point).

Gambar 5. Upper yield dan lower yield point

Untuk material yang getas pada umumnya sulit untuk menentukan

batas titik luluh yang jelas. Oleh karena itu digunakan sebuah metode

yang dikenal dengan metode offset. Metode offset dilakukan untuk

menentukan tegangan luluh dengan menarik garis pararel dari OP

sepanjang 0,1-0,2% dari regangan total dimulai dari titik O menuju

titik X. Perpotongan antara garis XW dengan Y menjadi titik luluh dari

material.

Gambar 6. Metode offset untuk menentukan yield point pada kurva

tegangan-regangan dari spesimen terbuat dari bahan getas

Kekuatan luluh atau titik 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 ataupun dilewati bila bahan dipakai dalam proses

manufaktur produk-produk logam seperti proses rolling, drawing,

stretching dan sebagainya. Dapat dikatakan titik luluh adalah suatu

tingkatan tegangan yang tidak boleh dilewati dalam penggunaan

struktural (in service) dan harus dilewati dalam proses manufaktur

logam (forming process).

4. Kekuatan Tarik Maksimum (Ultimate Tensile Strength)

Tegangan maksimum yang dapat diterima oleh material

sebelum terjadinya perpatahan. Nilai kekuatan tarik maksimum

ditentukan dengan rumus

σUTS=FmaksAo

Pada Gambar 4 titik UTS ditunjukkan oleh huruf M yang

merupakan kurva tegangan regangan yang berdeformasi plastis,

sedangkan pada material yang bersifat getas titik tegangan

maksimumnya sama dengan tegangan perpatahan.

5. Kekuatan putus (Breaking Strength)

Kekuatan putus ditentukan dengan membagi beban pada saat

benda uji putus (Fbreaking) dengan tuas penampang awal (A0). Untuk

bahan yang bersifat ulet pada saat beban maksimum M terlampaui

dan bahan terus terdeformasi hingga titik putus B maka terjadi

mekanisme penciutan (necking) sebagai akibat adanya suatu

deformasi yang terlokalisasi.

Pada bahan ulet, kekuatan putus lebih kecil dari kekuatan

maksimum, dan pada bahan getas kekuatan putus sama dengan

kekuatan maksimumnya.

6. Keuletan (Ductility)

Keuletan adalah sifat mekanik yang menggambarkan

kemapuan suatu material untuk menahan deformasi hingga patah.

Secara umum, keuletan sangat untuk :

Proses metal working

Menentukan jumlah deformasi yang dapat diberikan

sebelum material tersebut patah

Untuk perhitungan tegangan atau prediksi beban,

mengindikasikan kemampuan logam untuk berdeformasi

plastis sebelum patah.

Untuk mengetahui perubahan sifat material karena keadaan

saat material diproses atau setelah di heat treatment.

Pengujian tarik memberikan dua metode pengukuran keuletan bahan

yaitu :

Persentasi perpanjangan (Elongation)

ε (% )=( l f−l0l0 ) x100%Dimana perpanjangan ketika uji tarik dilakukan, lf,

dibandingkan dengan panjang awal dari sampel l0

Persentasi reduksi penampang ( Areal Reduction)

R(% )=( A0−A fA0 )x 100%

Mirip dengan elongasi, tetapi dihitung berdasarkan luas

penampang yang mengecil yang didapatkan setelah uji tarik.

7. Modulus Young

Merupakan ukuran kekakuan suatu material, semakin besar harga

modulus ini maka semakin kecil regangan elastis yang terjadi, atau

semakin kaku. Dari kurva tegangan regangan kita dapat menentukan

nilai modulus young dari kemiringan slope yang berada dalam garis

lurus atau E = tan α. Modulus ini ditentukan oleh gaya ikatan antar

atom sehingga tanpa adanya suatu proses perubahan struktur

bahan, nilai modulus ini konstan.

8. Modulus kelentingan ( Modulus of Resilience)

Kemampuan dari material untuk menyerap energi eksternal tanpa

terjadi deformasi. Nilai ini didapat dengan menghitung luas segitiga

area elastis kurva tegangan-regangan (daerah abu-abu).

Gambar 7. Modulus kelentingan sampel uji tarik

9. Modulus ketangguhan (Modulus of toughness)

Kemampuan material untuk menyerap energi hingga patah. Nilai ini

dihitung dari luas seluruh daerah dibawah kurva tegangan-regangan.

Gambar 8. Nilai modulus ketangguhan berdasarkan luas area

10. Kurva tegangan-regangan rekayasa dan sesungguhnya

Kurva tegangan-regangan rekayasa didasarkan atas dimensi

awal (luas area dan panjang) dari benda uji, sementara untuk

mendapatkan kurva tegangan-regangan seungguhnya diperlukan

luas area dan panjang aktual pada saat pembebanan setiap saat

terukur.

Perbedaan kedua kurva tidaklah terlalu besar pada regangan

yang kecil, tetapi 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 perhitungan

tegangan σ=P/Ao. Sementara pada kurva tegangan-regangan

sesungguhnya luas area aktual adalah selalu turun sehingga

terjadinya perpatahan dan benda uji mampu menahan peningkatan

tegangan karena σ=P/A.

Sehingga dapat ditentukan bahwa true stress adalah

σTrue = F / Ai

sedangkan true strain adalah

εTrue = ln li/lo

Hubungan antara σTrue dan εTrue dengan σ engineering dan ε

engineering adalah :

σTrue = σe (1 + εe)

dan

εTrue = ln (1+εe)

Gambar 9. Perbedaan antara kurva tegangan-regangan rekayasa dan

kurva tegangan regangan sesungguhnya

Karakteristik Perpatahan Material

Sifat ulet dan getas suatu material merupakan sifat inheren

yang berhubungan dengan sifat mekanis material. Material dikatakan

ulet jika mengalami deformasi plastis dan elastis sebelum terjadi

perpatahan dan material getas cenderung tidak mengalami deformasi

plastik dan langsung patah.

a. Perpatahan Ulet

1. Perpatahan ulet memiliki karakteristik permukaan patahan

yang berserabut (fibrous) dan gelap (dull) membentuk cup and

cone. Permukaan hasil patahan yang tidak rata

mengakibatkan pemantulan yang tidak sempurna sehingga

tidak bercahaya. Pada perpatahan ulet terdapat mekanisme

necking.

Gambar 10. Mekanisme terjadinya perpatahan ulet

Secara umum tahapan terjadinya perpatahan ulet pada

spesimen yang sedang mengalami pengujian tarik adalah

sebagai berikut:

Penciutan atau penyempitan awal

Pembentukan rongga-rongga kecil (cavity) pada bagian

tengah spesimen

Penyatuan rongga-rongga kecil tersebut membentuk

suatu retakan

Perambatan retak

Perpatahan geser akhir pada sudut 45º

2. Perpatahan Getas

Perpatahan getas memiliki ciri-ciri sebagai berikut:

Tidak ada atau sedikit sekali deformasi plastis yang terjadi

pada material

Retak/perpatahan merambat sepanjang bidang-bidang

kristalin membelah atom-atom material (transgranular).

Pada material lunak dengan butir kasar (coarse-grain)

maka dapat dilihat pola-pola yang dinamakan chevrons or

fan-like pattern yang berkembang keluar dari daerah awal

kegagalan.

Material keras dengan butir halus (fine-grain) tidak

memiliki pola-pola yang mudah dibedakan.

Material amorphous (seperti gelas) memiliki permukaan

patahan yang bercahaya dan mulus.

III. Metodologi Penelitian

III. 1. Alat dan Bahan

1. Universal Testing Machine, Servopulser Shimadzu kapasitas 30

ton

2. Caliper dan/atau mikrometer

3. Spidol permanent atau penggores (cutter)

4. Stereoscan macroscope

5. Sampel uji tarik (besi tuang, baja, tembaga dan aluminium)

I. III.2. Flow Chart Proses Pengujian

Menandai gauge length

Memasang sampel pada grip

START

Daftar Pustaka

1. ASM Metals Handbook, Volume 8 : Mechanical Testing

2. Callister, Jr, William D. 2007. Materials science and Engineering– An

Introduction 7e. New York: John Wiley & Sons, Inc.

3. Modul Praktikum Karakterisasi Material 1, DTMM FTUI

Melakukan pengujian material lain

Memasang sampel pada grip

Menandai

grafik UTS

Mulai penarikan & pengamatan

Mengamati karakteristik perpatahan & sketsa

Mengambil, mengukur &mencatat panjang dan diameter sampel hasil uji

SELESAI