Pengetahuan Dasar Uji Mekanik a Dan Fisika

Pengetahuan Dasar Uji Mekanik dan Fisika Halaman 1

BAB I PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Pengetahuan Dasar Uji Mekanika dan Fisika adalah pengenalan awal

untuk seorang Fungsional Penguji Mutu Barang untuk mengenal dan

mengetahui cara-cara menguji suatu material yang ada saat ini.

Pengetahuan ini diperlukan bagi seorang Penguji Mutu Barang (PMB)

tingkat Ahli Dasar sebagai panduan dasar dalam menganalisa suatu

material komoditi yang akan dan telah beredar di pasaran agar sesuai

dengan standar yang berlaku atau yang telah ditetapkan. PMB tingkat

Ahli adalah jabatan fungsional PMB yang dalam pelaksanaan

pekerjaannya didasarkan atas disiplin ilmu pengetahuan, metodologi

dan teknik pengujian tertentu, oleh karenanya seorang PMB tingkat

Ahli harus memiliki pengetahuan dasar yang cukup terutama dalam hal

disiplin ilmu pengetahuan, metodologi dan teknik pengujian yang ada.

B. Deskripsi Singkat

Mata diklat ini membahas tentang pengetahuan dasar uji mekanika

dan fisika meliputi struktur, Ikatan dan cacat pada logam perilaku

mekanik dan fisika material pengujian tidak merusak pada material.

C. Manfaat Bahan Ajar Bagi Peserta

Melalui bahan ajar ini peserta diklat sebagai calon fungsional PMB

tingkat Ahli dapat meningkatkan pengetahuan dan metodologi

mengenai teknik pengujian mekanik dan fisika yang ada.


D. Tujuan Pembelajaran

1. Kompetensi Dasar

Setelah mengikuti mata diklat ini diharapkan peserta diklat mampu menjelaskan

tentang prinsip dasar pengujian mekanik dan fisika yang dilakukan pada suatu

bahan material.

2. Indikator Keberhasilan

Peserta diklat memahami serta mengenal jenis-jenis pengujian mekanika dan

fisika yang ada.

E. Materi Pokok dan Sub Materi Pokok

1. Struktur, Ikatan dan Cacat pada Logam

A. Struktur atom dan ikatan logam

B. Struktur kristal logam

C. Cacat kristal

2. Perilaku Mekanik dan Fisika Material

A. Pendahuluan.

B. Konsep tegangan dan regangan

C. Pengujian tegangan

D. Deformasi elastis

E. Deformasi plastis

F. Sifat tarik

G. Keuletan

H. Ketahanan

I. Ketangguhan

J. Pemulihan Elastis Setelah Deformasi Plastis

K. Kekerasan

L. Hubungan Antara Kekerasan dan Kekuatan Tarik

3. Pengujian Tidak Merusak pada Material

A. AET - Acoustic Emission Testing

B. ART - Acoustic Resonance Testing

C. ET - Electromagnetic Testing


D. IRT - Infrared Testing

E. LT - Leak Testing

F. MT - Magnetic Particle Testing

G. PT - Dye Penetrant Testing

H. RT - Radiographic Testing

I. UT - Ultrasonic Testing

J. VT - Visual Testing (VI - Visual Inspection)


BAB II STRUKTUR, IKATAN DAN CACAT PADA

LOGAM

A. Struktur Atom dan Ikatan Logam

Sebelumnya kita telah mengetahui cara-cara mengklasifikasi suatu material.

Pembahasan berikut hanya akan menekankan material yang bersifat padatan

(solid) dan pembahasan di utamakan untuk logam. Logam banyak digunakan

karena memiliki berbagai sifat seperti kuat, lentur, titik leleh yang tinggi,

konduktivitas panas dan listrik yang baik dan tangguh. Sama seperti unsur-unsur,

logam-logam juga terdiri dari atom-atom. Kekuatan pada logam berasal dari

ikatan antar atom yang berikatan sangat kuat. Tetapi ikatan ini juga membiarkan

atom-atom dari logam untuk bergerak, sehingga logam-logam dapat dibentuk

menjadi lembaran atau kawat.

Gambar 2.1. Ikatan logam

Model diatas menunjukkan atom-atom terikat bersama ikatan yang

terdelokalisasi tetapi ikatan tersebut tetap kuat. Ikatan ini dapat terjadi antar

atom-atom logam yang memiliki elektronegativitas yang tinggi dan tidak menarik

elektron valensinya dengan kuat. Hal ini mengakibatkan elektron terluar dapat

dipakai oleh atom disekitarnya, menghasilkan ion-ion positif (kation) yang

Indikator keberhasilan:

Setelah mengikuti pembelajaran ini peserta diklat diharapkan mampu :

1. Memahami bentuk struktur atom dan ikatan dari logam. 2. Memahami susunan dasar dari kristal logam. 3. Memahami bentuk cacat pada struktur logam.


dikelilingi oleh lautan elektron atau lebih dikenal dengan “awan elektron”.

Berbeda dengan ikatan atom unsur lainnya yang ikatannya terjadi antar satu atau

dua atom, logam dikatakan tidak memiliki ikatan yang sejati antar atomnya

karena elektron-elektron valensi dari tiap-tiap atom digunakan secara bersama

oleh atom lainnya sehingga ikatan logam lebih kuat dan seragam. Pada suhu

diatas titik lelehnya logam akan mencair dan jika didinginkan maka atom-

atomnya akan menyusun kembali akan kembali membentuk padatan.

Logam memiliki struktur atom raksasa yang terikat dengan ikatan logam.

“Raksasa” disini menujukkan besarnya variabel yang terlibat didalamnya dan

bergantung pada ukuran logamnya. Kebanyakan logam memiliki susunan atom

yang padat dan berusaha memuat sebanyak mungkin atom dalam volume yang

tersedia.

Gambar 2.2. Susunan padat dari atom logam

B. Struktur Kristal Logam

Untuk membentuk ikatan logam yang sangat kuat, logam disusun bersama-sama

serapat mungkin. Ada beberapa cara penyusunan dari atom-atomnya. Jika kita

umpamakan atom-atom yang menyusun logam adalah kelereng, kemudian

kelereng-kelereng tersebut kita susun dalam sebuah kotak. Kelereng-kelereng

tersebut akan menempati bagian bawah kotak dengan membentuk barisan yang

teratur dan rapi, demikian diikuti oleh barisan kedua dan seterusnya. Lapisan

kedua kelereng tidak dapat menempati langsung ruang kosong tepat di atas

kelereng lapisan pertama sehingga deretan kelereng di lapisan ini bergerak ke

dalam ruang antara kelereng dari lapisan pertama. Lapisan kelereng pertama A

dan lapisan kedua B akan membentuk lapisan AB jika digabungkan.


Gambar 2.3. Susunan lapisan A dan B menyusun diri dengan mengisi ruang

kosong semaksimal mungkin agar memiliki struktur yang padat

Saat akan menyusun lapisan ke tiga juga harus tepat. Atom pada lapis ke tiga

akan bersarang di cekungan antara atom-atom di lapisan kedua dengan dua

cara. Jika kelereng baris ke tiga disusun seperti pada baris pertama A, maka

pengaturannya akan digambarkan sebagai ABA. Jika disusun terus hingga

menjadi ABABAB maka susunan tersebut biasa disebut dengan susunan

hexagonal close packing (HCP).

Gambar 2.4. Susunan hexagonal close packing (HCP)

Jika baris atom dikemas dalam lapisan ketiga tidak berada dalam bentuk lapisan

A atau B, maka lapisan ketiga disebut C. Urutan susunannya akan menjadi

ABCABC, dan bentuk ini dikenal sebagai kubik berpusat muka atau face-

centered cubic (FCC). Pengaturan seperti ini memberikan kemasan atom yang

saling berdekatansehingga hanya meninggalkan sekitar seperempat ruang yang

tersedia kosong.


Gambar 2.5. Susunan face-centered cubic (FCC)

Pengulangan susunan terkecil dari atom dalam kristal disebut sel satuan. Dalam

pengaturan FCC, ada delapan atom di sudut sel unit dan satu atom berpusat di

setiap wajah. Atom di wajah berbagi dengan sel yang berdekatan. Unit sel FCC

terdiri dari empat atom, seperdelapan di delapan di sudut-sudut dan setengah di

enam bagian di wajah.

Gambar 2.6. Jumlah atom penyusun satu unit sel FCC

Susunan pengaturan ketiga yang umum pada logam adalah kubik berpusat-

badan atau body-centered cubic (BCC). Sel satuan BCC memiliki atom pada

masing-masing delapan sudut kubus plus satu atom di pusat kubus. Karena

setiap atom di sudut adalah atom untuk sudut kubus lain, atom di setiap sudut sel

satuan akan dibagi di antara delapan sel unit.


Gambar 2.7. Susunan body-centered cubic (BCC)

Sel satuan BCC terdiri dari total bersih dari dua atom, sebuah yang ada di pusat

dan seperdelapan di delapan sudut-sudut.

Gambar 2.8. Jumlah atom penyusun satu unit sel BCC

Dibawah ini adalah bentuk beberapa kristal unsur logam pada suhu kamar.

Tabel 2.1. Struktur kristal beberapa logam pada suhu kamar

Nama Unsur

Logam

Struktur

Kristal

Nama Unsur

Logam

Struktur

Kristal

Aluminum FCC Nikel FCC

Kadmium HCP Niobium BCC

Kromium BCC Platinum FCC

Kobalt HCP Perak FCC

Tembaga FCC Titanium HCP

Emas FCC Vanadium BCC

Besi BCC Seng HCP


Timah FCC Zirconium HCP

Magnesium HCP

Saat atom suatu logam cair mulai menyusun bersama untuk membentuk kisi

kristal pada titik bekunya, kelompok-kelompok dari atom-atom ini akan

membentuk suatu kristal kecil. Kristal kecil ini akan bertambah ukurannya dengan

bertambahnya atom terus-menerus saat terjadi pendinginan.Padatan kristal yang

dihasilkan tidak menghasilkan satu kristal kristal saja tapi menghasilkan banyak

kristal-kristal kecil yang disebut butiran (grains).

Gambar 2.9. Pertumbuhan kristal menghasilkan butiran

Butiran-butiran kristal ini akan tumbuh sampai mereka menimpa atau

berlanggaran dengan kristal yang tumbuh berdekatan. Antarmuka yang terbentuk

antara butiran kristal disebut batas butir (grain boundary). Suatu butiran kadang-

kadang cukup besar untuk terlihat di bawah mikroskop cahaya biasa atau bahkan

dengan kasat mata.

Gambar 2.10. Bentuk butiran logam pada pengamatan dengan mikroskop

pembesaran berbeda-beda

Pengetah

C. Caca

Krist

ikata

garis

1. C(v

s

s

P

2. Cs

d

te

y

huan Dasar U

at Kristal

al pada lo

an antar ato

s besar terd

Cacat titik,

vacancies),

ering terjad

ecara acak

Proses difus

Cacat garebagaiman

idefinisikan

erganggu o

ang sempu

Uji Mekanik d

ogam tidakl

om-atom d

dapat tiga je

, terdapat

, dimana s

di terutama

k dan atom

si hanya da

is, terdap

na mestiny

n sebagai c

oleh suatu s

urna tersebu

dan Fisika

lah sempu

an pada pe

enis cacat k

ruang kos

sebuah ata

a pada suh

m-atom aka

apat terjadi

Gambar

pat kumpu

a dan bia

cacat dima

susunan ato

ut.

Gambar 2

rna. Terka

ermukaan

kristal, yaitu

song yang

u lebih ato

hu tinggi ke

an tersebu

karena ada

2.11. Caca

ulan atom

sanya dise

ana dua da

om kristal y

2.12. Cacat

adang pada

kristalnya t

u :

g biasa dis

om yang h

etika atom

ut meningg

anya kekoso

at titik

yang ter

ebut denga

aerah dari

yang tidak s

t garis.

a susunan

terdapat ca

sebut den

hilang. Cac

sering ber

alkan kisi-

ongan terse

rsusun de

an dislokas

kristal yan

sejajar deng

Halaman 1

atom-atom

acat. Secar

gan lowon

at ini palin

rubah posi

kisi kosong

ebut.

engan tida

si. Disloka

g sempurn

gan susuna

10

m,

ra

ng

ng

si

g.

ak

si

na

an


Dislokasi memiliki gerak analog dengan gerakan ulat. Ulat tersebut harus

mengerahkan kekuatan besar untuk menggerakkan seluruh tubuhnya sekaligus,

sehingga ulat akan menggerakan sebagian kecil belakang tubuhnya ke depan

yang kemudian menciptakan punuk. Punuk kemudian bergerak ke depan hingga

akhirnya seluruh tubuh bergerak ke depan.

Ada dua jenis sederhana dari dislokasi, yaitu:

- Dislokasi tepi (Edge dislocation),

Gambar 2.13. Pergerakan dislokasi tepi.

Seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas, dislokasi bergerak sedikit pada

suatu waktu. Dislokasi bergerak persatu bidang kearah kanan dari posisi gambar

(a) ke posisi pada gambar (b) dan akhirnya gambar (c). Dalam proses tergelincir

dari satu bidang ke bidang lainnya, dislokasi tersebut akan menjalar di seluruh

kristal. Gerakan bidang dislokasi pada akhirnya menyebabkan pergerakan

seluruh bagian atas kristal terhadap setengah bidang kristal di bawahnya.

Namun, hanya sebagian kecil dari ikatan yang putus pada waktu itu. Gerakan

dengan cara ini membutuhkan kekuatan yang jauh lebih kecil dibandingkan

memutuskan semua ikatan di tengah bidang secara bersamaan.

Pengetah

‐ D

Dislo

ener

Perb

tepi

terse

bidan

terjad

bersi

akhir

3. Cte

g

tu

u

p

w

p

s

b

d

huan Dasar U

Dislokasi u

okasi denga

gi yang l

bedaannya

pemutusan

ebit ke bida

ng geser a

di secara s

ifat pararel

rnya akan s

Cacat planaerjadi karen

angguan i

umpuk (sta

rutan beb

erubahan

wilayah kem

ada satu a

usun dapa

agaimana

ari pemba

Uji Mekanik d

lir (Screw

Gamb

an cara ini

ebih kecil

hanya terle

n ikatan a

ang disebel

akan berges

spontan saa

terhadap a

sama.

ar, terjadi p

na adanya

ni akan m

cking fault)

berapa ato

jarak atom

mbar. Sala

atau dua lap

t terjadi pa

terjadinya

hasan seb

dan Fisika

dislocation

bar 2.14. P

sama deng

dibanding

etak pada p

atom terjad

ahnya, sed

ser kearah

at perpinda

arah tegang

pada permu

a gangguan

menghasilka

) dan (2) da

om akan

m pada be

h tumpuk

pisan dalam

ada struktu

pada struk

belumnya b

n),

ergerakan

gan disloka

gkan haru

pemutusan

di seiring

dangkan pa

dislokasin

han sehing

gan. Perge

ukaaan hom

n pada sus

an dua jen

aerah kemb

menghasil

eberapa b

terjadi kar

m urutan tu

r kristal, te

ktur yang p

bahwa stru

dislokasi ul

asi tepi dim

s memutu

ikatannya

dengan pe

ada disloka

nya tetapi p

gga pergera

erakan dislo

mogen anta

sunan urut

nis cacat k

bar (twin re

lkan salah

idang atom

rena adany

umpukan d

etapi paling

padat. Seb

ktur FCC

lir.

mana hanya

uskan selu

dimana pa

erpindahan

asi ulir atom

pemutusan

akan pada

okasi ulir da

ar butir mat

tan atom-a

kristal, yaitu

gion). Peru

h tumpuk

m akan m

ya ganggu

ari bidang

g mudah u

bagai conto

memiliki st

Halaman 1

a dibutuhka

uruh ikatan

ada disloka

atom-atom

m-atom pad

ikatan tida

dislokasi u

an tepi pad

terial. Hal i

atom. Akiba

u: (1) sala

ubahan pad

sedangka

menghasilka

an susuna

atom. Sala

ntuk diama

oh, diketah

truktur yan

12

an

n.

si

m

da

ak

lir

da

ni

at

ah

da

an

an

an

ah

ati

ui

ng


berbeda dari struktur HCP hanya dari urutan penumpukkannya. Baik HCP

dan FCC, dua lapisan awalnya memiliki urutan yang sama, yaitu AB. Jika

lapisan ketiganya A maka urutannya akan menjadi ABA yaitu struktur HCP,

dan susunannya menjadi ABABABAB. Namun jika atom lapisan ketiga C

maka urutannya akan menjadi ABC yaitu struktur FCC. Jadi jika struktur HCP

berubah menjadi ABABABCABAB, maka telah terjadi salah susun. Demikian

juga pada susunan FCC dengan pola ABCABCABC. Salah susun dalam

sebuah struktur FCC akan muncul jika salah satu bidang C hilang, sehingga

susunannya akan menjadi ABCABCAB_ABCABC. Jika salah susun tidak

segera melakukan koreksi diri tetapi sampai beberapa bidang atom, maka

akan menghasilkan salah susun kedua yang mirip dengan lapisan pertama.

Misalnya jika pola penumpukan ABABABAB tetapi berubah menjadi

ABCABCABC untuk jangka waktu tertentu sebelum beralih kembali ke

ABABABAB, hal itu menyebabkan terbentuknya salah susun kembar (twin).

Daerah yang digaris bawahi pada urutan penumpukan yang terjadi

ABCABCACBACBABCABC adalah bidang kembar dan batas-batas

kembarnya adalah bidang A.

Gambar 2.15. Cacat planar menghasilkan daerah kembar (twin).

D. Rangkuman

1. Ikatan logam terjadi karena atom-atom dari logam terikat bersama dengan

ikatan yang terdelokalisasi. Ikatan ini dapat terjadi antar atom-atom logam

yang memiliki elektronegativitas yang tinggi dan tidak menarik elektron

valensinya dengan kuat. Hal ini mengakibatkan elektron terluar dapat dipakai


oleh atom disekitarnya, menghasilkan ion-ion positif (kation) yang dikelilingi

oleh lautan elektron atau lebih dikenal dengan “awan elektron”.

2. Struktur umum kristal logam adalah hexagonal close packing (HCP), face-

centered cubic (FCC) dan body-centered cubic (BCC). Strukturnya

bergantung dari n susunan atom-atom pada tiap lapisanya.

3. Jumlah atom pada unit sel FCC adalah 4 atom dan pada BCC adalah 2 atom.

4. Pada kristal logam dapat terjadi cacat:

- Cacat titik

- Cacat garis

- Cacat planar

5. Cacat titik terjadi karena terdapat ruang kosong yang biasa disebut dengan

lowong (vacancies), dimana sebuah atau lebih atom yang hilang.

6. Terdapat kumpulan atom yang tersusun dengan tidak sebagaimana mestinya

dan biasanya disebut dengan dislokasi. Dislokasi didefinisikan sebagai cacat

dimana dua daerah dari kristal yang sempurna terganggu oleh suatu susunan

atom kristal yang tidak sejajar dengan susunan yang sempurna tersebut. Ada

dua jenis sederhana dari dislokasi, yaitu:

‐ Dislokasi tepi (Edge dislocation)

‐ Dislokasi ulir (Screw dislocation)

7. Cacat planar terjadi pada permukaaan homogen antar butir material. Hal ini

terjadi karena adanya gangguan pada susunan urutan atom-atom. Cacat

planar ada dua jenis yaitu:

‐ Salah tumpuk (stacking fault)

‐ Daerah kembar (twin region).

E. Latihan

Jawablah / kerjakan soal latihan berikut:

1. Mengapa ikatan logam membentuk ikatannya dengan cara terdelokalisasi?

Gambarkan ikatannya! 2. Tuliskan struktur kristal logam dari :

- Aluminum - Nikel - Perak


- Titanium - Emas - Besi

3. Gambarkan dislokasi tepi dan ulir! 4. Apa yang disebut dengan daerah kembar?


BAB III PERILAKU MEKANIK DAN FISIKA

MATERIAL

A. Pendahuluan

Material adalah suatu substansi yang dapat dibuat dan dimodifikasi

komposisinya. Sejak peradaban manusia dimulai, material dan energi secara

bersama-sama digunakan oleh manusia untuk meningkatkan taraf hidup.

Material berada dimana-mana disekitar kita. Beberapa material yang umum yang

biasa dilihat sehari-hari diantaranya kayu, beton, batu bata, plastik, kaca,

aluminum, tembaga ,kertas dan masih banyak jenis material yang ada disekitar

kita. Dengan semakin banyaknya penelitian yang dilakukan, maka semakin pesat

penemuan material baru saat ini.

Ini adalah suatu keahlian dasar yang wajib dimiliki oleh seorang penguji mutu

barang untuk memahami bagaimana berbagai sifat mekanik dan fisika dapat

diukur dan sifat ini mewakili untuk apa, fungsional penguji mutu barang mungkin

diminta untuk mengawasi suatu struktur / komponen dari suatu komoditi

berbahan dasar logam yang telah ditentukan dan telah memperhatikan faktor

tertentu sehingga tingkat deformasi dan atau kegagalan material tidak akan

merugikan orang banyak. Banyak materi, ketika dalam pemakaian akan menjadi

sasaran kekuatan atau beban; contohnya pada pisau di timbangan meja yang

terbuat dari besi karbon yang didisain memiliki kekerasan tertentu dan pelat baja

yang digunakan dalam pembuatan tangki timbun dan tutsit.

Dalam situasi seperti itu diperlukan untuk mengetahui karakteristik material dan

untuk merancang bagian per bagian bagian dari alat tersebut dibuat sedemikian

rupa sehingga apapun yang dihasilkan deformasi dan pengaruh dari lingkungan


Setelah mengikuti pembelajaran ini peserta diklat diharapkan dapat memahami sifat-sifat mekanika.


yang terjadi tidak akan berlebihan dan tidak akan mengubah karakteristik dari

material yang akan digunakan.

Perilaku mekanik suatu material mencerminkan hubungan antara respon atau

deformasi ke beban yang diterapkan atau kekuatan yang diberikan. Beberapa

sifat mekanik yang penting adalah kekuatan, kekerasan, keuletan, dan kekakuan.

Sifat mekanis bahan harus dipastikan dengan hati-hati dan dilakukan

perancangan dan pengujian dengan kondisi pemakaian.

Gambar 3.1. Pisau penunjuk dan bantalannya pada timbangan meja.

Faktor-faktor yang harus dipertimbangkan termasuk sifat beban yang akan

diterima, lama pemakaian serta kondisi lingkungan. Hal ini dimungkinkan untuk

beban yang akan mengalami beban tarik, tekan, atau geser, dan besarnya

mungkin akan terus-menerus pada waktu tertentu, atau mungkin beban yang

diberikan berfluktuasi terus menerus. Aplikasi waktu mungkin hanya sepersekian

detik, atau mungkin bisa berlangsung selama bertahun-tahun. Selain itu

pengaruh suhu pemakaian dapat menjadi faktor penentu lainnya.


Gambar 3.2. Korosi pada tangki silinder.

Sifat mekanik dari suatu bahan material akan penting bagi beberapa pihak

(misalnya, produsen dan konsumen dari suatu bahan material, organisasi

penelitian, lembaga pemerintah) yang akan berbeda tingkat kepentingannya.

Akibatnya, sangat penting akan ada konsistensi dalam cara suatu tes dilakukan,

dan dalam interpretasi hasil dari suatu pengujian. Konsistensi ini dilakukan

dengan menggunakan teknik pengujian yang telah di standarkan. Pengadaan

dan publikasi standar ini sering dikoordinasikan oleh masyarakat profesional. Di

Amerika Serikat organisasi yang paling aktif adalah American Society for Testing

and Materials (ASTM). Referensi dalam pengujian dan pemilihan material di

Indonesia sebagian masih menggunakan acuan dari ASTM.

B. Konsep Tegangan dan Regangan

Jika suatu benda mengalami sebuah beban statis atau terjadi perubahan yang

relatif lambat dengan waktu dan beban diberikan secara seragam pada daerah

melintang pada permukaan benda uji, perilaku mekaniknya dapat diprediksi oleh

tes tegangan-regangan sederhana. Cara inilah yang paling sering dilakukan

untuk logam pada suhu kamar. Ada tiga cara utama di mana beban dapat

diterapkan: yaitu, ketegangan, kompresi, dan geser. Dalam penerapan secara

teknik, kebanyakan beban bersifat torsional ketimbang gaya geser murni, jenis

pembebanan ini diilustrasikan pada gambar dibawah ini.


Gambar 3.3. (a) Skema ilustrasi bagaimana suatu beban tarik menghasilkan

perpanjangan (elongasi) dan tegangan linier positif. Garis putus-putus

menunjukkan mengambarkan bentuk awal sebelum terjadinya deformasi,

sedangkan garis tebal menunjukkan keadaan setelah terdeformasi. (b) Skema

ilustrasi bagaimana suatu beban tekan menghasilkan kontraksi dan

menghasilkan tegangan linier negatif. (c) Representasi skematik dari tegangan

geser γ, dimana γ = tan θ. (d) Skema ilustrasi dari deformasi torsional (dengan

sudut puntir Φ) yang dihasilkan dari momen T yang diberikan.

C. Pengujian Tegangan

Salah satu pengujian mekanis tegangan-regangan yang paling umum dilakukan

adalah pengujian tegangan. Akan kita lihat nanti bagaimana uji tegangan dapat

digunakan untuk menentukan beberapa sifat mekanik dari bahan yang penting

dalam desain produk. Suatu specimen uji dideformasi hingga patah dengan

beban tarik yang meningkat secara bertahap yang diterapkan di sepanjang

sumbu uniaksial dari panjang spesimen. Sebuah spesimen tarik dibuat seperti


pada gambar 3.4. Biasanya, potongan penampang dari spesimen uji dibuat

berbentuk melingkar, tetapi spesimen berbentuk persegi panjang juga bisa

digunakan. Bentuk “tulang anjing” ini dipilih karena pada saat terjadi deformasi

selama pengujian, deformasi akan terjadi pada wilayah tengah pusat yang sempit

(yang memiliki sayatan melintang seragam sepanjang spesimen), dan juga untuk

mengurangi kemungkinan patahan pada ujung spesimen. Diameter standarnya

adalah sekitar 12,8 mm, sedangkan penurunan panjang bagian umumnya sekitar

empat kali diameter ini atau sekitar 60 mm.

Gambar 3.4. Spesimen uji standar bentuk sayatan melintang yang melingkar.

Perubahan panjang gauge digunakan untuk perhitungan keuletan material nilai

standarnya adalah 50 mm.

Gambar 3.5. Skema alat uji beban tarik.

Spesimen dipasang pada penjepit pada alat uji tarik (Gambar 3.5). Mesin uji tarik

dirancang untuk membuat spesimen memanjang dengan laju yang konstan, terus

menerus dan sekaligus mengukur secara terus menerus beban yang diterapkan

sesaat (dengan load cell) dan elongasi yang dihasilkan (menggunakan

extensometer). Sebuah tes tegangan-regangan biasanya memakan waktu untuk


melakukan dan pengujiannya bersifat merusak karena benda uji akan secara

permanen cacat dan biasanya retak. Pengujian ini berdasarkan Standar ASTM E

8 dan 8M E.

Output dari uji tarik akan tercatat (biasanya pada komputer) sebagai beban atau

gaya terhadap elongasi. Karakteristik deformasi – beban ini bergantung pada

ukuran specimen uji. Contohnya, akan dibutuhkan dua kali beban untuk

menghasilkan perpanjangan yang sama jika luas penampang specimen dibuat

dua kalinya. Untuk meminimalkan faktor geometri, beban dan elongasi

dinormalisasi dengan menggunakan parameter tegangan dan regangan teknis

masing-masing. Tegangan teknis didefinisikan oleh hubungan

di mana F adalah beban seketika yang diterapkan ke spesimen secara tegak

lurus, dinyatakan dalam satuan newton (N), dan A0 adalah bidang yang belum

mengalami beban (m2). Unit untuk tegangan teknis (selanjutnya hanya disebut

tegangan) adalah megapascal, MPa (SI) (di mana 1 MPa = 106 N/m2). Regangan

teknis didefinisikan dengan

di mana l0 adalah panjang asli sebelum beban ditambahkan, dan li adalah

perubahan panjangnya. Kadang selisih l0 - li dinotasikan dengan Δl. Regangan

teknis (selanjutnya disebut regangan) tidak berunit, tetapi kadang dinyatakan

dalam meter per meter sering digunakan, nilai dari regangan kenyataannya tidak

bergantung dari unit sistem. Kadang regangan dinyatakan sebagai persentase

yang mana nilai regangan dikalikan dengan 100.

1. Uji Tekan

Pengujian tegangan-regangan tekan dapat dilakukan jika gaya yang diterapkan

masuk dalam beban kerjanya. Uji tekan dilakukan dengan cara yang sama

dengan uji tarik, kecuali gaya yang diberikan adalah gaya tekan dan spesimen

mengalami kontak sepanjang arah tegangan.


Gambar 3.6. Alat Uji Tekan.

Persamaan tekanan dan regangan digunakan untuk menghitung tegangan tekan

dan regangan tekan. Menurut konvensi, kekuatan tekan diberi notasi negatif,

dimana akan menghasilkan tegangan negatif. Selain itu, karena l0 lebih besar

dari li, regangan tekan yang dihitung akan menghasilkan tegangan yang bernilai

negatif. Uji tarik lebih umum dilakukan karena lebih mudah untuk dilakukan dan

juga, untuk bahan yang paling banyak digunakan dalam aplikasi struktural, hanya

sedikit informasi tambahan yang diperoleh dari hasil pengujian tekan.

2. Uji Geser dan Torsi

Untuk pengujian menggunakan beban geser murni seperti pada gambar 3.1.c,

tegangan geser (τ) dapat dicari dengan menggunakan persamaan

Dimana F adalah beban atau gaya yang dikenakan sejajar dengan bagian

permukaan atas dan bawah masing-masing yang memiliki wilayah seluas A0.

Tegangan geser γ didefinisikan sebagai tangen dari sudut regangan θ. Unit untuk

tegangan dan regangan geser sama seperti bentuk tarik mereka. Gaya torsi

adalah variasi dari gaya geser murni, dimana saat bagian struktural berkerut

seperti pada Gambar 3.3.d, gaya torsi akan menghasilkan gerak rotasi terhadap

sumbu longitudinal disalah satu ujung bagian relatif terhadap ujung lainnya.

Contoh dari gaya torsi dapat ditemukan pada as mesin dan poros kardan, dan


juga untuk alat bor. Pengujian torsi biasanya dilakukan pada poros silinder yang

padat atau pada tabung. Tegangan geser τ adalah fungsi dari putaran yang

diberikan T, dimana regangan geser γ berhubungan dengan putaran sudut yang

terjadi Φ, seperti pada gambar 3.3.d.

D. Deformasi Elastis

Tingkat dimana suatu struktur terdeformasi atau meregang bergantung pada

besarnya suatu tekanan yang diakibatkan. Untuk sebagian besar logam yang

ditekan dan pada tingkat tegangan yang relatif rendah, tegangan dan regangan

sebanding satu dengan lainnya melalui hubungan,

Ini dikenal sebagai hukum Hooke, dan konstanta proporsionalitas E (GPa atau

psi) adalah modulus elastisitas, atau modulus Young. Untuk logam-logam

tertentu nilainya berkisar antara 45 GPa untuk magnesium, dan 407 GPa untuk

tungsten. Nilai modulus elastisitas untuk beberapa logam pada suhu kamar dapat

dilihat pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1. Modulus Geser, Elastis dan Rasio Poisson

untuk Beberapa Jenis Logam Paduan

Deformasi di mana tegangan dan regangan terjadi secara proporsional disebut

deformasi elastis. Pada diagram dibawah terjadi hubungan linear antara

tegangan (ordinat) terhadap regangan (absis),


Gambar 3.7. Skema diagram tegangan – regangan menunjukkan deformasi

elastis linier saat siklus pembebanan dan pelepasan beban.

Kemiringan dari slope diagram tegangan regangan dapat digunakan untuk

menunjukkan modulus elastisitas E. Pada diagram diatas terlihat bahwa material

tersebut bersifat kaku atau material tersebut tahan terhadap deformasi elastis.

Semakin besar modulusnya, semakin kaku bahan tersebut, atau regangan elastis

yang terjadi lebih kecil saat diberikan suatu tegangan tertentu. Modulus

elastisitas merupakan parameter penting dari suatu desain yang digunakan untuk

menghitung defleksi elastis suatu material.

Deformasi elastis bersifat tidak permanen, yang berarti bahwa ketika beban yang

diterapkan dilepaskan, material akan kembali ke bentuk awalnya. Seperti yang

ditunjukkan dalam gambar 3.7, saat spesimen uji di beri beban maka diagramnya

akan bergerak sesuai sepanjang garis lurus dan setelah beban dilepaskan, maka

diagramnya akan kembali berlawanan arah dari arah naiknya dan kembali ke

asal.

Ada beberapa material (misalnya, besi cor kelabu, beton, dan polimer) memiliki

bentuk kurva tegangan-regangan yang tidak linier, sehingga untuk menentukan

modulus elastisitasnya tidak dapat ditentukan seperti pada gambar 3.7.

Untuk material dengan sifat nonlinier ini, modulus elastisitasnya dapat diperoleh

dengan menggunakan modulus tangen atau sekan. Modulus tangent diambil

sebagai kemiringan kurva tegangan-regangan pada beberapa tingkat tegangan


tertentu, sementara modulus sekan merupakan kemiringan garis potong awal ke

beberapa titik dari kurva σ - Є seperti pada gambar 3.8.

Gambar 3.8. Skema diagram tegangan – regangan yang menunjukan sifat

elastisitas non-linier, dan cara mencari modulus sekan dan tangennya.

E. Deformasi plastis

Untuk kebanyakan bahan logam, deformasi elastis pada saat regangan hanya

terjadi sekitar 0,005. Saat material terdeformasi melewati titik ini, tegangan tidak

lagi proporsional terhadap regangan (hukum Hooke tidak dapat digunakan lagi

disini), dan terjadi perubahan permanen, atau deformasi palstis terjadi. Gambar

3.9.a menggambarkan skematis periaku tarik tegangan-regangan untuk

beberapa logam saat masuk ke wilayah plastis.

Transisi dari elastis ke plastik terjadi secara bertahap bagi sebagian besar logam,

beberapa terdapat hasil kurva yang melengkung pada awal terjadinya deformasi

plastik, yang meningkat lebih cepat dengan meningkatnya tegangan. Dari

perspektif atom, deformasi plastik terjadi dengan memutuskan ikatan dengan

atom tetangga aslinya dan kemudian membentuk ikatan baru dengan atom

tetangga. Hal ini terjadi terus menerus pada saat tegangan diberikan karena

sejumlah besar atom atau molekul bergerak relatif terhadap satu sama lain, dan

pada saat tegangan dilepaskan mereka tidak kembali ke posisi semula.


Gambar 3.9. a) Bentuk khas dari perilaku logam untuk menunjukkan deformasi

elastis dan plastis, batas proporsionalnya P, dan kekuatan luluh ditentukan

menggunakan metode offset 0,002 regangan. (b) Perwakilan dari perilaku

tegangan-regangan pada beberapa baja menunjukkan adanya fenomena titik

luluh.

F. Sifat Tarik

1. Batas Luluh dan Kekuatan Luluh

Kebanyakan struktur dirancang untuk memastikan bahwa hanya deformasi

elastis yang akan terjadi ketika tegangan diterapkan. Sebuah struktur atau

komponen yang telah mengalami deformasi plastis, atau mengalami perubahan

permanen, tidak dapat digunakan seperti fungsi awal yang diinginkan sebelum

perubahan tersebut terjadi. Oleh karena perlu diketahui pada tingkat tegangan

mana deformasi plastik dimulai, atau dimana fenomena batas luluh terjadi. Untuk

logam, transisi elastis – plastis terjadi secara bertahap, titik luluh dapat

ditentukan saat terjadi perubahan linearitas dari kurva tegangan-regangan, batas

ini kadang-kadang disebut batas proporsional, seperti ditunjukkan oleh titik P

pada Gambar 3.9.a. Dalam kasus seperti ini posisi titik ini mungkin tidak

ditentukan dengan tepat. Sebagai konsekuensi, telah disepakati konvensi dimana

garis lurus dibangun sejajar dengan bagian elastis dari kurva tegangan-regangan

di beberapa regangan offset tertentu, biasanya 0,002. Tegangan yang terletak

pada persimpangan garis pada kurva tegangan-regangan saat garis tersebut


melengkung pada wilayah plastis akan didefinisikan sebagai kekuatan luluh. Ini

ditunjukkan dalam Gambar 3.9.a dan unit dari kekuatan luluh adalah MPa atau

psi. Untuk material yang memiliki wilayah elastis nonlinier (Gambar 3.8),

penggunaan metode regangan offset tidak mungkin dilakukan, digunakan

beberapa pengujian untuk mendefinisikan kekuatan luluh dengan memberikan

beberapa tegangan untuk menghasilkan beberapa regangan (misalnya dengan

menggunakan Є = 0.005).

Beberapa baja dan bahan lainnya menunjukkan perilaku tegangan-regangan

tarik sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 3.9.b. Transisi elastis – plastis

dapat terjadi secara tiba-tiba dan hal ini biasa disebut sebagai fenomena batas

luluh. Pada batas luluh atas, deformasi plastik dimulai dengan penurunan aktual

dari tegangan. Deformasi lanjutannya hanya berfluktuasi sedikit dan nilainya

hampir konstan dengan nilai tegangan (disebut titik luluh bawah). Tegangan

kemudian akan meningkat dengan meningkatnya regangan. Untuk logam yang

menampilkan pengaruh ini, kekuatan luluhnya diambil sebagai dari rata-rata

tegangan yang berhubungan dengan titik luluh bawah, karena nilainya terdefinisi

dengan baik dan relatif tidak sensitif terhadap pengujian. Sehingga tidak perlu

diterapkan metode regangan offset untuk material seperti ini.

Besarnya kekuatan luluh pada logam adalah menjadi ukuran ketahanan terhadap

terjadinya deformasi plastis. Kekuatan luluhnya dapat berkisar dari 35 MPa (5000

psi) untuk aluminum berkekuatan rendah hingga lebih dari 1400 MPa (200,000

psi) untuk baja kekuatan tinggi.

2. Kekuatan Tarik

Setelah meluluh, tegangan diperlukan meningkatkan laju deformasi plastis logam

hingga titik maksimum M (Gambar 3.9), dan kemudian menurun pada saat putus

F. Kekuatan tarik (dalam MPa atau psi) adalah tegangan maksimum pada kurva

tegangan-regangan teknis (Gambar 3.10). Ini sesuai dengan tegangan

maksimum yang dapat diterima oleh struktur material pada saat tegang, jika stres

ini terus diberikan maka akan terjadi fenomena patah. Semua deformasi yang

terjadi pada saat ini bersifat seragam di seluruh wilayah spesimen tarik.


Namun saat tegangan maksimum dilewati, penyempitan kecil atau terjadinya

leher pada spesimen di beberapa titik, deformasi selanjutnya terkonsentrasi di

daerah ini, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.10. Fenomena ini disebut

"necking," dan patahan akhirnya terjadi pada leher ini. Kekuatan untuk patah

sesuai dengan tegangan yang diberikan saat akan patah.

Gambar 3.10. Sifat teknis khas dari tegangan – regangan hingga patah di titik F.

Kekuatan tarik TS berada di titik M. Gambar dalam lingkaran di kurva mewakili

geometri saat spesimen terdeformasi pada berbagai titik sepanjang kurva.

Kekuatan tarik dapat bervariasi, untuk aluminium antara 50 MPa hingga setinggi

3000 MPa untuk baja kekuatan tinggi. Biasanya, dalam perencanaan

penggunaan logam, kekuatan yang digunakan adalah kekuatan pada batas

luluhnya. Ini karena pada saat tegangan yang diberikan sesuai dengan kekuatan

tariknya, sering strukturnya telah mengalami begitu banyak deformasi plastic

sehingga hal itu tidak banyak lagi gunanya untuk digunakan menahan beban

selanjutnya, karena kekuatan patah nilainya lebih kecil daripada kekuatan

tariknya.

G. Keuletan

Keuletan merupakan sifat mekanik penting lainnya. Kekuatan ini adalah ukuran

derajat deformasi plastik yang telah dialami hingga patah. Material yang


mengalami sangat sedikit deformasi plastik atau tidak sama sekali hingga patah

disebut bersifat getas. Sifat tegangan-regangan tarik untuk material ulet dang

getas diilustrasikan pada Gambar 3.11.

Gambar 3.11. Skema tegangan-regangan tarik untuk bahan getas dan ulet

hingga dibebani patah.

Keuletan dapat dinyatakan secara kuantitatif sebagai persen perpanjangan atau

persen pengurangan daerah. Persen Perpanjangan %EL adalah persentase dari

regangan plastis saat patah,

dimana lf adalah panjang patahan dan l0 adalah panjang asli gauge seperti di

atas. Karena deformasi plastis terkonsentrasi di daerah leher maka nilai %EL

tergantung pada panjang gauge spesimen. Semakin pendek l0, semakin besar

fraksi perpanjangan total dari leher dan akibatnya nilai %EL, semakin tinggi. Nilai

l0 yang umum adalah 50 mm. Persen pengurangan daerah %RA didefinisikan

menjadi

Dimana A0 adalah luas penampang sebelumnya dan Af merupakan luas

penampang dititik patah. Persen pengurangan area nilainya tidak bergantung

pada nilai l0 dan A0. Nilai %EL dan %RA setiap material akan berbeda. Untuk


logam kebanyakan memiliki keuletan yang moderat pada suhu kamar, tetapi

beberapa logam akan menjadi getas pada saat suhu diturunkan.

Pengetahuan mengenai keuletan suatu material penting karena hal ini dapat

digunakan seorang desainer untuk memilih bahan sesuai dengan deformasi

plastisnya dan juga dapat digunakan untuk menentukan tingkat deformasi yang

diijinkan selama proses fabrikasi.

Dalam mendesain, keuletan suatu bahan dapat kita jadikan acauan batas

deformasi lokal yang diijinkan terjadi dalam desain perhitungan tegangan. Suatu

bahan dianggap getas jika regangannya kurang dari 5%. Dengan demikian,

beberapa sifat mekanik penting dari suatu logam dapat ditentukan dari pengujian

tarik tegangan-regangan. Tabel 3.2 menyajikan kekuatan luluh, kekuatan tarik

dan keuletan dari beberapa logam pada suhu kamar. Sifat-sifat ini peka terhadap

deformasi sebelumnya, kehadiran zat pengotor dan atau setiap perlakuan panas

yang telah dikenakan pada logam tersebut.

Tabel 3.2. Sifat Khas Mekanis dari Beberapa Logam dan Paduannya

dalam kondisi Anil

Paduan Logam Kekuatan Luluh

(MPa)

Kekuatan Tarik

(MPa)

Keuletan, %EL

(pada 50 mm)

Aluminum 35 (5) 90 (13) 40

Copper 69 (10) 200(29) 45

Brass (70Cu–30Zn) 75 (11) 300 (44) 68

Iron 130 (19) 262 (38) 45

Nickel 138 (20) 480 (70) 40

Steel (1020) 180 (26) 380 (55) 25

Titanium 450 (65) 520 (75) 25

Molybdenum 565 (82) 655 (95) 35

Modulus elastisitas adalah salah satu parameter mekanik yang tidak sensitif

terhadap perlakuan ini. Seperti dengan modulus elastisitas, besaran baik


kekuatan luluh dan tarik akan menurun dengan meningkatnya suhu,

kebalikkannya, keuletan akan meningkat dengan meningkatnya suhu. Gambar

3.12 menunjukkan bagaimana perilaku tegangan-regangan besi bervariasi

dengan suhu.

Gambar 3.12. Rekayasa perilaku tegangan-regangan untuk besi pada tiga suhu.

H. Ketahanan

Ketahanan adalah kemampuan suatu material untuk menyerap energi saat

material tersebut terdeformasi secara elastis juga energi pemulihan saat beban

dilepaskan. Sifat-sifat yang terkait disebut modulus ketahanan, Ur, merupakan

energi regangan per satuan volume yang diperlukan oleh suatu material untuk

mengalami tegangan dari saat keadaan beban dilepas hingga keadaan luluh.


Gambar 3.13. Gambaran skematis bagaimana modulus ketahanan (daerah

berarsir) ditentukan dari perilaku tegangan-regangan tarik dari suatu material.

I. Ketangguhan

Ketangguhan adalah istilah mekanik yang digunakan dalam beberapa konteks,

secara garis besar, ketangguhan adalah ukuran kemampuan suatu material

untuk menyerap energi hingga patah. Bentuk geometri dari spesimen serta cara

memberi beban menjadi faktor penentu dalam menentukan ketangguhan. Untuk

kondisi pembebanan dinamis (laju regangan tinggi) dan ketika takikan ada (atau

titik konsentrasi tegangan), ketangguhan takik ditentukan dengan uji impak.

Untuk kondisi pembebanan statis (laju regangan rendah), ketangguhan diperoleh

dari hasil pengujian tegangan-regangan tarik. Hal Ini ditunjukkan oleh daerah di

bawah kurva σ-Є sampai titik patah. Unit satuan untuk kekerasan sama seperti

unit ketahanan (yaitu, energi per satuan volume dari material). Agar material

lebih tangguh, material tersebut harus memiliki sifat kuat dan ulet, biasanya

material yang ulet lebih tangguh daripada material yang bersifat getas. Hal ini

ditunjukkan pada Gambar 3.11. Dari gambar terlihat, meskipun material getas

memiliki kekuatan luluh dan tarik lebih tinggi, material getas memiliki

ketangguhan lebih rendah daripada material yang ulet. Hal ini disimpulkan

dengan membandingkan daerah ABC dan di gambar 3.11.


J. Pemulihan Elastis Setelah Deformasi Plastis

Setelah beban dilepaskan pada saat pengujian tegangan-regangan, beberapa

fraksi dari total deformasi pulih kembali sebagai regangan elastis. Perilaku ini

ditunjukkan pada gambar 3.14, plot skematis dari rekayasa tegangan-regangan.

Selama siklus pelepasan beban, arah lintasan pada kurva hampir lurus dimulai

dari dekat dari titik pelepasan beban (titik D) dan kemiringannya dapat

diidentikkan dengan modulus elastisitas, atau sejajar dengan bagian elastis awal

dari kurva. Besarnya regangan elastis ini, yang diperoleh kembali selama

pelepasan beban, sesuai dengan pemulihan regangan, seperti yang ditunjukkan

pada gambar 3.14.

Gambar 3.14. Gambaran diagram tegangan-regangan tarik yang menunjukkan

fenomena pemulihan regangan elastis dan pengerasan akibat regangan.

Kekuatan luluh awal ditunjuk sebagai σy0; σyi adalah luluh yang diperoleh beban

dilepaskan pada titik D, dan ketika pembebanan kembali.

Jika beban diberikan kembali, kurva akan pada bagian yang sama dengan arah

yang berlawanan dengan arah pelepasan; batas luluh akan terjadi lagi pada


tingkat pelepasan tegangan dimana pelepasan beban dimulai. Pada saat

tersebut akan terjadi juga pemulihan regangan elastis yang berhubungan dengan

saat patah.

K. Kekerasan

Sifat mekanik yang penting untuk dipelajari adalah kekerasan, adalah ukuran

resistansi bahan terhadap deformasi plastis lokal (misalnya penyok kecil atau

goresan). Uji kekerasan awalnya digunakan untuk menguji mineral alam dengan

menggores bahan uji dengan bahan yang lebih keras. Pengindeksan secara

kuantitatif dengan cara penggoresan ini dikenal dengan skala Mohs, yang

berkisar antara 1 untuk bahan lembut seperti pada talek (talc) hingga 10 untuk

intan. Teknik pengujian kekerasan secara kuantitatif telah dikembangkan selama

bertahun-tahun dimana digunakan indentor kecil yang diberi gaya tekan terhadap

permukaan material yang akan diuji, dengan kondisi pembebanan dan jumlah

pengujian yang terkontrol dengan aplikasi pengujian yang dilakukan. Kedalaman

atau ukuran yang dihasilkan dari indentasi diukur karena hasil ini akan

berhubungan dengan angka kekerasan dimana semakin lembek bahan maka

akan lebih besar dan lebih dalam hasil indentasinya, dan indeks atau angka

kekerasannya akan lebih rendah. Pengukuran kekerasan bersifat relatif (tidak

absolut) dan hasilnya akan berbeda-beda dari setiap teknik pengujian yang

dilakukan.

Pengujian kekerasan lebih sering dilakukan daripada pengujian mekanis lainnya

karena beberapa alasan:

• Pengujian kekerasan lebih sederhana dan murah dari segi biaya, tidak

diperlukan disiapkan spesimen khusus dan alat pengujian relatif murah.

• Pengujiannya bersifat tidak merusak, spesimen uji tidak mengalami deformasi

berlebihan atau patah. Deformasi yang terjadi hanya berupa lubang kecil hasil

indentasi.

• Sifat mekanik lainnya dapat diperkirakan dari data pengujian kekerasan,

seperti kekuatan tarik (lihat gambar 3.15).


Gambar 3.15. Hubungan antara kekerasan dan kekuatan tarik pada baja,

kuningan, dan besi tuang.

1. Pengujian kekerasan Rockwell

Pengujian Rockwell merupakan metode yang paling umum digunakan untuk

mengukur kekerasan karena cara ini sederhana untuk dilakukan dan tidak

memerlukan keahlian khusus. Beberapa skala, kombinasi dari berbagai indenter

dan beban yang berbeda dapat digunakan, yang memungkinkan digunakan

untuk pengujian hampir semua paduan logam (serta beberapa polimer). Indenter-

indenternya berbentuk bulat serta bola baja yang dikeraskan, memiliki diameter

1,588; 3,175; 6,350; dan 12,70 mm, dan indentor kerucut intan (biasa disebut

Brale) yang digunakan untuk bahan paling keras.


Dengan cara ini, angka kekerasan ditentukan dari perbedaan kedalaman

penetrasi yang dihasilkan dari pengujian dari beban awal (minor) diikuti oleh

beban utama (mayor). Beban minor disini bermanfaat meningkatkan akurasi

pengujian. Atas dasar besarnya beban baik beban mayor dan minor, maka

pengujian Rockwell dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu Rockwell dan

superficial Rockwell. Untuk Rockwell, beban minornya 10 kg, sedangkan beban

mayornya 60, 100, dan 150 kg. Setiap skala diwakili oleh huruf abjad; beberapa

indentor dengan bebannya dapat dilihat pada Tabel 3.3 dan 3.4.a. Untuk

pengujian superficial Rockwell, 3 kg adalah beban minor; 15, 30, dan 45 kg

adalah beban mayornya. Skala ini biasanya diidentifikasi dengan 15, 30 atau 45

(menurut beban), diikuti oleh notasi N, T, W, X, atau Y, tergantung dari indentor

yang digunakan. Pengujian superficial umumnya dilakukan pada spesimen tipis.

Tabel 3.4.b menyajikan beberapa skala superficial.

Ketika menetapkan angka Rockwell dan superficial Rockwell, baik angka

kekerasan dan simbol skala harus dituliskan. Skala ditulis dengan simbol HR

diikuti dengan skala identifikasi yang sesuai. Skala Rockwell sering disebut juga

dengan pemakaian subskrip, misalnya Rc untuk skala Rockwell C. Contohnya, 80

HRB menunjukkan kekerasan Rockwell adalah 80 pada skala B, dan 60 HR30W

menunjukkan kekerasan superficial Rockwell adalah 60 pada skala 30W. Untuk

setiap skala, kekerasan dapat bervariasi hingga 130, namun nilai kekerasan

dapat menjadi tidak akurat jika naik di atas 100 atau turun di bawah 20 pada

skala apapun, mereka menjadi, karena skala-skalanya dapat saling tumpang

tindih, dalam situasi seperti maka harus ada penelitian untuk skala lebih keras

atau skala lebih lembek.

Ketidakakuratan juga terjadi jika benda uji terlalu tipis, jika indentasi dibuat terlalu

dekat dengan tepi spesimen, atau jika indentasi dibuat terlalu dekat satu sama

lain. Ketebalan spesimen harus setidaknya sepuluh kali kedalaman indentasi,

sedangkan daerah sekitar harus dibuat untuk setidaknya tiga diameter indentasi

antara pusat satu indentasi dan tepi spesimen, atau ke pusat indentasi kedua.

Tidak direkomendasikan pengujian spesimen dengan cara ditumpuk satu sama

lainnya. Selain itu ketepatan dalam pengukuran juga tergantung pada

permukaan, untuk hasil yang akurat diperlukan permukaan yang halus dan datar.

Dengan semakin modernnya peralatan membuat pengukuran kekerasan dengan


cara Rockwell semakin mudah, dan kekerasan dapat dengan mudah diperoleh

hanya beberapa detik. Perangkat pengujian modern juga memasukkan variasi

waktu pada saat beban diberikan. Variabel ini juga harus diperhatikan dalam

menginterpretasikan data kekerasan.


Tabel 3.4.a. Skala Kekerasan Rockwell

Simbol Skala

Indenter Beban Mayor

( kg)

A Intan 60

B Bola 1,588 mm 100

C Intan 150

D Intan 100

E Bola 3,175 mm 100

F Bola 1,588 mm 60

G Bola 1,588 mm 150

H Bola 3,175 mm 60

K Bola 3,175 mm 150

Tabel 3.4.b. Skala Kekerasan Superficial Rockwell

Simbol Skala

Indenter Beban Mayor

(kg)

15N Intan 15

30N Intan 30

45N Intan 45

15T Bola 1,588 mm 15

30T Bola 1,588 mm 30

45T Bola 1,588 mm 45

15W Bola 3,175 mm 15

30W Bola 3,175 mm 30

45W Bola 3,175 mm 45

2. Pengujian Kekerasan Brinell

Dalam uji Brinell, seperti dalam pengukuran Rockwell, indentor berupa bola keras

ditekan ke permukaan logam yang akan diuji. Diameter indentor bola baja yang

dikeraskan (atau karbida tungsten) adalah 10,00 mm. Beban standar berkisar

antara 500 dan 3000 kg dengan kenaikan setiap 500 kg; selama pengujian,

beban dipertahankan konstan untuk waktu tertentu (antara 10 dan 30 s). Material


yang keras akan membutuhkan lebih besar beban yang diberikan. Angka

kekerasan Brinell, HB atau kadang disebut BHN (Brinell Hardness Number),

merupakan fungsi dari beban dan diameter indentasi yang dihasilkan. (lihat Tabel

3.3). Diameter ini kemudian diukur dengan menggunakan mikroskop untuk

melihat diameternya dengan menggunakan skala ukuran panjang khusus.

Diameter terukur kemudian dikonversi menjadi angka HB dengan menggunakan

tabel, Hanya satu skala digunakan dengan teknik ini.

Telah ada teknik semi-otomatis untuk mengukur kekerasan Brinell. Caranya

adalah dengan menggunakan sistem pemindaian optik yang terdiri dari sebuah

kamera digital yang terpasang pada pemindai fleksibel, yang memungkinkan

posisi kamera di atas indentasi. Data dari kamera ditransfer ke komputer yang

kemudian menganalisa hasil indentasi, menentukan hasil ukurannya, dan

kemudian menghitung angka kekerasan Brinell. Teknik ini memerlukan

persyaratan permukaan lebih ketat daripada untuk pengukuran manual.

Maksimum ketebalan spesimen serta posisi indentasi (bergantung terhadap tepi

spesimen) dan persyaratan jarak indentasi minimum sama seperti untuk

pengujian Rockwell. Selain itu, hasil indentasi yang jelas diperlukan, cara ini

memerlukan permukaan datar yang halus di mana indentasi akan dibuat.

3. Pengujian Kekerasan Indentasi Mikro Knoop dan Vickers

Dua pengujian kekerasan lainnya adalah teknik Knoop dan Vickers (kadang-

kadang juga disebut intan piramida). Untuk setiap pengujian, indentor intan

dengan geometri piramida ditekan ke permukaan spesimen uji. Beban yang

diberikan jauh lebih kecil daripada Rockwell dan Brinell, berkisar antara 1 dan

1000 g. Hasil pengujian diamati di bawah mikroskop dan diukur. Hasil ini

pengukuran inilah yang kemudian diubah menjadi angka kekerasan (lihat tabel

3.3). Permukaan spesimen harus disiapkan dengan baik saat pemotongan dan

pemolesan untuk memperoleh hasil indentasi yang jelas sehingga dapat terukur

secara akurat. Angka kekerasan Knoop dan Vickers dituliskan dengan notasi HK

dan HV, dan skala masing-masing untuk kedua cara pengujian iniyang kurang

lebih sama. Metode Knoop dan Vickers disebut sebagai metode pengujian

indentasi mikro yang didasarkan pada ukuran indentor.


Keduanya cocok digunakan untuk mengukur kekerasan daerah spesimen yang

kecil. Metode Knoop umumnya digunakan untuk menguji bahan yang bersifat

getas seperti keramik. Peralatan pengujian kekerasan dengan cara indentasi

mikro saat ini telah digabungkan dengan peralatan penganalisa gambar yang

dipadukan dengan computer dan perangkat lunaknya. Perangkat lunak ini

berguna untuk mengontrol fungsi sistem yang penting termasuk lokasi indentasi,

jarak indentasi, perhitungan nilai-nilai kekerasan, dan memplot data.

Masih banyak cara pengujian lain yang sering digunakan tetapi tidak akan

dibahas seperti penentuan kekerasan mikro dengan ultrasonik, Scleroscope,

durometer (untuk bahan plastik dan elastomer) dan pengujian dengan cara

digores.

4. Konversi Kekerasan Konversi kekerasaan dari satu skala ke skala lainnya sangat diperlukan. Namun,

karena kekerasan bukanlah sifat dari material yang terdefinisi dengan jelas, dan

karena perbedaan dari berbagai teknik pengujian, skema konversi yang

komprehensif belum ada. Data konversi kekerasan ditentukan secara

eksperimental dan bergantung pada jenis dan karakteristik bahan. Data konversi

yang paling dapat diandalkan adalah data untuk baja, seperti pada gambar 3.16

pada skala Knoop, Brinell, dua jenis Rockwell dan Mohs. Detail mengenai tabel

konversi untuk berbagai logam dan paduan lainnya dapat dilihat pada ASTM

Standar E 140, "Tabel Standar Konversi Kekerasan untuk Logam".


Gambar 3.16. Perbandingan beberapa skala kekerasan

L. Hubungan Antara Kekerasan dan Kekuatan Tarik

Baik kekuatan tarik dan kekerasan merupakan indikator resistensi logam untuk

mengalami deformasi plastis. Jika dibandingkan secara kasar seperti pada

gambar 16. Pada besi cor, baja dan kuningan terlihat bahwa kekuatan tarik

merupakan fungsi dari HB yang terjadi secara proporsional. Hubungan

proporsionalitas tersebut tidak berlaku untuk semua logam, seperti ditunjukkan

gambar 16. Aturan praktis untuk sebagian besar baja, HB dan kekuatan tarik

terkait memiliki hubungan


M. Rangkuman

1. Material adalah suatu substansi yang dapat dibuat dan di modifikasi

komposisinya. Jika suatu benda mengalami sebuah beban statis atau terjadi

perubahan yang relatif lambat dengan waktu dan beban diberikan secara

seragam pada daerah melintang pada permukaan benda uji, perilaku

mekaniknya dapat diprediksi oleh tes tegangan-regangan sederhana.

2. Salah satu pengujian mekanis tegangan-regangan yang paling umum

dilakukan adalah pengujian tegangan. Suatu specimen uji dideformasi hingga

patah dengan beban tarik yang meningkat secara bertahap yang diterapkan

di sepanjang sumbu uniaksial dari panjang spesimen. Pengujian tegangan-

regangan tekan dapat dilakukan juga dilakukan jika gaya yang diterapkan

masuk dalam beban kerjanya.

3. Gaya torsi adalah variasi dari gaya geser murni, dimana saat bagian

struktural berkerut maka gaya torsi akan menghasilkan gerak rotasi terhadap

sumbu longitudinal disalah satu ujung bagian relatif terhadap ujung lainnya.

4. Tingkat dimana suatu struktur terdeformasi atau meregang bergantung pada

besarnya suatu tekanan yang diakibatkan. Deformasi di mana tegangan dan

regangan terjadi secara proporsional disebut deformasi elastis. Deformasi

elastis bersifat tidak permanen, yang berarti bahwa ketika beban yang

diterapkan dilepaskan, material akan kembali ke bentuk awalnya. Dari

perspektif atom, deformasi plastik terjadi dengan memutuskan ikatan dengan

atom tetangga aslinya dan kemudian membentuk ikatan baru dengan atom

tetangga. Hal ini terjadi terus menerus pada saat tegangan diberikan karena

sejumlah besar atom atau molekul bergerak relatif terhadap satu sama lain,

dan pada saat tegangan dilepaskan mereka tidak kembali ke posisi semula.

Transisi elastis – plastis dapat terjadi secara tiba-tiba dan hal ini biasa disebut

sebagai fenomena batas luluh. Pada batas luluh atas, deformasi plastik

dimulai dengan penurunan aktual dari tegangan.

5. Fenomena batas lulus terjadi pada awal deformasi plastik atau permanen;

kekuatan luluh ditentukan dengan metode strain offset dari perilaku regangan-

tegangan yang menunjukkan tegangan di mana deformasi plastik mulai


terjadi. Kekuatan tarik berhubungan dengan tegangan tarik maksimum yang

dimiliki oleh spesimen, sedangkan persen perpanjangan dan pengurangan

luas daerah adalah ukuran dari keuletan yaitu jumlah deformasi plastik yang

telah terjadi pada saat patah. Ketahanan adalah kemampuan bahan untuk

menyerap energi selama deformasi elastis; modulus ketahanan adalah luas

area di bawah kurva teknis tegangan-regangan hingga ke titik luluh.

6. Kekerasan adalah ukuran dari ketahanan dari suatu material terhadap

deformasi plastis lokal. Dalam beberapa teknik pengujian kekerasan yang

banyak digunakan (Rockwell, Brinell, Knoop, dan Vickers) sebuah indentor

kecil ditekan dan diberi gaya pada permukaan material, dan angka indeksnya

ditentukan

berdasarkan ukuran atau kedalaman hasil indentasi. Bagi kebanyakan logam,

kekerasan dan kekuatan tarik proporsional satu sama lainnya.

N. Latihan

Jawablah / kerjakan soal latihan berikut:

1. Sepotong tembaga panjang awalnya 305 mm ditarik dengan tegangan tarik

276 Mpa. Jika deformasi yang terjadi sepenuhnya elastis, berapa

perpanjangan yang dihasilkan?

2. Sebuah spesimen silinder baja memiliki diameter asli 12,8 mm diuji tarik

hingga patah dan hasilnya ditemukan spesimen tersebut memiliki kekuatan

teknis hingga patah sebesar 460 MPa. Jika diameter penampang di patahan

10,7 mm. Berapakah keuletan yang berhubungan dengan persen

pengurangan daerahnya?


BAB IV PENGUJIAN TIDAK MERUSAK PADA

MATERIAL

A. Pendahuluan Pengujian tidak merusak (Nondestructive testing) yang biasa disebut NDT adalah

metoda pengujian yang digunakan untuk menganalisa suatu objek, material atau

sistem tanpa merusak keseluruhan untuk penggunaan selanjutnya. NDT sering

dibutuhkan untuk memverifikasi kualitas produk dan sistem dari suatu material.

Teknik – teknik yang umum digunakan adalah :

• AET - Acoustic Emission Testing

• ART - Acoustic Resonance Testing

• ET - Electromagnetic Testing

• IRT - Infrared Testing

• LT - Leak Testing

• MT - Magnetic Particle Testing

• PT - Dye Penetrant Testing

• RT - Radiographic Testing

• UT - Ultrasonic Testing

• VT - Visual Testing (VI - Visual Inspection)

B. AET - Acoustic Emission Testing

Acoustic Emission Testing menggunakan perubahan suara yang tajam dari

keluaran PCCP ketika ia pecah atau slip untuk mengidentifikasi daerah-daerah

yang mengalami beban aktif pada suatu konstruksi. AET dapat digunakan untuk

melakukan verifikasi pada sambungan dari tangki bertekanan tinggi, tangki bola,

reaktor temperature tinggi dan perpipaan, tong kokas, tangki timbun atas tanah,

tangki penyimpanan suhu rendah (cryogenic) dan masih banyak lagi. Inspeksi


Setelah mengikuti pembelajaran ini peserta diklat diharapkan dapat mengenal pengujian tidak merusak yang ada.


dapat dilakukan dari luar dan tidak perlu dilakukan penghentian proses produksi

saat inspeksi dilakukan

C. ART - Acoustic Resonance Testing

Setelah mengalami impak, suatu spesimen akan mengalami vibrasi pada bentuk

dan karakteristik tertentu dan frekuensinya dapat diukur dengan menggunakan

mikrofon atau laser vibrometer. Analisa sonik akustik dan resonansi ultrasonik

adalah teknik pengujian tidak merusak yang dapat digunakan untuk menguji

berbagai jenis objek. Jenis-jenis cacat yang dapat dideteksi adalah retakan,

lubang, lapisan yang tidak menempel, cacat material dan deviasi kekerasan.

D. ET - Electromagnetic Testing

Pengujian elektromagnetik adalah suatu proses pengujian dengan menggunakan

induksi arus listrik dan/atau medan magnetik pada objek uji dan pengaruhnya

kemudian diamati. Cacat dalam objek uji dapat dideteksi dimana interferensi

elektromagnetik menghasilkan respons yang dapat terukur.

E. IRT - Infrared Testing

Pengujian infra-merah adalah teknik yang menggunakan prinsip termografi, suatu

pencitraan dengan infra-merah dan kamera ukur, untuk melihat dan mengukur

keluaran energi infra-merah dari objek. Metoda ini dapat digunakan pada saat

peningkatan panas, sedikitnya insulasi, konstruksi dengan dinding yang tipis dan

masih banyak lagi.

F. LT - Leak Testing

Teknik ini digunakan untuk mendeteksi dan mencari kebocoran pada bagian-

bagian di daerah bertekanan tinggi, tangki bertekanan tinggi dan strukturnya.

Kebocoran dapat dideteksi dengan menggunakan teknik penetrasi cairan dan

gas, peralatan pendengaran elekronik, alat ukur perubahan tekanan atau uji

gelembung sabun.

G. MT - Magnetic Particle Testing

Pengujian dengan menggunakan partikel magnetik dilakukan dengan

menginduksi medan magnet pada bahan bersifat ferromagnetik dan kemudian

Pengetah

“men

Perm

meda

besi

dapa

H. PT -

Peng

ketid

akan

mem

perm

I. RT -

Peng

hasil

kons

caca

yang

fluore

huan Dasar U

ndebui” per

mukaan ters

an magnet

tertarik da

at terlihat.

Dye Penet

gujian deng

dakteraturan

n memasuk

misahkan k

mukaan aka

4.1. P

Radiograp

gujian deng

pengecor

struksinya d

at dapat did

g terlihat pa

esensi.

Uji Mekanik d

rmukaan uji

sebut akan

tik tersebut

an terkonse

trant Testin

gan penetr

n dari perm

ki ketidakte

kelebihan

an terlihat.

Pengujian c

phic Testin

gan radiogr

ran, hasil

dengan me

eteksi deng

ada tampila

dan Fisika

i tersebut d

n menghasi

t diganggu

entrasi men

ng

rasi pewar

mukaan mat

eraturan be

pewarna

cacat permu

ng

rafi dapat d

pengelasa

enggunaka

gan membe

n grafik ba

dengan men

ilkan kutub

sedemikia

nghasilkan

rna dapat

terial. Pewa

eberapa sa

dengan

ukaan deng

digunakan

an atau pe

n x-ray at

edakan sera

yangan pa

nggunakan

– kutub m

an rupa se

cacat pad

digunakan

arna denga

aat setelah

pereaksi

gan Dye Pe

untuk men

encetakan

au radiasi

apan radias

da film graf

partikel – p

magnetik da

hingga par

da permuka

untuk me

n daya pen

diberikan

tertentu, c

enetrant Tes

deteksi cac

dengan m

sinar gam

si pada ma

fik foto atau

Halaman 4

partikel bes

an kemudia

rtikel-partike

aan materia

encari loka

netrasi besa

dan setela

cacat pad

sting

cat di dalam

mengekspo

mma. Caca

aterial seper

u pada laya

47

si.

an

el

al

si

ar

ah

da

m

os

at-

rti

ar


J. UT - Ultrasonic Testing

Pengujian ultrasonik menggunakan energi suara berfrekuensi tinggi untuk

melakukan analisanya. Inspeksi ultrasonik dapat digunakan untuk mendeteksi /

mengevaluasi kerataan, pengukuran dimensi, karakterisasi bahan dan masih

banyak lagi.

K. VT - Visual Testing (VI - Visual Inspection)

Pengujian atau inspeksi memberikan pilihan yang luas untuk mengamankan

sistem yang tepat atau kualitas produk.

L. Rangkuman Pengujian tidak merusak adalah metoda pengujian yang dapat digunakan untuk

menganalisa suatu objek, material atau sistem tanpa merusak keseluruhan atau

pada saat material sedang dipakai. Pengujian ini tidak membutuhkan perlakuan

khusus pada spesimen yang akan diuji.

M. Latihan 1. Jelaskan cara melihat adanya suatu cacat dari hasil pengelasan!

2. Untuk menguji adanya cacat didalam suatu tangki bertekanan tinggi dapat

menggunakan metoda apa?


BAB IV PENUTUP

A. Kesimpulan Pengetahuan uji mekanika dan fisika memegang peranan penting bagi

pengetahuan PMB tingkat ahli dalam mendukung pekerjaan di laboratorium

karena seorang PMB tidak hanya berhubungan dengan pengujian dengan

menggunakan cara kimia tetapi juga memiliki kemampuan dalam melakukan uji

komoditi secara mekanik dan fisika.

Seorang PMB ke depannya harus bisa melakukan penelitian terhadap komoditi

yang akan masuk dan keluar Indonesia agar tidak terjadi penurunan nilai ekspor

komoditi Indonesia di pasar dunia. Dengan semakin canggihnya teknologi untuk

menyamarkan potensi tertentu dari komoditi dari Indonesia, seorang PMB tidak

boleh lengah dan hanya berfokus pada pengujian yang popular atau yang

sedang menjadi trend, tetapi harus memiliki kemampuan untuk menerawang

karakteristik dari suatu komoditi secara menyeluruh.

B. Tindak lanjut

PMB tingkat ahli setelah menerima pembelajaran ini hendaknya terus menerus

mencari dan menambah pengetahuan mengenai pengujian mekanika dan fisika

agar dapat melakukan fungsinya dengan baik.


DAFTAR PUSTAKA

1. William F. Smith (1994), Principles of Material Science and Engineering, Singapore: McGraw-Hill.

2. William D. Callister Jr. (1997), Materials Science and Engineering an Introduction, Fourth Edition, Canada:, John Willey & Sons, Inc.

3. H.W. Hayden, W.G. Moffat and J. Wulff (1965), The Structure and Properties of Materials, Vol. III, Mechanical Behaviour, New York: John Willey & Sons, Inc.


BIODATA PENULIS

Victor Tulus Pangapoi Sidabutar, M.T., lahir di Jakarta

pada tanggal 18 Oktober 1977, lulus S-1 dari Fakultas

Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Jurusan Kimia,

Institut Teknologi Bandung pada tahun 2001 dan S-2 dari

Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara, Program studi Ilmu

dan Teknik Material, Institut Teknologi Bandung pada tahun

2003. Pernah bekerja sebagai pengajar di beberapa

sekolah menengah berstandar Internasional baik di Jakarta dan Bandung dari tahun

2007 hingga 2009. Pada tahun 2009 menjadi Pegawai Negeri Sipil di Balai Diklat

Metrologi, Kementerian Perdagangan sebagai widyaiswara, pernah mengikuti Diklat

Fungsional Penera tahun 2010 dan berbagai inhouse training yang diadakan di Balai

Diklat Metrologi. Pada tahun 2011 ditugaskan mengikuti Diklat TOT-Calon

Widyaiswara di Pusdiklat Perdagangan yang bekerjasama dengan LAN-RI. Memiliki

Certificate IV in Training and Assessment yang diakui secara international. Penulis

pernah diberi tugas mengajar di Diklat Fungsional Penera Ahli, mata diklat yang

diajarkan adalah Teknologi Mekanik tahun 2011. Saat ini penulis ditugaskan di Balai

Diklat Penguji Mutu Barang dan diberi tugas mengajar mata diklat Pengetahuan

Dasar Analis Kimia untuk tingkat ahli dasar, Pengetahuan Dasar Uji Mekanika dan

Fisika untuk tingkat ahli dasar dan Teknik Pembuatan Pereaksi Kimia pada Diklat

pembinaan PMB tingkat Ahli dan Terampil.

Pengetahuan Dasar Uji Mekanik a Dan Fisika

Documents

Transcript of Pengetahuan Dasar Uji Mekanik a Dan Fisika