PENGUJIAN BAHAN TEKNIK

Pendahuluan

Upaya mengubah bahan dan energi menjadi produk yang berguna sering

disertai dengan keharusan untuk memilih bahan dengan sifat-sifat yang optimum.

Oleh karena itu pengetahuan tentang sifat-sifat bahan perlu dipelajari dan dimiliki

oleh ahli teknik. Pada kendaraan bermotor misalnya, misalnya terdapat

bermacam-macam bahan seperti baja, gelas, plastik, karet dan lain sebagainya.

Pemilihan jenis bahan-bahan pada contoh di atas tentu saja dengan

alasan-alasan yang kuat, yakni dengan memperhatikan sifat-sifat bahan seperti

kekuatan, kelenturan, konduktifitas, berat jenis, dan lain sebagainya. Selain itu

juga diperhatikan sifat bahan selama proses pembentukannya, perilaku selama

penggunaannya (mampu bentuk, ketahanan kimia, panas, dsb.nya), masalah biaya

dan pengadaannya. Selanjutnya dengan perkembangan dan penemuan bahan-

bahan yang baru, desain akan terpengaruh dengan sendirinya menjadi lebih

ekonomis dan efisien.

1.1. Struktur Intern Bahan

Struktur intern bahan mencakup atom-atom dan susunannya di dalam

suatu kristal, molekul atau struktur mikro. Struktur intern bahan menentukan sifat

bahan dan sifat bahan akan menentukan proses pembentukan bahan itu sendiri.

Contoh, pada proses pembentukan bahan melalui pemotongan dengan

gergaji atau pahat mesin, maka hanya dengan bahan-bahan yang tidak terlalu

keras atau tidak terlalu lunak saja yang dapat dikerjakan melalui proses

pemotongan ini. Dalam kasus ini, bahan yang sangat keras dapat merusak mata

gergaji atau pahat, dan sebaliknya untuk bahan yang sangat lunak akan sulit untuk

digergaji.

Sering pula terjadi proses pembentukan dapat merubah sifat-sifat bahan

seperti pada pembentukan melalui penempaan, dimana terjadi perubahan struktur

dalam bahan sehingga bahan menjadi lebih padat dan keras.

I - 1

Bahan yang telah terbentuk biasanya memiliki sifat-sifat yang telah

ditentukan sebelumnya dalam perencanaan desain. Produk ini akan tetap memiliki

sifat-sifat tersebut, asalkan tidak terjadi perubahan struktur selama

penggunaannya. Jika suatu produk selama penggunaannya telah mengalami

perubahan struktur, maka sifat dan perilakunya juga akan berubah. Contoh; Karet

lama kelamaan menjasi keras dan getas, jika sering kena cahaya dan perubahan

cuaca. Logam mengalami kelelahan selama pembebanan siklis.

1.2. Sifat-sifat mekanis bahan

Pengetahuan tentang sifat-sifat mekanis bahan didapatkan melalui suatu

pengujian bahan tersebut di laboratorium. Banyak laboratorium riset yang

melaksanakan pengujian bahan itu seperti; laboratorium riset milik sekolah tinggi

teknik, Institusi negeri, asosiasi industri, dan perusahaan-perusahaan besar. Dari

pengujian-pengujian yang dilakukan didapatkan pengetahuan tentang sifat-sifat

bahan, yang mana sangat membantu dalam proses pemilihan dan pengerjaan

bahan tersebut menjadi produk-produk yang bermanfaat.

Sifat-sifat bahan digunakan dan diperlukan oleh banyak kalangan sebagai

referensi dalam perhitungan-perhitungan teknik, persyaratan kualitas, dan lain

sebagainya. Dalam pelaksanaan pengujian bahan biasanya sudah disiapkan dahulu

bahan uji dalam bentuk tertentu yang sudah standar (gambar 1.1). Bahan uji ini

dibebani hingga sampai patah (putus) atau pada kondisi yang diinginkan.

Pembebanan terhadap bahan uji dapat menyebabkan efek-efek yang

berbeda, karena hal tersebut metoda pengujian dapat dibagi dalam 2 kelompok

sesuai dengan jenis pembebanannya, yakni:

- Metoda statis : meliputi pengujian-pengujian pembebanan secara lambat

kemudian makin meningkat sampai dengan nilai tertinggi. Contoh : pengujian

kekerasan, percobaan tarik.

- Metoda dinamis : meliputi pengujian-pengujian dengan pembebanan secara

tiba-tiba atau dalam waktu yang lama secara periodis.

I - 2

Kedua jenis pembebanan akan menyebabkan tegangan yang berbeda-

beda di dalam bahan sesuai dengan arah gaya.

Berikut adalah contoh metoda statis dengan percobaan tarik:

Gambar 1.1 Deformasi disebabkan oleh beban tarik

Bahan uji ditempatkan pada alat pencekam pada mesin uji tarik,

kemudian ditarik dengan gaya tarik yang makin lama makin besar sampai bahan

uji putus. Mula-mula bahan uji akan memanjang elastis. Pada keadaan ini jika

gaya tarik ditiadakan, maka panjang ukur akan kembali menjadi Lo seperti

semula. Perubahan panjang elastis ini sangat kecil. Pada pembebanan dengan gaya

tarik yang besar akan terjadi perubahan panjang plastis (permanen). Pada kondisi

ini jika gaya tarik ditiadakan, maka panjang ukur menjadi lebih besar daripada Lo.

Setelah pembebanan dengan gaya tarik yang lebih besar lagi akhirnya terjadi

penyusutan penampang secara lokal, kira-kira ditengah panjang ukur. Ditempat ini

akhirnya akan terjadi perpatahan.

Dari percobaan tarik diatas didapat data antara lain kekuatan tarik ,

kekuatan luluh , kekuatan 0,2 % regangan , regangan patah dan susut

penampang serta modulus elastis (Modulus Young). Berikut ini adalah

I - 3

pembahasan singkat istilah-istilah penting yang berhubungan dengan sifat-sifat

mekanis bahan.

a. Deformasi

Deformasi adalah perubahan bentuk bahan karena bahan mengalami

pembebanan oleh suatu gaya. Besarnya deformasi persatuan panjang disebut

regangan (strain, ε). Ada 2 jenis deformasi, yakni deformasi elastis dan deformasi

plastis.

Deformasi elastis adalah deformasi yang mengakibatkan regangan

elastis, artinya regangan ini akan hilang dengan sendirinya jika tegangan

ditiadakan. Dalam hal ini hubungan antara tegangan S dan regangan ε masih

linear atau proporsional. Pada daerah elastis ini perbandingan antara tegangan S

dan regangan elastis disebut Modulus Elastisitas atau Modulus Young.

dan

........................................................................... (1.1)

Deformasi plastis adalah deformasi yang menyebabkan regangan plastis,

artinya regangan ini masih tetap ada (permanent) walaupun tegangan yang

menyebabkan regangan ini telah ditiadakan. Deformasi plastis ini baru terjadi jika

daerah elastis telah dilampaui.

b. Keuletan (ductility)

Keuletan adalah besar regangan plastis sampai patahan εF sehingga

seperti halnya pada regangan patah ini dapat dinyatakan dalam presentase

perpanjangan.

, dengan LF adalah panjang ukur saat patah ... (1.2)

Dari percobaan tarik diketahui deformasi plastis umumnya terlokalisasi

pada daerah susut, jadi persentase perpanjangan tergantung pada panjang

ukur (gambar 1.1)

I - 4

Ukuran keuletan berikutnya adalah susut penampang R pada titik patah,

yakni;

…………………………………………… (1.3)

AF adalah luas penampang pada patahan

Bahan yang ulet biasanya mempunyai penyusutan penampang yang besar

sebelum patah.

Kesimpulan : Perpanjangan merupakan ukuran regangan plastis sedangkan

penyusutan penampang merupakan ukuran susut plastis.

c. Kekuatan luluh (yield strength, Sy)

Ketahanan bahan terhadap deformasi plastis disebut kekuatan

luluh.

………………………………………………….… (1.4)

Fy adalah gaya pada saat pertama kali besarnya konstan atau turun.

Pada bahan tidak ulet terdapat titik luluh yang jelas (gambar 1.2a ) tetapi

pada beberapa bahan lainnya tanpa batas proporsional yang jelas. Pada

kasus demikian kekuatan luluh akan didefinisikan sebagai kekuatan yang

diperlukan untuk menghasilkan regangan plastis sebesar 0,2% atau dengan

nilai lain sesuai spesifikasi perancangan (gambar 1.2c ).

…………………………………………......… (1.5)

Fy 0,2 adalah gaya yang menyebabkan regangan plastis 0,2%

Umumnya kekuatan dan keuletan bahan tidak sejalan sehingga

keduanya dipadu dalam menentukan persyaratan desain.

d. Kekuatan tarik (tensile strength, St)

Kekuatan (strength) adalah ukuran besar gaya yang dibutuhkan untuk

merusak (mematahkan) bahan. Kekuatan tarik adalah kekuatan maksimum

I - 5

yang ditetapkan sebagai hasil bagi gaya tarik maksimum dengan luas

penampang yang mula.

Gaya tarik maksimum biasa dimaksudkan sebagai gaya yang mungkin timbul

sebagi penggunaan bahan tersebut sehingga jika kekutan tarik suatu bahan

telah diketahui maka ukuran penampang bahan dapat dihitung berdasarkan

gaya terbesar yang mungkin akan membebaninya.

………………….…………………………………… (1.6)

Fmak adalah gaya terbesar pada percobaan tarik.

Diagram tegangan- regangan

Dari data pengukuran gaya tarik dan perubahan panjang ukur dapat dibuat

suatu diagram tegangan vs regangan. Diagram ini bentuknya tidak tergantung

pada bahan uji, melainkan pada jenis bahan (material).

Gambar 1.2 Diagram Tegangan –Regangan untuk (a) Bahan tidak ulet tidak ada deformasi plastik (besi cor) (b) Bahan ulet dengan titik luluh (baja karbon rendah) (c) Bahan ulet tanpa titik luluh yang jelas (d) Kurva tegangan sesungguhnya regangan dan tegangan nominal. Sb=kekuatan patah, St=kekuatan tarik, Sy=kekuatan luluh, ef=perpanjangan (regangan sebelum patah), X= titik patah, Yp=titik luluh.

Berikut ini adalah contioh metode statis dengan pengujian kekerasan

(hardness)

Kekerasan didefinisikan sebagai ketahanan bahan terhadap penetrasi benda keras

pada permukaannya. Ada 3 metode pengujian kekerasan, yaitu;

I - 6

a. Pengujian kekerasan menurut Brinell

Bola baja yang telah diperkeras digunakan untuk menekan dengan gaya

tekan standar pada bahan uji sehingga terjadi deformasi plastis berbentuk lekukan.

Luas daerah lekukan (dengan mengukur diameter lekukan) merupakan ukuran

kekerasan bahan uji (gambar 1.3)

Spesifikasi yang digunakan

Penekan = Bola baja karbida, 10 mmØ

Beban = 500-3.000 kg

Kekerasan = Beban/luas penekanan.

b. Pengujian kekerasan menurut Vickers

Pengujian ini mirip metode Brinell, bedanya antara lain digunakannya

piramida empat sisi yang terbuat dari intan untuk menusuk permukaan bahan uji

Metode ini tidak dapat digunakan untuk bahan-bahan yang sangat keras dan

untuk lapisan- lapisan dengan ketebalan tipis.

Spesifikasi yang digunakan

Penekan = Piramida intan sudut bidang berhadapan 136o

Beban = 1-120 kg

Kekerasan = Beban/luas penekanan.

Penggunaan :

Untuk semua bahan pada semua tingkat kekerasan

Pengukuran kekerasan pada permukaan tipis pada sisi pinggir

Metode kekerasan menurut Vickers ini merupakan metode pengukuran paling

akurat sehingga banyak digunakan pada berbagai keperluan.

c. Pengujian kekerasan menurut Rockwell

Berlainan dengan kedua metode pengujian kekerasan di atas, kekerasan

menurut Rockwell ditentukan langsung melalui kedalaman penitrasi dari kerucut

intan bersudut puncak 120o (ujungnya dibulatkan dengan r=0,2 mm)

Gaya tekan yang digunakan konstan dan diberikan dalam 2 tahap : gaya

pendahuluan Fo =98 N (10 kg); gaya uji F1=1470 N.(maksimum 150 kg). Gaya

pendahuluan digunakan untuk menetapkan basis pengukuran. Setelah basis

I - 7

pengukuran kedalaman ditetapkan, gaya F1 diberikan sehingga kerucut intan

masuk lebih dalam. Jika kerucut sudah diam, maka kedalaman penetrasi kerucut

dapat dibaca pada alat penunjuk. Kedalaman penitrasi ini memuat 3 komponen,

yaitu deformasi plastis dari bahan uji, deformasi elastis dari bahan uji, dan

deformasi elastis dari alat penguji (pegas-pegas). Jika gaya F1 dilepas, maka

kerucut intan masih dibawah pengaruh gaya Fo dan terangkat ke atas. Deformasi

elastis kembali normal dan pada keadaan ini alat penunjuk kedalaman

menunjukkan kedalaman penetrasi tB.

Pengujian kekerasan Rockwell cocok untuk semua material keras dan

lunak, penggunaannya sederhana dan penekanannya dapat dengan leluasa.

Kekerasan Rockwell ditentukan dengan dalamnya penekanan/penetrasi.

Gambar 1.3 Perbandingan dimensi dari penekanan pada berbagai pengujian

kekerasan.

1.3. Sifat Termis Bahan

1.3.1. Kapasitas Panas (heat capacity)

Kapasitas adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk meningkatkan

temperature bahan menjadi 1oC lebih tinggi. Kapasitas panas dalam prateknnya

sering dinyatakan sebagai kapasitas panas spesifik, yaktu; kapasitas panas yang

I - 8

dikandung dalam 1 kg bahan. Nilai kapasitas panas spesifik bergantung pada

temperature, oleh karena itu nilai hanya berlaku untuk basis temperature tertentu

Tabel 1.1. Nilai kapasitas panas spesifik untuk beberapa bahan (antara 0oC s/d

100oC ) dalam satuan Joule/kg.K

Aluminium 896 Merkuri 138

Besi/baja 460 Kayu 2400

Tembaga 383 Gelas 800

Seng 385 Bensin 2100

Perak 243 Etanol 2430

Timbal 130 Air 20oC 4182

Platina 134

1.3.2. Panas Transformasi

Panas transformasi yang sering digunakan adalah panas peleburan dan

panas penguapan. Panas peleburan adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk

mengadakan perubahan fase dari fase cair menjadi padat (membeku) atau

sebaliknya (mencair/melebur).

Panas peleburan sering dinyatakan sebagi panas peleburan spesifik, yaitu

jumlah panas peleburan untuk 1 kg bahan. Berikut adalah

Tabel 1.2 Panas peleburan spesifik beberapa bahan pada tekanan normal (101300

Pascal) dalam satuan KJ/Kg.

Titik Beku/Cair/Lebur

(freezing/melting point)

Panas peleburan spesifik (Kj/Kg)

Air 0oC 334

Aluminium 660oC 397

Merkuri -38,87oC 11,8

Beberapa bahan seperti keramik dan gelas tidak memiliki titik lebur yang

jelas, tetapi dapat diamati bahwa bahan menjadi lunak pada suhu tinggi.

I - 9

Panas penguapan adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk

mengadakan perubahan fase dari cair menjadi gas (menguap) atau sebaliknya

(kondensasi) . Panas penguapan sering dinyatakan sebagai panas penguapan

/kondensasi spesifik, yakni panas penguapan untuk setiap 1 kg bahan.

Tabel 1.3 Nilai panas penguapan spesifik untuk beberapa bahan pada tekanan

normal.

Bahan Titik Didih (OC) Panas penguapan spesifik

(KJ/Kg)

Air 100 2256

Merkuri 357 286

Aluminium 2500

Besi 2880

SO2 -10 390

Etanol 78,4 842

1.3.3. Muai Panas

Pemuaian lazim terjadi pada bahan yang dipanaskan. Rumus empiris yang

dikembangkan adalah :

…………… (1.7)

Pada umumnya koefisien-koefisien muai panjang α, muai luas permukaan

β, dan muai volume γ nilainya meningkat dengan naiknya temperature. Untuk Δ T

yang besar rumus empiris diatas kurang teliti sehingga sebagai koreksi

ditambahkan pendekatan baru dengan asumsi bahwa koefisien muai panjang α,

merupakan fungsi linear dari peningkatan temperature Δ T sebagai berikut :

α = α + α2 . Δ T

Selanjutnya hubungan fungsional antara panjang akhir L dan Δ T

ditentukan sebagai berikut:

L= Lo + Δ L = Lo + Lo . α. . Δ T = Lo (1+ α . Δ T) ……………………. (1.8)

Untuk Δ T yang besar berlaku:

I - 10

L= Lo (1+ α . Δ T)= Lo (1+ (α.o +α 1. Δ T) . Δ T) = Lo (1+ α o. Δ T + α1. (ΔT)2)

...................................................................................................................... (1.9)

Jika diinginkan nilai α, juga dapat diasumsikan memiliki hubungan yang

linear dengan ΔT, maka didapatkan persamaan berikut :

L= Lo (1+ α o. Δ T + α1. (ΔT)2 + α2. (ΔT)3) …………………… (1.10)

Pada pemuaian luas permukaaan dapat dijabarkan dengan asumsi bahwa

bahan berbentuk kotak dengan panjang sisi awal Lo sebagai berikut :

Ao =6. Lo2 dan A = Ao + ΔA = Ao (1+ β. Δ T) ……………… (1.11)

Dengan demikian luas permukaan bahan saat memuai adalah :

A =6. L2 = 6 ( Lo. (1+ α .Δ T ))2= 6.Lo2. (1 + α.. ΔT)2

= Ao. (1 + α. ΔT)2= Ao (1+ 2. α. .Δ T + α2. (ΔT)2) …………. (1.12)

Karena α sendiri merupakan suatu nilai yang sangat kecil, maka suku

dengan koefisien α2 dapat dibaikan sehingga didapat :

A = Ao. (1 + 2. α. ΔT) ………………………………………… (1.13)

Terlihat bahwa koefisien muai luas permukaan β dapat memiliki hubungan

fungsional dengan koefisien muai panjang α sebgai berikut :

β =2. α …………………………………………………………. (1.14)

Selanjutnya dengan asumsi yang sama, akan didapatkan hubungan untuk

koefisien muai volume :

γ = 3. α ………………………………………………………… (1.15)

Asumsi bahan berbentuk kotak dapat dibenarkan mengingat semua bahan

disusun melalui bentuk kotak-kotak kecil.

Sebagai akibat pemuaian, maka untuk setiap perubahan temperature terjadi

perubahan massa jenis bahan.

Bukti : Pada suhu To massa jenis bahan ρo = M/V0 sehingga pada suhu T massa

jenis bahan menjadi :

…………………………. (1.16)

Rumus diatas berlaku hanya untuk zat padat, sedangakan zat cair dan terutama gas

rumus diatas tidak lagi teliti.

I - 11

1.3.4. Konduktifitas Panas Bahan

Konduktifitas panas (daya hantar panas) adalah banyaknya aliran panas

perstuan luas bahan (heat flux; W/m2) yang dapat lewat pada bahan setebal satuan

panjang sehingga terjadi perubahan temperature sebesar 1oC

Berikut adalah tabel kondutifitas panas untuk beberapa bahan dalam W/m.K

Perak 418,6 Beton 1,3

Tembaga 377,8 Gelas 0,92

Aluminium 209 Air 0,52

Baja 41,7 s/d 55,6 Kayu 0,2

Timbal 35 Udara pada 0oC 0,023

1.4. Latihan soal

1.4.1 Platina memiliki nilai α= 8,5 .10 -6 K-1 dan β = 3,5 .10-9 K-2 . Tentukan

hubungan fungsional antara panjang akhir dan perubahan temeperatur.

1.4.2. Kawat aluminium (E= 70.000 MPa, α= 8,5 .10 -6 /oC) mengalami

tegangan tarik sebesar 34,5 MPa. Berapakah pertambahan temperature

untuk mencapai muai yang sama?.

1.4.3. Kawat penarik baja (Lo=7,2 m, d=2,8 mm, E=205.000 MPa, α = 11,7.10-6

/oC) karena alasan tertentu hanya diperbolehkan mengalami regangan

maksimal 0,015%

a. Tentukan beban maksimal yang diperbolehkan?

b. Tentukan beban maksimal yang diperbolehkan, jika temperature

kawat meningkat 10oC?

I - 12