JMEMME, Volume 1, Nomor 1, tahun 2017

PERANCANGAN ALAT UJI IMPAK CHARPY SEDERHANA UNTUKMATERIAL LOGAM BAJA ST 30

Dhilif Kumar1) Amru Siregar 2), Dadan Ramdan 3), Zulfikar4)

1) Alumni Teknik Mesin, UMA

2, 3 ,4) Dosen Teknik Mesin, Universitas Medan Area (UMA)

ABSTRAK

Perkembangan penelitian kekuatan bahan telah banyak dilakukan untuk mendapatkan karakteristiksuatu bahan terhadap berbagai jenis beban yang diberikan sebelum dipergunakan pada suatusistem permesinan. Kendala terbesar saat ini khususnya di wilayah Sumatera Utara ialah langkanyaalat-alat uji kekuatan bahan. Oleh karena itu penelitian ini bertujuan untuk merancang alat ujikekuatan bahan akibat beban impak (tumbukan) dengan menggunakan bahan-bahan yang mudahdiperoleh dan peralatan yang cukup sederhana. Penelitian ini juga diharapkan sebagai suatu usahainovasi untuk memecahkan masalah kelangkaan alat uji kekuatan bahan untuk jenis-jenis beban ujilainnya. Metode pengujian impak yang dipergunakan dalam perancangan ini ialah jenis uji impakCharpy. Metode ini menggunakan teknik ayunan lengan untuk mendapatkan energi impak suatubahan. Besarnya energi impak yang dihasilkan dihitung berdasarkan sudut ayunan yang dibentuksetelah proses pengimpakan. Panjang lengan bandul ialah 750 mm dengan berat bandul 15 kg.Untuk mengukur sudut ayunan digunakan skala sudut bulat yang diletakkan tepat satu sumbudengan sumbu ayunan. Hasilnya diperoleh alat uji impak ayunan bandul dengan spesifikasi sepertitelah dijelaskan sebelumnya. Hasil uji coba mpak pada bahan baja ST 30 memperlihatkan energiimpak pada bahan tersebut

Kata Kunci : Perancangan Alat Uji Impak ,Metode Charpy, Baja ST 30.

1. PENDAHULUAN

Kebutuhan informasi karakteristik suatu bahan teknik baik logammaupun non logam sangatlah penting dalam perancangan teknik mesin.Bahan baja merupakan bahan teknik yang masih mendominasipemakaiannya dalam permesinan. Bahan ini banyak digunakan sebagaipenguat rangka suatu konstruksi permesinan. Karakteristik sifatmekanik antar suatu bahan dengan bahan lainnya berbeda-beda. Sifatmekanik tersebut meliputi kekerasan, keuletan, kekuatan,ketangguhan, dan sifat mampu las. Sifat pada masing-masing materialyang berbeda menyebabkan banyak metode pengujian untuk mendapatkansifat-sifat yang dimiliki oleh suatu material. Uji impak merupakansalah satu metode yang digunakkan untuk mengetahui kekuatan danketangguhan bahan akibat beban dengan laju kecepatan tinggi. Olehkarena itu uji impak banyak dipakai dalam bidang menguji sifatdinamik yang dimiliki oleh suatu material. Dalam pengujian tentu adatahapan–tahapan yang perlu diperhatikan antara lain berupa besarnya

1

JMEMME, Volume 1, Nomor 1, tahun 2017

sudut awal dan akhir, posisi material, dan suhu benda uji. Adapunharapan yang di inginkan dari pengujian ini ialah untuk menguji danmengetahui kualitas bahan baja jenis ST 30. Uji impak digunakan dalam menentukan kecenderungan materialuntuk rapuh atau ulet akibat gerak benda berdasarkan sifatketangguhannya [1]. Uji ini akan mendeteksi perbedaan yang tidakdiperoleh dari pengujian tegangan regangan secara statik. Hasil ujiimpak juga tidak dapat membaca secara langsung kondisi perpatahanbatang uji, sebab tidak dapat mengukur langsung komponen gaya-gayategangan tiga dimensi yang terjadi pada batang uji. Hasil yangdiperoleh dari pengujian impak ini hanya berupa perubahan tinggi dansudut akibat ayunan lengan bandul.

Uji impak merupakan suatu pengujian yang dilakukan untukmenguji ketangguhan suatu spesimen bila diberikan beban secara tiba-tiba melalui proses tumbukan. Ketangguhan adalah ukuran suatu energiyang diperlukan untuk mematahkan atau merusak suatu bahan yangdiukur dari luas daerah dibawah kurva tegangan regangan. Suatu bahanmungkin memiliki kekuatan tarik yang tinggi tetapi tidak memenuhisyarat untuk kondisi pembebanan kejut. Suatu paduan memilikiparameter ketangguhan terhadap perpatahan yang didefinisikan sebagaikombinasi tegangan kritis dan panjang retak [2].

Sejumlah uji impak batang uji bertakik dengan berbagai desaintelah dilakukan dalam menentukan perpatahan rapuh pada logam. Metodeyang telah menjadi standar untuk uji impak ialah: uji impak metodeCharpy dan metode Izod [3]. Metode charpy banyak digunakan di AmerikaSerikat, sedangkan metode izod lebih sering digunakan di sebagianbesar dataran Eropa. Batang uji metode charpy memiliki spesifikasi,luas penampang 10 mm x 10 mm, takik berbentuk V. Proses pembebananuji impak pada metode charpy dan metode izod dengan sudut 45o ,kedalaman takik 2 mm dengan radius pusat 0.25 mm.

Pada pengujian metode Charpy, beban diayun dari ketinggiantertentu untuk memukul benda uji, yang kemudian diukur energi yangdiserap oleh perpatahannya [1]. Batang uji charpy kemudiandiletakkan horizontal pada batang penumpu dan diberi beban secaratiba-tiba di belakang sisi takik oleh pendulum berat berayun(kecepatan pembebanan ±5 m/s). Ilustrasi pengujian impak metodecharpy diperlihatkan pada gambar 1.

Gambar 1. Pengujian impak metode Charpy

2

JMEMME, Volume 1, Nomor 1, tahun 2017

Energi impak yang dihasilkan diperoleh berdasarkan perbedaanbesarnya sudut yang dibentuk pada saat sebelum dan sesudahpengimpakan. Energi sebelum pengimpakan dihitung dengan menggunakanpersamaan 1 [4].

W1 = m.L (1-cos α) (1)

dimana: W = energi impak (J), m = massa bandul (kg), L = panjanglengan bandul (m), dan = perbedaan sudut ayunan bandul sebelumdan sesudah pengimpakan.

Adapun keunggulan uji impak metode charpy antara lain: 1) hasilpengujian lebih akurat, 2) pengerjaannya lebih mudah dipahami dandilakukan, 3) menghasikan tegangan lebih seragam disepanjangpenampang, 4) harga alat lebih murah, dan 5) waktu pengujian lebihsingkat. Sementara kelemahan metode ini antara lain: 1) hanya dapatdipasang pada posisi horizontal, 2) Spesimen dapat bergeser daritumpuannya karena tidak di cekam, 3) pengujian hanya dapat dilakukanpada specimen yang kecil, dan 4) hasil pengujian kurang dapat atautepat dimanfaatkan dalam perancangan karena level tegangan yangdiberikan tidak rata [5].

Tujuan penelitian ini ialah pembuatan alat uji impakberdasarkan metoda Charpy serta uji coba pengujian beban impakterhadap bahan baja ST 30 dengan variasi terhadap sudut takik padaspesimen uji (30o, 45o, dan 60o) dan sudut awal impak (30o, 40o, 50o,60o, dan 70o). Sehingga diharapkan dapat dihasilkan alat uji impakbahan hasil rancang bangun sendiri.

2. METODE PENELITIAN

Penelitian ini dikerjakan di Laboratorium Teknik Mesin, FakultasTeknik, Universitas Medan Area. Metode perancangan alat uji dalampenelitian ini adalah sebagai berikut: 1) perancangan tiang sebagaipondasi alat uji, pengukuran plat bentuk U dengan ukuran 250 mm.Proses tersebut dikerjakan dengan menggunakan mesin gerinda potong,2) memposisikan benda yang akan dipasang pada chasis(rangka), prosesbor (melubangi) pada bagian yang akan disesuaikan dengan ukuranbenda, 3) proses penyambungan dan penyatuan bagian-bagian alat uji,dan 4) pengukuran keseimbangan posisi tegak/berdiri alat uji denganmenggunakan waterpas. Selanjutnya posisikan benda atau komponen-komponen tersebut ke tempat dudukan yang telah ditentukan dandisesuaikan, serta ketatkan dengan pemasangan baut dan mur pengikatkomponen dengan chasis (rangka).

Bagian - bagian dari alat uji impak yang dirancang dan dibangunialah: 1. Skala ukur yang berfungsi untuk menunjukkan sudut pengayun

sebelum dan sesudah dilepaskan hingga menabrak benda uji. Jarum

3

JMEMME, Volume 1, Nomor 1, tahun 2017

penunjuk pada skala dihubungkan dengan poros pengayun yangdiikat dengan baut sehingga arah ayunannya sesuai dengan arahporos pengayun.

2. bandul berfungsi sebagai beban yang ditabrakkan pada benda ujiyang dilengkapi dengan pisau pemukul untuk mematahkan benda uji.Bagian atas pendulum ini dihubungkan ke bagian lengan pengayundengan sambungan dilas.

3. Pisau impak berfungsi untuk memukul benda uji, posisi pisau padasaat akan memukul berada dibelakang takikan benda uji.

4. Tuas pengangkat berfungsi untuk meneruskan gerakan ayunan dariporos ke pendulum. Bagian atas komponen ini dihubungkan ke porosdan pada bagian bawahnya dihubungkan ke pendulum dengan sambunganlas.

5. Bantalan berfungsi untuk memperkokoh dudukan poros pada chasis.Bantalan yang digunakan berukuan diameter dalam 25 mm. Bantalanditempatkanpada bagian kanan dan kiri atas pada bagian alat ujiimpak dengan sambungan baut.

6. Roda gigi dan rantai berfungsi sebagai transmisi penggerak antaraporos lengan bandul dan tuas pengangkat.

7. Poros berfungsi sebagai dudukan lengan bandul dan sebagai penerusayunan dari bantalan ke lengan pengayun dan pendulum.

8. Dudukan berfungsi sebagai tempat dudukan benda uji. Tempatdudukan benda uji ini disambung las menyatu dengan badan alat ujiimpak.

9. Rangka/chasis berfungsi sebagai penyangga bandul dan lengan impaksehingga memiliki konstruksi yang lebih kokoh.

10. Baut dan Mur berfungsi sebagai pengikat komponen-komponen alatuji ke chasis.

Peralatan yang dipergunakan selama penelitian ini adalah:Sarung tangan yang berfungsi sebagai pelindung tangan selamapekerjaan berlangsung, mesin gerinda tangan utuk memotong danmerapikan benda kerja, mesin gerinda potong fungsinya untuk memotongbesi yang digunakan sebagai rangka dari alat uji impak, mesin lasfungsinya utuk mengelas besi-besi agar menjadi suatu rangka alat ujiimpak yang kokoh, palu fungsinya untuk meluruskan dan merapikanapabila ada bagian yang membengkok, kunci ring pas fungsinya untukmegetatkan baut dan mur pada bagian alat uji impak, rol sikufungsinya untuk mengukur, alat ukur panjang (meteran) fungsinyauntuk mengkur panjang profil-profil besi yang digunakan untukpembuatan alat uj impak, waterpas fungsinya untuk melihat kerataanrangka alat uji impak, ragum fungsinya untuk mengikat danmempermudah ketika hendak ingin mengerjakan pada bagian–bagian yangkecil, mesin bor fungsinya untuk melubangi bagian-bagian yang ingindiikat dengan baut dan mur, kacamata las fungsinya sebagai pelindungmata ketika ingin mengelas dan mengebor, amplas fungsinya untukmenghaluskan bagian–bagian yang ingin di cat.

4

JMEMME, Volume 1, Nomor 1, tahun 2017

Untuk menguji kerja alat ini, maka perlu dilakukan uji cobapengukuran energi impak pada bahan baja jenis ST 30. Metodepengujian dengan alat ini adalah sebagai berikut: 1) persiapan bendakerja dengan mencatat ukuran benda kerja, 2) Pembuatan alur(takik)pada benda kerja dengan posisi tepat pada bagian tengah denganukuran yang sudah ditentukan menggunakan mesin notching. Pengukuranalur menggunakan notch gauge, 3) pengkuran panjang dan kedalamantakik, 4) melepas pengaman bandulan dan pengaitnya, 5) peletakkanbenda kerja pada dudukannya, 6) pengaturan jarum pada angka noldibagian skala ukur, 7) tarik pemegang sampai jarum pada skalamenunjukkan sudut awal yang kita kehendaki dan bandul pun naik, 8)lepaskan pengait pada lengan bandul maka bandul akan mengayun danmemukul benda uji, 9) periksa dan catat pembacaan jarum pada skalaukuran sudut.

3. HASIL PERANCANGAN DAN PEMBAHASAN

Bentuk alat uji impak charpy yang telah dirancang dan bangundiperlihatkan pada gambar 2. Alat ini memiliki ukuran keseluruhansebagai berikut: tinggi 1,5 m, panjang 1 m, dan lebar 0,5 m. Panjanglengan pengayun dari poros putaran ialah 750 mm. Pada ujung lenganayun terdapat bandul berukuran diameter 250 mm dan berat 15 kg yangberfungsi untuk membangkitkan energi impak pada spesimen uji. Bentukbandul yang telah dibuat diperlihatkan pada gambar 3. Lengan ayundihubungkan dengan poros penggerak yang terbuat dari bahan baja S45Cberdiameter 15 mm dan panjang 200 mm. Bentuk spesimen uji impak metode charpy ini diperlihatkan padagambar 4. Bentuk spesimen dibedakan atas sudut takik yang dibentuk.Pada penelitian ini sudut takik yang akan diuji ialah 30o, 45o, dan60o. Peletakan posisi benda uji terhadap bandulan diperlihatkan padagambar 5. Hasil pengujian impak terhadap specimen-spesimen ujitersebut diperlihatkan pada gambar 6 – 8.

5

JMEMME, Volume 1, Nomor 1, tahun 2017

Gambar 2. Alat uji impak charpy

Gambar 3. Konstruksi bandul

(a) (b)

€Gambar 4. Spesimen uji impak charpy bahan baja ST 30:

(a) takik 30o, (b) takik 45o, dan (c) takik 60o

6

JMEMME, Volume 1, Nomor 1, tahun 2017

Gambar 5. Peletakan spesimen uji

Gambar 6. Spesimen hasil uji impak dengan sudut takik 30o: (a) sudutawal 30o, (b) sudut awal 40o, (c) sudut awal 50o, (d) sudut awal 60o,

dan (e) sudut awal 70o

Gambar 7. Spesimen hasil uji impak dengan sudut takik 45o: (a) sudutawal 30o, (b) sudut awal 40o, (c) sudut awal 50o, (d) sudut awal 60o,

dan (e) sudut awal 70o

7

(a)

(b)

(c)

(d)

(a)

(b)

(c)

(d)

JMEMME, Volume 1, Nomor 1, tahun 2017

Gambar 8. Spesimen hasil uji impak dengan sudut takik 60o: (a) sudutawal 30o, (b) sudut awal 40o, (c) sudut awal 50o, (d) sudut awal 60o,

dan (e) sudut awal 70o

Grafik hasil pengujian impak baja ST 30 pada masing-masingtakik dan sudut awal diperlihatkan pada gambar 9.

20 30 40 50 60 70 800

50

100

150

200

250

300

Sudut Ayunan (o)

Energi Impak (J)

Gambar 9. Grafik energi impak (J) pada masing-masing sudut takik

Berdasarkan hasil pengujian tersebut, pada masing-masing suduttakik, semakin besar sudut impak yang dibentuk, maka akan semakinbesar energi impak yang dihasilkan. Dengan demikian semakin mudahspesimen mengalami kerusakan dan patah. Efek pembesaran sudut takikberdasarkan pengujian dengan alat ini terlihat bahwa semakin besarsudut takik yang dibentuk pada spesimen uji, maka akan semakin besarjuga energi impak yang dihasilkan. Hal ini berarti semakin mudahspesimen mengalami kerusakan/patah akibat semakin besarnya energiimpak yang diterima spesimen. Pemberian retak awal akanmengakibatkan penurunan ketangguhan bahan akibat beban impak.

KESIMPULAN

8

Legenda: sudut takik

30o

sudut takik45o

sudut

JMEMME, Volume 1, Nomor 1, tahun 2017

Berdasarkan hasil penelitian yang dikerjakan, yaitu mulai darirancang bangun hingga uji coba pengujian beban impak terhadapspesimen bahan baja ST 30, dapat disimpulkan sebagai berikut :

1. Alat uji impak berdasarkan metode impak Charpy telah berhasildibangun dan diujicoba. Alat ini memiliki dimensi/ukuran:tinggi 1,5 m, panjang 1 m, dan lebar 0,5 m. Panjang lenganpengayun dari poros putaran ialah 750 mm. Pada ujung lenganayun terdapat bandul berukuran diameter 250 mm dan berat 15 kgyang berfungsi untuk membangkitkan energi impak pada spesimenuji.

2. Hasil uji coba pengujian beban impak dengan menggunakan alatini adalah sebagai berikut: semakin besar sudut impak yangdibentuk, maka akan semakin besar energi impak yang dihasilkan.Semakin besar sudut takik yang dibentuk pada spesimen uji, makaakan semakin besar juga energi impak yang dihasilkan. Hal inimenunjukkan bahwa alat uji telah bekerja dengan baik sesuaidengan teori impak yang berlaku.

REFERENSI

[1]

G. E. Dieter and L. C. Schmidt, Engineering Design, New York: McGraw-Hill, 2012.

[2]

S. Zemasnky, Fisika untuk Universitas, Jakarta: Binacipta, 1995.

[3]

J. E. Shigley, Mechanical Engineering Design, New York: Mc. Graw-Hill, 2006.

[4]

J. M. Holt, Charpy Impact Test: Factors and Variables, Philadelphia: ASTM Publication, 1990.

[5]

L. H. Van Vleck, Ilmu dan Teknologi Bahan, Jakarta: Erlangga, 1989.

9