Sifat Mekanik Material Uji

b. Pola belah Terdiri dari dua bagian yang disesuaikan dengan garis pemisah belahan cetakannya. Biasanya digunakan untuk benda coran yang memiliki geometri yang lebih rumit dengan jumlah produksi menengah. Proses pembuatan cetakannya lebih mudah dibandingkan dengan memakai pola padat. c. Pola dengan papan penyambung Digunakan untuk jumlah produksi yang lebih banyak. Pada pola ini, dua bagian pola belah masing-masing diletakan pada sisi yang berlawanan dari sebuah papan kayu atau pelat besi. d. Pola cope dan drug Pola ini hampir sama dengan pola dengan papan penyambung, tetapi pada pola ini dua bagian dari pola belah masing-masing ditempelkan pada papan yang terpisah. Pola ini biasanya juga dilengkapi dengan sistem saluran masuk dan riser.

2.4 Sifat Mekanik Material Uji

Pemahaman yang menyeluruh mengenai sifat-sifat material, perlakuan, dan proses pembuatannya sangat penting untuk perancangan mesin yang baik. Sifat material umumnya diklasifikasikan menjadi sifat mekanik, sifat fisik, sifat kimiawi. Sifat mekanik secara umum ditentukan melalui pengujian destruktif dari sampel material pada kondisi pembebanan yang terkontrol. Sifat mekanik yang paling baik adalah didapat dengan melakukan pengujian prototipe atau desain sebenarnya dengan aplikasi pembebanan yang sebenarnya. Namun data spesifik seperti ini tidak mudah diperoleh sehingga umumnya digunakan data hasil pengujian standar seperti yang telah dipublikasikan oleh ASTM American Society of Mechanical Engineer. 2.4.1 Konsep Dasar Pengereman Sistem rem dalam suatu kendaraan termasuk sistem yang sangat penting karena berkaitan dengan faktor keselamatan berkendara. Prinsip kerja sistem rem adalah mengubah tenaga kinetik menjadi panas dengan cara menggesekkan dua Universitas Sumatera Utara buah benda yang berbeda berputar sehingga putarannya akan melambat. Oleh sebab itu komponen rem yang bergesekan ini harus tahan terhadap gesekan tidak mudah aus, tahan panas dan tidak mudah berubah bentuk pada saat bekerja dalam suhu tinggi Hardianto, 2008. Gambar 2.10 . Ilustrasi Pengereman Pengereman dilakukan dengan diberikannya gaya pada kanvas rem untuk menahan atau menghentikan putaran roda. Pada saat kanvas bersentuhan langsung dengan roda maka akan timbul gesekan. Terjadinya gesekan antara kanvas rem dengan roda pada saat pengereman menyebabkan kanvas akan mengalami keausan. Tingginya laju keausan kanvas berhubungan dengan tingkat kekerasan dan kekuatan kanvas tersebut. Jarak pengereman kereta api adalah jarak yang dibutuhkan mulai saat masinis menarik tuas handle rem dengan kondisi pelayanan pengereman penuh full brake sampai dengan kereta api benar-benar berhenti. Yang dimaksud dengan pengereman penuh full brake pada rangkaian kereta api yang dilengkapi peralatan pengereman udara tekan Westinghouse adalah menurunkan tekanan udara pada pipa utama sebesar 1,4 – 1,6 kgcm2 1,4 – 1,6 atm melalui tuas pengereman yang dilakukan masinis di lokomotif yang menyebabkan tekanan maksimum pada silinder pengereman kereta atau gerbong mencapai 3,8 kgcm2 3,8 atm pada masing-masing kereta atau gerbong PT.KAI, 2013. Parameter sifat mekanik dan sifat fisis yang penting untuk performance dari kanvas rem komposit yang dipersyaratkan oleh PT KAI adalah harus tahan aus atau memiliki ketahanan aus minimal 3 bulan umur ekonomis, memiliki bobot F Kanvas Rem Gesekan Roda Universitas Sumatera Utara ringan, memiliki sifat ulet, cukup keras tapi tidak mudah pecah hancur, dan memiliki konduktivitas panas tertentu untuk menghantarkan panas yang timbul akibat gaya gesek radial gaya gesekan, sehingga panas tidak berbalik ke roda yang menyebabkan thermal crack, memiliki modulus elastisitas cukup baik atau masuk range spesifikasi teknis PT.KAI yaitu antara 2400 sd 150.000 Ncm 2 Agung, 2009. Maka dari itu sifat mekanik yang akan diuji untuk sampel penelitian ini adalah uji kekerasan, uji keausan, dan uji tarik. 2.4.2 Kekerasan Kekerasan hardness adalah salah satu sifat mekanik mechanical properties dari suatu material. Kekerasan suatu material harus diketahui khususnya untuk material yang dalam penggunaanya akan mangalami pergesekan frictional force dan deformasi plastis. Deformasi plastis sendiri suatu keadaan dari suatu material ketika material diberikan gaya maka struktur mikro dari material tersebut sudah tidak bisa kembali ke bentuk asal artinya material tidak dapat kembali ke bentuknya semula. Lebih ringkasnya kekerasan didefinisikan sebagai kemampuan suatu material untuk menahan beban identasi atau penetrasi penekanan. Didalam aplikasi manufaktur, material dilakukan pengujian dengan dua pertimbangan yaitu untuk mengetahui karakteristik suatu material baru dan melihat mutu untuk memastikan suatu material memiliki spesifikasi kualitas tertentu. Didunia teknik, umumnya pengujian kekerasan menggunakan 4 macam metode pengujian kekerasan, yakni : 2.4.2.1 Brinell HB BHN Pengujian kekerasan dengan metode Brinell bertujuan untuk menentukan kekerasan suatu material dalam bentuk daya tahan material terhadap bola baja identor yang ditekankan pada permukaan material uji tersebut spesimen. Idealnya, pengujian Brinell diperuntukkan untuk material yang memiliki permukaan yang kasar dengan uji kekuatan berkisar 500-3000 kgf. Identor bola baja biasanya telah dikeraskan dan diplating ataupun terbuat dari bahan karbida tungsten. Universitas Sumatera Utara Gambar 2.11. Pengujian Brinell Callister, 2001. Gambar 2.12. Perumusan pengujian Brinell Callister, 2001. Uji kekerasan Brinell dirumuskan dengan : ………...……………………….. 1 Dimana : D = Diameter bola mm d = Impression diameter mm F = Load beban kgf HB = Brinell result kgfmm 2 = π √ Force Sampel Penetration Ball Front view D F d Universitas Sumatera Utara 2.4.2.2 Rockwell HR RHN Pengujian kekerasan dengan metode Rockwell bertujuan menentukan kekerasan suatu material dalam bentuk daya tahan material terhadap indentor berupa bola baja ataupun kerucut intan yang ditekankan pada permukaan material uji tersebut. Untuk mencari besarnya nilai kekerasan dengan menggunakan metode Rockwell dijelaskan pada gambar 2.14, yaitu pada langkah 1 benda uji ditekan oleh indentor dengan beban minor Minor Load F setelah itu ditekan dengan beban mayor mayor Load F 1 pada langkah 2, dan pada langkah 3 beban mayor diambil sehingga yang tersisa adalah minor load dimana pada kondisi 3 ini indentor ditahan seperti kondisi pada saat total load F yang terlihat pada Gambar 2.14. Besarnya minor load maupun mayor load tergantung dari jenis material yang akan di uji, jenis-jenisnya bisa dilihat pada Tabel 2.4. Listing Penetration Depth Gambar 2.13. Pengujian Rockwell Callister, 2001. Gambar 2.14. Prinsip kerja metode pengukuran kekerasan Rockwell Callister, 2001. Sampel Force Diamond cone e Zero reference line 1 Minor load F0 2 Minor load F0 + Mayor load F1 = total load F 3 Minor load F0 E Universitas Sumatera Utara Menggunakan metode rockwell, angka kekerasan dapat ditentukan melalui perbedaan kedalaman hasil penekanan dari penerapan beban awal minor diikuti oleh beban mayor, penggunaan beban minor dapat mempertinggi akurasi pengujian. Berdasarkan besar beban dari minor maupun mayor, ada dua tipe pengujian yaitu Rockwell dan Superficial Rockwell. Untuk Rockwell, beban minor adalah 10 kgf, dimana beban mayor adalah 60, 100, dan 150 kgf. Tiap skala diwakili oleh huruf alphabet yang ada di tabel. Untuk Superficial Rockwell, beban minornya 3 kgf dan beban mayornya 15, 30, dan 45 kgf. Skala ini di identifikasi dengan 15, 30, atau 45 berdasarkan beban diikuti dengan N, T, W, X, atau Y, tergantung pada penekan. Pengujian Superficial biasanya digunakan untuk spesimen tipis. Ketika menentukan kekerasan Rockwell dan Superficial, angka kekerasan dan skalanya harus ditunjukan. Skala ditunjukan dengan simbol HR diikuti dengan penunjukan skala yang tepat. Contohnya 80 HRB menunjukan kekerasan Rockwell 80 pada skala B dan 60HR30W menunjukan kekerasan Superficial 60 pada skala 30W. Dibawah ini merupakan rumus yang digunakan untuk mencari besarnya kekerasan dengan metode Rockwell. …...……………………………………………….… 2 Dimana : F = Beban MinorMinor Load kgf F 1 = Beban MayorMajor Load kgf F = Total beban kgf e = Jarak antara kondisi 1 dan kondisi 3 yang dibagi dengan 0.002 mm E = Jarak antara indentor saat diberi minor load dan zero reference line yang untuk tiap jenis indentor berbeda-beda yang bisa dilihat pada table 2.4. HR = Besarnya nilai kekerasan dengan metode hardness. HR = E - e Universitas Sumatera Utara Tabel 2.4. Skala kekerasan rockwell Skala Indentor F kgf F 1 kgf F kgf E Jenis Material Uji A Intan kerucut 10 50 60 100 Sangat keras, tungsten karbida. B 116 bola 10 90 100 130 Kekerasan sedang, baja karbon rendah dan sedang kuningan, perunggu. C Intan kerucut 10 140 150 100 Baja keras, paduan yang dikeraskan, baja hasil tempering. D Intan kerucut 10 90 100 100 Annealed kuningan dan tembaga. E 18 bola 10 90 100 130 Berrylium copper,phosphor bronze. F 116 bola 10 50 60 130 Alumunium sheet G 116 bola 10 140 150 130 Cast iron, alumunium alloys. H 18 bola 10 50 60 130 Plastik dan soft metals seperti timah. K 18 bola 10 140 150 130 Sama dengan skala H L 14 bola 10 50 60 130 Sama dengan skala H M 14 bola 10 90 100 130 Sama dengan skala H P 14 bola 10 140 150 130 Sama dengan skala H Sumber : Callister, 2001. 2.4.2.3 Vickers HV VHN Pengujian kekerasan dengan metode Vickers bertujuan menentukan kekerasan suatu material dalam yaitu daya tahan material terhadap indentor intan yang cukup kecil dan mempunyai bentuk geometri berbentuk piramid seperti ditunjukkan pada gambar 2.16. Beban yang dikenakan juga jauh lebih kecil dibanding dengan pengujian rockwell dan brinel yaitu antara 1 sampai 1000 gram. Angka kekerasan Universitas Sumatera Utara Vickers HV didefinisikan sebagai hasil bagi koefisien dari beban uji F dengan luas permukaan bekas luka tekan injakan dari indentordiagonalnya A yang dikalikan dengan sin 136°2. Rumus untuk menentukan besarnya nilai kekerasan dengan metode vickers yaitu : Front View Gambar 2.15. Pengujian Vickers Callister, 2001. Gambar 2.16. Bentuk indentor Vickers Callister, 2001. Perumusan : …………………………………………………….. 3 ……………………………………………….…..... 4 …………………………………………………..… 5 Dimana: HV = Angka kekerasan Vickers kgfmm 2 F = Beban kgf d = Diagonal mm = = . = , Sampel Force Diamond Pyramid 136 o d 1 Universitas Sumatera Utara 2.4.2.4 Micro Hardness Knoop Hardness Mikro hardness tes sering disebut dengan knoop hardness testing merupakan pengujian yang cocok untuk pengujian material yang nilai kekerasannya rendah. Knoop biasanya digunakan untuk mengukur material yang getas seperti keramik. Gambar 2.17. Bentuk indentor knoop Callister, 2001. ………………….……………………….… 6 Dimana: HK = Angka kekerasan Knoop kgfmm 2 F = Beban kgf l = Panjang dari indentor mm 2.4.3 Keausan Keausan dapat didefinisikan sebagai rusaknya permukaan padatan, umumnya melibatkan kehilangan material yang progresif akibat adanya gesekan friksi antar permukaan padatan. Keausan bukan merupakan sifat dasar material, melainkan respon material terhadap sistem luar kontak permukaan. Keausan merupakan hal yang biasa terjadi pada setiap material yang mengalami gesekan dengan material lain. Ditinjau secara engineering dan scientific parameter yang berpengaruh terhadap keausan tergantung pada koefisien friksi µ kanvas rem. Gaya gesek friksi yang terus menerus tanpa henti dari dua bahan yang memiliki koefisien gesek dan kekerasan yang berbeda, maka bahan yang memiliki kekerasan lebih kecil dan memilki koefisien gesek kecil akan lebih cepat aus, dan sebagai akibatnya dapatkan memercikan api. Dalam hal ini, persyaratan teknis = 14,2 l b = 7,11 b t = 4,00 Universitas Sumatera Utara untuk standardisasi PT KAI untuk kanvas rem komposit Low Friction diharuskan memiliki koefisien gesek µ : 0,14 sd 0,21 dan kekerasan Hardness : 70 sd 105 HRR Rockwell R. Jarak minimal clearance antara kanvas rem dan roda yang diijinkan adalah 10 mm Agung, 2009. Koefisien gesek tersebut tidak berdimensi karena besar gaya gesek dan gaya normal yang bekerja pada roda memiliki satuan dan dimensi yang sama yaitu Newton atau kg.mdetik kuadrat . Kanvas rem yang digunakan oleh PT KAI pada saat ini menggunakan kanvas rem konvensional besi cor Cast Iron karena memiliki koefisien friksi yang rendah 0,10 – 0,13, sehingga umur rem sangat pendek yaitu dua minggu sudah aus dan harus diganti. Hal ini merupakan pemborosan, karena jika menggunakan rem komposit umur kanvas rem akan 3 kali dari rem cast iron. Material jenis apapun akan mengalami keausan dengan mekanisme yang beragam, yaitu: keausan abrasi, adhesi, oksidasi, erosi dan friting. Di bawah ini diberikan penjelasan ringkas dari mekanisme-mekanisme tersebut. 2.4.3.1 Keausan Abrasif Terjadi bila suatu partikel keras asperity dari material tertentu meluncur pada permukaan material lain yang lebih lunak sehingga terjadi penetrasi atau pemotongan material yang lebih lunak. Tingkat keausan pada mekanisme ini ditentukan oleh derajat kebebasan degree of freedom partikel keras atau asperity tersebut. Abrasif dan kontak lelah fatigue cantact adalah hal yang paling penting dalam perhitungan keausan pada permesinan. Bisa diperkirakan bahwa total keausan yang terjadi pada elemen-elemen mesin dapat kisarkan antara 80-90 adalah keausan abrasif dan dalam 8 adalan keausan lelah fatigue wear. Kontribusi dari jenis keausan yang lain sangatlah kecil. Sebagian besar pengamatan keausan dilakukan secara tidak langsung. Salah satunya adalah dengan menimbang berat spesimen atau benda kerja. Ini adalah cara yang termudah untuk dapat mendeteksi keausan. Dari menimbang berat benda kerja yang akan dianalisa, kita dapat mengetahui berapa total material yang telah aus dari selisih berat awal benda kerja sebelum operasi dengan berat benda kerja Universitas Sumatera Utara setelah operasi, tetapi distribusi kedalaman keausan yang terjadi pada permukaan kontak sulit untuk diketahui. 2.4.3.2 Keausan Adhesi Keausan adhesive terjadi bila kontak permukaan dari dua material atau lebih mengakibatkan adanya perlekatan satu sama lain dan pada akhirnya terjadi pelepasanpengoyakan salah satu material. Keausan adhesive biasanya terjadi pada piston yang bergesek pada dinding silinder. 2.4.3.3 Keausan Oksidasi Keausan oksidasi seringkali disebut sebagai keausan korosif. Pada prinsipnya mekanisme ini dimulai dengan adanya perubahan kimiawi material di bagian permukaan oleh faktor lingkungan. Kontak dengan lingkungan ini akan menghasilkan pembentukan lapisan pada permukaan dengan sifat yang berbeda dengan material induk. Sebagai konsekuensinya, material pada lapisan permukaan akan mengalami keausan yang berbeda Hal ini selanjutnya mengarah kepada perpatahan interface antara lapisan permukaan dan material induk dan akhirnya seluruh lapisan permukaan itu akan tercabut. 2.4.3.4 Keausan Erosi Keausan yang terjadi akibat gesekan logam dengan cairan yang mengalir terutama cairan yang mengandung partikel keras. Keausan ini dapat terjadi akibat partikel cair yang terdapat dalam gas yang bergerak dengan cepat. Keausan erosi biasanya terjadi pada pipa-pipa pengalir minyak dan pipa-pipa keluar dari turbin uap. 2.4.3.5 Keausan Friting Keausan yang terjadi akibat kombinasi dari gesekan dan getaran, seperti pada poros dan bearing. Kerusakan akan dipercepat dengan adanya partikel yang lepas dari permukaan yang terperangkap diantara kedua permukaaan tersebut, sehingga keausan yang terjadi juga disebabkan oleh keausan. Universitas Sumatera Utara Pengujian keausan dapat dilakukan dengan berbagai macam metode dan teknik, yang semuanya bertujuan untuk mensimulasikan kondisi keausan aktual. Keausan yang lebih besar terjadi pada bahan yang lebih lunak. Faktor-faktor yang mempengaruhi keausan adalah kecepatan, pembebanan, kekasaran permukaan dan kekerasan material. Semakin besar kecepatan relative benda yang bergesekan, maka tingkat keausan semakin tinggi. Demikian pula semakin besar tekanan pada permukaan kontak benda, material akan cepat aus, begitu pula sebaliknya. Besarnya tingkat keausan suatu bahan dapat diuji dengan menggunakan alat uji keausan. Ada dua metode pengujian keausan yaitu: 1. metode ogoshi 2. metode pin on disk. 1. Metode Ogoshi Gambar 2.18. Ilustrasi uji keausan metode ogoshi Callister, 2001. Rumus untuk uji keausan adalah sebagai berikut: ………………………………………………….…..…….. 7 ………………………………………………..……. 8 = = . . = . 3 12 . . Ѡ h b B r P Universitas Sumatera Utara Dimana: W s = Keausan spesifik mm 2 kg B = Tebal revolving disc mm r = Jari-jari revolving disc mm b = Lebar celah material yang terabrasi mm x = Jarak luncur [setting pada mesin uji m] l = Jarak tempuh proses pengausan mm P = Beban tekan saat pengausan kg Ѡ = Kecepatan putar rpm V = Laju keausan mm 3 m Laju keausan dinyatakan dengan jumlah kehilangan atau pengurangan material massa, volume atau ketebalan tiap satuan panjang luncuran atau satuan waktu. 2. Metode Pin On Disk Gambar 2.19. Skema uji keausan metode pin on disk Lab.Research Center for Noise Vibration Control and Knowladge Based in Engineering USU Medan. Pengatur kecepatan motor Motor Ampelas disk Spesimen uji Pemberat Universitas Sumatera Utara Rumus : ……………….……………………………….………….. 9 Dimana: V = Laju keausan grmm 2 .detik W = Berat awal spesimen sebelum diuji gram W 1 = Berat setelah dilakukan pengujian gram A = Luas spesimen uji mm 2 t = Waktulama pengausan detik 2.4.4 Kuat tarik Uji tarik rekayasa banyak dilakukan untuk melengkapi informasi rancangan dasar kekuatan suatu bahan dan sebagai data pendukung bagi spesifikasi bahan Dieter, 1987. Pada uji tarik, benda uji diberi beban gaya tarik sesumbu yang bertambah secara kontinyu, bersamaan dengan itu dilakukan pengamatan terhadap perpanjangan yang dialami benda uji Davis, et.all., 1955. Kurva tegangan regangan rekayasa diperoleh dari pengukuran perpanjangan benda uji. Tegangan yang dipergunakan pada kurva adalah tegangan membujur rata-rata dari pengujian tarik yang diperoleh dengan membagi beban dengan luas awal penampang melintang benda uji. Banyak hal yang dapat kita pelajari dari hasil uji tarik. Bila kita terus menarik suatu bahan dalam hal ini suatu logam sampai putus, kita akan mendapatkan profil tarikan yang lengkap yang berupa kurva seperti digambarkan pada gbr. 2.20. Kurva ini menunjukkan hubungan antara gaya tarikan dengan perubahan panjang. Profil ini sangat diperlukan dalam desain yang memakai bahan tersebut. Biasanya yang menjadi fokus perhatian adalah kemampuan maksimum bahan tersebut dalam menahan beban. Kemampuan ini umumnya disebut Ultimate Tensile Strength disingkat dengan UTS, dalam bahasa Indonesia disebut tegangan tarik maksimum. = W0 − W1 . Universitas Sumatera Utara Gambar 2.20. Kurva uji tarik infometrik.com.

a. Hukum Hooke Hookes Law