Tes Impak
Impact Test
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Dalam perkembangan dunia industri, terutama yang berhubungan dengan penelitian bahan dan
penggunaannya, maka dalam proses produksinya banyak hal atau criteria yang harus dipenuhi agar
material tersebut dapat digunakan dalam dunia industri.
Untuk penggunaan sebagai bahan, sifat-sifat khas dari material logam harus diketahui sebab logam
tersebut akan digunakan untuk berbagai macam keperluan dan keadaan. Sifat logam tersebut meliputi
sifat mekanik, sifat thermal, sifat kimia, kemampukerasan, kemampuan dimensi, dan lain sebagainya.
Adapun dalam percobaan ini yang akan diuji adalah sifat mekanik dari logam terutama sifat
ketangguhannya.
Dengan mengetahui tingkat ketangguhan logam, maka tentunya kita dapat memperkirakan
kemampuannya dalam menerima energi tumbukan yang diberikan secara tiba-tiba sehingga dapat
mematahkan suatu material.Untuk itulah dilakukan pengujian impact pada material yang nantinya akan
digunakan dalam konstruksi mesin. Pengujian ini amat penting dalam menentukan ketahanan suatu
material terhadap perpatahan, berdasarkan energi yang diberiakan oleh tumbukan/pembebanan secara
tiba-tiba pada suatu material.
Dahulu, untuk membuat rangka suatu jembatan, orang-orang hanya menggunakan material yang telah
tersedia. Umumnya mereka menggunakan material yang kuat dang etas sehingga mereka berpikiran
bahwa material yang paling baik digunakan untuk pembuatan rangka jembatan (yang mampu menahan
beban kejut dengan baik) adalah material yang kuat dang etas. Akan tetapi masih sering terjadi hal-al
yang buruk seperti jembatan yang roboh atau jembatan yang secara tiba-tiba bias patah. Oleh karena itu
untuk mengurangi dan menghindari kemungkinan-kemungkinan terburuk maka sebelum menentukan
material yang akan digunakan perlu diadakan suatu pengujian awal untuk mengetahui ketangguhan
material yang akan digunakan dalam menahan beban kejut sehingga diadakan pengujian impact test.
1.2 Tujuan dan Manfaat Pengujian
A. Tujuan Pengujian
1.
Menjelaskan definisi, tujuan, dan prosedur pengujian impact.
2.
Mengetahui energi takikan terhadap kekuatan impact
3.
Membuat grafik hubungan antara energi impact dengan temperature pada beberapa jenis takikan.
4.
Mengetahui pengaruh temperature terhadap energi impact bahan
5.
Membandingkan grafik THP dengan grafik transisi ulet-getas.
6.
Mengetahui pengaruh temperature terhadap laju patah getas.
7. Mengetahui laju pembebanan pada temperature normal dan temperature rendah (ditentukan
asisten).
8.
Mengetahui hubungan ketangguhan retak dengan energi impact.
9.
Mengetahui type-type, metode, dan mode perpatahan.
B. Manfaat pengujian
·
Bagi praktikan
1.
Mengetahui factor-faktor yang mempengaruhi perpatahan pada suatu jenis logam.
2.
Mengetahui pengaruh bentuk takikan terhadap laju perpatahan.
3.
Mengetahui Jenis-jenis perpatahan.
·
Bagi industri
1. Suatu industri dapat membuat produk yang berkualitas dengan mengetahui sifat-sifat bahan dari
hasil pengujian impact.
2. Memudahkan suatu industri dalam pengolahan dan perancangan suatu bahan sekaligus menekan
biaya produksi.
3.
Pemilihan bahan dapat dilakukan dengan mudah, sesuai data yang telah diperoleh pada uji impact.
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Teori Dasar
A. Pengertian Impact Test
Material mungkin mempunyai kekuatan tarik tinggi tetapi tidak tahan dengan beban kejut. Untuk
menentukannya perlu diadakan pengujian inpact. Ketahanan impact biasanya diukur dengan metode
Charpy atau Izood yang bertakik maupun tidak bertakik. Pada pengujian ini, beban diayun dari
ketinggian tertentu untuk memukul benda uji, yang kemudian diukur energi yang diserap oleh
perpatahannya.
Impact test merupakan suatu pengujian yang dilakukan untuk menguji ketangguhan suatu specimen bila
diberikan beban secara tiba-tiba melalui tumbukan. Ketangguhan adalah ukuran suatu energy yang
diperlukan untuk mematahkan atau merusak suatu bahan yang diukur dari luas daerah dibawah kurva
tegangan regangan. Suatu bahan mungkin memiliki kekuatan tarik yang tinggi tetapi tidak memenuhi
syarat untuk kondisi pembebanan kejut. Suatu paduan memiliki parameter ketangguhan terhadap
perpatahan yang didefinisikan sebagai kombinasi tegangan kritis dan panjang retak.
Specimen yang digunakan untuk suatu takikan terdiri dari dua buah yang diuji pada suhu normal dan
suhu rendah.
B. Metode-Metode Pengujian
1.
Metode Charpy (USA)
Merupakan cara pengujian dimana specimen dipasang secara horizontal dengan kedua ujungnya berada
pada tumpuan, sedangkan takikan pada specimen diletakkan di tengah-tengah dengan arah
pembebanan tepat diatas takikan.
Kelebihan :
a.
Pengerjaannya lebih mudah dipahami dan dilakukan
b.
Menghasilkan tegangan uniform di sepanjang penampang
c.
Harga alat lebih murah
d.
Waktu pengujian lebih singkat
Kekurangan :
a.
Hanya dapat dipasang pada posisi horizontal
b.
Spesimen dapat bergeser dari tumpuannya karena tidak dicekam
c.
Pengujian hanya dapat dilakukan pada specimen yang kecil
d. Hasil pengujian kurang dapat atau tepat dimanfaatkan dalam perancangan karena level tegangan
yang diberikan tidak rata.
2.
Metode Izood (Inggris)
Merupakan cara dimana specimen berada pada posisi vertical pada tumpuan dengan salah satu
ujungnya dicekam dengan arah takikan pada arah gaya tumbukan. Tumbukan pada specimen dilakukan
tidak tepat pada pusat takikan melainkan pada posisi agak diatas dari takikan seperti yang tertera pada
gambar sbb :
Kelebihan :
a.
Tumbukan tepat pada takikan karena benda kerja dicekam
b.
Dapat menggunakan specimen dengan ukuran yang lebih besar.
c.
Spesimen tidak mudah bergeser karena dicekam pada salah satu ujungnya.
Kerugian :
a.
Biaya pengujian yang lebih mahal
b.
Pembebanan yang dilakukan hanya pada satu ujungnya, sehingga hasil yang diperoleh kurang baik.
c.
Waktu yang digunakan cukup banyak karena prosedur pengujiannya yang banyak, mulai dari
menjepit benda kerja sampai tahap pengujian.
C. Jenis –jenis cacat pada material
1.
Cacat titik
Vakansi dan Interstisi-Diri
Vakansi adalah kekosongan sisi kisi, yaitu sisi yang seharusnya ditempati atom, kehilangan
atomnya.Vakansi terbentuk selama proses pembekuan, dan juga karena getaran atom yang
mengakibatkan perpindahan atom dari sisi kisi normalnya.
Gambar cacat titik
2.
Dislokasi – Cacat Linier
Dislokasi adalah cacat linier atau satu dimensi dimana didekatnya beberapa atom tidak segaris. Ada 3
jenis dislokasi yaitu :
·
Dislokasi sisi, dislokasi ulir dan dislokasi campuran.Dislokasi sisi/pnggir adalah terdapatnya bidang
atom ekstra atau setengah bidang,dimana sisinya terputus di dalam kristal.
·
Dislokasi ulir terbentuk karena gaya geser yang diberikan menghasilkan distorsi seperti yang
ditunjukkan Gambar 4.4a. Daerah depan bagian atas kristal tergeser sebesar satu atom kekanan relatif
terhadap bagian bawah. Dislokasi ini disimbolkan dengan. Jika pada material dijumpai kedua jenis
dislokasi diatas maka disebut material mempunyai dislokasi campuran.
Gambar Cacat Linier
3.
Cacat antar muka
Cacat antar muka adalah batas yang mempunyai dua dimensi yang biasanya memisahkan daerahdaerah pada material yang mempunyai struktur kristal dan/atau orientasi kristalografi yang berbeda.
Cacat jenis ini antara lain permukaan luar, batas butir, batas kembar, kesalahan tumpukan dan batas
fasa.
a.
Permukaan Luar
Satu dari batas yang paling jelas adalah permukaan luar/eksternal, dimana struktur kristal berakhir.
Atom-atom permukaan tidak terikat ke semua atom terdekat, dan karenanya akan mempunyai tingkat
energi yang lebih tinggi daripada atom-atom di bagian dalam. Ikatan atom-atom permukaan ini yang tak
terpenuhi memberikan kenaikan energi permukaan, dinyatakan dalam satuan energi per satuan
luas (J/m )2.Untuk menurunkan energi ini, material jika memungkinkan cendrung meminimalkan
luas permukaan total.
Gambar Cacat muka permukaan luar
b.
Batas Butir
Batas butir memisahkan dua butir atau kristal kecil yang mempunyai orientasi kristalografi yang
berbeda pada material polikristal. Batas butir secara skematik digambarkan pada gambar 4.7. Didalam
batas butir terdapat atom yang tak bersesuaian pada daerah transisi dari orientasi kristal butir satu ke
butir lain didekatnya.
Gambar Cacat muka Batas butir
c.
Batas Kembar
Batas kembar adalah batas butir tipe khusus dimana terdapat simetri kisi cermin, yaitu atom-atom pada
sebuah sisi batas berada pada posisi cermin dari atom-atom pada sisi lainnya (ambar 4.9). Daerah antara
batas butir ini disebut kembar/twin.
Gambar Cacat muka batas kembar
d.
Cacat bulk atau volume
Cacat lainnya yang ada pada semua material padat dimana cacat ini lebih besar dari yang sudah
dibicarakan adalah pori, retak, inklusi benda asing dan fasa-fasa lainnya. Cacat-cacat ini timbul biasanya
selama tahap-tahap proses dan pabrikasi.
D. Hal-hal yang mempengaruhi impact/ketangguhan bahan :
1. Bentuk takikan
Bentuk takikan amat berpengaruh pada ketangguahan suatu material, karena adanya perbedaan
distribusi dan konsentrasi tegangan pada masing-masing takikan tersebut yang mengakibatkan energi
impact yang dimilikinya berbeda-beda pula. Berikut ini adalah urutan energi impact yang dimiliki oleh
suatu bahan berdasarkan bentuk takikannya.
a) Takikan segitiga
Memiliki energi impact yang paling kecil, sehingga paling mudah patah. Hal ini disebabkan karena
distribusi tegangan hanya terkonsentrasi pada satu titik saja, yaitu pada ujung takikan.
Gambar Takikan segitiga
b) Takikan segi empat
Memiliki energi yang lebih besar pada takikan segi tifga karena tegangan terdistribusi pada 2 titik pada
sudutnya.
Gambar takikan segi empat
c) Takikan Setengah lingkaran
Memiliki nergy impact yang terbesar karena distribusi tegangan tersebar pada setiap sisinya, sehingga
tidak mudah patah
Gambar takikan setengah lingkaran
2. Kadar Karbon
Material yang memiliki kadar karbon yang tinggi memiliki sifat yang kuat dan getas sehingga
membutuhkan energy yang tidak besar sedangkan material yang kadar karbonnya rendah memiliki sifat
yang ulet dan lunak sehingga membutuhkan energy yang besar dalam perpatahannya.
3. Beban
Semakin besar beban yang diberikan , maka energi impact semakin kecil yang dibutuhkan untuk
mematahkan specimen, dan demikianpun sebaliknya. Hal ini diakibatkan karena suatu material akan
lebih mudah patah apabila dibebani oleh gaya yang sangat besar.
4. Temperatur
Semakin tinggi temperature dari specimen, maka ketangguhannya semakin tinggi dalam menerima
beban secara tiba-tiba, demikinanpun sebaliknya, dengan temperature yang lebih rendah. Namun
temperature memiliki batas tertentu dimana ketangguhan akan berkurang dengan sendirinya.
Grafik dibawah ini akan menunjukkan hubungan antara temperature dengan energi impact, laju
patah getas Y % , beba
ulur P’ , da beba
aks. Kg .
5. Transisi ulet rapuh
hal ini dapat ditentukan dengan berbagai cara, misalnya kondisi struktur yang susah ditentukan oleh
system tegangan yang bekerja pada benda uji yang bervariasi, tergantung pada cara
pengusiaannya.sehingga harus digunakan system penekanan yang berbeda dalam berbagai persamaan.
6. Efek komposisi ukuran butir
ukuran butir berpengaruh pada kerapuhan, sesuai dengan ukuran besarnya. Semakin halus ukuran
butir maka bahan tersebut akan semakin rapuh sedangkan bila ukurannya besar maka bahan akan ulet.
7. Perlakuan panas dan perpatahan
perlakuan panas umumnya dilakukan untuk mengetahui atau mengamati besar-besar butir benda uji
dan untuk menghaluskan butir. Sedangkan untuk menambah keuletan suatu bahan dapat dilakukan
dengan penambahan logam.
8. Pengerasan kerja dan pengerjaan radiasi
pengerasan kerja terjadi yang ditimbulkan oleh adanya deformasi plastis yang kecil pada temperature
ruang yang melampaui batas atau tidak luluh dan melepaskan sejumlah dislokasi serta adanya
pengukuran keuletan pada temperature rendah. Pengerasan kerja ini akan menimbulkan berapakah
pada logam karena peningkatan komplikasi s akibat pembentukan dislokasi yang saling berpotongan.
E. TEGANGAN BIDANG
Pengaruh ketebalan :
·
Ketangguhan patah tergantung pada ketebalan ini berhubung dengan pembatasan dan ukuran
zona plastis pada ujung retak.
·
Ketika ketebalan memberikan pengaruh penurunanproporsi dari perpatahan permukaan dimana
lidah geseran (shear lips) akan meningakat.
Regangan dan tegangan bidang (perpatahan datar)
Kunci permasalahan pada penyiapan specimen :
Perpatahan terjadi pad zona plastis sebelum deformasi dari ujung retak dari zona plastis.
Mekanika Perpatahan
§ Metode mekanika perpatahan peluluhan umum sangat diperlukan untuk mengukur tingkat
ketangguhan dari bahan yang tangguh menggunakan specimen uji kecil.
§ Spesimen yang kecil mungkin akan luluh sebelum patah.
§ Dengan bahan yang sama dengan struktur yang besar mungkin akan patah sebelum luluh
terjadi.Untuk itu dipeerlukan CTOD dan integral
Ketangguhan Patah Regangan bidang,K1c
·
Ketangguhan pada regangan bidang K1c mempunyai nilai yang terendah.
·
Pengukuran ketangguhan tersebut merupakan tipe konservatif
·
Struktur yang lebih tebal dan lebih tangguh.
·
K1c umumnya di gunakan dalam teknik desain.
·
Regangan bidang : Ketebalan = 50 x zona plastis.
·
Tegangan bidang = Ketebalan = zona plastis.
Crac tip opening dislapcement ( CTOD )
Kondisi local dari tegangan dan regangan pada ujung retak yang menyebabkan perpatahan sama untuk
specimen yng kecil dan struktur yang besar.
F. Tegangan tiga sumbu
Pada gambar terlihat bahwa penambahan pelat yang tebal akan menimbulkan tegangan yang tinggi. Bila
tebal B bertambah maka tegangan yang diperoleh material dalam arah sumbu X dan sumbu Y yaitu sx
dan sy akan mengecil. Karena adanya pengaruh momen inersia I = ½ bh2
Pada gambar diatas terlihat bahwa penumbukan plat yang tebal akan menimbulkan tegangan yang
tinggi, dimana tegangan masing-masing dalam arah sumbu x dan y yaitu sy penekanan yang dilakukan
dalam arah sumbu x dan y. untuk ketebalan specimen yang lebih besar, tegangan yang diperoleh dalam
arah x dan y berkurang karena adanya distribusi tegangan ke tiga arah ( trioksal ) pada sumbu koordinat
seperti yang ditunjukkan pada gambar tersebut.
G. Tipe-tipe perpatahan
a) Perpatahan transgranular atau juga disebut patah gelah yang umumnya terjadi pada struktur body
center cubic yang dibuat pada temperature rendah. Perpatahan Transgranular merupakan perpatahan
yang terjadi akibat retakan yang merambat didalam butiran material.
b) Perpatahan intergranular yaitu perpatahan yang terjadi akibat retakan yang merambat diantara
butiran material yang kerap dikatakan sebagai perpatahan khusus. Pada berbagai paduan didapatkan
berbagai keseimbangan yang sangat peka antara tegangan yang diperlukan untuk perambatan retak
dengan pembelahan dan tegangan yang diperlukan untuk perpatahan rapuh sepanjang batas butir.
H. Jenis-jenis perpatahan
1)
Patah ulet (Ductile Fracture)
Patah ulet adalah patahan disertai perubahan bentuk plastis (plastis deformation). Secara makroskopis,
ciri-ciri patah ulet antara lain :
a.
Terjadi deformasi plastis yang cukup besar sebelum patah
b.
Bidang geser (shear lip) biasanya tampak atau diketemukan pada akhir patahan
c.
Permukaan patahan berserat (fibrous) atau silky texture, tergantung pada jenis material
d. Penampang melintang di daerah patahan biasanya berkurang karena pengecilan penipisan
(necking)
e.
Pertumbuhan retak berjalan lambat
2)
Patah rapuh (Brittle fracture)
Patah rapuh terjadi apabila material logam pada saat patah tidak mengalami perubahan bentuk plastis
atau pengecilan penampang. Secara makroskopis, ciri-ciri patah rapuh antara lain :
a.
Tidak ada atau terjadi sedikit deformasi plastis
b.
Permukaan patahan umumnya datar dan tegak lurus terhadap permukaan komponen
c.
Struktur patahan bentuk granular atau kristalin dan merefisikan cahaya
Retak tumbuh/menjalar cepat, dan sering disertai suara keras.
I. Mode-mode perpatahan
Selain berdasarkan jenis dan typenya, perpatahan dapat pula diklasifikasikan berdasarkan arah beban
yang diberikan terhadap material. Kita dapat menggambarkan arah tersebut sbb :
Jadi berdasarkan gambar diatas, dapat diperoleh 3 mode perpatahan, sbb :
Mode I (opening shear)
Merupakan perpatahan akibat pemberian beban yang mengakibatkan tegangan yang arahnya tegak
lurus dengan bidang perpatahan dan tegangan tersebut berada pada posisi yang sejajar berlawanan
arah pada masing-masing sisi dari bahan. (sb.Y)
Contoh : perpatahan pada shock breaker
2.
Mode II (In-Plane Shear)
Pada mode ini tegangan terjadi pada sumbu Z dari bahan artinya melintang terhadap arah perpatahan.
Hal ini terjadi karena beban diberikan tidak sejajar dan berlawanan arah pada kedua ujung material,
sehingga seakan-akan terjadi sliding.
Contoh : perpatahan pada kopling gesek
Mode III (Out-Plane Shear)
Pada mode ini, tegangan terjadi pada sb. x dari bahan (vertical), dimana tegangan tsb berada pada arah
yang tidak sejaajr dan berlawanan arah pada sb. x.
Contoh : perpatahan pada roda gigi.
J. Fatik dan factor-faktor penyebab fatik
Fatik adalah prilaku logam yang bila mana dibebani tegangan variabel siklus yang cukup besar ( sering
kali dibawah tegangan luluh ) akan mengalami perubahan yang terdeteksi pada sifat mekaniknya. Dalam
praktek sebagian besar kesalahan disebabkan oleh fatik. Sehingga perhatian ahli teknik tertuju pada
kegagalan fatik yang terjadi pada benda yang patah menjadi dua bagian. Seringkali kegagalan tersebut
disebabkan kesalahan desain suatu komponen dan dalam hal seperti ini banyak yang dapat dilakukan
oleh seorang ahli metalurgi. Oleh karena itu pendekatan terhadap fatik ada tiga aspek yaitu :
a. Masalah rekayasa
b. Aspek metalurgi secara keseluuhan
c. Struktur skala halus dan perubahan atom
Faktor-faktor yang mempengaruhi terjadinya fatik :
a.
penyelesaian permukaan
karena retak fatik seringkali berada pada dekat komponen, kondisi permukaan merupakan hal yang
perlu diperhatikan pada fatik. Bekas permesinan dan ketidak rataan lain harus dihilangkan dan usaha ini
berpengaruh sekali terhadap sifat fatik. Lapisan permukaan yang diberi tekanan dengan tumbukan
partikel akan meningkatkan umur fati
b.
pengaruh temperature
pengaruj temperature terhadap fatik mirip dengan pengaruh temperature terhadap kekuatan tarik
maksimum. Kekuatan fatik paling tinggi pada temperature rendah, dan berkurang secara bertahap
dengan naiknya temperature
c.
frekuensi siklus tegangan
pengaruh frekuensi siklus tegangan terhadap umur fatik untuk berbagai jenis logam umumnya tidak ada,
meskipun penurunan frekuensi biasanya menurunkan umur fatik. Efek ini bertambah bila temperature
uji fatik kita naikkan bila umur fatik cenderung bergantung pada waktu uji seluruhnya dan tidak pada
jumlah siklus.
d.
tegangan rata –rata
untuk kondisi fatik dimana tegangna rata – rata
sNf = [(smax + smin)/2]
Tidak melampaui tegangan luluh sy, maka berlaku hubungan :
sNf = konstan
Yang disebut juga hokum basquin, dimana hokum tersebut tidak berlaku bagi untuk fatik siklus rendah
dengan s lebih besar dari sy , akan tetapi disini berlaku hubungan epNf = Db = konstan
e.
lingkungan
fatik yang terjadi dalam lingkungan korosif biasanya disebut fatik korosi. Telah diketahui bahwa kikisan
korosi oleh media cair dapat menimbulkan lubang – lubang etsa yang bersifat sebaga tekuk. Akan tetapi
bila mana serangan korosi terjadi secara serentak bersamaan dengan pembebanan fatik efek perusakan
jauh lebih besar dibandingkan dari efek tekuk semata.
K. Faktor terjadinya dislokasi
Dislokasi merupakan pergeseran dari struktur butir karena adanya bagian yang kosong, sementara pada
satu tempat terjadi penumpukan butir, maka pada saat itu diberi perlakuan butir yang akan mengisi
ruang kosong di dekatnya. Adapun beberapa jenis dislokasi adalah sbb :
a)
Dislokasi titik, diman kekosongan terjadipada titik tertentu, hal ini terjadi karena :
·
Ada atom yang hilang dalam kristal
·
Hasil penumpukan yang salah dalam kristalisasi
·
Akibat energi termal yang meningkat, sehingga atom melompat meninggalkan tempatnya.
b) Dislokasi garis, merupakan sisipan satu baris atom tambahan dalam struktur kristal. Disekitar
suatu dislokasi garis terdapat daerah yang mengalami tekanan dan tegangan, sehingga terdapat energi
tambahan sepanjang dislokasi tersebut.
c) Dislokasi ulir, menyerupai spiral dengan garis cacat sepanjang sumbu ulir. Atom-atom disekitarnya
mengalami gaya geser.
d) Dislokasi butir, terjadi karena adanya gaya tekan dan tegangan yang akhirnya gaya-gaya ini dapat
diuraikan menjadi tegangan geser. Hal ini disebabkan bidang atom bergeser terhadap bidang atom
didekatnya yang disebut slip
L. Grafik Transisi ulet getas,Grafik S-N,hubungan temperature dengan energi impact,hubungan
temperature dengan beban,hubungan temperature dengan laju patah getas
a)
Grafik Transisi ulet
Pengujian impact terutama untuk memperlihatkan penurunan kelenturan dan kekuatan impact bahan
dengan struktur BCC pada temperature rendah. Sebagai contoh gambar diatas adalah baja karbon yang
memiliki temperature transisi lentur rapuh yang relative tinggi sehingga hanya dapat digunakan dengan
aman pada temperature dibawah nol jika temperature transisinya diturunkan dengan menggunakan
paduan. Suatu paduan memerlukan parameter ketangguhan terhadap perpatahan ( Kc ) yang
didiefinisikan sebagai kombinasi tegangan kritis dan panjang retak. Kc didefinisikan karena banyaknya
paduan yang mengandung retak – retak kecil yang akan menjalar jika mengalami tegangan yang melebhi
temperature kritis.
Transisi ulet getas kemudian dapat dijelaskan berdasarkan kriteria bahwa material bersifat ulet pada
setiap temprature apabila tegangan luluh pada temprature tersebut lebih kecil dibandingkan tegangan
yang diperlukan untuk memperbesar mikroretak. Apabila tegangan luluh lebih besar dari pada tegangan
yang diperlukan untuk memperbesar mikroretak tersebut maka material tersebut bersifat getas.
b)
Grafik S-N
Gaya yang dapat dibebankan pada bahan selama pembebanan siklus jauh lebih rendah daripada beban
static. Kekuatan tarik dapat dijadikan pedoman desain untuk konstruksi yang mengalami beban static.
Jumlah siklus N yang dapat dipikul oleh logam akan turun dengan naiknya tegangan S(seperti gambar).
1.1.6
Grafik Hubungan T,W,E, dan P serta t Vs P
Penjelasan grafik :
v titik I
pada titik ini menunjukan specimen diuji pada suhu -800 C dan tingkat kegetasan 100 % sehingga energi
hampir dikatakan tidak ada
v titik II
pada titik ini menunjukan specimen diuji pada titik -60 0C dan tingkat kegetasan masih 100 % dengan
energi yang mulai ada
v titik III
pada titik ini menunjukan specimen diuji pada titik -40 0C dan tingkat kegetasan sudah mulai turun
menjadi 95 % dengan energi kurang lebih 1 kg
v titik IV
pada titik ini menunjukan specimen diuji pada titik -20 0C dan tingkat kegetasan sudah mulai turun
menjadi 70% dengan energi kurang lebih 2 kgm
v titik V
pada titik ini menunjukan specimen diuji pada titik 20 0C dan tingkat kegetasan 70 % dengan energi
yang dihasilkan 2 kgm
v titik VI
pada kondisi ini sudah mencapai titik maksimum dan energinya sudah mencapai 10 kgm sehingga
walaupun suhunya naik specimen tersebut tidak akan bertambah.
Penjelasan hubungan antar grafik :
Ø Hubungan antara Temperatur T (0C) dengan Energi impact E (Kg.m)
Telah dijelaskan sebelumnya bahwa temperature sangat berpengaruh pada ketangguhan suatu material.
Dimulai dari rapuh, yakni pada suhu yang sangat rendah. Pada tahap ini, akibat suhu yang sangat rendah
mengakibatkan ukuran butir mengecil sehingga jarak antar butir semakin jauh, ikatan melemah, dan
rapuh. Dengan demikian material amat mudah patah, sehingga energi yang dibutuhkan untuk
mematahkannya sangat kecil pula. Selanjutnya dengan bertambahnya temperature, maka ukuran butir
makin membesar sehingga jaraknya semakin dekat dan ikatannya menguat serta ketangguhannya
meningkat, namun masih getas. Dengan demikian energi impactnya meningkat. Kemudian apabila
temperature makin meningkat, hingga material mencapai keuletan sampai pada temperature
maksimalnya, energi yang dibutuhkan untuk mematahkannya akan bertambah pula sampai nilai
maksimum. Selanjutnya jika lewat dari titik ini, maka energi akan menurun karena adanya deformasi.
Ø Hubungan antara Temperatur (0C) dengan Laju Patah Getas (%)
Dari grafik nampak bahwa hubungan antar kedua variable berbanding terbalik. Semakin rendah
temperature, maka material akan semakin getas hingga mencapai nilai 100%. Seiring dengan
bertambahnya temperature, kegetasan berkurang hingga mencapai nilai minimum., diman keuletan
meningkat, seperti penjelasan pada poin sebelumnya.
Ø Hubungan antara Temperatur (0C) dengan Beban (Kg)
Berdasarkan analisa grafik di atas, terlihat bahwa beban mulur dari posisi pertama ke posisi keeempat
semakin meningkat kemudian berikutnya beban mulur menjadi semakin menurun. Kurva dari titik I ke
titik IV dengan temperature dari sangat rendah menuju ke temperature tinggi, material pada tahap ini
bersifat getas. Pada tahap seperti ini material menjadi kaku, sehingga diperlukan beban yang besar
untuk membuatnya mulur karena kecil kemungkinan terjadinya deformasi plastis yang lebih besar,
sehingga beban mulurnya semakin menurun pula.
M. Defenisi Sifat-sifat Material
Secara garis besar material mempunyai sifat-sifat yang mencirikannya, pada bidang teknik mesin
umumnya sifat tersebut dibagi menjadi tiga sifat.
Sifat –sifat itu akan mendasari dalam pemilihan material, sifat tersebut adalah:
·
Sifat mekanik
·
Sifat fisik
·
Sifat teknologi
Dibawah ini akan dijelaskan secara terperinci tentang sifat-sifat material tersebut
1.
Sifat Mekanik
Sifat mekanik material, merupakan salah satu faktor terpenting yang mendasari pemilihan bahan dalam
suatu perancangan. Sifat mekanik dapat diartikan sebagai respon atau perilaku material terhadap
pembebanan yang diberikan, dapat berupa gaya, torsi atau gabungan keduanya. Dalam prakteknya
pembebanan pada material terbagi dua yaitu beban statik dan beban dinamik. Perbedaan antara
keduanya hanya pada fungsi waktu dimana beban statik tidak dipengaruhi oleh fungsi waktu sedangkan
beban dinamik dipengaruhi oleh fungsi waktu.
Untuk mendapatkan sifat mekanik material, biasanya dilakukan pengujian mekanik. Pengujian mekanik
pada dasarnya bersifat merusak (destructive test), dari pengujian tersebut akan dihasilkan kurva atau
data yang mencirikan keadaan dari material tersebut.
Setiap material yang diuji dibuat dalam bentuk sampel kecil atau spesimen. Spesimen pengujian dapat
mewakili seluruh material apabila berasal dari jenis, komposisi dan perlakuan yang sama. Pengujian
yang tepat hanya didapatkan pada material uji yang memenuhi aspek ketepatan pengukuran,
kemampuan mesin, kualitas atau jumlah cacat pada material dan ketelitian dalam membuat spesimen.
Sifat mekanik tersebut meliputi antara lain: kekuatan tarik, ketangguhan, kelenturan, keuletan,
kekerasan, ketahanan aus, kekuatan impak, kekuatan mulur, kekeuatan leleh dan sebagainya.
Sifar-sifat mekanik material yang perlu diperhatikan:
1.
Tegangan yaitu gaya diserap oleh material selama berdeformasi persatuan luas.
2.
Regangan yaitu besar deformasi persatuan luas.
3.
Modulus elastisitas yang menunjukkan ukuran kekuatan material.
4. Kekuatan yaitu besarnya tegangan untuk mendeformasi material atau kemampuan material untuk
menahan deformasi.
5.
Kekuatan luluh yaitu besarnya tegangan yang dibutuhkan untuk mendeformasi plastis.
6.
Kekuatan tarik adalah kekuatan maksimum yang berdasarkan pada ukuran mula.
7.
Keuletan yaitu besar deformasi plastis sampai terjadi patah.
8.
Ketangguhan yaitu besar energi yang diperlukan sampai terjadi perpatahan.
9. Kekerasan yaitu kemampuan material menahan deformasi plastis lokal akibat penetrasi pada
permukaan.
2.
Sifat Fisik
Sifat penting yang kedua dalam pemilihan material adalah sifat fisik. Sifat fisik adalah kelakuan atau
sifat-sifat material yang bukan disebabkan oleh pembebanan seperti pengaruh pemanasan, pendinginan
dan pengaruh arus listrik yang lebih mengarah pada struktur material. Sifat fisik material antara lain :
temperatur cair, konduktivitas panas dan panas spesifik.
Struktur material sangat erat hubungannya dengan sifat mekanik. Sifat mekanik dapat diatur dengan
serangkaian proses perlakukan fisik. Dengan adanya perlakuan fisik akan membawa penyempurnaan
dan pengembangan material bahkan penemuan material baru.
3.
Sifat Teknologi
Selanjutnya sifat yang sangat berperan dalam pemilihan material adalah sifat teknologi yaitu
kemampuan material untuk dibentuk atau diproses. Produk dengan kekuatan tinggi dapat dibuat dibuat
dengan proses pembentukan, misalnya dengan pengerolan atau penempaan. Produk dengan bentuk
yang rumit dapat dibuat dengan proses pengecoran. Sifat-sifat teknologi diantaranya sifat mampu las,
sifat mampu cor, sifat mampu mesin dan sifat mampu bentuk. Sifat material terdiri dari sifat mekanik
yang merupakan sifat material terhadap pengaruh yang berasal dari luar serta sifat-sifat fisik yang
ditentukan oleh komposisi yang dikandung oleh material itu sendiri.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Dalam perkembangan dunia industri, terutama yang berhubungan dengan penelitian bahan dan
penggunaannya, maka dalam proses produksinya banyak hal atau criteria yang harus dipenuhi agar
material tersebut dapat digunakan dalam dunia industri.
Untuk penggunaan sebagai bahan, sifat-sifat khas dari material logam harus diketahui sebab logam
tersebut akan digunakan untuk berbagai macam keperluan dan keadaan. Sifat logam tersebut meliputi
sifat mekanik, sifat thermal, sifat kimia, kemampukerasan, kemampuan dimensi, dan lain sebagainya.
Adapun dalam percobaan ini yang akan diuji adalah sifat mekanik dari logam terutama sifat
ketangguhannya.
Dengan mengetahui tingkat ketangguhan logam, maka tentunya kita dapat memperkirakan
kemampuannya dalam menerima energi tumbukan yang diberikan secara tiba-tiba sehingga dapat
mematahkan suatu material.Untuk itulah dilakukan pengujian impact pada material yang nantinya akan
digunakan dalam konstruksi mesin. Pengujian ini amat penting dalam menentukan ketahanan suatu
material terhadap perpatahan, berdasarkan energi yang diberiakan oleh tumbukan/pembebanan secara
tiba-tiba pada suatu material.
Dahulu, untuk membuat rangka suatu jembatan, orang-orang hanya menggunakan material yang telah
tersedia. Umumnya mereka menggunakan material yang kuat dang etas sehingga mereka berpikiran
bahwa material yang paling baik digunakan untuk pembuatan rangka jembatan (yang mampu menahan
beban kejut dengan baik) adalah material yang kuat dang etas. Akan tetapi masih sering terjadi hal-al
yang buruk seperti jembatan yang roboh atau jembatan yang secara tiba-tiba bias patah. Oleh karena itu
untuk mengurangi dan menghindari kemungkinan-kemungkinan terburuk maka sebelum menentukan
material yang akan digunakan perlu diadakan suatu pengujian awal untuk mengetahui ketangguhan
material yang akan digunakan dalam menahan beban kejut sehingga diadakan pengujian impact test.
1.2 Tujuan dan Manfaat Pengujian
A. Tujuan Pengujian
1.
Menjelaskan definisi, tujuan, dan prosedur pengujian impact.
2.
Mengetahui energi takikan terhadap kekuatan impact
3.
Membuat grafik hubungan antara energi impact dengan temperature pada beberapa jenis takikan.
4.
Mengetahui pengaruh temperature terhadap energi impact bahan
5.
Membandingkan grafik THP dengan grafik transisi ulet-getas.
6.
Mengetahui pengaruh temperature terhadap laju patah getas.
7. Mengetahui laju pembebanan pada temperature normal dan temperature rendah (ditentukan
asisten).
8.
Mengetahui hubungan ketangguhan retak dengan energi impact.
9.
Mengetahui type-type, metode, dan mode perpatahan.
B. Manfaat pengujian
·
Bagi praktikan
1.
Mengetahui factor-faktor yang mempengaruhi perpatahan pada suatu jenis logam.
2.
Mengetahui pengaruh bentuk takikan terhadap laju perpatahan.
3.
Mengetahui Jenis-jenis perpatahan.
·
Bagi industri
1. Suatu industri dapat membuat produk yang berkualitas dengan mengetahui sifat-sifat bahan dari
hasil pengujian impact.
2. Memudahkan suatu industri dalam pengolahan dan perancangan suatu bahan sekaligus menekan
biaya produksi.
3.
Pemilihan bahan dapat dilakukan dengan mudah, sesuai data yang telah diperoleh pada uji impact.
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Teori Dasar
A. Pengertian Impact Test
Material mungkin mempunyai kekuatan tarik tinggi tetapi tidak tahan dengan beban kejut. Untuk
menentukannya perlu diadakan pengujian inpact. Ketahanan impact biasanya diukur dengan metode
Charpy atau Izood yang bertakik maupun tidak bertakik. Pada pengujian ini, beban diayun dari
ketinggian tertentu untuk memukul benda uji, yang kemudian diukur energi yang diserap oleh
perpatahannya.
Impact test merupakan suatu pengujian yang dilakukan untuk menguji ketangguhan suatu specimen bila
diberikan beban secara tiba-tiba melalui tumbukan. Ketangguhan adalah ukuran suatu energy yang
diperlukan untuk mematahkan atau merusak suatu bahan yang diukur dari luas daerah dibawah kurva
tegangan regangan. Suatu bahan mungkin memiliki kekuatan tarik yang tinggi tetapi tidak memenuhi
syarat untuk kondisi pembebanan kejut. Suatu paduan memiliki parameter ketangguhan terhadap
perpatahan yang didefinisikan sebagai kombinasi tegangan kritis dan panjang retak.
Specimen yang digunakan untuk suatu takikan terdiri dari dua buah yang diuji pada suhu normal dan
suhu rendah.
B. Metode-Metode Pengujian
1.
Metode Charpy (USA)
Merupakan cara pengujian dimana specimen dipasang secara horizontal dengan kedua ujungnya berada
pada tumpuan, sedangkan takikan pada specimen diletakkan di tengah-tengah dengan arah
pembebanan tepat diatas takikan.
Kelebihan :
a.
Pengerjaannya lebih mudah dipahami dan dilakukan
b.
Menghasilkan tegangan uniform di sepanjang penampang
c.
Harga alat lebih murah
d.
Waktu pengujian lebih singkat
Kekurangan :
a.
Hanya dapat dipasang pada posisi horizontal
b.
Spesimen dapat bergeser dari tumpuannya karena tidak dicekam
c.
Pengujian hanya dapat dilakukan pada specimen yang kecil
d. Hasil pengujian kurang dapat atau tepat dimanfaatkan dalam perancangan karena level tegangan
yang diberikan tidak rata.
2.
Metode Izood (Inggris)
Merupakan cara dimana specimen berada pada posisi vertical pada tumpuan dengan salah satu
ujungnya dicekam dengan arah takikan pada arah gaya tumbukan. Tumbukan pada specimen dilakukan
tidak tepat pada pusat takikan melainkan pada posisi agak diatas dari takikan seperti yang tertera pada
gambar sbb :
Kelebihan :
a.
Tumbukan tepat pada takikan karena benda kerja dicekam
b.
Dapat menggunakan specimen dengan ukuran yang lebih besar.
c.
Spesimen tidak mudah bergeser karena dicekam pada salah satu ujungnya.
Kerugian :
a.
Biaya pengujian yang lebih mahal
b.
Pembebanan yang dilakukan hanya pada satu ujungnya, sehingga hasil yang diperoleh kurang baik.
c.
Waktu yang digunakan cukup banyak karena prosedur pengujiannya yang banyak, mulai dari
menjepit benda kerja sampai tahap pengujian.
C. Jenis –jenis cacat pada material
1.
Cacat titik
Vakansi dan Interstisi-Diri
Vakansi adalah kekosongan sisi kisi, yaitu sisi yang seharusnya ditempati atom, kehilangan
atomnya.Vakansi terbentuk selama proses pembekuan, dan juga karena getaran atom yang
mengakibatkan perpindahan atom dari sisi kisi normalnya.
Gambar cacat titik
2.
Dislokasi – Cacat Linier
Dislokasi adalah cacat linier atau satu dimensi dimana didekatnya beberapa atom tidak segaris. Ada 3
jenis dislokasi yaitu :
·
Dislokasi sisi, dislokasi ulir dan dislokasi campuran.Dislokasi sisi/pnggir adalah terdapatnya bidang
atom ekstra atau setengah bidang,dimana sisinya terputus di dalam kristal.
·
Dislokasi ulir terbentuk karena gaya geser yang diberikan menghasilkan distorsi seperti yang
ditunjukkan Gambar 4.4a. Daerah depan bagian atas kristal tergeser sebesar satu atom kekanan relatif
terhadap bagian bawah. Dislokasi ini disimbolkan dengan. Jika pada material dijumpai kedua jenis
dislokasi diatas maka disebut material mempunyai dislokasi campuran.
Gambar Cacat Linier
3.
Cacat antar muka
Cacat antar muka adalah batas yang mempunyai dua dimensi yang biasanya memisahkan daerahdaerah pada material yang mempunyai struktur kristal dan/atau orientasi kristalografi yang berbeda.
Cacat jenis ini antara lain permukaan luar, batas butir, batas kembar, kesalahan tumpukan dan batas
fasa.
a.
Permukaan Luar
Satu dari batas yang paling jelas adalah permukaan luar/eksternal, dimana struktur kristal berakhir.
Atom-atom permukaan tidak terikat ke semua atom terdekat, dan karenanya akan mempunyai tingkat
energi yang lebih tinggi daripada atom-atom di bagian dalam. Ikatan atom-atom permukaan ini yang tak
terpenuhi memberikan kenaikan energi permukaan, dinyatakan dalam satuan energi per satuan
luas (J/m )2.Untuk menurunkan energi ini, material jika memungkinkan cendrung meminimalkan
luas permukaan total.
Gambar Cacat muka permukaan luar
b.
Batas Butir
Batas butir memisahkan dua butir atau kristal kecil yang mempunyai orientasi kristalografi yang
berbeda pada material polikristal. Batas butir secara skematik digambarkan pada gambar 4.7. Didalam
batas butir terdapat atom yang tak bersesuaian pada daerah transisi dari orientasi kristal butir satu ke
butir lain didekatnya.
Gambar Cacat muka Batas butir
c.
Batas Kembar
Batas kembar adalah batas butir tipe khusus dimana terdapat simetri kisi cermin, yaitu atom-atom pada
sebuah sisi batas berada pada posisi cermin dari atom-atom pada sisi lainnya (ambar 4.9). Daerah antara
batas butir ini disebut kembar/twin.
Gambar Cacat muka batas kembar
d.
Cacat bulk atau volume
Cacat lainnya yang ada pada semua material padat dimana cacat ini lebih besar dari yang sudah
dibicarakan adalah pori, retak, inklusi benda asing dan fasa-fasa lainnya. Cacat-cacat ini timbul biasanya
selama tahap-tahap proses dan pabrikasi.
D. Hal-hal yang mempengaruhi impact/ketangguhan bahan :
1. Bentuk takikan
Bentuk takikan amat berpengaruh pada ketangguahan suatu material, karena adanya perbedaan
distribusi dan konsentrasi tegangan pada masing-masing takikan tersebut yang mengakibatkan energi
impact yang dimilikinya berbeda-beda pula. Berikut ini adalah urutan energi impact yang dimiliki oleh
suatu bahan berdasarkan bentuk takikannya.
a) Takikan segitiga
Memiliki energi impact yang paling kecil, sehingga paling mudah patah. Hal ini disebabkan karena
distribusi tegangan hanya terkonsentrasi pada satu titik saja, yaitu pada ujung takikan.
Gambar Takikan segitiga
b) Takikan segi empat
Memiliki energi yang lebih besar pada takikan segi tifga karena tegangan terdistribusi pada 2 titik pada
sudutnya.
Gambar takikan segi empat
c) Takikan Setengah lingkaran
Memiliki nergy impact yang terbesar karena distribusi tegangan tersebar pada setiap sisinya, sehingga
tidak mudah patah
Gambar takikan setengah lingkaran
2. Kadar Karbon
Material yang memiliki kadar karbon yang tinggi memiliki sifat yang kuat dan getas sehingga
membutuhkan energy yang tidak besar sedangkan material yang kadar karbonnya rendah memiliki sifat
yang ulet dan lunak sehingga membutuhkan energy yang besar dalam perpatahannya.
3. Beban
Semakin besar beban yang diberikan , maka energi impact semakin kecil yang dibutuhkan untuk
mematahkan specimen, dan demikianpun sebaliknya. Hal ini diakibatkan karena suatu material akan
lebih mudah patah apabila dibebani oleh gaya yang sangat besar.
4. Temperatur
Semakin tinggi temperature dari specimen, maka ketangguhannya semakin tinggi dalam menerima
beban secara tiba-tiba, demikinanpun sebaliknya, dengan temperature yang lebih rendah. Namun
temperature memiliki batas tertentu dimana ketangguhan akan berkurang dengan sendirinya.
Grafik dibawah ini akan menunjukkan hubungan antara temperature dengan energi impact, laju
patah getas Y % , beba
ulur P’ , da beba
aks. Kg .
5. Transisi ulet rapuh
hal ini dapat ditentukan dengan berbagai cara, misalnya kondisi struktur yang susah ditentukan oleh
system tegangan yang bekerja pada benda uji yang bervariasi, tergantung pada cara
pengusiaannya.sehingga harus digunakan system penekanan yang berbeda dalam berbagai persamaan.
6. Efek komposisi ukuran butir
ukuran butir berpengaruh pada kerapuhan, sesuai dengan ukuran besarnya. Semakin halus ukuran
butir maka bahan tersebut akan semakin rapuh sedangkan bila ukurannya besar maka bahan akan ulet.
7. Perlakuan panas dan perpatahan
perlakuan panas umumnya dilakukan untuk mengetahui atau mengamati besar-besar butir benda uji
dan untuk menghaluskan butir. Sedangkan untuk menambah keuletan suatu bahan dapat dilakukan
dengan penambahan logam.
8. Pengerasan kerja dan pengerjaan radiasi
pengerasan kerja terjadi yang ditimbulkan oleh adanya deformasi plastis yang kecil pada temperature
ruang yang melampaui batas atau tidak luluh dan melepaskan sejumlah dislokasi serta adanya
pengukuran keuletan pada temperature rendah. Pengerasan kerja ini akan menimbulkan berapakah
pada logam karena peningkatan komplikasi s akibat pembentukan dislokasi yang saling berpotongan.
E. TEGANGAN BIDANG
Pengaruh ketebalan :
·
Ketangguhan patah tergantung pada ketebalan ini berhubung dengan pembatasan dan ukuran
zona plastis pada ujung retak.
·
Ketika ketebalan memberikan pengaruh penurunanproporsi dari perpatahan permukaan dimana
lidah geseran (shear lips) akan meningakat.
Regangan dan tegangan bidang (perpatahan datar)
Kunci permasalahan pada penyiapan specimen :
Perpatahan terjadi pad zona plastis sebelum deformasi dari ujung retak dari zona plastis.
Mekanika Perpatahan
§ Metode mekanika perpatahan peluluhan umum sangat diperlukan untuk mengukur tingkat
ketangguhan dari bahan yang tangguh menggunakan specimen uji kecil.
§ Spesimen yang kecil mungkin akan luluh sebelum patah.
§ Dengan bahan yang sama dengan struktur yang besar mungkin akan patah sebelum luluh
terjadi.Untuk itu dipeerlukan CTOD dan integral
Ketangguhan Patah Regangan bidang,K1c
·
Ketangguhan pada regangan bidang K1c mempunyai nilai yang terendah.
·
Pengukuran ketangguhan tersebut merupakan tipe konservatif
·
Struktur yang lebih tebal dan lebih tangguh.
·
K1c umumnya di gunakan dalam teknik desain.
·
Regangan bidang : Ketebalan = 50 x zona plastis.
·
Tegangan bidang = Ketebalan = zona plastis.
Crac tip opening dislapcement ( CTOD )
Kondisi local dari tegangan dan regangan pada ujung retak yang menyebabkan perpatahan sama untuk
specimen yng kecil dan struktur yang besar.
F. Tegangan tiga sumbu
Pada gambar terlihat bahwa penambahan pelat yang tebal akan menimbulkan tegangan yang tinggi. Bila
tebal B bertambah maka tegangan yang diperoleh material dalam arah sumbu X dan sumbu Y yaitu sx
dan sy akan mengecil. Karena adanya pengaruh momen inersia I = ½ bh2
Pada gambar diatas terlihat bahwa penumbukan plat yang tebal akan menimbulkan tegangan yang
tinggi, dimana tegangan masing-masing dalam arah sumbu x dan y yaitu sy penekanan yang dilakukan
dalam arah sumbu x dan y. untuk ketebalan specimen yang lebih besar, tegangan yang diperoleh dalam
arah x dan y berkurang karena adanya distribusi tegangan ke tiga arah ( trioksal ) pada sumbu koordinat
seperti yang ditunjukkan pada gambar tersebut.
G. Tipe-tipe perpatahan
a) Perpatahan transgranular atau juga disebut patah gelah yang umumnya terjadi pada struktur body
center cubic yang dibuat pada temperature rendah. Perpatahan Transgranular merupakan perpatahan
yang terjadi akibat retakan yang merambat didalam butiran material.
b) Perpatahan intergranular yaitu perpatahan yang terjadi akibat retakan yang merambat diantara
butiran material yang kerap dikatakan sebagai perpatahan khusus. Pada berbagai paduan didapatkan
berbagai keseimbangan yang sangat peka antara tegangan yang diperlukan untuk perambatan retak
dengan pembelahan dan tegangan yang diperlukan untuk perpatahan rapuh sepanjang batas butir.
H. Jenis-jenis perpatahan
1)
Patah ulet (Ductile Fracture)
Patah ulet adalah patahan disertai perubahan bentuk plastis (plastis deformation). Secara makroskopis,
ciri-ciri patah ulet antara lain :
a.
Terjadi deformasi plastis yang cukup besar sebelum patah
b.
Bidang geser (shear lip) biasanya tampak atau diketemukan pada akhir patahan
c.
Permukaan patahan berserat (fibrous) atau silky texture, tergantung pada jenis material
d. Penampang melintang di daerah patahan biasanya berkurang karena pengecilan penipisan
(necking)
e.
Pertumbuhan retak berjalan lambat
2)
Patah rapuh (Brittle fracture)
Patah rapuh terjadi apabila material logam pada saat patah tidak mengalami perubahan bentuk plastis
atau pengecilan penampang. Secara makroskopis, ciri-ciri patah rapuh antara lain :
a.
Tidak ada atau terjadi sedikit deformasi plastis
b.
Permukaan patahan umumnya datar dan tegak lurus terhadap permukaan komponen
c.
Struktur patahan bentuk granular atau kristalin dan merefisikan cahaya
Retak tumbuh/menjalar cepat, dan sering disertai suara keras.
I. Mode-mode perpatahan
Selain berdasarkan jenis dan typenya, perpatahan dapat pula diklasifikasikan berdasarkan arah beban
yang diberikan terhadap material. Kita dapat menggambarkan arah tersebut sbb :
Jadi berdasarkan gambar diatas, dapat diperoleh 3 mode perpatahan, sbb :
Mode I (opening shear)
Merupakan perpatahan akibat pemberian beban yang mengakibatkan tegangan yang arahnya tegak
lurus dengan bidang perpatahan dan tegangan tersebut berada pada posisi yang sejajar berlawanan
arah pada masing-masing sisi dari bahan. (sb.Y)
Contoh : perpatahan pada shock breaker
2.
Mode II (In-Plane Shear)
Pada mode ini tegangan terjadi pada sumbu Z dari bahan artinya melintang terhadap arah perpatahan.
Hal ini terjadi karena beban diberikan tidak sejajar dan berlawanan arah pada kedua ujung material,
sehingga seakan-akan terjadi sliding.
Contoh : perpatahan pada kopling gesek
Mode III (Out-Plane Shear)
Pada mode ini, tegangan terjadi pada sb. x dari bahan (vertical), dimana tegangan tsb berada pada arah
yang tidak sejaajr dan berlawanan arah pada sb. x.
Contoh : perpatahan pada roda gigi.
J. Fatik dan factor-faktor penyebab fatik
Fatik adalah prilaku logam yang bila mana dibebani tegangan variabel siklus yang cukup besar ( sering
kali dibawah tegangan luluh ) akan mengalami perubahan yang terdeteksi pada sifat mekaniknya. Dalam
praktek sebagian besar kesalahan disebabkan oleh fatik. Sehingga perhatian ahli teknik tertuju pada
kegagalan fatik yang terjadi pada benda yang patah menjadi dua bagian. Seringkali kegagalan tersebut
disebabkan kesalahan desain suatu komponen dan dalam hal seperti ini banyak yang dapat dilakukan
oleh seorang ahli metalurgi. Oleh karena itu pendekatan terhadap fatik ada tiga aspek yaitu :
a. Masalah rekayasa
b. Aspek metalurgi secara keseluuhan
c. Struktur skala halus dan perubahan atom
Faktor-faktor yang mempengaruhi terjadinya fatik :
a.
penyelesaian permukaan
karena retak fatik seringkali berada pada dekat komponen, kondisi permukaan merupakan hal yang
perlu diperhatikan pada fatik. Bekas permesinan dan ketidak rataan lain harus dihilangkan dan usaha ini
berpengaruh sekali terhadap sifat fatik. Lapisan permukaan yang diberi tekanan dengan tumbukan
partikel akan meningkatkan umur fati
b.
pengaruh temperature
pengaruj temperature terhadap fatik mirip dengan pengaruh temperature terhadap kekuatan tarik
maksimum. Kekuatan fatik paling tinggi pada temperature rendah, dan berkurang secara bertahap
dengan naiknya temperature
c.
frekuensi siklus tegangan
pengaruh frekuensi siklus tegangan terhadap umur fatik untuk berbagai jenis logam umumnya tidak ada,
meskipun penurunan frekuensi biasanya menurunkan umur fatik. Efek ini bertambah bila temperature
uji fatik kita naikkan bila umur fatik cenderung bergantung pada waktu uji seluruhnya dan tidak pada
jumlah siklus.
d.
tegangan rata –rata
untuk kondisi fatik dimana tegangna rata – rata
sNf = [(smax + smin)/2]
Tidak melampaui tegangan luluh sy, maka berlaku hubungan :
sNf = konstan
Yang disebut juga hokum basquin, dimana hokum tersebut tidak berlaku bagi untuk fatik siklus rendah
dengan s lebih besar dari sy , akan tetapi disini berlaku hubungan epNf = Db = konstan
e.
lingkungan
fatik yang terjadi dalam lingkungan korosif biasanya disebut fatik korosi. Telah diketahui bahwa kikisan
korosi oleh media cair dapat menimbulkan lubang – lubang etsa yang bersifat sebaga tekuk. Akan tetapi
bila mana serangan korosi terjadi secara serentak bersamaan dengan pembebanan fatik efek perusakan
jauh lebih besar dibandingkan dari efek tekuk semata.
K. Faktor terjadinya dislokasi
Dislokasi merupakan pergeseran dari struktur butir karena adanya bagian yang kosong, sementara pada
satu tempat terjadi penumpukan butir, maka pada saat itu diberi perlakuan butir yang akan mengisi
ruang kosong di dekatnya. Adapun beberapa jenis dislokasi adalah sbb :
a)
Dislokasi titik, diman kekosongan terjadipada titik tertentu, hal ini terjadi karena :
·
Ada atom yang hilang dalam kristal
·
Hasil penumpukan yang salah dalam kristalisasi
·
Akibat energi termal yang meningkat, sehingga atom melompat meninggalkan tempatnya.
b) Dislokasi garis, merupakan sisipan satu baris atom tambahan dalam struktur kristal. Disekitar
suatu dislokasi garis terdapat daerah yang mengalami tekanan dan tegangan, sehingga terdapat energi
tambahan sepanjang dislokasi tersebut.
c) Dislokasi ulir, menyerupai spiral dengan garis cacat sepanjang sumbu ulir. Atom-atom disekitarnya
mengalami gaya geser.
d) Dislokasi butir, terjadi karena adanya gaya tekan dan tegangan yang akhirnya gaya-gaya ini dapat
diuraikan menjadi tegangan geser. Hal ini disebabkan bidang atom bergeser terhadap bidang atom
didekatnya yang disebut slip
L. Grafik Transisi ulet getas,Grafik S-N,hubungan temperature dengan energi impact,hubungan
temperature dengan beban,hubungan temperature dengan laju patah getas
a)
Grafik Transisi ulet
Pengujian impact terutama untuk memperlihatkan penurunan kelenturan dan kekuatan impact bahan
dengan struktur BCC pada temperature rendah. Sebagai contoh gambar diatas adalah baja karbon yang
memiliki temperature transisi lentur rapuh yang relative tinggi sehingga hanya dapat digunakan dengan
aman pada temperature dibawah nol jika temperature transisinya diturunkan dengan menggunakan
paduan. Suatu paduan memerlukan parameter ketangguhan terhadap perpatahan ( Kc ) yang
didiefinisikan sebagai kombinasi tegangan kritis dan panjang retak. Kc didefinisikan karena banyaknya
paduan yang mengandung retak – retak kecil yang akan menjalar jika mengalami tegangan yang melebhi
temperature kritis.
Transisi ulet getas kemudian dapat dijelaskan berdasarkan kriteria bahwa material bersifat ulet pada
setiap temprature apabila tegangan luluh pada temprature tersebut lebih kecil dibandingkan tegangan
yang diperlukan untuk memperbesar mikroretak. Apabila tegangan luluh lebih besar dari pada tegangan
yang diperlukan untuk memperbesar mikroretak tersebut maka material tersebut bersifat getas.
b)
Grafik S-N
Gaya yang dapat dibebankan pada bahan selama pembebanan siklus jauh lebih rendah daripada beban
static. Kekuatan tarik dapat dijadikan pedoman desain untuk konstruksi yang mengalami beban static.
Jumlah siklus N yang dapat dipikul oleh logam akan turun dengan naiknya tegangan S(seperti gambar).
1.1.6
Grafik Hubungan T,W,E, dan P serta t Vs P
Penjelasan grafik :
v titik I
pada titik ini menunjukan specimen diuji pada suhu -800 C dan tingkat kegetasan 100 % sehingga energi
hampir dikatakan tidak ada
v titik II
pada titik ini menunjukan specimen diuji pada titik -60 0C dan tingkat kegetasan masih 100 % dengan
energi yang mulai ada
v titik III
pada titik ini menunjukan specimen diuji pada titik -40 0C dan tingkat kegetasan sudah mulai turun
menjadi 95 % dengan energi kurang lebih 1 kg
v titik IV
pada titik ini menunjukan specimen diuji pada titik -20 0C dan tingkat kegetasan sudah mulai turun
menjadi 70% dengan energi kurang lebih 2 kgm
v titik V
pada titik ini menunjukan specimen diuji pada titik 20 0C dan tingkat kegetasan 70 % dengan energi
yang dihasilkan 2 kgm
v titik VI
pada kondisi ini sudah mencapai titik maksimum dan energinya sudah mencapai 10 kgm sehingga
walaupun suhunya naik specimen tersebut tidak akan bertambah.
Penjelasan hubungan antar grafik :
Ø Hubungan antara Temperatur T (0C) dengan Energi impact E (Kg.m)
Telah dijelaskan sebelumnya bahwa temperature sangat berpengaruh pada ketangguhan suatu material.
Dimulai dari rapuh, yakni pada suhu yang sangat rendah. Pada tahap ini, akibat suhu yang sangat rendah
mengakibatkan ukuran butir mengecil sehingga jarak antar butir semakin jauh, ikatan melemah, dan
rapuh. Dengan demikian material amat mudah patah, sehingga energi yang dibutuhkan untuk
mematahkannya sangat kecil pula. Selanjutnya dengan bertambahnya temperature, maka ukuran butir
makin membesar sehingga jaraknya semakin dekat dan ikatannya menguat serta ketangguhannya
meningkat, namun masih getas. Dengan demikian energi impactnya meningkat. Kemudian apabila
temperature makin meningkat, hingga material mencapai keuletan sampai pada temperature
maksimalnya, energi yang dibutuhkan untuk mematahkannya akan bertambah pula sampai nilai
maksimum. Selanjutnya jika lewat dari titik ini, maka energi akan menurun karena adanya deformasi.
Ø Hubungan antara Temperatur (0C) dengan Laju Patah Getas (%)
Dari grafik nampak bahwa hubungan antar kedua variable berbanding terbalik. Semakin rendah
temperature, maka material akan semakin getas hingga mencapai nilai 100%. Seiring dengan
bertambahnya temperature, kegetasan berkurang hingga mencapai nilai minimum., diman keuletan
meningkat, seperti penjelasan pada poin sebelumnya.
Ø Hubungan antara Temperatur (0C) dengan Beban (Kg)
Berdasarkan analisa grafik di atas, terlihat bahwa beban mulur dari posisi pertama ke posisi keeempat
semakin meningkat kemudian berikutnya beban mulur menjadi semakin menurun. Kurva dari titik I ke
titik IV dengan temperature dari sangat rendah menuju ke temperature tinggi, material pada tahap ini
bersifat getas. Pada tahap seperti ini material menjadi kaku, sehingga diperlukan beban yang besar
untuk membuatnya mulur karena kecil kemungkinan terjadinya deformasi plastis yang lebih besar,
sehingga beban mulurnya semakin menurun pula.
M. Defenisi Sifat-sifat Material
Secara garis besar material mempunyai sifat-sifat yang mencirikannya, pada bidang teknik mesin
umumnya sifat tersebut dibagi menjadi tiga sifat.
Sifat –sifat itu akan mendasari dalam pemilihan material, sifat tersebut adalah:
·
Sifat mekanik
·
Sifat fisik
·
Sifat teknologi
Dibawah ini akan dijelaskan secara terperinci tentang sifat-sifat material tersebut
1.
Sifat Mekanik
Sifat mekanik material, merupakan salah satu faktor terpenting yang mendasari pemilihan bahan dalam
suatu perancangan. Sifat mekanik dapat diartikan sebagai respon atau perilaku material terhadap
pembebanan yang diberikan, dapat berupa gaya, torsi atau gabungan keduanya. Dalam prakteknya
pembebanan pada material terbagi dua yaitu beban statik dan beban dinamik. Perbedaan antara
keduanya hanya pada fungsi waktu dimana beban statik tidak dipengaruhi oleh fungsi waktu sedangkan
beban dinamik dipengaruhi oleh fungsi waktu.
Untuk mendapatkan sifat mekanik material, biasanya dilakukan pengujian mekanik. Pengujian mekanik
pada dasarnya bersifat merusak (destructive test), dari pengujian tersebut akan dihasilkan kurva atau
data yang mencirikan keadaan dari material tersebut.
Setiap material yang diuji dibuat dalam bentuk sampel kecil atau spesimen. Spesimen pengujian dapat
mewakili seluruh material apabila berasal dari jenis, komposisi dan perlakuan yang sama. Pengujian
yang tepat hanya didapatkan pada material uji yang memenuhi aspek ketepatan pengukuran,
kemampuan mesin, kualitas atau jumlah cacat pada material dan ketelitian dalam membuat spesimen.
Sifat mekanik tersebut meliputi antara lain: kekuatan tarik, ketangguhan, kelenturan, keuletan,
kekerasan, ketahanan aus, kekuatan impak, kekuatan mulur, kekeuatan leleh dan sebagainya.
Sifar-sifat mekanik material yang perlu diperhatikan:
1.
Tegangan yaitu gaya diserap oleh material selama berdeformasi persatuan luas.
2.
Regangan yaitu besar deformasi persatuan luas.
3.
Modulus elastisitas yang menunjukkan ukuran kekuatan material.
4. Kekuatan yaitu besarnya tegangan untuk mendeformasi material atau kemampuan material untuk
menahan deformasi.
5.
Kekuatan luluh yaitu besarnya tegangan yang dibutuhkan untuk mendeformasi plastis.
6.
Kekuatan tarik adalah kekuatan maksimum yang berdasarkan pada ukuran mula.
7.
Keuletan yaitu besar deformasi plastis sampai terjadi patah.
8.
Ketangguhan yaitu besar energi yang diperlukan sampai terjadi perpatahan.
9. Kekerasan yaitu kemampuan material menahan deformasi plastis lokal akibat penetrasi pada
permukaan.
2.
Sifat Fisik
Sifat penting yang kedua dalam pemilihan material adalah sifat fisik. Sifat fisik adalah kelakuan atau
sifat-sifat material yang bukan disebabkan oleh pembebanan seperti pengaruh pemanasan, pendinginan
dan pengaruh arus listrik yang lebih mengarah pada struktur material. Sifat fisik material antara lain :
temperatur cair, konduktivitas panas dan panas spesifik.
Struktur material sangat erat hubungannya dengan sifat mekanik. Sifat mekanik dapat diatur dengan
serangkaian proses perlakukan fisik. Dengan adanya perlakuan fisik akan membawa penyempurnaan
dan pengembangan material bahkan penemuan material baru.
3.
Sifat Teknologi
Selanjutnya sifat yang sangat berperan dalam pemilihan material adalah sifat teknologi yaitu
kemampuan material untuk dibentuk atau diproses. Produk dengan kekuatan tinggi dapat dibuat dibuat
dengan proses pembentukan, misalnya dengan pengerolan atau penempaan. Produk dengan bentuk
yang rumit dapat dibuat dengan proses pengecoran. Sifat-sifat teknologi diantaranya sifat mampu las,
sifat mampu cor, sifat mampu mesin dan sifat mampu bentuk. Sifat material terdiri dari sifat mekanik
yang merupakan sifat material terhadap pengaruh yang berasal dari luar serta sifat-sifat fisik yang
ditentukan oleh komposisi yang dikandung oleh material itu sendiri.