Sifat Mekanik dan Volumetrik dari Materi (1)

Sifat Mekanik dan
Volumetrik dari Material
Struktur Mekanik

Sifat Mekanik Material
 Sifat mekanik dari material menentukan perilakunya ketika diberikan
beban mekanis
 Sifat ini meliputi modulus elastisitas, ductility, hardness, dan berbagai
ukuran kekuatan.
 Dalam desain , tujuan umumnya adalah agar produk dan komponen dapat
bertahan terhadap beban ini tanpa terjadi perubahan yang signifikan di
geometry.
 Kemampuan ini bergantung pada sifat seperti modulus elastisitas dan
yield strenght

Sifat Mekanik Material
 Dalam manufaktur , tujuannya agar beban dapat melebihi yield strength
sehingga material dapat dibentuk.
 Proses mekanikal seperti forming dan machining diikuti dengan
penambahan gaya yang melebihi resistansi material untuk berubah
bentuk.

 Sehingga terdapat dilema, sifat mekanis yang diinginkan oleh desainer
seperti strength, umumnya membuat benda tersebut sulit di manufaktur.
 Akan sangat membantu jika insinyur manufaktur dan desain dapat
menemukan komprominya.



Hubungan tegangan dan regangan

 Jika sebuah beban statis diberikan secara merata pada
permukaan sebuah material, perilaku mekanik dapat
ditentukan dengan menggunakan tes strain-stress(tes
regangan-tegangan) sederhana.
 Tes ini biasanya dilakukan pada logam pada temperatur
ruangan
 Tiga cara dasar untuk memberikan beban statis adalah :
tension, compression, dan shear.

 Dibawah adalah gambar tes tarik/tensile test

 Beban dan perubahan panjang dari spesimen dicatat sehingga dapat digambarkan
kurva stress-strain.
 Terdapat 2 tipe kurva stress-strain, yaitu :
1.

Engineering stress–strain

2.

True stress–strain

 Poin pertama lebih penting bagi desain, dan yang kedua lebih penting bagi
manufaktur.
 Engineering stress dapat dihitung :

F

A0



F = beban yg diberikan tegak lurus luas penampang ( N )



A0 = luas penampang sebelum dibebani ( m2)



σ = engineering stress ( 1MPa = 106 N/m2 )

 Engineering (Є) strain dapat dihitung :

li  lo l


lo
lo


lo = panjang awal



li = panjang akhir

 Kurva engineering stress-strain

 Terdapat dua daerah pada kurva yaitu daerah elastis dan plastis.
 Pada daerah elastis, perubahan geometri akibat beban dapat kembali ke bentuk
awal jika beban dihilangkan.
 Perubahan ini dapat dirumuskan :
σ =єE
 E = modulus elastisiatas (MPa)
 Rumus di atas disebut hukum Hooke
 Modulus elastisitas adalah ukuran kekakuan dari benda.
 Semakin besar nilainya semakin kaku benda tersebut.
 Pada daerah plastis, perubahan geometri akibat beban berdampak permanen
 Daerah perbatasan antara elastis dan plastis, titik Y, disebut yield strenght.

 Titik TS adalah tempat beban maksimum sebelum necking terjadi. Titik ini disebut
tensile stress.

 Necking adalah pembentukan deformasi terkonsentrasi pada bagian tengah
spesimen
 Seberapa banyak regangan yang dapat ditahan oleh material sebelum putus
/hancur juga merupakan data penting bagi proses manufaktur.
 Ukuran regangan ini disebut ductility / keliatan, dapat dihitung dengan rumus :

 l f  lo 
 100
% EL 
 lo 
 Ao  A f
% RA 
 Ao


 100




Material yang mengalami deformasi plastis sangat sedikit atau tidak sama sekali
pada saat fracture disebut brittle ( rapuh ).

 Salah satu besaran lain yang penting bagi proses manufaktur adalah true stress dan
strain.
 True stress dapat dihitung sbb :

F
T 
Ai
 True strain dapat dihitung sbb :

li
T ln
l0



Dimana Ai adalah luas penampang pd beban gaya yg sedang diberikan



Sementara li adalah panjang benda pd bebadn gaya yg sedang
diberikan

 Perbandingan kurva true stress-strain dan engineering stress-strain

 Jika bagian dari kurva true stress-strain pada daerah plastis diplot pada skala loglog, hasilnya akan menjadi hubungan linier.

 Karena hubungan true stress dan strain berbentuk garis lurus, maka hubungan ini
dapat dirumuskan sbb :

 T K Tn
 Persamaan ini disebut kurva aliran, dan memberikan sebuah estimasi yang baik
terhadap perilaku logam dalam daerah plastis, termasuk kapasitas logam untuk
strain hardening.
 Konstanta K disebut koefisien strenght (Mpa)

 Parameter n disebut eksponen strain hardening dan merupakan kemiringan dari
grafik di atas.
 Nilai n yg besar meyatakan material dapat diberikan beban tarikan yg besar
sebelum pembentukan necking terjadi



Tipe hubungan antara stress-strain


Banyak informasi mengenai perilaku elastis-plastis diberikan oleh kurva true
stress-strain



Sperti yg telah dijelaskan hokum hooke mengatur perilaku logam pada daerah
elastis, sementara kurva aliran menentukan perilaku di daerah plastis



Terdapat tiga bentuk dasar dari hubungan stress-strain yg menggambarkan
perilaku hamper semua material padat

1.

Elastis Sempurna





Perilaku dari material ini didefinisikan seluruhnya oleh kekakuannya,
diindikasikan umumnya oleh modulus elastisitas yg tinggi
Material ini akan hancur daripada mengikuti aliran plastis
Material getas seperti keramik, kebanyakan baja cor dan polimer
thermosetting memiliki kurva stress-strain yg masuk ke dalam kategori ini
Material ini tidak tepat untuk digunakan dlm operasi pembentukan



Grafik elastis sempurna

2.

Elastis dan plastis sempurna


Material ini memiliki kekakuan yg ditentukan oleh E



Ketika yield strength Y dicapai, material terdeformasi secara plastis pada
tingkat stress yg sama



Kurva aliran akan memiliki K = Y dan n = 0.



Logam berprilaku seperti ini ketika telah dipanaskan pada temperature tinggi
sehigga terjadi rekristalisasi daripada strain hardening pd saat deformasi



Timbal memiliki perilaku ini pada temperature ruang karena temperature
ruang di atas titik rekristalisai untuk timbal



Kurva elastis dan plastis sempurna

3.

Elastis dan strain hardening


Material ini mematuhi hokum hooke pada daerah elastis



Mulai mengalir pd yield strength Y



Deformasi lanjutan membutuhkan beban yg ters meningkat, yg ditunjukkan
pd kurva aliran dg K lebih besar dari Y dan n lebih besar dari nol



Kebanyakan logam liat berprilaku seperti ini ketika dilakukan cold worked



Grafik Elastis dan strain hardening

Sifat Tensile


Resilience


Adalah kapasitas sebuah bahan untuk menyerap energi ketika benda tsb
terdeformasi secara elastis, dan kemudian ketika beban dilepaskan bisa
merekover energinya.



Disimbolkan Ur modulus of resilliance

Ur


y 

 y2

1
1

  y y   y 



2
2
2E
 E 
Material yang resiliance adalah material yang memiliki yield strength yang
tinggi dan modulus elastisitas yang rendah

Sifat Tensile


Resilience

y

U r   d 
0

Sifat Tensile


Toughness / keuletan


Adalah kemampuan setiap material untk menyerap energi sampai hancur
(fracture)



Geometri spesimen dan jenis beban penting dalam pengukuran toughness



Untuk situasi statis ( tingkat strain rendah), toughness adalah area dibawah
kurva stress-strain sampai kepada titik fracture.

Sifat Tensile



Material yang memiliki toughness tinggi mempunyai strenght dan ductility
yang tinggi juga.



Satuan toughness adalah energi per unit volume



Beban Kompresi /Tekanan
 Rumus untuk engineering stress :

 Rumus untuk enginering strain :

 Pada beban tekanan yang terjadi adalah kebalikan dari beban tarik, luas
penampang (A) menjadi lebih besar dan benda menjadi lebih pendek .



Beban Kompresi /Tekanan



Tes untuk material rapuh/getas
 Tes ini dilakukan untuk material yang rapuh terutama keramik.



Tes untuk material rapuh/getas
 Nilai strenght yang dihasilkan dari tes ini disebut transverse rupture strength
dengan satuan MPa.



Tes puntir (shear)
 Melibatkan aplikasi beban pada arah yang berlawanan pada kedua sisi sebuah
elemen tipis untuk menolaknya.



Tes puntir (shear)
 Shear stress dapat dihitung dengan rumus :

F

A0

 Shear strain dapat dihitung dengan rumus :



Tes puntir (shear)



Tes puntir (shear)
 Hubungan antara shear stress-strain di daerah elastis dapat dirumuskan sbb :

 G

 Dimana G adalah modulus elastisitas shear (MPa)
 Untuk kebanyakan material G = 0.4E , dimana E adalah modulus elastisitas
konvensional



Hardness
 Hardness adalah ukuran dari resitansi material terhadap deformasi plastis yang
terlokalisasi.
 Teknik pengukuran kuantitatif dikembangkan dengan menggunakan sebuah
indenter/penekan kecil.
 Alat ini ditekan ke dalam permukaan material yang dites dalam kondisi beban dan
waktu terkontrol



Berbagai macam tes hardness dan tipe indenter



.



Prinsip dasar tes hardness tidak jauh berbeda satu dengan yg lainnya
yang berbeda adalah metoda pengukuran dan bentuk indenter.



Untuk logam tes rockwell dan brinell dapat digunakan sementara tes
knoop dan vickers digunakan untuk keramik



Hardness


Rockwell Hardness Test
 Tes tipe ini sangat umum digunakan untuk mengukur hardness, karena sederhana
dan tidak membutuhkan keahlian khusus.
 Beberapa ukuran yang berbeda dapat digunakan dan kombinasi dari berbagai
bentuk indenter dan beban yang berbeda dapat digunakan untuk mengetes
berbagai macam material.
 Pada sistem ini angka hardness ditentukan dengan perbedaan pada berbagai
macam kedalaman hasil dari beban ringan yang diikuti oleh beban berat.

 Kedalaman dan ukuran dari bekas indenter diukur, yang kemudian dihubungkan
pada angka hardness
 Jika didasarkan kepada besarnya beban ringan dan berat, maka tes rockwell terbagi
2:


Tes Rockwell; dengan beban ringan 10 kg, dan beban berat 60, 100 dan 150kg.



Tes Superficial Rockwell; dengan beban ringan 3 kg, dan beban berat 15, 30 , dan 45 kg.
(untuk spesimen tipis)

 Tahapan tes rockwell :


Indenter didekatkan pada spesimen, lalu ditekan pada spesimen menggunakan gaya awal
(beban ringan )



Gaya awal ini dipertahankan untuk jangka waktu tertentu ( dwell time ), setelah itu
kedalaman pada spesimen diukur

 Tahapan tes rockwell :


Langkah selanjutnya gaya tambahan digunakan terus ditingkatkan sampai mencapai beban
maksimum ( major load ). Gaya ini dipertahankan untuk jangka waktu tertentu, lalu
diturunkan sampai kepada beban awal kembali.



Beban awal ini dipertahankan untuk jangka waktu tertentu, lalu indenter diangkat dari
spesimen dan pengukuran kedalaman dilakukan



Perbedaan antara kedalaman pertama dan kedua (h) dijadikan acuan untuk perhitungan
rockwell hardnes number.



Grafik Tes Rockwell



Grafik Tes Rockwell

 Perhitungan kedalaman dapat dirumuskan :


Untuk indenter berbentuk diamond sphericonical :

h
H r 100 
0.002mm
h
H s 100 
0.001mm

 Ketika melakukan spesifikasi tes Rockwell angka hardness dan simbol skala harus
digunakan. Skala ini menggunakan simbol HR diikuti oleh indentifikasi skala.
 Contoh :


80 HRB = Rockwell hardness pada 80

pada skala B



60 HR30W = superficial hardness 60 pada skala 30W



Hardness

Hardness


Korelasi antara Hardness dan Tensile Strength


Tensile strength dan hardness merupakan indikator dari resistansi logam
terhadap deformasi plastis. Sehingga kedua ukuran ini proporsional.



Dapat dirumuskan sebagai :

TS ( MPa ) 3.45 HB
TS ( psi ) 500 HB

Hardness

Variabilitas Sifat dan Faktor
Keselamatan Desain


Faktor Keamanan Desain


Akibat variasi dari data maka penyesuaian desain harus dilakukan.



Salah satu caranya adalah dengan mengaplikasikan design stress (σd)



Untuk beban yang statis dan ketika ductile material digunakan, σd dapat dirumuskan :

 d  N  c


Dimana N’ merupakan faktor desain dan σc merupakan stress yang dihitung

Variabilitas Sifat dan Faktor
Keselamatan Desain


Nilai N’ lebih besar dari 1.



Sehingga material yang digunakan dipilih agar memiliki yield strength
minimum σd.



Selain itu juga terdapat safe stress σw atau working stress juga dapat digunakan.

y
w 
N


Dimana N merupakan faktor keamanan dan σy merupakan yield strength.

Variabilitas Sifat dan Faktor
Keselamatan Desain


Penggunaan design stress lebih disukai karena didasarkan kepada stress
maksimum yang diaplikaskan daripada yield strength material.



Pemilihan nilai N sangat penting. Nilai N berkisar antara 1.2 sampai 4



Pemilihan nilai N bergantung pada berbagai faktor, seperti ekonomis,
pengalaman, konsekuensi kegagalan, dst

SIFAT VOLUMETRIK
DAN PELELEHAN

Sifat Volumetrik dan pelelehan


Sifat sifat ini bergantung pada volume dari benda padat dan bagaimana
pengaruh suhu terhadap benda-benda tersebut.



Sifat-sifat ini adalah kerapatan (density), ekspansi panas, dan titik leleh.



Sifat-sifat ini untuk beberapa material dpt dilihat pd tabel berikut

.



Dimana :



a = karakteristik pelelehan baja bergantung pd komposisi



b = Melunak pd peningkatan temperature dan tidak memiliki titik leleh
yg pasti



c = terdegradasi secara kimiawi pd temperature tinggi



NA = tidak tersedia; nilai untuk material ini tidak dpt diperoleh

6.1 DENSITY / Kerapatan
 Dalam ilmu teknik, kerapatan sebuah material adalah massanya per unit
volume
 Memiliki symbol ρ dan satuannya adalah g/cm3 (lb/in3)
 Kerapatan dari sebuah elemen ditentukan oleh nomor atom dan factor
lain, seperti jarak antar atom dan APF
 Sebuah istilah specific gravity menyatakan kerapatan material relative
terhadap kerapatan air dan merupakan rasio tanpa satuan
 Kerapatan adalah sifat yg cukup penting untuk dipertimbangkan dlm
pemilihan material untuk aplikasi tertentu



Kekuatan / strength juga penting, dan kedua sifat sering dihubungkan
dlm rasio kekuatan thd berat (strength to weight ratio), yg merupakan
tensile strength dari material dibagi dg kerapatannya



Rasio ini berguna dlm membandingkan material untuk penggunaan
structural dlm pesawat, mobil, dan produk lain dmn berat dan energy
adalah factor yg dipertimbangkan