Untuk mengetahui sifat-sifat mekanik
dari suatu material, maka yang harus dilakukan adalah melakukan pengujian
terhadap material tersebut. Dalam dunia industri tentu akan menjadi sangat
boros bila dilakukan pengujian dari setiap barang yang ingin diketahui sifat
mekaniknya. Lalu apa yang dilakukan oleh orang-orang di industri? Mereka
melakukan pengujian terhadap spesimen dari barang yang ingin mereka ketahui
sifat mekaniknya. Ada beberapa uji mekanik yang bisa dilakukan untuk mengetahui
sifat-sifat material, antara lain; uji tarik (tensile test), uji tekan
(compression test), uji torsi/ puntir(torsion test), uji fatigue, dll. Dari
sekian pengujian yang dapat dilakukan untuk mengetahui sifat material, uji
tarik menjadi pengujian yang paling disukai untuk dilakukan karena dari satu
pengujian dapat diketahui lebih banyak sifat material dari satu pengujian
tersebut. Dalam artikel kali ini, penulis akan sedikit membahas tentang
pengujian tarik dan sifat-sifat material apa saja yang bisa diketahui dari uji
tarik.
Uji tarik mungkin dapat dikatakan
pengujian yang paling mendasar. Pengujian ini sangat sederhana, tidak mahal dan
telah mengalami standarisasi di seluruh dunia, baik dari metode pengujian,
bentuk spesimen yang diuji dan metode perhitungan dari hasil pengujian
tersebut. Dengan menarik suatu material secara perlahan-lahan, kita akan
mengetahui reaksi dari material tersebut terhadap pembebanan yang diberikan dan
seberapa panjang material tersebut bertahan sampai akhirnya putus.
Gbr 1.Skema pengujian tarik dari
awal pembebanan
- Mengapa melakukan Uji Tarik?
Dari uji tarik, banyak sifat-sifat
yang bisa kita ketahui dibandingkan dengan pengujian lain. Dari hasil penarikan
material hingga material tersebut putus, kita dapat mengetahui data yaitu
berupa tegangan tarik versus pertambahan panjang dari material
yang kita uji.
Gbr 2. Gambaran singkat uji tarik
dan tegangan yang terjadi
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.
Hukum Hooke (Hooke’s Law)
Untuk hampir semua logam, pada tahap
sangat awal dari uji tarik, hubungan antara beban atau gaya yang diberikan
berbanding lurus dengan perubahan panjang bahan tersebut. Ini disebut daerah
linier atau linear zone. Di daerah ini, kurva pertambahan panjang vs
beban mengikuti aturan Hooke sebagai berikut:
rasio
tegangan (stress) dan regangan (strain) adalah konstan
Stress: σ =
F/A F: gaya
tarikan, A: luas penampang
Strain: ε =
ΔL/L ΔL: pertambahan panjang, L:
panjang awal
Hubungan antara stress dan strain
dirumuskan:
E = σ / ε
Selanjutnya kita dapatkan
Gambar, yang merupakan kurva standar ketika melakukan eksperimen uji
tarik. E adalah gradien kurva dalam daerah linier, di mana
perbandingan tegangan (σ) dan regangan (ε) selalu tetap. E diberi
nama “Modulus Elastisitas” atau “Young Modulus”. Kurva yang
menyatakan hubungan antara strain dan stress seperti ini kerap
disingkat kurva SS (SS curve).
Gbr 3.Kurva tegangan-regangan
Bentuk bahan yang diuji, untuk logam
biasanya dibuat spesimen dengan dimensi seperti pada gambar di
bawah ini.
Gbr 4. Standar specimen yang
digunakan
Perubahan panjang dari spesimen
dideteksi lewat pengukur regangan (strain gage) yang ditempelkan pada
spesimen seperti diilustrasikan pada gambar di atas. Bila pengukur regangan ini
mengalami perubahan panjang dan penampang, terjadi perubahan nilai hambatan
listrik yang dibaca oleh detektor dan kemudian dikonversi menjadi perubahan
regangan.
Gbr 5. Ilustrasi pengukur regangan
pada spesimen
2. Detail profil uji tarik dan sifat
mekanik logam
Sekarang akan kita bahas profil data
dari tensile test secara lebih detail. Untuk keperluan kebanyakan analisa
teknik, data yang didapatkan dari uji tarik dapat digeneralisasi seperti pada
Gbr.6.
Gbr.6 Profil data hasil uji tarik
Kita akan membahas istilah mengenai
sifat-sifat mekanik bahan dengan berpedoman pada hasil uji tarik seperti pada
Gbr.6. Asumsikan bahwa kita melakukan uji tarik mulai dari titik O sampai D
sesuai dengan arah panah dalam gambar.
Deformasi plastis (plastic deformation)
Yaitu perubahan bentuk yang tidak kembali ke keadaan semula. Pada Gbr.6 yaitu bila bahan ditarik sampai melewati batas proporsional dan mencapai daerah landing.
Yaitu perubahan bentuk yang tidak kembali ke keadaan semula. Pada Gbr.6 yaitu bila bahan ditarik sampai melewati batas proporsional dan mencapai daerah landing.
Tegangan luluh atas σuy (upper
yield stress)
Tegangan maksimum sebelum bahan memasuki fase daerah landing peralihan deformasi elastis ke plastis.
Tegangan maksimum sebelum bahan memasuki fase daerah landing peralihan deformasi elastis ke plastis.
Tegangan luluh bawah σly (lower
yield stress)
Tegangan rata-rata daerah landing sebelum benar-benar memasuki fase deformasi plastis. Bila hanya disebutkan tegangan luluh (yield stress), maka yang dimaksud adalah tegangan ini.
Tegangan rata-rata daerah landing sebelum benar-benar memasuki fase deformasi plastis. Bila hanya disebutkan tegangan luluh (yield stress), maka yang dimaksud adalah tegangan ini.
Regangan luluh εy (yield
strain)
Regangan permanen saat bahan akan memasuki fase deformasi plastis.
Regangan permanen saat bahan akan memasuki fase deformasi plastis.
Regangan elastis εe (elastic
strain)
Regangan yang diakibatkan perubahan elastis bahan. Pada saat beban dilepaskan regangan ini akan kembali ke posisi semula.
Regangan yang diakibatkan perubahan elastis bahan. Pada saat beban dilepaskan regangan ini akan kembali ke posisi semula.
Regangan plastis εp (plastic strain)
Regangan yang diakibatkan perubahan plastis. Pada saat beban dilepaskan regangan ini tetap tinggal sebagai perubahan permanen bahan.
Regangan yang diakibatkan perubahan plastis. Pada saat beban dilepaskan regangan ini tetap tinggal sebagai perubahan permanen bahan.
Regangan total (total strain)
Merupakan gabungan regangan plastis dan regangan elastis, εT = εe+εp. Perhatikan beban dengan arah OABE. Pada titik B, regangan yang ada adalah regangan total. Ketika beban dilepaskan, posisi regangan ada pada titik E dan besar regangan yang tinggal (OE) adalah regangan plastis.
Merupakan gabungan regangan plastis dan regangan elastis, εT = εe+εp. Perhatikan beban dengan arah OABE. Pada titik B, regangan yang ada adalah regangan total. Ketika beban dilepaskan, posisi regangan ada pada titik E dan besar regangan yang tinggal (OE) adalah regangan plastis.
Tegangan tarik maksimum TTM (UTS, ultimate tensile strength)
Pada Gbr.6 ditunjukkan dengan titik C (σβ), merupakan besar tegangan maksimum yang didapatkan dalam uji tarik.
Pada Gbr.6 ditunjukkan dengan titik C (σβ), merupakan besar tegangan maksimum yang didapatkan dalam uji tarik.
Kekuatan patah (fracture strength)
Pada Gbr.6 ditunjukkan dengan titik D, merupakan besar tegangan di mana bahan yang diuji putus atau patah.
Pada Gbr.6 ditunjukkan dengan titik D, merupakan besar tegangan di mana bahan yang diuji putus atau patah.
Tegangan luluh pada data tanpa batas
jelas antara perubahan elastis dan plastis
Untuk hasil uji tarik yang tidak memiliki daerah linier dan landing yang jelas, tegangan luluh biasanya didefinisikan sebagai tegangan yang menghasilkan regangan permanen sebesar 0.2%, regangan ini disebut offset-strain (Gbr.7).
Untuk hasil uji tarik yang tidak memiliki daerah linier dan landing yang jelas, tegangan luluh biasanya didefinisikan sebagai tegangan yang menghasilkan regangan permanen sebesar 0.2%, regangan ini disebut offset-strain (Gbr.7).
Gbr.7 Penentuan tegangan luluh
(yield stress) untuk kurva tanpa daerah linier
Perlu untuk diingat bahwa satuan SI
untuk tegangan (stress) adalah Pa (Pascal, N/m2) dan strain
adalah besaran tanpa satuan.
3. Istilah lain
Selanjutnya akan kita bahas beberapa
istilah lain yang penting seputar interpretasi hasil uji tarik.
Kelenturan (ductility)
Merupakan sifat mekanik bahan yang menunjukkan derajat deformasi plastis yang terjadi sebelum suatu bahan putus atau gagal pada uji tarik. Bahan disebut lentur (ductile) bila regangan plastis yang terjadi sebelum putus lebih dari 5%, bila kurang dari itu suatu bahan disebut getas (brittle).
Merupakan sifat mekanik bahan yang menunjukkan derajat deformasi plastis yang terjadi sebelum suatu bahan putus atau gagal pada uji tarik. Bahan disebut lentur (ductile) bila regangan plastis yang terjadi sebelum putus lebih dari 5%, bila kurang dari itu suatu bahan disebut getas (brittle).
Derajat kelentingan (resilience)
Derajat kelentingan didefinisikan sebagai kapasitas suatu bahan menyerap energi dalam fase perubahan elastis. Sering disebut dengan Modulus Kelentingan (Modulus of Resilience), dengan satuan strain energy per unit volume (Joule/m3 atau Pa). Dalam Gbr.1, modulus kelentingan ditunjukkan oleh luas daerah yang diarsir.
Derajat kelentingan didefinisikan sebagai kapasitas suatu bahan menyerap energi dalam fase perubahan elastis. Sering disebut dengan Modulus Kelentingan (Modulus of Resilience), dengan satuan strain energy per unit volume (Joule/m3 atau Pa). Dalam Gbr.1, modulus kelentingan ditunjukkan oleh luas daerah yang diarsir.
Derajat ketangguhan (toughness)
Kapasitas suatu bahan menyerap energi dalam fase plastis sampai bahan tersebut putus. Sering disebut dengan Modulus Ketangguhan (modulus of toughness). Dalam Gbr.5, modulus ketangguhan sama dengan luas daerah dibawah kurva OABCD.
Kapasitas suatu bahan menyerap energi dalam fase plastis sampai bahan tersebut putus. Sering disebut dengan Modulus Ketangguhan (modulus of toughness). Dalam Gbr.5, modulus ketangguhan sama dengan luas daerah dibawah kurva OABCD.
Pengerasan regang (strain hardening)
Sifat kebanyakan logam yang ditandai dengan naiknya nilai tegangan berbanding regangan setelah memasuki fase plastis.
Sifat kebanyakan logam yang ditandai dengan naiknya nilai tegangan berbanding regangan setelah memasuki fase plastis.
Tegangan sejati , regangan sejati (true stress, true strain)
Dalam beberapa kasus definisi tegangan dan regangan seperti yang telah dibahas di atas tidak dapat dipakai. Untuk itu dipakai definisi tegangan dan regangan sejati, yaitu tegangan dan regangan berdasarkan luas penampang bahan secara real time. Detail definisi tegangan dan regangan sejati ini dapat dilihat pada Gbr.8.
Dalam beberapa kasus definisi tegangan dan regangan seperti yang telah dibahas di atas tidak dapat dipakai. Untuk itu dipakai definisi tegangan dan regangan sejati, yaitu tegangan dan regangan berdasarkan luas penampang bahan secara real time. Detail definisi tegangan dan regangan sejati ini dapat dilihat pada Gbr.8.
Gbr.8 Tegangan dan regangan
berdasarkan panjang bahan sebenarnya
Referensi:
- Material Testing (Zairyou Shiken). Hajime Shudo. Uchidarokakuho, 1983.
- Material Science and Engineering: An Introduction. William D. Callister Jr. John Wiley&Sons, 2004.
- Strength of Materials. William Nash. Schaum’s Outlines, 1998.
- Artikel bapak Azhari Sastranegara
Tidak ada komentar:
Posting Komentar