PENGERASAN PERMUKAAN PADA BAJA ~
C. Pengujian Dinamis
1. Pengujian Pukul Takik (Impact Test)
Pada pengujian ini digunakan batang uji yang bertakik (notched bar) yang dipukul dengan suatu bandul. Ada dua cara pengujian yang sering digunakan yaitu cara Izod (biasanya digunakan di Inggris) dan cara Charpy (digunakan di Amerika dan negara-negara lain). Pada cara Izod, batang uji dijepit pada satu ujungnya sehingga takikan akan berada dekat permukaan penjepitnya.
Bandul/pemukul yang diayunkan dari ketinggian tertentu akan memukul ujung yang lain.
Gambar 5.17. The Principles of the Izod and Charpy Tests (a) the Izod specimen is broken as a cantilever : (b) the Charpy
specimen as a beam
Pada cara Charpy, diletakkan mendatar dan ujung-ujungnya ditahan ke arah mendatar oleh penahan yang berjarak 40 mm.
Sesudah itu bandul/pemukul akan memukul batang uji dari arah yang tidak tertakik (lihat gambar diatas).
Untuk pengujian ini digunakan sebuah mesin dimana sebuah batang dapat berayun dengan bebas. Pada ujung batang yang berayun bebas ini dipasang pemukul yang diberi pemberat. Batang uji diletakkan di bagian bawah mesin pada bidang lintasan dari pemukul.
Batang uji untuk pengujian ini harus menggunakan batang uji dengan bentuk dan ukuran yang standar karena angka-angka
hasil pengujian ini hanya digunakan sebagai perbandingan, membandingkan kekuatan impact suatu bahan dengna bahan lain, sehingga ukuran dan bentuk batang uji, cara pengujian dan bahkan kapasitas mesinpun harus sama agar dapat diperoleh angka-angka yang dapat diperbandingkan. Ada beberapa macam batang uji standar, V-notched key-hole-notched, dengan ukuran seperti pada gambar berikut:
Gambar 5.18. Uji Impact
Gambar 5.19. Spesimen Uji Impact
Setelah batang uji diletakkan ditempatnya pada posisi seperti pada gambar diatas, pemukul dinaikkan hingga mencapai
ketinggian tertentu M. Pada posisi ini pemukul mempunyai energi potensial sebesar WH (dimana W = berat pemukul). Kemudian pemukul dilepas dan berayun memukul batang uji hingga patah, dan pemukul masih terus berayun hingga mencapai ketinggi H1. Pada posisi ini sisa energy potensial dari pemukul adalah WH1. Selisih antara energi mula-mula dengan sisa energi ini adalah energi yang digunakan untuk mematahkan batang uji.
Gambar 5.20. Calculating the “Energy to Fracture” from an Impact Test
Keterangan: OA = L
OB = L cos A°
OC = L cos B°
H1 = L – L cos B° = CA H = L – L cos A° = BA W = m . g
Energi yang digunakan secara ideal:
E’ = m . g H - m . g H1
= W (H – H1)
= W (L – L cos A°) - (L – cos B°)
= WL (cos A° - cos B°) untuk A = 90° maka cos A° = 0
Energi yang digunakan secara actual:
E = E’ – Ef
Ef = energi akibat gesekan (tanpa specimen) Ef = WL (cos A1 – cos B) → besarnya tetap Impact Strengh:
Ak =
Keterangan: A = Sudut simpangan dengan beban A1 = Sudut simpangan akhir tanpa beban B = Sudut simpangan awal
A0 = Luas penampang potong pada notch W = Berat pendulum
Ak = Energi yang diperlukan untuk mematahkan specimen tiap luas penampang notch
L = Panjang lengan pendulum
Ketahanan batang uji terhadap pukulan (impact) dinyatakan dengan banyaknya energy yang digunakan untuk mematahkan batang uji tersebut. Jadi ketahanan terhadap impact, yang biasanya disebut kekuatan impact (impact strength), sebenarnya adalah semacam ketangguhan juga, notch toughness. Ketangguhan disini berbeda dengan ketangguhan yang diukur pada test tarik. Disini ketangguhan diukur terhadap beban yang mengejut dan batang uji yang bertakik.
Disamping mengukur ketangguhan, yang dinyatakan dengan banyaknya energi untuk mematahkan specimen, pengujian ini juga dapat digunakan untuk mengetahui pola patahannya. Apakah patahannya berupa patah getas atau patah ulet atau campuran. Ini dilakukan dengan melihat permukaan patahan. Bila permukaan patahan, bila patahan tampak suram dan berserabut, maka patahan itu adalah patah ulet. Bila patahan itu berkilat patahannya adalah patah getas. Biasanya diukur berapa persen dari luas permukaan patahan yang merupakan patah getas.
Impact strength suatu logam banyak dipengaruhi oleh temperatur, pada temperature rendah impact strength cenderung turun. Untuk
Ao A
mengetahui pola penurunan impact strength ini dilakukan pengujian pada berbagai temperature. Hasil pengukuran dari tiap pengujian diplot pada grafik impact strength-temperatur dan/atau fracture appearance-temperatur.
Gambar 5.21. Variasi Temperatur pada Charpy Test
Dari kurva yang diperoleh terlihat bahwa pada temperature tinggi impact strength juga tinggi, demikian pula halnya dengan persentase patah ulet (ductile fracture). Hal yang sebaliknya terjadi pada temperatur rendah. Pada suatu temperature tertentu ada penurunan yang drastis, temperatur ini dinamakan temperatur transisi. Ada beberapa definisi untuk menunjukkan temperatur transisi, seperti terlihat pada gambar diatas. Temperatur transisi dapat dikatakan sebagai batas antara notch brittle dengan notch tough, pada temperatur diatas temperatur Transisi boleh dikatakan tidak akan terjadi patah getas. Patah getas pada umumnya selalu dihindarkan. Dalam pemilihan bahan seringkali bukan hanya besarnya impact strength yang harus diperhatikan, tetapi juga temperatur transisi. Bahkan kadang-kadang lebih disukai bahan dengan temperatur transisi yang lebih rendah walaupun impact strengthnya pada temperatur kamar lebih rendah.
Walaupun hasil pengukuran pada pengujian impact ini menghasilkan data berupa angka-angka tetapi data tersebut lebih
bersifat kualitatif, tidak kuantitatif. Angka-angka yang diperoleh tidak dapat digunakan dalam suatu perhitungan perencanaan suatu komponen/konstruksi. Data tersebut hanya menggambarkan bagaimana tingkah laku suatu bahan terhadap beban kejut/takikan/
temperatur rendah, dibandingkan dengan bahan lain. Jadi data impact test ini hanya dapat menyatakan suatu bahan lebih baik atau lebih jelek daripada bahan lain.
Hal tersebut disebabkan antara lain karena banyak faktor-faktor yang mempengaruhi impact strength dan lain-lain, yang sulit diukur/
dikendalikan. Misalnya saja ukuran benda. Ukuran/dimensi mempengaruhi besarnya impact strength, tetapi tidak mudah untuk mengetahui bagaimana hubungan matematis antara impact strength dengan ukuran benda tersebut. Demikian pula dengan bentuk dan ukuran takik, kecepatan pembebanan dan faktor-faktor lain.
Walaupun demikian data hasil pengujian impact ini sangat penting, terutama dalam pemilihan bahan/menentukan spesifikasi bahan yang akan digunakan untuk suatu komponen/konstruksi.
Dengan melihat grafik diatas maka salah satu kegunaan pengujian pukul takik adalah untuk menentukan keberhasilan suatu pengolahan panas pada bahan. Sedikit perubahan terjadi pada pengolahan panas, menyebabkan perubahan yang besar pada hasil-hasil pengujian. Pengujian pukul takik dapat dipergunakan sebagai petunjuk untuk menentukan “annealing” yang dilakukan pada temperatur yang tepat.
2. Kelelahan (Fatigue)
Logam yang menerima tegangan yang berulang-ulang atau berfluktuasi akan rusak/patah pada tegangan yang jauh lebih rendah daripada tegangan yang dibutuhkan untuk mematahkan logam tersebut dengan satu kali pembebanan. Rusak/patah yang terjadi karena pembebanan yang berulang-ulang ini dinamakan rusak lelah (fatigue failure), karena logam tersebut mengalami kelelahan.
Fatigue failure yang dialami komponen mesin/konstruksi terjadi karena merambatnya retak (progressive fracture), dimulai dari cacat/
retak yang sangat kecil atau konsentrasi tegangan dan meluas ke sebagian penampang sehingga sisa penampang tidak lagi mampu menahan tegangan yang bekerja. Pada patahan akan terlihat
adanya garis-garis yang menandai tahapan dari perkembangan retak (Daerah ini biasanya tampak lebih halus/licin) dan adanya patahan yang lebih kasar yaitu pada daerah penampang yang tidak lagi mampu menahan tegangan yang bekerja. Gambar dibawah menunjukkan macam-macam pola patah lelah.
Gambar 5.22. Fracture Appearance of Bending-Fatique Failures, Final Fracture Zones are Shown as Crosshatched Areas (From Machine Design, The Penton Publishing Co, Cleveland, Nov, 1969)
Pengujian kelelahan dilakukan dengan menggunakan mesin yang memberikan lengkung pada batang uji secara berulang-ulang. Prinsip pembebanan pada mesin dapat dilihat pada gambar di bawah.
Gambar 5.23. Metode Pengujian Fatique
Untuk pengujian digunakan sejumlah batang uji yang mempunyai bentuk, ukuran, surface finish dan terbuat dari bahan yang sama. Masing-masing batang uji akan diberi tegangan yang bekerja secara berulang-ulang, yang besarnya berbeda. Batang uji pertama dipasang pada mesin dan dibebani sehingga akan menerima tegangan yang besar (kira-kira dua pertiga kekuatan tariknya).
Setelah mengalami sejumlah siklus pembebanan batang uji itu akan patah. Diambil batang uji kedua dan dibebani dengan tegangan yang lebih kecil, demikian selanjutnya. Dan dari masing-masing batang uji dicatat besarnya tegangan dan jumlah siklus pembeban dimana batang uji itu patah. Jenis pembebanan yang akan menimbulkan kelelahan dapat dikelompokkan menjadi:
a. Siklus tegangan bolak-balik (reserve stress cycle).
b. Siklus tegangan berfluktuasi (fluctuating stress cycle).
c. Siklus tegangan yang rumit, yang mungkin terdapat pada suatu bagian tertentu, seperti pada sayap pesawat yang menerima beban berlebih periodik yang tak terduga besarnya disebabkan oleh hembusan udara yang keras.
Siklus tegangan berfluktuasi, terdiri dari 2 komponen: tegangan rata-rata atau tegangan tetap σm, dan tegangan bolak-balik atau tegangan beragam, σa. Daerah tegangan adalah perbedaan aljabar antara tegangan maksimum dan tegangan minimum pada suatu siklus.
Gambar 5.24. Fatigue Stress Cycle
(a) reversed stress; (b) repeated stress; (c) irregular or random stress cycle
σr = σmaks - σmin Besarnya tegangan bolak-balik.
σa =
Tegangan rata-rata adalah harga rata-rata aljabar tegangan maksimum dan minimum pada siklus:
σm =
Untuk mengemukakan data-data kelelahan, digunakan dua buah besaran perbandingan yaitu:
Stress ratio R =
Amplitudo ratio A =
Soal:
1. Sebutkan macam-macam sifat mekanis logam?
2. Sebutkan macam-macam pengujian mekanis logam?
3. Gambarkan diagram s-e pada uji tarik baja karbon rendah!
4. Indentor jenis apa yang digunakan pada pengujian kekerasan rockwell.
5. Jelaskan apa perbedaan indentor pada pengujian vikers dan microhardness?
6. Sebutkan macam pengujian dinamik logam!
7. Mengapa pengujian fatique perlu dilakukan?
σmaks - σmin
= 2 2 σ1
σmaks + σmin 2
Tmin Tmaks Ta
Tm = 1 - R 1 + R