BAB II DASAR TEORI
2.9. Pengujian Struktur Kristal
2.9. PengujianStruktur Kristal
Ada dua macam pengujian struktur kristal yang biasa dilakukan yaitu pengujian makro dan pengujian mikro.
1. Pengujian struktur makro
Pengujian struktur makro dari kristal adalah pengujian patahan dimana bahan dinilai dari besar butir kristal, warna, dan mengkilatnya patahan dari batang uji atau produk yang dipatahkan.
2. Pengujian struktur mikro
Dalam pengujian ini, kualitas bahan ditentukan dengan mengamati struktur dibawah mikroskop dan dapat pula mengamati cacat dari bahan yang diuji. Mikroskop yang digunakan adalah mikroskop cahaya. Permukaan logam yang
akan diamati, dipoles dan dilakukan bermacam etsa kemudian diperiksa di bawah mikroskop.
2.10. Patahan Dan Putus Pada Benda Uji a. Patah
Patahan pada bahan biasanya dimulai dengan adanya retak pada permukaan dan mekanismenya harus melalui proses yang tergantung pembebanan siklus patah akibat kelelahan. Biasanya dimulai dari permukaan dimana lenturan dan puntiran akan menyebabkan tegangan yang tinggi sehingga menyebabkan konsentrasi tegangan pada bagian tertentu yang akan menyebabkan patah pada daerah tersebut. Ketelitian pengerjaan permukaan terutama kehalusannya pada bagian yang berputar mutlak dibutuhkan ketelitian yang optimal, hal ini berpengaruh pada bahan terhadap kelelahan akibat beban tekan dan beban puntir, dari sini retak awal atau initial crack diketahui. Ciri patahan sendiri adalah dengan pelepasan sejumlah besar dislokasi secara tiba-tiba sewaktu luluh. Dislokasi tersebut bersama dan membentuk retak, retak merambat pada waktu yang singkat sehingga terjadi tegangan secara slip didaerah yang saling berdekatan, maka akan terjadi perpatahan dan hal ini terjadi karena adanya pengaruh dari tegangan geser pada bahan sewaktu terjadi puntiran.
Perpatahan pada bahan dapat dibedakan, antara lain :
1. Perpatahan Getas (cleavage fracture)
Perpatahan Getas, yaitu bentuk perpatahan yang paling getas yang terjadi di dalam material kristalin. Patah getas yang terjadi pada material ulet
disebabkan karena beroperasi pada suhu yang rendah dan laju pembebanan yang tinggi. Karakteristik dari patah getas sendiri adalah bahwa penampang patah berhubungan dengan bidang kristalografik secara khusus. Patahan ini menghasilkan bentuk patahan yang rata dan memberikan warna yang terang pada permukaan patah.
2. Perpatahan Ulet (ductile fracture)
Perpatahan Ulet atau liat adalah bila spesimen ditarik dengan beban berlebih yang akan menyebabkan perpanjangan dan terkonsentrasi secara lokal pada suatu titik, mekanisme perpatahan ulet ini terjadi pada pengujian tarik. Perpatahan pada logam sendiri biasanya diawali oleh adanya retak pada bahan. Retak adalah deformasi plastis yang terjadi pada suhu tinggi akibat beban lebih yang konstan selama periode tertentu, retak juga bervariasi dengan berubahnya tegangan yang terjadi. Patahan pada bahan dapat disebabkan oleh beberapa hal, antara lain :
1. Komposisi Bahan
Komposisi bahan sangat berpengaruh, karena setiap bahan mempunyai karakteristik yang berbeda, selain itu juga adanya pengaruh campuran pada bahan yang dapat memberikan kelebihan dan kekurangan pada bahan tersebut.
2. Perlakuan Panas
Perlakuan panas biasanya dilakukan untuk mengendalikan besar butir benda uji dan untuk menghaluskan struktur yang terkandung pada bahan. Pada struktur yang halus akan memberikan keuletan yang lebih menjamin.
3. Pengerasan
Deformasi plastis yang kecil pada temperatur ruang akan meningkatkan keuletan pada temperatur rendah, akan tetapi pada umumnya deformasi yang digunakan untuk pengerasan dapat merapuhkan logam karena terjadi pembentukan dislokasi yang saling berpotongan, kekosongan dan cacat.
Gambar 2.3 Macam-Macam Bentuk Patahan
Gambar 2.4 Retak Ductile Paduan Al – Si
Gambar 2.5 Retak Getas Paduan Al – Si
(Sumber : Broek David, Elementary Engineering Fracture Mechanics, hal 39)
b. Putus
Selain patah pada bahan, juga terjadi putus yang terjadi pada bahan. Dimana jika kegagalan ulet pada bahan tidak tercapai maka putus ulet yang akan terjadi kemudian. Pada benda uji yang mengalami deformasi beban tarik akhirnya mencapai ketidak stabilan mekanis bilamana deformasi yang terlokalisir diperciut. Bila peregangan diteruskan maka penampang akan mengecil hingga menjadi nol dan benda uji akan retak. Regangan untuk putus tergantung dari jumlah regangan yang terjadi sebelum dan sesudah dislokasi. Sehingga dapat ditarik kesimpulan bahwa putus yang terjadi pada bahan adalah dominan tegangan tarik sebagai penyebab utamanya, adapun pada patahan karena tekanan.
2.11. Kelelahan Pada Bahan Uji a. Pengertian Kelelahan
Kelelahan berkaitan dengan perpatahan logam secara prematur karena tegangan rendah yang terjadi secara berulang-ulang. Adapun pengujian kelelahan terdiri dari beberapa jenis yaitu pengujian torsi, tegangan (tension), dan pengujian kompresi. Namun semuanya mempunyai prinsip yang sama yaitu dengan memberikan siklus tegangan yang berulang secara konstant pada sampel. Untuk menyatakan karakteristik tegangannya, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan :
1. Besar tegangan maksimum
2. Tegangan rata-rata yang cukup besar 3. Periode siklus tegangan.
Dalam penelitian sering digunakan siklus berulang dan balik, karena disamping lebih mudah dilakukan, juga telah memenuhi standard kelelahan. Sampel yang mendapatkan beban lengkung dan putaran secara terus menerus akan menyebabkan kondisi tarik dan tekan. Kondisi ini akan berlangsung berulang-ulang hingga pada akhirnya sampel mengalami kelelahan dan akhirnya patah.
Untuk melaksanakan pengujian dengan alat uji kelelahan menggunakan kurun tegangan (S) yang berbeda untuk setiap benda uji, jumlah siklus tegangan (N) yang dialami oleh benda uji pada setiap tegangan tertentu dicatat dan dibuat gambar diagram kelelahan atau sering disebut dengan diagram S-N . Untuk benda uji tertentu mempunyai titik aman pada siklus tertentu, hal ini disebabkan karena :
a.Kegagalan akibat kelelahan bahan
Kegagalan lelah timbul akibat adanya retak kecil (initial crack), retak ini sangat kecil, sehingga tidak dapat dilihat dengan mata telanjang. Retak tersebut timbul pada titik ketidak mulusan bahan seperti pada perubahan penampang, goresan pada permukaan bahan akibat pengerjaan dan lubang akibat pengecoran yang kurang baik pada bahan. Sekali saja retak awal, maka akan terjadi pengaruh pemusatan tegangan menjadi lebih besar lagi dan retak tersebut merambat lebih cepat pada penampang bahan. Begitu ukuran luas yang menerima tegangan berkurang, maka tegangan bertambah besar sampai akhirnya luas yang tersisa tidak dapat menerima tegangan tersebut dan terjadilah kegagalan lelah.
Adapun penyebab kegagalan lelah yaitu :
1. Karena perkembangan dari retak yang ada
2. Kepatahan mendadak pada bagian bahan yang rapuh.
Kegagalan lelah sering digolongkan sebagai akibat siklus, umur dan waktu penggunaan bahan. Daerah umur tak terhingga (infinite life region), meliputi perancangan yang melampaui batas siklus tegangan lelah atau disebut dengan kegagalan bersiklus tinggi. Pada umur ini bahan memang dibuat berumur pendek terutama untuk produksi massal. Kegagalan ini juga disebut kegagalan bersiklus pendek antara putaran setengah sampai putaran seribu siklus.
b. Kekuatan bahan
Untuk menyusun kekuatan lelah suatu bahan diperlukan beberapa benda uji dengan jumlah putaran yang sama pada setiap bahan, sampai bahan didapatkan
hasilnya. Selanjutnya dibuat diagram S-N, sehingga dapat dilihat bentuk grafik sampai dengan siklus amannya. Koordinat pada diagram S-N disebut kekuatan lelah suatu pernyataan yang harus diikuti dengan jumlah siklus (N) yang bersangkutan.
c. Batas Ketahanan Kelelahan
Dalam menentukan ketahanan kelelahan kita perlu menyelesaikan semua pengujian terlebih dahulu sehingga dapat kita ketahui seberapa besar batas ketahanan terhadap kelelahan. Pada grafik akan terlihat garis mendatar setelah diberi tegangan dan jumlah siklus tertentu, maka akan terbaca bahwa bahan sudah dapat melalui batas ketahanan lelahnya. Tanpa memperhatikan berapa besar siklus yang dilakukan kekuatan bahan yang berkaitan dengan hal tersebut disebut ketahanan lelah (endurance limit).
b. Hal-Hal Yang Berpengaruh Pada Kegagalan Lelah 1. Pengaruh Ukuran
Ukuran suatu bahan sangat berpengaruh dalam pengujian kelelahan. Kekuatan lelah yang besar akan lebih baik dari kekuatan lelah yang kecil. Perubahan luas penampang yang mempengaruhi perubahan volume sehingga mengakibatkan perbedaan tegangan.
2. Pengaruh Suhu
Suhu mempengaruhi sifat mekanis bahan karena adanya tegangan statis dan dinamis yang akan menyebabkan perubahan bahan secara perlahan. Hal ini akan menyebabkan perubahan bentuk grafik pada diagram S-N. Jika dipakai pada suhu yang tinggi, maka akan menyebabkan dislokasi dan pada bahan akan terjadi pengurangan terhadap ketahanan lelah.
3. Pengaruh Permukaan Bahan
Halus dan tidaknya permukaan bahan merupakan faktor utama timbulnya retakan awa pada bahan, karena pada permukaan yang kasar akan banyak terdapat ketidakrataan permukaan. Akan tetapi pada permukaan yang halus akan sedikit terdapat lubang atau bekas sayatan pada saat pembuatan benda uji. Kehalusan dan kekasaran permukaan bahan sangat berpengaruh pada pengujian kelelahan. Tiap pengerjaan yang meningkatkan kekerasan atau kekuatan luluh bahan akan meningkatkan level tegangan yang diperlukan untuk slip dan hal ini dengan sendirinya akan langsung meningkatkan kekuatan lelah.
Ada beberapa hal yang mempengaruhi kelelahan pada permukaan bahan, yaitu :
1. Tegangan sisa permukaan
Pembentukan tegangan sisa pada permukaan dapat meningkatkan ketahanan lelah bahan. Tegangan ini dihasilkan oleh beban luar (tarik dan tekan), dengan adanya tegangan sisa akan memperkecil celah pada suatu titik di permukaan. Oleh karena itu, perlu adanya perimbangan antara tegangan sisa tekan dengan tegangan sisa tarik agar tahan terhadap kelelahan.
2. Perubahan permukaan
Perubahan permukaan dapat terjadi karena proses perlakuan panas dalam pembentukan bahan tersebut, hal ini biasanya dilakukan dalam peleburan awal untuk mendapatkan komposisi bahan yang sesuai dengan yang diinginkan. Proses pelapisan permukaan ini pada kelanjutannya akan menentukan pertambahan atau pengurangan kekuatan lelah bahan.
3. Kekerasan permukaan
Kekerasan permukaan akan mempengaruhi kekuatan lelah suatu bahan. Biasanya hal ini timbul dari pengerjaan awal benda uji pada mesin bubut atau mesin perkakas lainnya. Semakin besar suatu bahan akan semakin mudah mengalami keretakan, sehingga memudahkan lelah dan cepat patah.
4. Lingkungan
Lingkungan dapat mempengaruhi fatik, dimana lingkungan tersebut dapat menimbulkan korosi pada bahan. Serangan korosi yang terjadi serempak dengan pembebanan fatik akan menyebabkan efek kerusakan yang lebih parah. Hal ini biasanya disebabkan oleh media cair, namun demikian udara juga dapat menyebabkan korosi.
2.12. Retakan (Crack)
Retakan adalah deformasi plastis yang terjadi pada suhu tinggi akibat beban lebih yang konstant selama periode tertentu. Retak juga bervariasi dengan berubahnya tegangan yang terjadi. Ada empat macam mekanisme terbentuknya retak (crack) :
1. Adanya dislokasi yang menghasilkan slip 2. Pergeseran batas slip
3. Difusi kekosongan
