P e rt e m u a n ke Tujuan Ajar/Keluaran/Indikator
Topik (pokok, sub pokok bahasan, alokasi waktu)
Media Ajar Metode Evaluasi dan Penilaian Metode Ajar (STAR) Aktivitas Mahasiswa Aktivitas Dosen/Nama Pengajar Sumber Ajar Te ks P re se n ta si G am b ar A u d io /V id e o So al -T u ga s W e b IX Mahasiswa dapat melakukan pengujian tarik untuk mengetahui sifat dan karakterisasi bahan teknik
Pengujian Tarik Prinsip Pengujian Cara pengujian Data yang diperoleh Kegunaan pengujian Waktu:1x pertemuan @ 100 menit √ √ √ √ √ √ a. Writing exam.skor:0-100(PAN) b. Tugas : Jelaskan cara membuat diagram tegangan-regangan (skor:0-100) TCL 1. Menerima materi sesuai kontrak pembelajaran 2. Baca bahan ajar sebelum kuliah Menyampaikan materi sesuai bahan ajar Pengajar: Radhian Krisnaputra Akhmad. H.Y., 2009., Buku Panduan Praktikum Karakterisasi Material 1 Pengujian Merusak Surdia. T., Saito. S., 1997, Pengetahuan Bahan Teknik Djapri, S., 1987, Metalurgi Mekanik Video Pengujian tarik, youtube.com
BAB. VIII PENGUJIAN TARIK
PENDAHULUAN Deskripsi Singkat
Pemilihan bahan yang tepat pada aplikasi industri untuk pembuatan suatu hasil merupakan hal terpenting dalam proses produksi. Pengujian tarik merupakan salah satu pengujian yang harus dilakukan untuk menentukan kekuatan (strength) bahan teknik. Selain kekuatan, dengan pengujian tarik, dapat diketahui sifat mekanik yang lain, antara lain batas elastic bahan, modulus elastisitas, perbandingan regangan dan masih banyak lagi. Dengan pemahaman mengenai pengujian tarik dan analisa hasil pengujian, mahasiswa akan dapat menentukan jenis, sifat, karakterisasi dan penggunaan bahan teknik yang tepat untuk penggunaan di industry.
Manfaat
Mahasiswa diharapkan dapat menentukan bahan dengan sifat yang tepat pada aplikasi hasil produksi. Selain penentuan material, mahasiswa juga akan dapat melakukan pengujian tarik untuk menentukan analisa kegagalan suatu produk.
Relevansi
Mahasiswa akan diajarkan mengenai cara mengetahui sifat dan karakterisasi bahan teknik melalui proses pengujian tarik. Pengujian tarik adalah salah satu metode yang digunakan untuk mengetahui sifat mekanik suatu bahan. Sifat mekanik yang dapat diketahui melalui pengujian tarik antara lain : Kekuatan maksimal bahan dalam menerima pembebanan, batas elastic plastis bahan, kemampuan perubahan panjang bahan saat menerima pembebanan dan masih banyak lagi.
Learning Outcomes
1. Mahasiswa dapat melakukan pengujian sifat dan karakterisasi bahan teknik dan menganalisa hasil pengujian tarik.
2. Mahasiswa dapat menganalisa cacat pada bahan hasil produksi.
Gambar 19. Alat dan spesimen uji tarik PENYAJIAN
Sampel atau benda uji dengan ukuran dan bentuk tertentu Gambar 19 (sesuai standar pengujian tarik) ditarik dengan beban kontinyu sambil diukur pertambahan panjangnya. Data yang didapat berupa perubahan panjang dan perubahan beban yang selanjutnya ditampilkan dalam bentuk grafik tegangan-regangan. Data-data penting yang diharapkan didapat dari pengujian tarik ini adalah: perilaku mekanik material dan karakteristik perpatahan. Informasi penting yang bisa didapat adalah:
a. Batas proporsionalitas (proportionality limit)
Merupakan daerah batas dimana tegangan dan regangan mempunyai hubungan proporsionalitas satu dengan lainnya. Setiap penambahan tegangan akan diikuti dengan penambahan regangan secara proporsional dalam hubungan linier σ = Eε (bandingkan dengan hubungan y = mx; dimana y mewakili tegangan; x mewakili regangan dan m mewakili slope kemiringan dari modulus kekakuan). Titik P pada Gambar 20 menunjukkan batas proporsionalitas dari kurva tegangan-regangan.
Gambar 20. batas proporsionalitas dari kurva tegangan-regangan.
b. Batas elastis (elastic limit)
Daerah elastis adalah daerah dimana bahan akan kembali kepada panjang semula bila tegangan luar dihilangkan. Daerah proporsionalitas merupakan bagian dari batas elastik ini. Selanjutnya bila bahan terus diberikan tegangan (deformasi dari luar) maka batas elastis akan terlampaui pada akhirnya sehingga bahan tidak akan kembali kepada ukuran semula. Dengan kata lain dapat didefinisikan bahwa batas elastis merupakan suatu titik dimana tegangan yang diberikan akan menyebabkan terjadinya deformasi permanen (plastis) pertama kalinya. Kebanyakan material teknik memiliki batas elastis yang hampir berimpitan dengan batas proporsionalitasnya.
c. Titik luluh (yield point) dan kekuatan luluh (yield strength)
Titik ini merupakan suatu batas dimana material akan terus mengalami deformasi tanpa adanya penambahan beban. Tegangan (stress) yang mengakibatkan bahan menunjukkan mekanisme luluh ini disebut tegangan luluh (yield stress). Titik luluh ditunjukkan oleh titik Y pada Gambar 21. Gejala luluh umumnya hanya ditunjukkan oleh logam-logam ulet dengan struktur Kristal BCC dan FCC yang membentuk interstitial solid solution dari atom-atom carbon, boron, hidrogen dan oksigen. Interaksi antara dislokasi dan atom-atom tersebut menyebabkan baja ulet seperti mild steel menunjukkan titik luluh bawah (lower yield point) dan titik luluh atas (upper yield point).
Gambar 21. Gejala luluh
Baja berkekuatan tinggi dan besi tuang yang getas umumnya tidak memperlihatkan batas luluh yang jelas. Untuk menentukan kekuatan luluh material seperti ini maka digunakan suatu metode yang dikenal sebagai Metode Offset. Dengan metode ini kekuatan luluh (yield strength) ditentukan sebagai tegangan dimana bahan memperlihatkan batas penyimpangan/deviasi tertentu dari proporsionalitas tegangan dan regangan . Pada Gambar 21. garis offset OX ditarik paralel dengan OP, sehingga perpotongan XW dan kurva tegangan-regangan memberikan titik Y sebagai kekuatan luluh. Umumnya garis offset OX diambil 0.1 – 0.2% dari regangan total dimulai dari titik O. Kekuatan luluh atau titik luluh merupakan suatu gambaran kemampuan bahan menahan deformasi permanen bila digunakan dalam penggunaan struktural yang melibatkan pembebanan mekanik seperti tarik, tekan bending atau puntiran.
d. Kekuatan tarik maksimum (ultimate tensile strength)
Merupakan tegangan maksimum yang dapat ditanggung oleh material sebelum terjadinya perpatahan (fracture). Nilai kekuatan tarik maksimum σ uts ditentukan dari beban maksimum Fmaks dibagi luas penampang awal Ao. Pada bahan ulet tegangan maksimum ini ditunjukkan oleh titik M (Gambar 21) dan selanjutnya bahan akan terus berdeformasi hingga titik B. Bahan yang bersifat getas memberikan perilaku yang berbeda dimana tegangan maksimum sekaligus tegangan perpatahan (titik B pada Gambar 21). Dalam kaitannya dengan penggunaan structural maupun dalam proses forming
bahan, kekuatan maksimum adalah batas tegangan yang sama sekali tidak boleh dilewati.
e. Kurva tegangan-regangan
Sebagaimana beban aksial yang bertambah bertahap, pertambahan panjang terhadap panjang gage diukur pada setiap pertambahan beban dan ini dilanjukan sampai terjadi kerusakan (fracture) pada spesimen. Dengan mengetahui luas penampang awal spesimen, maka tegangan normal, yang dinyatakan dengan σ, dapat diperoleh untuk setiap nilai beban aksial dengan menggunakan hubungan
A
P
Gb. 22 Gb. 23 Gb. 24 Gb. 25 Gb. 26dimana P menyatakan beban aksial dalam Newton dan A menyatakan luas penampang awal (m2). Dengan memasangkan pasangan nilai tegangan normal σ dan regangan normal ε, data percobaan dapat digambarkan dengan memperlakukan kuantitas-kuantitas ini sebagai absis dan ordinat. Gambar yang diperoleh adalah diagram atau kurva tegangan-regangan. Kurva tegangan-regangan mempunyai bentuk yang berbeda-beda tergantung
σ σ σ ε ε ε O O O P P P Y U B ● ● ● σ σ ε ε O O Y ● ε1 O’
dari bahannya. Gambar 22 adalah kurva tegangan regangan untuk baja karbon-medium, Gb. 23 untuk baja campuran, dan Gb. 24 untuk baja karbon-tinggi dengan campuran bahan nonferrous. Untuk campuran nonferrous dengan besi kasar diagramnya ditunjukkan pada Gb. 25, sementara untuk karet ditunjukkan pada Gb. 26.
f . Kekuatan Putus (breaking strength)
Kekuatan putus ditentukan dengan membagi beban pada saat benda uji putus (Fbreaking) dengan luas penampang awal Ao. Untuk bahan yang bersifat ulet pada saat
beban maksimum M terlampaui dan bahan terus terdeformasi hingga titik putus B maka terjadi mekanisme penciutan (necking) sebagai akibat adanya suatu deformasi yang terlokalisasi. Pada bahan ulet kekuatan putus adalah lebih kecil daripada kekuatan maksimum sementara pada bahan getas kekuatan putus adalah sama dengan kekuatan maksimumnya.
g. Keuletan (ductility)
Keuletan merupakan suatu sifat yang menggambarkan kemampuan logam menahan deformasi hingga terjadinya perpatahan. Sifat ini , dalam beberapa tingkatan, harus dimiliki oleh bahan bila ingin dibentuk (forming) melalui proses rolling, bending, stretching, drawing, hammering, cutting dan sebagainya. Pengujian tarik memberikan dua metode pengukuran keuletan bahan yaitu:
• Persentase perpanjangan (elongation)
Diukur sebagai penambahan panjang ukur setelah perpatahan terhadap panjang awalnya. Elongasi, ε (%) = [(Lf-Lo)/Lo] x 100%
dimana Lf adalah panjang akhir dan Lo panjang awal dari benda uji.
• Persentase pengurangan/reduksi penampang (Area Reduction)
Diukur sebagai pengurangan luas penampang (cross-section) setelah perpatahan terhadap luas penampang awalnya. Reduksi penampang, R (%) = [(Ao-Af)/Ao] x 100% dimana Af adalah luas penampang akhir dan Ao luas penampang awal.
h. Modulus elastisitas (E)
Modulus elastisitas atau modulus Young merupakan ukuran kekakuan suatu material. Semakin besar harga modulus ini maka semakin kecil regangan elastis yang terjadi pada suatu tingkat pembebanan tertentu, atau dapat dikatakan material tersebut semakin kaku (stiff). Pada grafik tegangan-regangan), modulus kekakuan tersebut dapat dihitung dari slope kemiringan garis elastis yang linier, diberikan oleh:
E = σ/ε atau E = tan α
dimana α adalah sudut yang dibentuk oleh daerah elastis kurva tegangan-regangan. Modulus elastisitas suatu material ditentukan oleh energi ikat antar atom-atom, sehingga besarnya nilai modulus ini tidak dapat dirubah oleh suatu proses tanpa merubah struktur bahan.
i. Kurva tegangan-regangan rekayasa dan sesungguhnya
Kurva tegangan-regangan rekayasa didasarkan atas dimensi awal (luas area dan panjang) dari benda uji, sedangkan untuk mendapatkan kurva tegangan-regangan sesungguhnya diperlukan luas area dan panjang aktual pada saat pembebanan setiap saat terukur. Pada kurva tegangan-regangan rekayasa, dapat diketahui bahwa benda uji secara aktual mampu menahan turunnya beban karena luas area awal Ao bernilai konstan pada saat penghitungan tegangan σ = P/Ao. Sementara pada kurva tegangan-regangan sesungguhnya luas area aktual adalah selalu turun hingga terjadinya perpatahan dan benda uji mampu menahan peningkatan tegangan karena σ = P/A.
j. Model Perpatahan Material
Perpatahan ulet memberikan karakteristk berserabut (fibrous) dan gelap (dull), sementara perpatahan getas ditandai dengan permukaan patahan yang berbutir (granular) dan terang. Perpatahan ulet umumnya lebih disukai karena bahan ulet umumnya lebih tangguh dan memberikan peringatan lebih dahulu sebelum terjadinya kerusakan Pengamatan kedua tampilan perpatahan itu dapat dilakukan baik dengan mata telanjang maupun dengan bantuan stereoscan macroscope. Pengamatan lebih detil dimungkinkan dengan penggunaan SEM (Scanning Electron Microscope).
Gambar 27 . Perpatahan ulet
Gambar 28 . Perpatahan getas
k. Modulus kekenyalan, keuletan (modulus of resilence)
Kerja yang dilakukan suatu unit volume bahan, seperti misalnya gaya tarikan yang dinaikkan secara bertahap dari nol sampai suatu nilai dimana batas proporsional bahan dicapai, disebut sebagai batas kekenyalan. Ini dapat dihitung sebagai luasan dibawah kurva tegangan regangan dari titik origin sampai batas proporsional dan digambarkan dengan daerah yang diarsir pada Gb. 22. Satuan untuk kuantitas ini adalah N.m/m3. Dengan demikian, modulus kekenyalan adalah kemampuan bahan menyerap energi pada daerah elastisnya.
l. Persentase pertambahan panjang (elongation)
Persentase pertambahan panjang didefiniskan sebagai pertambahan panjang setelah patah dibagi dengan panjang awal dan dikalikan dengan seratus. Baik persentasi pengurangan luasan-penampang dan pertambahan panjang merupakan ukuran keuletan atau ductility bahan.
m. Tegangan kerja (working stress)
Karakteristik-karakteristik kekuatan yang telah didiskusikan diatas dapat digunakan untuk memilih tegangan kerja. Sering suatu tegangan ditentukan hanya dengan membagi salah satu dari tegangan luluh atau tegangan puncak dengan suatu bilangan yang disebut faktor keselamatan. Pemilihan faktor keselamatan didasarkan pada keputusan perancang dan berdasarkan pengalaman. Faktor keselamatan spesifik kadang-kadang ditentukan dengan kode-kode rancang bangun. Kurva tegangan-regangan non-linier bahan rapuh, seperti ditunjukkan Gb. 24, memberikan karakteristik beberapa ukuran kekuatan yang lain yang tidak dapat ditunjukkan oleh kurva tegangan-regangan linier.
n. Rasio Poisson
Ketika suatu batang dikenai pembebanan tarik sederhana maka terjadi penambahan panjang batang pada arah pembebanan, tetapi terjadi pengurangan dimensi lateral tegak lurus terhadap pembebanan. Rasio regangan pada arah lateral terhadap arah aksial didefinisikan sebagai rasio Poisson (Poisson’s ratio). Dalam buku ini dilambangkan dengan μ. Pada kebanyakan logam μ mempunyai nilai antara 0.25 sampai 0.35.
Contoh
Pemilihan bahan teknik yang akan digunakan pada aplikasi yang membutuhkan sifat mekanik yang kuat dan regangan yang tinggi, didapatkan dengan pengujian tarik pada bahan teknik.
Aktivitas
Mahasiswa menentukan grafik Tegangan-Regangan hasil pengujian tarik, dan menentukan besarnya kekuatan tarik maksimal, regangan maksimal, daerah elastic plastis, dan rasio Poisson.
Ilustrasi
Mahasiswa dituntut untuk melihat proses pengujian tarik melalui browsing di youtube.com Dari video ilustrasi, mahasiswa dapat menjelaskan prinsip pengujian tarik yang tepat untuk mendapatkan sifat bahan teknik.
Rangkuman
Pengujian tarik adalah pengujian yang selalu dilakukan untuk menentukan sifat bahan teknik. Hal ini dikarenakan banyaknya data sifat mekanis bahan yang dapat dihasilkan
melalui pengujian tarik. Sifat sifat mekanik bahan terebut antara lain, kuat (strength), liat (ductile), lunak, tangguh (toughness). Dari data yang didapat, mahasiswa dapat menentukan bahan yang sesuai atau cocok untuk aplikasi industri.
Petunjuk Penilaian dan Umpan Balik
Nilai maksimal penyelesaian tes formatif adalah 100, sehingga tiap soal memiliki bobot 100/n (n adalah jumlah soal). Dari nilai pengerjaan tes formatif, tingkat serapan materi ajar oleh mahasiswa dapat diukur. Hasil ukuran tersebut akan digunakan sebagai evaluasi pembelajaran materi berikutnya.
Tindak Lanjut
Kompetensi mahasiswa diharapkan dapat diukur dari nilai pengerjaan tugas, latihan dan tes formatif. Bagi mahasiswa yang memiliki nilai dibawah 40, dianggap belum memenuhi kompetensi, dan diharuskan melakukan ujian ulang.
