MAKALAH PENGETAHUAN BAHAN
“ METODE PENGUJIAN KEKERASAN “
DISUSUN OLEH :
FEBRI IRAWAN
05091002006
KELOMPOK 5
PROGRAM STUDI TEKNIK PERTANIAN
JURUSAN TEKNOLOGI PERTANIAN
FAKULTAS PERTANIAN
UNIVERSITAS SRIWIJAYA
INDERALAYA
2010
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Makna nilai kekerasan suatu material berbeda untuk kelompok bidang ilmu yang berbeda. Bagi insinyur metalurgi nilai kekerasan adalah ketahanan material terhadap penetrasi sementara untuk para insinyur disain nilai tersebut adalah ukuran dari tegangan alir, untuk insinyur lubrikasi kekerasan berarti ketahanan terhadap mekanisme keausan, untuk para insinyur mineralogi nilai itu adalah ketahanan terhadap goresan, dan untuk para mekanik work-shop lebih bermakna kepada ketahanan material terhadap pemotongan dari alat potong. Begitu banyak konsep kekerasan material yang dipahami oleh kelompok ilmu, walaupun demikian konsep-konsep tersebut dapat dihubungkan pada satu mekanisme yaitu tegangan alir plastis dari material yang diuji.
Uji keras merupakan pengujian yang paling efektif karena dengan pengujian ini, kita dapat dengan mudah mengetahui gambaran sifat mekanik suatu material.Meskipun pengukuran hanya dilakukan pada satu titik, atau daerah tertentu saja, nilai kekerasan cukup valid untuk menyatakan kekuatan suatu material.Dengan melakukan uji keras, material dapat dengan mudah digolongkan sebagai material ulet atau getas.
Uji keras juga dapat digunakan sebagai salah satu metode untuk mengetahui pengaruh perlakuan panas dan perlakuan dingin terhadap material. Material yang telah mengalami cold working, hot working, dan heat treatment, dapat diketahui gambaran perubahan kekuatannya, dengan mengukur kekerasan permukaan suatu material. Oleh sebab itu, dengan uji keras kita dapat dengan mudah melakukan quality control terhadap material.
Prinsip metode apapun uji kekerasan adalah memaksa indentor suatu ke permukaan sample diikuti dengan mengukur dimensi indentasi (kedalaman atau aktual luas permukaan indentasi). Kekerasan bukan milik fundamental dan
nilainya tergantung pada kombinasi kuat luluh , kekuatan tarik dan modulus elastisitas .
Manfaat uji kekerasan:
• Mudah
• Murah
• Cepat
• Non-destruktif
• Dapat diterapkan untuk sampel dari berbagai dimensi dan bentuk
• Dapat dilakukan in-situ
1.2 Tujuan
1. Memahami dan menguasai prosedur metode uji kekerasan Brinell, Vickers dan Rockwell
2. Membandingkan nilai kekerasan (Brinell dan Vickers) dari beberapa jenis logam (besi tuang, baja, tembaga dan alumunium).
3. Mengetahui prinsip dan teknik pengujian kekerasan mikro dan mengaplikasikannya untuk mengetahui kekerasan fasa-fasa di dalam logam baja/besi tuang
4. Mengestimasi nilai kekuatan tarik beberapa logam berdasarkan nilai kekerasan Brinellnya.
PEMBAHASAN
Kekerasan suatu material merupakan ketahanan material terhadap gaya penekanan dari material lain yang lebih keras. Prinsip pengujian kekerasan ini yaitu pada permukaan material dilakukan penekanan dengan indentor sesuai dengan parameter (diameter, beban dan waktu). Berdasarkan mekanisme penekanan tersebut, dikenal 3 metode uji kekerasan :
1. Metode gores
Dilakukan dengan cara mengukur kedalaman atau lebar goresan pada benda uji dengan cara menggoreskan permukaan benda uji dengan material pembanding. Indentor yang biasa digunakan adalah jarum yang terbuat dari intan. Namun, metode ini tidak cocok untuk logam yang skala kekerasannya tinggi. Selain itu kemampu-ulangannya rendah karena tidak akurat.Metode ini tidak banyak digunakan dalam dunia metalurgi, tapi masih dalam dunia mineralogi. Metode ini dikenalkan oleh Friedrich Mohs yaitu dengan membagi kekerasan material di dunia ini berdasarkan skala (yang kemudian dikenal sebagai skala Mohs). Skala ini bervariasi dari nilai 1 untuk kekerasan yang paling rendah, sebagaimana dimiliki oleh talc, hingga skala 10 sebagai nilai kekerasan tertinggi, sebagaimana yang dimiliki oleh intan. Dalam skala Mohs urutan nilai kekerasan material di dunia diwakili oleh :
1. talc 6. orthoclase 2. gypsum 7. quartz 3. calcite 8. topaz 4. fluorite 9. corundum 5. apatite 10. Diamond Prinsip pengujian :
Bila suatu mineral mampu digores oleh orthoclase (6) tetapi tidak mampu digores oleh apatite(5), maka kekerasan mineral tersebut berada antara 5 dan 6. Berdasarkan hal ini, jelas terlihat bahwa metode ini
memiliki kekurangan utama berupa ketidakakuratan nilai kekerasan suatu material.
Bila kekerasan mineral-mineral diuji dengan metode lain, ditemukan bahwa nilai nilainya berkisar antara 1-9 saja, sedangkan nilai 9-10 memiliki rentang yang besar.
2. Metode pantul ( metode elastik / rebound )
Dengan metode ini, kekerasan suatu material ditentukan oleh alat scleroscope yang mengukur tinggi pantulan suatu pemukul (hammer) dengan berat tertentu yang dijatuhkan dari suatu ketinggian terhadap permukaan benda uji. Tinggi pantulan (rebound) yang dihasilkan mewakili kekerasan benda uji. Semakin tinggi pantulan tersebut, yang ditunjukan oleh dial pada alat pengukur, maka kekerasan benda uji dinilai semakin tinggi.
3. Metode Indentasi
Pengujian dengan metode ini dilakukan dengan penekanan benda uji dengan indentor dengan gaya tekan dan waktu indentasi yang ditentukan. Kekerasan suatu material ditentukan oleh dalam ataupun luas area indentasi yang dihasilkan (tergantung jenis indentor dan jenis pengujian). Berdasarkan prinsip bekerjanya metode uji kekerasan dengan cara indentasi dapat diklasifikasikan sebagai berikut:
a. Metode Brinell
Metode ini diperkenalkan pertama kali oleh J.A.Brinell pada tahun 1900. Pengujian kekerasan dilakukan dengan memakai bola baja yang diperkeras (hardened steel ball) dengan beban dan waktu indentasi tertentu. Hasil penekanan adalah jejak berbentuk lingkaran bulat, yang harus dihitung diameternya dibawah mikroskop khusus pengukur jejak. Pengukuran nilai kekerasan suatu material diberikan oleh rumus:
2 P
BHN =
dimana : P adalah beban (Kg) D diameter indentor (mm) d diameter jejak (mm).
Gambar : Skematis prinsip identasi dengan metode Brinell
Prosedur standar pengujian mensyaratkan bola baja dengan diameter 10 mm dan beban 3000 kg untuk pengujian logam-logam ferrous, atau 500 kg untuk logam-logam non ferrous. Untuk logam-logam ferrous, waktu indentasi biasanya sekitar 10 detik, sementara untuk logam-logam non ferrous sekitar 30 detik. Walaupun demikian pengaturan beban dan waktu indentasi untuk setiap material dapat pula ditentukan oleh karakteristik alat penguji. Nilai kekerasan suatu material yang dinotasikan dengan “HB” tanpa tambahan angka di belakangnya menyatakan kondisi pengujian standar dengan indentor bola baja 10mm, beban 3000 kg selama waktu 1-15 detik. Untuk kondisi yang lain nilai kekerasan HB diikuti angka-angka yang menyatakan kondisi pengujian.
Syarat menggunakan metode Brinell :
– indentor bola baja yang dikeraskan berdiameter 2,5-10 mm, beban 300-3000 Kg
– permukaan harus rata, jika perlu diamplas atau dimachining terlebih dahulu – permukaan test harus sesuai dengan karakteristik material, tidak mengalami karburasi ataupun proses sejenis lainnya
– ketebalan minimum 0.6 mm dan permukaan tanpa dikeraskan – pengujian tidak boleh terlalu dipinggir
– beban yang digunakan harus steady dan terbebas dari kemungkinan pembebanan tak diinginkan disebabkan oleh gaya inersia dari beban
– jarak antar uji minimum 3d
– tidak terjadi penggelembungan di bagian belakang material uji disebabkan penggunaan beban yang terlalu besar
–
Keuntungan penggunaan metode Brinell antara lain :
○ Tidak dipengaruhi oleh oleh permukaan material yang
kasar
○ Bekas penekanan cukup besar, sehingga mudah diamati dan dapat mengatasi ketidakseragaman fasa material pada pengujian.
Kerugiannya antara lain :
○ Tidak dapat dikenakan pada benda yang tipis dan permukaan yang kecil, serta pada daerah kritis di mana penekanan dapat mengakibatkan kegagalan.
○ Tidak berlaku untuk material yang sangat lunak maupun sangat keras.
b. Metode Vickers
Pada metode ini digunakan indentor intan berbentuk piramida dengan sudut 136o,
seperti gambar dibawah ini
Gambar : Skematis prinsip indentor dengan metode Vickers
Prinsip pengujian adalah sama dengan Brinell, walaupun jejak yang dihasilkan berbentuk bujursangkar berdiagonal. Panjang diagonal diukur dengan skala pada mikroskop pengukur jejak. Nilai kekerasan suatu material diberikan oleh:
Pengujian metode Vickers akan memberikan dampak hasil yang berbeda-beda tergantung pada elestisitas material. Apabila material lunak atau keelastisitasannya tinggi, maka hasil indentasi akan mengempis. Dan pada
1.854 P VHN =
material yang kaku, maka akan berbentuk menggembung. Metode ini biasa dilakukan untuk mengukur kekerasan mikro dari material.
Gambar : Distorsi oleh indentor pyramid intan karena efek elastisitas; (a)Indentasi sempurna; (b)Indentasi mengempis; (c)Indentasi menggembung Keuntungan metode Vickers :
○Indentor dibuat dari bahan yang cukup keras, sehingga dimungkinkan dilakukan untuk berbagai jenis logam.
○Memberikan hasil berupa skala kekerasan yang kontinu dan dapat digunakan untuk menentukan kekerasan pada logam yang sangat lunak dengan kekerasan DPH 5 hingga logam yang sangat keras dengan DPH 1500
○Dapat dilakukan untuk benda-benda dengan ketebalan yang sangat tipis, sampai 0.006 inchi
○Harga kekerasan yang didapat dari uji Vickers tidak bergantung pada besar beban indentor
Kerugiannya :
Pengujian ini tidak dapat digunakan untuk pengujian rutin karena pengujian tersebut lama, memerlukan persiapan permukaan benda uji yang teliti, dan rentan terhadap kesalahan perhitungan panjang diagonal.
Indentor yang digunakan kerucut intan dengan sudut yang dibentuk muka intan 120o. Pembebanan dilakukan dengan dua tahap; tahap pertama adalah
pembebanan minor kemudian pembebanan mayor. Nilai kekerasan ditentukan dengan perbandingan kedalaman kedua tahap pembebanan. Berbeda dengan metode Brinell dan Vickers dimana kekerasan suatu bahan dinilai dari diameter atau diagonel jejak yang dihasilkan, maka metode Rockwell merupakan uji kekerasan dengan pembacaan langsung (direct reading). Metode ini banyak dipakai dalam industri karena pertimbangan praktis. Variasi dalam beban dan indentor yang digunakan membuat metode ini memiliki banyak macamnya. Metode yang paling umum dipakai adalah Rockwell B (dengan indentor bola baja berdiameter 1/6 inci dan beban 100 kg) dan Rockwell C (dengan indentor intan dan beban 150 kg). Walaupun demikian lainnya biasa dipakai. Oleh karenanya skala kekerasan Rockwell suatu material harus dispesifikasikan dengan jelas.
Tabel Skala pada Metode Uji Kekerasan Rockwell
Rockwell A
Penetrator berupa kerucut intan dengan pembebanan 60 Kg. Biasa digunakan untuk jenis-jenis logam yang sangat keras
Rockwell B
Indentor berupa bola baja dengan diameter 1,6 mm dan pembebanan 100 Kg. Biasa digunakan untuk material-material yang lunak.
Rockwell C
Indentor berupa kerucut intan dengan pembebanan 150 Kg. Biasa digunakan untuk logam-logam yang diperkeras dangan pemanasan.
Pengkategorian ini berdasarkan kombinasi jenis indentor yang digunakan dengan beban yang diberikan.Pengkategorian ini dimaksudkan agar penguji manggunakan jenis kombinasi yang tepat pada benda uji sesuai dengak sifat yang dimiliki oleh benda uji tersebut.
d. Kekerasan Knoop
Merupakan salah satu metode micro-hardness, yaitu uji kekerasan untuk benda uji yang kecil. Nilai kekerasan Knoop adalah pembebanan dibagi dengan luas penampang yang terdeformasi permanen. Jejak yang dihasilkan sekitar 0.01mm – 0.1 mm dan beban yang digunakan berkisar antara 5 gr – 5 Kg. Permukaan benda uji harus benar-benar halus.
1. Hoytom macrohardness tester (metode Brinell, Vickers dan Rockwell) 2. Buehler Micromet 2100 series microhardness tester (metode Vickers) 3. Micrometer & Measuring microscope
4. Sampel uji silinder pejal dan uji tarik (besi tuang, baja, tembaga dan aluminium)
Gambar : Mesin hidraulic
Untuk mendapatkan ketelitian hasil pengukuran kekerasan, hal yang harus diperhatikan sebelum waktu melakukan pengujian yaitu :
• Permukaan benda kerja harus bersih dari kerak dan kotoran lainnya.
• Posisi permukaan spesimen diusahakan tegak lurus dengan arah indentasi.
• Permukaan spesimen harus diam statis sebelum diberi beban tekan.
• Jarak antar titik pengukuran harus lebih besar dari 3 kali diameter indentor.
• Jarak titik pengukuran dari tepi spesimen paling tidak 3 kali diameter indentor.
FLOW CHART
Metode Brinell dan Vickers (sample silinder pejal)Periksa alat uji dan pasang indentor
Pilih beban yang sesuai Putar poros dudukan benda uji
searah jarum jam Putar tuas poros hingga jarum
menyentuh batas Putar tuas beban ke belakang
dan lepaskan Hitung nilai kekerasan Lepas kontak indentor dengan
benda uji Sampel & lokasi lain Ukur diameter jejak indentor Preparasi sampel (amplas & poles)yatidak Selesai
Metode Brinell (sample uji tarik)
Metode Rockwell (sample silinder pejal )
Preparasi (amplas grip sampel uji tarikTempatkan sampel pada anvil secara horizontal
Lakukan pengujian di beberapa titik (min. 3)
Pilih indentor dan beban yang sesuai
Ukur diameter jejak Hitung nilai kekerasan Estimasi kekuatan tarik logamMaterial lainSelesai ya
Pengujian kekerasan mikro Preparasi sampel (amplas & poles)Pasang indentor yang
sesuai (rockwell B atau C)
Pasang beban yang sesuai
Atur skala pada mesin uji sesuai rockwell
yang dipilih Lakukan preload Lakukan pembebanan antara 10-15 detik Kembalikan tuas beban ke posisi semula
Baca nilai kekerasan Lepas benda uji dari
dudukan Material lainSelesai
ya tida k
Putar turet indentor-lensa obyektif hg pembesaran 40 x
Nyalakan instrument mikromet
Tempatkan benda uji dgn permukaan ┴ indentor Atur focus struktur mikro dan pencahayaan benda
uji
Tentukan lokasi yg akan diuji
Area yg dipilih ditempatkan di tengah ruang pandang okuler
Pilih beban dgn memutar dial bebanAtur waktu indentasi Putar turet indentor lensa-obyektif hg diperoleh
posisi indentor
Lakukan indentasi dg menekan tombol ‘START’Putar right fillar adjustment knob hingga bagian kanan terdalam dari right fillar berhimpit dg bag kiri terdalam left fillar line
Perhatikan skala nol pd right micrometer Putar turet ke posisi lensa obyektif kembali (40
x)
Putar fillar adjustment knob hingga garis kanan akhirnya mencapai ujung kanan terluar jejakHitung nilai kekerasan Putar left fillar adjustment knob hingga bagian kiri terdalam menyentuh ujung kiri terluar jejakAmplas kasar, amplas halus, poles dan etsa benda Pengukuran lebar jejak selesaiIndentasi selesaiuji
DAFTAR PUSTAKA
Callister,William D., 1940-Materials science and engineering : an Introduction/ William D. Callister, Jr.—7th ed
Callister, William D. “Materials and Science Engineering: an Introduction”, 6th
edition. John Wiley & Sons, Inc. 2003.
Davis,H.E,Troxell,G.E,Hauck, GFW. ”The Testing of Engineering Materials ”.1982.
Dieter, George E. “Mechanical Metallurgy”. McGraw Hill Book Co. 1988. Louis Cart,”Non Destructive Testing”,ASM, 1995.
Metal Handbook Ninth Edition, Volume 8, Mechanical Testing, ASM,1985. Sriati Djaprie, Metalurgi Mekanik, edisi ketiga, jilid 1, Erlangga, 1993.
