3 DAFTAR ISI
I. Identitas Diri 2
II. Daftar Isi 3
III. Laporan Awal Pengujian Impak
i. Tujuan Percobaan 5
ii. Dasar Teori 5
iii. Metodologi Percobaan
Alat dan Bahan 9
Flowchart Proses Pengujian 11
IV. Data Percobaan
i. Tabel Data 12
ii. Contoh Perhitungan 12
iii. Grafik 13
V. Prinsip Pengujian 13
i. Analisa Grafik 17
ii. Analisa Temperatur Transisi 17
iii. Analisa Hasil Perpatahan 17
VI. Kesimpulan 18
VII. Lampiran
i. Tugas Tambahan 19
ii. Lembar Data 21
4 Laporan Awal
Praktikum Material Teknik
Uji Impak (Impact Test)
RIDANI FAULIKA 1006674976 KELOMPOK 2
Laboratorium Metalurgi Fisik Departemen Metalurgi dan Material FTUI
5 2011
I. Tujuan Praktikum
1. Menjelaskan tujuan dan prinsip dasar pengukuran harga impak dari logam. 2. Mengetahui temperatur transisi perilaku ketegasan baja struktural ST42. 3. Menganalisa permukaan patahan (fractografi) sampel impak yang diuji pada
beberapa temperatur.
4. Membandingkan nilai impak bebberapa jenis logam 5. Menjelaskan perbedaan metode Charpy dan Izod.
II. Dasar Teori
Pengujian Impak merupakan pengujian yang mengukur ketahanan baan terhadap beban kejut. Inilah yang membedakan pengujian impak dengan pengujian tarik dan kekerasan dimana pembebanan dilakukan secara perlahan-lahan. Pengujian impak merupakan suatu upaya untuk mensimulasikan kondisi operasi material yang sering ditemui dalam perlengkapan konstruksi dan treansportasi dimana beban tidak selamanya terjadi secara perlahan-lahan melainkan dating secara tiba-tiba, contoh deformasi pada bumper mobil pada saat kecelakaan.
Dasar pengujian impak ini adalah penyerapan energi potensial dari pendulum beban yang berayun dari suatu ketinggian tertentu dan menumbuk benda uji sehingga benda uji mengalami deformasi maksimum hingga mengakibatkan perpatahan. Pada pengujian impak ini banyaknya energy yang diserap oleh bahan untuk terjadinya perpatahan merupakan ukuran ketahanan impak atau ketangguhan bahan tersebut. Suatu material dikatakan tangguh bila memiliki kemampuan menyerap beban kejut yang besar tanpa mengalami retak atau deformasi dengan mudah. Gambar dibawah ini memberikan ilustrasi suatu pengujian impak dengan metode charpy.
6 Pada pengujian impak, energi yang diserap oleh benda uji biasanya dinyatakan dalam satuan joule dan dibaca langsung pada skala (dial) petunjuk yang telah dikalibrasi yang terdapat pada mesin penguji. Harga impak (HI) suatu bahan yang diuji dengan metode Charpy diberikan oleh :
dimana E adalah energi yang diserap dalam satuan joule dan A luas penampang di bawah takik dalam satuan mm2.
dimana :
P = beban yang diberikan (Newton)
H0 = ketinggian awal bandul (mm)
H1 = ketinggian akhir setelah terjadi perpatahan benda uji (mm)
HI = E/A
7 Benda uji impak dikelompokkan kedalam dua golongan sampel standar (ASTM E-23) yaitu batang uji Charpy ( metode Charpy - USA) dan batang uji Izod (metode Izod – Inggris dan Eropa ).
1. Batang Uji Charpy
Sampel uji memiliki dimensi ukuran yaitu 10x10x55 mm (tinggi x lebar x panjang). Dengan posisi takik (notch) berada di tengah, kedalaman takik 2 mm dari permukaan benda uji, dan sudut takik 45 derajat. Bentuk takik berupa huruf U, V , key hole (seperti lubang kecil). Benda diletakkan pada tumpuan dengan posisi horizontal dan tidak dijepit. Hal ini meneybabbkan pengujian berlangsung lebih cepat, sehingga memudahkan untuk melakukan pengujian pada temperatur transisinya. Sedangkan ayunan bandul dari arah belakang takik dengan pembebanan dilakukan dari arah punggung takik.
2. Batang Uji Izod
Sampel uji memiliki dimensi ukuran yaitu 10x10x75 (tinggi x lebar x panjang). Dengan posisi takik berada pada jarak 28 mm dari ujung benda uji, kedalaman takik 2 mm dari permukaan benda uji, dengan sudut takik 45 derajat. Bentuk takik berupa huruf U, V , key hole (seperti lubang kecil). Benda diletakkan dengan tumpuan posiisvertikal dan dijepit menyebabkan pengujian berlangsung lama, sehingga tidak cocok digunakan pada pengujian dengan temperatur yang bervariasi. Sedangkan ayunan bandul dari arah depan takik dengan pembebanan dilakukan dari arah muka takik.
8 Pengukuran lain yang bisa dilakukan dalam pengujian impak charpy adalah penelaahan permukaan untuk menentukan jenis perpatahan (fractografi) yang terjadi. Secara umum sebagaimana analisis perpatahan pada benda hasil uji tarik maka perpatahan impak digolongkan menjadi 3 jenis perpatahan, yaitu :
o Perpatahan berserat (fibrous fracture), yang melibatkan mekanisme
pergeseran bidang-bidang Kristal di dalam material / logam (logam) yang ulet (ductile).
o Perpatahan granular / kristalin, yang dihasilkan oleh mekanisme
pembelahan cleavage pada butir-butir dari material / logam (logam) yang rapuh (brittle).
o Perpatahan campuran, merupakan kombinasi kedua jenis perpatahan di
atas.
Informasi lain yang dapat diperoleh dari pengujian impak adalah temperatur transisi bahan. Temperatur transisi adalah temperatur yang menunjukkan transisi perubahan jenis temperature yang berbeda-beda maka akan terlihat bahwa pada temperature tinggi material akan bersifat ulet (ductile). Sedangkan pada temperatur rendah material akan bersifat rapuh atau getas (brittle). Fenomena ini berkaitan dengan vibrasi atom-atom bahan pada temperature yang berbeda dimana pada temperature kamar vibrasi itu berada dalam kondisi kesetimbangan dan selanjutnya akan menjadi tinggi bila temperature dinaikkan (ingatlah bahwa energy panas merupakan suatu driving force terhadap pergerakkan partikel atom bahan). Vibrasi atom inilah yang berperan sebagai suatu penghalang (obstacle) terhadap pergerakan dislokasi pada saat terjadi deformasi kejut/impak dari luar.
9 Dengan semakin tinggi vibrasi itu maka pergerakan disklokasi menjadi relatif sulit sehingga dibutuhkan energy yang lebih besar untuk mematahkan benda uji. Sebaliknya pada temperature dibawah 0 derajat celcius, vibrasi atom relatif sedikit sehingga pada saat bahan dideformasi pergerakan dislokasi menjadi lebih mudah dan benda uji menjadi lebih mudah dipatahkan dengan energy yang relative lebih rendah. Informasi mengenai temperature transisi menjadi demikian penting bila suatu material akan didesain untuk aplikasi yang melibatkan rentang temperature yag besar, misalnya dari temperature dibawah 0 derajat celcius hingga temperature tinggi diatas 100 derajat celcius. Contoh system penukar panas (heta exchanger). Hamper semua logam berkekuatan rendah dengan struktur Kristal F seperti tembaga dan alumunium bersifat ulet pada semua temperature sementara bahan dengan kekuatan luluh yang tinggi bersifat rapuh.
Bahan keramik, polimer dan logam-logam BCC dengan kekuatan luluh yang rendah dan sedang memiliki transisi rapuh-ulet bila temperature dinaikkan. Ha,pir semua baja karbon yang dipakai jembatan, kapal, jaringan pipa dan sebagainya bersifat rapuh pada temperature rendah. Gambar di bawah ini memberikan ilustrasi efek temperature terhadap ketangguhan impak beberapa bahan.
III. Metodologi Penelitian III.1. Alat dan Bahan
10 o Caliper atau micrometer
o Stereoscan macroscope o Termometer
o Furnace
o Sampel uji Impak baja ST 42 dan Cu-Zn (3 buah) o Dry ice
11 III.2. Flowchart Proses Pengujian
Mengukur (luas area dibawah takik) dengan caliper. Masukan pada
lembar data.
Mempersiapkan sampel uji untuk temperatur rendah dan temperatur tinggi, memasukkan masing-masing ke dalam wadah berisi campuran dry
ice + alkohol 70% dan furnace
Menguji satu demi satu sampel, dengan mengikuti langkah-langkah
sebagai berikut :
Memastikan jarum skala berwarna merah sebagai petunjuk harga impak
material berada pada posisi nol. Memutar handel untuk menaikkan
pendulum hingga jarum petunjuk beban hingga berwarna hitam
mencapai batas merah. Meletakkan benda uji pada
tempatnya dengan takik membelakanig arah datangnya
pendulum.
Menarik centre setting ke posisi semula.
Bersiap melakukan pengujian pada posisi samping benda uji
Melakukan pengereman dengan menarik tuas rem sehingga ayunan
pendulum dapat dikurangi
Membaca nilai yang ditunjukkan oleh jarum merah pada skala yang sesuai
(300 Joule) dan menghitung harga impak material dengan rumus dasar Mengambil benda uji dan mengamati
permukaan patahannya di bawah stereoscan macroscope dan buat sketsa patahannya, nyatakan dalam persenta sterhadap luas area total di
bawah takik Mengulangi pengujian
sampel-sampel lain. tingkat kehati-hatian lebih tinggi diperlukan dalam menangani sampel bertemperatur
12
b
a
IV. Data, Perhitungan, dan Grafik IV.1. Tabel Data
Bahan A T E HI Sketsa Patahan (mm2) (°C) (Joule) (Joule/mm2) Baja 82.7 24 276 3.340 Baja 82.7 101 240 2.900 Baja 82.7 0.05 20 0.224
IV.2. Contoh Perhitungan
o Luas penampang di bawah takik
a = tinggi section di bawah takik b = lebar sampel
Luas = a x b = 8.27 x 10 = 82.7 mm2 o Harga impak (HI)
HI = =
13 IV.3. Grafik HI vs T
Arsiran berwarna merah merupakan daerah temperature transisi
V. Pembahasan
V.1. Prinsip Pengujian
Pengujian impak merupakan suatu pengujian yang mengukur ketahanan baha n terhadap beban kejut. Pengujian ini bertujuan untuk mengukur ketahanan suatu material terhadap hantaman yang datang secara tiba-tiba. Material seperti itu banyak ditemui pada material pembentuk perlengkapan transportasi dan konstruksi dimana beban tidak selamanya terjadi secara perlahan-lahan seperti pembebanan tarik.
0.05°C, 0.224 24°C, 3.34 101°C, 2.9 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 HI Temperatur
Grafik HI vs T
HI14 Dasar pengujian impak ini adalah penyerapan energi potensial dari pendulum beban yang berayun dari suatu ketinggian tertentu dan menumbuk benda uji sehingga benda uji mengalami deformasi. Gambar di atas ini memberikan ilustrasi suatu pengujian impak dengan metode charpy.
Pada pengujian ini banyaknya energi yang diserap oleh bahan untuk terjadinya perpatahan merupakan ukurab ketahanan
impak atau ketangguhan bahan tersebut. Pada gambar di atas dapat
dilihat bahwa setelah benda uji patah akibat deformasi, bandul pendulum melanjutkan ayunannya hingga posisi h’. Bila bahan tersebut tangguh maka makin besar energi yang mampu diserap atau h’ makin kecil. Suatu material dikatakan tangguh bila mampu menyerap energi yang besar tanpa mengalami keretakan atau terdeformasi dengan mudah.
Pada pengujian impak, energi yang diserap oleh benda uji biasanya dinyatakan dalam satuan Joule dan dibaca langsung pada skala (dial) penunjuk yang telah dikalibrasi yang terdapat pada mesin penguji. Harga Impak (HI) suatu bahan yang diuji dengan metode Charpy diberikan oleh:
E
HI
A
dimana E adalah energi yang diserap dalam satuan Joule dan A luas penampang dibawah takik dalam satuan mm2.
Takik (notch) dalam benda uji standar ditunjukkan sebagai suatu konsentrasi tegangan sehingga perpatahan diharapkan akan terjadi dibagian tersebut. Selain bentuk V dengan sudut 450, takik dapat juga dibuat dengan bentuk lubang kunci (key hole).
Pengukuran lain yang biasa dilakukan dalam pengujian impak Charpy adalah penelaahan permukaan perpatahan untuk
15 menentukan jenis perpatahan yang terjadi. Secara umum perpatahan digolongkan menjadi 3, yaitu :
a) Perpatahan berserat (fibrous fracture), yang melibatkan mekanisme pergeseran bidang-bidang kristal didalam bahan (logam) yang ulet (ductile). Ditandai dengan permukaan patahan yang berserat yang berbentuk dimple yang menyerap cahaya dan berpenampilan buram.
b) Perpatahan granular/kristalin, yang dihasilkan oleh mekanisme pembelahan (cleavange) pada butir-butir dari bahan (logam) yang rapuh (brittle). Ditandai dengan permukaan patahan yang datar yang mampu memberikan daya pantul cahaya yang tinggi (mengkilat).
c) Perpatahan campuran (berserat dan granular), merupakan kombinasi dua jenis perpatahan diatas.
Gambar dibawah ini memperlihatkan ilustrasi perpatahan benda uji :
Permukaan patahan benda uji
Selain dengan harga impak yang ditunjukkkan oleh alat uji, pengukuran ketangguhan suatu bahan dapat dilakukan dengan memperkirakan berapa persen patahan berserat dan patahan granular yang dihasilkan oleh benda uji yang diuji pada temperatur tertentu. Semakin banyak persentase patahan berserat maka semakin tangguh bahan tersebut. Cara ini dapat dilakukan dengan mengamati permukaan patahan benda uji dibawah mikroskop
stereoscan.
Informasi lain yang dapat dihasilkan oleh pengujian impak adalah temperatur transisi bahan. Temperatur transisi adalah temperatur yang menunjukkan transisi perubahan jenis perpatahan
16 suatu bahan bila diuji pada temperatur yang berbeda-beda. Pada pengujian seperti ini akan terlihat bahwa pada temperatur tinggi material akan bersifat ulet (ductile) sedangkan pada temperatur rendah material akan bersifat rapuh.
Fenomena ini berkaitan dengan vibrasi atom-atom bahan pada temperatur yang berbeda dimana pada temperatur kamar vibrasi itu berada dalam kondisi kesetimbangan dan selanjutnya akan menjadi tinggi bila temperatur dinaikkan. Vibrasi atom inilah yang berperan sebagai suatu penghalang (obstacle) terhadap pergerakan dislokasi pada saat terjadi deformasi kejut/impak dari luar. Dengan semakin tinggi vibrasi itu maka pergerakan dislokasi menjadi relatif sulit sehingga dibutuhkan energi yang lebih besar untuk mematahkan benda uji. Sebaliknya pada temperatur dibawah nol derajat Celcius, vibrasi atom relatif sedikit sehinggga pada saat bahan dideformasi pergerakan dislokasi menjadi lebih mudah dipatahkan dengan energi yang relatif lebih rendah.
Informasi mengenai temperatur transisi menjadi demikian penting bila suatu material akan didesain untuk aplikasi yang melibatkan rentang temperatur yang besar, dari temperatur dibawah nol derajat Celcius hingga diatas 100 derajat Celcius misalnya.
Hampir semua logam berkekuatan rendah dengan struktur kristal FCC seperti tembaga dan alumunium besifat ulet pada semua temperatur sementara bahan dengan kekuatan luluh ynag tinggi bersifat rapuh. Bahan keramik, polimer dan logam BCC dengan kekuatan luluh rendah dan sedang memiliki transisi rapuh-ulet bila temperatur dinaikkan. Hampir semua baja karbon yang dipakai pada jembatan, kapal, jaringan pipa dan sebagainya bersifat rapuh pada temperatur rendah.
17 V.2. Analisa Grafik HI vs T
Dari grafik dapat kita lihat bahwa pada suhu rendah yang diujikan, energi yang diperlukan untuk terjadinya perpatahan sangat sedikit. Hal ini terjadi akibat pada suhu rendah perambatan retak terjadi lebih cepat daripada terjadinya deformasi plastik. Sedangkan pada suhu yang lebih tinggi terlihat energi yang diperlukan untuk terjadinya fracture lebih besar karena pada suhu tinggi retakan didahului oleh deformasi plastik terlebih dahulu.
Grafik menunjukkan terjadinya fluktuasi energi yang diserap untuk terjadi fracture seiring dengan kenaikan suhu. Pernyataan tersebut sesuai dengan literatur, semakin tinggi temperatur maka semakin tangguh suatu material dengan makin bertambahnya besar energi yang diserap.
V.3. Analisa Temperatur Transisi
Temperatur transisi adalah temperatur yang menunjukkan transisi perubahan jenis perpatahan suatu bahan bila diuji pada temperatur yang berbeda-beda. Berdasarkan grafik percobaan impak yang telah dilakukan pada baja, bisa dilihat disana terdapat arsiran merah. Arsiran merah tersebut menunjukkan daerah temperatur transisi. Pada arsiran ini terjadi perubahan sifat material baja dari ulet menjadi getas atau getas menjadi ulet. Di bawah daerah temperatur transisi sifat material baja adalah getas (brittle), sedangkan di atas temperatur transisi sifat material baja adalah ulet (ductile).
V.4. Analisa Hasil Perpatahan untuk Setiap Sampel pada Setiap T Terdapat 2 jenis perpatahan, yaitu perpatahan berserat dan perpatahan kristalin. Di bawah temperatur transisi, perpatahan yang terjadi adalah perpatahan kristalin. Perpatahan ini disebabkan karena sifat material yang menjadi brittle (rapuh/keras). Hanya sedikit energi yang diserap di bawah daerah temperatur transisi. Sedangkan di atas temperatur transisi, perpatahan yang terjadi
18 adalah perpatahan berserat. Perpatahan ini disebabkan karena sifat material yang menjadi ductile (ulet), sehingga tidak mudah patah. o Temperatur 0,05°C
Pada temperatur 0,05°C, baja patah sempurna atau patah granular setelah mengalami uji Charpy. Hal ini menunjukkan bahwa baja yang didinginkan hingga suhu mendekati 0°C menjadi bersifat getas.
o Temperatur 24°C
Pada temperatur 24°C, baja patah, tetapi tidak sampai putus. Perpatahan seperti ini disebut perpatahan campuran. Penampilan permukaan pada sampel dengan suhu 24°C ini bergranular dan berserat. Perpatahan seperti ini terjadi ketika bahan bersifat moderately ductile (cukup ulet) sehingga dapat dikatakan materialnya cukup tangguh.
o Temperatur 101°C
Perpatahan untuk besi pada suhu 45˚C tidak menyebabkan terpisah menjadi 2, kemudian bentuk patahannya berserat. Jadi perpatahannya adalah perpatahan berserat.
VI. Kesimpulan
o Sifat suatu material pada suhu yang berbeda akan berbeda pula juga. o Temperatur mempengaruhi besar kecilnya harga nilai impak dari
suatu material. Terlihat bahwa pada temperatur tinggi material akan bersifat ulet (harga impak tinggi) sedangkan pada temperatur rendah material akan bersifat rapuh atau getas (harga impak rendah).
o Temperatur transisi adalah temperatur yang menunjukkan transisi perubahan jenis perpatahan (getas menjadi ulet atau sebaliknya). Biasanya ditunjukkan dengan peningkatan/penurunan (batas merah pada grafik) harga impak dan sifat perpatahannya campuran.
19 TUGAS TAMBAHAN
1. Berapakah besar sudut takik pada metode Izod dan sebutkan alasannya. Mengapa besar sudut takik pada metode Charpy 45°?
Jawab:
o Sudut takik pada metode Izod adalah 45°, alasannya karena sudut 45° merupakan sudut yang akan menghasilkan kekuatan impak terbesar.
o Sudut takik pada metode Charpy 45° karena sudut 45° akan menghasilkan impak terbesar dibandingkan dengan sudut-sudut lainnya.
2. Apa yang dimaksud dengan temperatur transisi? Tunjukkan dengan grafik (mengapa jika T tinggi → ulet & T rendah → getas) serta hubungannya dengan FCC dan BCC.
Jawab:
Temperatur transisi adalah temperatur yang menunjukkan transisi perubahan jenis perpatahan suatu bahan bila diuji pada temperatur yang berbeda-beda. Pada daerah temperatur transisi terjadi perubahan sifat material baja dari ulet menjadi getas atau getas menjadi ulet. Di bawah daerah temperatur transisi sifat material baja adalah getas (brittle), sedangkan di atas temperatur transisi sifat material baja adalah ulet (ductile).
Hampir semua logam berkekuatan rendah dengan struktur kristal FCC seperti tembaga dan alumunium besifat ulet pada semua temperatur sementara bahan dengan kekuatan luluh ynag tinggi bersifat rapuh. Bahan keramik, polimer dan logam BCC dengan kekuatan luluh rendah dan sedang memiliki transisi rapuh-ulet bila temperatur dinaikkan.
20 3. Sebutkan aplikasi pengujian impak pada Teknik Mesin selain Titanic dan
bumper mobil.
Jawab:
22 DAFTAR PUSTAKA
Modul Praktikum Destructive Test. 2011. Depok : Laboratorium Metalografi dan HST Departemen Metalurgi dan Material FTUI.
Callister, William D. 2007. Materials Science and Engineering: an Introduction. New York: John Wiley & Sons, Inc.
