Kekuatan Mekanik Bahan Logam
TK3106 Peralatan Proses
01
Dr. Pramujo Widiatmoko Dr. A. Zainal Abidin
Teknik Kimia – FTI ITB
Sifat Logam dan
Kemampuan Bahan Menahan Beban
02
SIFAT LOGAM
❑ Sifat mekanik : kelakuan terhadap beban (tarikan, lenturan, puntiran, geseran, tekanan dan sebagainya).
❑ Sifat fisik : kelakuan terhadap perubahan fisik (panas, listrik, magnet dan sebagainya).
❑ Sifat teknologi : kelakuan terhadap pengerjaan (penuangan, las, pemotongan, dan sebagainya).
BEBAN
❑ Beban adalah gaya luar yang bekerja pada alat.
❑ Beban cenderung merubah bentuk bagian-bagian alat.
❑ Dalam keadaan benda diam, resultante gaya-gaya yang bekerja sama dengan nol.
❑ Satuan beban: kg, ton, kgf, lbf, dsb.
Beban
03
P P
Beban tarik (tension)
P P
Beban tekan (compression) A
A A
A
Kondisi diam → σ 𝐹 = 0 F1 F2
F3
F4
Tegangan ( Stress )
04
P P
A
A
A
A
P P
❑ Reaksi gaya kohesif bahan terhadap beban
❑ Tegangan normal (tegak lurus bidang kerja)
❑ Beban tarik mengakibatkan tegangan tarik (tensile stress)
❑ Beban tekan mengakibatkan tegangan tekan (compression stress)
❑ Intensitas beban
σ = tegangan (kg/m2; N/m2 atau Pa)P = beban (kg atau kgf)
A = luas penampang (m2)
σ = P/A
Anggapan
❑ bahan homogen
❑ beban terbagi merata
❑ penampang tegak lurus arah beban
Regangan ( Strain )
05
❑ Ukuran perubahan bentuk (deformasi) yang diakibatkan oleh beban.
❑ Regangan bisa berasal dari beban mekanik atau pemuaian/pengerutan akibat perbedaan temperatur
ε = L/L
o ε = regangan (tak berdimensi)L = pertambahan panjang (m) Lo = panjang mula-mula (m)
Diagram Stress – Strain
06
Keterangan
❑ Batas proporsional (A)
❑ Batas elastik (B)
❑ Titik mulur /yield point (C)
❑ Kekuatan puncak/ultimate stress (D)
❑ Titik patah/breaking point (E)
σ
ε
A B
C
D
E
O σ
uσ
y❑ Perancangan selalu bekerja dalam daerah OA
❑ Yield stress logam umumnya 200 s/d 750 MN/m2
Hukum Hooke
07
❑ Regangan berbanding lurus dengan tegangan.
❑ Berlaku sampai nilai tegangan tertentu (di daerah elastis)
❑ Berdasarkan definisi tegangan/regangan, maka:
❑ Satuan modulus elastisitas : N/m2, psi, kg/cm2
ε = regangan (-)
σ = tegangan (N/m2)
E = Modulus elastisitas/Young (N/m2)
σ = E ε
L = P L / (A E)
Contoh Data Bahan Teknik
08
Modulus Elastisitas Bahan (106 kg/cm2)
❑ Baja : 2.15
❑ Baja tuang : 0,75 – 1,00
❑ Baja per : 2,25
❑ Tembaga : 1,15
❑ Kuningan : 0,9
❑ Aluminimum : 0,675
❑ Timah hitam : 0,05
❑ Gelas : 0,7
Catatan : regangan bahan teknik jarang melebihi 0,001
Contoh 1
09
Baja sepanjang 10 in dengan modulus elastisitas 14.000 ton/in2 mengalami tegangan tarik sebesar 10 ton/in2. Berapakah pertambahan panjang akibat beban tersebut?
Diketahui:
L0 = 10 in
E = 14.000 ton/in2 σ = 10 ton/in2
Dengan persamaan dan Maka:
ε = 10/14.000 = 0,00071
L = 10 x 0,0007
= 0,007 in
σ = E ε ε = L/L
oContoh 2
10
Uji tarik terhadap spesimen (diameter 0,798 in dan panjang 4 in) memberikan data sebagai berikut:
o Pada batas proporsional, beban tercatat 8,2 ton dan panjang spesimen bertambah 0,0048 in.
o Pada titik mulur (yield point) beban tercatat 8,6 ton dan pada titik puncak (ultimate point) beban tercatat 15,3 ton.
o Panjang setelah spesimen patah (gabungan dua patahan) adalah 5,56 in dan diameter neck adalah 0,632 in.
Tentukan:
a. Modulus elastisitas bahan
b. Tegangan pada batas proporsional c. Yield stress
d. Ultimate tensile stress e. Regangan
f. Area reduction
Contoh 2
11
Pada batas proporsional, berlaku Hukum Hooke
P = 8,2 ton L = 4 in ΔL = 0,0048 in A = π D2/4 = π 0,7982/4 = 0,5 in2
(a) Modulus elastisitas
E = P L/(A Δ L ) = 8,2 x 4/(0,5 x 0,0048) = 13.600 ton/in2 (b) Tegangan pada batas proporsional
σ = P/A = 8,2/0,5 = 16,4 ton/in2 (c) Yield stress
σy = P/A = 8,6/0,5 = 17,2 ton/in2 (d) Ultimate tensile stress
σu = P/A = 15,3/0,5 = 30,6 ton/in2 (e) Regangan
ε = (5,56 – 4)/4 x 100% = 39%
Contoh 3
12
Hitung beban maksimum yang bisa ditanggung oleh baja berdiameter 12 in dan panjang 100 m yang memiliki karakteristik tegangan regangan sesuai kurva berikut.
Perbandingan Poisson
13
❑ Regangan memanjang (longitudinal) diikuti oleh pengerutan (kontraksi) pada arah sisi (lateral).
❑ Dalam keadaan elastik, regangan sisi berbanding lurus dengan regangan memanjang.
❑ Perbandingan poison = regangan tegak lurus arah beban dibagi dengan regangan searah beban
ε
y= ε
x = Poisson ratio
P P
x
y Poisson Ratio (1/m)
Baja : 3,3 – 3,6m Besi tuang : 4
Tembaga : 3
Beton : 5,5 - 12 Aluminimum : 3,6
Timah hitam : 2,3
Gelas : 4,5
14
Regangan Volume
❑ Benda mengkerut/mengembang jika mengalami tekanan eksternal/internal.
❑ Untuk balok : εv = εx (1 - 2)
εv = V/Vo ε v = regangan volume (-)
V = volume panjang (m3) Vo = volume mula-mula (m3)
Lo
ao ao
Vo = ao2 Lo dan V = a2 L
Sesudah penarikan, L = Lo + εx Lo & a = ao - εy ao V = (ao - εy ao)2 (Lo + εx Lo)
= ao2 Lo (1- εy)2 (1+ εx)
= ao2 Lo (1- 2εy + εy2 + εx - 2 εx εy + εx εy2)
= ao2 Lo (1- 2εy + εx)
V = ao2 Lo (1- 2εy + εx) = ao2 Lo (1+ εx(1 - 2εy/εx)
= Vo (1+ εx(1 - 2εy/εx)
V/Vo = (V – Vo)/Vo = {Vo (1+ εx(1 - 2εy/εx) – Vo}/Vo
= εx(1 - 2εy/εx)
= εx(1 - 2ν)
15
Tegangan Kerja ( Working Stress )
❑ Tegangan yang dialami bagian alat dalam keadaan normal (operasi)
❑ Umumnya di bawah batas elastis
❑ σw ≤ tegangan maksimum yang masih dapat ditahan pada kondisi elastis
❑ σmaks = tegangan tarik maksimum (ultimate stress)
❑ σf atau σb = tegangan pada waktu patah (break stress atau fracture stress)
FAKTOR TEGANGAN (Stress factor)
❑ Perbandingan tegangan mulur atau tegangan puncak terhadap tegangan kerja
❑ Faktor keamanan (safety factor) jika ultimate stress dibandingkan terhadap working stress (σmaks/σw > 1 atau 3 s/d 12)
❑ Faktor beban (load factor) jika break stress dibandingkan terhadap working stress
16
Contoh Soal 4 (Siapkan Kertas)
Batang ABCD mengalami beban P1, P2, P3 dan P4 seperti tampak pada gambar. P1, P3 dan P4 masing-masing 5.000, 25.000 dan 15.000 kg. Luas penampang batang AB, BC dan CD masing-masing 5, 20 dan 10 cm2 sedangkan panjangnya masing-masing 100, 50 dan 75 cm. Tentukan nilai P2 dan pertambahan panjang batang jika modulus
elastisitas bahan diketahui 2x106 kg/cm2.
A B C D
P
1P
2P
3P
417
Contoh Jawaban Soal 4
Dalam keadaan setimbang (resultan gaya bernilai nol):
P1 – P2 + P3 – P4 = 0 → P2 = P1 + P3 – P4 = 15.000 kg Perpanjangan batang AB (beban tarik) => pemanjangan
PAB = P1 = P2 + P4 – P3 → ΔLAB = PAB LAB/(E AAB) Perpanjangan batang BC (beban tekan) => pemendekan
PBC = P1 – P2 = P4 – P3 < 0 → Δ LBC = PBC LBC/(E ABC) Perpanjangan batang CD (beban tarik) => pemanjangan
PCD = P4 = P1 – P2 + P3 → Δ LCD = PCD LCD/(E ACD) Perpanjangan total
ΔL = ΔLAB – ΔLBC + Δ LCD
A B C D
P
1P
2P
3P
418
PR
Determine the diameter d of the steel bolts N of a press for a maximum
compressive force P = 100,000 lbs, see
figure. The working stress for steel in
this case is σ
w= 10,000 psi. Determine
the total elongation of the bolts at the
maximum load, if the length between
their heads is l = 50 in.
Energi Regangan ( Resilience )
19
L P
• Energi regangan adalah kerja oleh beban untuk menahan regangan
• U = 0,5 P L = (σ2/2E) A L
• Reselience adalah energi regangan per volume
• U = (σ2/2E)
Contoh 1
20
Hitung energi regangan dari baut di atas jika mengalami beban tarik 1 ton (UK). Diketahui 1 ton UK = 2.240 lb dan modulus elastisitas bahan 30106 lb/in2.
2" 1"
0 ,6 2 2 " 0 ,7 5 0 "
Luas penampang di bagian ulir = 0,25 π (0,622)2 = 0,304 in2 Luas penampang di bagian batang = 0,25 π (0,750)2 = 0,442 in2 Tegangan di bagian ulir = 2.240/0,304 = 7.380 lb/in2
Tegangan di bagian batang = 2.240/0,442 = 5.070 lb/in2 Energi regangan total = (σ12 A1 L1 + σ22 A2 L2)/(2E)
Contoh 2 (Siapkan Kertas)
21
Hitung energi regangan dari baut di atas jika mengalami beban tarik 1 ton (UK).
Diketahui 1 ton UK = 2.240 lb dan modulus elastisitas bahan 30106 lb/in2.
2" 1"
0,622"
❑ Luas penampang bagian ulir maupun batang baut sama. Tegangan merata di sepanjang baut (panjang total 3 in)
❑ Luas penampang di bagian ulir maupun batang sama = 0,25 π (0,622)2 = 0,304 in2
❑ Tegangan di bagian ulir maupun batang sama = 2.240/0,304 = 7.380 lb/in2
Energi regangan total = σ2 A L/(2E) = 7.3802 0,304 3 /(2 30106) = 0,827
Beban Kejut ( Impact Load )
22
W (h + L) = ½ P L, L = PL/(A E) W (h + [PL/(A E)]) = ½ P [PL/(A E)]
½ P
2– W P – W h A E/L = 0 Akar positif:
P = W + (W
2+ 2W h A E/L)
½= W {1 + [1 + 2 h A E / (W L)]
½} Suddenly applied load, h = 0,
P = 2W ?
h
L W A
L
Contoh
23
Misalkan berat benda 200 lb dan jatuh dari ketinggian 2 in di atas pelat yang digantung pada batang dengan diameter 1 in dan panjang 10 ft. Hitung tegangan
maksimum pada batang jika modulus elastisitas batang
3010
6lb/in
2.
Contoh
24
σ = P/A = W {1 + [1 + 2 h (¼ π d
2) E / (W L)]
½}/(¼ π d
2)
= 200
𝜋 ⋅ 1
2/4 1 + 1 + 2 ⋅ 2 ⋅ (𝜋 ⋅ 1
2/4) ⋅ 30 ⋅ 10
6200 ⋅ 120
= 16.200 lb/in2
1 + 1 + 2 ⋅ 2 ⋅ (𝜋 ⋅ 1
2/4) ⋅ 30 ⋅ 10
6200 ⋅ 120 ≈ 64
Catatan:
Beban Kejut ( Impact Load )
25
W = 200 lb
d
1= 1 in, d
2= 0,5 in L
1= L
2= 5 ft
h = 2 in
Tegangan maksimum ? Pertambahan panjang ?
h
L1 d1
W
L d2
L2
Contoh
26
Misalkan P adalah beban yang ekivalen dengan beban benda yang dijatuhkan secara perlahan:
L = (L
1/A
1+ L
2/A
2) x (P/E) = a P dimana a = (L
1/A
1+ L
2/A
2) / E
= 60/(¼ π 0,5
2+ 60/(¼ π 1
2} /3010
6= 1,27 10
-5in/lb Persamaan energi
W (h + L) = ½ P L
W (h + a P) = ½ P a P
P
2– 2W P – 2 W h/a = 0
P = W {1 + [1 + 2h/(Wa)]
½}
Contoh
27
P = 200 {1 + [1 + 2 2/(200 1,2710
-5)]
½}
= 8.140 lb
Tegangan maksimum terjadi pada batang yang lebih kecil σ = P/ (¼ π 0,5
2) = 41.500 lb/in
2Pertambahan panjang maksimum
L = a P = 1,27 10
-5x 8.140 = 0,103 in
Contoh
28
Beban yang akan diangkat oleh sebuah lift boleh dijatuhkan dari
ketinggian 4 in di atas lantai lift. Berat kotak lift adalah 224 lb. Lift ditahan oleh kawat baja sepanjang 80 ft
dengan berat 0,6 lb/ft. Kawat
tersebut terdiri dari 49 kawat kecil berdiameter 1/16 in. Tegangan kerja kawat adalah 13.000 psi dan modolus elastisitas kawat 10,6 10
6psi.
Berat maksimum yang boleh diangkut
oleh lift ?
h49 kawat σmaks
Contoh
29
Tegangan mula-mula (tanpa benda jatuh):
σ
o= (224 + 80 x 0,6) / [49 x ¼ π (1/16)
2] = 1.810 psi Tegangan tambahan yang masih dapat ditahan
σ
t= σ
kerja– σ
o= (13.000 – 1.810) = 11.190 psi Beban statis untuk tambahan tegangan tersebut P = σ
tA = 11.190 x {49 x ¼ π (1/16)
2} = 1.680 lb
Pertambahan panjang oleh tambahan tegangan tersebut
L = σ
tL/E = 11.190 x 960/ (10,6 10
6) = 1,025 in Persamaan energi
W (h + L) = ½ P L atau W = ½ P L / (h + L)
W = ½ x 1.680 x 1,025 / (4 + 1,025) = 171 lb
Contoh
30
d D
x
dx
P P
L
= න
0
𝐿 4𝑃
𝜋(𝑑 + (𝐷 − 𝑑)𝑥/𝐿)2𝐸 𝑑𝑥
= 4𝑃𝐿 𝜋𝐸𝐷𝑑
Diameter pada posisi x d + (D – d) x/L
Pertambahan panjang (L)
Contoh
31
σa=P/a σA
σ (A+dA) ρAdx
x
dx
Kesetimbangan gaya σ (A+dA) – σA = ρAdx dA/A = ρ /σ dx
ln A = (ρ/σ) x + C SB : A│
x=0= a
→ C = ln a A = a e
(ρx/σ)Syarat sebuah tiang
agar memiliki kekuatan merata ?
= berat jenis bahan tiang a = luas penampang puncak
Batang Majemuk
32
• Batang yang terbuat dari dua atau lebih bahan berlainan
• Pertambahan/pengurangan panjang sama untuk semua bahan
• Dapat juga terjadi pada sistem mur-baut
Baja Lapis Tembaga ( Copper Clad Steel )
33
L
1= L
2atau
P
1/(A
1E
1) = P
2/(A
2E
2) P = P
1+ P
2➢ Regangan sama
➢ Beban terdistribusi
➢ P 1 = P A 1 E 1 / (A 1 E 1 + A 2 E 2 )
➢ P 2 = P A 2 E 2 / (A 1 E 1 + A 2 E 2 )
A1, E1
A2, E2
P P
tembaga baja
Contoh
34
Sebuah batang majemuk baja-tembaga dengan luas penampang masing-masing ½ in
2dan panjang 24".
Batang mengalami beban tarik sehingga meregang sebesar 1/64". Berapakah tegangan yang dialami
masing-masing bahan ? Berapa beban maksimum yang masih dapat ditahan batang secara aman ? Modulus
elastisitas baja dan tembaga masing-masing 30x10
6psi dan 15x10
6psi. Tegangan kerja baja dan tembaga
masing-masing 20.000 psi dan 6.000 psi.
Contoh
35
Fe=
Cu= = L/ L
o= (1/64 ")/24" = 1/1536 σ = E σ
Fe= (E
Fe/E
Cu) σ
Cu σ
Fe= 2 σ
Cuσ
Cu= E
Cu= 15·10
6/1536 = 9.765 psi > σ
kerja-Cuσ
Fe= 2 x 9.765 = 19.530 psi < σ
kerja-FeAmbil σ
Cu≤ σ
kerja-Cu= 6.000 psi
P
maks= (σ
CuA
Cu+ σ
FeA
Fe) = σ
CuA
Cu+ 2σ
CuA
Fe= 6.000 x ½ + 2 x 6.000 x ½
= 9.000 lb
Baut – Pipa
36
• Setelah dikencangkan, baut mengalami beban tarik dan pipa mengalami beban tekan
• Gaya tarik pada baut sama dengan gaya tekan pada pipa
• Pergeseran mur = pemanjangan + pengkerutan
Contoh
37
Pipa tembaga (diameter dalam 1", diameter luar 1
5/8") dikencangkan dengan sebuah baut baja (diameter ¾") seperti tampak pada gambar. Baut dikencangkan hingga baja mengalami tegangan tarik 1.000 psi. Setengah dari pipa tembaga kemudian dibubut sedalam
1/16"). Hitung tegangan yang dialami baja setelah pipa tembaga dibubut.
Modulus elastisitas baja ≈ dua kali modulus elastisitas tembaga.
S1 C1 S2 C2A C2B
C = copper, S = steel
Contoh
38
Kesetimbangan gaya ketika baut dikencangkan
σ
S1A
S1= σ
C1A
C1 σ
S1¼d
S12= σ
C1¼(d
C1,o2– d
C1,i2) σ
C1= d
S12/(d
C1,o2– d
C1,i2) x σ
S1= (¾)
2/{(1
5/8)
2– 1
2} x 1.000
= 343 psi
Kesetimbangan gaya setelah tembaga dibubut σ
S2A
S2= σ
C2AA
C2A= σ
C2BA
C2Bσ
C2A= (A
S2/ A
C2A) σ
S2dan σ
C2B= (A
S2/ A
C2B) σ
S2atau
σ
C2A= d
S22/(d
C2A,o2– d
C2A,i2) · σ
S2(a)
σ
C2B= d
S22/(d
C2B,o2– d
C2B,i2) · σ
S2(b)
Contoh
39
Persamaan regangan
pengurangan panjang baut = pengurangan panjang pipa (σ
S1– σ
S2) L/E
S= (σ
C2A– σ
C1) ½L/E
C+ (σ
C2B– σ
C1)
½L/E
CKarena E
S= 2E
Cσ
S2+ σ
C2A+ σ
C2B= σ
S1+ 2σ
C1(c) Dari (a), (b), (c) dan informasi yang diberikan/telah
dihitung, diperoleh:
σ
S2= 940 psi, σ
C2A= 423 psi dan σ
C2B= 323 psi
Contoh
40
Gambar di atas menampilkan sistem baut dan pipa tembaga. Mur mula- mula dikencangkan tanpa tegangan. Mur selanjutnya dikencangkan lagi sebanyak ¼ putaran. Hitung tegangan di masing-masing bahan. Jarak antar ulir baut (pitch) 1/8 in, penampang baut 1 in
2dan penampang pipa 2 in
2. Modulus elastisitas tembaga dan bahan baut masing-masing 16·10
6dan 30·10
6psi.
30"
Contoh
41
Pergeseran mur = pemendekan pipa + pemanjangan baut Putaran x Pitch = P L / (A
CE
C) + P L / (A
SE
S)
P = (Putaran x Pitch / L) {1/(A
CE
C) + 1/(A
SE
S)}
P = {(¼ x 1/8)/30} {1/(2 x 1610
6) + 1/(2 x 1610
6)}
= 16.129 lb
σ
C= P/A
C= 16.129 / 2 = 8.064,5 psi
σ
S= P/A
S= 16.129 / 1 = 16.129 psi
Tegangan Suhu
42
• Bahan memuai/mengkerut karena perubahan temperatur
• Tegangan timbul karena pemuaian/pengkerutan ditahan
• Dinyatakan sebagai koefisien muai panjang (λ)
Tegangan Suhu
43
Regangan suhu (≈ regangan tekan karena pemuaian ditahan)
e = L o λT / {L o + L o λT} ≈ λT Tegangan suhu (≈ tegangan tekan karena
pemuaian ditahan) σ = E λ T
T
oL
oT
o+T
L = L
oλT
Tegangan Suhu
44
• Penahanan menyebabkan bahan 1 mengalami beban tekan P dan bahan 2 mengalami beban tarik P.
• Penahanan menyebabkan bahan 1 mengalami beban tekan σ
1dan bahan 2 mengalami beban tarik σ
2.
λ2T λ1T
1
2
(λ1 - λ2)T
2
1
(λ1 - λ2T)
Tegangan Suhu pada Batang Majemuk
45
Regangan tekan bahan 1
1= P L
o/ (E
1A
1) Regangan tarik bahan 2
2= P L
o/ (E
2A
2)
Persamaan regangan e
1– e
2=
1+
2Regangan suhu bahan 1 e
1= λ
1L
oT
Regangan suhu bahan 2 e
2= λ
2L
o T
𝑃 = (𝜆
1− 𝜆
2)Δ𝑇 1 ൗ
𝐸
1𝐴
1+ ൗ 1
𝐸
2𝐴
2Contoh
46
Batang tembaga (d= 5/8 in) ditempatkan dalam pipa baja (d
o= 1 in, d
i= ¾ in) dan kedua ujungnya ditahan oleh pelat. Dalam
keadaan awal (60 °F), tidak terdapat tegangan. Hitung tegangan pada batang dan pipa jika temperatur dinaikkan menjadi 400 °F.
Tembaga: E = 14·10
6psi, λ = 10·10
-6/°F. Baja: E = 30·10
6psi, λ =
6·10
-6/°F.
Contoh
47
Luas penampang
A
C= ¼d
S2= ¼ 0,625
2= 0,307 in
2A
S= ¼(d
o2- d
i2) = ¼ (1
2- 0,75
2) = 0,344 in
2Beban
𝑃 = (10 − 6) ⋅ 10−6 ⋅ 340
(14 ⋅ 106 ⋅ 0,344)−1 + (30 ⋅ 106 ⋅ 0,307)−1 = 4.127 𝑝𝑠𝑖
• Tegangan
σ
C= 4.127/0,307 = 1,34·10
4psi
σ
S= 4.127/0,344 = 1,20·10
4psi
Terima Kasih
48