Makalah Material Teknik

MAKALAH

MAKALAH

MATERIAL TEKNIK 

MATERIAL TEKNIK 

Disusun Oleh :

Disusun Oleh :

KELOMPOK 4

KELOMPOK 4

HENDRA LISTIONO HENDRA LISTIONO FRANKY ADI CANDRA FRANKY ADI CANDRA MUHAMMAD RIFAN MUHAMMAD RIFAN ERIKSON SIREGAR ERIKSON SIREGAR M. AKHIRUL NOPAN M. AKHIRUL NOPAN

PROGRAM STUDI S1 TEKNIK MESIN

PROGRAM STUDI S1 TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS RIAU

UNIVERSITAS RIAU

2014

2014

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Uji impak adalah pengujian dengan menggunakan pembebanan yang cepat (rapid loading ). Agar dapat memahami uji impak terlebih dahulu mengamati fenomena yang terjadi terhadap kapal titanik yang berada pada suhu rendah ditengah laut, sehingga menyebabkan materialnya menjadi getas dan mudah patah. Disebabkan laut memiliki  banyak beban (tekanan) dari arah manapun. Kemudian kapal tersebut menabrak gunung es, sehingga tegangan yang telah terkonsentrasi disebabkan  pembebanan sebelum sehingga menyebabkan kapal tersebut terbelah dua.

Dalam Pengujian Mekanik, terdapat  perbedaan dalam pemberian jenis beban kepada material. Uji tarik, uji tekan, dan uji  punter adalah pengujian yang menggunakan  beban statik. Sedangkan uji impak ( fatigue) menggunakan jenis beban dinamik. Pada uji impak, digunakan pembebanan yang cepat (rapid loading ). Perbedaan dari pembebanan  jenis ini dapat dilihat pada strain ratenya. Pada pembebanan cepat atau disebut dengan  beban impak, terjadi proses penyerapan energi yang besar dari energi kinetik suatu  beban yang menumbuk ke spesimen. Proses  penyerapan energi ini, akan diubah dalam  berbagai respon material seperti deformasi  plastis, efek histerisis, gesekan, dan efek

inersia.

Kelelahan (Fatigue) adalah salah satu jenis kegagalan (patah) pada komponen akibat beban dinamis (pembebanan yang berulangulang atau berubah-ubah).

Jadi, di sini kita akan menjelaskan tentang uji Impak dan uji Fatik dalam mata kuliah material teknik.

PENGUJIAN IMPAK DAN FENOMENA PERPATAHAN

1. Sejarah Pengujian Impak 

Sejarah pengujian impak terjadi pada masa Perang Dunia ke 2, karena ketika itu  banyak terjadi fenomena patah getas yang terjadi pada daerah lasan kapal-kapal perang

dan tanker-tanker. Diantara fenomena patahan tersebut ada yang patah sebagian dan ada yang benar-benar patah terbeah menjadi 2 bagian, fenomena patahan ini terjadi terutama  pada saat musim dingin-ketika diaut bebas ataupun ketika kapal sedang berabuh. Dan contoh yang sangat terkenal tentang fenomena patahan getas adalah tragedi Kapal TITANIC yang melintasi samudera Atlantik.

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.

2. Prinsip Kerja Uji Impak

Prinsip pengujian impak ini adalah menghitung energy yang diberikan oleh beban (pendulum) dan menghitung energy yang diserap oleh specimen. Pada saat beban dinaikkan pada ketinggian tertentu, beban memiliki energy potensial maksimum, kemudian saat akan menumbuk specimen energy kinetic mencapai maksimum. Energy kinetic maksimum tersebut akan diserap sebagian oleh specimen hingga specimen tersebut patah.

 Nilai Harga Impak pada suatu specimen adalah energy yang diserap tiap satuan luas  penampang lintang specimen uji. Persamaannya sebagai berikut:

Keterangan:

m = massa bandul pemukul g = percepatan grafitasi

h1 = tinggi pusat bandul sebelum pemukulan h2 = tinggi pusat bandul setelah pemukulan

Bentuk patahan specimen akan menimbulkan dua jenis patahan, yaitu patahan ulet dan patahan getas. Factor-faktor yang mempengaruhi bentuk dua patah tersebut dipengaruhi oleh beberapa hal. Yaitu:

a. Temperatur

Pada temperature yang sangat rendah, specimen dapat bersifat getas. Hal tersebut disebabkan butiran-butiran atom specimen berotasi lebih cepat dan  bervibrasi sehingga lebih leluasa untuk melakukan slip system.

 b. Jenis material

Jenis material yang atom-atomnya membentuk struktur FCC cenderung lebih ulet dibandingkan yang membentuk struktur BCC. Hal tersebut terjadi karena atom-atom pada struktur FCC lebih banyak melakukan slip system sehingga banyak menyerap energy ketika dilakukan uji impak.

c. Arah butiran specimen

Arah butiran specimen yang tegak lurus dengan arah pembebanan menyebabkan harga impak suatu specimen lebih tinggi daripada arah spesimen

yang sejajar dengan arah pembebanan. Hal tersebut terjadi karena pembebanan memerlukan energy lebih untuk memecah butiran-butiran specimen tersebut. d. Kecepatan pembebanan

Pembebanan yang terlalu cepat menyebabkan specimen mempunyai lebih sedikit waktu yang diperlukan untuk menyerap energy sehingga hal tersebut mempunyai pengaruh harga impak yang berbeda pada kecepatan yang  berbeda.

e. Tegangan triaxial

Tegangan triaxial adalah tegangan tiga arah yang hanya terjadi di takikan(notch). Tegangan pada specimen akan berpusat pada takikan tersebut sehingga bentuk takikan akan mempengaruhi nilai harga impak yang didpat. Patah ulet disebabkan oleh tegangan geser dengan ciri-ciri antara lain: berserat,  permukaanya kasar, gelap, dan terlihat sempat terjadi deformasi palstis. Hal tersebut terjadi disebabkan oleh kekuatan butir yang lebih kuat dari kekuatan  batas butir sehingga jalur patahan terletak pada batas butir.

Patah getas disebabkan oleh tegangan normal dengan cirri-ciri antara lain: tidak berserat, permukaannya halus, mengkilap, dan tidak terlihat adanya deformasi plastis. Hal tersebut disebakan oleh kekuatan batas butir yang lebih kuat dari kekuatan butir sehingga jalur patahan membelah butir-butir pada specimen tersebut.

3. Jenis-jenis Metode Uji Impak

Secara umum metode uji impak terdiri dari 2 jenis yaitu : a. Metode Charpy

Pengujian tumbuk dengan meletakkan posisi spesimen uji pada tumpuan dengan posisi horizontal/ mendatar, dan arah pembebanan berlawanan dengan arah takikan.

 b. Metode Izod

Pengujian tumbuk dengan meletakkan posisi spesimen uji pada tumpuan dengan posisi , dan arah pembebanan serah dengan arah takikan.

Gambar 2 _{Ilustrasi skematik pembebanan impak pada benda uji Charpy dan Izod}

Dan berikut ini adalah bentuk standar benda uji pada pengujian impak menurut standar ASTM E 23 yaitu sebagai berikut :

Gambar 3 _{stadarisasi benda uji metode charpi menurut standar ASTM E 23}

3. Perpatahan Impak

Secara umum sebagaimana analisis perpatahan pada benda hasil uji tarik maka  perpatahan impak digolongkan menjadi 3 jenis, yaitu:

a. Perpatahan berserat ( fibrous fracture), yang melibatkan mekanisme pergeseran  bidangbidang kristal di dalam bahan (logam) yang ulet (ductile). Ditandai dengan permukaan patahan berserat yang berbentuk dimpel yang menyerap cahaya dan berpenampilan buram.

 b. Perpatahan granular/kristalin, yang dihasilkan oleh mekanisme pembelahan (cleavage) 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 di atas.

Gambar 5 _{Ilustrasi permukaan patahan (fractografi) benda uji impak Charpy.}

Informasi lain yang dapat dihasilkan dari pengujian impak adalah temperature transisi bahan. Temperatur transisi adalah temperatur yang menunjukkan transisi  perubahan jenis perpatahan suatu bahan bila diuji pada temperatur yang berbeda-beda. Pada pengujian dengan temperatur yang berbeda-beda maka akan terlihat bahwa pada dideformasi pergerakan dislokasi menjadi lebih mudah dan benda uji menjadi lebih mudah dipatahkan dengan energi yang relatif lebih rendah serta temperatur tinggi material akan bersifat ulet sedangkan pada temperatur rendah material akan bersifat rapuh atau getas. 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 terhadap pergerakan dislokasi pada saat terjadi deformasi kejut/impak dari luar. Dengan semakin tinggi vibrasi itu maka pergerakan dislokasi mejadi relatif sulit sehingga dibutuhkan energi yang lebih besar untuk mematahkan benda uji. Sebaliknya pada temperatur di bawah nol derajat celcius, vibrasi atom relatif sedikit sehingga pada saat bahan dideformasi  pergerakan dislokasi menjadi lebih mudah dan benda uji menjadi lebih mudah

dipatahkan dengan energi yang relatif lebih rendah.

Gambar 6 _{temperatur terhadap ketangguhan impak beberapa material.}

4. Patah Getas dan Patah Ulet

Secara umum perpatahan dapat digolongkan menjadi 2 golongan umum yaitu : a. Patah ulet/liat

Patah yang ditandai oleh deformasi plastis yang cukup besar, sebelum dan selama proses penjalaran retak.

 b. Patah getas

Patah yang ditandai oleh adanya kecepatan penjalaran retak yang tinggi, Tanpa terjadi deformasi kasar, dan sedikit sekali terjadi deformasi mikro. Terdapat 3 faktor dasar yang mendukung terjadinya patah dari benda ulet menjadi patah getas :

1. Keadaan tegangan 3 sumbu/ takikan. 2. Suhu yang rendah.

3. Laju regangan yang tinggi/ laju pembebanan yang cepat. c. Patah campuran

Merupakan gabungan dari patah ulet dan patah getas.

5. Ketangguhan bahan

Ketangguhan suatu bahan adalah kemampuan suatu bahan material untuk menyerap energi pada daerah plastis atau ketahanan bahan terhadap beban tumbukan atau kejutan. Penyebab ketangguhan bahan adalah pencampuran antara satu bahan dengan bahan lainnya. Misalnya baja di campur karbon akan lebih tangguh dibandingkan dengan baja murni. Adapun faktor-faktor yang mempengaruhi ketangguhan bahan adalah :

a. Bentuk Takikan

Bentuk takikan amat berpengaruh pada ketangguahan suatu material, karena adanya perbedaan distribusi dan konsentrasi tegangan pada masing-masing takikan tersebut yang mengakibatkan energi impact yang dimilikinya berbeda- beda pula. Ada beberapa jenis takikan berdasarkan kategori masingmasing. Berikut ini adalah urutan energi impact yang dimiliki oleh suatu bahan  berdasarkan bentuk takikannya.

Takikan dibagi menjadi beberapa macam antara lain adalah sebagai berikut : 1. Takikan segitiga

Memiliki energi impact yang paling kecil, sehingga paling mudah  patah. Hal ini disebabkan karena distribusi tegangan hanya

terkonsentrasi pada satu titik saja, yaitu pada ujung takikan.

2. Takikan segi empat

Memiliki energi yang lebih besar pada takikan segitiga karena tegangan terdistribusi pada 2 titik pada sudutnya.

3. Takikan Setengah lingkaran

Memiliki energi impact yang terbesar karena distribusi tegangan tersebar pada setiap sisinya, sehingga tidak mudah patah.

Gambar 7 _{Bentuk-bentuk takikan.}

 b. Beban

Semakin besar beban yang diberikan , maka energi impact semakin kecil yang dibutuhkan untuk mematahkan specimen, dan demikianpun sebaliknya. Hal ini diakibatkan karena suatu material akan lebih mudah  patah apabila dibebani oleh gaya yang sangat besar.

c. Temperatur 

Semakin tinggi temperature dari specimen, maka ketangguhannya semakin tinggi dalam menerima beban secara tiba-tiba, demikinanpun sebaliknya, dengan temperature yang lebih rendah. Namun temperature memiliki batas tertentu dimana ketangguhan akan berkurang dengan sendirinya.

d. Transisi ulet rapuh

Hal ini dapat ditentukan dengan berbagai cara, misalnya kondisi struktur yang susah ditentukan oleh system tegangan yang bekerja pada benda uji yang bervariasi, tergantung pada cara pengusiaannya.

e. Efek komposisi ukuran butir 

Ukuran butir berpengaruh pada kerapuhan, sesuai dengan ukuran  besarnya. Semakin halus ukuran butir maka bahan t ersebut akan semakin

rapuh sedangkan bila ukurannya besar maka bahan akan ulet.

f. Perlakuan panas dan perpatahan

Perlakuan panas umumnya dilakukan untuk mengetahui atau mengamati  besar-besar butir benda uji dan untuk menghaluskan butir.

g. Pengerasan kerja dan pengerjaan radiasi

Pengerasan kerja terjadi yang ditimbulkan oleh adanya deformasi plastis yang kecil pada temperature ruang yang melampaui batas atau tidak

luluh dan melepaskan sejumlah dislokasi serta adanya pengukuran keuletan pada temperature rendah.

FATIGUE

Fatik adalah kerusakan material yang diakibatkan oleh adanya tegangan yang  berfluktuasi yang besarnya lebih kecil dari tegangan tarik (tensile) maupun tegangan

luluh (yield) material yang diberikan beban konstan.

salah satu jenis kegagalan (patah) pada komponen akibat beban dinamis (pembebanan yang berulang-ulang atau berubah-ubah). Diperkirakan 50%-90% (Gambar.1.1) kegagalan mekanis adalah disebabkan oleh kelelahan.

Gambar 8 _{Distribusi mode kegagalan.}

Modus kegagalan komponen atau struktur dapat dibedakan menjadi 2 katagori utama yaitu :

1. Modus kegagalan quasi statik (modus kegagalan yang tidak tergantung pada waktu, dan ketahanan terhadap kegagalannya dinyatakan dengan kekuatan). 2. Modus kegagalan yang tergantung pada waktu (ketahanan terhadap

kegagalannya dinyatakan dengan umur atau life time). Jenis- jenis modus kegagalan quasi statik yaitu:

1. Kegagalan karena beban tarik. 2. Kegagalan karena beban tekan. 3. Kegagalan karena beban geser.

Patahan yang termasuk jenis modus kegagalan ini adalah patah ulet dan patah getas. Sedangkan jenis-jenis modus kegagalan yang tergantung pada waktu yaitu:

1. Kelelahan (patah lelah). 2. Mulur.

3. Keausan. 4. Korosi.

Pelopor dalam penelitian mengenai kelelahan logam adalah Wohler (Jerman) dan Fairbairn (Inggris) tahun 1860. Pengamatan yang lebih mendetail terhadap kelelahan logam, dilakukan sejak 1903 oleh Ewing dan Humparey yang mengarah pada lahirnya teori ’Mekanisme Patah Lelah’.  _{Hingga saat ini, mekanisme patah lelah adalah terdiri} atas 3 tahap kejadian yaitu:

1. Tahap awal terjadinya retakan (crack inisiation).

Mekanisme fatik umumnya dimulai dari crack initiation yang terjadi di  permukaan material yang lemah atau daerah dimana terjadi konsentrasi t egangan di permukaan (seperti goresan, notch, lubang-pits dll) akibat adanya  pembebanan berulang.

2. Tahap penjalaran retakan (crack propagation).

Crack initiation ini berkembang menjadi microcracks. Perambatan atau  perpaduan microcracks ini kemudian membentuk macrocracks yang akan  berujung pada failure.

3. Tahap akhir (final fracture).

Perpatahan terjadi ketika material telah mengalami siklus tegangan dan regangan yang menghasilkan kerusakan yang permanen.

Tiga jenis siklus tegangan yang umum terjadi diperlihatkan pada gambar 1:

a.  pembalikan sempurna (gambar a) –   _{dimana fluktuasi tegangan berkisar suatu} rata-rata (mean) nol dengan amplitudo konstan;

 b.  pengulangan (gambar b) –   _{dimana fluktuasi tegangan berkisar suatu rata-rata} (mean) tidak sama dengan nol tetapi dengan amplitudo konstan; dan

c. rumit (gambar c) –  _{dimana kedua pertukaran dan rata-rata beban berubah, bisa} secara acak maupun berpola tertentu.

Gambar 9 _{Gambar 3 jenis siklus.}

Fatik dibagi menjadi dua, yaitu :

 Siklus Lelah Tinggi = Regangan hampir seluruhnya elastic, 103 (sampai

107-108 siklus)

 Siklus Lelah Rendah = Regangan hampir seluruhnya plastis, Siklus tinggi > 10

(sampai 10 -10 siklus)

Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Fatigue Life

 Tegangan Siklik

Besarnya tegangan siklik tergantung pada kompleksitas geometri dan  pembebanan.

 Geometri

Konsentrasi stress akibat variasi bentuk geometri merupakan titik dimulainya fatigue cracks.

 Qualitas permukaan

Kekasaran permukaan dapat menyebabkan konsentrasi stress microscopic yang menurunkan ketahanan fatik Tipe material. Fatigue life setiap material berbeda  beda, contohnya composit dan polymer memiliki fatigue life yang berbeda

dengan metal.

 Tegangan sisa

Proses manufaktur seperti pengelasan, pemotongan, casting dan proses lainnya yang melibatkan panas atau deformasi dapat membentuk tegangan sisa yang dapat menurunkan ketahanan fatik material.

Cacat yang timbul akibat proses casting seperti gas porosity, non-metallic inclusions dan shrinkage voids dapat nenurunkan ketahanan fatik.

 Arah beban

Untuk non-isotropic material, ketahanan fatik dipengaruhi oleh arah tegangan utama.

 Besar butir

Pada umumnya semakin kecil ukuran butir akan memperpanjang fatigue life.

 Lingkungan

Kondisi lingkungan yang dapat menyebabkan erosi, korosi dapat mempengaruhi fatigue life.

 Temperatur

Temperatur tinggi menurunkan ketahanan fatik material.

Fatigue life dapat ditingkatkan dengan : 1. Mengontrol tegangan

a. Peningkatan tegangan menurunkan umur fatik

 b. Pemicunya dapat secara mekanis (fillet atau alur pasak) maupun metalurgi (porositas atau inklusi).

c. Kegagalan fatik selalu dimulai pada peningkatan tegangan 2. Mengontrol struktur mikro

a. Meningkatnya ukuran benda uji, umur fatik kadang-kadang menurun

 b. Kegagalan fatik biasanya dimulai pada permukaan

c. Penambahan luas permukaan dari benda uji besar meningkatkan kemungkinan dimana terdapat suatu aliran, yang akan memulai kegagalan dan menurunkan waktu untuk memulai retak

3. Mengontrol penyelesaian permukaan

a. Dalam banyak pengujian dan aplikasi pemakaian, tegangan maksimum terjadi pada permukaan.

 b. Umur fatik sensitif terhadap kondisi permukaan.