ILMU BAHAN Material Science “SIFAT MEKANIK LOGAM: KETANGGUHAN, KUAT IMPAK, KEKERASAN” Mochamad Yusuf Santoso, S.T., M.T., M.Sc. Program Studi D4 Teknik Keselamatan dan Kesehatan (K3) Jurusan Teknik Permesinan Kapal Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya

Kemampuan bahan dalam menerima tegangan berbeda-beda Modulus Elastisitas Modulus of Elasticity Hukum Hooke Kemampuan bahan dalam menerima tegangan berbeda-beda Hubungan antara tegangan dan regangan adalah:  Modulus Elastisitas / Modulus Young Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Modulus Elastisitas Merupakan salah satu sifat material yang paling penting, untuk menunjukkan kekakuan bahan Semakin tinggi nilai modulus elastisitasnya, maka bahan tersebut akan semakin kaku Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Modulus Elastisitas Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Ketangguhan Logam (Metal Toughness) “kemampuan metal untuk berubah bentuk secara plastis dan menyerap energi dalam proses tersebut sebelum mencapai patah” Elastis vs Tangguh Ketangguhan  kombinasi yang bagus antara kekuatan dan elastisitas Suatu bahan dengan kekuatan dan elastisitas yang tinggi akan lebih tangguh daripada bahan dengan kekuatan yang rendah dan elastisitas tinggi Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Ketangguhan Logam (Metal Toughness) Cara untuk mengukur ketangguhan adalah dengan menghitung luas di bawah grafik stress-strain dari uji tarik Satuan: Energi/satuan volume Joule/m3 in.lbf/in3 Image source: http://www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Materials/Mechanical/Toughness.htm Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Faktor-faktor yang mempengaruhi ketangguhan bahan: Ketangguhan Logam (Metal Toughness) Faktor-faktor yang mempengaruhi ketangguhan bahan: Laju pembebahan (strain rate/rate of loading) ketangguhan menurun ketika laju pembebanan meningkat Suhu (Temperature) Ketika suhu menurun, elastisitas dan ketangguhan juga akan menurun Efek notch (Notch effect)  distribusi tegangan (stress) Suatu bahan akan menunjukkan ketangguhan yang bagus ketika diberi beban pada satu arah Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

“kemampuan suatu bahan untuk bertahan ketika diberikan beban kejut” Kuat Impak (Benturan) Impact Strength “kemampuan suatu bahan untuk bertahan ketika diberikan beban kejut” Metode standar (ASTM) untuk menguji kekuatan impak adalah Charpy Test dan Izod Test. Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Uji Kuat Impak Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Dinyatakan dengan angka kekerasan bahan Material Hardness “ketahanan material untuk melokalisir (membatasi) perubahan bentuk plastis (misal: bengkok atau goresan)” Dinyatakan dengan angka kekerasan bahan Uji kekerasan bahan lebih sering dilakukan dari pada uji lainnya karena: 1. Sederhana dan murah  tidak perlu persiapan spesimen khusus, dan peralatan pengujian relatif terjangkau 2. Pengujian bersifat tidak menghancurkan  spesimen tidak mengalami patah atau perubahan bentuk yang signifikan; hanya timbul lekukan kecil 3. Sifat mekanis bahan lainnya biasanya dapat diestimasi menggunakan data kekerasan bahan, misal: kuat tarik Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Rockwell Hardness Tests Brinell Hardness Tests Metode Pengujian Kekerasan Bahan Metode standar yang umum digunakan untuk pengujian kekerasan material: Rockwell Hardness Tests Brinell Hardness Tests Knoop Hardness Tests Vickers Microindentation Hardness Tests Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Rockwell Hardness Tests Tujuan dari metode Rockwell adalah untuk menguji daya tahan (kekerasan) suatu bahan dengan cara memberikan tekanan terhadap permukaan bahan. Tekanan tersebut berupa indentor yang berbentuk bola baja ataupun intan kerucut. Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Langkah-langkah Rockwell Hardness Tests Indentor dengan beban minor* (Minor Load F0) menekan bahan uji; Bahan uji ditekan dengan beban mayor* (Major Load F1); Beban mayor diangkat, sehingga yang tersisa adalah beban minor. *Besarnya minor load maupun major load bergantung pada jenis material yang akan di uji Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Perhitungan Rockwell Hardness Tests HR = E –e dimana: HR = Besarnya nilai kekerasan dengan metode hardness E = Jarak antara indentor saat diberi minor load dan zero reference line yang untuk tiap jenis indentor berbeda-beda e = Jarak antara kondisi 1 dan kondisi 3 yang dibagi dengan 0.002 mm Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Tabel Skala Rockwell Hardness Tests Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Brinell Hardness Tests Pada metode Brinnel, kekerasan suatu material dapat diuji dengan memberikan gaya tekan berupa bola baja (indenter) pada permukaan bahan uji (spesimen) Idealnya, pengujian Brinnel diperuntukan untuk material yang memiliki permukaan yang kasar dengan uji kekuatan berkisar 500-3000 kg, dengan increment 500kg. Identor (Bola baja) biasanya telah dikeraskan dan diplating ataupun terbuat dari bahan Karbida Tungsten. Pada saat pengujian, beban ditahan konstant untuk selang waktu tertentu (antara 10s s/d 30s). Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Perhitungan Brinell Hardness Tests dimana: D = Diameter bola indenter (mm) d = impression diameter (mm) F = Load (beban) (kg) HB = Brinell result (HB) Semiautomatic techniques for measuring Brinell hardness are available. These employ optical scanning systems consisting of a digital camera mounted on a flexible probe, which allows positioning of the camera over the indentation. Data from the camera are transferred to a computer that analyzes the indentation, determines its size, and then calculates the Brinell hardness number. Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Vickers Hardness Tests Indenter berupa intan berbentuk piramida, berukuran kecil Beban yang dikenakan jauh lebih kecil dibanding Rockwell dan Brinell, yaitu antara 1 sampai 1000 gram. Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Perhitungan Vickers Hardness Tests dimana: HV = Angka kekerasan Vickers F = Beban (kgf) d = diagonal (mm) Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Knoop Hardness Tests pengujian yang cocok untuk menguji material yang nilai kekerasannya rendah. Knoop biasanya digunakan untuk mengukur material yang getas seperti keramik. Dimana, HK      = Angka kekerasan Knoop F          = Beban (kg) l           = Panjang dari indentor (mm) Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Knoop and Vickers Hardness Tests Metode knoop dan vickers disebut juga sebagai metode pengujian indentasi mikro (microindentation-testing), berdasarkan ukuran dari indenternya Keduanya sangat cocok untuk mengukur kekerasan dari area spesimen tertentu yang kecil Terdapat perlatan microindentation moderen, yang menggabungkan peralatan indenter dengan image analyzer yang dilengkapi dengan perangkat komputer dan paket software. Software tersebut mengontrol fungsi penting dari sistem, seperti menghitung nilai kekerasan dan plotting data. Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Konversi Nilai Kekerasan Bahan Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Hubungan Antara Kekerasan Bahan dan Kuat Tarik Kuat tarik dan kekerasan bahan merupakan indikator dari ketahanan logam (metal) terhadap deformasi plastik. Sehingga, korelasi antara keduanya adalah proporsional. Namun, korelasi ini tidak berlaku untuk semua logam. Untuk kebanyakan logam, hubungan yang berlaku adalah sebagai berikut: Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

N = faktor keselamatan, 1.2 ≤ N ≤ 4.0 Safety Factor Akan selalu muncul ketidakpastian dalam menentukan besarnya beban dan tingkat stress (tegangan) pada suatu aplikasi (struktur) Adanya variability pada pengukuran nilai sifat mekanik material Design Allowance harus dibuat untuk melindungi dari kegagalan yang tidak diinginkan Safe stress/Working Stress Selection of N will depend on a number of factors, including economics, previous experience, the accuracy with which mechanical forces and material properties may be determined, and, most important, the consequences of failure in terms of loss of life and/or property damage σw = working stress σy = yield strength N = faktor keselamatan, 1.2 ≤ N ≤ 4.0 Ilmu Bahan: Genap 2013/2014

Contoh Soal Sebuah peralatan uji tarik akan dibuat sehingga dapat menahan beban maksimum 220000 N (50000 lbf). Rancangannya menggunakan dua buah tiang penyangga yang masing-masing dapat menahan setengah dari beban maksimum. Untuk itu, digunakan bahan baja yang memiliki nilai yield strength dan tensile strengh sebesar 210 MPa (45000 psi) dan 565 MPa (82000 psi). Tentukan diameter yang sesuai untuk tiang penyangga tersebut! Ilmu Bahan: Genap 2013/2014