Selamat Datang Dalam Kuliah Terbuka Ini

Kuliah terbuka kali ini berjudul “Mengenal Sifat Material II”

Disajikan oleh Sudaryatno Sudirham melalui www.darpublic.com

Sesi 6 Sifat Mekanis

Uji kelelahan untuk mengetahui lifetime dibawah pembebanan siklis. Uji Mekanik Salah satu kriteria dalam pemilihan material untuk keperluan konstruksi (termasuk keperluan untuk biomedis) adalah kekuatan mekanis-nya. Beberapa uji mekanis: uji tarik (tensile test) uji tekan (compression test) uji kekerasan (hardness test) uji impak (impact test) uji kelelahan (fatigue test) Uji tarik (tensile test) dan uji tekan (compression test) dilakukan untuk mengetahui kemampuan material dalam menahan pembebanan statis. Uji kekerasan untuk mengetahui ketahanan material terhadap perubahan (deformation) yang permanen. Uji impak untuk mengetahui ketahanan material terhadap pembebanan mekanis yang tiba-tiba. Uji kelelahan untuk mengetahui lifetime dibawah pembebanan siklis.

Uji Tarik Engineering Stress :  , didefinisikan sebagai rasio antara beban P pada suatu sampel dengan luas penampang awal dari sampel A0 l0 Engineering Stress : A l P Engineering Strain : Engineering Strrain :  , didefinisikan sebagai rasio antara perubahan panjang suatu sampel dengan panjang awal-nya.

contoh kurva stress-strain dari Cu polikristal Stress-Strain Curve : elastis | | | | 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 | | | 40 strain,  [in./in.] stress,  [1000 psi] 30 20 10 | | | 0 0.001 0.002 0.003 | | | 12 strain,  [in./in.] stress,  [1000 psi] 9 6 3 plastis ultimate tensile strength E retak  yield strength batas elastis contoh kurva stress-strain dari Cu polikristal di daerah elastis: = E  (Hukum Hooke) E = modulus Young

Stress-Strain Curve beberapa macam material yang lain: | | | | 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 | | | 80 strain,  [in./in.] stress,  [1000 psi] 60 40 20 baja 1030 upper yield point lower yield point   | | | 0 0.001 0.002 0.003 | | | 200 strain,  [in./in.] stress,  [1000 psi] tungsten carbide 150 100 50

Uji Tekan 120 3  | | |  | | | stress:  [1000 psi] 80 Material yang brittle, lemah dalam uji tarik, namun bisa kuat dalam uji tekan | | | | 0 0.01 0.02 0.03 0.04 | | | 120 strain:  [in./in.] stress:  [1000 psi] besi tuang tekan  tarik 80 40 beton | | | | 0 0.001 0.002 0.003 0.004 | | | 3 strain:  [in./in.] stress:  [1000 psi] tekan  tarik 2 1

Uji Kekerasan P D d spesimen Uji kekerasan mengukur kekuatan material terhadap suatu indenter ; indenter ini bisa berbentuk bola, piramida, kerucut, yang terbuat dari material yang jauh lebih keras dari material yang diuji. Uji kekerasan dilakukan dengan memberikan beban secara perlahan, tegaklurus pada permukaan benda uji, dalam jangka waktu tertentu. P Salah satu metoda adalah Test Brinell, dengan indenter bola tungsten carbide, D = 10 mm D d Hardness Number dihitung dengan formula: spesimen

Uji Impak arah impak ujung bandul spesimen penahan Uji impak mengukur energi yang diperlukan untuk mematahkan batang material yang diberi lekukan standar, dengan memberikan beban impuls spesimen Beban impuls diberikan oleh bandul dengan massa tertentu, yang dilepaskan dari ketinggian tertentu. Bandul akan menabrak spesimen dan mematahkannya, kemudian naik lagi sampai ketinggian tertentu ujung bandul arah impak penahan Dengan mengetahui massa bandul dan selisih ketinggian bandul saat ia dilepaskan dengan ketinggian bandul setelah mematahkan spesimen, dapat dihitung energi yang diserap dalam terjadinya patahan

Sifat Elastis A A stress,  stress,  elastis elastis strain,  Semua jenis material berubah bentuk, atau berubah volume, atau keduanya, pada waktu mendapat tekanan ataupun perubahan temperatur Perubahan tersebut dikatakan elastis jika perubahan bentuk atau volume yang disebabkan oleh perubahan tekanan ataupun temperatur dapat secara sempurna kembali ke keadaan semula jika tekanan atau temperatur kembali ke keadaan awalnya. Pada material kristal, hubungan antara stress dan strain adalah linier sedangkan pada material non kristal (dengan rantai molekul panjang) pada umumnya hubungan tersebut tidak linier. strain,  elastis stress,  A strain,  elastis stress,  A

Modulus Young ditentukan dengan cara lain, misalnya melalui formula: Pada bagian kurva stress-strain yang linier dapat dituliskan hubungan linier: strain,  elastis stress,  A E = modulus Young Modulus Young ditentukan dengan cara lain, misalnya melalui formula: densitas material kecepatan rambat suara dalam material

1) Modulus Young z stress: z l0 l strain: z Ada beberapa konstanta proporsionalitas yang biasa digunakan dalam menyatakan hubungan linier antara stress dan strain, tergantung dari macam stress dan strain 1) Modulus Young z strain: z stress: z l l0

2). Modulus shear  l0  Shear strain,  Shear stress, 

3) Modulus bulk (volume) perubahan volume V / V0 hydrostatic stress : hyd volume awal V0 V

Sifat Elastis Dilitinjau Dari Skala Atom Energi potensial dari dua atom sebagai fungsi jarak antara keduanya dapat dinyatakan dengan persamaan: V : energi potensial r : jarak antar atom A : konstanta proporsionalitas untuk tarik-menarik antar atom B : konstanta proporsionalitas untuk tolak-menolak antar atom n dan m : pangkat yang akan memberikan variasi dari V terhadap r

Gaya dari dua atom sebagai fungsi jarak antara keduanya dapat diturunkan dari relasi energi potensial: F : gaya antar atom r : jarak antar atom a : konstanta proporsionalitas untuk tarik-menarik antar atom b : konstanta proporsionalitas untuk tolak-menolak antar atom N dan M : pangkat yang akan memberikan variasi dari F terhadap r

Kurva energi potensial dan kurva gaya sebagai fungsi jarak antara atom, disebut kurva Condon-Morse: tolak-menolak tarik-menarik r energi potensial, V jumlah tolak-menolak tarik-menarik r gaya, F jumlah d0

Kurva gaya dan garis singgung pada d0 untuk keperluan praktis dapat dianggap berimpit pada daerah elastis. d0 r gaya, F daerah elastis

Pengaruh Temperatur pada Sifat Elastis Energi Potensial jarak antar atom Jarak rata-rata antar atom meningkat dengan peningkatan temperatur. drata2 drmin drmaks T >> 0o K d0

Anelastisitas Tercapainya strain maksimum bisa lebih lambat dari tercapainya stress maksimum yang diberikan. Jadi strain tidak hanya tergantung dari stress yang diberikan tetapi juga tergantung waktu. Hal ini disebut anelastisitas Jika material mendapat pembebanan siklis, maka keterlambatan strain terhadap stress menyebabkan terjadinya desipasi energi Desipasi energi menyebabkan terjadinya damping Desipasi energi juga terjadi pada pembebanan monotonik isothermal di daerah plastis. Gejala ini dikenal sebagai creep.

Loop Histerisis Elastis Efek Thermoelastik Material kristal cenderung turun temperaturnya jika diregangkan (ditarik) Jika peregangan dilakukan cukup lambat, maka material sempat menyerap energi thermal dari sekelilingnya sehingga temperaturnya tak berubah. Dalam hal demikian ini proses peregangan (straining) terjadi secara isothermik. M   O   X A X M M A M M A’ adiabatik isothermik O Loop Histerisis Elastis

Desipasi energi per siklus tergantung dari frekuensi   O   O   O   O   O desipasi energi per siklus f1 f2 f3 f4 f5 frekuensi

Peregangan bisa menyebabkan terjadinya difusi atom

Waktu Relaksasi :  t  2 1 t1 t0

Keretakan dibedakan antara keretakan brittle dan ductile. Keretakan (Fracture) Keretakan adalah peristiwa terpisahnya satu kesatuan menjadi dua atau lebih bagian. Bagaimana keretakan terjadi, berbeda dari satu material ke material yang lain, dan pada umumnya dipengaruhi oleh stress yang diberikan, geometris dari sampel, kondisi temperatur dan laju strain yang terjadi. Keretakan dibedakan antara keretakan brittle dan ductile. Keretakan brittle terjadi dengan propagasi yang cepat sesudah sedikit terjadi deformasi plastis atau bahkan tanpa didahului oleh terjadinya deformasi plastis. Keretakan ductile adalah keretakan yang didahului oleh terjadinya deformasi plastis yang cukup panjang (lama), dan keretakan terjadi dengan propagasi yang lambat.

Keretakan brittle Pada material kristal, keretakan brittle biasanya menjalar sepanjang bidang tertentu dari kristal, yang disebut bidang cleavage. Pada material polikristal keretakan brittle tersebut terjadi antara grain dengan grain karena terjadi perubahan orientasi bidang clevage ini dari grain ke grain. Selain terjadi sepanjang bidang cleavage, keretakan brittle bisa terjadi sepanjang batas antar grain, dan disebut keretakan intergranular. Kedua macam keretakan brittle, cleavage dan intergranular, terjadi tegak lurus pada arah stress yang maksimum. Kalkulasi teoritis kekuatan material terhadap keretakan adalah sangat kompleks. Walaupun demikian ada model sederhana, berbasis pada besaran-besaran sublimasi, gaya antar atom, energi permukaan, yang dapat digunakan untuk melakukan estimasi. Tidak kita pelajari.

Keretakan ductile Keretakan ductile didahului oleh terjadinya deformasi plastis, dan keretakan terjadi dengan propagasi yang lambat. Pada material yang digunakan dalam engineering, keretakan ductile dapat diamati terjadi dalam beberapa tahapan terjadinya necking, dan mulai terjadi gelembung retakan di daerah ini gelembung-gelembung retakan menyatu membentuk retakan yang menjalar keluar tegaklurus pada arah stress yang diberikan retakan melebar ke permukaan pada arh 45o terhadap arah tegangan yang diberikan Mulai awal terjadinya necking, deformasi dan stress terkonsentrasi di daerah leher ini. Stress di daerah ini tidak lagi sederhana searah dengan arah gaya dari luar yang diberikan, melainkan terdistribusi secara kompleks dalam tiga sumbu arah. Keretakan ductile dimulai di pusat daerah leher, di mana terjadi shear stress maupun tensile stress lebih tinggi dari bagian lain pada daerah leher. Teori tidak kita pelajari.

Transisi dari ductile ke brittle Dalam penggunaan material, adanya lekukan, atau temperatur rendah, atau pada laju strain yang tinggi, bisa terjadi transisi dari keretakan ductile ke brittle Keretakan ductile menyerap banyak energi sebelum patah, sedangkan keretakan brittle memerlukan sedikit energi Hindarkan situasi yang mendorong terjadinya transisi ke kemungkinan keretakan brittle

Keretakan karena kelelahan metal Material ductile dapat mengalami kegagalan fungsi jika mendapat stress secara siklis, walaupun stress tersebut jauh di bawah nilai yang bisa ia tahan dalam keadaan statis. Tingkat stress maksimum sebelum kegagalan fungsi terjadi, disebut endurance limit. Endurance limit didefinidikan sebagai stress siklis paling tinggi yang tidak menyebabkan terjadinya kegagalan fungsi, berapapun frekuensi siklis-nya. Endurance limit hampir sebanding dengan ultimate tensile strength (UTS). Pada alloy besi sekitar ½ dan pada alloy bukan besi sampai 1/3 UTS. Secara umum diketahui bahwa jika bagian permukaan suatu spesimen lebih lunak dari bagian dalamnya maka kelelahan metal lebih cepat terjadi dibandingkan dengan jika bagian permukaan lebih keras. Untuk meningkatkan umur mengahadapi terjadinya kelelahan metal, dilakukan pengerasan permukaan (surface-harden).

Mengenal Sifat Material II Kuliah Terbuka Mengenal Sifat Material II Sesi-6 Sudaryatno Sudirham