sifat-sifat dan pengujian sifat mekanik bahan teknik

Sifat-sifat Mekanik Bahan Teknik

Sifat mekanik menyatakan kemampuan suatu bahan (tentunya juga komponen yang terbuat dari bahan tsb) untuk menerima beban/gaya/energi tanpa menimbulkan kerusakan pada bahan/komponen tsb. Seringkali bila suatu bahan mempunyai sifat mekanik yang baik tetapi kurang baik pada sifat yang lain maka diambil langkah untuk mengatasi kekurangan tersebut dengan berbagai cara. Misalnya saja baja, baja mempunyai sifat mekanik yang cukup baik (memenuhi syarat untuk suatu pemakaian) tetapi mempunyai sifat tahan korosi yang kurang baik, maka seringkali sifat tahan korosinya ini diperbaiki dengan pengecatan atau galvanising dan lainnya, jadi tidak harus mencari bahan lain yang selain kuat juga tahan korosi. Beberapa sifat mekanik yang penting antara lain :

BACA JUGA: klasifikasi material teknik dan pengertiannya

1. Kekuatan (strength) menyatakan kemampuan bahan untuk menerima tegangan tanpa menyebabkan bahan menjadi Kekuatan ini ada beberapa macam, tergantung pada jenis beban yang bekerja, yaitu kekuatan tarik, kekuatan geser, kekuatan tekan kekuatan torsi dan kekuatan lengkung.
2. Kekerasan (hardness) dapat didefinisikan sebagai kemampuan bahan untuk tahan terhadap penggoresan, pengikisan (abrasi), indentasi atau Sifat ini berkaitan dengan sifat tahan aus (wear resistance). Kekerasan juga mempunyai korelasi dengan kekuatan.
3. Kekenyalan (elasticity) menyatakan kemampuan bahan untuk menerima beban tanpa mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk yang permanen setelah tegangan dihilangkan. Bila suatu benda mengalami tegangan maka akan terjadi perubahan bentuk. Bila tegangan yang bekerja besarnya tidak melewati suatu batas tertentu maka perubahan bentuk yang terjadi hanya bersifat sementara, perubahan bentuk itu akan hilang bersama dengan hilangnya tegangan, tetapi bila tegangan yang bekerja telah melampaui batas tersebut maka sebagian dari perubahan bentuk itu tetap ada walaupun tegangan telah dihilangkan.  Kekenyalan juga menyatakan seberapa banyak perubahan bentuk elastis yang dapat terjadi sebelum perubahan bentuk yang permanen mulai  terjadi, dengan kata lain kekenyalan menyatakan kemampuan bahan untuk kembali ke bentuk dan ukuran semula setelah menerima beban yang menimbulkan deformasi.
   

   BACA JUGA: klasifikasi material teknik dan pengertiannya

4. Kekakuan (stiffness) menyatakan kemampuan bahan menerima tegangan atau beban tanpa mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk (deformasi) atau Dalam beberapa hal kekakuan ini lebih penting dari pada kekuatan.
5. Plastisitas (plasticity) menyatakan kemampuan bahan untuk mengalami sejumlah deformasi plastik (yang permanen) tanpa mengakibatkan Sifat ini sangat diperlukan bagi bahan yang akan diproses dengan berbagai proses pembenlukan seperti forging, rolling, extruding dan lainya. Sifat ini sering juga disebut sebagai keuletan (ductility). Bahan yang mampu mngalami deformasi plastik cukup banyak dikatakan sebagai bahan yang mempunyai keuletan tinggi, bahan yang ulet (ductile). Sedang bahan yang tidak menunjukkan terjadinya deformasi plastik dikatakan sebagai bahan  yang mempunyai keuletan rendah atau getas (brittle).

6. Ketangguhan (toughness) menyatakan kemampuan bahan untuk menyerap energi tanpa menyebabkan terjadinya Juga dapat dikatakan sebagai ukuran banyaknya energi yang diperlukan untuk mematahkan suatu benda kerja pada suatu kondisi tertentu. Sifat ini dipengaruhi oleh banyak faktor, sehingga sifat ini sulit diukur.
7. Kelelahan (fatique) merupakan kecenderungan pada logam untuk patah bila menerima tegangan berulang-ulang (cyclic stress) yang besarnya masih jauh di bawah batas kekuatan elastiknya. Sebagian besar dari kerusakan yang terjadi pada komponen mesin disebabkan oleh kelelahan. Karenanya kelelahan merupakan sifat yang sangat penting, tetapi sifat ini juga sulit diukur karena sangat banyak faktor yang
8. Merangkak (creep) merupakan kecendrungan suatu logam untuk meng-alami deformasi plastik yang besarnya merupakan fungsi waktu, pada saat bahan tadi menerima beban yang besarnya relatif

Berbagai sifat mekanik di atas juga dapat dibedakan menurut cara pembebanannya, yaitu sifat mekanik statis, sifat terhadap beban statik, yang besarnya tetap atau berubah dengan lambat, dan sifat mekanik dinamik, sifat mekanik terhadap beban yang berubah-ubah atau mengejut. Ini perlu dibedakan karena tingkah laku bahan mungkin berbeda terhadap cara pembebanan yang berbeda.

 Pengujian Sifat mekanik

Untuk mengetahui sifat bahan/logam perlu dilakukan pengujian. Pengujian biasanya dilakukan terhadap sampleuji bahan yang dipersiapkan menjadi spesimen atau batang uji (test piece) dengan bentuk dan ukuran yang standar. Demikian juga prosedur pengujian harus dilakukan dengan cara-cara yang standar (mengikuti suatu standar tertentu), baru kemudian dari hasil pengukuran pada pengujian diambil kesimpulan mengenai sifat mekanik yang diuji.

Sebenarnya hasil pengujian yang paling mendekati kenyataan akan dapat diperoleh bila pengujian dilakukan terhadap benda komponen atau keseluruhan konstruksi dengan bentuk dan ukuran sebenarnya (full-scale) dan pengujian dilakukan dengan pembebanan yang mendekati keadaan yang sebenarnya. Tetapi cara ini terlalu mahal, tidak praktis dan bahkan kadang-kadang sulit dianalisis.

Beberapa pengujian mekanik yang banyak diiakukan adalah pengujian tarik (tensile test), pengujian kekerasan (hardness test), pengujian pukul-takik (impact test), kadang-kadang juga pengujian kelelahan (fatigue test), creep test, bending test, compression test dan beberapa fabrication test.

Pengujian Tarik (Tensile test)

Pengujian tarik biasanya dilakukan terhadap spesimen/batang uji yang standar. Bahan yang akan diuji tarik, mawal dibuat menjadi batang uji dengan bentuk sesuai dengan suatu standar uji. Salah satu bentuk batang uji dapat dilihat pada gambar 2.1. Pada bagian tengah dari batang uji (pada bagian yang paralel) merupakan bagian yang menerima tegangan yang uniform, dan pada bagian ini disebut panjang ukur (gauge length), yaitu bagian yang dianggap menerima pembebanan, bagian ini yang selalu diukur panjangnya selama proses pengujian. Batang uji ini dipasang pada mesin tarik, dijepit dengan pencekam dan di tarik pada ujung-ujungnya ke arah memanjang secara perlahan, pada penarikan  setiap saat dicatat/tercatat dengan grafik yang tersedia pada uji tarik, besarnya gaya tarik yang bekerja dan besarnya pertambahan panjang yang terjadi sebagai akibat dari gaya tarik tersebut. Penarikan berlangsung sampai batang uji putus.

Data diperoleh dari mesin tarik biasanya dinyatakan dengan grafik beban dan pertambahan panjang (grafik P-AL). Grafik ini masih belum banyak digunakannya karena hanya menggambarkan kemampuan batang uji (bukan kemampuan tarik) untuk menerima beban/gaya. Untuk dapat digunakan menggambarkan sifat ini secara umum, maka grafik P – AL harus dijadikan grafik lain yaitu suatu diagram Tegangan – Regangan (Stress – strain), disebut juga suatu diagram a – ε , kadang-kadang juga disebut Diagram Tarik. Pada saat batang uji menerima beban sebesar P leg maka batang uji (yaitu mg uji) akan bertambah panjang sebesar AL mm, saat itu pada batang uji bekerja tegangan yang besarnya :

BACA JUGA: klasifikasi material teknik dan pengertiannya

a = P/Ao

dimana Ao = luas penampang batang uji mula-mula

Juga pada saat itu pada batang uji terjadi regangan yang besarnya : ε = AL/LO = (L – Lj/LO

dimana Lo = panjang “panjang uji” mula-mula

L = panjang “panjang uji” saat menerima beban

Tegangan dituliskan dengan satuan kg/mm2, kg/cm2, psi (pound per square atau MPa (Mega Pascal = 106 N/m2). Regangan dapat dinyatakan dengan prosentase pertambahan panjang, satuannya adalah persen (%) atau mm/mm.

Dari diagram di atas tampak bahwa pada tegangan yang kecil grafik berupa garis lurus, ini berarti bahwa besarnya regangan yang timbul sebagai akibat tegangan yang kecil tsb berbanding lurus dengan besarnya tegangan yang bekerja (Hukum Hook). Hal ini berlaku hingga titik P, yaitu batas kesebandingan atau proportionality limit.

BACA JUGA: klasifikasi material teknik dan pengertiannya

Jadi bila pengujian tarik dilakukan dengan penambahan beban secara perlahan, mula-mula akan terjadi pertambahan panjang yang sebanding dengan pertambahan gaya yang bekerja. Kesebandingan ini berlangsung terus sampai beban mencapai titik P (proportionality limit), setelah itu pertambahan panjang yang terjadi sebagai akibat penambahan beban tidak lagi berbanding lurus, pertambahan beban yang sama akan menghasiikan pertambahan panjang yang lebih besar. Dan bahkan pada suatu saat dapat terjadi pertambahan panjang tanpa ada penambahan beban, batang uji bertambah panjang dengan sendirinya. Dikatakan batang uji mengalami luluh (yield). Keadaan ini berlangsung hanya beberapa saat dan sesudah itu beban akan naik lagi untuk dapat memperoleh pertambahan panjang (tidak lagi proportional). Kenaikan beban ini akan berlangsung terus sampai maksimum, dan logam yang ulet (seperti halnya baja karbon rendah) sesudah itu beban tarik akan menurun lagi (tetapi pertambahan panjang terus berlangsung) dan akhirnya batang uji putus. Pada saat beban tercapai maksimum pada batang uji terjadi pengecilan penampang setempat (local necking), dan pertambahan panjang akan terjadi hanya di sekitar necking tsb. Peristiwa seperti ini yang terjadi pada logam ulet, sedang pada logam-logam yang lebih getas tidak terjadi necking dan logam itu akan putus pada saat beban maksimum.

BACA JUGA: klasifikasi material teknik dan pengertiannya

Bila pengujian dilakukan dengan cara yang sedikit berbeda yaitu beban ditambahkan perlahan-Iahan sampai suatu harga tertentu lalu beban diturunkan sampai nol, dinaikkan lagi sampai di atas harga tertinggi yang sebelumnya, dan diturunkan lagi sampai nol, demikian terus berulang-ulang, maka akan terjadi bahwa pada beban yang kecil disamping berlaku Hukum Hook juga logam mangalami elastik, pada saat menerirna beban akan bertambah panjang tetapi bila beban dihilangkan pertambahan panjang juga akan hilang, batang uji kembali ke bentuk ukuran semula. Keadaan ini berlangsung sampai batas elastik (elastic limit, titik E). Jadi untuk beban rendah, pertambahan panjang mengikuti garis OP gambar 2.2. Bila beban melebihi batas elastik, maka bila beban dihilangkan pertambahan panjang tidak seluruhnya hilang, masih ada terdapat pertambahan panjang yang tetap, atau pertambahan panjang yang plastik. Besarnya pertambahan pannjang (%) plastik ini dapat dicari dengan menarik garis sejajar dengan garis pertamabahan panjang elastik garis OP dari titik yang menunjukkan besarnya beban/tegangan yang bekerja.

Diagram tegangan – regangan dapat dibagi menjadi dua daerah yaitu daerah elastik dan daerah plastik. Yang menjadi batas antara kedua daerah tersebut seharusnya adalah batas elastik, titik E, tetapi ini tidak praktis karena mencari titik E cukup sulit, maka yang dianggap sebagai batas antara daerah elastik dan plastik adalah titik luluh (yield point), Y. Diagram seperti contoh di atas, dimana yield tampak jelas dan patah terjadi tidak pada beban maksimum, sebenarnya jarang terjadi. Ini akan terjadi hanya pada beberapa logam yang cukup ulet, seperti baja karbon rendah yang ulet. Pada logam yang lebih getas yield kurang nampak, bahkan tidak terlihat sama se-kali dan putus akan terjadi pada beban maksimum.

BACA JUGA: klasifikasi material teknik dan pengertiannya

Keuletan (ductility) menggambarkan kemampuan untuk berdeformasi secara plastik tanpa menjadi patah dapat diukur dengan besarnya regangan plastik yang terjadi setelah batang uji putus. Keuletan biasanya dinyatakan dengan persentase perpanjangan (percentage elongation) :

ΔL = (Lf – Lo)/Lo x 100 %

Lo = panjang awal

Lf = panjang gage length setelah putus

Bila keuletan dinyatakan dengan persentase perpanjangan maka panjang gauge length mula-mula juga harus disebutkan. jadi misalnya dituliskan “persentase perpanjangan 25 % pada gauge length 50 mm”. Secara grafik persentase perpanjangan dapat diukur pada diagram, yaitu dengan menarik garis dari titik patah B, sejajar dengan garis elastik hingga memotong absis D Panjang DC adalah regangan elastik, panjang OD adalah daerah plastik.

Keuletan juga dapat dinyatakan dengan persentase pengurangan luas penampang (percentage reduction in area):

A = (Ao – Af,)/Ao x 100 %

Ao = luas penampang batang uji mula-mula

Af = luas penampang batang uji pada patahan.

Pada baja, juga pada logam-Iogam lain, keuletan banyak ditentukan oleh strukturmikro, ditentukan oleh komposisi kimia dan paduan, lakupanas dan tingkat deformasi dingin yang dialami. Pada baja, kenaikan kadar karbon akan menaikan kekuatan dan kekerasan tetapi akan menurunkan keuletan. Demikian pula dengantingkat deformasi dingin, makin tinggi tingkat deformasi dingin yang dialami makin tinggi kekuatan dan kekerasan tetapi keuletan akan makin rendah. Keuletan merupakan saiah satu sifat mekanik yang amat penting karena :

1. keuletan menunjukkan seberapa banyak suatu logam dapat dideformasi tanpa menjadi patah/retak, hal ini penting dalam menentukan besarnya deformasi yang akan dilakukan pada proses rolling, extruding, forging, drawing dan Iain-lain.
2. kerusakan pada bahan yang memiliki keuletan cukup tinggi biasanya didahului oleh adanya deformasi, sehingga bila dijumpai adanya deformasi maka akan dapat diambil  tindakan  untuk  mencegah  terjadinya kerusakan lebih
3. dapat digunakan sebagai indikator dari perubahan komposisi kimia dan kondisi proses

BACA JUGA: klasifikasi material teknik dan pengertiannya

Ketangguhan (toughness)menyatakan kemampuan menyerap energi tanpa mengakibatkan patah, dapat diukur dengan besarnya energi yang diperlukan untuk mematahkan. Ketangguhan dinyatakan dengan modulus ketangguhan (modulus of toughness atau toughness index number) yang dapat didefinisikan sebagai aktivitas energi yang diperlukan untuk mematahkan satu satuan volume suatu bahan. Secara grafik, ini dapat diukur dengan luasan yang berada di bawah kurva tegangan -regangan dari hasil pengujian tarik.

Ada beberapa pendekatan matematik yang dapat digunakan mengukur/ menghitung besarnya modulus ketangguhan UT yaitu:

• untuk bahan yang ulet (ductile):
• UT = au .ε                         atau
• UT = ε . (au + ay)/2
• untuk bahan yang getas (brittle)
• UT = 2/3 au . εfdimana :
• UT = modulus ketangguhan (toughness index number)
• au = ultimate tensile strength
• ay = yield point/strength
• εf = regangan total pada saat putus

Pada beberapa komponen mesin seperti kopling, roda gigi, rantai, kait kran dan Iain-lain sering kali mengalami kenaikan tegangan sesaat hingga di atas yield pointnya, untuk itu akan diperlukan bahan yang memiliki ketangguhan cukup tinggi.

BACA JUGA: klasifikasi material teknik dan pengertiannya

Ketangguhan merupakan suatu konsep yang sangat penting dan banyak dipergunakan, tetapi sebenarnya sulit ditetapkan seberapa besar sebenarnya ketangguhan yang dibutuhkan untuk suatu keperluan, juga sulit untuk mengukur seberapa besar sebenarnya ketangguhan suatu barang jadi yang terbuat dari bahan tertentu, karena banyak hal yang mempengaruhi ketangguhan, antara lain adanya cacat, bentuk dan ukurannya, bentuk dan ukuran benda, kondisi pembebanan/strain rate, temperatur dan Iain-lain yang banyak diantaranya sulit diukur. Dari uraian tentang sifat mekanik dapat dianalisis bahwa ketangguhan ditentukan oleh kekuatan dan keuletan, dimana kedua sifat ini biasanya berjalan bertentangan, artinya bila kekuatan naik maka keuletan menurun. Ini dapat dilihat dengan membandingkan baja karbon rendah (yang kekuatannya rendah tetapi keuletannya tinggi), baja karbon me-nengah (dengan kekuatan yang lebih tinggi tetapi keuletannya lebih rendah) dan baja karbon tinggi (yang  kekuatannya sangat tinggi tetapi juga sangat getas). Dari Gambar 2.4. di belakang tampak bahwa ketangguhan paling tinggi akan diperoleh pada baja karbon menengah

Diagram tegangan – regangan sebenarnya

Diagram tegangan – regangan seperti yang dibicarakan di depan disebut diagram tegangan – regangan nomma karena perhitungan tegangan dan regangan tersebut berdasarkan panjang uji dan luas penampang mula-mula(nominal), pada hal setiap saat selalu terjadi perubahan sebagai akibat penarikan yang sedang berlangsung. Dengan demikian seharusnya tegangan dan regangan dihitung berdasarkan luas penampang dan panjang uji pada sesaat itu (bukan yang mula-mula). Dari hal ini terlihat bahwa sebenarnya diagram tegangan – regangan nominal (kadang-kadang disebut juga diagram tegangan – regangan konvensional) kurang akurat, namun demikian untuk keperluan teknik (engineering) pada umumnya dianggap sudah memadai, karenanya dinamakan juga diagram tegangan – regangan teknik (engineering). Tetapi untuk beberapa keperluan tertentu, seperti misalnya untuk perhitungan pada proses pembentukan (rolling, forging dll) serta untuk perhitungan yang lebih mendetail memerlukan ketelitian yang lebih tinggi maka diperlukan tegangan – regangan sebenarnya.

Kedua hubungan di atas hanya berlaku hingga saat terjadinya necking, di luar itu maka tegangan dan regangan sebenarnya harus dihitung berdasarkan pengukuran nyata pada batang uji, beban dan luas penampang setiap saat.