TEGANGAN (YIELD) Gambar 1: Gambaran singkat uji tarik dan datanya. rasio tegangan (stress) dan regangan (strain) adalah konstan

Transkripsi

1 TEGANGAN (YIELD) Gambar 1: Gambaran singkat uji tarik dan datanya Biasanya yang menjadi fokus perhatian adalah kemampuan maksimum bahan tersebut dalam menahan beban. Kemampuan ini umumnya disebut Ultimate Tensile Strength disingkat dengan UTS, dalam bahasa Indonesia disebut tegangan tarik maksimum. Hukum Hooke (Hooke s Law) Untuk hampir semua logam, pada tahap sangat awal dari uji tarik, hubungan antara beban atau gaya yang diberikan berbanding lurus dengan perubahan panjang bahan tersebut. Ini disebut daerah linier atau linear zone. Di daerah ini, kurva pertambahan panjang vs beban mengikuti aturan Hooke sebagai berikut: rasio tegangan (stress) dan regangan (strain) adalah konstan Stress adalah beban dibagi luas penampang bahan dan strain adalah pertambahan panjang dibagi panjang awal bahan. Stress: σ = F/A Strain: ε = ΔL/L F: gaya tarikan, A: luas penampang ΔL: pertambahan panjang, L: panjang awal Hubungan antara stress dan strain dirumuskan: E = σ / ε Untuk memudahkan pembahasan, gambar 1 kita modifikasi sedikit dari hubungan antara gaya tarikan dan pertambahan panjang menjadi hubungan antara tegangan dan regangan (stress vs strain). Selanjutnya kita dapatkan gambar 2, yang merupakan kurva standar ketika melakukan eksperimen uji tarik. E adalah gradien kurva dalam daerah linier, dimana perbandingan tegangan (σ) dan regangan (ε) selalu tetap. E diberi nama Modulus

2 Elastisitas atau Young Modulus. Kurva yang menyatakan hubungan antara strain dan stress seperti ini kerap disingkat kurva SS (SS curve). Gambar 2 : Kurva tegangan-regangan Bentuk bahan yang diuji, untuk logam biasanya dibuat spesimen dengan dimensi seperti pada Gambar 3 berikut. Gambar 3 : Dimensi spesimen uji tarik (JIS Z2201). Gambar 4 : Ilustrasi pengukur regangan pada spesimen Perubahan panjang dari spesimen dideteksi lewat pengukur regangan (strain gage) yang ditempelkan pada spesimen seperti diilustrasikan pada gambar 4. Bila pengukur regangan ini

3 mengalami perubahan panjang dan penampang, terjadi perubahan nilai hambatan listrik yang dibaca oleh detektor dan kemudian dikonversi menjadi perubahan regangan. Gambar 5 : Profil data hasil uji tarik Batas elastic σ E ( elastic limit) Dalam gambar 5 dinyatakan dengan titik A. Bila sebuah bahan diberi beban sampai pada titik A, kemudian bebannya dihilangkan, maka bahan tersebut akan kembali ke kondisi semula (tepatnya hampir kembali ke kondisi semula) yaitu regangan nol pada titik O (lihat inset dalam gambar 5). Tetapi bila beban ditarik sampai melewati titik A, hukum Hooke tidak lagi berlaku dan terdapat perubahan permanen dari bahan. Terdapat konvensi batas regangan permamen (permanent strain) sehingga masih disebut perubahan elastis yaitu kurang dari 0.03%, tetapi sebagian referensi menyebutkan 0.005%. Tidak ada standarisasi yang universal mengenai nilai ini. Batas proporsional σ p (proportional limit) Titik sampai di mana penerapan hukum Hooke masih bisa ditolerir. Tidak ada standarisasi tentang nilai ini. Dalam praktek, biasanya batas proporsional sama dengan batas elastis. Deformasi plastis (plastic deformation) Yaitu perubahan bentuk yang tidak kembali ke keadaan semula. Pada Gambar5 yaitu bila bahan ditarik sampai melewati batas proporsional dan mencapai daerah landing. Tegangan luluh atas σ uy (upper yield stress) Tegangan maksimum sebelum bahan memasuki fase daerah landing peralihan deformasi elastis ke plastis. Tegangan luluh bawah σ ly (lower yield stress)

4 Tegangan rata-rata daerah landing sebelum benar-benar memasuki fase deformasi plastis. Bila hanya disebutkan tegangan luluh (yield stress), maka yang dimaksud adalah tegangan ini. Regangan luluh ε y (yield strain) Regangan permanen saat bahan akan memasuki fase deformasi plastis. Regangan elastis ε e (elastic strain) Regangan yang diakibatkan perubahan elastis bahan. Pada saat beban dilepaskan regangan ini akan kembali ke posisi semula. Regangan plastis ε p (plastic strain) Regangan yang diakibatkan perubahan plastis. Pada saat beban dilepaskan regangan ini tetap tinggal sebagai perubahan permanen bahan. Regangan total (total strain) Merupakan gabungan regangan plastis dan regangan elastis, ε T = ε e +ε p. Perhatikan beban dengan arah OABE. Pada titik B, regangan yang ada adalah regangan total. Ketika beban dilepaskan, posisi regangan ada pada titik E dan besar regangan yang tinggal (OE) adalah regangan plastis. Tegangan tarik maksimum TTM (UTS, ultimate tensile strength) Pada gambar 5 ditunjukkan dengan titik C (σ β ), merupakan besar tegangan maksimum yang didapatkan dalam uji tarik. Kekuatan patah (breaking strength) Pada gambar 5 ditunjukkan dengan titik D, merupakan besar tegangan di mana bahan yang diuji putus atau patah. Tegangan luluh pada data tanpa batas jelas antara perubahan elastis dan plastis Untuk hasil uji tarik yang tidak memiliki daerah linier dan landing yang jelas, tegangan luluh biasanya didefinisikan sebagai tegangan yang menghasilkan regangan permanen sebesar 0.2%, regangan ini disebut offset-strain (gambar 6).

5 Gambar 6 Penentuan tegangan luluh (yield stress) untuk kurva tanpa daerah linier Perlu untuk diingat bahwa satuan SI untuk tegangan (stress) adalah Pa (Pascal, N/m 2 ) dan strain adalah besaran tanpa satuan. 3. Istilah lain Selanjutnya akan kita bahas beberapa istilah lain yang penting seputar interpretasi hasil uji tarik. Kelenturan (ductility) Merupakan sifat mekanik bahan yang menunjukkan derajat deformasi plastis yang terjadi sebelum suatu bahan putus atau gagal pada uji tarik. Bahan disebut lentur (ductile) bila regangan plastis yang terjadi sebelum putus lebih dari 5%, bila kurang dari itu suatu bahan disebut getas (brittle). Derajat kelentingan (resilience) Derajat kelentingan didefinisikan sebagai kapasitas suatu bahan menyerap energi dalam fase perubahan elastis. Sering disebut dengan Modulus Kelentingan (Modulus of Resilience), dengan satuan strain energy per unit volume (Joule/m 3 atau Pa). Dalam Gambar1, modulus kelentingan ditunjukkan oleh luas daerah yang diarsir. Derajat ketangguhan (toughness) Kapasitas suatu bahan menyerap energi dalam fase plastis sampai bahan tersebut putus. Sering disebut dengan Modulus Ketangguhan (modulus of toughness). Dalam gambar 5, modulus ketangguhan sama dengan luas daerah dibawah kurva OABCD. Pengerasan regang (strain hardening) Sifat kebanyakan logam yang ditandai dengan naiknya nilai tegangan berbanding regangan setelah memasuki fase plastis. Tegangan sejati, regangan sejati (true stress, true strain)

6 Dalam beberapa kasus definisi tegangan dan regangan seperti yang telah dibahas di atas tidak dapat dipakai. Untuk itu dipakai definisi tegangan dan regangan sejati, yaitu tegangan dan regangan berdasarkan luas penampang bahan secara real time. Detail definisi tegangan dan regangan sejati ini dapat dilihat pada gambar 7. Gambar 7 Tegangan dan regangan berdasarkan panjang bahan sebenarnya - Hubungan Tegangan dan Regangan Hubungan tegangan dan regangan dapat diketahui dengan jelas pada diagram tegangan dan regangan yang didasarkan dari data yang diperoleh dari pengujian tarik. Ini juga berlaku hukum hooke yang menyatakan tegangan sebanding dengan regangan. Dan tegangan (stress) adalah beban dibagi dengan luas penampang bahan dan regangan (strain) adalah pertambahan panjang dibagi panjang awal bahan. Persamaannya sebagai berikut : Stress = δ= F/A ; F = gaya tarikan ; A = luas penampang Strain = ε =ΔL/L ; ΔL = pertambahan panjang ; L = panjang awal Gambar 8: Diagram tegangan regangan Sumber : BJM Beumer, Ilmu Bahan Logam, Jilid 1, Bharata Karya Aksara, Jakarta hal 12

7 Keterangan : σp = Proporsional stress = pertambahan tegangan sebanding dengan pertambahan regangan σe = Elasticity stress = titik dimana terjadi deformasi elastis σy = Yield stress = tempat terjadinya penambahan regangan tanpa penambahan beban σu = Ultimate stress = tegangan maksimum yang dapat dicapai bahan σb = Breaking stress = titik dimana material tersebut patah Pada titik nol sampai batas proporsional, tegangan berbanding lurus dengan regangan dan membentuk garis lurus yang curam (semakin curam garis tersebut maka semakin kaku materialnya). Pada titk nol sampai yield point merupakan daerah elastis. Pada titik yield material akan mengalami pertambahan regangan tanpa disertai penambahan beban. Untuk material tertentu umumnya tidak memperlihatkan batas yield yang jelas. Maka untuk menentukannya digunakan metode offset. Dengan metode ini, kekuatan ditentukan sebagai tegangan dimana bahan memperlihatkan batas penyimpangan/deviasi tertentu dari keadaan proporsional tegangan dan regangan. Gambar 9 : Penentuan tegangan luluh dengan metode offset Sumber : Timoshenko dan Gere, Mekanika Bahan, Erlangga, Jakarta 1987, hal 13 Cara metode offset adalah dengan menarik garis lurus sejajar dengan kurva tegangan dan regangan (pada daerah proporsional) dan berjarak 0,002 atau 0,2% dari 0. Garis tersebut akan memotong kurva tegangan dan regangan. Titik hasil perpotongan tersebut adalah titik yield offset. Titik yield/luluh tersebut bukan dari hasil pengujian sifat fisik bahan maka dinamakan titik luluh offset.

8 Pada kurva/diagram tegangan regangan terdapat 2 daerah yaitu daerah elastis (dari 0 sampai yield point) dan daerah plastis (dari yield sampai breaking point). Adapun sifat mekanik dalam setiap daerah tersebut, yaitu : - Sifat Mekanik Pada Daerah Elastis a. Kekuatan elastisitas = kemapuan untuk menerima beban tanpa terjadi deformasi plastis. b. Modulus Young (Modulus elastisitas) = didefinisikan sebagai ukuran kekakuan suatu material, semakin kecil regangan elastis yang terjadi, maka semakin kaku material itu. c. Modulus Resilience (Modulus kelentingan) = didefinisikan sebagai kemampuan material untuk menyerap energi dari luar tanpa terdeformasi plastis. Energi yang diserap untuk meregang satu satuan volume sampai batas elastisnya. d. Kekerasan = kemapuan material untuk menerima penetrasi dan gesekan. Kekerasan berbanding dengan elasttisitas sehingga benda yang punya elastisitas tinggi maka kekerasannya rendah - Secara Umum Sifat Mekanik dari Logam Dibagi Menjadi : a). Batas proposionalitas (Proportionality Limit) Adalah daerah batas dimana tegangan dan regangan mempunyai hubungan proporsionalitas satu dengan lainnya. Setiap penambahan tegangan akan diikuti dengan penambahan regangan secara proporsional dalam hubungan linier : s = E e b). Batas elastis (Elastic limit) Adalah daerah dimana bahan akan kembali kepada panjang semula bila tegangan luar dihilangkan. Daerah proporsionalitas merupakan bagian dari batas elastik. Bila beban terus diberikan tegangan maka batas elastis pada akhimya akan terlampaui sehingga bahan tidak kembali seperti ukuran semula. Maka batas elastis merupakan titik dimana tegangan yang diberikan akan menyebabkan terjadinya deformasi plastis untuk pertama kalinya. Kebanyakan material tenik mempunyai batas elastis yang hampir berhimpitan dengan batas proporsionalitasnya. c). Titik Luluh (Yield Point) dan Kekuatan Luluh (Yield Strength) Adalah batas dimana material akan terus mengalami deformasi tanpa adanya penambahan beban. Tegangan (stress) yang mengakibatkan bahan menunjukkan mekanisme luluh ini disebut tegangan luluh (yield stress). Gejala luluh umumnya hanya ditunjukkan oleh logamlogam ulet dengan struktur kristal BCC dan FCC yang membentuk interstitial solid solution dari atom-atom karbon, boron, hidrogen dan oksigen. Interaksi antar dislokasi dan atom-atom tersebut menyebabkan baja ulet seperti mild steel menunjukan titik luluh bawah (lower yield point) dan titik luluh atas (upper yield point). Untuk baja berkekuatan tinggi dan besi tuang yang getas pada umumnya tidak memperlihatkan batas luluh yang jelas. Sehingga digunakan metode offset untuk menentukan kekuatan luluh material. Dengan metode ini kekuatan luluh ditentukan sebagai tegangan

9 dimana bahan memperlihatkan batas penyimpangan/deviasi tertentu dari keadaan proporsionalitas tegangan dan regangan. Kekuatan luluh atau titik luluh merupakan suatu gambaran kemampuan bahan menahan deformasi permanen bila digunakan dalam penggunaan struktural yang melibatkan pembebanan mekanik seperti tarik, tekan, bending atau puntiran. Di sisi lain, batas luluh ini harus dicapai ataupun dilewati bila bahan dipakai dalam proses manufaktur produk-produk logam seperti proses rolling, drawing, stretching dan sebagainya. Dapat dikatakan titik luluh adalah suatu tingkatan tegangan yang tidak boleh dilewati dalam penggunaan struktural (in service) dan harus dilewati dalam proses manufaktur logam (forming process). d). Kekuatan Tarik Maksimum (Ultimate Tensile Strength) Adalah tegangan maksimum yang dapat ditanggung oleh material sebelum tejadinya perpatahan (fracture). Nilai kekuatan tarik maksimum tarik ditentukan dari beban maksimum dibagi luas penampang. e). Kekuatan Putus (Breaking Strength) Kekuatan putus ditentukan dengan membagi beban pada saat benda uji putus (Fbreaking) dengan tuas penampang awal (A0). Untuk bahan yang bersifat ulet pada saat beban maksimum M terlampaui dan bahan terus terdeformasi hingga titik putus B maka terjadi mekanisme penciutan (necking) sebagai akibat adanya suatu deformasi yang terlokalisasi. Pada bahan ulet, kekuatan putus lebih kecil dari kekuatan maksimum, dan pada bahan getas kekuatan putus sama dengan kekuatan maksimumnya. f). Keuletan (Ductility) Adalah sifat yang menggambarkan kemampuan logam menahan deformasi hingga tejadinya perpatahan. Pengujian tarik memberikan dua metode pengukuran keuletan bahan yaitu : Persentase perpanjangan (Elongation) : e (%) = [(Lf-L0)/L0] x 100% dimana : Lf = panjang akhir benda uji L0 = panjang awal benda uji Persentase reduksi penampang (Area Reduction) : R (%) = [(A1 A0)/A0] x 100% dimana : Af = luas penampang akhir A0 = luas penampang awal

10 g). Modulus Elastisitas (Modulus Young) Adalah ukuran kekakuan suatu material, semakin besar harga modulus ini maka semakin kecil regangan elastis yang terjadi, atau semakin kaku. h). Modulus Kelentingan (Modulus of Resilience) Adalah kemampuan material untuk menyerap energi dari luar tanpa terjadinya kerusakan. Nilai modulus resilience (U) dapat diperoleh dari luas segitiga yang dibentuk oleh area elastik diagram tegangan-regangan. Perumusannya : U = 0.5se atau U = 0.5se2/E. i). Modulus Ketangguhan (Modulus of Toughness) Adalah kemampuan material dalam mengabsorb energi hingga terjadinva perpatahan. Secara kuantitatif dapat ditentukan dari luas area keseluruhan di bawah kurva tegangan-regangan hasil pengujian tarik. j). Kurva Tegangan-Regangan Rekayasa dan Sesungguhnya Kurva tegangan-regangan rekayasa (engineering) didasarkan atas dimensi awal (luas area dan panjang) dari benda uji, sementara untuk mendapatkan kurva tegangan-regangan sesungguhnya (true) diperlukan luas area dan panjang aktual pada saat pembebanan setiap saat terukur. Pada kurva tegangan-regangan rekayasa, dapat diketahui bahwa benda uji secara aktual mampu menahan turunnya beban karena luas area awal Ao bernilai konstan pada saat perhitungan tegangan σ = P/Ao. Sementara pada kurva tegangan-regangan sesungguhnya luas area aktual adalah selalu turun hingga terjadinya perpatahan dan benda uji mampu menahan peningkatan tegangan karena σ = P/A. Sources: