Hardness testing Kekerasan (Hardness) adalah salah satu sifat mekanik (Mechanical properties) dari suatu material. Kekerasan suatu material harus diketahui khususnya untuk material yang dalam penggunaanya akan mangalami pergesekan (frictional force) dan deformasi plastis. Deformasi plastis sendiri suatu keadaan dari suatu material ketika material tersebut diberikan gaya maka struktur mikro dari material tersebut sudah tidak bisa kembali ke bentuk asal artinya material tersebut tidak dapat kembali ke bentuknya semula. Lebih ringkasnya kekerasan didefinisikan sebagai kemampuan suatu material untuk menahan beban identasi atau penetrasi (penekanan). Mengapa diperlukan pengujian kekerasan? Di dalam aplikasi manufaktur, material dilakukan pengujian dengan dua pertimbangan yaitu untuk mengetahui karakteristik suatu material baru dan melihat mutu untuk memastikan suatu material memiliki spesifikasi kualitas tertentu. Didunia teknik, umumnya pengujian kekerasan menggunakan 4 macam metode pengujian kekerasan, yakni : 1. Brinnel (HB / BHN) Pengujian kekerasan dengan metode Brinnel bertujuan untuk menentukan kekerasan suatu material dalam bentuk daya tahan material terhadap bola baja (identor) yang ditekankan pada permukaan material uji tersebut (spesimen). Idealnya, pengujian Brinnel diperuntukan untuk material yang memiliki permukaan yang kasar dengan uji kekuatan berkisar 500-3000 kgf. Identor (Bola baja) biasanya telah dikeraskan dan diplating ataupun terbuat dari bahan Karbida Tungsten. Uji kekerasan brinnel dirumuskan dengan : Material Teknik 2 nd session hadisaputra@live.com Page 1
Gambar 1 Pengujian Brinnel Gambar 2. Perumusan untuk pengujian Brinnel Material Teknik 2 nd session hadisaputra@live.com Page 2
2. Rockwell (HR / RHN) Pengujian kekerasan dengan metode Rockwell bertujuan menentukan kekerasan suatu material dalam bentuk daya tahan material terhadap indentor berupa bola baja ataupun kerucut intan yang ditekankan pada permukaan material uji tersebut. Gambar 3. Pengujian Rockwell Untuk mencari besarnya nilai kekerasan dengan menggunakan metode Rockwell dijelaskan pada gambar 4, yaitu pada langkah 1 benda uji ditekan oleh indentor dengan beban minor (Minor Load F0) setelah itu ditekan dengan beban mayor (major Load F1) pada langkah 2, dan pada langkah 3 beban mayor diambil sehingga yang tersisa adalah minor load dimana pada kondisi 3 ini indentor ditahan seperti kondisi pada saat total load F yang terlihat pada Gambar 4. Besarnya minor load maupun major load tergantung dari jenis material yang akan di uji, jenis-jenisnya bisa dilihat pada Tabel 1. Gambar 4 Prinsip kerja metode pengukuran kekerasan Rockwell Material Teknik 2 nd session hadisaputra@live.com Page 3
Dibawah ini merupakan rumus yang digunakan untuk mencari besarnya kekerasan dengan metode Rockwell. HR = E - e Dimana : F0 = Beban Minor(Minor Load) (kgf) F1 = Beban Mayor(Major Load) (kgf) F = Total beban (kgf) e = Jarak antara kondisi 1 dan kondisi 3 yang dibagi dengan 0.002 mm E = Jarak antara indentor saat diberi minor load dan zero reference line yang untuk tiap jenis indentor berbeda-beda yang bias dilihat pada table 1 HR = Besarnya nilai kekerasan dengan metode hardness Tabel dibawah ini merupakan skala yang dipakai dalam pengujian Rockwell skala dan range uji dalam skala Rockwell. Tabel 1 Rockwell Hardness Scales Scale Indentor F0 F1 F E (kgf) (kgf) (kgf) Jenis Material Uji A Diamond cone 10 50 60 100 Exremely hard materials, tugsen carbides, dll B 1/16" steel ball 10 90 100 130 Medium hard materials, low dan medium carbon steels, kuningan, perunggu, dll C Diamond cone 10 140 150 100 Hardened steels, hardened and tempered alloys D Diamond cone 10 90 100 100 Annealed kuningan dan tembaga E 1/8" steel ball 10 90 100 130 Berrylium copper,phosphor bronze, dll F 1/16" steel ball 10 50 60 130 Alumunium sheet G 1/16" steel ball 10 140 150 130 Cast iron, alumunium alloys H 1/8" steel ball 10 50 60 130 Plastik dan soft metals seperti timah K 1/8" steel ball 10 140 150 130 Sama dengan H scale L 1/4" steel ball 10 50 60 130 Sama dengan H scale M 1/4" steel ball 10 90 100 130 Sama dengan H scale P 1/4" steel ball 10 140 150 130 Sama dengan H scale R 1/2" steel ball 10 50 60 130 Sama dengan H scale S 1/2" steel ball 10 90 100 130 Sama dengan H scale V 1/2" steel ball 10 140 150 130 Sama dengan H scale Material Teknik 2 nd session hadisaputra@live.com Page 4
3. Vikers (HV / VHN) Pengujian kekerasan dengan metode Vickers bertujuan menentukan kekerasan suatu material dalam yaitu daya tahan material terhadap indentor intan yang cukup kecil dan mempunyai bentuk geometri berbentuk piramid seperti ditunjukkan pada gambar 3. Beban yang dikenakan juga jauh lebih kecil dibanding dengan pengujian rockwell dan brinel yaitu antara 1 sampai 1000 gram. Angka kekerasan Vickers (HV) didefinisikan sebagai hasil bagi (koefisien) dari beban uji (F) dengan luas permukaan bekas luka tekan (injakan) dari indentor(diagonalnya) (A) yang dikalikan dengan sin (136 /2). Gambar 3 Pengujian Vikers Gambar 4 Bentuk indentor Vickers (Callister, 2001) Material Teknik 2 nd session hadisaputra@live.com Page 5
Rumus untuk menentukan besarnya nilai kekerasan dengan metode vikers yaitu : (1). (2) (3) Dimana, HV = Angka kekerasan Vickers F = Beban (kgf) d = diagonal (mm) Material Teknik 2 nd session hadisaputra@live.com Page 6
4. Micro Hardness (knoop hardness) Mikrohardness test tahu sering disebut dengan knoop hardness testing merupakan pengujian yang cocok untuk pengujian material yang nilai kekerasannya rendah. Knoop biasanya digunakan untuk mengukur material yang getas seperti keramik. Gambar 5 Bentuk indentor Knoop ( Callister, 2001) Dimana, HK = Angka kekerasan Knoop F = Beban (kgf) l = Panjang dari indentor (mm) Nah, setelah kita mengetahui macam-macam pengujian untuk uji kekerasan maka kita harus memikirkan apa yang harus kita ketahui untuk menentukan metode uji kekerasan yang digunakan, untuk itu kita harus memperhatikan hal-hal dibawah ini : a. Permukaan material b. Jenis dan dimensi material c. Jenis data yang diinginkan d. Ketersedian alat uji Material Teknik 2 nd session hadisaputra@live.com Page 7
Dynamic properties Dynamic loading 1. Impak 2. Fatique 3. Creep Impact Test Metal Charpy Impact Testing Machine Standar pengujian yang dilakukan dapat beruapa: ASTM E23 dan ISO 148 atau standar lainnya. Material Teknik 2 nd session hadisaputra@live.com Page 8
The below picture is as principle of Metal Charpy Impact Testing Machine: Testing Specimen Material: Cupper, Iron, Steel, Aluminum, Alloy and other metals Material Teknik 2 nd session hadisaputra@live.com Page 9
1. Fatigue Testing Fatique merupakan bentuk kegagalan yang terjadi pada struktur yang disebabkan oleh tegangan dynamic dan berulang. Contoh : Jembatan Pesawat terbang Komponen mesin, dll Kegagalan ini dinamakan fatique karena kejadian ini berlangsung dalam jangka waktu yang lama. Cyclic Stresses Bentuk bentuk tegangan yang menyebabkan fatique adalah : 1. Axial (tension-compression) 2. Flexural (bending) 3. Torsional (twisting) Tipe fluktuasi (stress time) pembebanan ada tiga macam, yaitu : 1. Reverse Stress Cycle Amplitudonya simetris terhadap zero stress level Contohnya : Besar Maximum tensile stress = Besar Minimum compressive stress 2. Repeated Stress Cycle Amplitudo besar maximum tensile stress dan besar minimum compressive stress tidak simetris terhadap zero stress level 3. Random Stress Cycle Stress level bervariasi secara random dalam amplitudo dan frequencynya. Material Teknik 2 nd session hadisaputra@live.com Page 10
S-N Curve Sifat fatik material dapat diketahui dari hasil laboratorium test simulasi. Pengujian fatik bisanya mengikuti ASTM Standard E 466. Proses pengujian nya mesti di design supaya menghasilkan the service stress conditions diantaranya : - Stress level - Time frequency - Stress pattern,dan lain-lain. Material Teknik 2 nd session hadisaputra@live.com Page 11
Contoh Kurva S-N hasil uji fatik material Material Teknik 2 nd session hadisaputra@live.com Page 12
- Fatique limite : (endurance limits) - Merupakan nilai batas fatique failure material tidak akan terjadi Contohnya : (seperti gbr diatas) - Steels biasanya memiliki nilai fatique limits dalam daerah 35 hingga 60% dari tensile strengthnya. Non ferros alloy (alumunium, copper, magnesium) tidak memiliki fatique limits sehingga fatik akan terjadi tergantung pada nilai tegangannya. Yang dikenal dengan fatique strength. Fatique strength didefinisikan sebagai level stress dimana failure akan mulai terjadi setelah sejumlah cycle pembebanan. Fatique life (Nf) didefinisikan Jumlah siklus yang menyebabkan kegagalan pada suatu material. 2. Creep Testing Peristiwa bertambahnya regangan akibat bertambahnya waktu.(pada peristiwa ini tegangan konsta) Creep juga merupakan proses yang stress independent serta thermal activated, sehingga creep rate akan naik dengan naiknya tegangan dan atau temperature. Patah akibat creep terjadi bila regangqannya telah mencapai regangan paah materialnya. Ada tiga tahapan dalam creep, yaitu: a. Primary creep Pada tahap ini kenaikan regangan mula-mula cepat kemudian menurun b. Steady state creep Pada tahap ini kenaikan regangan relative konstan c. Tertiary creep Laju regangan berjalan dengan cepat dan akhirnya bahan menjadi putus. Material Teknik 2 nd session hadisaputra@live.com Page 13
Tugas I : (usahakan tiap mahasiswa punya topic yang berbeda) Refference a. Buat klasifikasi material saat ini dan jelaskan? b. Cari satu type pengujian yang saudara ketahui? Jelaskan tentang apa material yang di uji? Bagaimana prosedurnya, apa standart pengujiannya? Jelaskan dan analisis hasil pengujian tersebut, serta apa kesimpulan yang saudara dapatkan dari hasil pengujian tersebut? Degarmo Paul E. dkk, Materials and Processes in Manufacturing Annonim, Pengetahuan bahan. http://en.wikipedia.org/wiki/strength_of_materials http://fariedkurosaki.blogspot.com/2010/01/pengujian-kekerasan.html Material Teknik 2 nd session hadisaputra@live.com Page 14