Laporan Praktikum MODUL C UJI PUNTIR Oleh : Nama : SOMAWARDI NIM : 23107012 Kelompok : 13 Tanggal Praktikum : November 2007 Nama Asisten (Nim) : Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Bandung 2007 1
BAB I Pendahuluan 1.1 Latar Belakang Tegangan geser terjadi pada bidang material, berbeda dengan tegangan normal yang tegak lurus dengan bidang. Kondisi tegangan geser dapat terjadi dengan melakukan geseran secara langsung (Direct Shear) dan tegangan puntir (torsional Stress). Fenomena geseran secara langsung dapat dilihat pada saat kita menancapkan paku ke balok kayu. Pada setiap permukaan di paku dan kayu yang bersinggungan langsung dengan paku akan mengalami geseran secara langsung. Sedangkan fenomena tegangan puntiran, dapat terjadi apabila suatu specimen mengalami torsi. 1.2 Tujuan Praktikum a. Mengetahui standard dan prosedur Uji punter b. Mengetahui pengaruh tegangan geser terhadap sifat mekanik material c. Mampu menghitung besaran- besaran sifat mekanik material dari uji punter d. Memahami mekanisme terbentuknya patahan material oleh tegangan geser. 2
BAB II Teori Dasar Besaran yang terukur dari uji puntir adalah momen putar dan sudut putar specimen. Untuk mengukur sudut putar digunakan alat yang disebut dengan troptometer Momen putar didapatkan dari persamaan : M ra r0 rda r ra 2 r r0 da Sedangkan sudut putar ( ) didapatkan dari tan dimana r tan L M r L a = Momen Torsi ( Nm) = Tegangan Geser (Pa) = jarak radial dihitung dari pusat (m) = Panjang Spesimen (m) = Jari jari (m) setelah mendapatkan hasil kurva yang berupa Momen Putar (M) dengan sudut putar ( ) seperti gambar dibawah, dapat dihitung regangan geser dan modulus elastisitas gesernya. 3
Offset Angle of Twist Regangan geser adalah tan r L Modulus Elastisitas Geser (G) didapat dari G Ketika regangan geser sudah semakin besar, sehingga hubungan antara tegangan dan regangan elastis sudah tidak linier lagi, maka persamaan diatas sudah tidak berlaku lagi. Ketika kondisi regangan begitu besar, dibuat kurva antara momen dengan sudut putar perpanjang specimen. Dari kurva ini akan didapatkan kondisi regangan dan tegangan geser yang sebenarnya. Regangan geser sebenarnya didapatkan dari ' r dengan ' sedangkan untuk L menghitung tegangan geser sebenarnya didapat dengan cara menurunkan persamaan momen torsinya. M ra r0 ra 2 rda 2. r dr r0 Karena sekarang tegangan geser merupakan fungsi dari regangan gesernya, f ( ) sedangkan regangan geser merupakan fungsi dari sudut putar per panjang specimen. Maka didapatkan persamaan sebagai berikut: 4
2 3 dm 3M ( ') ( ') 2a d ' 3 2 ( ') a Kemudian didapatkan pula 1 2a dm ( ' ) d ' 3 a 3 M Dari persamaan ini dapat dihitung tegangan gesernya dari kurva. C A B M Mmax Offset D Angle of Twist Dari persamaan 7 kita dapat ubah persamaan itu dengan melihat dari gambar 3.5 menjadi: a 1 ( BC 3CD) 3 2 a Setelah didapatkan tegangan geser dan regangan gesernya maka diubah kedalam tegangan dan regangan sebenarnya dengan menggunakan lingkaran Mohr dan memasukkan ke dalam criteria dari tresca dan Von Mises. Untuk mengubah dari tegangan dan regangan geser ke tegangan dan regangan sebenarnya, harus diperhatikan kondisi tegangan uji puntir. 5
PROSEDUR PERCOBAAN Ukur dimensi dari spesimen Pilih beban momen puntir skala penuh pada mesin uji puntir Tentukan kecepatan Puntiran dan kecepatan kertas Letakkan specimen pada mesin uji punter, dan pastikan specimen terpasang dengan kuat Beri tanda pada specimen dengan tinta atau tip-ex Jalankan Mesin Uji Puntir Perhatikan perubahan yang terjadi pada pena dan kertas perekam data Saat specimen patah, lepaskan specimen dari mesin uji puntir Ukur diameter di tempat patahan dan daerah deformasi plastis 6
Momen Puntir (Nm) BAB III Data dan Hasil Percobaan material : st-37 Kekerasan awal : 37.5 HRA Kekerasan akhir : 46 HRA panjang spesimen : 66 mm diameter spesimen : 6.85 mm kecepatan putar mesin : 16 rpm jumlah putaran spesimen : 5.6 diameter spesimen di tempat yang patah : 5.3 mm mesin uji yang digunakan : Tarno Grocki Kurva dari mesin uji puntir: 45 Kurva Uji Puntir 40 39.91796875 35 30 25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Putaran (n) 7
MT PENGOLAHAN DATA Dengan persamaan 2n, maka diperoleh kurva vs M T sebagai berikut: Momen Puntir (Nm) 45 40 35 30 25 20 15 10 5 vs MT 0-50.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 Untuk menentukan batas luluh geser material uji kita dapat melihat kelinearan kurva. Selain itu kita dapat menentukan batas luluh gesernya dengan cara offset yaitu 0,04 rad/m dari gage length. Dengan persamaan ', dimana L adalah panjang L gage length. Maka didapat kurva ' vs M T sebagai berikut: 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0-5 ' vs MT 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 ' 8
shear stress (N/mm2) dengan : Untuk memperoleh kurva tegangan regangan geser, dilakukan perhitungan Dari perhitungan dengan formula di atas, didapatkan kurva tegangan regangan geser sebagai berikut: 700 vs shear stress (N/mm2) 600 500 400 300 200 100 0-100 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 (rad) 1400 1200 1000 800 600 400 200 0-200 Dengan persamaan: dan 2, diperoleh kurva Tresca yaitu: 2 Tresca curve ( vs ) 933.7850731 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014 9
450 400 350 300 250 200 150 100 50 0-50 1400 1200 Dengan persamaan: dan 3, diperoleh kurva von Misces yaitu: 3 von miscesh 0 0.0005 0.001 0.0015 Apabila disatukan, menjadi: Tresca + Von Miscesh 1000 800 600 400 200 Von Miscesh Tresca 0-200 0 0.0005 0.001 0.0015 10
ln Menentukan koefisien kekuatan (K) dan koefisien strain hardening (n): o Pada kurva Tresca: y = 0.2244x + 8.7211 tresca 8 7.8 7.6 7.4 7.2 7 6.8 6.6-8.5-8 -7.5-7 -6.5-6 ln Diketahui persamaan tegangan alir: t t n Ke ln ln K n ln e dengan cara regresi lineardidapat persamaan garis: y = 0.224x + 8.721 jadi: koefisien strain hardening (n) = 0,224 koefisien kekuatan (K) ln K = 8.721 K = 6130 MPa 11
ln o Pada kurva von Misces: von miscesh y = 0.2244x + 7.4464 6.4 6.2 6 5.8 5.6 5.4 5.2 5-8.5-8 -7.5-7 -6.5-6 ln Dengan cara sama didapat: koefisien strain hardening (n) = 0.224 koefisien kekuatan (K) ln K = 7.446 K = 1713 MPa 12
BAB IV Analisis Data Uji puntir dilakukan untuk menentukan tegangan alir (flow stress) dari material, menentukan batas luluh geser, dan menentukan modulus elastisitas geser dari material. Flow stress adalah ketahanan material terhadap perubahan bentuk. Jadi pada kurva, flow stress dimulai dari batas luluhnya hingga titik fracture-nya. Pada uji puntir ini digunakan penampang berbentuk lingkaran karena merupakan geometri paling sederhana untuk perhitungan tegangan. Ketika material diberi beban puntir didapat diameter dan panjang spesimen yang berubah. Seharusnya pengujian yang kita lakukan tidak merubah dimensi geometris dari spesimen karena beban yang kita berikan hanya beban puntir dan tidak ada beban tarik ataupun tekan. Perubahan dimensi ini dapat diakibatkan karena mesin uji puntir dan spesimen tidak tepat sesumbu. Hal ini terlihat dari spesimen hasil uji yang bengkok sehingga ada kemungkinan terjadi beban bending ataupun beban lainnya pada spesimen tersebut. Walaupun demikian untuk mendapatkan flow stress yang lebih baik kita menggunakan uji puntir ini karena pada uji puntir tidak terjadi necking (pengecilan penampang setempat) dan barreling (pembesaran penampang setempat). Dari kuva MT n yang kita dapatkan melalui percobaan, dapat diolah menjadi kurva MT - θ'. Lalu dengan cara membuat gradien regangan dan gradien tegangan gesernya kita dapatkan kurva tegangan regangan geser. Penentuan gradien pada beberapa titik ini perlu dilakukan untuk didapatkan hasil yang merepresentasikan tegangan regangan gesernya. Setelah itu, kita dapat membuat kurva tegangan regangan sebenarnya dengan metode Tresca dan metode von Misces. Sesungguhya konversi-konversi grafik yang kita lakukan adalah untuk meminimalisir kesalahn akibat geometri specimen. Tujuan dari pembuatan kurva tegangan regangan sebenarnya dengan metode Tresca dan von Misces sesungguhnya sama yaitu untuk menunjukkan kapan tepatnya suatu material terdeformasi plastis. Hanya saja peninjauannya yang berbeda. Menurut Tresca, suatu material tepat terdeformasi plastis ketika tegangan gesernya sama dengan tegangan geser maksimumnya. Sedangkan menurut von Misces, suatu material tepat terdeformasi plastis ketika energi maksimum yang bekerja pada benda sama dengan energi distorsi 13
maksimumnya. Dari pengertian dan kurva yang diperoleh kita ketahui bahwa kurva yang akan menggambarkan lebih dahulu suatu material terdeformasi plastis adalah kurva von Misces. Hal ini disebabkan karena von Misces meninjau dari tiga energi yang bekerja pada benda tersebut sedangkan Tresca hanya meninjau dari tegangan pada bendanya. Setelah kita mendapatkan kurva alir (flow curve) melalui metode Tresca dan Von Misces kita dapat menentukan koefisien tegangan dan koefisien strain hardening material uji dengan membuatnya kedalam persamaan logaritma natural. Dari perhitungan yang telah dilakukan, diperoleh nilai koefisien tegangan dan koefisien strain hardening yang sedikit berbeda dengan data literatur. Hal ini bisa disebabkan karena adanya perubahan ukuran geometri (panjang dan diameter) akibat gaya yang bekerja tidak murni gaya puntir saja. Selain itu sulitnya membuat gradien tegangan dan regangan gesernya membuat kurva yang didapat kurang tepat. 14
BAB V Kesimpulan 1. Dari uji puntir ini, kita memperoleh : a. Batas luluh geser dari material = 466.89 MPa b. Koefisien kekuatan (K) = 6130 MPa (Tresca) 1713 MPa (Von Misces) c. Koefisien strain hardening (n) = 0.224 2. Hasil percobaan jika dibandingkan dengan data literature sesuai bahan uji menunjukkan nilai yang relative sama. BAB VI Daftar Pustaka 1. Callister, William Materials and Science Engineering, McGraw-Hill Book Co. 2. Dieter, G.E Mechanical Metallurgy, McGraw-Hill Book Co.USA, 1978. 15