MAKALAH PENGETAHUAN BAHAN METODE PENGUJIAN KEKERASAN DISUSUN OLEH : FEBRI IRAWAN 05091002006 KELOMPOK 5 PROGRAM STUDI TEKNIK PERTANIAN JURUSAN TEKNOLOGI PERTANIAN FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS SRIWIJAYA INDERALAYA 2010
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Makna nilai kekerasan suatu material berbeda untuk kelompok bidang ilmu yang berbeda. Bagi insinyur metalurgi nilai kekerasan adalah ketahanan material terhadap penetrasi sementara untuk para insinyur disain nilai tersebut adalah ukuran dari tegangan alir, untuk insinyur lubrikasi kekerasan berarti ketahanan terhadap mekanisme keausan, untuk para insinyur mineralogi nilai itu adalah ketahanan terhadap goresan, dan untuk para mekanik work-shop lebih bermakna kepada ketahanan material terhadap pemotongan dari alat potong. Begitu banyak konsep kekerasan material yang dipahami oleh kelompok ilmu, walaupun demikian konsep-konsep tersebut dapat dihubungkan pada satu mekanisme yaitu tegangan alir plastis dari material yang diuji. Uji keras merupakan pengujian yang paling efektif karena dengan pengujian ini, kita dapat dengan mudah mengetahui gambaran sifat mekanik suatu material.meskipun pengukuran hanya dilakukan pada satu titik, atau daerah tertentu saja, nilai kekerasan cukup valid untuk menyatakan kekuatan suatu material.dengan melakukan uji keras, material dapat dengan mudah digolongkan sebagai material ulet atau getas. Uji keras juga dapat digunakan sebagai salah satu metode untuk mengetahui pengaruh perlakuan panas dan perlakuan dingin terhadap material. Material yang telah mengalami cold working, hot working, dan heat treatment, dapat diketahui gambaran perubahan kekuatannya, dengan mengukur kekerasan permukaan suatu material. Oleh sebab itu, dengan uji keras kita dapat dengan mudah melakukan quality control terhadap material. Prinsip metode apapun uji kekerasan adalah memaksa indentor suatu ke permukaan sample diikuti dengan mengukur dimensi indentasi (kedalaman atau aktual luas permukaan indentasi). Kekerasan bukan milik fundamental dan
nilainya tergantung pada kombinasi kuat luluh, kekuatan tarik dan modulus elastisitas. Manfaat uji kekerasan: Mudah Murah Cepat Non-destruktif Dapat diterapkan untuk sampel dari berbagai dimensi dan bentuk Dapat dilakukan in-situ 1.2 Tujuan 1. Memahami dan menguasai prosedur metode uji kekerasan Brinell, Vickers dan Rockwell 2. Membandingkan nilai kekerasan (Brinell dan Vickers) dari beberapa jenis logam (besi tuang, baja, tembaga dan alumunium). 3. Mengetahui prinsip dan teknik pengujian kekerasan mikro dan mengaplikasikannya untuk mengetahui kekerasan fasa-fasa di dalam logam baja/besi tuang 4. Mengestimasi nilai kekuatan tarik beberapa logam berdasarkan nilai kekerasan Brinellnya. BAB II
PEMBAHASAN Kekerasan suatu material merupakan ketahanan material terhadap gaya penekanan dari material lain yang lebih keras. Prinsip pengujian kekerasan ini yaitu pada permukaan material dilakukan penekanan dengan indentor sesuai dengan parameter (diameter, beban dan waktu). Berdasarkan mekanisme penekanan tersebut, dikenal 3 metode uji kekerasan : 1. Metode gores Dilakukan dengan cara mengukur kedalaman atau lebar goresan pada benda uji dengan cara menggoreskan permukaan benda uji dengan material pembanding. Indentor yang biasa digunakan adalah jarum yang terbuat dari intan. Namun, metode ini tidak cocok untuk logam yang skala kekerasannya tinggi. Selain itu kemampu-ulangannya rendah karena tidak akurat.metode ini tidak banyak digunakan dalam dunia metalurgi, tapi masih dalam dunia mineralogi. Metode ini dikenalkan oleh Friedrich Mohs yaitu dengan membagi kekerasan material di dunia ini berdasarkan skala (yang kemudian dikenal sebagai skala Mohs). Skala ini bervariasi dari nilai 1 untuk kekerasan yang paling rendah, sebagaimana dimiliki oleh talc, hingga skala 10 sebagai nilai kekerasan tertinggi, sebagaimana yang dimiliki oleh intan. Dalam skala Mohs urutan nilai kekerasan material di dunia diwakili oleh : 1. talc 6. orthoclase 2. gypsum 7. quartz 3. calcite 8. topaz 4. fluorite 9. corundum 5. apatite 10. Diamond Prinsip pengujian : Bila suatu mineral mampu digores oleh orthoclase (6) tetapi tidak mampu digores oleh apatite(5), maka kekerasan mineral tersebut berada antara 5 dan 6. Berdasarkan hal ini, jelas terlihat bahwa metode ini
memiliki kekurangan utama berupa ketidakakuratan nilai kekerasan suatu material. Bila kekerasan mineral-mineral diuji dengan metode lain, ditemukan bahwa nilai nilainya berkisar antara 1-9 saja, sedangkan nilai 9-10 memiliki rentang yang besar. 2. Metode pantul ( metode elastik / rebound ) Dengan metode ini, kekerasan suatu material ditentukan oleh alat scleroscope yang mengukur tinggi pantulan suatu pemukul (hammer) dengan berat tertentu yang dijatuhkan dari suatu ketinggian terhadap permukaan benda uji. Tinggi pantulan (rebound) yang dihasilkan mewakili kekerasan benda uji. Semakin tinggi pantulan tersebut, yang ditunjukan oleh dial pada alat pengukur, maka kekerasan benda uji dinilai semakin tinggi. 3. Metode Indentasi Pengujian dengan metode ini dilakukan dengan penekanan benda uji dengan indentor dengan gaya tekan dan waktu indentasi yang ditentukan. Kekerasan suatu material ditentukan oleh dalam ataupun luas area indentasi yang dihasilkan (tergantung jenis indentor dan jenis pengujian). Berdasarkan prinsip bekerjanya metode uji kekerasan dengan cara indentasi dapat diklasifikasikan sebagai berikut: a. Metode Brinell Metode ini diperkenalkan pertama kali oleh J.A.Brinell pada tahun 1900. Pengujian kekerasan dilakukan dengan memakai bola baja yang diperkeras (hardened steel ball) dengan beban dan waktu indentasi tertentu. Hasil penekanan adalah jejak berbentuk lingkaran bulat, yang harus dihitung diameternya dibawah mikroskop khusus pengukur jejak. Pengukuran nilai kekerasan suatu material diberikan oleh rumus: 2 P BHN = ((π D) (D - D 2 - d 2 )
dimana : P adalah beban (Kg) D diameter indentor (mm) d diameter jejak (mm). Gambar : Skematis prinsip identasi dengan metode Brinell Prosedur standar pengujian mensyaratkan bola baja dengan diameter 10 mm dan beban 3000 kg untuk pengujian logam-logam ferrous, atau 500 kg untuk logam-logam non ferrous. Untuk logam-logam ferrous, waktu indentasi biasanya sekitar 10 detik, sementara untuk logam-logam non ferrous sekitar 30 detik. Walaupun demikian pengaturan beban dan waktu indentasi untuk setiap material dapat pula ditentukan oleh karakteristik alat penguji. Nilai kekerasan suatu material yang dinotasikan dengan HB tanpa tambahan angka di belakangnya menyatakan kondisi pengujian standar dengan indentor bola baja 10mm, beban 3000 kg selama waktu 1-15 detik. Untuk kondisi yang lain nilai kekerasan HB diikuti angka-angka yang menyatakan kondisi pengujian.
Syarat menggunakan metode Brinell : indentor bola baja yang dikeraskan berdiameter 2,5-10 mm, beban 300-3000 Kg permukaan harus rata, jika perlu diamplas atau dimachining terlebih dahulu permukaan test harus sesuai dengan karakteristik material, tidak mengalami karburasi ataupun proses sejenis lainnya ketebalan minimum 0.6 mm dan permukaan tanpa dikeraskan pengujian tidak boleh terlalu dipinggir beban yang digunakan harus steady dan terbebas dari kemungkinan pembebanan tak diinginkan disebabkan oleh gaya inersia dari beban jarak antar uji minimum 3d tidak terjadi penggelembungan di bagian belakang material uji disebabkan penggunaan beban yang terlalu besar Keuntungan penggunaan metode Brinell antara lain : Tidak dipengaruhi oleh oleh permukaan material yang kasar Bekas penekanan cukup besar, sehingga mudah diamati dan dapat mengatasi ketidakseragaman fasa material pada pengujian. Kerugiannya antara lain : Tidak dapat dikenakan pada benda yang tipis dan permukaan yang kecil, serta pada daerah kritis di mana penekanan dapat mengakibatkan kegagalan. Tidak berlaku untuk material yang sangat lunak maupun sangat keras.
b. Metode Vickers Pada metode ini digunakan indentor intan berbentuk piramida dengan sudut 136 o, seperti gambar dibawah ini Gambar : Skematis prinsip indentor dengan metode Vickers Prinsip pengujian adalah sama dengan Brinell, walaupun jejak yang dihasilkan berbentuk bujursangkar berdiagonal. Panjang diagonal diukur dengan skala pada mikroskop pengukur jejak. Nilai kekerasan suatu material diberikan oleh: VHN = 1.854 P d 2 Pengujian metode Vickers akan memberikan dampak hasil yang berbeda-beda tergantung pada elestisitas material. Apabila material lunak atau keelastisitasannya tinggi, maka hasil indentasi akan mengempis. Dan pada
material yang kaku, maka akan berbentuk menggembung. Metode ini biasa dilakukan untuk mengukur kekerasan mikro dari material. Gambar : Distorsi oleh indentor pyramid intan karena efek elastisitas; (a)indentasi sempurna; (b)indentasi mengempis; (c)indentasi menggembung Keuntungan metode Vickers : Indentor dibuat dari bahan yang cukup keras, sehingga dimungkinkan dilakukan untuk berbagai jenis logam. Memberikan hasil berupa skala kekerasan yang kontinu dan dapat digunakan untuk menentukan kekerasan pada logam yang sangat lunak dengan kekerasan DPH 5 hingga logam yang sangat keras dengan DPH 1500 Dapat dilakukan untuk benda-benda dengan ketebalan yang sangat tipis, sampai 0.006 inchi Harga kekerasan yang didapat dari uji Vickers tidak bergantung pada besar beban indentor Kerugiannya : Pengujian ini tidak dapat digunakan untuk pengujian rutin karena pengujian tersebut lama, memerlukan persiapan permukaan benda uji yang teliti, dan rentan terhadap kesalahan perhitungan panjang diagonal. c. Metode Rockwell
Indentor yang digunakan kerucut intan dengan sudut yang dibentuk muka intan 120 o. Pembebanan dilakukan dengan dua tahap; tahap pertama adalah pembebanan minor kemudian pembebanan mayor. Nilai kekerasan ditentukan dengan perbandingan kedalaman kedua tahap pembebanan. Berbeda dengan metode Brinell dan Vickers dimana kekerasan suatu bahan dinilai dari diameter atau diagonel jejak yang dihasilkan, maka metode Rockwell merupakan uji kekerasan dengan pembacaan langsung (direct reading). Metode ini banyak dipakai dalam industri karena pertimbangan praktis. Variasi dalam beban dan indentor yang digunakan membuat metode ini memiliki banyak macamnya. Metode yang paling umum dipakai adalah Rockwell B (dengan indentor bola baja berdiameter 1/6 inci dan beban 100 kg) dan Rockwell C (dengan indentor intan dan beban 150 kg). Walaupun demikian lainnya biasa dipakai. Oleh karenanya skala kekerasan Rockwell suatu material harus dispesifikasikan dengan jelas. Tabel Skala pada Metode Uji Kekerasan Rockwell Kekerasan Rockwell dapat dibagi menjadi:
Rockwell A Penetrator berupa kerucut intan dengan pembebanan 60 Kg. Biasa digunakan untuk jenis-jenis logam yang sangat keras Rockwell B Indentor berupa bola baja dengan diameter 1,6 mm dan pembebanan 100 Kg. Biasa digunakan untuk material-material yang lunak. Rockwell C Indentor berupa kerucut intan dengan pembebanan 150 Kg. Biasa digunakan untuk logam-logam yang diperkeras dangan pemanasan. Pengkategorian ini berdasarkan kombinasi jenis indentor yang digunakan dengan beban yang diberikan.pengkategorian ini dimaksudkan agar penguji manggunakan jenis kombinasi yang tepat pada benda uji sesuai dengak sifat yang dimiliki oleh benda uji tersebut. d. Kekerasan Knoop Merupakan salah satu metode micro-hardness, yaitu uji kekerasan untuk benda uji yang kecil. Nilai kekerasan Knoop adalah pembebanan dibagi dengan luas penampang yang terdeformasi permanen. Jejak yang dihasilkan sekitar 0.01mm 0.1 mm dan beban yang digunakan berkisar antara 5 gr 5 Kg. Permukaan benda uji harus benar-benar halus. METODE
1. Hoytom macrohardness tester (metode Brinell, Vickers dan Rockwell) 2. Buehler Micromet 2100 series microhardness tester (metode Vickers) 3. Micrometer & Measuring microscope 4. Sampel uji silinder pejal dan uji tarik (besi tuang, baja, tembaga dan aluminium) Gambar : Mesin hidraulic Untuk mendapatkan ketelitian hasil pengukuran kekerasan, hal yang harus diperhatikan sebelum waktu melakukan pengujian yaitu : Permukaan benda kerja harus bersih dari kerak dan kotoran lainnya. Posisi permukaan spesimen diusahakan tegak lurus dengan arah indentasi. Permukaan spesimen harus diam statis sebelum diberi beban tekan. Ketebalan spesimen paling tidak 10 kali diameter indentor.
Jarak antar titik pengukuran harus lebih besar dari 3 kali diameter indentor. Jarak titik pengukuran dari tepi spesimen paling tidak 3 kali diameter indentor.
FLOW CHART Metode Brinell dan Vickers (sample silinder pejal) Preparasi ya tidak Lepas Putar Ukur Periksa Pilih Hitung Sampel poros tuas diameter kontak sampel alat poros beban nilai Selesai dudukan & uji indentor yang lokasi (amplas jejak kekerasan hingga dan belakang sesuai benda indentor pasang lain dengan & jarum poles) uji searah menyentuh dan benda indentor lepaskan jarum uji batas jam
Metode Brinell (sample uji tarik) Preparasi ya tidak Lakukan Pilih Estimasi Tempatkan Hitung Ukur indentor (amplas pengujian Material kekuatan diameter Selesai nilai sampel dan grip kekerasan lain beban tarik sampel di pada jejak beberapa logam anvil yang uji tarik secara titik sesuai (min. horizontal 3) Metode Rockwell (sample silinder pejal)
Preparasi ya tida Atur Lakukan Baca Lepas Pasang Kembalikan sampel skala Material nilai Selesai benda indentor pembebanan pada kekerasan (amplas preload lain uji tuas yang mesin dari & poles) k antara uji sesuai beban sesuai dudukan sesuai (rockwell 10-15 ke posisi detik B yang semula atau dipilih C) Pengujian kekerasan mikro
Putar Amplas Atur Tempatkan Perhatikan Lakukan Putar Area Pengukuran fillar focus turet left Hitung Pilih turet kasar, Indentasi right yg fillar Nyalakan ke indentasi Tentukan struktur indentor-lensa dipilih beban nilai skala benda posisi fillar adjustment amplas Atur lebar kekerasan selesai ditempatkan nol dgn mikro instrument uji waktu lokasi knob lensa-obyektif pd halus, dgn jejak memutar menekan right dan knob indentasi yg permukaan hingga selesai poles akan pencahayaan knob micrometer mikromet di hingga dial tombol tengah kembali garis hg dan diuji hingga hg beban pembesaran bagian diperoleh etsa kanan START indentor ruang (40 benda kiri akhirnya terdalam bagian mencapai kanan menyentuh pandang posisi terdalam ujung x) 40 indentor uji ujung kanan xokuler dari kiri right terluar fillar jejak berhimpit dg bag kiri terdalam left fillar line
LAMPIRAN
DAFTAR PUSTAKA Callister,William D., 1940-Materials science and engineering : an Introduction/ William D. Callister, Jr. 7th ed Callister, William D. Materials and Science Engineering: an Introduction, 6 th edition. John Wiley & Sons, Inc. 2003. Davis,H.E,Troxell,G.E,Hauck, GFW. The Testing of Engineering Materials.1982. Dieter, George E. Mechanical Metallurgy. McGraw Hill Book Co. 1988. Louis Cart, Non Destructive Testing,ASM, 1995. Metal Handbook Ninth Edition, Volume 8, Mechanical Testing, ASM,1985. Sriati Djaprie, Metalurgi Mekanik, edisi ketiga, jilid 1, Erlangga, 1993.