Mengenal Sifat Material

1
Mengenal Sifat Material Sifat Mekanis
2
Uji Mekanik
3
Salah satu kriteria dalam pemilihan material
untuk keperluan konstruksi adalah kekuatan
mekanis-nya
uji tarik (tensile test) uji
tekan (compression test) uji kekerasan (hardness
test) uji impak (impact test)
uji kelelahan (fatigue test)
Beberapa uji mekanik
Uji tarik (tensile test) dan uji tekan
(compression test) dilakukan untuk mengetahui
kemampuan material dalam menahan pembebanan
statis.
Uji kekerasan untuk mengetahui ketahanan material
terhadap perubahan (deformation) yang permanen.
Uji impak untuk mengetahui ketahanan material
terhadap pembebanan mekanis yang tiba-tiba.
Uji kelelahan untuk mengetahui lifetime dibawah
pembebanan siklis.
4
Uji Tarik
sebelum pembebanan
dengan pembebanan
Engineering Stress ? , didefinisikan sebagai
rasio antara beban P pada suatu sampel dengan
luas penampang awal dari sampel.
Engineering Stress
Engineering Strrain ? , didefinisikan sebagai
rasio antara perubahan panjang suatu sampel
dengan pembebanan terhadap panjang awal-nya.
Engineering Strain
5
Uji Tarik memberikan kurva stress terhadap strain
Stress-Strain Curve
linier
retak ?
contoh kurva stress-strain dari Cu polikristal

• di daerah elastis
• E ? (Hukum Hooke)
• E modulus Young

6
Stress-Strain Curve beberapa macam material yang
lain
7
Uji Tekan
Material yang brittle, lemah dalam uji tarik,
namun bisa kuat dalam uji tekan.
8
Uji Kekerasan
Uji kekerasan mengukur kekuatan material terhadap
suatu indenter indenter ini bisa berbentuk
bola, piramida, kerucut, yang terbuat dari
material yang jauh lebih keras dari material yang
diuji.
Uji kekerasan dilakukan dengan memberikan beban
secara perlahan, tegaklurus pada permukaan benda
uji, dalam jangka waktu tertentu.
Salah satu metoda adalah Test Brinell, dengan
indenter bola tungsten carbide, D 10 mm
Hardness Number dihitung dengan formula
9
Uji Impak
Uji impak mengukur energi yang diperlukan untuk
mematahkan batang material yang diberi lekukan
standar, dengan memberikan beban impuls.
Beban impuls diberikan oleh bandul dengan massa
tertentu, yang dilepaskan dari ketinggian
tertentu. Bandul akan menabrak spesimen dan
mematahkannya, kemudian naik lagi sampai
ketinggian tertentu.
Dengan mengetahui massa bandul dan selisih
ketinggian bandul saat ia dilepaskan dengan
ketinggian bandul setelah mematahkan spesimen,
dapat dihitung energi yang diserap dalam
terjadinya patahan.
10
Sifat Elastis
11
Semua jenis material berubah bentuk, atau berubah
volume, atau keduanya, pada waktu mendapat
tekanan ataupun perubahan temperatur.
Perubahan tersebut dikatakan elastis jika
perubahan bentuk atau volume yang disebabkan oleh
perubahan tekanan ataupun temperatur dapat secara
sempurna kembali ke keadaan semula jika tekanan
atau temperatur kembali ke keadaan awalnya.
Pada material kristal, hubungan antara stress dan
strain adalah linier sedangkan pada material non
kristal (dengan rantai molekul panjang) pada
umumnya hubungan tersebut tidak linier.
12
Pada bagian kurva stress-strain yang linier dapat
dituliskan hubungan linier
Modulus Young ditentukan dengan cara lain,
misalnya melalui formula
13
Ada beberapa konstanta proporsionalitas yang
biasa digunakan dalam menyatakan hubungan linier
antara stress dan strain, tergantung dari macam
stress dan strain
1) Modulus Young
14
2). Modulus shear
15
3) Modulus bulk (volume)
16
Sifat ElastisDitinjau Dari Skala Atom
17
Energi potensial dari dua atom sebagai fungsi
jarak antara keduanya dapat dinyatakan dengan
persamaan
V energi potensial r jarak antar atom A
konstanta proporsionalitas untuk tarik-menarik
antar atom B konstanta proporsionalitas untuk
tolak-menolak antar atom n dan m pangkat yang
akan memberikan variasi dari V terhadap r
18
Gaya dari dua atom sebagai fungsi jarak antara
keduanya dapat diturunkan dari relasi energi
potensial
F gaya antar atom r jarak antar atom a
konstanta proporsionalitas untuk tarik-menarik
antar atom b konstanta proporsionalitas untuk
tolak-menolak antar atom N dan M pangkat yang
akan memberikan variasi dari F terhadap r
19
Kurva energi potensial dan kurva gaya sebagai
fungsi jarak antara atom, disebut kurva
Condon-Morse
20
Kurva gaya dan garis singgung pada d0 untuk
keperluan praktis dapat dianggap berimpit pada
daerah elastis.
21
Pengaruh Temperatur
Jarak rata-rata antar atom meningkat dengan
peningkatan temperatur.
22
Anelastisitas
23
Tercapainya strain maksimum bisa lebih lambat
dari tercapainya stress maksimum yang diberikan.
Jadi strain tidak hanya tergantung dari stress
yang diberikan tetapi juga tergantung waktu. Hal
ini disebut anelastisitas.
Jika material mendapat pembebanan siklis, maka
keterlambatan strain terhadap stress menyebabkan
terjadinya desipasi energi.
Desipasi energi menyebabkan terjadinya damping.
Desipasi energi juga terjadi pada pembebanan
monotonik isothermal di daerah plastis.
Gejala ini dikenal sebagai creep.
24
Efek Thermoelastik
Material kristal cenderung turun temperaturnya
jika diregangkan (ditarik).
Jika peregangan dilakukan cukup lambat, maka
material sempat menyerap energi thermal dari
sekelilingnya sehingga temperaturnya tak berubah.
Dalam hal demikian ini proses peregangan
(straining) terjadi secara isothermik.
Loop Histerisis Elastis
25
Desipasi energi per siklus tergantung dari
frekuensi
26
Difusi Atom
27
Peregangan bisa menyebabkan terjadinya difusi
atom.
28
Waktu Relaksasi ?
t0
29
Keretakan (Fracture)
30
Keretakan adalah peristiwa terpisahnya satu
kesatuan menjadi dua atau lebih bagian. Bagaimana
keretakan terjadi, berbeda dari satu material ke
material yang lain, dan pada umumnya dipengaruhi
oleh stress yang diberikan, geometris dari
sampel, kondisi temperatur dan laju strain yang
terjadi.
Keretakan dibedakan antara keretakan brittle dan
ductile.
Keretakan brittle terjadi dengan propagasi yang
cepat sesudah sedikit terjadi deformasi plastis
atau bahkan tanpa didahului oleh terjadinya
deformasi plastis.
Keretakan ductile adalah keretakan yang didahului
oleh terjadinya deformasi plastis yang cukup
panjang / lama, dan keretakan terjadi dengan
propagasi yang lambat.
31
Pada material kristal, keretakan brittle biasanya
menjalar sepanjang bidang tertentu dari kristal,
yang disebut bidang cleavage.
Pada material polikristal keretakan brittle
tersebut terjadi antara grain dengan grain karena
terjadi perubahan orientasi bidang clevage ini
dari grain ke grain.
Selain terjadi sepanjang bidang cleavage,
keretakan brittle bisa terjadi sepanjang batas
antar grain, dan disebut keretakan intergranular.
Kedua macam keretakan brittle, cleavage dan
intergranular, terjadi tegak lurus pada arah
stress yang maksimum.
Kalkulasi teoritis kekuatan material terhadap
keretakan adalah sangat kompleks. Walaupun
demikian ada model sederhana, berbasis pada
besaran-besaran sublimasi, gaya antar atom,
energi permukaan, yang dapat digunakan untuk
melakukan estimasi. Tidak kita pelajari.
32
Keretakan ductile didahului oleh terjadinya
deformasi plastis, dan keretakan terjadi dengan
propagasi yang lambat.
Pada material yang digunakan dalam engineering,
keretakan ductile dapat diamati terjadi dalam
beberapa tahapan

1. terjadinya necking, dan mulai terjadi gelembung
   retakan di daerah ini
2. gelembung-gelembung retakan menyatu membentuk
   retakan yang menjalar keluar tegaklurus pada arah
   stress yang diberikan
3. retakan melebar ke permukaan pada arh 45o
   terhadap arah tegangan yang diberikan.

Mulai awal terjadinya necking, deformasi dan
stress terkonsentrasi di daerah leher ini. Stress
di daerah ini tidak lagi sederhana searah dengan
arah gaya dari luar yang diberikan, melainkan
terdistribusi secara kompleks dalam tiga sumbu
arah. Keretakan ductile dimulai di pusat daerah
leher, di mana terjadi shear stress maupun
tensile stress lebih tinggi dari bagian lain pada
daerah leher. Teori tidak kita pelajari.
33
Transisi dari ductile ke brittle
Dalam penggunaan material, adanya lekukan, atau
temperatur rendah, atau pada laju strain yang
tinggi, bisa terjadi transisi dari keretakan
ductile ke brittle.
Keretakan ductile menyerap banyak energi sebelum
patah, sedangkan keretakan brittle memerlukan
sedikit energi.
Hindarkan situasi yang mendorong terjadinya
transisi ke kemungkinan keretakan brittle.
34
Keretakan karena kelelahan metal
Material ductile dapat mengalami kegagalan fungsi
jika mendapat stress secara siklis, walaupun
stress tersebut jauh di bawah nilai yang bisa ia
tahan dalam keadaan statis.
Tingkat stress maksimum sebelum kegagalan fungsi
terjadi, disebut endurance limit.
Endurance limit didefinidikan sebagai stress
siklis paling tinggi yang tidak menyebabkan
terjadinya kegagalan fungsi, berapapun frekuensi
siklis-nya.
Endurance limit hampir sebanding dengan ultimate
tensile strength (UTS). Pada alloy besi sekitar ½
dan pada alloy bukan besi sampai 1/3 UTS.
Secara umum diketahui bahwa jika bagian permukaan
suatu spesimen lebih lunak dari bagian dalamnya
maka kelelahan metal lebih cepat terjadi
dibandingkan dengan jika bagian permukaan lebih
keras. Untuk meningkatkan umur mengahadapi
terjadinya kelelahan metal, dilakukan pengerasan
permukaan (surface-harden).
35
Course WareMengenal Sifat MaterialSifat
MekanisSudaryatno Sudirham