Sifat anisotropi mekanik bahan

Sifat anisotropi mekanik bahan

Bahan merupakan bagian dari semesta alam. Bahan itu sendiri memeiliki sifat yang sangat khas secara mekanik seperti yang dijelaskan pada peta konsep di atas. Bahan itu yang di dalamnya ada logam, keramik, polimer (plastic), serat  gelas, kayu, batu, pasir, dan lain – lain.

Deformasi elastic

Untuk keelastikan dari suatu bahan bisa dilihat dari kekuatan, kekerasan, elastisitas, dan ketangguhan bahan. Deformasi elastis sifatnya tidak permanen, bilaman bahan dikenai beban bahan akan kembali ke bentuknya semula. Bila sifat elastic ini terjadi pada logam, logam itu akan mengalami pertambahan panjang dengan regangan e. Di dalam deformasi elastic ini dipengaruhi oleh kerapatan ( rapat massa dan berat jenis) Rapat massa merupakan besaran yang menyatakan ukuran kerapatan partikel-pertikel menyusun bahan, dan dinyatakan dengan hubungan dengan Dengan m adalah massa bahan (kg) dan V adalah volume bahan (m3) sehingga satuan rapat massa r adalah kg/m3.

                                                                                   …                     …………… 1

Berat Jenis suatu bahan pada dasarnya tidak berbeda dengan rapat massa Dengan W adalah berat bahan (N) dan V adalah volume bahan (m3), sehingga satuan berat jenis (r g) adalah (N/m3)

 

                                                                                           ………………………2

Kosep Tegangan Regangan

Jika suatu bahan pada temperatur kamar dikenai gaya statis dimana perubahannya sangat lambat terhadap waktu, maka bahan tersebut dikatakan telah mengalami pengujian tegangan-regangan

secara sederhana. Ada 3 (tiga) jenis beban (gaya) terpakai yang dapat dikenakan pada bahan, yaitu: tegangan tarik, tegangan tekan dan tegangan geser. Seperti yang akan diilustrasikan pada gambar dibawah ini.

                                                                                                                             

Gambar 1. (a) Ilustrasi skematik bagaimana suatu gaya tegangan menghasilkan perpanjangan dan regangan linier positif. Garis putus-putus mewakili bentuk sebelum deformasi dan garis padat setelah deformasi. (b) Ilustrasi skematik bagaimana suatu gaya tekan menghasilkan konstraksi dan regangan linier negatif. (c) Skematik yang diwakili oleh regangan geser g, dengan g = tan q

Pengujian Tegangan

Salah satu cara yang umum dilakukan dalam pengujian sifatmekanik tegangan-regangan adalah unjuk kerja bahan karena pengaruh tegangan. Suatu bahan (sampel) yang mengalami deformasi dengan beban tegangan bertambah secara perlahan-lahan (kontinu) sepanjang arah tunggal sumbu sampel akan mengalami tegangan-regangan. Bentuk sampel standar untuk pengujian tegangan reganagn ditunjukkan

pada Gambar 2 di bawah ini

Gambar 2.  Sampel tegangan standard dengan tampang lintang melingkar

Bentuk alat uji tarik ditunjukkan pada Gambar 3 Hasil pengujian tegangan-regangan dicatat pada kertas grafik. Sumbu tegak (vertikal) menyatakan nilai tegangan dan sumbu mendatar (horisontal) menyatakan nilai regangan.

Gambar 3.  (a) alat uji tegangan tarik dan (b) Grafik hasil uji tarik

Karakteristik deformasi karena beban terpakai tergantung pada ukuran sampel. Sebagai contoh diperlukan beban dua kali lebih besar untuk menghasilkan perpanjangan yang sama jika luas penampang lintangnya dilipatgandakan. Secara matematis tegangan teknik dinyatakan dengan rumusan

 

                                                                                                     …………………………………3

Dengan F adalah beban (gaya) yang dipakai secara tegak lurus terhadap tampang lintang dalam satuan Newton (N) dan A0 adalah luas tampang lintang mula-mula sebelum dikenai gaya tarik (inc2 atau m2). Satuan

tegangan teknik σ adalah Mega Pascal (Mpa) atau N/m2 (1 MPa = 106 N/m2 = 145 psi). Regangan teknik ε berhubungan dengan perubahan panjang bahan akibat dikenai gaya terpakai, secara matematis dinyatakan

dengan rumusan

                                                                                                      ………………………….4

Dengan l0 adalah panjang bahan mula-mula sebelum dikenai beban tarik dan li adalah panjang akhir benda setelah dikenai beban tarik. Seringkali li–l0 dinotasikan dengan Dl dan dinyatakan sebagai perpanjangan deformasi atau perubahan panjang dari panjang mulamula. Regangan teknik seringkali disebut regangan saja, satuan yang digunakan adalah meter per meter, sehingga harga regangan jelas tidak tergantung pada sistem satuan. Seringkali regangan dinyatakan dalam prosen dengan harga regangan dikalikan 100.

Pengujian Tegangan Tekan dan Tegangan Geser

Pengujian tegangan-regangan tekan dan geser dapat dilakukan jika gaya yang digunakan adalah jenis tekan dan geser. Pengujian tegangan tekan dilakukan dengan cara yang sama dengan pengujian tegangan tarik, tetapi arah gayanya berlawanan dan perubahan panjang sampel searah dengan tegangan yang diberikan. Persamaan 2 dan 3

dapat digunakan untuk menghitung tegangan dan regangan tekan. Dengan catatan bahwa beban (gaya) tekan berharga negatif dan menghasilkan regangan negatif. Selanjutnya l0 lebih besar dari li, regangan tekan dihitung dari Persamaan 4 juga berharga negatif. Pengujian tegangan lebih umum kerena mempunyai unjuk kerja yang lebih mudah. Juga untuk beberapa bahan informasi yang diperoleh lebih sedikit pada pengujian tegangan tekan.

Pengujian unjuk kerja bahan dengan menggunakan gaya geser seperti yang ditunjukkkan pada Gambar 1c, tegangan geser dihitung dengan persamaan :

 

                                                            ……………………..5

Dengan F adalah gaya muka atas dan bawah yang arahnya berlawanan dan masing-masing mempunyai luas A0. Regangan geser A0  didefinisikan sebagai tangen dari sudut regangan q (g = tan q ) , seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.c. Satuan tegangan dan regangan geser sama dengan sebelumnya.

Modulus Elastisitas Bahan

Deformasi: pemberian beban gaya tarik / tekan pada benda yang akan menghasilkan perbandingan tegangan yang sebanding dengan regangan disebut deformasi elastis. Grafik dari tegangan pada sumbu y

dan regangan pada sumbu x menghasilkan hubungan linier, seperti

yang ditunjukkan pada Gambar 4. Seperti yang terlihat pada Gambar 4 slope dari bagian yang

linier merupakan modulus elastisitas E. Moduluas elatisitas ini menyatakan kekuatan atau ketahanan bahan dalam menerima deformasi elastis, semakin besar nilai modulusnya semakin kuat bahan tersebut.

 

Gambar 4 Skematik diagram tegangan-regangan yang menunjukkan deformasi elastik untuk siklus

beban dan tanpa beban.

Beberapa jenis logam nilai modulus elastisitasnya berkisar antara 4,5x104 MPa untuk Magnesium sampai 40,7x104 MPa untuk Tungsten. Nilai modulus elastisitas beberapa bahan logam pada temperatur kamar ditunjukkan pada Tabel 1 Modulus Elastisitas Beberapa Bahan Logam

 

Deformasi elastis sifatnya tidak permanen, bilaman bahan dikenai beban bahan akan kembali ke bentuknya semula. Berdasarkan ploting tegangan-regangan (Gambar 4) pemberian beban berhubungan dengan gerakan dari titik 0 sampai ke atas sepanjang garis lurus, jika beban dihilangkan garisnya akan merambat kembali ke titik awal dalam arah yang berlawanan.

Tegangan tekan dan geser dapat mempunyai sifat elastis yang hampir sama. Karakteristik tegangan-regangan pada pemakaian tegangan rendah sama untuk tegangan tarik dan tekan, termasuk besarnya modulus elastisitas. Sedangkan perbandingan tegangan dan regangan geser dinyatakan dengan persamaan

                                                                                                         …………………… 6

            Dengan G disebut modulus geser, slope daerah elastiknya juga linier pada kurva tegangan-regangan geser dan mempunyai satuan Mpa atau N/m2. Tabel 1 menunjukkan nilai modulus geser beberapa bahan logam.

Hukum Hooke

Besarnya perubahan struktur atau regangan tergantung pada besarnya tegangan yang diberikan. Untuk beberapa logam tingkat perubahan tegangan relatif lambat, besarnya tegangan dan regangan berbanding lurus dan dinyatakan melalui hubungan

 

                                                                                                ……………………7

Persamaan dikenal sebagai hukum Hooke dan E adalah konstanta proporsional dalam satuan Mpa atau N/m2 yang dikenal sebagai sebagai modulus elastisitas atau modulus Young

Deformasi Plastis

Dalam beberapa bahan logam, deformasi elastis tepat hanya sampai regangan sekitar 0,002. Jika bahan dideformasi di atas titik tersebut tegangannya tidak lagi sesuai dengan perubahan regangan yang bersifat elastis tetapi sudah bersifat permanen. Akibatnya bahan tidak dapat dipulihkan kembali atau bahan telah mengalami deformasi plastis. Gambar 5 menyatakan hubungan secara skematik sifat tegangan-regangan tarik di dalam daerah plastis untuk logam. Transisi dari elastis ke plastis adalah salah satu perubahan sifat untuk kebanyakan logam, dimana pertambahan regangan lebih cepat dari pada pertambahan tegangan.

 

                                                                                                            

Gambar 5 Perilaku tegangan-regangan untuk logam yang menunjukkan deformasi elastis dan plastis, batas proporsional P, dan kekuatan luluh σ y digunakan untuk menentukan regangan 0,002 dengan metode offset.

Uji Tarik

Uji tarik mungkin dapat dikatakan pengujian yang paling mendasar. Pengujian ini sangat sederhana, tidak mahal dan telah mengalami standarisasi di seluruh dunia, baik dari metode pengujian, bentuk spesimen yang diuji dan metode perhitungan dari hasil pengujian tersebut. Dengan menarik suatu material secara perlahan-lahan, kita akan mengetahui reaksi dari material tersebut terhadap pembebanan yang diberikan dan seberapa panjang material tersebut bertahan sampai akhirnya putus.

 

                       Gambar 6. Skema pengujian tarik dari awal pembebanan

 

                                            Gambar 7. Profil data hasil uji tari

Berikut adalah beberapa sifat mekanik yang penting untuk diketahui :

• Kekuatan (strength), menyatakan kemampuan bahan untuk menerima tegangan tanpa menyebabkan bahan menjadi patah. Kekuatan ini ada beberapa macam, tergantung pada jenis beban yang bekerja atau mengenainya. Contoh kekuatan tarik, kekuatan geser, kekuatan tekan, kekuatan torsi, dan kekuatan lengkung.
• Kekerasan (hardness), dapat didefenisikan sebagai kemampuan suatu bahan untuk tahan terhadap penggoresan, pengikisan (abrasi), identasi atau penetrasi. Sifat ini berkaitan dengan sifat tahan aus (wear resistance). Kekerasan juga mempunya korelasi dengan kekuatan.
• Kekenyalan (elasticity), menyatakan kemampuan bahan untuk menerima tegangan tanpa mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk yang permanen setelah tegangan dihilangkan. Bila suatu benda mengalami tegangan maka akan terjadi perubahan bentuk. Apabila tegangan yang bekerja besarnya tidak melewati batas tertentu maka perubahan bentuk yang terjadi hanya bersifat sementara, perubahan bentuk tersebut akan hilang bersama dengan hilangnya tegangan yang diberikan. Akan tetapi apabila tegangan yang bekerja telah melewati batas kemampuannya, maka sebagian dari perubahan bentuk tersebut akan tetap ada walaupun tegangan yang diberikan telah dihilangkan. Kekenyalan juga menyatakan seberapa banyak perubahan bentuk elastis yang dapat terjadi sebelum perubahan bentuk yang permanen mulai terjadi, atau dapat dikatakan dengan kata lain adalah kekenyalan menyatakan kemampuan bahan untuk kembali ke bentuk dan ukuran semula setelah menerima bebang yang menimbulkan deformasi.
• Kekakuan (stiffness), menyatakan kemampuan bahan untuk menerima tegangan/beban tanpa mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk (deformasi) atau defleksi. Dalam beberapa hal kekakuan ini lebih penting daripada kekuatan.
• Plastisitas (plasticity) menyatakan kemampuan bahan untuk mengalami sejumlah deformasi plastik (permanen) tanpa mengakibatkan terjadinya kerusakan. Sifat ini sangat diperlukan bagi bahan yang akan diproses dengan berbagai macam pembentukan seperti forging, rolling, extruding dan lain sebagainya. Sifat ini juga sering disebut sebagai keuletan (ductility). Bahan yang mampu mengalami deformasi plastik cukup besar dikatakan sebagai bahan yang memiliki keuletan tinggi, bahan yang ulet (ductile). Sebaliknya bahan yang tidak menunjukkan terjadinya deformasi plastik dikatakan sebagai bahan yang mempunyai keuletan rendah atau getas (brittle).
• Ketangguhan (toughness), menyatakan kemampuan bahan untuk menyerap sejumlah energi tanpa mengakibatkan terjadinya kerusakan. Juga dapat dikatakan sebagai ukuran banyaknya energi yang diperlukan untuk mematahkan suatu benda kerja, pada suatu kondisi tertentu. Sifat ini dipengaruhi oleh banyak faktor, sehingga sifat ini sulit diukur.
• Kelelahan (fatigue), merupakan kecendrungan dari logam untuk patah bila menerima tegangan berulang – ulang (cyclic stress) yang besarnya masih jauh dibawah batas kekuatan elastiknya. Sebagian besar dari kerusakan yang terjadi pada komponen mesin disebabkan oleh kelelahan ini. Karenanya kelelahan merupakan sifat yang sangat penting, tetapi sifat ini juga sulit diukur karena sangat banyak faktor yang mempengaruhinya.
• Creep, atau bahasa lainnya merambat atau merangkak, merupakan kecenderungan suatu logam untuk mengalami deformasi plastik yang besarnya berubah sesuai dengan fungsi waktu, pada saat bahan atau komponen tersebut tadi menerima beban yang besarnya relatif tetap.

Beberapa sifat mekanik diatas juga dapat dibedakan menurut cara pembebanannya, yaitu

• Sifat mekanik statis, yaitu sifat mekanik bahan terhadap beban statis yang besarnya tetap atau bebannya mengalami perubahan yang lambat.
• Sifat mekanik dinamis, yaitu sifat mekanik bahan terhadap beban dinamis yang besar berubah – ubah, atau dapat juga dikatakan mengejut.