materi tentang gambaran sifat-mekanis.ppt

materi tentang gambaran sifat-mekanis

1. Mengenal Sifat Material
Sifat Mekanis
By. Dr.Eng. Aldias Bahatmaka

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)
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.
Beberapa uji mekanik:

4. Uji Tarik
A
0
l
0
A
l
P
Engineering Stress :  , didefinisikan sebagai rasio antara beban P
pada suatu sampel dengan luas penampang awal dari sampel.
0A
P
Engineering Stress :
Engineering Strain :
00
0
l
l
l
ll 



Engineering Strrain :  , didefinisikan sebagai rasio antara perubahan
panjang suatu sampel dengan pembebanan terhadap panjang awal-nya.
sebelum pembebanan dengan
pembebanan

5. Stress-Strain Curve :
| | | |
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5









|








|








|









40
30
20
10
0
strain,  [in./in.]

s
t
r
e
s
s
,



[
1
0
0
0

p
s
i] ultimate tensile strength
contoh kurva stress-strain
dari Cu polikristal
retak

| | |
0 0.001 0.002 0.003









|








|








|









12
9
6
3
0
strain,  [in./in.]

s
t
r
e
s
s
,



[
1
0
0
0

p
s
i]
daerah elastis
mulai daerah plastis
E
batas elastis
di daerah elastis:
 = E  (Hukum Hooke)
E = modulus Young
yield strength
Uji Tarik memberikan kurva stress terhadap strain
linier

6. Stress-Strain Curve beberapa macam material yang lain:
| | | |
0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25









|








|








|









80
60
40
20
0
strain,  [in./in.]

s
t
r
e
s
s
,



[
1
0
0
0

p
s
i]
baja 1030
upper yield point
lower yield point


| | |
0 0.001 0.002 0.003









|








|








|









200
150
100
50
0
strain,  [in./in.]

s
t
r
e
s
s
,



[
1
0
0
0

p
s
i]
tungsten carbide

7. Uji Tekan
Material yang brittle, lemah dalam uji tarik, namun bisa kuat dalam uji tekan.
| | | |

0 0.01 0.02 0.03 0.04












|











|











|









120
80
40
0
strain:  [in./in.]

s
t
r
e
s
s
:



[
1
0
0
0

p
s
i]
besi tuang
tekan


tarik
beton
| | | |

0 0.001 0.002 0.003 0.004













|











|











|









3
2
1
0
strain:  [in./in.]

s
t
r
e
s
s
:



[
1
0
0
0

p
s
i]
tekan

tarik

8. spesimen
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.
D
d
P
Salah satu metoda adalah Test Brinell, dengan
indenter bola tungsten carbide, D = 10 mm
Hardness Number dihitung dengan formula:








22
2
BHN
dDDD
P

9. spesimen
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.
ujung bandul
penahan
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.
strain, 
elastis
s
t
r
e
s
s
,


A
strain, 
elastis

s
t
r
e
s
s
,


A

12. Pada bagian kurva stress-strain yang linier dapat dituliskan hubungan linier
strain: 
elastis
s
t
r
e
s
s
:


A
E = modulus Young E
Modulus Young ditentukan dengan cara lain,
misalnya melalui formula:


E
v
densitas material
kecepatan rambat suara
dalam material

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
l
l
0
222
00 z
llll 



 strain: 
z

s
t
r
e
s
s
:


z
z
z
E




z

z

14. 2). Modulus shear
tan
Shear strain, 

S
h
e
a
r


s
t
r
e
s
s
,





G

l
0



15. 3) Modulus bulk (volume)
volume awal V
0
hydx
hydy
hydz
V
perubahan volume
V / V
0

h
y
d
r
o
s
t
a
t
ic


s
t
r
e
s
s

:


h
y
d
0/VV
K
hyd




16. Sifat Elastis
Ditinjau Dari Skala Atom

17. Energi potensial dari dua atom sebagai fungsi jarak antara keduanya
dapat dinyatakan dengan persamaan:
mn
r
B
r
A
V 


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:
MN
r
b
r
a
F 


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
11 






mn
r
mB
r
nA
r
V
F
maka ,1 dan ,1 , , : Jika MmNnbmBanA 

19. Kurva energi potensial dan kurva gaya sebagai fungsi jarak antara
atom, disebut kurva Condon-Morse:
d
0
tolak-menolak
m
r
B
V
tarik-menarik
n
r
A
V


r
e
n
e
r
g
i
p
o
t
e
n
s
ia
l,

V
jumlah
tolak-menolak
M
r
b
F
tarik-menarik
M
r
a
F


rg
a
y
a
,

F
jumlah
d
0

20. Kurva gaya dan garis singgung pada d
0 untuk keperluan praktis dapat
dianggap berimpit pada daerah elastis.
d
0
rg
a
y
a
,

F
MN
r
b
r
a
F 


daerah elastis

21. Jarak rata-rata antar atom
meningkat dengan peningkatan
temperatur.
E
n
e
r
g
i
P
o
t
e
n
s
ia
l
jarak antar atom
d
0
T >>
0
o
K
d
rata2
d
rmaksd
rmin
Pengaruh 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.


O
X
MA
A’

M

A
adiabatik
isothermik

M
M

M
X


O
Loop Histerisis Elastis

25. Desipasi energi per siklus tergantung dari frekuensi


O

O

O 

O 

O
d
e
s
ip
a
s
i
e
n
e
r
g
i
p
e
r

s
ik
lu
s
f
1
f
2
f
3
f
4
f
5

frekuensi

26. Difusi AtomDifusi Atom

27. Peregangan bisa menyebabkan terjadinya difusi atom.

28. Waktu Relaksasi : 
t


2

1
t
0
t
1
2
12


a
 


/
2
1
t
ae
 

/)(
2
1
tt
ea

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 45
o
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).