Uji Tekan dan Puntir Pada Material Logam
Tentu saja, logam dapat mengalami deformasi plastis di bawah pengaruh yang diterapkan beban tekan, geser, dan torsi. Perilaku tegangan-regangan yang dihasilkan ke dalam daerah plastis mirip dengan pengaruh beban tarik. Namun untuk beban tekan tidak ada beban maksimal karena necking tidak terjadi dan mode patahnya berbeda dengan beban tarik.
Deformasi Tekan
Banyak operasi di bidang manufaktur, terutama proses seperti penempaan, rolling, dan ekstrusi dilakukan dengan benda kerja yang dikenai gaya tekan. Uji kompresi, di mana spesimen dikenai gaya tekan beban, memberikan informasi yang berguna untuk memperkirakan gaya dan kebutuhan daya dalam proses-proses ini. Tes ini biasanya dilakukan dengan mengompresi silinder padat spesimen antara dua pelat datar yang dilumasi dengan baik. Karena gesekan antara spesimen dan pelat, permukaan silinder spesimen menonjol, efeknya disebut barreling. Perhatikan bahwa spesimen ramping dapat tertekuk selama pengujian; dengan demikian, rasio tinggi-diameter dari spesimen silinder padat biasanya kurang dari 3:1.
Karena barelling, luas penampang spesimen berubah sepanjang tinggi, dan mendapatkan kurva tegangan-regangan dalam kompresi bisa sulit. Selanjutnya, gesekan menghilangkan energi, sehingga gaya tekan lebih tinggi dari itu sebaliknya memasok pekerjaan yang diperlukan untuk mengatasi gesekan. Dengan pelumasan yang efektif, gesekan dapat diminimalkan, dan luas penampang yang cukup konstan dapat dipertahankan selama pengujian.
Ketika hasil uji tekan dan tarik pada logam ulet dibandingkan, dapat dilihat bahwa kurva tegangan-regangan real bertepatan. Perilaku ini tidak berlaku untuk bahan rapuh, yang umumnya lebih kuat dan lebih ulet dalam kompresi daripada dalam ketegangan.
Tes Cakram
Untuk bahan getas seperti keramik dan gelas, uji cakram telah dikembangkan, di mana cakram mengalami kompresi antara dua pelat datar. Ketika material dimuat seperti yang ditunjukkan, tegangan tarik berkembang tegak lurus terhadap garis tengah vertikal di sepanjang calram; fraktur dimulai dan piringan terbelah dua secara vertikal. Tegangan tarik 𝜎 dalam cakram seragam sepanjang garis tengah dan dapat dihitung dari rumus
𝜎 = 2P / (𝜋dt)
di mana P adalah beban saat patah, d adalah diameter piringan, dan t adalah ketebalannya. Untuk menghindari kegagalan prematur pada titik kontak, strip tipis logam lunak ditempatkan di antara piringan dan pelat. Strip ini juga melindungi pelat dari rusak selama pengujian. Fraktur di tengah spesimen telah digunakan dalam pembuatan tabung mulus.
Deformasi Geser
Selain mengalami beban tarik dan kompresi, benda kerja dapat mengalami untuk regangan geser, seperti pada pembuatan lubang pada lembaran logam dalam swaging dan dalam pemotongan logam. Metode pengujian umumnya digunakan untuk menentukan sifat bahan dalam gaya geser adalah uji torsi. Untuk mendapatkan tegangan yang kira-kira seragam dan distribusi regangan di sepanjang penampang, tes ini biasanya dilakukan pada spesimen tubular tipis.
Spesimen torsi biasanya memiliki bagian penampang tereduksi untuk membatasi deformasi menjadi sempit. Tegangan geser dapat dihitung dari rumus
𝜏 = T / (2𝜋r2t)
di mana T adalah torsi, r adalah jari-jari rata-rata dari tabung, dan t adalah tebal tabung pada titik bagian sempitnya. Regangan geser dapat dihitung dari rumus
𝛾 = r𝜙/l
di mana l adalah panjang tabung yang mengalami torsi dan 𝜙 sudut puntir dalam radian.
Rasio tegangan geser terhadap regangan geser dalam rentang elastis dikenal sebagai modulus geser, atau modulus kekakuan, G, besaran yang berhubungan dengan modulus elastisitas, E. Sudut puntir 𝜙 patah pada puntiran batang bundar padat pada kenaikan suhu juga berguna dalam memperkirakan forgeability (Kemampuan untuk ditempa) logam. Semakin besar jumlah tikungan sebelum kegagalan, semakin baik kemampuan untuk ditempa.
>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL SEPUTAR MATERIAL TEKNIK LAINNYA!
Kontributor: Daris Arsyada
Sumber:
Kalpakjian, Serope dan Schmid, Steven R. (2009). Manufacturing Engineering and Technology (6th ed). New Jersey: Prentice Hall.
Uji Tarik Pada Logam
Uji tarik adalah metode yang paling umum untuk menentukan sifat mekanik bahan, seperti kekuatan, keuletan, ketangguhan, modulus elastisitas, dan kemampuan pengerasan regangan. Uji tarik terlebih dahulu membutuhkan persiapan tes spesimen. Meskipun sebagian besar benda uji tarik berbentuk padat dan bulat, mereka juga bisa datar atau berbentuk tabung. Spesimen disiapkan secara umum menurut spesifikasi ASTM. Berbagai spesifikasi lainnya juga tersedia dari organisasi di seluruh dunia.
Benda uji standar biasanya penampangnya melingkar, tetapi benda uji persegi panjang dapat digunakan. Konfigurasi spesimen berbentuk “tulang anjing” dipilih sehingga, selama pengujian, deformasi terbatas ke wilayah tengah yang sempit (yang memiliki penampang seragam sepanjang panjangnya) dan juga untuk mengurangi kemungkinan patah pada ujung spesimen. Diameter sekitar 12,8 mm (0,5 inci), sedangkan panjang bagian yang dikurangi harus setidaknya empat kali diameter ini; 60 mm (2,25 in) umumnya. Panjang pengukur digunakan dalam perhitungan keuletan, nilai standarnya adalah 50 mm (2,0 inci). Spesimen dipasang pada ujungnya ke pegangan alat pengujian. Mesin uji tarik dirancang untuk spesimen memanjang pada tingkat yang konstan, dan untuk mengukur secara terus menerus dan simultan beban yang diterapkan seketika (dengan sel beban) dan perpanjangan yang dihasilkan (menggunakan ekstensometer). Tes tegangan-regangan biasanya membutuhkan waktu beberapa menit untuk dilakukan dan destruktif; yaitu, benda uji berubah bentuk secara permanen dan biasanya retak.
Output dari uji tarik tersebut dicatat (biasanya pada komputer) sebagai beban atau kekuatan versus perpanjangan. Karakteristik beban-deformasi ini tergantung pada spesimen ukuran. Misalnya, diperlukan dua kali beban untuk menghasilkan perpanjangan yang sama jika potongan melintang luas benda uji menjadi dua kali lipat. Untuk meminimalkan faktor geometris ini, beban dan perpanjangan dinormalisasi ke masing-masing parameter tegangan teknik dan tekanan teknik. Tekanan teknik ditentukan oleh hubungan
𝜎 = F/A0
di mana F adalah beban sesaat yang diterapkan tegak lurus terhadap penampang spesimen, dalam satuan newton (N) atau gaya pound (lbf), dan A0 adalah penampang asli daerah sebelum beban diberikan (m2 atau in2). Satuan tegangan teknik adalah megapascal, MPa (SI) (di mana 1 MPa = 106 N/m2), dan pon gaya per inci persegi, psi.
Regangan teknik 𝜀 dapat dituliskan
𝜀 = (li – l0) / l0 = Δl / l0
di mana l0 adalah panjang awal sebelum beban diterapkan dan li adalah panjang sesaat. Terkadang kuantitas li – l0 dilambangkan sebagai Δl dan merupakan perpanjangan deformasi atau perubahan panjang pada suatu saat, sebagaimana mengacu pada panjang aslinya. Regagan tidak memiliki satuan, tetapi meter per meter atau inci per inci sering digunakan; nilai regangan jelas tidak tergantung pada sistem satuan. Kadang-kadang regangan juga dinyatakan sebagai persentase, di mana nilai regangan dikalikan dengan 100.
>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL SEPUTAR MATERIAL TEKNIK LAINNYA!
Kontributor: Daris Arsyada
Sumber:
Callister, William D. Jr, dan Rethwisch, David G. 2018. Materials Science and Engineering An Introduction (10th ed). Amerika Serikat: John Wiley & Sons, Inc.
Pengantar Ilmu Material dan Teknik
Disiplin ilmu material dan teknik dapat dibagi menjadi subdisiplin material science dan material teknik. Sebenarnya, science melibatkan penyelidikan hubungan yang ada antara struktur dan sifat bahan (yaitu, mengapa bahan memiliki sifat seperti itu). Sebaliknya, material teknik melibatkan, atas dasar korelasi struktur-sifat, perancangan atau merekayasa struktur material untuk menghasilkan seperangkat sifat bahan yang telah ditentukan. Dari perspektif fungsional, peran ilmuwan material mengembangkan atau mensintesis bahan baru, sedangkan insinyur material bertugas menciptakan produk baru atau sistem yang menggunakan bahan yang ada dan/atau untuk mengembangkan teknik pengolahan bahan.
Struktur Material
Secara singkat, struktur suatu material biasanya berkaitan dengan susunan komponen internalnya. Elemen struktural dapat diklasifikasikan berdasarkan ukuran dan dalam hal ini ada beberapa tingkatan:
- Struktur subatomik: melibatkan elektron di dalam masing-masing atom, energinya dan interaksi dengan inti.
- Struktur atom: berkaitan dengan kelompok atom menghasilkan molekul atau kristal.
- Struktur nano: berkaitan dengan kumpulan atom yang membentuk partikel (partikel nano) yang memiliki dimensi nano (kurang dari sekitar 100 nm).
- Struktur mikro: elemen struktural yang dapat diamati langsung dengan menggunakan beberapa jenis mikroskop (memiliki dimensi antara 100 nm dan beberapa milimeter).
- Makrostruktur: elemen struktural yang dapat dilihat dengan mata telanjang (dengan rentang skala antara beberapa milimeter dan pada urutan meter).
Sifat Penting Material
Hampir semua sifat penting dari bahan padat dapat dikelompokkan menjadi enam: mekanik, listrik, termal, magnetik, optik, dan deteriorative. Untuk setiap kategori, ada jenis stimulus yang khas yang mampu memicu respons yang berbeda:
- Sifat mekanis: menghubungkan deformasi dengan beban atau gaya yang diterapkan; contohnya modulus elastisitas (kekakuan), kekuatan, dan ketahanan terhadap patah.
- Sifat listrik: sifat rangsangan medan listrik yang diterapkan pada bahan; contohnya konduktivitas listrik dan konstanta dielektrik.
- Sifat termal: terkait dengan perubahan suhu atau gradien suhu melintasi bahan; contoh ekspansi termal dan kapasitas kalor.
- Sifat magnetik: respon bahan terhadap penerapan medan magnet; contoh kerentanan magnetik dan magnetisasi.
- Sifat optik: rangsangan bahan terhadap radiasi elektromagnetik atau cahaya; contoh indeks bias dan daya pantualan.
- Karakteristik deterioratif: berkaitan dengan reaktivitas kimia; contohnya ketahanan korosi logam.
Berkenaan dengan desain, produksi, dan pemanfaatan bahan, ada empat elemen yang perlu dipertimbangkan yaitu: pemrosesan, struktur, sifat, dan kinerja. Kinerja suatu bahan tergantung pada sifat-sifatnya, yang pada gilirannya merupakan fungsi dari struktur. Struktur ditentukan oleh bagaimana bahan diproses. Hubungan timbal balik di antara keempat elemen ini biasanya disebut paradigma sentral dari ilmu material dan teknik.
Klasifikasi Material
Bahan padat telah dikelompokkan ke dalam tiga kategori dasar: logam, keramik, dan polimer, yang didasarkan pada susunan kimia dan struktur atom. Sebagian besar bahan jatuh ke dalam satu pengelompokan yang berbeda atau yang lain. Selain itu, ada bahan komposit yang merupakan kombinasi teknik dari dua atau lebih bahan yang berbeda.
Logam/Metal
Logam terdiri dari satu atau lebih unsur logam (misalnya, besi, aluminium, tembaga, titanium, emas, nikel), dan sering juga unsur nonlogam (misalnya, karbon, nitrogen, oksigen) dalam jumlah yang relatif kecil. Atom dalam logam dan paduannya disusun dengan sangat teratur dan relatif padat dibandingkan keramik dan polimer. Untuk sifat mekanik, bahan ini relatif kaku dan kuat namun bersifat ulet (yaitu, mampu mengalami deformasi dalam jumlah besar tanpa patah), dan tahan terhadap fraktur. Bahan logam memiliki sejumlah besar elektron yang tidak terlokalisasi yaitu elektron-elektron ini tidak terikat pada atom tertentu. Banyak sifat logam yang dapat diatribusikan secara langsung ke elektron-elektron ini. Misalnya, logam adalah konduktor listrik dan panas yang baik, dan tidak transparan terhadap cahaya tampak; permukaan logam yang dipoles memiliki penampilan yang berkilau. Selain itu, beberapa logam (yaitu, Fe, Co, dan Ni) memiliki sifat magnetik yang baik.
Keramik
Keramik adalah senyawa antara unsur logam dan nonlogam paling sering oksida, nitrida, dan karbida. Misalnya, bahan keramik umum terdiri dari: aluminium oksida (atau alumina, Al2O3), silikon dioksida (atau silika, SiO2), silikon karbida (SiC), silikon nitrida (Si3N4), dan, sebagai tambahan, keramik tradisional tersusun oleh mineral lempung (misalnya, porselen), serta semen dan kaca. Berkenaan dengan sifat mekanik, bahan keramik relatif kaku dan kuat, kekakuan dan kekuatan sebanding dengan logam. Selain itu, mereka biasanya sangat keras. Secara historis, keramik telah menunjukkan kerapuhan yang ekstrim (kurangnya keuletan) dan sangat rentan patah. Namun, keramik baru sedang direkayasa ke telah meningkatkan ketahanan terhadap fraktur; bahan-bahan ini digunakan untuk peralatan masak, peralatan makan, dan bahkan bagian-bagian mesin mobil. Selanjutnya, bahan keramik biasanya bersifat isolator terhadap aliran panas dan listrik (yaitu, memiliki konduktivitas listrik yang rendah) dan lebih tahan terhadap suhu tinggi dan lingkungan yang keras daripada logam dan polimer. Berkenaan dengan karakteristik optik, keramik bisa transparan, tembus cahaya, atau buram, dan beberapa keramik oksida (misalnya, Fe3O4) menunjukkan memiliki sifat magnetik.
Polimer
Polimer seperti bahan plastik dan karet sudah lama dikenal. Banyak polimer organik yang secara kimia terdiri dari karbon, hidrogen, dan unsur nonlogam lainnya (yaitu, O, N, dan Si). Selain itu, polimer memiliki struktur molekul yang sangat besar, seringkali seperti rantai di alam, yang sering memiliki tulang punggung atom karbon. Beberapa yang umum adalah polietilen (PE), nilon, poli (vinil klorida) (PVC), polikarbonat (PC), polistirena (PS), dan karet silikon. Bahan-bahan ini biasanya memiliki kepadatan, sedangkan karakteristik mekanisnya umumnya berbeda dari bahan logam dan keramik, mereka tidak kaku atau kuat seperti jenis material lainnya. Namun, berdasarkan kepadatannya yang rendah, sering kali kekakuan dan kekuatannya pada basis per-massa sebanding dengan logam dan keramik. Selain itu, banyak polimer sangat ulet dan lentur (yaitu, plastik), yang berarti mereka mudah dibentuk menjadi bentuk yang kompleks. Polimer relatif lembam secara kimia dan tidak reaktif di sejumlah besar lingkungan. Selain itu, mereka memiliki konduktivitas listrik yang rendah dan nonmagnetik. Salah satu kelemahan utama polimer adalah kecenderungannya untuk melunak dan/atau membusuk pada suhu sederhana sehingga penggunaannya terbatas.
Komposit
Komposit terdiri dari dua (atau lebih) bahan individu yang berasal dari kategori yang telah dibahas sebelumnya: logam, keramik, dan polimer. Tujuan desain dari komposit adalah untuk mencapai kombinasi sifat yang tidak ditampilkan oleh satu pun material dan juga untuk menggabungkan karakteristik terbaik dari masing-masing komponen material. Sejumlah besar jenis komposit diwakili oleh kombinasi yang berbeda dari logam, keramik, dan polimer. Beberapa bahan alami juga tersedia pada komposit misalnya kayu dan tulang.
Salah satu komposit yang paling umum adalah fiberglass, di mana serat kaca kecil tertanam dalam bahan polimer (biasanya epoksi atau poliester). Serat kaca relatif kuat dan kaku (tetapi juga rapuh), sedangkan polimernya lebih fleksibel. Dengan demikian, fiberglass relatif kaku, kuat, dan fleksibel. Selain itu, ia memiliki kepadatan yang rendah.
Material Tingkat Lanjut
Kategori bahan lainnya adalah bahan canggih yang digunakan dalam aplikasi berteknologi tinggi. Seperti semikonduktor (memiliki konduktivitas listrik antara mereka dari konduktor dan isolator), biomaterial (yang harus kompatibel dengan tubuh) jaringan), smart-material (yang merasakan dan merespons perubahan di lingkungan mereka dengan cara yang telah ditentukan), dan nanomaterial (yang memiliki fitur struktural pada orde nanometer, beberapa di antaranya dapat dirancang pada tingkat atom/molekul).
>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL SEPUTAR MATERIAL TEKNIK LAINNYA!
Kontributor: Daris Arsyada
Sumber:
Callister, William D. Jr, dan Rethwisch, David G. 2018. Materials Science and Engineering An Introduction (10th ed). Amerika Serikat: John Wiley & Sons, Inc.