BAB I

SIFAT LOGAM

A. TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS

Setelah mahsiswa mengikuti mata kuliah ini, diharapkan dapat menjelaskan sifat-sifat

logam.

B. PENDAHULUAN

Pengetahuan tentang sifat-sifat logam sangat penting diketahui agar dapat

diaplikasikan secara tepat dan benar sesuai dengan tujuannya. Kesalahan dalam

menghubungkan antara sifat-sifat logam dan penggunaannya pada sebuah konstruksi

mesin maka dapat berakibat fatal baik pada konstruksinya maupun pada manusianya

sebagai pengguna konstruksi tersebut.

Secara garis besar, sifat logam dibagi menjadi 2 yaitu sifat fisik dan sifat

mekanik. Sifat fisik adalah semua sifat logam yang tampak dan dapt dilihat dan

dirasa. Contoh bentuk, warna dan sebagainya. Sedangkan sifat mekanik adalah semua

sifat logam yang hanya bias diketahui jika melakukan pengujian. Contoh: kekuatan,

kekerasan, keliatan dan sebagainya.

Uraian materi dalam bab ini selanjutnya akan lebih mendalam tentang kedua

sifat ini, berikut cara pengujiannya dan cara mengubah sifat mekanik tersebut agar

sesuai dengan penggunaannya dalam bidang konstruksi mesin.

C. POKOK MATERI

1.1. Sifat Fisik dan Sifat Mekanik

a. Sifat Fisik

Sifat fisik adalah semua sifat logam yang dapat dilihat atau yang tampak

langsung. Beberapa sifat fisik yang penting untuk diketahui adalah:

1. Warna, semua logam mempunyai warna yang khas. Contoh: tembaga

berwarna merah, besi berwarna hitam, besi cor kelabu berwarna abu-

abu, alumanium berwarna keperakan dan sebagainya.

2. Kepadatan (density), yaitu berat persatuan volume bahan. Kebalikan dari

densitas adalah volume spesifik. Perkalian dari kedua besaran ini

diperoleh volume atom.

3. Sifat-sifat termal

Kenaikan temperatur pada logam akan menaikan getaran atom yang

mengakibatkan ekspansi termal kisi, sehungga terjadi perubahan dimensi

logam. Perubahan volume logam dengan berubahnya temperatur

berperan penting dalam proses-proses metalurgi seperti pengecoran dan

perlakuan panas.

4. Konduktivitas listrik

Terjadi akibat pergerakan elektron-elektron melalui kisi.

5. Sifat magnetik

Dikenal 2 tipe logam yaitu pertama logam diamagnetik merupakan

logam-logam dengan harga K negatif seperti tembaga, perak, emas,

bismuth, yang tolak-menolak dengan daerah magnetic. Kedua,

paramagnetic (feromagnetik) merupakan logam-logam yang memiliki K

positif (tarik-menarik) dengan daerah magnetik.

b. Sifat mekanik

Sifat mekanik adalah senua sifat yang terkandung didalam logam tersebut

dan hanya dapat diketahui dengan cara melakukan pengujian mekanik.

Beberapa sifat mekanik logam adalah sebagai berikut:

1. Strength (kekuatan), yaitu kemampuan material/bahan untuk menahan

pengaruh gaya-gaya luar yang bekerja sampai pada batas kerusakan.

(beberapa macam kekuatan logam dapat dibaca dalam materi pengujian

sifat mekanik logam).

2. Stifness(kekakuan), yaitu kemampuan bahan untuk menahan perubahan

bentuk (deformasi).

3. Elasticity (elastisitas), yaitu sifat bahan yang dapat kembali (regain) ke

bentuk semula setelah deformasi terjadi, pada saat gaya luar atau beban

dihilangkan.

4. Plasticity (plastisitas), yaitu sifat material yang tidak dapat kembali

(retain) kebentuk semula akibat deformasi dibawah beban permanen.

Sering disebut deformasi permanen.

5. Ductility (keliatan), yaitu kemampuan bahan untuk menahan beban

patah dan mudah dibentuk atau diolah seperti pengerolan, penarikan dan

sebagainya. Semakin besar keliatan suatu bahan maka semakin aman

terhadap kemungkinan patah. Keliatan pada umumnya dinyatakan oleh

regangan teknis sampai titik patah (break) dari suatu pengujian tarik.

Besarnya keliatan dinyatakan dalam persentasi perpanjangan dan

persentasi pengecilan luas.

6. Keuletan

Menyatakan energy yang diabsorbsi oleh bahan sampai titik patah, yaitu

merupakan luas bidang dibawah kurva tegangan regangan.

7. Creep (melar)

Beberapa bagian dari mesin dan struktur dapat berdeformasi secara

kontinu dan perlahan-lahan dalam periode waktu yang lama jika

dibebani secara tetap. Deformasi semacam ini, yang tergantung pada

waktu disebut melar.

8. Kelelahan

Patahan lelah disebabkan oleh tegangan berulang dan juga dapat terjadi

pada tegangan kurang dari 1/3 kekuatan tarik tatik pada bahan struktur

tanpa konsentrasi tegangan. Dalam keadaan dimana pemusatan tegangan

diperhitungkan, mungkin bahan akan putus pada tegangan yang lebih

rendah. Jadi kelelahan memegang peran utama dalam putusnya bahan

secara mendadak pada penggunaan suatu struktur atau komponen.

Proses terjadinya patah lelah: terjadinya retakan awal, perambatan

retakan lelah, patahan static terhadap luas penampang sisa. Untuk

mencegah maka perlu dilakukan pengawasan pada setiap prosesnya.

9. Keausan

Keausan terjadi karena adanya gesekan (friction) pada bidang kontak

saat sebuah komponen bergerak dengan tahanan. Jika hal tersebut terjadi

secara terus-menerus maka abrasi (pengikisan) akan berlanjut dan

merusak keliatan komponen yang selanjutnya berkembang terus menjadi

lebih parah sampai suatu saat patah.

10. Kekerasan

Kekerasan adalah kemampuan bahan untuk menahan beban yang tinggi

termasuk kemampuan logam memotong logam yang lain.

1.2. Pengujian Sifat Mekanik Logam

Untuk mengetahui sifat mekanik suatu bahan logam maka harus dilakukan

pengujian sifat mekanik tersebut. Berikut ini akan diuraikan beberapa cara

pengujian sifat mekanik yang perlu diketahui.

a. Pengujian kekuatan tarik

Tujuan pengujian kekuatan tarik adalah untuk mengetahui kemampuan

bahan dalam menahan beban tarik, dengan cara mengukur dan menghitung

tegangan tarik yang terjadi pada bahan uji (specimen) sampai putus dan

perpanjangannya.

Prosedur pengujian:

Specimen disiapkan

Specimen dipasang pada jepitan dengan cara ujung-ujung specimen

dijepit dengan kuat dan salah satu ujungnya dihubungkan dengan alat

pengukur beban, sedangkan ujung yang lain dengan alat penarik.

Menambahkan beban sampai specimen putus

Mencatat setiap penambahan beban dan perpanjangannya.

Perpanjangan bahan sewaktu pengujian berlangsung akibat penambahan

beban sangat kecil, sebanding dengan peningkatan gaya yang diberikan

sampai batas elastis, kemudian berubah menjadi plastis, kemudian genting

dan akhirnya putus. Pada gambar 1 berikut ini diperlihatkan keadaan bahan

(baja lunak) dalam proses pengujian tarik yaitu hasil perubahan gaya tarik

dan perpanjangannya.

Gambar 1. Diagram pengujian tarik

Besarnya gaya tarik dan pertambahan panjang sangat dipengaruhi oleh luas

penampang dan panjang awal specimen, maka hasil akhir dalam diagram

adalah hubungan antara tegangan (N/mm2) dan perpanjangannya (mm)

dengan nilai perpanjangannya adalah:

Keterangan: ε = elongasi/perpanjangan/regangan

Lo = panjang awal (mm)

L = panjang akhir (mm)

Sedangkan nilai regangan adalah:

Ketarangan: σ = tegangan (N/mm2)

F = gaya tarik/ beban tarik (N)

Ao = luas penampang awal (mm2)

Dari pengujian tarik ini diperoleh harga-harga kekuatan tarik suatu bahan

yaitu:

Tegangan proposional, terjadi dalam daerah batas proposional yang

menunjukan berlakunya hokum Hook yaitu tegangan berbanding lurus

dengan regangan. Pada daerah ini terjadi deformasi elastic sehingga

perbandingan antara tegangan dan regangan disebut Modulus Elastis,

yang besarnya:

Ketarangan: E = modulus elastisitas (N/mm2)

εe = perpanjangan elastis

Tegangan Yield, jika bahan dibebani terus dengan beban tarik melewati

titik E dan sampai ke titik Y – Y’ maka ketika beban dilepas, bahan

tidak akan kembali kebentuk dan ukuran semula. Daerah ini disebut

daerah plastis dan tegangannya disebut tegangan plastis/tegangan yield

(yield stress).

Tegangan ultimate, ketika pembebanan yang diberikan sampai ketitik U,

maka timbul tegangan ultimate (ultimate stress) yaitu tegangan

maksimum dari bahan yang bersangkutan atau disebut juga kekuatan

tarik maksimum bahan.

Tegangan break; setekah melewati titik U, kekuatan bahan mulai

menurun dan akhirnya sampai ketitik dimana bahan sudah tidak sanggup

lagi menahan pembebanan tarik yang diberikan dan akhirnya bahan

putus atau patah. Tegangannya disebut tegangan patah (breaking stress).

b. Pengujian kekuatan impak

Kekuatan impak yaitu kemampuan bahan untuk menahan beban impak yang

terjadi secara tiba-tiba, sehingga dapat diketahui sifat bahan tersebut rapuh

atau liat, yang besarnya diukur dari daya yagn diserap saat mematahkan

specimen. Prinsip kerja dari mesin uji impak yaitu prinsip kekekalan energy.

Jika prinsip ini diterapkan pada sebuah bandul dengan tanpa memperhatikan

kehilangan energinya maka bandul akan menempuh perjalanan sebesar dua

kali sudut penyimpangannya, yaitu sudut awal dan sudut akhir yang sama

besar. Tetapi jika diperhitungkan dengna kehilangan energy selam

mengayun dan sebagainya maka sudut awal tidak akan sama dengan sudut

akhirnya. Prinsip ini dapat dilihat pada gambar 2.

Gambar 2. Prinsip kerja alat uji impak

Gambar 3 Ilustrasi skematik pembebanan impak pada benda uji

Charpy dan Izod

Pada posisi awal (A), pendulum yang bermassa m mempunyai energy

sebesar:

Ep1 = m.g.R (1-cos α)

Setelah pendulum dilepaskan dan memukul specimen (posisi B), pendulum

masih mempunyai energy untuk melanjutkan lintasannya sampai keposisi C.

Pada posisi ini pendulum mempunyai energy potensial sebesar :

Ep2 = m.g.R (1-cos β)

Sesuai dengna hokum kekekalan energy maka energy yang diserap untuk

mematahkan specimen adalah:

E = Ep1 - Ep2

Energy (E) ini disebut harga pukul. Tidak semua energy digunakan untuk

mematahkan specimen tetapi masih perlu diperhitungkan dengan beberapa

factor yaitu:

a. Energy untuk mengatasi gesekan pada pusat rotasi lengan

b. Energy untuk mengatasi gesekan udara sepanjang lintasan

c. Energy untuk melemparkan benda uji yang telah patah.

Ketiga kehilangan energy diatas sebesar 5% dari total energy yang ada,

sehingga energy netto (Enet) yang dipakai untuk mematahkan specimen

adalah:

Enet = E (1 – 0,05)

Sedangkan kekuatan impaknya adalah sebesar:

Dimana: Is = impak strength (N/m)

A = luas penampang specimen pada bagian bertakik (m2)

Prosedur pengujian:

a. Persiapan yaitu menyediakan specimen

Langkah-langkah dalam tahap ini:

Memotong specimen sepanjang 5cm

Membuat takikan pada bagian tengah specimen membentuk sudut

450 dan kedalaman 2-3 cm.

Membuubhkan kode pada setiap bagian specimen.

b. Pengujian

Langkah-langkah dalam tahap ini:

Menempatkan specimen pada dudukannya.

Mengangkat bandul/pendulum ke posisi sudut awal. Besar sudut

ditentukan saat praktikum.

Mengatur posisi jarum penunjuk dial pada posisi nol.

Lepaskan pendulum dan catat sudut simpangnya sebagai sudut akhir

sesuai yang ditunjuk jarum.

Tekan tuas pengereman.

Ulangi langkah-langkah diatas untuk data berikutnya.

c. Pengujian lelah

Pada pembebanan statis, dikenal batas tegangan, dimana suatu bahan

yang sedang menerima pembebanan dalam konstruksi mesin diusahakan

agar tidak melampaui batas elastisnya sehingga bahan tidak rusak/patah.

Akan tetapi berbeda pada aksi tegangan berulang yaitu bahan akan

menerima beban secara berulang secara berulang terus. Untuk itu

diperlukan cara untuk menjaga agar bahan tersebut tidak sampai rusak jika

mengalami peristiwa serupa.

Gambar 3. Prinsip pengujian lelah

Dengan melakukan pengujian lelah maka persoalan di atas dapat

terjawab. Sehingga dapat dirumuskan tujuan pengujian lelah adalah untuk

mengetahui batas lelah suatu bahan dalam menahan beban berulang, karena

pada aksi beban berulang ini bahan sering cepat rusak/patah, walaupun

masih berada di bawah batas elastisitasnya. Ini karena bahan sudah lelah

(fatique failure).

Contoh:

Batang torak moror bakar (mengalami beban tekan dan tarik)

Pegas spiral (mengalami8 beban punter)

Pegas daun (mengalami beban lentur)

Bahan yang mengalami patah lelah biasanya dapat dilihat pada

penampang p[atahnya yaitu terdapat 2 perbedaan daerah patahan; pertama,

permukaan yang halus dan licin kadang mengkilap, merupakan patah lelah.

Kedua; permukaan yang kasar dan terdapat titik-titik benjolan, merupakan

patahan karena beban.

Dalam pengujian lelah ini, specimen harus dibuat denagn

telitikarena takikan dan batasan tajam pada penampang melintangnya

adalah tempat konsentrasi teganagan. Sehingga spesimennya harus halus

mungkin denagan polishing.

Mesin uji lelah yang umum dipakai adalah mesin uji lelah tipe

schenck dengan prinsip kerjanya adalah mesin pulsa tarik dan tekan.

Prosedur pengujian:

Specimen disiapkan dengan polishing

Memasang specimen secara horizontal pada dudukannya

Memberikan beban dengan cara menghubungkan kontak beban dengan

pegas penggetar.

Mencatat fluktuasi beban lelahnya

M3enghitung kekuatan lelah specimen.

d. Pengujian kekerasan

Kekerasan (Hardness) adalah salah satu sifat mekanik (Mechanical

properties) dari suatu material. Kekerasan suatu material harus diketahui

khususnya untuk material yang dalam penggunaanya akan mangalami

pergesekan (frictional force), dalam hal ini bidang keilmuan yang

berperan penting mempelajarinya adalah Ilmu Bahan Teknik

(Metallurgy Engineering).

Kekerasan didefinisikan sebagai kemampuan suatu material untuk

menahan beban identasi atau penetrasi (penekanan). Didunia teknik,

umumnya pengujian kekerasan menggunakan 4 macam metode

pengujian kekerasan, yakni :

1. Brinnel (HB / BHN)

2. Rockwell (HR / RHN)

3. Vikers (HV / VHN)

4. Micro Hardness (Namun jarang sekali dipakai-red)

Pemilihan masing-masing skala (metode pengujian) tergantung pada :

a. Permukaan material

b. Jenis dan dimensi material

c. Jenis data yang diinginkan

d. Ketersedian alat uji

1. Brinnel

Pengujian kekerasan dengan metode Brinnel bertujuan untuk

menentukan kekerasan suatu material dalam bentuk daya tahan material

terhadap bola baja (identor) yang ditekankan pada permukaan material

uji tersebut (speciment). Idealnya, pengujian Brinnel diperuntukan bagi

material yang memiliki kekerasan Brinnel sampai 400 HB, jika lebih

dati nilai tersebut maka disarankan menggunakan metode pengujian

Rockwell ataupun Vickers. Angka Kekerasan Brinnel (HB)

didefinisikan sebagai hasil bagi (Koefisien) dari beban uji (F) dalam

Newton yang dikalikan dengan angka faktor 0,102 dan luas permukaan

bekas luka tekan (injakan) bola baja (A) dalam milimeter persegi.

Identor (Bola baja) biasanya telah dikeraskan dan diplating ataupun

terbuat dari bahan Karbida Tungsten. Jika diameter Identor 10 mm maka

beban yang digunakan (pada mesin uji) adalah 3000 N sedang jika

diameter Identornya 5 mm maka beban yang digunakan (pada mesin uji)

adalah 750 N. Dalam Praktiknya, pengujian Brinnel biasa dinyatakan

dalam (contoh ) : HB 5 / 750 / 15 hal ini berarti bahwa kekerasan Brinell

hasil pengujian dengan bola baja (Identor) berdiameter 5 mm, beban Uji

adalah sebesar 750 N per 0,102 dan lama pengujian 15 detik. Mengenai

lama pengujian itu tergantung pada material yang akan diuji. Untuk

semua jenis baja lama pengujian adalah 15 detik sedang untuk material

bukan besi lama pengujian adalah 30 detik.

Gambar 4. Prinsip pengujian brinell

2. Vickers

Pengujian kekerasan dengan metode Vickers bertujuan menentukan

kekerasan suatu material dalam bentuk daya tahan material terhadap

intan berbentuk piramida dengan sudut puncak 136 Derajat yang

ditekankan pada permukaan material uji tersebut. Angka kekerasan

Vickers (HV) didefinisikan sebagai hasil bagi (koefisien) dari beban uji

(F) dalam Newton yang dikalikan dengan angka faktor 0,102 dan luas

permukaan bekas luka tekan (injakan) bola baja (A) dalam milimeter

persegi. Secara matematis dan setelah disederhanakan, HV sama dengan

1,854 dikalikan beban uji (F) dibagi dengan diagonal intan yang

dikuadratkan. Beban uji (F) yang biasa dipakai adalah 5 N per 0,102; 10

N per 0,102; 30 N per 0,102N dan 50 per 0,102 N. Dalam Praktiknya,

pengujian Vickers biasa dinyatakan dalam (contoh ) : HV 30 hal ini

berarti bahwa kekerasan Vickers hasil pengujian dengan beban uji (F)

sebesar 30 N per 0,102 dan lama pembebanan 15 detik. Contoh lain

misalnya HV 30 / 30 hal ini berarti bahwa kekerasan Vickers hasil

pengujian dengan beban uji (F) sebesar 30 N per 0,102 dan lama

pembebanan 30 detik.

Gambar 5. Skematis prinsip indentasi dengan metode Vickers

3. Rockwell

Skala yang umum dipakai dalam pengujian Rockwell adalah :

a. HRa (Untuk material yang sangat keras)

b. HRb (Untuk material yang lunak). Identor berupa bola baja dengan

diameter 1/16 Inchi dan beban uji 100 Kgf.

c. HRc (Untuk material dengan kekerasan sedang). Identor berupa

Kerucut intan dengan sudut puncak 120 derjat dan beban uji sebesar

150 kgf.

Pengujian kekerasan dengan metode Rockwell bertujuan menentukan

kekerasan suatu material dalam bentuk daya tahan material terhadap

benda uji (speciment) yang berupa bola baja ataupun kerucut intan yang

ditekankan pada permukaan material uji tersebut.

e. Pengujian metalografi

Tujuan pengujian ini adalah untuk menganalisa struktur mikro suatu

bahan logam sebelum dan sesudah mengalami perlakuan panas. Selain itu

juga untu mengetahui deformasi dan pembentukan jaringan baru atau

perubahan bentuk Kristal pada pengerjaan dingin.

Untuk mendapatkan struktur yang mudah dilihat maka dibutuhkan

pembesaran struktur bahan dengan cara foto mikroskop. Misalnya

pembesaran sampai 1000 kali dan sebagainya. Oleh karena itu, bahan yang

akan diteliti harus dipolis selicin mungkin permukaannya agar penampilan

strukturnya dapat dilihat dengan jelas.

Prosedur:

Specimen yang sudah mendapat perlakuan panas dipolis kembali selicin

mungkin

Meletakan specimen di bawah mikroskop elektrovlut

Menganalisa struktur yang terbentuk berdasarkan hasil foto mikro.

Gambar alat uji foto metalografi

Gambar prinsip uji etsa logam

1.3. Mengubah Sifat Mekanik Logam

Pemilihan kebutuhan akan bahan logam sangat bergantung pada sifat

bahan tersebut . timbul persoalan ketika bahan yang diperoleh memiliki sifat

yang tidak cocok untuk suatu konstruksi tertentu yang jika dipaksakan akan

menimbulkan resiko yang tinggi dalam banyak hal. Dengan demikian maka

bahan logam perlu diberi perlakuan khusus untuk mendapatkan sifat yang

diinginkan yaitu dengan perlakuan panas.

Prinsip perlakuan panas adalah suatu bahan logam yang dipanaskan pada

temperatur tertentu (temperatur austenite), seolama waktu tertentu dan

kemudian didinginkan dalam media pendingin tertentu pula. Besar remperatur,

lama pendinginan dan media pendingin inilah yang akan menentukan perubahan

struktur logam yang akan berpengaruh langsung pada pada sifat mekaniknya.

Selanjutnya untuk membuktikan perubahan sifat mekanik dalam struktur

mikro yang terbentuk tersebut maka dilakukan pengujian mekanik bahan seperti

kekerasan, kekuatan dan sebagainya.

D. SOAL-SOAL LATIHAN

1. Jelaskan pengertian sifat fisik dan sifat mekanik logam.

2. Sebut dan jelaskan minimal 5 sifat mekanik logam.

3. Bagaimana anda melakukan pengujian kekerasan suatu logam?

4. Apa tujuan anda mengubah struktur logam dan bagaimana caranya.

DAFTAR PUSTAKA

Anonymous, Pengetahuan Bahan, Politeknik Manufaktur (Polman), Bandung

Smalman R.E., Metalurgi Fisik Moderen, Gramedia, Jakarta, 1991

Surdia Tata dan Sinroku Saito, Pengetahuan Bahan Teknik, Pradyna Paramita, 1992.

Vohdin, Basir dan Zeiroeddin, Mengolah Logam, Pradyna Paramita, 1978.