BAB IIDASAR TEORI

Salah satu sifat mekanik yang sangat penting dan dominan dalam suatu perancangan konstruksi dan proses manufaktur adalah kekuatan tarik. Kekuatan tarik suatu bahan di dapat dari hasil uji tarik (tensile test) yang dilakukan berdasarkan standar pengujian.

Pada pengujian tarik, spesimen di beri beban uji aksial yang semakin besar secara kontinyu. Sebagai akibat pembebanan aksial tersebut, spesimen mengalami perubahan panjang. Perubahan beban (P) dan perubahan panjang () akan tercatat pada mesin uji tarik berupa grafik yang merupakan fungsi beban dan pertambahan atau lebih di kenal sebagai grafik P-.Pengujian tarik yang dilakukan pada suatu material dapat memberikan keterangan yang relatif lengkap mengenai perilaku material tersebut terhadap pembebasan mekanis. Informasi penting yang bisa didapat pada pengujian tarik (tensile test) adalah:a. Batas Proposional (Proportionality Limit)b. Batas Elastisitas (Elastic Limit)c. Yield Point dan Yield Strengthd. Kekuatan Tarik Maksimum (Ultimate Tensile Strength)e. Keuletan (ductility)f. Modulus Elastisitas (Modulus Young)g. Modulus of resilienceh. Modulus Ketangguhan (modulus of toughness)i. Kurva tegangan teknik dan sebenarnya

2.1Batas proposional (Proportionality Limit)Merupakan daerah batas dimana tegangan dan regangan mempunyai hubungan yang saling proposionalitas satu dengan lainnya. Setiap penambahan tegangan akan diikuti pula oleh penambahan regangan secara proposional dalam hubungan linier . (bandingkan dengan hubungan y =mx ; dimana y mewakili tegangan ; x mewakili regangan dan m mewakili slope kemiringan dari modulus kekakuan). Titik P pada kurva menunjkan batas proporsionalitas dari kurva tegangan-regangan.

Gambar 2.1 Kurva Tegangan-Regangan

2.2Batas elastis (Elastic Limit)Daerah elastis adalah daerah dimana bahan akan kembali ke panjang semula apabila tegangan luar dihilangkan. Daerah proposionalitas merupakan bagian dari batas plastis ini. Selanjutnya ketika bahan tersebut terus menerus diberikan tegangan (deformasi dari luar) maka batas elastis akan terlampaui, dan akhirnya bahan tidak akan kembali kepada ukuran semula. Dengan kata lain, dapat didefinisikan bahwa batas elastis adalah suatu titik dimana tegangan yang diberikan akan menyebabkan deformasi permananen (plastis) untuk pertama kalinya. Kebanyakan material memiliki batas elastis yang hampir berhimpitan dengan batas proporsionalitasnya.

2.3 Yield StrengthTitik ini merupakan batas dimana material akan terus mengalami deformasi tanpa adanya penambahan beban. Tegangan (stress) yang mengakibatkan bahan menunjukan mekanisme luluh ini disebut tegangan luluh (yield stress).

Gambar 2.2 kurva tegangan-regangan yang menunjukan Yield Strength

Gejala yield umunya ditunjukan oleh logam-logam ulet dengan struktur Kristal BCC dan FCC yang membentuk interstitial solid solution dari atom-atom carbon, boron, hydrogen dan oksigen. Interaksi antara dislokasi dan atom-atom tersebut menyebabkan baja ulet seperti mild steel menunjukan titik luluh bawah (lower yield point) dan titik luluh atas (upper yield point).Baja berkekuatan tinggi dan besi tuang yang getas umunya tidak memperhatikan batas luluh yang jelas. Untuk menentukan luluh material seperti ini maka digunakan suatu metode yang dikenal sebagai metode offset. Dengan metode ini yield strength ditentukan sebagai tegangan dimana behan memperlihatkan batas penyimpangan tertentu dari proporsionalitas tegangan dan regangan. Umumnya garis offset OX diambil 0.1 - 0.2% dari tegangan total dimulai dari titik O, dan ditarik keatas sejajar dengan garis proporsional hingga berpotongan dengan kurva. Kekuatan luluh atau titik luluh merupakan suatu gambaran kemampuan suatu bahan menahan deformasi permanen bila digunakan dalam penggunaan struktural yang melibatkan pembebanan mekanik seperti tarik, tekan, bending atau puntiran. Disisi lain, batas luluh ini harus dicapai ataupun dilewati bila bahan (logam) dipakai dalam proses manufaktur produk-produk logam seperti proses rolling, drawing, streching dan sebagainya. Dapat disimpulkan bahwa titik luluh adalah suatu tingkat tegangan yang: Tidak boleh dilewati dalam penggunaan struktrural (in service) Harus dilewati dalam proses manufaktur logam (forming process)

2.4 Kekuatan Tarik Maksimum (Ultimate Tensile Strength)Merupakan tegangan maksimum yang dapat ditanggung oleh material sebeluim terjadinya perpatahan (fracture). Nilai kekuatan tarik maksimum ditentukan dari beban maksimum dibagi luas penampang awal .

Pada bahan ulet tegangan maksimum ini ditunjukkan oleh titik M (kurva tegangan-regangan) dan selajutnya bahan akan terus berdeformasi hingga titik B. Bahan yang bersifat getas memberikan perilaku yang berbeda dimana tegangan maksimum sekaligus tegangan perpatahan. Dalam kaitannya dengan penggunaan struktural maupun proses forming bahan, kekuatan maksimum adalah batas tegangan yang sama sekali tidak boleh dilewati.Dengan kata lain Tegangan tarik adalah nilai yang paling sering dituliskan sebagai hasil suatu uji tarik, tetapi pada kenyataannya nilai tersebut kurang bersifat mendasar dalam kaitannya dengan kekuatan bahan. Untuk logam-logam yang liat kekuatan tariknya harus dikaitkan dengan beban maksimum, di mana logam dapat menahan beban sesumbu untuk keadaan yang sangat terbatas. Akan ditunjukkan bahwa nilai tersebut kaitannya dengan kekuatan logam kecil sekali kegunaannya untuk tegangan yang lebih kompleks, yakni yang biasanya ditemui. Untuk berapa lama, telah menjadi kebiasaan mendasarkan kekuatan struktur pada kekuatan tarik, dikurangi dengan faktor keamanan yang sesuai. Kecenderungan yang banyak ditemui adalah menggunakan pendekatan yang lebih rasional yakni mendasarkan rancangan statis logam yang liat pada kekuatan luluhnya. Akan tetapi, karena jauh lebih praktis menggunakan kekuatan tarik untuk menentukan kekuatan bahan, maka metode ini lebih banyak dikenal, dan merupakan metode identifikasi bahan yang sangat berguna, mirip dengan kegunaan komposisi kimia untuk mengenali logam atau bahan. Selanjutnya, karena kekuatan tarik mudah ditentukan dan merupakan sifat yang mudah dihasilkan kembali (reproducible). Kekuatan tersebut berguna untuk keperluan spesifikasi dan kontrol kualitas bahan. Korelasi empiris yang diperluas antara kekuatan tarik dan sifat-sifat bahan misalnya kekerasan dan kekuatan lelah, sering dipergunakan. Untuk bahan-bahan yang getas, kekuatan tarik merupakan kriteria yang tepat untuk keperluan perancangan.Tegangan di mana deformasi plastik atau batas luluh mulai teramati tergantung pada kepekaan pengukuran regangan. Sebagian besar bahan mengalami perubahan sifat dari elastik menjadi plastik yang berlangsung sedikit demi sedikit, dan titik di mana deformasi plastik mulai terjadi dan sukar ditentukan secara teliti. Telah digunakan berbagai kriteria permulaan batas luluh yang tergantung pada ketelitian pengukuran regangan dan data-data yang akan digunakan.a. Batas elastik sejati berdasarkan pada pengukuran regangan mikro pada skala regangan 2 X 10-6 inci/inci. Batas elastik nilainya sangat rendah dan dikaitkan dengan gerakan beberapa ratus dislokasi.b. Batas proporsional adalah tegangan tertinggi untuk daerah hubungan proporsional antara tegangan-regangan. Harga ini diperoleh dengan cara mengamati penyimpangan dari bagian garis lurus kurva tegangan-regangan.c. Batas elastik adalah tegangan terbesar yang masih dapat ditahan oleh bahan tanpa terjadi regangan sisa permanen yang terukur pada saat beban telah ditiadakan. Dengan bertambahnya ketelitian pengukuran regangan, nilai batas elastiknya menurun hingga suatu batas yang sama dengan batas elastik sejati yang diperoleh dengan cara pengukuran regangan mikro. Dengan ketelitian regangan yang sering digunakan pada kuliah rekayasa (10-4 inci/inci), batas elastik lebih besar daripada batas proporsional. Penentuan batas elastik memerlukan prosedur pengujian yang diberi beban-tak diberi beban (loading-unloading) yang membosankan.2.5 Keuletan (ductility)Keuletan merupakan sifat suatu material,dimana material tersebut mampu menahan deformasi hingga terjadinya perpatahan. Bahan disebut lentur (ductile) bila regangan plastis yang terjadi sebelum putus lebih dari 5%, bila kurang dari itu suatu bahan disebut getas (brittle).Sifat ini harus dimiliki oleh bahan bila ingin dibentuk melalui proses rolling, bending, stretching, drawing, hammering, cutting dan sebagainya. Secara umum dilakukan dengan tujuan sebagai: Untuk menunjukkan perpanjangan dimana suatu logam dapat berdeformasi tanpa terjadinya patah dalam suatu proses pembentukan logam, missal pengerolan dan ekstrusi Untuk memberi petunjuk umum mengenai kemampuan logam untuk berdeformasi secara plastis sebelum patah Sebagai petunjuk adanya perubahan permukaan kemurnian atau kondisi pengolahan

Gambar 2.3 Kurva tegangan-regangan yang menunjukan brittle dan ductilePengujian tarik memberikan dua metode pengukuran keuletan bahan, yaitu: Persentase perpanjangan (elongation)Diukur sebagai penambahan panjang ukur setelah perpatahan terhadap panjang awalnya.Elongasi, dimana Lf adalah panjang akhir dan Lo panjang awal dari benda uji

Persentase pengurangan penampang (Area Reduction)Diukur sebagai pengurangan luas penampang (cross section) setelah perpatahan terhadap luas penampang awalnya.Reduksi Penampang, dimana Af adalah luas penampang akhir dan Ao luas penampang awal

2.6 Modulus Elastisitas (Modulus Young)Merupakan ukuran kekuatan suatu material, semakin besar harga modulus ini maka semakin kecil tegangan elastic yang terjadi pada suatu tingkat pembebanan tertentu, atau dapat dikatakan material tersebut kaku (stiff). Modulus kekakuan dapat dihitung dari slope kemiringan garis elastic yang linier, diberikan oleh:

dimana adalah sudut yang dibentuk oleh daerah elastis kurva tegangan-regangan. Modulus elastisitas suatu material ditentukan oleh enegi ikat antar atom-atom, sehingga besarnya nilai modulus ini tidak dapat dirubah oleh suatu proses tanpa merubah struktur bahan.

2.7 Modulus of resilienceResilience adalah kemampuan suatu bahan untuk menyerap energi pada waktu berdeformasi secara elastis dan kembali kebentuk awal apabila bebannya dihilangkan [Dieter, 1993]. Kelentingan biasanya dinyatakan sebagai modulus kelentingan, yakni energi regangan tiap satuan volume yang dibutuhkan untuk menekan bahan dari tegangan nol hingga tegangan luluh o.

Mewakili kemampuan material untuk menyerap energi dari luar tanpa terjadinya kerusakan. Nilai modulus dapat diperoleh dari luas segitiga yang dibentuk oleh area elasitik diagram tegangan-regangan. Pada gambar di bawah ditunjukkan oleh segitiga putus-putus. Gambar 2.4 kurva Tegangan-regangan

2.8 Modulus Ketangguhan (modulus of toughness)Merupakan kemampuan suatu material dalam menyerap energi hingga terjadinya perpatahan. Secara kuantitaif dapat ditentukan dari luas area keseluruhan di bawah kurva tegangan regangan hasil pengujian tarik. Pertimbnagkan disain yang mengikut sertakan modulus ketangguhan menjadi sangat penting untuk komponen-komponen yang mungkin mengalami pembebanan berlebih secara tidak disengaja. Material dengan modulus ketangguhan yang tinggi akan mengalami distorsi yang besar karena pembebanan berlebih, tetapi hal ini tetap disukai dibandingkan material dengan modulus yang rendah dimana perpatahan akan terjadi tanpa suatu peringatan terlebih dahulu.

2.9 Kurva Tegangan Teknik dan SebenarnyaKurva tegangan-regangan teknik (engineering stress-strain) didasarkan atas dimensi awal Ao dan Io) dari benda uji, sementara untuk mendapatkan kurva tegangan-regangan sebenarnya diperlukan luas area dan panjang aktual pada saat pembebanan setiap saat terukur. Perbedaan kedua kurva tidaklah terlalu besar pada regangan yang kecil, tetapi menjadi signifikan pada rentang terjadinya pengerasan regangan (strain hardening), yaitu setelah titik luluh terlampaui. Secara khusus perbedaan menjadi demikian besar didalam daerah necking.Pada kurva tegangan-regangan teknik, dapat diketahui bahwa benda uji secara actual mampu menahan turunnya beban karena luas area awal Ao bernilai konstan pada saat perhitungan tegangan . Sementara pada kurva tegangan-regangan sebenarnya luas area aktual adalah selalu turun sehingga terjadinya perpatahan dan benda uji mampu menahan peningkatan tegangan karena . Sehingga notasi true stress & true strain dan hubungannya dengan engineering stress dan engineering strain dapat dituliskan sebagai:

dan

.Gambar 2.5 Kurva Tegangan-Regangan Teknik dan sebenarnya2.10 Karakteristik PatahanSampel hasil pengujian tarik dapat menunjukkan beberapa tampilan perpatahan seperti diilustrasikan oleh gambar dibawah ini:

Gambar 2.6 karakteristik PatahanMaterial dikatakan ulet bila material tersebut mengalami deformasi elastic dan plastis sebelum akhirnya putus. Sedangkan material getas tidak mengalami deformasi elastic sebelum mengalami putus.

2.10.1 Patahan ulet

Gambar 2.6 Patahan Ulet

Tahapan terjadinya patahan ulet pada sampel uji tarik:a. Penyempitan awalb. Pembentukan rongga2 kecil (cavity)c. Penyatuan rongga-rongga membentuk suatu retakan.d. Perambatan retake. Patahan gesek akhir pada sudut 45o

2.10.2 Patahan getas (ductile)Perpatahan getas memiliki ciri-ciri sebagai berikut:a. Tidak ada atau sedikit sekali deformasi plastis yang terjadi pada materialb. Retak/Perpatahan merambat sepanjang bidang-bidang kristalin membelah atom-atom material (transgranular)c. Pada material lunak dengan butir kasar (coarse-grain) maka dapat dilihat pola pola yang dinamakan chevrons ar fan like pattern yang berkembang keluar dari daerah awal kegagaland. Material keras dengan butir halus (fine-grain) tidak memiliki pola-pola yang mudah dibedakane. Material amorphous (seperti gelas) memiliki permukaan patahan yang bercahaya dan mulus.

1