KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis penjatkan kehadirat Allah SWT, yang atas rahmat-Nya maka

penulis dapat menyelesaikan penyusunan makalah yang berjudul “ Torsion testing

machine”.

Penulisan makalah merupakan salah satu tugas untuk mengikuti Semester mata

kuliah Teknik karakterisasi material di jurusan Fisika FMIPA UNP.

Penulis mengharapkan makalah ini dapat bermanfaat bagi pembaca semua,

terutama bagi penulis sendiri. Dalam Penulisan makalah ini penulis merasa masih

banyak kekurangan-kekurangan baik pada teknis penulisan maupun materi, mengingat

akan kemampuan yang dimiliki penulis. Untuk itu kritik dan saran dari semua pihak

sangat penulis harapkan demi penyempurnaan pembuatan makalah ini. Dengan

demikian, tak lupa penulis ucapkan terimakasih, kepada para pembaca.

Padang, 24 Februari 2013

Penulis

Melinda wardani

BAB I

PENDAHULUAN

A. LATAR BELAKANG

Material dapat berupa bahan logam dan nonlogam. Bahan logam ini terdiri dari

logam ferro dan nonferro. Bahan logam ferro di antaranya besi, baja, dan besi cor,

sedangkan logam nonferro (bukan besi) antara lain emas, perak, dan timah putih. Bahan

nonlogam dapat dibagi menjadi bahan organik (bahan yang berasal dari alam) dan

bahan anorganik.

Logam mempunyai beberapa sifat antara lain: sifat mekanis, sifat fisika, sifat

kimia, dan sifat pengerjaan. Sifat mekanis adalah kemampuan suatu logam untuk

menahan beban yang diberikan pada logam tersebut. Yang termasuk sifat mekanis pada

logam, antara lain: kekuatan bahan (strength), kekerasan elastisitas, kekakuan,

plastisitas, kelelahan bahan, sifat fisika, sifat kimia, dan sifat pengerjaan.

Sifat mekanik secara umum ditentukan melalui pengujian destruktif dari sampel

material pada kondisi pembebanan yang terkontrol. Sifat mekanik yang paling baik

adalah didapat dengan melakukan pengujian prototipe atau desain sebenarnya dengan

aplikasi pembebanan yang sebenarnya. Namun data spesifik seperti ini tidak mudah

diperoleh sehingga umumnya digunakan data hasil pengujian standar seperti yang telah

dipublikasikan oleh ASTM (American Society of Mechanical Engineer).

Tujuan dari dilakukannya suatu pengujian mekanis adalah untuk menentukan

respon material dari suatu konstruksi, komponen atau rakitan fabrikasi pada saat

dikenakan beban atau deformasi dari luar. Dalam hal ini akan ditentukan seberapa jauh

perilaku inheren (sifat yang lebih merupakan ketergantungan atas fenomena atomik

maupun mikroskopis dan bukan dipengaruhi bentuk atau ukuran benda uji) dari material

terhadap pembebanan tersebut.

Pengujian puntir (torsi) merupakan jenis pengujian yang lebih spesifik

dibandingkan pengujian-pengujian terdahulu (tarik, kekerasan dan impak). Walaupun

karakteristik mekanis material telah dapat diketahui dari hasil uji tariknya, pengujian

puntir mampu memberikan informasi penting tambahan mengenai modulus elastisitas

dalam arah geser (shear), kekuatan luluh puntir dan modulus pemuluran (rupture).

Pengujian ini umumnya dilakukan pada material-material yang getas seperti baja

perkakas dan pada komponen-komponen hasil fabrikasi seperti poros, as roda dan

sebagainya (full-scale test). Untuk melakukan uji puntir atau torsi ini maka digunakan

alat “torsion testing machine”

B. TUJUAN

1. Untuk mengetahui apa itu torsi

2. Untuk mengetahui prinsip yang mendasari uji torsi

3. Untuk mengetahui cara kerja alat uji torsi (torsion testing machine)

4. Untuk mengetahui sampel dan persiapan sampel yang akan digunakan untuk

uji torsi

5. Untuk mengetahui cara melakukan karakteristik data yang diperoleh yaitu

mencakup : pengolahan data dan interpretasinya.

dT

F

F

BAB II

PEMBAHASAN

A. TORSI

Suatu batang dijepit dengan kuat pada salah satu ujungnya dan ujung yang

lainnya diputar dengan suatu torsi (momen puntir, twisting moment) T = Fd yang

bekerja pada bidang tegaklurus sumbu batang seperti terlihat pada . Batang tersebut

dikatakan dalam kondisi kena torsi. T adalah torsi (Nm), F adalah gaya (N) dan d adalah

diameter lengan putar (m). Alternatif lain untuk menyatakan adanya torsi adalah dengan

dua tanda vektor dengan arah sejajar sumbu batang.(Anonim.2005)

1) Momen kutub inersia

Untuk suatu batang bulat berlobang (pipa) dengan diameter luar Do dan diameter

dalam Di, momen kutub inersia (polar moment of inertia) penampang melintang

luasnya, biasanya dinotasikan dengan I, diberikan dengan:

I = π32

¿ (3.1)

Momen kutub inersia untuk batang bulat tanpa lubang (batang pejal) dapat

diperoleh dengan memberi nilai Di = 0. Kuantitas dari J merupakan sifat matematis dari

geometri penampang melintang yang muncul dalam kajian tegangan pada batang atau

poros bulat yang dikenai torsi.

2) Torsi tegangan geser

Baik untuk poros pejal maupun poros berlubang yang dikenai momen puntir T

torsi tegangan geser (torsional shearing stress) τ pada jarak p dari titik pusat poros

dinyatakan dengan:

τ=TpJ

B. PRINSIP UJI TORSI

1) Sifat-sifat mekanik yang didapat selama pengujian puntir, yaitu:

Modulus Elastisitas Geser

Kemampuan material unutk mempertahankan bentuknya di daerah elastis yang

di sebabkan oleh tegangan geser. Perbandingan antara tegangan dan regangan

geser pada daerah elastis.

Keterangan : G = modulus elastisitas geser

τ = tgangan geser

γ = regangan geser

L = panjang spesimen

I = momen inersia

Kekuatan Luluh Puntir (Torsional yield strength)

Batas tegangan sebelum mengalami deformasi plastis yang disebabkan oleh

tegangan geser. Untuk menentukannya maka perbandingan panjang bagian

penampang yang menyempit terhadap diameter luar harus sekitar 8-10 kali.

Selain itu pada uji puntir dapat menggunakan metode offset dengan ketentuan

0.04 rad/m untuk grafik momen puntir terhadap sudut puntir.

Modulus Pecah (Modulus of rupture)

Kekuatan geser puntir maksimum, karena tegangan geser terbesar terjadi di

permukaan batang. Untuk benda silinder padat dimana J = π D4

32 maka besarnya

modulus pecah terbesar yaitu

Keterangan ;τu = modulus pecah

D = diameter spesimen

2) Prinsip pengujian

Benda uji puntir umumnya memiliki penampang lintang silinder, karena bentuk

ini mewakili geometri paling sederhana dalam penghitungan tegangan yang terjadi pada

material. Dalam batas elastis tegangan geser bervariasi secara linier dari nol di bagian

pusat lingkaran hingga mencapai maksimum pada permukaan terluar benda uji.

Pengujian dilakukan dengan mencengkam salah satu ujung benda uji silinder pada grip

pemegang (chuck), sementara ujung lainnya diberikan pembebanan melalui kepala

beban. Deformasi diukur dengan alat pengukur sudut puntir (twisting) yang dinamakan

troptometer. Penentuan deformasi didasarkan atas perpindahan sudut (angular

displacement) dari suatu titik yang berada dekat ujung benda uji terhadap posisi suatu

titik dengan elemen longitudinal yang sama di ujung lainnya.( Akhmad herman

yuwono:2009)

Gambar 1.1. Pengujian puntir pada benda uji silinder pejal(Akhmad herman

yuwono:2009)

Momen luar yang ditimbulkan pada salah ujung benda uji mendapat tahanan dari

tegangan geser material. Tegangan tersebut bernilai nol pada pusat benda uji dan

meningkat secara linier dengan penambahan jarak terhadap titik pusat. Kondisi

kesetimbangan antara momen pemuntir luar dan momen reaksi dari material

menghasilkan:

………….. (1.1)

dengan r2dA adalah momen inersia polar dari benda uji dan biasa dinotasikan dengan J.

sehingga …………..(1.2)

dan ………………….(1.3)

dimana τ adalah tegangan geser (N/mm2), MT momen puntir (N-mm), r jarak radial dari

pusat (mm) dan J momen inersia polar yang tergantung geometris benda (mm4).

Untuk benda uji silinder pejal dimana J = πD4/32 maka tegangan maksimum yang

terjadi

pada permukaan adalah:

...................(1.4)

sementara benda uji silinder tubular J = π/32(Do4- Di4) dengan Do diameter luar dan Di

diameter dalam, tegangan geser maksimum adalah:

....................(1.5)

Besarnya regangan geser γ ditentukan oleh sudut puntiran θ (dalam satuan radian)

…………….(1.6)

dimana L adalah panjang benda uji pada Gambar 1.1. Pada saat pengujian maka

pengukuran yang dilakukan adalah momen puntir MT dan sudut puntir θ untuk

memperoleh diagram seperti ditunjukkan oleh Gambar 1.2 berikut:

Gambar 1.2. Diagram momen puntir-sudut puntir (( Akhmad herman

yuwono:2009))

Pada daerah elastis, sebagaimana halnya hukum Hooke pada uji tarik, maka tegangan

geser dapat dianggap proporsional dengan regangan gesernya. Konstanta

proporsionalitas dalam hal ini adalah modulus kekakuan/elastisitas dalam geseran, G

menghasilkan persamaan:

τ = Gγ (1.7)

Substitusi persamaan (1.2) dan (1.6) ke persamaan menghasilkan persamaan untuk

modulus geser sebagai fungsi dari geometri benda uji, momen puntir dan sudut puntir:

.....................................(1.8)

Keadaan tegangan internal yang terjadi pada suatu titik pada permukaan benda uji puntir

pejal ditunjukkan oleh Gambar 4.3 berikut:

Gambar 1.3. Keadaan tegangan pada benda uji silinder pejal yang mengalami momen

puntir

Tegangan geser maksimum terjadi pada dua bidang yang saling tegak lurus,

tegak lurus terhadap sumbu longitudinal yy dan sejajar dengan sumbu longitudinal xx.

Tegangan utama σ1 dan σ3 menghasilkan sudut 45o terhadap sumbu longitudinal dan

setara nilainya dengan tegangan-tegangan geser. σ1 adalah tegangan tarik sementara σ3

tegangan tekan. Tegangan intermediat σ2 adalah nol. Keadaan tegangan inilah yang

dapat dipakai untuk menjelaskan bentuk perpatahan pada benda uji ulet dan getas.

Logam ulet akan mengalami kegagalan karena mekanisme geser yang terjadi sepanjang

salah satu bidang tegangan geser maksimum. Umumnya bidang perpatahan tegak lurus

terhadap sumbu longitudinal, lihat Gambar 1.4.a.

Gambar 1.4. Jenis kegagalan material dalam pembebanan puntir (Ahmad Herman

Yuwono.2009)

(a) kegagalan ulet akibat mode geser) dan (b) kegagalan getas akibat mode tarik

Material getas akan mengalami kegagalan dalam pembebanan puntir sepanjang

bidang yang tegak lurus terhadap arah tegangan tarik maksimum. Karena bidang ini

memotong sudut antara dua bidang tegangan geser dan membentuk sudut 45o terhadap

arah-arah longitudinal dan transversal, maka perpatahan akan berbentuk heliks, seperti

diperlihatkan oleh Gambar 1.4 b

Pengujian puntir memiliki kelebihan daripada pengujian tarik dalam hal

pengukuran dasar mengenai plastisitas material. Nilai regangan yang besar mampu

diperoleh dalam uji puntir tanpa komplikasi terjadinya penciutan (necking) dalam

penarikan ataupun penggembungan (barreling) karena efek gesekan dalam penekanan

Patahan yang terjadi pada spesimen dapat berupa patah getas atau ulet. Berikut

ini adalah perbandingan antara kedua jenis patahan :

3) Persyaratan rotasi

Parameter berikutnya yang akan dihitung adalah perpindahan sudut total untuk

direkam. Sudut puntir, θ, dapat dihitung untuk bahan elastis linier sesuai dengan

persamaan (2):

.............................2( GLENN E. VALLEE:2006)

dimana

J = momen inersia polar salib sectional

L = panjang spesimen

T = torsi yang bekerja pada penampang

G = modulus elastisitas geser

4) Tampilan alat

Konsep dasar dari pengoperasian mesin ditunjukkan gambar 1.

Gambar 1 - Skema tata letak mesin torsi(GLENN E. VALLEE:2006)

Pengukuran torsi digunakan untuk spesimen yang sesuai dan sudut puntir dapat

terhubung ke drive train. rotating hub tidak terpasang pada slide-T untuk

memungkinkan gerak sepanjang sumbu spesimen untuk mencegah beban aksial dari

berkembang sebagai panjang spesimen menurun selama berliku-liku.non-rotating hub

juga akan mencakup alat pengukur strain torsi sensor digunakan untuk mengukur torsi

diterapkan.Rotating Hub akan didorong menggunakan sproket drive dihubungkan ke

drive train. Sudut puntir spesimen akan ditentukan oleh pengukuran rotasi pusat rotasi

E. Drive Train

Beberapa motor dan sistem penggerak dinilai berdasarkan torsi diperlukan dan

spesimen geometri. Sebuah motor DC memiliki pengurangan gigi integral dan kontrol

kecepatan eksternal dipilih berdasarkan biaya, ukuran, kinerja, dan kehandalan.

Kecepatan controller dipilih untuk menyediakan cara untuk menyesuaikan kecepatan

ujian karena sulit untuk memilih komersial Yang tersedia sproket set yang bisa

mengembangkan kecepatan rotasi yang tepat yang diinginkan dalam pengujian.. motor

ini mengembangkan torsi output dari 500 di-lb pada kecepatan 13 rpm.

Sebuah sproket dan rantai drive dipilih sebagai sambungan tahan lama antara

poros output motor dan hub berputar yang memuat spesimen uji. Sebuah roda gigi set

terdiri dari 2 inci sproket mengemudi diameter dan didorong inci diameter 12 sproket

ditemukan yang akan mencapai rasio roda gigi dari 6:1.Hal ini mengakibatkan

kecepatan rotasi sebesar 2,2 rpm yang jatuh dalam ASTM spesifikasi, dan torsi

penggerak 3000 di-lb. Torsi ini jauh di atas 442 diambang lb didirikan sebelumnya dan

dianggap lebih dari mampu mempertahankan

kecepatan sudut konstan selama semua pengujian. Torsi yang dikembangkan oleh mesin

tersebut telah dipindahkan ke spesimen yang menggunakan grips Thread ke tetap dan

berputar hub. Standard 1/2 Standar 1 / 2 bor inci terbukti merupakan cara murah

memegang spesimen dan sangat efektif asalkan flat adalah mesin pada ujung spesimen

untuk mencegah selip.

5) Pengukuran torsi dan Sudut puntir

1. Pengukuran Torsi

Torsi ini dipakai pada benda uji diukur dengan menggunakan strain gauge yang

dipasang ke non-rotating hub, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.hub ini dibuat

dari baja dan 4340 terdiri dari 4 inci diameter mounting flange, inci diameter 0,625

dikurangi bagian yang dipasang, bagian dari diameter meningkat digunakan untuk

dimasukkan ke dalam bantalan dan bagian berulir yang digunakan untuk melampirkan

pegangan spesimen.

Persamaan (1) digunakan untuk menentukan diameter bagian pengurangan hub

yang diperlukan untuk mencegah menghasilkan di bawah maksimum torsi yang

dikembangkan oleh mesin.hub itu terbungkus dalam perumahan sheet metal dengan

jelas plastik penutup atas yang digunakan untuk memfasilitasi tampilan pengukur torsi

dan untuk posisi . Terminal konektor strain gauge

Gambar 3 - Tampak Atas dari Load Cell Majelis Torque

Telah diketahui bahwa stres prinsip maksimum terjadi di poros dimuat di torsi

murni

occurs at a 45° with respect to the torsional axis. terjadi pada 45 ° terhadap sumbu torsi.

Prinsip ini stress sama besarnya untuk tegangan geser maksimum dalam poros. Oleh

karena itu, strain gauge elemen tunggal memiliki 1 / 8inch mengukur panjang inci

dipasang pada bagian pengurangan hub non berputar di sudut a ° 45 Untuk merekam

regangan maksimum yang pokok, jika dikalikan dengan modulus elastisitas bahan, akan

menghasilkan ukuran maksimum di-pesawat tegangan geser yang terjadi di gauge. torsi

menerapkan ke hub, dan oleh karena itu spesimen, kemudian bisa diselesaikan dengan

menggunakan persamaan (1).Strain gauge tunggal dipilih untuk kesederhanaan dan

memberikan resolusi yang memadai untuk pengukuran regangan. Beberapa alat

pengukur tidak digunakan sebagai kompensasi temperatur tidak akan diperlukan dan

lentur sample yang dicegah oleh keselarasan dari grips.

strain gauge dihubungkan ke micromeasurements galur indikator memiliki

tampilan digital, dan torsi itu dikalibrasi dengan menerapkan serangkaian torsi

menggunakan kunci torsi dan merekam regangan yang dihasilkan.Indikator ini

kemudian terhubung ke saluran 1 dari penyimpanan digital osiloskop.

2. Pengukuran sudut Puntir

Sudut puntir diukur menggunakan potensiometer variabel yang dioperasikan

dari sebuah DC 5V power supply. potensiometer ini dihubungkan ke disk berputar yang

dihubungi hub pada itu sproket didorong, seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.

Potensiometer ini mampu membuat sepuluh rotasi lengkap dengan output lengkap 5

volt. Potensiometer itu tetap ke ayunan lengan untuk memungkinkan untuk

dipindahkan jauh dari hub dan manual diputar kembali ke posisi nol sebelum memulai

tes. Jika rotasi potensiometer adalah untuk melebihi 10 bergiliran, disk berputar hanya

akan terpeleset di hub dan tidak ada kerusakan pada potensiometer akan hasil.

Rangkaian potensiometer terhubung ke saluran 2 dari osiloskop penyimpanan dan

dikalibrasi dengan merekam tegangan output pada setiap 10 derajat rotasi hub tetap

lebih dari 10 revolusi dari potensiometer tersebut.

Gambar 4 - Potensiometer Majelis yang digunakan untuk pengukuran sudut puntir

Prosedur:

1. Persiapkan sampel uji kawat (panjang 300-350 mm).

2. Pastikan bahwa oil dumper tersedia dalam jumlah yang memadai.

3. Atur skala pendulum sesuai dengan beban yang diinginkan (6 kg-m atau 3 kg-m).

4. Pasang beban tersebut

5. Periksa dan pasang jarum penunjuk momen puntir pada skala nol.

6. Pasang kertas pencatat pada silindernya.

7. Lakukan uji coba terlebih dahulu pada kertas dan silinder pencatat tersebut.

8. Pasang sampel uji dengan baik. Putarlah grip pemegang ke arah yang sesuai.

Pastikan pengencangan yang dilakukan tidak terlalu rendah maupun terlalu besar.

Gunakan alat bantu bila perlu.

9. Atur jarum penunjuk sudut puntir pada skala nol.

10. Atur jarum penunjuk momen puntir pada skala nol.

11. Atur penunjuk jumlah puntiran

12. Tariklah tuas main switch pada dinding tembok ke posisi on

13. Nyalakan tombol hijau untuk memulai pengujian.

14. Amati dan catat momen torsi pada penambahan sudut puntir:

• tiap 30o selama dua putaran

• tiap 60o selama putaran ke 3 dan 4.

• tiap 90o untuk satu putaran selanjutnya.

• tiap 120o untuk satu putaran selanjutnya.

• tiap 180o untuk satu putaran selanjutnya.

• tiap 360o hingga benda uji putus.

Keuntungan uji puntir dibandingkan dengan uji tarik :

a. Hasil pengukuran yang diberikan mengenai plastisitas lebih mendasar

b. Langsung memberikan grafik tegangan geser terhadap regangan geser

c. Tidak terjadi kesulitan karena timbulnya necking (pada uji tarik) ataupun barreling (pada uji tekan)

d. Laju regangan yang diperoleh konstan dan besar

Kerugian uji puntir dibandingkan dengan uji tarik :

a. Pengolahan data menjadi kurva tegangan–regangan geser membutuhkan usaha yang

tidak sedikit

b. Jika spesimen yang digunakan adalah batang padat, maka akan timbul gradien

tegangan yang cukup curam sepanjang penampang lintang spesimen sehingga

mempersulit pengukuran.

6) interpretasi data

Spesimen yang digunakan adalah jenis baja ST 60 dengan bentuk uji standar ASTM.

Jenis baja ST 60 yang dipilih memiliki tensile strenght antara 600-720 N/mm2. Sesuai

BKI Volume III (Rules For Machinery Installations) 2006 (Section 4), mensyaratkan

bahwa material untuk poros baling-baling memiliki tensile strenght antara 400-800

N/mm2.

Uji Puntir merupakan salah satu jenis pengujian material dengan sifat merusak

(destructive test). Tujuannya adalah untuk mengetahui sifat material berupa kekuatan

puntir setelah menerima tegangan puntir. Pengkondisian yang ditentukan terhadap

benda uji/ spesimen adalah dengan membuat dua jenis kondisi material seperti halnya

uji rotary bending sebelumnya. Yaitu kondisi spesimen tanpa takik dan dengan diberi

takik jenis U (sebagai asumsi poros mengalami cacat, bisa akibat aus, awal retak, dsb).

Setelah selesai melakukan pengujian seperti di atas, maka diperoleh data-data pengujian

sebagai berikut : Tahap pertama

Telah diketahui dari hasil pengujian dan olah data sebelumnya bahwa pengkondisian

material dengan pemberian takik sangat berpengaruh terhadap kekuatan material.

Analisanya dapat dijelaskan sebagai berikut :

1. Kekuatan puntir material ditunjukkan dengan nilai tegangan gesernya. Hasil

perhitungan data didapatkan nilai di bawah

Jadi, kondisi material yang diasumsikan cacat dengan diberi takik akan

mempercepat terjadinya kegagalan material akibat puntiran.

2. Konsentrasi tegangan yang terpusat pada daerah takik, memiliki nilai sebesar

1,2 kali dari tegangan merata.

3. Melihat sudut puntir maksimum rata-rata pada spesimen tanpa takik sebesar

15940 atau sekitar 4 putaran puntir lebih, maka dapat disimpulkan bahwa

material mempunyai sifat ulet (ductile).

DAFTAR PUSTAKA

GLENN E. VALLEE.2006. Design and development of an economical Torsion testing

machine. Western New England College Springfield Massachussets:WWW.google.com

Ahmad Herman Yuwono.2009.Praktikum Karakterisasi Material 1 Pengujian

Merusak:Fakultas Teknik Material Dan Metalurgi UI

Sukanto Jatmiko,dkk.2012.Analisa kekuatan puntir dan kekuatan lentur putar poros baja ST 60 sebagai aplikasi perancangan bahan poros baling-baling kapal.Bandung : UNPAD