TUGAS PENDAHULUAN MODUL C

UJI PUNTIR

OLEH

KELOMPOK : 28

ANGGOTA KELOMPOK : 1. Astrid Parama N (13406026)

2. Bona Mangkirap (13406043)

3. Irma Sofiani (1340049)

4. Nadia Fadhilah Riza (13406069)

5. Prilla Sista LJ (13406080)

6. Ira Wulandari (13406094)

PROGRAM STUDI TEKNIK MATERIAL

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2007

BAB I

PENDAHULUAN

1. Latar Belakang

Tegangan geser terjadi secara paralel pada bidang material, berbeda

dengan tegangan normal yang tegak lurus dengan bidang. Kondisi

tegangan geser dapat terjadi dengan melakukan geseran secera langsung

(direct shear) dan tegangan puntir (torsional stress). Fenomena geseran

secara langsung dapat dilihat pada saat kita menancapkan paku ke balok

kayu. Pada setiap permukaan di paku dan kayu yang bersinggungan

langsung dengan paku akan mengalami geseran secara langsung.

Sedangkan fenomena tegangan puntiran, dapat terjadi apabila suatu

spesimen mengalami momen torsi. Dengan adanya tegangan geser, maka

respon yang diterima material pun berbeda.

2. Tujuan Praktikum

1. Mengetahui standar dan prosedur Uji Puntir

2. Mengetahui pengaruh tegangan geser terhadap sifat mekanik

material

3. Mampu menghitung besaran-besaran sifat mekanik material dari Uji

Puntir

4. Memahami mekanisme terbentuknya patahan material oleh

tegangan geser.

BAB II

TEORI DASAR

Uji puntir pada suatu spesimen dilakukan untuk menentukan keplastisan

suatu material. Spesimen yang digunakan pada pengujian puntir adalah

batang dengan penampang lingkaran karena bentuk penampang ini paling

sederhana sehingga mudah diukur. Spesimen tersebut hanya dikenai

beban puntiran pada salah satu ujungnya karena dua pembebanan akan

memberikan ketidakkonstanan sudut puntir yang diperoleh dari

pengukuran.

Rumus tegangan dan regangan geser untuk batang padat :

J

.rM=τ

T dan

L

r.φ=γ

sedangkan Momen inersia (J) pada keadaan maksimum silinder adalah

32

π.D=J

4

Pengukuran yang dilakukan pada uji puntir adalah momen puntir dan

sudut puntir. Pengukuran ini kemudian dikonversikan menjadi sebuah

grafik Momen Puntir tehadap Sudut Puntir (dalam putaran). Namun, pada

daerah plastis hubungan antara momen puntir dengan sudut puntir tidak

linear lagi, sehingga diperlukan rumus yang berbeda pula untuk mencari

tegangan geser.

Untuk mencari tegangan geser pada daerah plastis, digunakan rumus :

)3(..2

13

CDBCa

a

Sedangkan untuk mencari regangan geser (γ), keduanya memiliki rumus

yang sama yaitu :

γ = θ’. R,

dengan : R = jari-jari spesimen

θ’ = sudut putar per satuan panjang = L

Pada kriteria Tresca, spesimen mengalami luluh bila tegangan geser

maksimum mencapai harga tegangan geser dalam uji tarik uniaksial :

.2 dan 2

Sedang pada Von Mises, spesimen mengalami luluh bila invariant kedua

deviator tegangan melampaui harga kritis tertentu.

.3 dan 3

Dengan : = Tegangan geser sebenarnya

= Tegangan geser teknik

= Regangan geser sebenarnya

Gb. 1 . Grafik Momen Puntir

terhadap Sudut Puntir

Gb. 2 . Grafik Momen Puntir terhadap Sudut Puntir

per Satuan Panjang

= Regangan geser teknik

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.

.

.

J

LTG

Keterangan :

G : Modulus elastisitas geser

: Tegangan geser

: Regangan geser

T : Momen lentur

L : Panjang spesimen

J : 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

32

D4J maka besarnya modulus pecah terbesar yaitu

3

max

.

`.16

D

Mu

Keterangan :

u : Modulus of rupture

r : Diameteri spesimen

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

Berikut ini adalah perbandingan antara kedua jenis patahan :

Patah Getas Patah Ulet

Gaya yang menyebabkan

patah adalah tegangan geser

maksimum (max)

Gaya yang menyebabkan patah

adalah tegangan normal

maksimum (max)

Sudut patahan yang terbentuk

adalah 45o

Sudut patahan yang terbentuk

adalah 90o

Diagram Mohr Uji Puntir:

Pada patahan getas, Gaya bergerak dari max ke -max, lalu berhenti dan

terjadi patahan. Sedangkan pada patah ulet, gaya bergerak dari max ke

- max, lalu berhenti dan terjadi patahan

Pada uji tarik yang lebih dominan untuk menyebabkan terjadinya

patahan adalah tegangan normal. Perbandingan patah getas dan ulet

oleh uji tarik dapat dilihat pada tabel berikut :

-max

-max

max

max

Garis patah

getas

Garis patah

ulet

Patah Getas Patah Ulet

Sudut patahan yang terbentuk

adalah 90o

Sudut patahan yang terbentuk

adalah 45o

Diagram Mohr:

Pada patah getas, Gaya bergerak dari max ke titik 0, lalu berhenti dan

terjadi patahan. Sedangkan pada patah ulet, gaya bergerak dari max ke

max, lalu berhenti kemuadian terjadi patahan.

Keterangan :

Pada Diagram Mohr menunjukkan sudut dua kali lebih besar daripada

keadaan sebenarnya. Dengan menggunakan Diagram Mohr, kita dapat

menjelaskan mekanisme terbentuknya patahan pada sebuah spesimen.

Prinsip uji puntir sebenarnya berasal dari prinsip kerja uji tarik,

walaupun sebenarnya perbedaan yang mendasar dari kedua prinsip kerja

pengujian tersebut adalah timbulnya pengecilan setempat yang

menyebabkan uji tarik tidak baik digunakan dalam mengukur keplastisan

suatu material. Berikut adalah kentungan dan kerugian dari pengujian

puntir.

Keuntungan uji puntir dibandingkan dengan uji tarik :

max

max

Garis patah

ulet

Garis patah

getas

Hasil pengukuran yang diberikan mengenai plastisitas lebih

mendasar

Langsung memberikan grafik tegangan geser terhadap regangan

geser

Tidak terjadi kesulitan karena timbulnya necking (pada uji tarik)

ataupun barreling (pada uji tekan)

Laju regangan yang diperoleh konstan dan besar

Kerugian uji puntir dibandingkan dengan uji tarik :

Pengolahan data menjadi kurva tegangan–regangan geser

membutuhkan usaha yang tidak sedikit

Jika spesimen yang digunakan adalah batang padat, maka akan

timbul gradien tegangan yang cukup curam sepanjang penampang

lintang spesimen sehingga mempersulit pengukuran.

BAB III

DATA PERCOBAAN

Jenis Material : ST-37

Panjang Awal : 47,5 mm

Diameter : 7,25 mm

Kecepatan Puntir : 16 rpm

Mesin : Tarno Grocki

Panjang Spesimen yang patah : 48,5 mm

Kekerasan Awal : 34 HRA

Kekerasan Akhir : 52,33 HRA

Diameter Patahan : 7,2 mm

Jumlah Putaran : 5,4

Tabel Data

Time (sec) Channel 1 Channel 2 n Mτ θ θ' γ τ

0 0.051757813 0 0 0.227734375 0 0 0 3045123

1.04 3.795898438 0 0.295579663 16.70195313 1.857181796 39.09856412 141.7322949 223328205

2.03 5.388671875 0 0.576948765 23.71015625 3.625076005 76.31738957 276.6505372 317037570

3.02 6.358398438 0 0.858317868 27.97695313 5.392970214 113.536215 411.5687795 374090544

4.01 6.924804688 0 1.13968697 30.46914063 7.160864423 150.7550405 546.4870218 407414536

5 7.244628906 0 1.421056072 31.87636719 8.928758632 187.9738659 681.4052641 426231101

6.04 7.642089844 0 1.716635735 33.62519531 10.78594043 227.0724301 823.137559 449615351

7.03 7.953613281 0 1.998004837 34.99589844 12.55383464 264.2912555 958.0558013 467943547

8.02 7.982421875 0 2.27937394 35.12265625 14.32172885 301.510081 1092.974044 469638474

9.01 7.933105469 0 2.560743042 34.90566406 16.08962306 338.7289064 1227.892286 466736988

10.05 8.071289063 0 2.856322705 35.51367188 17.94680485 377.8274706 1369.624581 474866893

11.04 8.494140625 0 3.137691807 37.37421875 19.71469906 415.046296 1504.542823 499744977

12.03 8.275390625 0 3.419060909 36.41171875 21.48259327 452.2651215 1639.461065 486875022

13.02 8.359863281 0 3.700430012 36.78339844 23.25048748 489.4839469 1774.379308 491844893

14 8.74609375 0 3.978957002 38.4828125 25.00052417 526.3268247 1907.934739 514568409

15.05 8.792480469 0 4.277378777 38.68691406 26.87556348 565.8013365 2051.029845 517297529

16.04 8.778320313 0 4.558747879 38.62460938 28.64345769 603.020162 2185.948087 516464429

17.03 8.596679688 0 4.840116981 37.82539063 30.4113519 640.2389874 2320.866329 505777769

18.01 8.915527344 0 5.118643971 39.22832031 32.16138859 677.0818651 2454.421761 524536879

19 7.698730469 0 5.400013074 33.87441406 33.9292828 714.3006906 2589.340003 452947750

20.05 -0.079101563 0 5.698434849 -0.348046875 35.80432212 753.7752024 2732.435109 -4653868

21.03 -0.067382813 0 5.976961839 -0.296484375 37.55435881 790.6180802 2865.990541 -3964406

22.02 -0.053222656 0 6.258330941 -0.234179688 39.32225302 827.8369056 3000.908783 -3131306

Time (sec)

Channel 1 Channel 2 Tressca Von Misses Tressca Von Misses

log log log log

0 0.051757813 0 6090247 0 5274308.5 0 6.7846349 #NUM! 6.722165532 #NUM!

1.04 3.795898438 0 446656410 70.86614746 386815797.9 81.82917863 8.649973571 1.850438824 8.587504203 1.912908192

2.03 5.388671875 0 634075140 138.3252686 549125179.5 159.7242621 8.802140727 2.140901522 8.739671358 2.203370891

3.02 6.358398438 0 748181087 205.7843897 647943828.1 237.6193456 8.874006726 2.313412427 8.811537357 2.375881796

4.01 6.924804688 0 814829072 273.2435109 705662676.3 315.5144291 8.911066516 2.436549857 8.848597147 2.499019225

5 7.244628906 0 852462202 340.702632 738253922.4 393.4095126 8.930675131 2.532375489 8.868205763 2.594844857

6.04 7.642089844 0 899230702 411.5687795 778756631.4 475.2386913 8.953871126 2.614442423 8.891401758 2.676911791

7.03 7.953613281 0 935887093 479.0279006 810501997.9 553.1337748 8.971223458 2.680360809 8.90875409 2.742830178

8.02 7.982421875 0 939276948 546.4870218 813437697.9 631.0288583 8.972793664 2.737579853 8.910324295 2.800049221

9.01 7.933105469 0 933473977 613.9461429 808412177.5 708.9239418 8.970102215 2.788130275 8.907632847 2.850599644

10.05 8.071289063 0 949733787 684.8122904 822493586.2 790.7531204 8.977601888 2.835571546 8.91513252 2.898040914

11.04 8.494140625 0 999489955 752.2714115 865583691.8 868.6482039 8.999778434 2.876374558 8.937309065 2.938843926

12.03 8.275390625 0 973750043 819.7305327 843292274.5 946.5432874 8.98844749 2.913671112 8.925978122 2.97614048

13.02 8.359863281 0 983689786 887.1896538 851900344.1 1024.438371 8.992858162 2.948016469 8.930388794 3.010485837

14 8.74609375 0 1029136817 953.9673697 891258627.7 1101.546635 9.012473115 2.97953352 8.950003747 3.042002888

15.05 8.792480469 0 1034595057 1025.514922 895985602.3 1184.162633 9.014770399 3.010941984 8.952301031 3.073411353

16.04 8.778320313 0 1032928858 1092.974044 894542631.1 1262.057717 9.014070411 3.038609848 8.951601043 3.101079217

17.03 8.596679688 0 1011555538 1160.433165 876032793.6 1339.9528 9.004989732 3.064620132 8.942520364 3.127089501

18.01 8.915527344 0 1049073758 1227.210881 908524524.5 1417.061064 9.020806023 3.088919197 8.958336655 3.151388565

19 7.698730469 0 905895500 1294.670002 784528516.2 1494.956148 8.957078102 3.112159085 8.894608734 3.174628454

20.05 -0.079101563 0 -9307736 1366.217554 -8060735.7 1577.572146 #NUM! 3.135519861 #NUM! 3.19798923

21.03 -0.067382813 0 -7928812 1432.99527 -6866552.6 1654.68041 #NUM! 3.156244757 #NUM! 3.218714125

22.02 -0.053222656 0 -6262612 1500.454391 -5423581.4 1732.575494 #NUM! 3.176222799 #NUM! 3.238692167

PENGOLAHAN DATA

Dari data percobaan, akan didapatkan kurva :

1) Kurva banyaknya putaran-momen torsi

2) Kurva sudut putar-momen torsi

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 2 4 6

Kurva Momen Torsi-Banyaknya Putaran

Kurva Momen Torsi-Banyaknya Putaran

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40

Kurva Momen Torsi-Sudut Putar

Kurva Momen Torsi-Sudut Putar

3) Kurva sudut putar per panjang-momen torsi

4) Kurva tegangan-regangan geser

y = 31.196x + 20.952

0

10

20

30

40

50

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Kurva Momen Torsi-Sudut Putar per Panjang

Kurva Momen Torsi-Sudut Putar per Panjang

Linear (Kurva Momen Torsi-Sudut Putar per Panjang)

0

100000000

200000000

300000000

400000000

500000000

600000000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Kurva Tegangan-Regangan Geser

Kurva Tegangan-Regangan Geser

5) Kurva tegangan-regangan sebenarnya

6) Kurva log tegangan-log regangan sebenarnya

y = 460281x + 6E+08

y = 345211x + 5E+08

0.0

200000000.0

400000000.0

600000000.0

800000000.0

1000000000.0

1200000000.0

1400000000.0

0 500 1000 1500 2000

tressca

von misses

Linear (tressca)

Linear (tressca)

Linear (tressca)

Linear (von misses)

Linear (von misses)

BAB IV

ANALISIS

Kurva

Pembuatan kurva dimulai dengan membuat kurva hubungan antara

momen torsi dengan jumlah putaran. Kemudian untuk membuat kurva

sudut putar dengan momen torsi, jumlah putaran dikonversi menjadi

sudut putar dengan menggunakan perhitungan 2πn, dengan n adalah

jumlah putaran. Kurva ketiga menghubungkan momen puntir dengan

sudut putar per satuan panjang batang. Kurva keempat membuat

hubungan membuat hubungan antara (tegangan geser) dengan

(regangan geser). Kurva selanjutnya menghubungkan Von Mises ( 3 )

dengan Von Mises

3

. Kurva terakhir menghubungkan logaritma

tegangan dan logaritma regangan sebenarnya.

Kekerasan

Sebelum dilakukan uji puntir, kekerasan material diukur dan didapatkan

harga sebesar 34 HRA. Setelah dilakukan uji puntir, kekerasan material

meningkat menjadi 52,33 HRA. Hal ini disebabkan karena terjadinya

strain hardening setelah benda terdeformasi plastis. Deformasi ini

menyebabkan menumpuknya pergerakan dislokasi, sehingga gaya yang

diperlukan untuk menggerakkan atom-atom menjadi lebih besar. Hal ini

yang menyebabkan peningkatan harga kekerasan material.

Panjang Spesimen

Setelah dilakukan uji puntir, terjadi perubahan panjang pada spesimen

dari 47,5 mm menjadi 48,5 mm. Kejadian ini seharusnya tidak terjadi.

Perubahan panjang ini mungkin terjadi akibat benda kerja dijepit dalam

keadaan miring (penjepit pada mesin uji puntir miring).

Bentuk Patahan

Seperti yang telah diketahui bentuk patahan pada uji puntir ada dua,

berdasarkan jenis spesimen getas atau ulet. Patah getas disebabkan oleh

tegangan normal maksimum (max), menghasilkan sudut patah sebesar

450. Patah ulet disebabkan oleh tegangan geser maksimum(max),

menghasilkan sudut patah sebesar 900 terhadap normal axis.

Patahan hasil puntiran pada material yang diuji membentuk sudut 900

terhadap normal axis. Maka, material yang diuji sifatnya ulet.

Berdasarkan diagram Mohr, sudut 900 ini disebabkan karena adanya

tegangan geser maksimum yang diakibatkan oleh gaya tarik menjadi

tegangan geser maksimum yang diakibatkan oleh gaya tekan.

Patah Ulet

Letak Patahan

Ketika dilakukan uji puntir, spesimen patah di bagian pinggir. Hal ini

disebabkan karena spesimen di satu sisi dicengkram dan satu sisi lagi

dipuntir. Daerah dekat cengkraman akan terjadi pemusatan tegangan

dimana akan terjadi tegangan geser maksimum. Maka, patah terjadi

pada bagian yang dikenai pemusatan tegangan, di bagian pinggir.

Bila kita memuntir di dua sisi spesimen, pemusatan tegangan akan

berada di tengah spesimen, sehingga patah akan terjadi di bagian

tengah. Namun cara ini tidak dipakai karena ketidakkonstanan sudut

puntir, sehingga sudut puntir sulit untuk ditentukan.

Hal lain yang menyebabkan patah terjadi di pinggir spesimen adalah

keadaan spesimen yang tidak homogen. Terbukti pada saat pengukuran

disepanjang spesimen harga kekerasannya berbeda-beda. Patah akan

terjadi di tempat terlemah spesimen.

Timbulnya panas pada spesimen setelah percobaan

Pada spesimen yang telah dilakukan uji puntir akan timbul panas. Daerah

yang paling panas adalah daerah patahan. Energi panas yang dilepaskan

berasala dari gaya gesekan saat terjadi pergeseran pada atom-atom spe

Ketidakakuratan pengolahan data.

Pada pengolahan data uji puntir terdapat kemungkinan kurang

akuratnya hasil perhitungan yang disebabkan oleh pemilihan beberapa

titik saja dari kurva momen puntir yang sangat berfluktuasi sehingga

grafik yang diolah hanya merupakan interpretasi menjadi grafik yang

lebih sederhana dibandingkan grafik yang sebenarnya

Tugas Setelah Praktikum

1. Buat kurva momen torsi dengan ,kemudian buat juga kurva antara

momen torsi dengan . Hitunglah tegangan geser dan regangan geser sebenarnya dengan menggunakan persamaan 8. Ambil delapan titik di setiap kurva untuk mendapatkan tegangan dan regangan gesernya. Setelah itu dengan criteria Tresca dan Von Mises buat kurva tegangan dan regangan sebenarnya. Jawab:

2. Hitung modulus elastisitas geser, kekuatan geser maksimum serta cari nilai K dan n dari material yang diuji. Jawab:

Modulus Elastisitas Geser

5102.212454.42176

524536879

.

.x

J

LTG

Kekuatan Geser Maksimum

𝜏𝑢 =3𝑀𝑚𝑎𝑘𝑠

2𝜋𝑟2=3 39.22832031

2𝜋 3.625𝑥10−3 2= 1.4𝑥106

Kekuatan Luluh Maksimum

8

333

max 1024.51025.7

139.228320316

.

`.16x

xD

My

Koefisien Kekuatan dan Strain Hardening Exponent

Dengan menggunakan kriteria Tresca, didapat:

n = 0.270814

K = 1.1 X 109

Dengan menggunakan kriteria Von Misses, didapat

n = 0.270814

K = 9.24 X 108

nK

Menurut Literatur, (Groover, Mikell P. Fundamentals of Modern

Manufacturing, 2ndStudent Edition. John Wiley and Sons, Inc. New

York: 2004. Page 46), nilai n untuk baja berkisar antara 0.15

hingga 0.40. Dalam percobaan yang kami lakukan, didapatkan nilai

n ada dalam kisaran tersebut. Untuk nilai K, literature tersebut

menyatakan bahwa koefisien kekuatan baja ada dalam kisaran 500

MPa hingga 1200 MPa. Dari kriteria yang kami gunakan (Tresca

dan Von Misses), nilai K yang didapat berada dalam kisaran

tersebut.

3. Apa kelebihan dan kekurangan uji puntir dibandingkan dengan uji

tarik dalam mendapatkan besaran sifat mekaniknya? Jawab dengan baik dan tepat ! Jawab:

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.

4. Analisis bentuk patahan dari hasil uji puntir ini. Apa bedanya

bentuk patahan uji punter untuk material ulet dan getas ? Jawab: Jenis patahan pada pengujian puntir kali ini adalah patahan ulet. Hal ini dapat dilihat dari sudut patahan spesimen membentuk sudut 900 . Gaya yang menyebabkan spesimen ini patah ulet

adalah tegangan normal maksimum (max) . Pada jenis patah getas, sudut patahan yang terbentuk adalah 45o dan gaya yang

menyebabkannya patah adalah tegangan geser maksimum (max).

DAFTAR PUSTAKA

Groover, MP. “Fundamentals of Modern Manufacturing”.