Upload
others
View
55
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
PEMILIHAN BAHAN DAN PROSES
ABDUL MUCHLIS
Berbagai Bahan & Proses pada sebuah Traktor
Manufacturing Processes for Engineering Materials, 5th ed. Kalpakjian • Schmid© 2008, Pearson EducationISBN No. 0-13-227271-7
GAMBAR 1.1 Traktor Model 8430, dengan ilustrasi rincitentang mesin diesel, menunjukkan berbagai material danproses penggabungan. Sumber: Courtesy of PerusahaanJohn Deere.
Pentingnya Manufaktur
GAMBAR 1.2 Pentingnya manufaktur untuk ekonomi nasional. Kecenderungan yang ditunjukkan tersebut dari tahun 1982 sampai tahun 2006. Sumber: Setelah J.A. Schey dengan data dari Laporan Pembangunan Dunia, Bank Dunia, berbagai tahun.
Proses Pengembangan
Gambar 1.3(a) Bagan yang menunjukkan berbagailangkah terkait pada merancang danproduk manufaktur. Tergantung padakompleksitas produk dan jenis bahanyang digunakan, rentang waktu antarakonsep asli dan pemasaran produkmungkin berkisar dari beberapa bulanuntuk bertahun-tahun.(b) Grafik menunjukkan aliran produkumum, dari analisis pasar untukmenjual produk, dan menggambarkanconcurrent engineering. Sumber:Setelah S. Pugh.
Bentuk &
Proses
Manufaktur
TABEL 1.2 Bentuk dan beberapa metode umum produksi.
Desain pada Perakitan
GAMBAR 1.4 Redesain komponen untuk memudahkan perakitan otomatis.Sumber: Dipetik dari G. Boothroyd dan P. Dewhurst, Desain Produk padaAssembly, 1989, oleh milik Marcel Dekker, Inc
Mobil semua dari Aluminium
Gambar 1.5 (a) Audi A8 mobil, sebuah contoh konstruksi dari bahan canggih; (b)struktur body aluminium, menampilkan berbagai komponen yang dibuat oleh ekstrusi,pembentukan plat, dan proses pengecoran. Sumber: Courtesy of ALCOA, Inc
Metode Manufaktur
Gambar 1.6 Berbagai metode untuk membuat komponen sederhana: (a) castingatau Serbuk metalurgi, (b) tempa atau upsetting, (c) ekstruksi, (d) pemesinan,(e) penggabungan dua bagian.
Perbandingan ukuran pada Manufaktur
Gambar 1.7 Ilustrasi dariberbagai ukuran komponen yangumum dan kemampuan prosesmanufaktur dalam memproduksibagian tersebut.
GAMBAR 1.8 Pembuatan rongga cetakan untuk membuat kacamata. (a) Modelkacamata seperti yang dilihat dan dirancang di monitor komputer. (b) Pembuatanrongga cetakan dengan menggunakan mesin milling computrt numerik kontrol. (c)produk akhir yang dihasilkan dari cetakan. Sumber: Courtesy Mastercam / SoftwareCNC, Inc
GAMBAR 1.9 Gambaran Umum suatu sistem manufaktur yang fleksibel, menunjukkan beberapa mesin (pusat permesinan) dan kendaraan dipandu otomatis (AGV) bergerak sepanjang lorong. Sumber: Courtesy of Milacron Cincinnati, Inc
REFERENSI1. S. Kalpakjian, Manufacturing Processes for Engineering Materials, 5th
ed. Pearson Education, 2008
2. E.P. DeGarmo, Materials and Processes in Manufacturing, Prentice
Hall Inc., 2004
3. P.L. Mangonon, The Principles of Materials Selection for Engineering
Design, Prentice Hall Inc., 1995
4. B.H. Anstead, Proses Mekanik (terjemahan), Erlangga, Jakarta,
1979
Macam Tegangan
Manufacturing Processes for Engineering Materials, 5th ed. Kalpakjian • Schmid© 2008, Pearson EducationISBN No. 0-13-227271-7
GAMBAR 2.1 Macam tegangan. (a) Tarik. (b) tekan. (c) Geser.Semua Deformasi dalam proses pembuatan melibatkan jenistegangan ini. Tegangan tarik terjadi dalam peregangan lembaranlogam untuk membuat badan mobil, tegangan tekan dalammenempa logam untuk membuat cakra turbin, dan tegangan geserdalam membuat lubang dengan puncing.
Engineering Strain:
Tegangan geser :
Tensile-Test
Gambar 2.2 (a) Bentuk awaldan bentuk akhir dari spesimentarik-uji standar. (b) Garis Besarurutan uji tarik menunjukkantahapan yang berbeda dalamperpanjangan spesimen.
Mechanical Properties
TABLE 2.1 Typical mechanicalproperties of various materials at roomtemperature. See also Tables 10.1,10.4, 10.8, 11.3 and 11.7.
Loading & Unloading; Elongation
FIGURE 2.3 Schematic illustration ofloading and unloading of a tensile-testspecimen. Note that during unloadingthe curve follows a path parallel to theoriginal elastic slope.
FIGURE 2.4 Total elongation in atensile test as a function of originalgage length for various metals.Because necking is a localphenomenon, elongation decreaseswith gage length. Standard gagelength is usually 2 in. (50 mm),although shorter ones can be used iflarger specimens are not available.
True Stress and True Strain
TABLE 2.2 Comparison of engineeringand true strains in tension
True stress
True strain
True Stress - True Strain Curve
FIGURE 2.5 (a) True stress--true straincurve in tension. Note that, unlike inan engineering stress-strain curve, theslope is always positive and that theslope decreases with increasing strain.Although in the elastic range stressand strain are proportional, the totalcurve can be approximated by thepower expression shown. On thiscurve, Y is the yield stress and Yf is theflow stress. (b) True stress-true straincurve plotted on a log-log scale. (c)True stress-true strain curve in tensionfor 1100-O aluminum plotted on a log-log scale. Note the large difference inthe slopes in the elastic and plasticranges. Source: After R. M. Caddelland R. Sowerby.
Power Law Flow Rule
TABLE 2.3 Typical values for K and nin Eq. 2.11 at room temperature.
Flow rule:
True Stress-True Strain for Various Materials
FIGURE 2.6 True stress-true straincurves in tension at roomtemperature for various metals.The point of intersection of eachcurve at the ordinate is the yieldstress Y; thus, the elastic portionsof the curves are not indicated.When the K and n values aredetermined from these curves,they may not agree with thosegiven in Table 2.3 because of thedifferent sources from which theywere collected. Source: S.Kalpakjian.
Idealized Stress-Strain Curves
FIGURE 2.7 Schematic illustration of various types of idealizedstress-strain curves. (a) Perfectly elastic. (b) Rigid, perfectlyplastic. (c) Elastic, perfectly plastic. (d) Rigid, linearly strainhardening. (e) Elastic, linearly strain hardening. The brokenlines and arrows indicate unloading and reloading during thetest.
FIGURE 2.8 The effect of strain-hardening exponent n on the shape oftrue stress-true strain curves. When n= 1, the material is elastic, and when n= 0, it is rigid and perfectly plastic.
Temperature and Strain Rate Effects
FIGURE 2.9 Effect of temperature on mechanicalproperties of a carbon steel. Most materials displaysimilar temperature sensitivity for elastic modulus, yieldstrength, ultimate strength, and ductility.
FIGURE 2.10 The effect of strain rate on theultimate tensile strength of aluminum. Notethat as temperature increases, the slopeincreases. Thus, tensile strength becomesmore and more sensitive to strain rate astemperature increases. Source: After J. H.Hollomon.
Typical Strain Rates in Metalworking
TABLE 2.4 Typical ranges of strain, deformation speed, and strain rates inmetalworking processes.
Effect on Homologous Temperature
FIGURE 2.11 Dependence of thestrain-rate sensitivity exponent m onthe homologous temperature T/Tm forvarious materials. T is the testingtemperature and Tm is the meltingpoint of the metal, both on theabsolute scale. The transition in theslopes of the curve occurs at about therecrystallization temperature of themetals. Source: After F. W. Boulger.
Strain Rate Effects
TABLE 2.5 Approximate range of values for C and min Eq. (2.16) for various annealed metals at truestrains ranging from 0.2 to 1.0.
Effect of Strain Rate Sensitivity on Elongation
FIGURE 2.12 (a) The effect of strain-rate sensitivity exponent m on the total elongation for variousmetals. Note that elongation at high values of m approaches 1000%. Source: After D. Lee and W.A.Backofen. (b) The effect of strain-rate sensitivity exponent m on the post uniform (after necking)elongation for various metals. Source: After A.K. Ghosh.
Hydrostatic Pressure & Barreling
FIGURE 2.13 The effect of hydrostatic pressureon true strain at fracture in tension for variousmetals. Even cast iron becomes ductile underhigh pressure. Source: After H.L.D. Pugh and D.Green.
FIGURE 2.14 Barreling in compressinga round solid cylindrical specimen(7075-O aluminum) between flat dies.Barreling is caused by friction at thedie-specimen interfaces, which retardsthe free flow of the material. See alsoFigs.6.1 and 6.2. Source: K.M.Kulkarni and S. Kalpakjian.
Plane-Strain Compression Test
FIGURE 2.15 Schematic illustration of the plane-strain compression test. The dimensionalrelationships shown should be satisfied for this testto be useful and reproducible. This test gives theyield stress of the material in plane strain, Y’.Source: After A. Nadai and H. Ford.
Yield stress in plane strain:
Tension & Compression; Baushinger Effect
FIGURE 2.16 True stress-true straincurve in tension and compression foraluminum. For ductile metals, thecurves for tension and compression areidentical. Source: After A.H. Cottrell.
FIGURE 2.17 Schematic illustration of theBauschinger effect. Arrows show loading andunloading paths. Note the decrease in the yield stressin compression after the specimen has beensubjected to tension. The same result is obtained ifcompression is applied first, followed by tension,whereby the yield stress in tension decreases.
Disk & Torsion Tests
FIGURE 2.18 Disk test on a brittlematerial, showing the direction ofloading and the fracture path. This testis useful for brittle materials, such asceramics and carbides.
FIGURE 2.19 A typical torsion-test specimen. It ismounted between the two heads of a machine andis twisted. Note the shear deformation of an elementin the reduced section.
Simple vs. Pure Shear
FIGURE 2.20 Comparison of (a) simple shear and (b) pure shear.Note that simple shear is equivalent to pure shear plus a rotation.
Three- and Four-Point Bend-Tests
FIGURE 2.21 Two bend-test methods for brittle materials: (a)three-point bending; (b) four-point bending. The shaded areason the beams represent the bending-moment diagrams,described in texts on the mechanics of solids. Note the regionof constant maximum bending moment in (b), whereas themaximum bending moment occurs only at the center of thespecimen in (a).
Hardness Tests
FIGURE 2.22 Generalcharacteristics of hardnesstesting methods. The Knooptest is known as amicrohardness test because ofthe light load and smallimpressions. Source: AfterH.W. Hayden, W.G. Moffatt,and V. Wulff.
Hardness Test Considerations
FIGURE 2.23 Indentation geometry for Brinellhardness testing: (a) annealed metal; (b) work-hardened metal. Note the difference in metal flowat the periphery of the impressions.
FIGURE 2.25 Bulk deformation in mild steel undera spherical indenter. Note that the depth of thedeformed zone is about one order of magnitudelarger than the depth of indentation. For a hardnesstest to be valid, the material should be allowed tofully develop this zone. This is why thinnerspecimens require smaller indentations. Source:Courtesy of M.C. Shaw and C.T. Yang.
FIGURE 2.24 Relation between Brinell hardness andyield stress for aluminum and steels. For comparison,the Brinell hardness (which is always measured inkg/mm2) is converted to psi units on the left scale.
Fatigue
FIGURE 2.26 Typical S-N curves fortwo metals. Note that, unlike steel,aluminum does not have an endurancelimit.
FIGURE 2.27 Ratio of fatigue strength to tensilestrength for various metals, as a function of tensilestrength.
Creep & Impact
FIGURE 2.28 Schematic illustration of atypical creep curve. The linear segment ofthe curve (constant slope) is useful indesigning components for a specific creeplife.
FIGURE 2.29 Impact test specimens: (a)Charpy; (b) lzod.
Residual Stresses
FIGURE 2.30 Residual stresses developed in bending a beam made of an elastic, strain-hardening material. Note that unloading is equivalent to applying an equal and opposite momentto the part, as shown in (b). Because of nonuniform deformation, most parts made by plasticdeformation processes contain residual stresses. Note that the forces and moments due toresidual stresses must be internally balanced.
Distortion due to Residual Stress
FIGURE 2.31 Distortion of parts with residual stresses after cutting or slitting: (a) rolled sheet orplate; (b) drawn rod; (c) thin-walled tubing. Because of the presence of residual stresses on thesurfaces of parts, a round drill may produce an oval-shaped hole because of relaxation ofstresses when a portion is removed.
Elimination of Residual Stresses
FIGURE 2.32 Elimination of residual stresses by stretching. Residual stresses can be alsoreduced or eliminated by thermal treatments, such as stress relieving or annealing.
State of Stress in Metalworking
FIGURE 2.33 The state of stress in various metalworkingoperations. (a) Expansion of a thin-walled spherical shellunder internal pressure. (b) Drawing of round rod or wirethrough a conical die to reduce its diameter; see Section6.5 (c) Deep drawing of sheet metal with a punch anddie to make a cup; see Section 7.6.
Strain State in Necking
FIGURE 2.34 Stress distribution in thenecked region of a tension-testspecimen.
Correction factor due to Bridgman:
States of Stress
FIGURE 2.35 Examples of states ofstress: (a) plane stress in sheetstretching; there are no stresses actingon the surfaces of the sheet. (b) planestress in compression; there are nostresses acting on the sides of thespecimen being compressed. (c) planestrain in tension; the width of thesheet remains constant while beingstretched. (d) plane strain incompression (see also Fig. 2.15); thewidth of the specimen remainsconstant due to the restraint by thegroove. (e) Triaxial tensile stressesacting on an element. (f) Hydrostaticcompression of an element. Note alsothat an element on the cylindricalportion of a thin-walled tube in torsionis in the condition of both plane stressand plane strain (see also Section2.11.7).
Yield Criteria
Maximum-shear-stress criterion:
Distortion-energy criterion:
Flow Stress and Work of Deformation
FIGURE 2.37 Schematic illustration oftrue stress-true strain curve showingyield stress Y, average flow stress,specific energy u1 and flow stress Yf.
Flow stress:
Specific energy
Ideal & Redundant Work
FIGURE 2.38 Deformation of grid patterns in aworkpiece: (a) original pattern; (b) after idealdeformation; (c) after inhomogeneousdeformation, requiring redundant work ofdeformation. Note that (c) is basically (b) withadditional shearing, especially at the outerlayers. Thus (c) requires greater work ofdeformation than (b). See also Figs. 6.3 and6.49.
Total specific energy:
Efficiency:
Sifat mekanik, pengujian dan sifat manufaktur material
TUJUAN PENGUJIAN MEKANIS
Untuk mengevaluasi (evaluate) sifat mekanis dasar
untuk dipakai dalam disain
Untuk memprediksi (predict) performa (unjuk kerja)
material dibawah kondisi pembebanan
Untuk memperoleh (provide) data sifat mekanis dari
material seperti kekuatan (strength), kekakuan
(stiffness), elastisitas (elasticity), plastisitas
(plasticity) & ketangguhan (toughness & resilience).
PERTIMBANGAN
Pertimbangan penting dalam design suatu struktur
atau mesin adalah kekuatannya. Sifat tersebut adalah
dimana peralatan dapat menjalankan fungsinya secara
aman dan baik.
Contoh : Peralatan crane harus mendukung (support)
beban tanpa terjadi perpatahan atau tanpa bengkok
(bending) sehingga tidak mempersulit operator dari
crane.
Sifat Mekanik
Material dalam pengunaanya dikenakan gaya atau beban.
Karena itu perlu diketahui kharater material agar deformasi yg terjadi tidak berlebihan dan tidak terjadi kerusakan atau patah
Karakter material tergantung pada:
Komposisi kimia
Struktur mikro
Sifat material: sifat mekanik, sifat fisik dan sifat kimia
Material
Gaya/beban
Sifat mekanik
Kekuatan (strength): ukuran besar gaya yang diperlukan utk mematahkan atau merusak suatu bahan
Kekuatan luluh (yield strength): kekuatan bahan terhadap deformasi awal
Kekuatan tarik (tensile strength): kekuatan maksimun yang dapat menerima beban.
Keuletan (ductility): berhubungan dengan besar regangan sebelum perpatahan
Sifat Mekanik
Kekerasan (hardness): ketahanan bahan terhadap
penetrasi pada permukaannya
Ketangguhan (toughness): jumlah energi yang
mampu diserap bahan sampai terjadi perpatahan
Mulur (creep)
Kelelahan (fatique): ketahanan bahan terhadap
pembebanan dinamik
Patahan (failure)
Konsep tegangan & regangan
Pembebanan statik:
Tarik
Kompressi
Geser
F
F
F
F
Beban tarikBeban kompressi
F
F
Beban geser
Uji tarik
Uji tarik
Uji tarikStandar sampel untuk uji tarik
Tegangan teknik, = F/Ao (N/m2=Pa)
Regangan teknik, = (li-lo)/lo
Tegangan geser, = F/Ao
2¼’
2’
¾’
0,505’
R 3/8’
Deformasi elastis
Pada pembebanan rendah
dalam uji tarik, hubungan
antara tegangan dan
regangan linierTeg.
Reg.
Modulus elastis
Pembebanan
Beban dihilangkan
Mesin uji tarik (Tensile Test)
Deformasi elastis
Hubungan tersebut masih dalam daerah
deformasi elastis dan dinyatakan dengan
Hubungan diatas dikenal sebagai Hukum
Hooke
Deformasi yang mempunyai hubungan
tegangan dan regangan linier
(proporsional) disebut sebagai deformasi
elastis
Paduan
logam
Modulus elastis
(104 MPa)
Modulus geser
(104 MPa)
Ratio
Poisson
Al 6,9 2,6 0,33
Cu-Zn 10,1 3,7 0,35
Cu 11,0 4,6 0,35
Mg 4,5 1,7 0,29
Ni 20,7 7,6 0,31
Baja 20,7 8,3 0,27
Ti 10,7 4,5 0,36
W 40,7 16,0 0,28
Hubungan tegangan geser dan regangan geser dinyatakan dengan
= G
Dengan
= teg.geser
= reg.geser
G = modulus geser
½
½
Sifat elastis material
Ketika uji tarik dilakukan pada
suatu logam, perpanjangan pada
arah beban, yang dinyatakan
dalam regangan z
mengakibatkan terjadinya
regangan kompressi pada x sb-x
dan y pada sumbu-y
Bila beban pada arah sumbu-z
uniaxial, maka x = y . Ratio
regangan lateral & axial dikenal
sebagai ratio Poisson
Z
Z
z
x
y
= x/y
Harga selalu positip, karena tanda x dan
y berlawanan.
Hubungan modulus Young dengan modulus
geser dinyatakan dengan
E = 2 G (1 + )
Biasanya <0,5 dan untuk logam
umumnya
G = 0,4 E
Deformasi plastis
Untuk material logam, umumnya deformso elastis terjadi < 0,005 regangan
Regangan > 0,005 terjadi deformasi plastis (deformasi permanen)
Ikatan atom atau molekul putus : atom atau molekul berpindah tidak kembali pada posisinya bila tegangan dihilangkan
Teg.
Teg.
Reg.
Reg.
ys
ys
Titik
luluh atas
Titik
Luluh bawah
0,002
Perilaku uji tarik
Titik luluh: transisi elastis & platis
Kekuatan: kekuatan tarik: kekuatan maksimum
Dari kekuatan maksimum hingga titik terjadinya patah, diameter sampel uji tarik mengecil (necking)
Keuletan (ductility)
Keuletan: derajat deformasi plastis hingga
terjadinya patah
Keuletan dinyatakan dengan
Presentasi elongasi,
%El. = (lf-lo)/lo x 100%
Presentasi reduksi area,
%AR = (Ao-Af)/Ao x 100%
Ketangguan (Toughness)
Perbedaan antara kurva
tegangan dan regangan
hasil uji tarik utk
material yang getas
dan ulet
ABC : ketangguhan
material getas
AB’C’ : ketangguhan
material ulet
Teg.
Reg.A
B
B’
C C’
Logam Kekuatan luluh
(MPa)
Kekuatan tarik
(MPa)
Keuletan
%El.
Au - 130 45
Al 28 69 45
Cu 69 200 45
Fe 130 262 45
Ni 138 480 40
Ti 240 330 30
Mo 565 655 35
Tegangan & regangan sebenarnya
Pada daerah necking,
luas tampang lintang
sampel uji material
Tegangan sebenarnya
T = F/Ai
Regangan sebenarnya
T = ln li/lo
Teg.
Reg.
teknik
sebenarnya
Bila volum sampel uji tidak berubah, maka
Aili = Aolo
Hubungan tegangan teknik dengan tegangan
sebenarnya
T = (1 + )
Hubungan regangan teknik dengan regangan
sebenarnya
T = ln (1+ )
Uji Kekerasan (Hardness Test)
Uji Kekerasan (Hardness Test)
Kekerasan dari suatu logam pada dasarnya adalah
ketahanannya terhadap tusukan (indentor) dan
telah memberikan indikasi akan kekuatan suatu
logam.
Test kekerasan yang paling umum adalah mengguna-
kan suatu kekuatan beban untuk meusukan indentor
terhadap material yg sedang di tes.
Alat untuk menusuk (indentor) biasanya adalah
suatu material umumnya adalah intan – yang ada
dalam berbagai bentuk.
Uji Kekerasan (Hardness Test)
Faktor yang menentukan nilai kekerasan adalah
kedalaman bekas tusukan.
Bentuk indentor dapat pyramidal (vikers) ataupun
bulat (brinell).
Besar kecilnya nilai kekerasan suatu material
diperoleh dengan mengukur panjangnya diagonal
dari diameter bekas tusukan indentor.
Uji Kekerasan (Hardness Test)
Uji Mulur (Creep Test)
Uji Mulur (Creep Test)
Jika suatu beban, yang nilainya dibawah tensile strength suatu material diterapkan pada suhu kamar, material perlahan akan memanjang (dapat diukur) pada saat beban diterapkan.
Namun jika suatu beban yang sama diterapkan terus menerus pada suhu yang makin tinggi, maka material akan perlahan – lahan terus memanjang, selama pembebanan terus berlangsung.
Tingkah laku ini disebut creep.
Menahan beban cukup lama akan menyebabkan material pecah.
Uji Mulur (Creep Test)
Dua faktor lain yang penting yang menyebakan benda patah adalah waktu dan suhu.
Semakin tinggi suhunya semakin pendek waktu yang dibutuhkan untuk menghasilkan jumlah sejumlah creep.
Pada suatu suhu yang lebih tinggi, akan menyebabkan creep dan pecah terjadi lebih cepat.
Namun tegangan creep ditandai dengan jumlah tekanan yang dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah tegangan creep dalam suatu waktu pada suatu suhu tertentu
Uji Kelelahan (Fatique Test)
Uji Kelelahan (Fatique Test)
Jika suatu material menerima stress yang nilainya
lebih kecil dari ultimate strength, maka material
tersebut tidak akan patah; jika beban yang sama
diangkat lalu diterapkan kembali beberapa kali
maka akhirnya ia akan patah.
Melipat suatu penjepit kertas (klip) berulang – ulang
sampai pada titik patahnya adalah suatu contoh tipe
fatigue.
Kekuatan suatu material untuk menahan beban yang
berulangkali di tetapkan sebagai fatigue strength.
Uji Kelelahan (Fatique Test)
Fatigue strength biasanya dihubungkan dengan
jumlah siklus yang dibutuhkan untuk mencapai titik
kegagalan.
Fatigue strength biasanya ditentukan dengan
menerapkan suatu beban dan pada level yang sama
juga mendapat tekanan.
Makin dekat nilai stress maksimum pada nilai tensile
strength, makin sedikit rangkaian proses yang
dibutuhkan sebelum peristiwa patah terjadi. Ketika
nilai stress dikurangi, makin banyak jumlah
rangkaian proses yang dialami sebelum patah.
Pengujian Impak Charpy
Gambar 1. Alat uji
Gambar 2. Benda uji
Pengujian Impak Charpy
Benda uji dipatahkan dengan benturan dari sebuah palu pendulum yang berat, yang jatuh dari jarak tetap (energi potensial yang konstan) untuk membentur benda uji dengan kecepatan yang tetap (energi kinetik yang konstan).
Bahan-bahan yang tangguh (tough) menyerap banyak energi ketika dipatahkan dan bahan-bahan yang getas (brittle) menyerap energi sangat sedikit.
Banyak faktor yang mempengaruhi ketangguhan dan tidak semua material memiliki ketangguhan yang sama.
Material yang tangguh memiliki suhu transisi dan kekuatan patah yang lebih rendah, pada segala suhu biasanya membutuhkan energi yang lebih besar.
Patahan (Failure)
Sifat fisik Material
39
Sifat fisik Material
Untuk dapat menggunakan Material teknik dengan tepat,
maka harus dikenali dengan baik sifat-sifat material
teknik yang mungkin akan dipilih untuk dipergunakan.
Sifat-sifat ini tentunya sangat banyak karena sifat
tersebut dapat ditinjau dari berbagai segi ilmu, misalnya
ditinjau dari ilmu kimia akan dapat diperoleh sekelompok
sifat-sifat kimia, dan sebagainya.
Dalam dunia teknik mesin biasanya sifat mekanis
memegang peranan yang sangat penting, disamping
beberapa sifat kimia (terutama sifat tahan korosi), sifat
termal dan sifat fisik. Korosi merupakan masalah yang
cukup serius dalam dunia teknik.
Pengelompokan bahan teknik ditinjau dari sifat-
sifatnya
Class Property
Physico-
chemical
Water-absorptive or water-repellent
action, Shrinkage and swell due to
moisture changes
Thermal Specific heat, Expansion,
Conductivity
Electrical
and
magnetic
Conductivity, Magnetic permeability,
Galvanic action
Acoustical Sound transmission, Sound
reflection
Optical Colour, Light transmission, Light
reflection
Class Property
Physycal Dimension, shape, Density of
specific gravity, Porosity, Moisture
content, Macrostructure,
Microstructure
Mechanical Strength, tension, compression
shear, and flexure (under static,
impact, or fatigue conditions),
Stiffness, Toughness, Elasticity,
Plasticity, Ductility, Brittleness,
Hardness, Wear resistance
Chemical Oxide or compound, Composition
Acidity or alkalinity, Resistance to
corrosion or Weathering, etc.
Sifat fisik Material
Biasanya persyaratan-persyaratan yang diminta untuk
suatu disain/konstruksi antara lain adalah :
Sifat mekanis, menyatakan bagaimana bahan itu bersikap
terhadap gaya atau tekanan yang bekerja padanya, seperti :
kekuatan, kekakuan, keuletan, ketangguhan dan lain-lain.
Sifat fisik, seperti : heat conductivity, electrical
conductivity, heat expansion, bentuk dan dimensi, struktur
mikro dan lain-lain.
Sifat kimia, aktifitas terhadap bahan kimia tertentu, sifat
tahan korosi dan lain-lain
dan lain-lain.
41
Sifat fisik Material
Biasanya sifat mekanis memegang peranan yang sangat
penting, disamping beberapa sifat kimia (terutama sifat
tahan korosi), sifat termal dan sifat fisik.
Sifat fisik antara lain : Kekuatan (Strength);
Kekerasan (Hardness);
Kekenyalan (elasticity);
Kekakuan (stiffness);
Plastisitas (plasticity);
Ketangguhan (tougness);
Kelelahan (fatique);
Merangkak (creep);
Damping;
dan lain-lain.42
Sifat fisik Material
Kekuatan (Strength).
Menyatakan kemampuan bahan untuk menerima tegangan tanpa
menyebabkan kerusakan pada bahan (tergantung pada jenis beban
yang bekerja, yaitu kekuatan tarik, tekan, geser dan torsi.)
Kekerasan (Hardness).
Dapat didefinisikan sebagai kemampuan bahan untuk tahan
terhadap penggoresan, pengikisan (abrasi), identifikasi atau
penetrasi. Sifat ini berkaitan erat dengan sifat tahan aus.
Kekerasan juga mempunyai korelasi dengan kekuatan.
43
Sifat fisik Material
Kekenyalan (elasticity).Menyatakan kemampuan bahan untuk kembali kebentuk dan
ukuran semula setelah diberi beban yang menyebabkan atau
cenderung menyebabkan deformasi (perubahan bentuk), bila
beban dihilang-kan. Sifat ini sangat penting karena bila bahan
menerima beban yang melampaui batas elestisitasnya maka akan
terjadi deformasi yang permanen, dan ini tidak diinginkan terjadi
pada suatu konstruksi.
Kekakuan (stiffness).Menyatakan kemampuan bahan untuk menerima beban tanpa
mengakibatkan terjadinya deformasi atau defleksi. Seringkali
kekakuan lebih penting daripada kekuatan.
44
Sifat fisik Material
Plastisitas (plasticity).
Menyatakan kemampuan bahan untuk mengalami sejumlah
deformasi permanen (deformasi plastik) tanpa terjadi kerusakan/
pecah/putus. Sifat ini sangat diperlukan pada berbagai proses
pembentukan seperti forging, rolling, extruding dan lain-lain. Sifat
ini sering juga disebut sebagai keuletan (ductility). Bahan yang
mau dideformasi cukup banyak dikatakan sebagai bahan yang
mempunyai keuletan tinggi. Sedang bahan yang tidak
memperlihatkan dapat terjadinya deformasi plastik dikatakan
sebagai bahan yang getas (brittle).
45
Sifat fisik Material
Ketangguhan (tougness)
Menyatakan kemampuan bahan untuk menyerap sejumlah energi
tanpa mengakibatkan terjadinya kerusakan. Juga dapat dikatakan
sebagai ukuran banyaknya energi yang diperlukan untuk
mematahkan benda kerja. Ketangguhan ini diperlukan terutama
untuk begian-bagian yang menerima beban kejut/pukulan. Sifat ini
dipengaruhi oleh banyak faktor, sehingga sulit ditentukan/diukur.
46
Sifat fisik Material
Kelelahan (fatique)
Merupakan kecenderungan dari logam untuk patah/rusak bila
menerima tegangan yang masih dibawah batas elastisnya yang
bekerja berulang-ulang. Banyak usaha yang telah dilakukan untuk
mengukur dengan tepat tingkah laku logam terhadap kelelahan,
karena sebagian besar kerusakan/patah yang terjadi pada bagian
mesin/konstruksi disebabkan oleh kelelahan.
47
Contoh penggunaan material
48
DIAGRAM FASA
PENDAHULUAN
• Sifat mekanik bahan salah satunya ditentukan oleh struktur mikro
• Untuk mengetahui struktur mikro, perlu mengetahui fasa diagram
• Diagram fasa digunakan utk peleburan, pengecoran, kristalisasi dll
• Komponen: logam murni dan/atau senyawa penyusun paduan
• Contoh : Kuningan, Cu sebagai unsur pelarut dan Zn sebagai unsur
yang dilarutkan.
• Batas kelarutan merupakan konsentrasi atom maksimum yang dapat
dilarutkan oleh pelarut utk membentuk larutan padat (solid
solution). Contoh Gula dalam air.
PENDAHULUAN
• Fasa adalah bagian homogen dari sistem yg mempunyai kharakteristik fisik & kimia yg uniform
• Contoh fasa , material murni, larutan padat, larutan cair dan gas.
• Material yg mempunyai dua atau lebih struktur disebut polimorfik
• Jumlah fasa yg ada & bagiannya dlm material merupakan struktur mikro.
PENDAHULUAN
• Diagram kesetimbangan fasa merupakan
diagram yang menampilkan struktur mikro
atau struktur fasa dari paduan tertentu
• Diagram kesetimbangan fasa menampilkan
hubungan antara suhu dan komposisi serta
jumlah fasa-fasa dalam keadaan setimbang.
DIAGRAM CU-NI
• L = larutan cair homogen yang mengandung Cu dan Ni
• A = larutan padat subtitusi yang terdiri dari Cu dan Ni, yang mempunyai struktur FCC
DIAGRAM CU-NI
• Jumlah persentasi
cair (Wl) =
S/(R+S)x100%
• Jumlah persentasi a
(Wa) =
R/(R+S)x100%
A
B
C
E
F
G
H
SISTEM BINARY EUTEKTIK
• Batas kelarutan atom Ag pada fasa adan atom Cu pada fasa b tergantung pada suhu
• Pada 780C, Fasa a dapat melarutkan atom Ag hingga 7,9%berat dan Fasa bdapat melarutkan atom Cu hingga 8,8%berat
• Daerah fasa padat: fasa a, fasa a+b, dan fasa b, yang dibatasi oleh garis solidus AB, BC, AB, BG, dan FG, GH.
• Daerah fasa padat + cair: fasa a + cair, dan fasa b + cair, yang dibatasi oleh garis solidus
• Daerah fasa cair terletak diatas garis liquidus AE dan FE
• Reaksi Cair padat(a) + padat (b) pada titik E disebut reaksi Eutektik.
DIAGRAM FASA PB-SN
• Reaksi eutektik
Cair (61,9%Sn) a(19,2%Sn)+b(97,6%Sn)
DIAGRAM FASA CU-ZN
DIAGRAM FASA FE-FE3C
• Besi-a (ferrit); Struktur BCC,
dapat melarutkan C maks.
0,022% pada 727C.
• Besi-d (austenit); struktur
FCC, dapat melarutkan C
hingga 2,11% pada 1148C.
• Besi-z (ferrit); struktur BCC
• Besi Karbida (sementit);
struktur BCT, dapat
melarutkan C hingga 6,7%0
• Pearlit; lamel-lamel besi-a dan
besi karbida
REAKSI PADA DIAGRAM FASA FE-C
• Reaksi eutektik pada titik 4,3%C, 1148C
L d(2,11%C) + Fe3C(6,7%C)
• Reaksi eutektoid pada titik 0,77%C, 727C
d(0,77%C) a(0,022%C) + Fe3C(6,7%C)
• Reaksi peritektik
PENGARUH UNSUR PADA SUHU EUTEKTOID DAN KOMPOSISI
EUTEKTOID
• Unsur pembentuk besi-d: Mn & Ni
• Unsur pembentuk besi-a: Ti, Mo, Si & W
DIAGRAM FASA AL-SI
• Paduan hipoeutektik Al-Si
mengandung Si <12,6%
• Paduan eutektik Al-Si
mengandung Si sekitar
12,6%
• Paduan hipereutektik Al-
Si mengandung Si >12,6%
PROSES ANIL & PERLAKUAN PANAS
PENDAHULUAN
• Proses anil merupakan proses perlakuan panas suatu bahan melalui pemanasan pada suhu cukup tinggi dan waktu yang lama, diikuti pendinginan perlahan-lahan
• Anil
• Bahan: Gelas
• Tujuan: menghilangkan tegangan sisa & menghindari terjadinya retakan panas
• Prosedur: suhu pemanasan mendekati suhu transisi gelas dan pendinginan perlahan-lahan
• Perubahan strukturmikro: tidak ada
PENDAHULUAN
• Menghilangkan Tegangan
• Bahan: semua logam, khususnya baja
• Tujuan: menghilangkan tegangan sisa
• Prosedur: Pemanasan sampai 600C utk baja selama beberapa jam
• Perubahan strukturmikro: tidak ada
• Rekristalisasi
• Bahan: logam yang mengalami pengerjaan dingin
• Tujuan: pelunakan dengan meniadakan pengerasan regangan
• Prosedur: Pemanasan antara 0,3 dan 0,6 titik lebur logam
• Perubahan strukturmikro: butir baru
ANIL SEMPURNA
• Bahan: baja
• Tujuan: Pelunakan sebelum
pemesinan
• Prosedur: austenisasi 2-
30C
• Perubahan strukturmikro:
pearlit kasat
a+d
d
a+Fe3C
700
800
900
C0,77%C
anil
normalisasi
SPEROIDISASI
• Bahan: baja karbon tinggi, seperti bantalan peluru
• Tujuan: meningkatkan ketangguhan baja
• Prosedur: dipanaskan pada suhu eutektoid (~700C) untuk 1-2 jam
• Perubahan strukturmikro: speroidit
LAKU MAMPU TEMPA (MALLEABILISASI)
• Bahan: besi cor
• Tujuan: besi cor lebih ulet
• Prosedur:
• anil dibawah suhu eutektoid (<750C)
Fe3C 3Fe(a) + C(garfit)
Dan terbentuk besi mampu tempa ferritik
• Anil diatas suhu eutektoid (>750C)
Fe3C 3Fe(d) + C(garfit)
Dan terbentuk besi mampu tempa austenitik
• Perubahan strukturmikro: terbentuknya gumpalan grafit.
NORMALISASITERDIRI DARI HOMOGENISASI
DAN NORMALISASI
• Homogenisasi
• Bahan: logam cair
• Tujuan: menyeragamkan komposisi bahan
• Prosedur: pemanasan pada suhu setinggi mungkin asalkan logam tidak mencair dan tidak menumbuhkan butir
• Perubahan strukturmikro: homogenitas lebih baik, mendekati diagram fasa
• Normalisasi
• Bahan: baja
• Tujuan: membentuk strukturmikro dengan butir halus & seragam
• Prosedur: austenisasi 50-60C, disusul dengan pendinginan udara
• Perubahan strukturmikro: pearlit halus dan sedikit besi-a praeutektoid
ANIL
RECOVERY, REKRISTALISASI, PERTUMBUHAN BUTIR
PROSES PRESIPITASI
• Pengerasan presipitasi
dilakukan dengan
memanaskan logam
hingga unsur pemadu
larut, kemudian celup
cepat, dan dipanaskan
kembali pada suhu
relatip rendah
DIAGRAM TRANSFORMASI-ISOTERMAL
DIAGRAM TRANSFORMASI-ISOTERMAL UNTUK BAJA EUTEKTOID