SIFAT-SIFAT MEKANIS PADA LOGAM
Sebuah alat uji kekerasan modern "Rockwell". (Foto dari
Wilson Instrumen Divisi, Instron Corporation, pencetus
Rockwell® Hardness Tester.)
Mengapa kita harus mempelajari Sifat-sifat mekanis pada logam?
Hal Ini merupakan kewajiban insinyur untuk memahami berbagai sifat mekanik yang dapat diukur dan diperlihatkan. Kita mungkin diminta untuk merancang struktur / komponen menggunakan bahan yang telah ditentukan sehingga tingkat deformasi atau kegagalan tidak akan terjadi. Kami menunjukkan prosedur ini berkaitan dengan desain alat uji tarik pada Contoh Desain 6.1.
Tujuan Pembelajaran
Setelah mempelajari bab ini Anda diharapkan dapat melakukan hal berikut:
1. Menentukan tegangan dan regangan.
2. Menyatakan Hukum Hooke, dan mencatat kondisi pada hukum yang berlaku.
3. Menentukan rasio Poisson.
4. Dapat mengingat teknik diagram tegangan-regangan, menentukan (a) modulus elastisitas, (b) kekuatan luluh (0,002 regangan offset), dan (c) kekuatan tarik, dan (d) memperkirakan persentase pertambahan panjang.
5. Untuk deformasi tarik pada spesimen silinder ulet, menjelaskan perubahan spesimen profil ke titik fraktur.
6. Menghitung keuletan pada area persen pemanjangan dan area persen pengurangan pada bahan yang berikan ketegangan untuk fraktur.
7. mengetahui definisi singkat dan unit untuk modulus ketahanan dan kekerasan (statis).
8. Untuk benda uji yang diberi ketegangan, dapat mengingat beban Terapan, dimensi penampang seketika, serta panjang asli dan sesaat, mampu menghitung tegangan dan nilai-nilai regangan .
9. Nama pada dua teknik pengujian-kekerasan yang paling umum; perhatikan dua perbedaan di antara mereka.
10.(a)Jelaskan secara singkat dua teknik pengujian kekerasan microindentation yang berbeda, dan (b) menyebutkan keadaan dimana teknik ini umumnya digunakan.
11. Hitung kerja tegangan untuk bahan ulet.
6.1 Pendahuluan
Banyak bahan ketika dalam pengujian, dikenakan gaya atau beban; contoh pada paduan aluminium yang terdapat pada sayap pesawat terbang yang dikonstruksikan dan baja pada poros mobil. Dalam situasi seperti itu kita perlu mengetahui karakteristik material dan merancang bagian-bagian yang dibuat sedemikian rupa sehingga deformasi yang dihasilkan tidak akan berlebihan dan fraktur tidak akan terjadi. Mempelajari perilaku mekanik material menggambarkan hubungan antara reaksi atau deformasi pada beban yang diterapkan atau kekuatan. Sifat mekanik yang penting adalah kekuatan, kekerasan, daktilitas, dan kekakuan.
Sifat mekanik bahan dapat dipastikan dengan melakukan percobaan laboratorium yang dirancang dengan hati-hati dan direplikasikan semirip mungkin pada kondisi pengujian. Faktor-faktor yang perlu dipertimbangkan meliputi sifat beban yang diterapkan dan durasinya, serta kondisi lingkungan. Hal ini dimungkinkan untuk beban yang akan ditarik, ditekan, atau digeser, dan besarnya mungkin konstan dengan waktu, atau mungkin berfluktuasi terus menerus. Waktu penerapan mungkin hanya sepersekian detik, atau mungkin diperpanjang selama bertahun-tahun. Suhu pengujian mungkin yang menjadi faktor penting.
Sifat mekanik menjadi perhatian berbagai pihak (misalnya, produsen dan konsumen bahan, organisasi penelitian, instansi pemerintah) yang memiliki kepentingan yang berbeda-beda. Akibatnya, sangat penting bahwa ada beberapa konsistensi cara di mana tes dilakukan, dan dalam menginterpretasikan hasil penelitian mereka. Konsistensi ini dilakukan dengan menggunakan teknik pengujian standar. Pendirian dan penerbitan standar ini sering dikoordinasikan oleh masyarakat profesional. Di Amerika Serikat, organisasi yang paling aktif adalah American Society for Testing dan Material (ASTM). Buku Tahunan ASTM Standar (http://www.astm.org) terdiri atas berbagai jilid, yang ditempatkan dan diperbarui setiap tahunnya; sejumlah besar standar ini berkaitan dengan teknik pengujian mekanik. Beberapanya direferensikan menjadi catatan-catatan pada bab berikutnya.
Peran para perekayasa struktural adalah untuk menentukan tekanan dan distribusi tegangan pada bagian-bagian yang dikenai beban sampai terdefinisi dengan baik. Hal ini dapat dilakukan dengan teknik pengujian eksperimental atau dengan analisis teoritis dan matematika tegangan. Topik-topik ini diberlakukan dalam analisis tegangan tradisional dan kekuatan bahan.
Material dan Ahli metalurgi, di sisi lain merasa prihatin dengan produksi dan fabrikasi bahan untuk memenuhi kebutuhan layanan seperti yang diprediksikan dalam analisis tegangan. Hal ini harus melibatkan pemahaman tentang hubungan antara Mikrostruktur bahan (yaitu, fitur internal) dan sifat mekaniknya.
Material sering dipilih untuk aplikasi struktural karena mereka memiliki kombinasi yang diinginkan dari karakteristik mekanik. Diskusi ini terbatas terutama untuk perilaku mekanik logam; polimer dan keramik yang diperlakukan secara terpisah karena mereka, memiliki derajat yang besar, mekanis yang berbeda dengan logam. Bab ini membahas perilaku tegangan-regangan dari logam dan sifat mekanik istimewa, dan juga meneliti karakteristik mekanik penting lainnya. Diskusi pada aspek mikroskopis mekanisme dan metode deformasi untuk memperkuat dan mengatur perilaku mekanik dari logam akan dipelajari untuk bab-bab berikutnya.
6.2 Konsep Tegangan dan Regangan
Jika suatu beban bersifat statis atau berubah relatif lambat dengan waktu dan diterapkan secara seragam atas penampang atau permukaan bagian, perilaku mekanik dapat diamati dengan pengujian tegangan-regangan sederhana; pengujian ini paling sering dilakukan untuk logam pada suhu kamar. Ada tiga cara utama di mana beban dapat diterapkan: yaitu, uji tarik, kompresi, dan geser (Angka 6.1a, b, c). Dalam praktek rekayasa banyak beban yang dipuntir daripada digeser secara murni; jenis pembebanan diilustrasikan pada Gambar 6.1d.
Uji Tarik
Salah satu tes tegangan-regangan mekanik yang paling umum dilakukan dalam uji tarik. Seperti yang akan terlihat, tes uji tarik dapat digunakan untuk memastikan beberapa sifat mekanik bahan yang penting dalam desain. Sebuah benda uji cacat, biasanya fraktur, dengan beban tarik yang secara bertahap meningkat dan diterapkan uniaksial sepanjang sumbu benda uji. Sebuah benda uji tarik standar ditunjukkan pada Gambar 6.2. Biasanya, penampang melingkar, tetapi benda uji persegi panjang juga dapat digunakan. Konfigurasi benda uji ini "dogbone" dipilih sehingga selama pengujian, deformasi terlihat hanya terbatas pada wilayah pusat sempit (yang memiliki penampang seragam sepanjang panjangnya), dan juga untuk mengurangi kemungkinan fraktur di ujung benda uji .
Diameter standar sekitar 12,8 mm (0,5 in.), Sedangkan panjang bagian yang berkurang harusnya empat kali diameter ini; 60 mm (214 in.) . Alat ukur panjang digunakan dalam perhitungan keuletan, seperti yang dibahas dalam Bagian 6.6; nilai standar 50 mm (2,0 in.). Benda uji dipasang di ujung cengkeraman pemegang pengujian aparatus (Gambar 6.3). Mesin uji tarik dirancang untuk memanjangkan benda uji dengan laju yang konstan, dan secara terus-menerus dan simultan mengukur beban sesaat yang diterapkan (dengan sel beban) dan elongations yang dihasilkan (menggunakan extensometer) .Sebuah uji tegangan-regangan biasanya membutuhkan waktu beberapa menit untuk dilaksanakan dan mungkin dapat gagal; yaitu, benda uji secara permanen terdeformasi dan biasanya retak.
ASTM Standar E 8 dan E 8M, "Metode Uji Standar untuk Pengujian tarik terhadap bahan Metallic.
Gambar 6.1
(a) Skema ilustrasi tentang bagaimana beban tarik menghasilkan perpanjangan dan regangan linier positif. Garis putus-putus mewakili bentuk sebelum deformasi; garis padat setelah deformasi.
(b) Skema ilustrasi bagaimana sebuah pembebanan tekan menghasilkan kontraksi dan strain linier negatif.
(c) Skema representasi dari regangan geser y , di mana y = tan Ѳ
(d) Skema representasi dari deformasi puntir (yaitu, sudut putaran ф) diproduksi oleh penerapan torsi T.
Hasil uji tarik dicatat (biasanya pada komputer) sebagai beban atau gaya terhadap perpanjangan. Karakteristik beban-deformasi ini bergantung pada ukuran spesimen. Sebagai contoh, hal itu akan membutuhkan dua kali beban untuk menghasilkan elongasi yang sama jika luas penampang benda uji dua kali lipat. Untuk meminimalkan faktor-faktor geometris, beban dan elongasi dinormalisasi pada masing-masing parameter tegangan dan regangan. Rekayasa tegangan didefinisikan pada hubungan tersebut.
Gambar 6.2 Sebuah bahan uji tarik standar dengan penampang melingkar.
Gambar 6.3 Skema representasi pada peralatan yang digunakan untuk melakukan tes tegangan-regangan tarik. Benda uji memanjang dengan crosshead bergerak; load cell dan ukuran extensometer, masing-masing besarnya beban yang diterapkan dan perpanjangannya. (Diambil dari HW Hayden, WG Moffatt, dan J.Wulff, Struktur dan Sifat Bahan, Vol. III, Perilaku Teknik, p. 2. Hak Cipta © 1965 oleh John Wiley & Sons, New York. Dicetak ulang dengan izin dari John Wiley & Sons, Inc.)
Di mana F adalah beban seketika yang diterapkan tegak lurus ke bagian lintas benda uji , dalam satuan newton (N) atau pound gaya (Ibf), dan (A0) merupakan daerah asli penampang sebelum beban apapun diterapkan (m2 atau in.2). Satuan tegangan (disebut selanjutnya hanya sebagai tegangan) adalah megapascal, MPa (SI) (di mana 1 Mpa = 106 N/m2), dan pound gaya per inci persegi, psi (Kebiasaan US) .
Regangan dapat didefinisikan berdasarkan:
Di mana l0 adalah panjang asli sebelum beban apapun diterapkan, dan panjang seketika. Kadang-kadang kuantitas(li – l0) dilambangkan sebagai ( l) dan merupakan perpanjangan deformasi atau perubahan panjang di beberapa saat, karena direferensikan dengan panjang aslinya. Rekayasa Regangan (selanjutnya disebut hanya regangan) adalah unitless, tetapi meter per meter atau inci per inci yang sering digunakan; nilai regangan jelas independen dari sistem satuan. Kadang-kadang regangan juga dinyatakan sebagai persentase, di mana nilai regangan dikalikan dengan 100.
Tes kompresi
Pengujian tegangan-regangan kompresi dapat dilakukan jika sedang berlangsung gaya pada jenis ini. Sebuah tes kompresi dilakukan dengan cara yang sama pada uji tarik, hanya saja gaya adalah kompresi dan kontrak benda uji sepanjang arah tegangan. Persamaan 6.1 dan 6.2 yang digunakan untuk menghitung masing-masing tegangan kompresi dan regangan. Dengan konvensi, gaya kompresi berubah menjadi negatif, dan menghasilkan tegangan negatif.
Selain itu, walaupun lebih besar dari regangan kompresi yang dihitung dari Persamaan 6.2 , tentu juga nilainya negatif. Uji tarik lebih umum karena pengujian ini lebih mudah untuk dilaksanakan; juga bagi sebagian besar bahan yang digunakan dalam aplikasi struktural, sangat sedikit informasi tambahan diperoleh dari Pengujian kompresi. Pengujian kompresi digunakan ketika perilaku regangan bahan yang diinginkan lebih besar dan permanen (yaitu, plastik) , seperti dalam aplikasi manufaktur, atau ketika bahan tersebut rapuh dalam ketegangan.
Tes Geser dan Torsi
Untuk pengujian yang dilakukan dengan menggunakan gaya geser murni seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.1c, tegangan geser τ dihitung sesuai dengan
di mana F adalah beban atau gaya yang dikenakan sejajar dengan permukaan atas dan bawah, masing-masing memiliki luas (A0). Regangan geser (y) didefinisikan sebagai tangen dari sudut regangan, seperti yang ditunjukkan pada gambar. Satuan untuk tegangan geser dan regangan sama seperti untuk salinan tariknya.
Torsi adalah variasi dari geser murni, dimana anggota struktural memutar dalam cara Gambar 6.1d; kekuatan torsi menghasilkan gerak rotasi terhadap sumbu longitudinal salah satu bagian ujung relatif terhadap ujung lainnya. Contoh torsi ditemukan untuk poros mesin dan poros penggerak, dan juga untuk bor putar. pengujian torsi biasanya dilakukan pada poros padat silinder atau tabung. Sebuah tegangan geser T adalah fungsi dari torsi T yang diterapkan, sedangkan regangan geser (y) terkait dengan sudut putaran ф , pada Gambar 6.1d.
Pertimbangan geometris rumus Tegangan
Tegangan yang dihitung pada keadaan tarik, kompresi, geser, dan kekuatan torsi ditunjukkan pada gambar 6.1 berfungsi baik secara paralel atau tegak lurus terhadap permukaan planar pada bagian yang digambarkan dalam ilustrasi ini. Perhatikan bahwa keadaan tegangan adalah fungsi dari orientasi bidang di mana tegangan akan bekerja. Sebagai contoh, perhatikan benda uji tarik silinder pada Gambar 6.4 yang mengalami tegangan tarik σ yang diterapkan sejajar dengan porosnya.
Selanjutnya, dengan menganggap bahwa permukaan datar(p-p')yang berorientasi pada beberapa sudut relatif Ѳ yang acak terhadap bidang benda uji permukaan akhir. Di atas permukaan datar (p-p') ini, tegangan yang diterapkan tidak lagi menjadi tarik murni. Sebaliknya, keadaan tegangan yang lebih kompleks diperlihatkan terdiri dari tegangan tarik σ' (atau normal) yang bekerja normal pada permukaan datar (p-p') dan di samping itu, tegangan geser τ' bekerja secara paralel pada permukaan ini; kedua tegangan ini ditunjukkan pada gambar. Menggunakan prinsip mekanisme bahan, ada kemungkinan untuk mengembangkan persamaan pada σ'dan τ',dalam bentuk σ dan Ѳ adalah sebagai berikut:
Prinsip-prinsip mekanik yang sama ini memungkinkan transformasi komponen tegangan dari satu sistem koordinat ke sistem koordinat lain yang memiliki orientasi yang berbeda. Perlakuan semacam ini berada di luar ruang lingkup pembahasan ini.
Gambar 6.4 Skema representasi yang menunjukkan tegangan normal (σ') dan geser (τ') yang bekerja pada sebuah bidang orientasi pada sudut relatif Ѳ terhadap bidang yang diambil tegak lurus sepanjang arah tegangan tarik asli (σ) yang diterapkan.
Deformasi Elastis
Perilaku Tegangan-Regangan
Tingkat dimana struktur deformasi atau regangan ini, bergantung pada besarnya tegangan yang diberikan. Pada kebanyakan logam yang ditekankan dalam Uji Tarik dan pada tingkat yang relatif rendah, tegangan dan regangan sebanding dengan satu sama lain melalui hubungan tersebut
Hal ini dikenal sebagai hukum Hooke, dan konstanta proporsionalitas E (GPa atau psi) 6 adalah modulus elastisitas, atau modulus Young. Untuk logam yang paling khas, besarnya modulus ini berkisar antara 45 GPa (6,5 x 106 psi) untuk magnesium, dan 407 GPa (59 x 106 psi) untuk tungsten. Nilai Modulus elastisitas untuk beberapa logam pada suhu kamar ditampilkan pada Tabel 6.1.
Gambar 6.5 Skema diagram tegangan-regangan yang menunjukkan deformasi elastis linier untuk siklus pemuatan (load) dan pembongkaran (unload).
Deformasi pada tegangan dan regangan proporsional disebut deformasi elastis; sebidang tegangan (ordinat) versus regangan (absis) menghasilkan hubungan linear, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.5. Kemiringan ruas linier ini sesuai dengan modulus elastisitas E. Nilai modulus ini dapat dianggap sebagai kekakuan, atau resistensi bahan untuk deformasi elastis. Semakin besar modulus, bahan tersebut kaku, atau semakin kecil regangan elastis yang dihasilkan dari penerapan tegangan yang diberikan. Modulus adalah parameter penting yang digunakan untuk menghitung defleksi elastis.
Deformasi elastis tidak tetap, yang berarti bahwa ketika beban diterapkan itu dilepaskan kembali, potongan kembali ke bentuk aslinya. Seperti ditunjukkan dalam plot tegangan-regangan (Gambar 6.5), penerapan beban berhubungan dengan pergerakan dari asal dan sepanjang garis lurus. Setelah beban dilepaskan, garis melintas dalam arah yang berlawanan, kembali ke asal.
Ada beberapa bahan (misalnya, besi cor abu-abu, beton, dan banyak polimer) yang bagian elastis kurva tegangan-regangan tidak linear (Gambar 6.6); karena itu, tidak mungkin untuk menentukan modulus elastisitas seperti dijelaskan di atas. Untuk perilaku nonlinier ini, modulus tangen atau secant biasanya digunakan. Modulus tangen diambil sebagai kemiringan kurva tegangan-regangan pada beberapa tingkat tegangan tertentu, sementara modulus secant merupakan kemiringan garis potong diperoleh dari titik nol ke beberapa titik tertentu pada kurva ((σ-ϵ) . Penentuan modulus ini diperlihatkan dalam Gambar 6.6.
Gambar 6.6 Skema diagram tegangan-regangan yang menunjukkan perilaku non-linear elastis, dan bagaimana modulus secant dan modulus tangen ditentukan.
Gambar 6.7 Gaya (F) versus separasi interatomik untuk atom terikat lemah dan kuat . Besarnya modulus elastisitas sebanding dengan kemiringan setiap kurva pada kesetimbangan separasi interatomik r0.
Dalam skala atomik, makroskopik regangan elastis dimanifestasikan sebagai perubahan kecil dalam jarak interatomik dan peregangan obligasi interatomik. Akibatnya, besarnya modulus elastisitas adalah ukuran resistensi terhadap separasi atom yang berdekatan, yaitu kekuatan ikatan interatomik. Selanjutnya, modulus tersebut sebanding dengan kemiringan kurva gaya interatomik - kurva separasi (Gambar 2.8a) pada jarak kesetimbangan:
Gambar 6.7 menunjukkan kurva gaya- separasi untuk bahan yang memiliki kedua obligasi interatomik yang kuat dan lemah; kemiringan pada r0 di diindikasikan pada masing-masing.
Nilai modulus elastisitas untuk bahan keramik hampir sama dengan logam; pada polimer biasanya nilai modulus elastis lebih rendah (Gambar 1.4). Perbedaan-perbedaan ini merupakan konsekuensi langsung dari berbagai jenis ikatan atom dalam tiga jenis bahan. Selain itu, dengan meningkatnya suhu, modulus elastisitas berkurang, seperti yang ditunjukkan pada beberapa logam, Gambar 6.8.
Gambar 6.8 Alur modulus elastisitas terhadap suhu untuk tungsten, baja, dan aluminium. (Diambil dari KM Ralls, TH Courtney, dan J.Wulff, Introduction to Materials Science and Engineering. Copyright © 1976 oleh John Wiley & Sons, New York. Dicetak ulang dengan izin dari John Wiley & Sons, Inc.)
Seperti yang diharapkan, diterapkannya tegangan tekan, geser, dan torsional juga membangkitkan perilaku elastis. Karakteristik tegangan-regangan pada tingkat tegangan yang rendah hampir sama pada kedua situasi tarik dan kompresi untuk memasukkan besarnya modulus elastisitas. Tegangan geser dan regangan sebanding dengan satu sama lain melalui percobaan.
di mana G adalah modulus geser, gradien dari elastis linear geser Kurva tegangan-regangan. Tabel 6.1 juga menunjukkan modulus geser untuk sejumlah logam biasa.
ANELASTISITAS
Sampai saat ini, telah diasumsikan bahwa deformasi elastis itu independen yaitu, bahwa tegangan yang diterapkan menghasilkan regangan elastis sesaat sehingga tetap konstan selama periode waktu tegangan dipertahankan. Hal ini juga telah diasumsikan bahwa setelah dibebaskan beban regangan maka secara total diperoleh kembali yaitu bahwa regangan segera kembali ke nol. Pada Sebagian besar bahan rekayasa, juga akan berwujud sebuah komponen elastis regangan tergantung pada waktu. Artinya, deformasi elastis akan dilanjutkan setelah penerapan tegangan, dan setelah beban dibebaskan dan beberapa waktu yang terbatas diperlukan untuk pemulihan total. Perilaku elastis yang bergantung pada waktu ini dikenal sebagai Anelastisitas, dan hal ini berkaitan dengan proses mikroskopis dan atomis yang bergantung pada waktu yang menyertai deformasi. Untuk logam biasanya komponen anelastis kecil dan sering diabaikan. Namun, untuk beberapa bahan polimer besarnya signifikan; dalam hal ini disebut perilaku viskoelastik, yang merupakan topik pembahasan Bagian 15.4.
CONTOH MASALAH 6.1 :
Perhitungan Elongasi (elastis)
Sepotong tembaga awalnya 305 mm (12 in.) Panjang benda ditarik dalam uji tarik dengan tegangan 276 MPa (40.000 psi). Jika deformasi sepenuhnya elastis, berapakah perpanjangan yang dihasilkan?
Penyelasaian :
Karena deformasi elastis, regangan bergantung pada tegangan menurut Persamaan 6.5. Selanjutnya, perpanjangan l ini dihubungkan dengan panjang awal l0 melalui Persamaan 6.2. Menggabungkan dua pernyataan ini dan menyelesaikan persamaan dengan memperoleh hasil l :
Nilai-nilai σ dan l0 adalah sebagai berikut 276 MPa dan 305 mm, masing-masing, dan besarnya E untuk tembaga dari Tabel 6.1 adalah 110 GPa (16x106 psi). Pemanjangan diperoleh dengan mensubstitusikannya ke dalam persamaan di atas, lalu :
SIFAT-SIFAT BAHAN ELASTIS
Ketika tegangan tarik dikenakan pada bahan logam, perpanjangan elastis dan hasil regangan ϵz pada arah tegangan yang diterapkan (secara sembarangan diambil menjadi arah z), seperti ditunjukkan pada Gambar 6.9. Akibat dari perpanjangan ini, akan ada konstriksi di lateral (x dan y) arah tegak lurus terhadap tegangan yang diterapkan. Dari kontraksi ini, Regangan kompresi ϵx dan ϵy dapat ditentukan. Jika tegangan yang diterapkan adalah uniaksial (hanya dalam arah z), dan bahan yang isotropik, maka ϵx = ϵy. Parameter A disebut rasio Poisson didefinisikan sebagai rasio dari regangan lateral dan aksial, atau
Tanda negatif dimasukkan dalam persamaan itu sehingga akan selalu positif, karena dan akan selalu menjadi tanda berlawanan. Secara teoritis, rasio Poisson untuk bahan isotropik harus; nilai maksimum untuk ( nilai yang tidak terjadi perubahan volume awal) adalah 0,50. Bagi banyak logam dan paduan lainnya, nilai rasio Poisson kisaran antara 0,25 dan 0,35. Tabel 6.1 menunjukkan nilai-nilai untuk beberapa bahan logam umum.
Untuk bahan isotropik, modulus geser dan modulus elastis saling berhubungan satu sama lain dan untuk rasio Poisson menurut,
Pada kebanyakan logam, G adalah sekitar 0.4E; dengan demikian, jika nilai salah satu modulus diketahui, yang lain mungkin dapat diketahui
Banyak bahan yang elastis anisotropik; yaitu, bersifat elastis (misalnya, besarnya E) bervariasi dengan arah kristalografi (lihat Tabel 3.3). Untuk bahan-bahan ini sifat elastis benar-benar dikarakterisasi dengan spesifikasinya
Gambar 6.9 aksial (z) elongasi (regangan positif) dan lateral (x dan y) kontraksi (regangan negatif) respon terhadap tegangan tarik yang dikenakan. Garis padat mewakili dimensinya setelah diterapkan tegangan, garis putus-putus mewakili benda sebelum diterapkan tegangan.
pada beberapa konstanta elastis, jumlahnya tergantung pada karakteristik struktur kristal. Bahkan pada bahan isotropik, untuk menentukan sifat lengkap dari elastisitasnya, minimal dua konstanta harus diberikan. Karena orientasi butir (grain) acak di sebagian besar bahan polikristalin, maka hal ini dapat dianggap isotropik; gelas keramik anorganik juga isotropik. Pembahasan terakhir dari perilaku mekanik mengasumsikan isotropi dan polycrystallinity karena sifat-sifat semacam itulah yang paling banyak pada bahan rekayasa.
Contoh Masalah 6.2
Perhitungan beban untuk Menghasilkan Perubahan Diameter Tertentu
Sebuah tegangan tarik diterapkan sepanjang sumbu batang kuningan silinder yang memiliki diameter 10 mm (0,4 in.). Tentukan besarnya beban yang diperlukan untuk menghasilkan 2,5x10-3 mm (10-4 in.) Perubahan diameter jika deformasi sepenuhnya elastis.
Penyelesaian :
Ketika gaya F diterapkan, benda uji akan memanjang dalam arah z dan pada saat yang waktu yang sama mengalami pengurangan diameter d, dari 2,5x10-3 mm ke arah x. Untuk regangan dalam arah x,
bernilai negatif, karena diameter berkurang.
Selanjutnya untuk menghitung regangan dalam arah z menggunakan Persamaan 6.8.The nilai rasio Poisson untuk kuningan 0,34 (Tabel 6.1), dan
Tegangan yang diterapkan dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 6.5 dan modulus elastisitas ditunjukkan dalam Tabel 6.1 sebagai 97 GPa (14x106 psi), sebagai
Akhirnya, dari Persamaan 6.1, gaya yang diberikan dapat ditentukan sebagai,
Deformasi Plastis
Pada sebagian besar bahan logam, deformasi elastis masih terjadi pada regangan sekitar 0,005. Sebagai bahan yang mengalami deformasi diluar tahap ini, tegangan tidak lagi sebanding dengan regangan (hukum Hooke, Persamaan 6.5, tidak lagi menjadi valid), dan permanen, nonrecoverable, atau deformasi plastik terjadi. Gambar 6.10a, alur skematik perilaku tegangan-regangan tarik ke wilayah plastik untuk logam khas. Transisi dari elastis untuk plastik adalah secara bertahap untuk kebanyakan logam; beberapa hasil kelengkungan pada awal deformasi plastik, yang meningkat lebih cepat dengan meningkatnya stres.
Gambar 6.10 (a) perilaku tegangan-regangan khas untuk logam yang menunjukkan deformasi elastis dan plastik, dengan proporsional batas P, dan kekuatan luluh(yield) yang ditentukan dengan menggunakan metode 0,002 regangan offset.
(b) Perilaku tegangan-regangan ditemukan untuk beberapa baja yang menunjukkan fenomena titik luluh(yield).
Dilihat dari perspektif atom, deformasi plastik berhubungan dengan terputusnya ikatan dengan sesama atom asli dan kemudian melakukan reformasi obligasi dengan sesama baru dengan sejumlah besar atom atau molekul bergerak relatif terhadap satu sama lain; setelah menghilangkan tegangannya tidak kembali ke posisi semula. Mekanisme deformasi ini berbeda untuk kristal dan bahan amorf. Untuk padatan kristal, deformasi dilakukan dengan menggunakan proses yang disebut slip, yang melibatkan gerakan dislokasi seperti yang dibahas dalam Bagian 7.2. Deformasi plastis di benda padat bentuk non-kristalin (serta cairan) terjadi dengan mekanisme aliran viskos, yang diuraikan dalam Bagian 12.10.
6.6 Sifat-Sifat Uji Tarik
Kekuatan Luluh
Kebanyakan struktur yang dirancang untuk memastikan bahwa deformasi elastis hanya akan terjadi ketika tegangan diterapkan. Sebuah struktur atau komponen yang telah mengalami deformasi plastis, atau mengalami perubahan permanen dalam bentuk, mungkin tidak mampu berfungsi seperti yang diharapkan. Oleh karena itu disarankan untuk mengetahui tingkat tegangan di mana deformasi plastik mulai terjadi, atau saat fenomena luluh akan terjadi. Untuk logam yang mengalami transisi bertahap elastis-plastik , titik luluh dapat ditentukan sebagai keberangkatan awal dari linearitas pada kurva tegangan-regangan; hal ini kadang-kadang disebut batas proporsional, seperti yang ditunjukkan oleh titik P pada Gambar 6.10a. Pada kasus posisi di tahap ini tidak dapat ditentukan secara tepat. Akibatnya, konvensi telah ditetapkan, dimana garis lurus dibangun sejajar dengan bagian elastis pada kurva tegangan-regangan di beberapa regangan offset tertentu, biasanya 0,002. Tegangan sesuai dengan perpotongan jalur ini dan kurva tegangan-regangan seperti membungkuk di wilayah plastik didefinisikan sebagai kekuatan luluh σy. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 6.10a. Tentu saja, satuan kekuatan luluh adalah MPa atau psi.
Untuk bahan-bahan yang memiliki elastis nonlinier (Gambar 6.6), penggunaan metode regangan offset tidak mungkin, dan praktek yang biasa untuk menentukan kekuatan luluh sebagai tegangan yang diperlukan untuk menghasilkan beberapa jumlah regangan.
Beberapa baja dan bahan lainnya menunjukkan sifat tegangan-regangan tarik seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.10b. Transisi elastik plastik didefinisikan dengan sangat baik dan terjadi secara tiba-tiba disebut fenomena titik luluh. Pada titik luluh atas, deformasi plastik diawali dengan penurunan aktual dalam tegangan. Deformasi terus berfluktuasi sedikit di beberapa nilai tegangan konstan, disebut titik luluh yang lebih rendah; tegangan kemudian naik dengan meningkatnya regangan. Untuk logam yang menampilkan efek ini, kekuatan luluh diambil sebagai tegangan rata-rata yang berhubungan dengan titik luluh yang lebih rendah, karena itu didefinisikan dengan baik dan relatif tidak sensitif terhadap prosedur pengujian. Dengan demikian, tidak perlu untuk menerapkan metode regangan offset untuk bahan-bahan tersebut.
Besarnya kekuatan luluh untuk logam adalah ukuran dari ketahanan terhadap deformasi plastik. Kekuatan luluh bisa berkisar antara 35 MPa (5000 psi) untuk aluminium kekuatan rendah, bisa lebih dari 1400 MPa (200.000 psi) untuk baja kekuatan tinggi.
Kekuatan tarik
Setelah luluh, tegangan diperlukan, untuk melanjutkan deformasi plastik pada logam yang meningkat menjadi maksimal, titik M pada Gambar 6.11, dan kemudian menurun ke fraktur pada akhirnya, titik F. Kekuatan tarik TS (MPa atau psi) adalah tegangan maksimum pada kurva tegangan-regangan (Gambar 6.11). Hal ini sesuai dengan tegangan maksimum yang dapat dialami oleh struktur dalam tarik; jika tegangan ini diterapkan dan dikelola, fraktur akan dihasilkan. Seluruh deformasi sampai ke titik ini adalah seragam di seluruh wilayah sempit benda uji tarik. Namun, pada tegangan maximumm , penyempitan kecil atau neck mulai terbentuk di beberapa titik, dan semua deformasi berikutnya terbatas di neck, seperti yang ditunjukkan oleh skematik benda uji insets pada Gambar 6.11. Fenomena ini disebut "necking," dan fraktur akhirnya terjadi pada bagian leher(neck). Kekuatan fraktur sesuai dengan tegangan pada fraktur.
Kekuatan tarik dapat bervariasi antara 50 MPa (7000 psi) untuk aluminium, setinggi 3000 MPa (450.000 psi) untuk baja kekuatan tinggi. Biasanya, kekuatan logam ditentukan untuk tujuan desain, kekuatan luluh digunakan. Hal ini karena pada saat tegangan berkorespondensi dengan Kekuatan tarik TS telah diterapkan, sering strukturnya telah mengalami begitu banyak deformasi plastik yang tidak ada gunanya. Selanjutnya, kekuatan fraktur biasanya tidak ditentukan untuk tujuan desain.
Gambar 6.11 Sifat-sifat khas tegangan-regangan terhadap fraktur pada titik F. Kekuatan tarik TS ditunjukkan pada titik M. Lingkaran insets mewakili geometri benda uji cacat di berbagai titik sepanjang kurva.
Contoh Masalah 6.3
Menentukan Akomodasi Alur Tegangan-Regangan
Pada Sifat-sifat tegangan-regangan tarik untuk benda uji kuningan yang ditunjukkan pada Gambar 6.12, Ditentukan sebagai berikut:
(a) Modulus elastisitas
(b) kekuatan luluh pada beban offset 0,002
(c) Beban maksimum yang dapat didukung oleh benda uji silinder yang memiliki diameter awal 12,8 mm (0,505 in.)
(d) Perubahan panjang pada benda uji awalnya 250 mm (10 in.) Benda yang dikenakan tegangan tarik 345 MPa (50.000 psi)
Penyelesaian :
(a) modulus elastisitas adalah kemiringan pada bagian linear elastis atau kurva awal tegangan-regangan. Sumbu Regangan telah diperluas pada inset, Gambar 6.12, untuk mempermudah perhitungan ini. Kemiringan daerah linier ini adalah kenaikan dalam rentang, atau perubahan tegangan dibagi dengan perubahan regangan; dalam bentuk matematika,
Gambar 6.12 Sifat tegangan-regangan pada benda uji kuningan yang dibahas dalam Contoh Soal 6.3.
Karena ruas garis melewati titik asal, akan lebih mudah untuk mengambil kedua nilai σ1 dan ε1 yang mendekati nol. Jika σ2 ini secara sembarangan diambil sebagai 150 MPa, maka ε2 akan mempunyai nilai 0,0016. Oleh karena itu,
nilai ini sangat dekat dengan nilai 97 GPa (14x106 psi) ditunjukkan untuk kuningan pada Tabel 6.1.
(b) Garis regangan offset 0,002 dibangun seperti yang ditunjukkan pada insetnya; persimpangan kurva awal tegangan-regangan adalah sekitar 250 MPa (36.000 psi), yang merupakan kekuatan luluh kuningan.
(c) Beban maksimum yang dapat dialami oleh benda uji dihitung dengan menggunakan Persamaan 6.1, dimana σ diambil menjadi kekuatan tarik, pada Gambar 6.12, 450 MPa (65.000 psi). Pemecahan masalah untuk F, beban maksimum, luluh
(d) Untuk menghitung perubahan panjang l, dalam Persamaan 6.2, pertama-tama tentukan regangan yang dihasilkan oleh tegangan 345 MPa. Hal ini dilakukan dengan mencari titik tegangan pada kurva tegangan-regangan, titik A, dan membaca regangan yang sesuai pada sumbu regangan, yang kira-kira 0,06. Sejauh l0 mm, dan kita memiliki :
Daktalitas
Daktilitas adalah sifat mekanik yang penting. Hal ini merupakan pengukuran pada tingkat deformasi plastik yang telah didukung fraktur. Bahan yang mengalami sedikit atau tidak terjadi deformasi plastik pada fraktur disebut getas. Perilaku tegangan tarik regangan untuk duktil dan bahan rapuh digambarkan secara skematis pada Gambar 6.13.
Gambar 6.13 Skema gambaran pada perilaku tegangan-regangan tarik untuk bahan rapuh dan duktil sampai jadi fraktur.
Daktilitas dapat dinyatakan secara kuantitatif baik sebagai persen elongasi atau persen
reduksi area. Persen elongasi% (EL) adalah persentase regangan plastik pada fraktur, atau
di mana adalah panjang fraktur 10 dan panjang ukuran awal seperti di atas. Karena proporsi yang signifikan dari deformasi plastik di fraktur hanya terbatas pada daerah neck besarnya% EL akan tergantung pada panjang pengukuran benda uji . Semakin pendek fraksi total elongasi pada neck akibatnya semakin tinggi nilai% EL. Oleh karena itu, harus ditentukan ketika nilai-nilai elongasi persen di lampirkan; pada umumnya 50 mm (2 in.).
Persen reduksi area (% RA) didefinisikan sebagai
di mana adalah luas penampang awal dan luas penampang pada titik fracture.10 persen reduksi pada nilai Area bersifat independen pada keduanya dan Selanjutnya untuk bahan tertentu besaran% EL dan% RA secara umum akan berbeda. Kebanyakan logam, minimal memiliki tingkat moderat daktilitas pada suhu kamar; Namun, beberapa menjadi rapuh karena suhu diturunkan (Bagian 8.6).
Pengetahuan tentang daktilitas pada bahan itu sangat penting untuk dua alasan. Pertama, hal ini dapat menunjukkan kepada desainer sejauh mana struktur akan berubah bentuk secara plastis sebelum patah. Kedua, hal ini dapat menentukan tingkat deformasi yang diijinkan selama fabrikasi. Kita kadang-kadang mengacu pada bahan yang relatif duktil sebagai "forgiving", dalam arti bahwa hal ini mungkin mengalami deformasi lokal tanpa fraktur, harus ada kesalahan dalam besarnya perhitungan desain tegangan.
Bahan rapuh yang kira-kira dianggap mereka yang memiliki regangan fraktur kurang dari 5%. Dengan demikian, beberapa sifat mekanik penting pada logam dapat ditentukan melalui tes tegangan-regangan tarik. Tabel 6.2 menyajikan beberapa nilai khusus suhu ruang pada kekuatan luluh, kekuatan tarik, dan daktilitas untuk beberapa logam biasa. Properti ini sensitif terhadap deformasi , adanya kotoran, dan perlakuan panas yang logam terima. Modulus elastisitas adalah salah satu parameter mekanik yang tidak sensitif terhadap perlakuan ini. Sebagaimana dengan modulus elastisitas, besaran dari kekuatan luluh dan kekuatan tarik menurun dengan meningkatnya suhu; kebalikannya berlaku untuk daktilitas, biasanya meningkat dengan suhu. Gambar 6.14 menunjukkan perilaku tegangan-regangan besi bervariasi dengan suhu.
Tabel 6.2 Sifat Mekanik khusus Beberapa Logam dan Paduan dalam keadaan Anil
Gambar 6.14 Perilaku tegangan-regangan untuk besi pada tiga suhu.
Ketahanan
Ketahanan adalah kemampuan suatu material untuk menyerap energi ketika mengalami deformasi elastis dan kemudian setelah membongkar muatan, memiliki energi pulih. Properti yang berkaitan ini adalah modulus ketahanan Ur, yang merupakan energi regangan per satuan volume yang dibutuhkan untuk menekankan bahan dari keadaan yang diturunkan sampai ke titik luluh.
Komputasi, modulus ketahanan untuk benda uji yang dikenai tes ketegangan uniaksial hanya pada area dibawah kurva tegangan-regangan pada luluh (Gambar 6.15), atau
Gambar 6.15 Gambaran skematik yang menunjukkan bagaimana modulus ketahanan (sesuai dengan daerah yang diarsir) ditentukan dari perilaku tarik tegangan-regangan pada material.
Dengan asumsi elastis linier,
di mana εy adalah regangan pada luluh.
Satuan ketahanan adalah hasil satuan dari masing-masing dua garis sumbu alur tegangan-regangan. Untuk satuan SI adalah joule per meter kubik (J / m3 atau setara dengan Pa), sedangkan dengan satuan US adalah-pound inci gaya per inci kubik (inci-lbf / in.3, setara dengan psi). Gabungan joule dan-pound inci adalah satuan energi, dan dengan demikian daerah di bawah kurva tegangan-regangan ini merupakan penyerapan energi per satuan volume (dalam meter kubik atau inci kubik) bahan.
Penggabungan Persamaan 6.5 ke persamaan luluh 6.13b
Dengan demikian, bahan tahan memiliki kekuatan luluh yang tinggi dan modulus elastisitas yang rendah; paduan tersebut akan digunakan dalam aplikasi pegas.
Ketangguhan(Thougness)
Ketangguhan adalah istilah mekanik yang digunakan dalam berbagai konteks; hal ini merupakan ukuran dari kemampuan bahan untuk menyerap energi hingga fraktur. Geometri benda uji serta cara penggunaan beban sangat penting dalam menentukan ketangguhan. Dalam kondisi pembebanan dinamis (laju regangan tinggi) dan ketika anotch (atau titik konsentrasi tegangan) di perlihatkan, kedudukan ketangguhan dinilai dengan menggunakan tes impak, seperti yang dibahas dalam Bagian 8.6. Selanjutnya, ketangguhan frakture adalah properti yang menunjukkan resistensi bahan terhadap fraktur ketika retakan terlihat (Bagian 8.5).
Untuk keadaan statis (laju regangan rendah) , ketangguhan dapat dicari dari hasil uji tarik tegangan-regangan. Hal ini merupakan area di bawah kurva sampai ke titik fraktur. Satuan untuk ketangguhan sama seperti satuan ketahanan (yaitu, energi per satuan volume ). Untuk bahan yang menjadi keras, maka harus menampilkan kekuatan dan daktilitas; sering bahan duktil lebih tangguh daripada bahan rapuh. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 6.13, di mana kurva tegangan-regangan digambarkan pada kedua jenis bahan yang berbeda. Oleh karena itu, meskipun bahan rapuh mempunyai keluluhan dan kekuatan tarik yang lebih tinggi, bahan tersebut mempunyai ketangguhan yang lebih rendah dari yang bahan duktil, berdasarkan atas kurangnya daktilitas; hal ini disimpulkan dengan membandingkan daerah ABC pada Gambar 6.13.
Tabel 6.3 Data Tegangan-Regangan Tarik untuk Beberapa Logam hipotesis akan digunakan dengan Konsep Cek 6.2 dan 6.4
Tegangan dan Regangan Sejati
Dari Gambar 6.11, penurunan tegangan diperlukan untuk melanjutkan deformasi maksimum, pada titik M tampak menunjukkan bahwa logam menjadi lemah. Ini sama sekali tidak terjadi; Faktanya, hal ini meningkatkan kekuatannya. Namun, luas penampang menurun dengan cepat dalam bagian neck, di mana deformasi sedang berlangsung. Hal ini menyebabkan pengurangan kapasitas beban pada benda uji. Tegangan, seperti yang dihitung pada Persamaan 6.1 ini, berdasarkan luas penampang asli lintas sebelum deformasi , dan tidak memperhitungkan penurunan ini di daerah neck.
Kadang-kadang lebih bermakna menggunakan skema regangan- tegangan sejati. Tegangan sejati σT didefinisikan sebagai F beban dibagi dengan luas penampang sesaat Ai di mana deformasi sedang berlangsung (yaitu neck melewati titik tarik) atau
Selain itu, kadang-kadang lebih mudah untuk menggambarkan regangan sebagai regangan sejati, didefinisikan oleh
Jika tidak terjadi perubahan volume selama deformasi maka,
tegangan dan regangan sejati dihubungkan sesuai dengan
Persamaan 6.18a dan 6.18b hanya berlaku pada timbulnya necking; melampaui titik ini tegangan dan regangan sejati , harus dihitung pada beban yang sebenarnya, luas penampang dan panjang pengukuran diukur.
Perbandingan skema perilaku tegangan-regangan sejati ditunjukkan pada Gambar 6.16. Perlu dicatat bahwa tegangan , diperlukan untuk mempertahankan peningkatan regangan terus meningkat melewati titik tarik M.
Gambar 6.16 Perbandingan khusus tegangan-regangan tarik sejati dan perilaku tegangan-regangan tarik sejati yang sebenarnya. Necking dimulai pada titik M terhadap kurva , yang sesuai pada terhadap kurva yang sebenarnya. Pemeriksaan kurva regangan-tegangan sejati memperhitungkan keadaan kompleks tegangan pada bagian neck.
Bersamaan dengan pembentukan neck , pengenalan keadaan tegangan kompleks pada bagian neck (misalnya, adanya komponen tegangan lain selain tegangan aksial). Akibatnya, tegangan yang benar (aksial) dalam neck sedikit lebih rendah dari tegangan yang dihitung pada beban yang diterapkan dan neck di area cross sectional. Ini mengarah pada "Pemeriksaan" kurva pada Gambar 6.16.
Untuk beberapa logam dan paduan, daerah kurva tegangan-regangan sejati dari awal deformasi plastis ke titik di mana necking dimulai dapat diperkirakan berdasarkan
Pada persamaan ini, K dan n adalah konstanta; nilai-nilai ini akan bervariasi dari paduan ke paduan, dan juga akan tergantung pada kondisi bahan (yaitu, apakah sudah mengalami deformasi plastis, perlakuan panas, dll). Parameter n sering disebut eksponen pengerasan regangan dan memiliki nilai kurang dari satu. Nilai n dan K untuk beberapa paduan yang ditunjukkan dalam Tabel 6.4.
Contoh Masalah 6.4
Perhitungan Daktilitas dan Tegangan sejati pada Fraktur
Sebuah benda uji silinder baja yang memiliki diameter awal 12,8 mm (0,505 in.) jika tarik diuji sampai fraktur dan ditemukan memiliki kekuatan fraktur σf 460 MPa (67.000 psi). Jika diameter penampang tersebut pada fraktur adalah 10,7 mm (. 0,422 in), tentukan :
(a) daktilitas, dalam area persen pengurangan
(b) Tegangan sejati di fraktur
Penyelesaian :
a.Perhitungan Daktilitas dihitung dengan menggunakan Persamaan 6.12, seperti
b. Tegangan Sejati ditentukan oleh Persamaan 6.15, di mana dalam hal ini daerah dianggap sebagai daerah fraktur, Namun beban pada fraktur pertama harus dihitung dari kekuatan fraktur sebagai
Dengan demikian, tegangan sejati dihitung sebagai
Contoh Masalah 6.5
Perhitungan eksponen Regangan-Pengerasan
Menghitung eksponen regangan-pengerasan n dalam Persamaan 6.19 untuk paduan dimana tegangan sejati 415 MPa (60.000 psi) menghasilkan regangan sejati 0,10; dianggap nilai 1035 MPa (150.000 psi) untuk K.
Penyelesaian :
Hal ini memerlukan beberapa manipulasi aljabar pada Persamaan 6.19 sehingga n menjadi parameter dependent. Hal ini dilakukan dengan mengambil logaritma dan mengatur kembali. Pemecahan untuk hasil n
6.8 Pemulihan Elastis setelah Deformasi Plastik
Setelah pelepasan beban selama tes alur tegangan-regangan, beberapa fraksi deformasi total pulih seperti regangan elastis. Perilaku ini ditunjukkan pada Gambar 6.17, skema alur tegangan-regangan . Selama siklus unloading, kurva ditelusuri di dekat garis lurus dari titik unloading (titik D), dan kemiringannya hampir identik dengan modulus elastisitas, atau sejajar dengan bagian elastis awal kurva. Besarnya eksponen regangan ini elastis, yang kembali selama unloading, bersesuaian dengan pemulihan eksponen regangan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.17. Jika beban diterapkan kembali, kurva akan melintasi dasar bagian linear yang sama dalam arah yang berlawanan ke unloading; luluh akan terjadi lagi pada tingkat tegangan unloading di mana unloading dimulai. Akan ada juga pemulihan regangan elastis yang berkaitan dengan fraktur.
6.9 Kompresif, Kekuatan Geser, dan Torsi Deformasi
Tentu saja, mungkin logam mengalami deformasi plastis di bawah pengaruh kompresi , kekuatan geser, dan beban torsional yang diterapkan. Sehingga perilaku tarik alur tegangan-regangan ke wilayah plastis akan mirip dengan salinan uji tarik (Gambar 6.10a: luluh dan lengkungan ). Namun, untuk kompresi, tidak akan maksimal, karena necking tidak terjadi; Selanjutnya, modus fraktur akan berbeda untuk ketegangan.
Gambar 6.17 Skema diagram uji tarik tegangan-regangan yang menunjukkan fenomena pemulihan eksponen regangan elastis dan eksponen pengerasan regangan. Kekuatan luluh awal ditetapkan sebagai σy0 dan σy1 kekuatan luluh setelah melepaskan beban di titik D, dan kemudian setelah memuat kembali.
6.10 KEKERASAN
Properti mekanik lain yang mungkin penting untuk dipertimbangkan adalah kekerasan, yang merupakan ukuran pada ketahanan bahan untuk deformasi plastis lokal (misalnya, penyok kecil atau goresan). Uji kekerasan awal didasarkan pada mineral alami dengan skala yang dibuat hanya mengandalkan kemampuan satu bahan menggores bahan lainnya yang lebih lembut. Sebuah skema kekerasan pengindeksan kualitatif dan secara acak telah direncanakan, disebut skala Mohs, yang berkisar dari 1 di ujung lembut,dan talkum ke 10 untuk berlian. Teknik kekerasan kuantitatif telah dikembangkan selama bertahun-tahun dimana indentor kecil dipaksa ke permukaan material yang akan diuji, dalam kondisi beban dan tingkat penggunaan yang terkendali. Kedalaman atau ukuran lekukan yang dihasilkan ini diukur, dimana selanjutnya berkaitan dengan berbagai kekerasan; material lebih lembut , lebih besar dan lebih dalam jika dilekukan, dan lebih rendah nomor indeks kekerasan. Kekerasan diukur relatif (bukan absolut), dan perawatan harus dilakukan ketika membandingkan nilai-nilai yang ditentukan oleh teknik yang berbeda.
Uji kekerasan lebih sering dilakukan daripada uji mekanis lainnya karena beberapa alasan:
Pengujiannya sederhana dan murah,biasanya ada benda uji khusus yang perlu disiapkan, dan peralatan pengujian relatif murah.
Tes ini tak merusak, benda uji tidak retak atau mengalami deformasi berlebihan; lekukan kecil adalah satu-satunya deformasi.
Sifat mekanik lain sering kali dapat diperkirakan dari data kekerasan, seperti kekuatan tarik (lihat Gambar 6.19).
Uji Kekerasan Rockwell
Tes Rockwell merupakan metode yang paling umum digunakan untuk mengukur kekerasan karena tes ini mudah untuk dilakukan dan tidak memerlukan keahlian khusus. Beberapa skala yang berbeda dapat digunakan dari kombinasi berbagai indenters dan beban yang berbeda, yang memungkinkan pengujian pada semua paduan logam (serta beberapa polimer). Indenters termasuk bola dan bola baja keras yang memiliki diameter 116,18,14dan12 in. (1,588, 3,175, 6,350, dan 12,70 mm), dan berlian berbentuk kerucut (Brale) indentor, yang digunakan untuk bahan paling keras.
Dengan adanya sistem ini, sejumlah kekerasan ditentukan oleh perbedaan kedalaman penetrasi yang dihasilkan dari penerapan beban kecil pertama diikuti oleh beban besar yang lebih besar; penggunaan beban ringan meningkatkan akurasi tes. Berdasarkan besarnya beban , baik yang besar dan maupun yang kecil, ada dua jenis tes: 1.)Rockwell dan 2.)superficial Rockwell (Rockwell dangkal). Untuk Rockwell, beban ringan adalah 10 kg, sedangkan beban utama adalah 60, 100, dan 150 kg. Setiap skala diwakili oleh huruf alfabet; beberapa terdaftar dengan indentor dan beban yang sesuai pada Tabel 6.5 dan 6.6a. Untuk tes superficial, 3 kg adalah beban kecil; 15, 30, dan 45 kg adalah nilai beban besar . Skala ini dapat diidentifikasi oleh 15, 30, atau 45 (sesuai dengan beban), diikuti oleh N, T, W, X, Y atau, tergantung pada indentor. Tes superficial sering dilakukan pada benda uji yang tipis. Tabel 6.6b menampilkan beberapa skala superficial.
Ketika menentukan Rockwell dan kekerasan superficial, pada angka kekerasan dan simbol skala harus dicantumkan. Skala ini ditunjuk oleh simbol HR diikuti oleh identifikasi skala yang tepat. Misalnya, 80 HRB mewakili kekerasan Rockwell untuk 80 pada skala B, dan 60 HR30W menunjukkan kekerasan superficial (dangkal) untuk 60 pada skala 30W.
Untuk setiap skala, kekerasan bisa berkisar hingga 130; Namun, nilai-nilai kekerasan bisa meningkat di atas 100 atau turun di bawah 20 pada skala apapun, nilai tersebut menjadi tidak akurat karena skala tersebut melebihi batas , pada situasi seperti ini lebih baik menggunakan skala berikutnya yang lebih keras atau lebih lembut
Ketidak akuratan juga terjadi jika benda uji terlalu tipis, jika lekukan dibuat terlalu dekat sisi benda uji, atau jika dua lekukan yang dibuat terlalu dekat satu sama lain. Ketebalan benda uji minimal harus sepuluh kali kedalaman lekukan, sedangkan Penyisihan harus dibuat setidaknya tiga diameter lekukan antara pusat satu lekukan dan sisi benda uji , atau ke pusat lekukan kedua. Selanjutnya, tes benda uji disusun satu di atas yang benda uji lain (hal ini tidak dianjurkan). Keakuratan tergantung pada lekukan yang dijadikan permukaan datar yang halus.
Alat modern untuk membuat pengukuran kekerasan Rockwell (lihat foto pembuka pada bab ini) dilakukan secara otomatis dan sangat mudah digunakan, kekerasan dibaca secara langsung dan setiap pengukuran hanya memerlukan beberapa detik.
Alat pengujian modern juga memperbolehkan variasi di saat penerapan beban. Variabel ini juga harus diperhatikan dalam menafsirkan data kekerasan.
Uji Kekerasan Brinell
Dalam tes Brinell, seperti dalam pengukuran Rockwell, sebuah indentor bola keras ditekan ke permukaan logam yang akan diuji. Diameter untuk baja keras (atau tungsten karbida) indentor adalah 10.00 mm (0,394 in.). Penerapan standar berkisar antara 500 dan 3000 kg secara bertahap 500-kg; saat tes, beban dipertahankan konstan terhadap waktu tertentu (antara 10 dan 30 s). Bahan yang lebih keras membutuhkan penerapan beban yang lebih besar. Nilai kekerasan Brinell , HB, adalah fungsi dari besarnya beban dan diameter lekukan yang dihasilkan (lihat Tabel 6.5) .14 diameter ini diukur dengan mikroskop berdaya rendah khusus, dengan memanfaatkan skala yang terukir pada lensa mata. Diameter yang telah diukur kemudian dikonversi menjadi jumlah HB yang tepat dengan menggunakan grafik; hanya satu skala yang digunakan dengan teknik ini.
Teknik semi-otomatis untuk mengukur kekerasan Brinell telah tersedia. Teknik ini
menggunakan sistem pemindaian optik yang terdiri dari kamera digital yang dipasang pada probe fleksibel, yang memungkinkan posisi kamera di atas indentasi. Data dari kamera ditransfer ke komputer untuk menganalisis lekukan, menentukan ukuran, dan kemudian menghitung jumlah kekerasan Brinell. Pada teknik ini, ketentuan permukaan akhir harus lebih keras jika melakukan pengukuran secara manual.
Ketebalan maksimum benda uji serta posisi lekukan (relatif terhadap tepi benda uji ) dan persyaratan jarak minimum lekukan adalah sama seperti pada tes Rockwell. Selain itu, lekukan yang baik harus dibutuhkan; hal ini memerlukan permukaan datar yang halus dimana indentasi terbentuk.
Tes Kekerasan Microdentasi Knoop dan Vickers
Dua teknik pengujian kekerasan lainnya adalah Knoop (diucapkan) dan Vickers (kadang-kadang juga disebut diamond piramida). Pada setiap tes, berlian indentor kecil memiliki geometri berbentuk piramida yang ditekankan ke permukaan benda uji. Beban yang diterapkan jauh lebih kecil daripada Rockwell dan Brinell, berkisar antara 1 dan 1000 g. Impresi yang dihasilkan diamati di bawah mikroskop dan diukur; pengukuran ini kemudian diubah menjadi angka kekerasan (Tabel 6.5). Persiapan permukaan tepi benda uji harus cermat (grinding dan polishing), untuk memastikan lekukan yang jelas agar dapat diukur secara akurat. Angka pengujian kekerasan Knoop dan Vickers yang ditunjuk oleh HK dan HV, masing-masing 16 dan kekerasan skala untuk kedua teknik ini kurang lebih hampir sama. Knoop dan Vickers disebut sebagai metode pengujian microindentation berdasarkan ukuran indentor. Keduanya cocok untuk mengukur kekerasan kecil; Selanjutnya, Knoop digunakan untuk pengujian bahan rapuh seperti keramik.
Peralatan modern pengujian kekerasan microdentasi ini telah otomatis dengan menggabungkannya pada peralatan indentor untuk menganalisa gambar dan telah terhubung dengan paket komputer dan perangkat lunak. Perangkat lunak ini mengontrol fungsi sistem yang penting untuk memasukkan lokasi indent, spasi indent, perhitungan nilai kekerasan, dan menyusun data.
Teknik pengujian kekerasan lainnya sering digunakan tetapi tidak akan dibahas di sini; di antaranya adalah microhardness ultrasonik, dinamis (Scleroscope), durometer (untuk plastik dan bahan elastomer), dan uji kekerasan scrath. Hal Ini akan dijelaskan dalam referensi yang disediakan pada akhir bab ini.
Konversi Kekerasan
Fasilitas untuk mengkonversi pengukuran kekerasan pada satu skala ke yang lain sangat penting(dibutuhkan). Namun, karena kekerasan bukanlah properti bahan yang baik, dan karena perbedaan-perbedaan eksperimental antara berbagai teknik, skema konversi komprehensif belum dapat diciptakan. Data konversi kekerasan telah ditentukan secara eksperimen dan diketahui, tergantung pada jenis material dan karakteristik. Data konversi sudah tersedia untuk baja, beberapa di antaranya disajikan pada Gambar 6.18 untuk skala Knoop, Brinell, Rockwell ; skala Mohs juga disertakan. Tabel konversi rinci untuk berbagai logam lainnya dan paduan disajikan dalam standar ASTM E 140, "Tabel Konversi Kekerasan Standard Kekerasan Konversi Tabel untuk Logam." Sehubungan dengan pembahasan sebelumnya, perlakuan harus dilakukan dalam ekstrapolasi data konversi dari satu sistem paduan ke sistem paduan lain.
Gambar 6.18 Skala Perbandingan pada beberapa kekerasan. (Diadaptasi dari GF Kinney, Teknik Properties dan Aplikasi dari Plastik, p. 202. Hak Cipta © 1957 oleh John Wiley & Sons, New York. Dicetak ulang dengan izin dari John Wiley & Sons, Inc.)
Korelasi Antara Kekerasan dan Kekuatan Tarik
Kekuatan tarik dan kekerasan adalah indikator ketahanan logam terhadap deformasi plastik. Akibatnya, Indikator tersebut kurang proporsional, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.19, untuk kekuatan tarik sebagai fungsi dari HB pada besi cor, baja, dan kuningan. Hubungan proporsionalitas yang sama tidak berlaku untuk semua logam, seperti Gambar 6.19 . Sebagaimana acuan sederhana untuk sebagian besar baja, HB dan kekuatan tarik saling berhubungan sesuai dengan
Gambar 6.19 Hubungan antara kekerasan dan kekuatan tarik pada baja, kuningan, dan besi cor. [Data diambil dari Metals Handbook: Properties dan Selection: Irons dan Baja, Vol. 1, 9 edisi, B. bardes (Editor), American Society untuk Logam, 1978, hlm 36 dan 461.; dan Metals Handbook: Properties dan Selection: Nonferrous Alloys dan Logam Murni, Vol. 2, 9 edisi, H. Baker (Managing Editor), American Society untuk Logam, 1979, p. 327.]
Properti Variabilitas dan Faktor
Desain / Keamanan
6.11 Variabilitas Sifat Material
Pada tahap ini , lebih bermanfaat untuk membahas masalah yang kadang-kadang sulit untuk dibuktikan oleh banyak mahasiswa teknik ,contohnya bahwa sifat material yang diukur tidak dalam jumlah yang tepat. Artinya, bahkan jika kita memiliki alat ukur yang paling tepat dan prosedur tes yang sangat terkontrol, akan selalu ada beberapa kecacatan atau variabilitas dalam data yang dikumpulkan dari benda uji pada bahan yang sama. Sebagai contoh, mendiskusikan tentang sejumlah sampel tarik yang sama, disusun pada sebuah bar tunggal beberapa paduan logam, kemudian sampel tegangan-regangan diuji dalam peralatan yang sama. kemungkinan besar Kita akan mengamati bahwa setiap alur tegangan-regangan yang dihasilkan sedikit berbeda dari yang lainnya. Hal ini akan menyebabkan berbagai nilai-niali yang berbeda pada modulus elastisitas, kekuatan luluh, dan kekuatan tarik. Ada beberapa faktor yang menyebabkan ketidakpastian dalam data yang diukur. Hal ini termasuk metode pengujian, variasi dalam prosedur fabrikasi benda uji, bias operator, dan kalibrasi alat. Selanjutnya, inhomogeneities mungkin ada dalam banyak material yang sama, atau sedikit komposisi dan perbedaan lainnya . Tentu saja, langkah yang tepat harus diambil untuk meminimalkan kemungkinan kesalahan pengukuran, dan juga untuk mengurangi faktor-faktor yang menyebabkan variabilitas data.
Hal ini juga harus diperhatikan bahwa scatter (penyebaran) ada untuk sifat bahan yang diukur seperti densitas, konduktivitas listrik, dan koefisien ekspansi termal.
Hal ini penting bagi teknisi desain untuk menyadari bahwa scatter (penyebaran) dan variabilitas sifat bahan tak bisa dihindari dan harus ditangani dengan tepat. Pada kesempatan tersebut, data harus mengalami perlakuan statistik dan probabilitas yang ditentukan. Misalnya, mengajukan pertanyaan, "Berapakah kekuatan fraktur pada paduan ini?" teknisi harus sudah terbiasa dengan mengajukan pertanyaan, "Berapa probabilitas kegagalan pada paduan ini di bawah situasi yang diberikan?"
Hal ini sering diharapkan untuk menentukan nilai yang khas dan tingkat dispersi (atau scatter (penyebaran)) untuk beberapa properti yang diukur; seperti pada umumnya dilakukan dengan mengambil masing-masing rata-rata dan standar deviasi.
Perhitungan nilai rata-rata dan Standar Deviasi
Nilai rata-rata diperoleh dengan membagi jumlah semua nilai yang terukur dengan jumlah pengukuran yang dilakukan. Dalam istilah matematika, rata-rata dari beberapa parameter x adalah
di mana n adalah jumlah observasi atau pengukuran dan nilai pengukuran diskrit.
Selain itu, standar deviasi s ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut:
di mana xi, x dan n didefinisikan di atas. Nilai besar standar deviasi berkorespondensi pada tingkat tinggi scatter (penyebaran).
Contoh Masalah 6.6
Perhitungan Nilai Rata-rata dan Standar Deviasi
Kekuatan tarik berikut diukur pada empat benda uji dari paduan baja yang sama:
(a) Hitunglah kekuatan tarik rata-rata.
(b) Tentukan standar deviasi.
Penyelesaian :
a. kekuatan tarik rata-rata (TS) dihitung dengan menggunakan Persamaan 6.21 dengan n = 4,
Gambar 6.20 (a) data kekuatan tarik yang berhubungan dengan Contoh Soal 6.6. (b) cara di mana data tersebut dapat digambarkan. Point Data sesuai dengan nilai rata-rata dari kekuatan tarik (TS) ; kesalahan bar yang menunjukkan tingkat scatter (penyebaran) sesuai dengan nilai rata-rata plus dan minus standar deviasi (TS ± s ).
b.Untuk standar deviasi, menggunakan Persamaan 6.22,
Gambar 6.20 menyajikan kekuatan tarik berdasarkan nomor benda uji untuk contoh masalah ini dan juga bagaimana data dapat digambarkan dalam bentuk grafik. Point Data kekuatan tarik (Gambar 6.20b) sesuai dengan nilai rata-rata (TS) sedangkan scatter (penyebaran) digambarkan oleh bar kesalahan (garis horizontal pendek) yang berada di atas dan di bawah simbol poin data dan dihubungkan ke simbol ini dengan garis vertikal. Bar kesalahan atas diposisikan pada nilai nilai rata-rata ditambah deviasi standar (TS + s ).sedangkan bar kesalahan menurun sesuai dengan rata-rata minus standar deviasi (TS - s ).
6.12 Faktor Desain dan Keamanan
Selalu ada ketidakpastian dalam menggambarkan besarnya beban terapan dan level tegangan yang terkait dalam aplikasi layanan; biasanya perhitungan beban hanya perkiraan saja. Selanjutnya, seperti yang tercantum dalam bagian sebelumnya, hampir semua bahan rekayasa menunjukkan variabilitas dalam sifat mekanik yang diukur. Akibatnya, penyisihan desain harus dibuat untuk perindungan terhadap kegagalan yang tak terduga. Salah satu cara ini dapat dicapai dengan menetapkan aplikasi tertentu, desain tegangan, dilambangkan sebagai situasi statis dan ketika bahan ulet digunakan, akan dianggap sebagai tingkat tegangan yang dihitung (berdasarkan beban maksimum yang diperkirakan) dikalikan dengan faktor desain,; yaitu,
di mana N' lebih besar dari satu. Dengan demikian, materi yang akan digunakan untuk aplikasi tertentu dipilih sehingga memiliki kekuatan luluh setidaknya setinggi nilai ini σd.
Alternatif lain, tegangan aman atau kerja tegangan, digunakan sebagai pengganti tegangan desain. Tegangan yang aman ini didasarkan pada kekuatan luluh material dan didefinisikan sebagai kekuatan luluh dibagi dengan faktor keamanan, N, atau
Pemanfaatan tegangan desain (Persamaan 6.23) biasanya diutamakan karena didasarkan pada Tegangan maksimum yang diantisipasi bukan pada kekuatan luluh material ; biasanya ada keraguan yang lebih besar dalam memperkirakan tingkat tegangan ini daripada memperkirakan spesifikasi kekuatan luluh. Namun, dalam pembahasan teks ini, kita harus hati-hati pada faktor-faktor yang mempengaruhi kekuatan luluh paduan logam dan bukan dalam menentukan tekanan yang diterapkan; Oleh karena itu, pembahasan berikutnya akan berurusan dengan kerja tegangan dan faktor keamanan.
Pilihan nilai yang sesuai untuk N diperlukan. Jika N terlalu besar, maka overdesign komponen akan dihasilkan; yaitu materi terlalu banyak atau paduan memiliki kekuatan lebih tinggi dari yang diperlukan . Nilai normal berkisar antara 1,2 dan 4,0. Pemilihan N akan tergantung pada sejumlah faktor, termasuk ekonomi, pengalaman sebelumnya, akurasi pada yang kekuatan mekanik dan sifat material dapat ditentukan, dan yang paling penting konsekuensi kegagalan dalam hal hilangnya bahan atau kerusakan properti.
Contoh Desain 6.1
Spesifikasi Diameter Pendukung
Sebuah alat pengujian tarik yang akan dibangun harus menahan beban maksimum 220.000 N (50.000 lbf). Desain untuk dua silinder pendukung, yang masing-masing adalah untuk mendukung setengah dari beban maksimum. Selanjutnya, baja karbon biasa (1045) dan Poros putaran yang akan digunakan; kekuatan minimum luluh dan tarik paduan ini adalah 310 MPa (45.000 psi) dan 565 MPa (82.000 psi), masing-masing. Tentukan diameter yang cocok untuk Silinder pendukung ini.
Penyelesaian :
Langkah pertama dalam proses desain ini adalah untuk menentukan faktor keamanan, N, yang selanjutnya memungkinkan untuk menentukan Kerja tegangan sesuai dengan Persamaan 6.24. Selain itu, untuk memastikan bahwa alat tersebut akan aman untuk beroperasi, kami juga ingin meminimalkan defleksi elastis dari batang selama pengujian; Oleh karena itu, faktor keamanan relatif konservatif akan digunakan N = 5, dengan demikian, Kerja Tegangan σw adalah
Dari hasil definisi tegangan, Persamaan 6.1,
dimana d adalah diameter batang dan F adalah gaya, yang Selanjutnya masing-masing dua batang harus mendukung setengah dari gaya total atau 110.000 N (25.000 psi). Pemecahan masalah untuk d mengarah ke
Oleh karena itu, diameter masing-masing dua batang harus 47,5 mm atau 1,87 in.
