Strain hardening, Annealing, Sifat material dan Diagram fasa MEKANISME STRAIN HARDENING (PENGERASAN REGANGAN) Strain hardening (pengerasan regangan) adalah penguatan logam untuk deformasi plastik (perubahan bentuk secara permanen atau tidak dapat kembali seperti semula). Penguatan ini terjadi karena dislokasi gerakan dalam struktur kristal dari kristal dari material. Deformasi bahan disebabkan oleh slip (pergeseran) pada bidang kristal tertentu. Jika gaya yang menyebabkan slip ditentukan dengan pengandaian bahwa ba hwa seluruh atom pada bidang slip kristal serempak bergeser, maka gaya tersebut akan besar sekali. Dalam kristal terdapat cacat kisi yang dinamakan dislokasi. Dengan pergerakan dislokasi pada bidang slip yang menyebabkan deformasi dengan memerlukan tegangan yang sangat kecil. alau kristal dipotong menjadi pelat tipis dan dipoles secara elektrolisa, maka akan terlihat di bawah mikroskop elektron, sejumlah cacat yang disebut dislokasi. Dislokasi merupakan cacat kisi yang menentukan kekuatan bahan berkristal. arena adanya tegangan dari luars, dislokasi akan bergerak kepermukaan luar, sehingga terjadi deformasi. Selama bergerak dislokasi bereaksi satu sama lain. !asil reaksi ada yang mudah muda h bergerak dan ada yang sulit bergerak. be rgerak. "ang "ang sulit bergerak berfungsi sebagai sumber dislokasi baru (multiplikasi (multiplikasi dislokasi). Sehingga kerapatan dislokasi semakin tinggi. Semakin tinggi kerapatan dislokasi, maka semakin sulit dislokasi bergerak sehingga kekuatan logam akan naik. Strain hardening (pengerasan regangan) terjadi selama peng ujian tarik. Pada proses uji tarik regangan akan bertambah sehingga kekuatan tarik, kekuatan mulur dan kekerasannya akan meningkat pula sedangkan massa jenis dan hantaran listriknya menurun. !al ini juga mengakibatkan menurunnya keuletan. ristal logam mempunyai kekhasan dalam keliatan yang lebih besar dan pengerasan yang luar biasa. Sebagai contoh, kekuatan mulur baja lunak sekitar #$% &Pa dan dapat ditingkatkan sampai kira ' kira %% &Pa oleh pengerasan regangan (Surdia ata * #$+). nilah yang melatarbelakangi mengapa mekanisme pengerasan logam merupakan sesuatu yang berguna. egangan egangan di daerah elastis sampai sekitar titik mulur didapat deng an jalan membagi beban oleh luas penampang asal batang uji, biasanya dipakai dipakai pada perencanaan mesin ' mesin. egangan egangan ini dinamakan tegangan teknis atau tegangan nominal. etika deformasi bertambah, maka luas penampang batang uji menjadi lebih kecil sehingga tegangan dapat dinyatakan dalam tegangan sebenarnya. ekuatan tarik atau kekuatan maksimum yang dinyatakan dalam tegangan teknis atau tegangan nominal sering sering dipakai dalam bidang bidang teknik,yaitu tegangan dalam ordinat ordinat fasa gambar #.- dinyatakan dalam tegangan nominal. alau tegangan dinyatakan dalam tegangan sebenarnya / dan regangan dalam regangan sebenarnya 0/ 0/ 1 ln ( l 2 lo ) dan dengan regangan teknik 0 0/ 1 ln ( # 3 0 ) !ubungan antara tegangan sebenarnya dan regangan sebenarnya didekati oleh persamaan / 1 0/ n dengan n 1 eksponen pengerasan regangan (sebagai ukuran pengerasan) # 1 koefisien kekuatan 1 konstanta n 1 konstanta
dan n adalah konstanta yang ditentukan oleh jenis bahan dan keadaan deformasi tertentu. 4ambar diatas menyatakan perbandingan antara kur5a tegangan ' regangan teknis dan kur5a tegangan ' regangan sebenarnya. Dan persamaannya dapat dirumuskan log / 1 log 3 n 0/ Jadi kalau tegangan sebenarnya dan tegangan sebenarnya diplot pada kertas grafik logaritma, daerah deformasi plastis merupakan garis lurus, sedangkan gradiennya merupakan harga n. alau keadaan deformasi tertentu diperhitungkan, regangan sebenarnya sama dengan perubahan regangan memanjang dan melintang, atau regangan dari tarikan dan tekanan. Selanjutnya regangan 0/neck pada permulaan pengecilan setempat setempat dari pengujian tarik tarik sama dengan harga harga n. 6erikut adalah nilai dan n !ubungan antara elastisitas dan strain hardening 7 Pada daerah elastic bahan mengikuti !ukum !ook ( 8 1 2 0). 0). emudian setelah melewati titik luluh " akan mengalami deformasi plastis. Seperti yang telah dijelaskan, deformasi berlanjut jika tegangan bertambah sehingga lebih besar dari " dan n lebih dari %. 9low cur5e biasanya dinyatakan dalam sebagai fungsi linier dengan sumbu logaritma. ebanyakan logam ulet (ductile) bersifat seperti ini #. 9actor yg mempengaruhi -. Dengan dislokasi :. Dengan perlakuan panas +. ;ontoh pengerjaannya d roll atau yak opo <. Data yang mendukung contohnya material apa,kekuatannya brp,dll Annealing
=nnealing adalah proses pemanasan baja yang diikuti dengan pendinginan lambat didalam tungku yang dimatikan. emperatur pemanasan annealing, untuk baja hypoeutektoid adalah sekitar sedikit diatas garis =:(4br. <.) dan untuk baja h ypereutektoid adalah sedikit diatas garis =cm (4br.<.). (4br.<.). ujuan dari annealing untuk memperbaiki > mampu mesin, mampu bentuk, keuletan, kehomogenan struktur, menghilangkan tegangan dalam, dan lain sebagainya. Sifat Mekanik Material #. !ardness (kekuatan) etahanan suatu bahan terhadap deformasi (perubahan bentuk) yang permanen. ekerasan linier dengan kekuatan, semakin tinggi kekuatan maka semakin keras benda tersebut. 6eberapa metode yang digunakan untuk uji kekerasan antara lain* a. &etode 4ores &etode ini dikenalkan oleh 9riedrich &ohs yaitu dengan membagi kekerasan material di dunia ini berdasarkan skala (yang kemudian dikenal d ikenal sebagai skala &ohs). Skala ini ber5ariasi dari nilai # untuk kekerasan yang paling rendah, sebagaimana dimiliki oleh material talk, hingga skala #% sebagai nilai kekerasan tertinggi, sebagaimana dimiliki oleh intan. Dalam skala &ohs urutan nilai kekerasan material di dunia ini diwakili oleh* #. alc -. 4ipsum :. ;alcite +. 9luorite <. =patite ?. @rthoclase
A. BuartC $. opaC . ;orundum #%. Diamond (intan) b. &etode 8lastik2Pantul Dengan metode ini, kekerasan suatu material ditentukan oleh alat Scleroscope yang mengukur tinggi pantulan suatu pemukul (hammer) dengan berat tertentu yang dijatuhkan dari suatu ketinggian terhadap permukaan benda uji c. &etode ndentasi Pengujian dengan metode ini dilakukan dengan penekanan benda uji dengan indentor dengan gaya tekan dan waktu indentasi yang ditentukan. ekerasan suatu material ditentukan oleh dalam ataupun luas area indentasi yang dihasilkan (tergantung jenis indentor dan jenis pengujian). -. etangguhan (mpak) etangguhan (impak) merupakan ketahanan bahan terhadap beban kejut. nilah yang membedakan pengujian impak dengan pengujian tarik dan kekerasan dimana pembebanan dilakukan secara perlahanlahan. Pengujian impak merupakan suatu upaya untuk mensimulasikan kondisi operasi material yang sering ditemui dalam perlengkapan transportasi atau konstruksi dimana beban tidak selamanya terjadi secara perlahanlahan melainkan datang secara tibatiba. :. eausan eausan umumnya didefinisikan sebagai kehilangan material secara progresif atau pemindahan sejumlah material dari suatu permukaan sebagai suatu hasil pergerakan relatif antara pe rmukaan tersebut dan permukaan lainnya. Pengujian keausan dapat dilakukan dengan berbagai macam metode dan teknik, yang semuanya bertujuan untuk mensimulasikan kondisi keausan aktual. Salah satunya adalah dengan metode @goshi dimana benda uji memperoleh beban gesek dari cincin yang berputar (re5ol5ing disc). Pembebanan gesek ini akan menghasilkan kontak antar permukaan yang berulangulang yang pada akhirnya akan menga mbil sebagian material pada permukaan benda uji. 6esarnya jejak permukaan dari material tergesek itulah yang dijadikan dasar penentuan tingkat keausan pada material. Semakin besar dan dalam jejak keausan maka semakin tinggi 5olume material yang terlepas dari benda uji. +. 9atik 9atik merupakan ketahanan suhatu material menerima pembebanan dinamik. 6enda yang tidak tahan terhadap fatik akan mengalami kegagalan pada kondisi pembebanan dinamik (beban berfluktuasi). &engalami kegagalan (patah) pada tegangan jauh di bawah tegangan yang diperlukan untuk membuatnya patah pada pembebanan tunggal (statis). egagalan fatik biasanya terjadi pada tempat yang konsentrasi tegangann ya besar, seperti pada ujung yang tajam atau notch. &enunjukkan permukaan patahan poros akibat fatik yang bermula dari ujung yang tajam dari tempat pasak 9aktorfaktor Penyebab Patah 9atik 6ersadarkan Penyebab utamanya, yaitu beban (tegangan) yang bekerja, patah 9atik tergantung pada * a. 6esarnya tegangan maksimum yang bekerja b. 9luktuasi tegangan yang bekerja, yaitu besarnya amplitudo dari tegangan tegangan yang bekerja
c. Siklus tegangan yang bekerja. =dalah banyaknya periode pembebanan yang terjadi d. Selain tegangan, faktorfaktor lain yang dapat mempengaruhi terjadinya patah fatik, antara lain * E onsentrasi tegangan pada suatu bagian benda. E erdapatnya porositas e. orosi akibat lingkungan dan penyelesaian permukaan benda <. ekuatan a arik rik ekuatan suatu bahan, pada umumnya dinyatakan dengan kekuatan tarik atau tegangan tarik dimana tegangan sendiri adalah gaya ga ya per satuan luas. egangan tarik dinyatakan dalam u (F2mm-), kekuatan luluh y (F2mm-). =lat Gji arik esimpulan &aterial mempunyai beberapa sifat yang diklasifikasikan menjadi sifat mekanik, sifat fisik dan sifat kimia. Sifatsifat mekanik meliputi* hardness (kekuatan), ketangguhan (impak), keausan, fatik, kekuatan tarik. lustrasi skematis pengujian impak dengan benda uji ;harpy Sifat mekanik dari suatu bahan salah satunya ditentukan oleh struktur mikro bahan tersebut. Gntuk mengetahui struktur mikro tersebut maka perlu mengetahui fasa diagram dari bahan. Diagram fasa digunakan untuk acuan dalam proses peleburan, pengecoran, kristalisasi dan lain lain. omponen yaitu bagian yang menyusun suatu paduan (alloy (alloy). ). omponen dapat berupa unsur atau senyawa. Dalam suatu paduan ada komponen yang bertindak sebagai solute sebagai solute dan dan ada yang bertindak sebagai solvent sebagai solvent . ;ontoh uningan, ;u sebagai unsur pelarut dan Hn sebagai unsur yang dilarutkan. Dalam senyawa larutan tersebut terdapat batas kelarutan yaitu merupakan konsentrasi atom maksimum yang dapat dilarutkan oleh pe larut untuk membentuk larutan padat (solid solution). 9asa adalah bagian homogen ho mogen dari sistem yg mempunyai karakteristik fisik dan kimia yang beraturan. ;ontoh dari fasa yaitu material murni, larutan padat, larutan cair dan gas. Gntuk material yang mempunyai dua atau lebih struktur maka disebut polimorfik. Diagram asa Diagram fasa adalah suatu grafik yang merupaka n representasi tentang fasafasa yang ada dalam suatu material pada 5ariasi temperatur, tekanan dan komposisi. Diagram ini merupakan dasar pemahaman untuk semua operasi ' operasi perlakuan panas. Pada umumnya diagram fasa dibangun pada keadaan kesetimbangan (kondisinya adalah pendinginan yang sangat lambat). Diagram ini dipakai untuk mengetahui dan memprediksi banyak aspek terhadap sifat material. Keg!naan Diagram asa Diagram fasa dapat digunakan untuk memudahkan memilih temperatur pemanasan yang sesuai untuk setiap proses perlakuan panas baik proses anil, normaliCing maupun proses pengerasan. nformasi penting yang dapat diperoleh dari diagram fasa adalah* #. &em &e mpe perl rlih ihat atka kan n fas fasa affas asaa yan yang g ter terja jadi di pa pada da per perbe beda daan an kom kompo posi sisi si da dan n tem tempe perrat atur ur dibawah kondisi pendinginan yang sangat lambat. -. &eng &e ngin indi dika kasi sika kan n kes keset etim imba bang ngan an ke kellar arut utan an pa pada datt sat satu u unsu unsurr ata atau u sen seny yaw awaa pada pada un unsu surr lain. :. &eng &e ngin indi dika kasi sika kan n pen penga garruh te tem mpe pera rattur di dima mana na sua uatu tu pa padu duan an di diba bawa wah h kon kondi disi si kesetimbangan mulai membeku dan pada rentang temperatur tertentu pembekuan terjadi.
+.
&eng &e ngin indi dika kasi sika kan n tem empe perrat atur ur di dim man anaa pe perb rbed edaa aan n fas asa afa fassa mul ulai ai men enca caiir. "e#era$a %&nt&h Diagram asa Diagram asa e ' e % Diagram kesetimbangan fasa 9e9e:; adalah alat penting untuk memahami struktur mikro dan sifatsifat baja karbon, suatu jenis logam paduan besi (9e) dan karbon (;). arbon larut di dalam besi dalam bentuk larutan padat ( solid solid solution) solution) hingga %,%
o o o o o o o
erdapat tiga fase yang teramati yaitu fase liquid (), erdapat (), fase alpha alpha (L), (L), dan fase liquid-alpha liquid-alpha (L3). (L3). keberadaan tiap fase dibatasi oleh garis batas fase yang terdapat disepanjang rentang komposisi dan temperatur tertentu. 9ase liquid terdiri dari ;u dan Fi dalam liquid . 9ase L adalah substitusional adalah substitusional solid solution solution dari dari atom ;u dan Fi, serta memiliki struktur kristal 9;;. Dari diagram fase dapat terlihat pada temperatur di bawah #%$% o; ;u dan Fi dapat membentuk solid membentuk solid solution pada solution pada sembarang komposisi. 9ase yang diberi nama dengan huruf "unani "unani (L, M, N, dll) menunjukkan fase solid fase solid solution dari solution dari paduan logam. Daerah fase dan L3 dipisahkan dipisahkan oleh suatu garis yang disebutliquidus disebut liquidus line. line. Daerah di atas liquidus line hanya terdiri dari . Sementara itu daerah fase L dan L3 dipisahkan oleh suatu garis yang disebut solidus disebut solidus line. line. Daerah di bawah solidus line hanya line hanya terdiri dari fase L. itik potong dari solidus dan liOuidus line menunjukkan titik lebur dari masingmasing bahan murni. Gntuk diagram fase ;uFi, kedua garis berpotongan di dua titik yaitu pada temperatur #%$< o; yang bersesuaian dengan komposisi % wtI Fi (#%% wtI ;u) dan pada temperatur #+<: o; yang bersesuaian dengan komposisi #%% wtI Fi (% wtI ;u). Gntuk suatu paduan dengan komposisi tertentu, titik lebur akan terletak sedikit di atas solidus line. Jika temperatur dinaikkan secara perlahanlahan sedikit demi sedikit fase solid akan berubah menjadi fase liOuid. Sebelum mencapai liOuid line, fase solid (L) dan liOuid akan hadir bersamaan. Saat temperatur mencapai liOuidus line, semua fase solid berubah menjadi fase liOuid. Jika temperatur dinaikkan terus, hanya fase liOuid () yang terdapat dalam sistem. Diagram asa e% Pada proses pembuatannya, komposisi kimia yang dibutuhkan diperoleh ketika baja dalam bentuk fasa cair pada suhu yang tinggi. Pada saat proses pendinginan dari suhu lelehnya, baja mulai berubah menjadi fasa padat pada suhu #:<%%, pada fasa ini lah berlangsung perubahan struktur mikro. Perubahan struktur mikro dapat juga dilakukan dengan jalan heat treatment. 6ila proses pendinginan dilakukan secara perlahan, maka akan dapat dicapai tiap jenis struktur mikro yang seimbang sesuai dengan komposisi kimia dan suhu baja. Perubahan struktur mikro pada berbagai suhu dan kadar karbon dapat dilihat pada Diagram 9ase eseimbangan (8Ouilibrium Phase Diagram). Penjelasan diagram* ada !andungan !arbon mencapai "."#$ terbentu! stru!tur mi!ro dinama!an Sementit Fe%& 'dapat dilihat pada garis vertical paling !anan(. Sifat ) sifat cementitte* sangat !eras dan sangat getas ada sisi !iri diagram dimana pada !andungan !arbon yang sangat rendah, pada suhu !amar terbentu! stru!tur mi!ro ferit. ada ba+a dengan !adar !arbon .%$, stru!tur mi!ro yang terbentu! adalah erlit, !ondisi suhu dan !adar !arbon ini dinama!an titi! utectoid. ada ba+a dengan !andungan !arbon rendah sampai dengan titi! eutectoid, stru!tur mi!ro yang terbentu! adalah campuran antara ferit dan perlit. ada ba+a dengan !andungan titi! eutectoid sampai dengan "."#$, stru!tur mi!ro yang terbentu! adalah campuran antara perlit dan sementit. ada saat pendinginan dari suhu leleh ba+a dengan !adar !arbon rendah, a!an terbentu! stru!tur mi!ro Ferit Delta lalu men+adi stru!tur mi!ro mi!ro Austenit.
o ada ba+a dengan !adar !arbon yang lebih tinggi, suhu leleh turun dengan nai!nya !adar !arbon, peralihan bentu! langsung dari leleh men+adi Austenit. Dari diagram diatas diatas dapat kita lihat bahwa pada proses pendinginan perubahan ' perubahan pada struktur kristal dan struktur mikro sangat bergantung pada komposisi kimia. 9ase "ang erbentuk * #. 9erit ( besi ) &erupakan larutan padat karbon dalam besi dan kandungan karbon dalam besi maksimum %,%-
SIFAT SIFAT-SIF -SI FAT MEKANI ME KANIK K 6anyak material dalam aplikasinya mengalami pembebanan atau gaya, sebagai contoh paduan alumunium alumunium yang digunakan sebagai sebagai bahan konstruksi konstruksi sayap pesawat pesawat dan baja sebagai poros pada mobil Sifat mekanik adalah salah satu sifat penting, karena sifat mekanik menyatakan kemampuan suatu bahan (termasuk juga komponen yang terbuat dari bahan tersebut) untuk menerima menerima beban2gaya2en beban2gaya2energi ergi tanpa menimbulkan menimbulkan kerusakan kerusakan pada bahan2kompone bahan2komponen n tersebut. tersebut. Sifatsifa Sifatsifatt mekanik mekanik bahan merefleksikan merefleksikan hubungan antara pembebanan pembebanan yang diterima diterima suatu suatu bahan dengan reaksi yang diberikan atau deformasi yang akan terjadi . Sifatsifat ini didapat dengan melakukan uji laboratorium yang didesain secara teliti yang dapat merepresentasikan sedekat mungkin kondisi nyatanya Sifatsifat mekanik bahan mendapat perhatian berbagai pihak seperti para produsen dan konsumen dari suatu material, organisasiorganisasi penelitian, agen agen agen pemer pemerin intah tah,, dan lain lainl lai ainny nnyaa yang yang masi masing ngm mas asin ingny gnyaa memp mempuny unyai ai kepent kepentin inga gan n kepentingan tersendiri. Sebagai konsekuensinya, perlu adanya suatu konsistensi dalam pengujian yang dilakukan sesuai dengan standar yang diinginkan he =merican Society for esting and &aterials (=S&) merupakan sebuah organisasi yang sangat aktif di amerika terkait dengan pengujian bahan. 6868=P= S9= S9= &8=F "=F4 P8FF4 P8F F4 Kek!atan (strength)* kemampuan suatu bahan untuk menerima tegangan tanpa menyebabkan bahan menjadi patah. ekuatan ini ada beberapa macam tergantung pada jenis beban yang bekerja, yaitu kekuatan tarik, kekuatan geser, kekuatan tekan, kekuatan punter2torsi dan kekuatan lengkung Kekerasan (hardness)* kemampuan suatu bahan untuk tahan terhadap penggoresan, pengikisan (abrasi), indentasi atau penetrasi. Sifat ini berkaitan dengan sifat tahan aus (wear resistance). ekerasan juga mempunyai korelasi dengan kekuatan Keken+alan (elastiit+)* kemampuan bahan untuk menerima tegangan tanpa menyebabkan terjadinya perubahan bentuk yang permanen setelah tegangan dihilangkan Kekak!an (stiffness)* kemampuan bahan untuk menerima tegangan2beban tanpa mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk (deformasi) atau defleksi. Plastiitas ($lastiit+) , kemampuan bahan untuk mengalami sejumlah deformasi plastic (permanent) tanpa mengakibatkan terjadinya kerusakan,sifat ini sangat diperlukan bagi bahan yang akan diproses dengan berbagai proses pembentukan seperti forging, rolling, eQtruding dan lainnya. Sifat plastisitas sering juga disebut dengan keuletan (ductility). 6ahan yang mampu mengalami deformasi cukup banyak dikatakan sebagai bahan yang memiliki keuletan yang tinggi, bahan yang ulet (ductile), sedangkan bahan yang tidak menunjukkan deformasi plastis dikatakan sebagai bahan yang memiliki keuletan rendah atau getas (brittle).
Ketangg!han (t&!ghness) , menyatakan kemampuan bahan untuk menyerap sejumlah energi tanpa mengakibatkan terjadinya kerusakan. Kelelahan (fati-!e) , merupakan kecenderungan dari suatu logam untuk patah bila menerima tegangan berulangulang (cyclic stress) yang besarnya jauh dibawah batas kekuatan elastiknya (yield strength). Melar (ree$) , merupakan kecenderungan suatu logam logam untuk mengalami deformasi plastik yang besarnya merupakan fungsi waktu, pada saat bahan tadi menerima beban yang besarnya relati5e tetap.
6erbagai sifat mekanik diatas dapat juga dibedakan menurut cara pembebanannya, yaitu sifat mekanik statik, sifat terhadap beban statik, yang besarnya tetap atau berubah secara lambat, dan sifat mekanik dinamik, sifat mekanik terhadap beban yang berubahrubah atau beban tibatiba.
STRAIN HARDENING Kenaikan kekuatan akibat pembebanan, terjadi karena pergerakan dislokasi dalam logam. Terjadi antara beban yield sampai beban maksimum. irumuskan sebagai !
σs " k .ε s n dimana! k " koe#sien kekuatan pada
εs " $
n " strain %ardening eksponen &n"$ untuk material solid elasti' &n"( untuk material solid plastis sempurna sempurna )erlu diper%atikan ba%*a laju strain %ardening tidak sama dengan strain %ardening eksponen. ari gambar diba*a% ini dapat ditentukan %arga n dan k dengan meregresi linier daera% plastik, se%ingga diperole% persamaan !
y = 0.0713.x + 5.1577 imana,
n = 0.0713 log k = 5.1577 k = 143780.5
+ "$/(.01 (.($
Strain Stra in %a %arrde deni ning ng ek eksp spon onen en 2n 2n33 me menu nunj njuk ukka kan n ba baga gaim iman ana a kel elak akua uan n material4logam ketika dibentuk Material dengan %arga n yang besar mempunyai 5ormability yang lebi% baik dibandingkan material dengan %arga n yang ke'il.
A " (6 'old *ork or ( true strain 7 8 " $(.96 'old *ork or (.$$: true strain ; 8 " <(.6 'old *ork or (.<< true strain 8 " <9.6 'old *ork or (. true strain
As metals work harden High tempers
strength ow strength tempers
!apa"ity !apa" ity #or strain strain 8ig% hardening has already $een %sed
=o*
&emaining "apa"ity #or
8ig%
=o*
'ork hardening (orma$ility
=o*
8ig%
n )al%es
=o*
8ig%
8ig%
=o*
8ig%
=o*
*ield strength strength k )al%e
