1

Pertemuan ke 2

Sifat-sifat Materials

Pendahuluan

Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam pemilihan materiaL

1. Sifat2 materialnya dapat sesuai dengan kondisi operasinya

2. Mechanical karakteristiknya

a. Strength

b. Rigidity

c. Resistance to fracture

d. Kemampuan thp vibration

e. Kemampuan terhadap impak

3. Physical karakteristik

a. Berat

b. Elektrikal properties

c. Penampilan (bentuk)-nya

4. Services environment

a. Kemampunnya beroperasi pada kondisi temperature extreme

b. Kemampunnya menahan korosi

Klasifikasi paling umum dari material engineering adalah

1. Metalic

Common metallic materials,

a. Iron

b. Copper

c. Alumunium

d. Magnesium

e. Nikel

f. Titanium

g. Lead

h. Tin

i. Zinc

Paduan metallic materials,

j. Steel

k. Brass

l. Bronze

Sifat2nya

m. relative ductile

n. High thermal conductivity

o. High electrical conductivity

2

p. Beberapa bersifat magnetic

2. Non Metalic

Common non Metalic materials,

a. Wood

b. Brick

c. Concrete

d. Glass

e. Rubber

f. plastics

sifat2nya secara umum,

a. kurang ductile

b. lemah

c. poor electrical conductivity

d. poor thermal conductivity

Physical and Mechanical properties

Physical properties

a. density

b. melting point

c. optical properties (transparency, opaqueness, or color)

d. thermal properties of specific heat

e. coefisient of thermal expansion

f. thermal conductivity

g. electrical conductivity

h. magnetic properties

Mechanical properties

a. tarik

b. compression

c. impak

d. fatik, dll.

3

Stress and strain

In materials science, the strength of a material is its ability to withstand an applied

stress without failure. The applied stress may be tensile, compressive, or shear.

Strength of materials is a subject which deals with loads, deformations and the forces

acting on the material. A load applied to a mechanical member will induce internal

forces within the member called stresses. Those stresses acting on the material cause

deformations of the material. Deformation of the material is called strain, while the

intensity of the internal forces are called stress. The strength of any material relies on

three different type of analytical method: strength, stiffness and stability, where

strength refers to the load carrying capacity, stiffness refers to the deformation or

elongation, and stability means refers to the ability to maintain its initial

configuration. Material yield strength refers to the point on the engineering stress-

strain curve (as opposed to true stress-strain curve) beyond which the material

experiences deformations that will not be completely reversed upon removal of the

loading. The ultimate strength refers to the point on the engineering stress-strain curve

corresponding to the stress that produces fracture.

A material's strength is dependent on its microstructure. The engineering processes to

which a material is subjected can alter this microstructure. The variety of

strengthening mechanisms that alter the strength of a material includes work

hardening, solid solution strengthening, precipitation hardening and grain boundary

strengthening and can be quantified and qualitatively explained. However,

strengthening mechanisms are accompanied by the caveat that some mechanical

properties of the material may degenerate in an attempt to make the material stronger.

For example, in grain boundary strengthening, although yield strength is maximized

with decreasing grain size, ultimately, very small grain sizes make the material brittle.

In general, the yield strength of a material is an adequate indicator of the material's

mechanical strength. Considered in tandem with the fact that the yield strength is the

parameter that predicts plastic deformation in the material, one can make informed

decisions on how to increase the strength of a material depending its microstructural

properties and the desired end effect. Strength is considered in terms of compressive

strength, tensile strength, and shear strength, namely the limit states of compressive

stress, tensile stress and shear stress, respectively. The effects of dynamic loading are

probably the most important practical part of the strength of materials, especially the

problem of fatigue. Repeated loading often initiates brittle cracks, which grow slowly

until failure occurs.

However, the term strength of materials most often refers to various methods of

calculating stresses in structural members, such as beams, columns and shafts. The

methods that can be employed to predict the response of a structure under loading and

its susceptibility to various failure modes may take into account various properties of

the materials other than material (yield or ultimate) strength. For example failure in

buckling is dependent on material stiffness (Young's Modulus).

4

STATIC PROPERTIES

Bila gaya yang bekerja pada material adalah konstan atau mendekati konstan maka hal ini

dikatakan static. Pembebanan static banyak diamati pada fenomena aplikasi engineering.

Sifat static suatu material dapat di tentukan dengan menggunakan pengujian2 :

g. Tensile Test

h. Compression test

i. Hardness test

Tensile Test

Uniaxial tensile test

The Results of tensile tests biasanya digunakan untuk selecting materials for engineering

applications.

Kurva hasil uji tarik material steel dapat dilihat seperti gambar 1 berikut.

Gambar.1 Stress–strain curve showing typical yield behavior for nonferrous alloys. Stress (σ) is

shown as a function of strain (ε)

5

1: True elastic limit

2: Proportionality limit

3: Elastic limit

4: Offset yield strength

Ductility and Britleness

Ductile materials

Low carbon steel umumnya memiliki hubungan yang linier hingga mencapai yield point

(Gambar.2). Bagian linear dari kurva ini merupakan elastic region dan gradiennya

merupakan modulus of elasticity atau Young's Modulus. Setelah yield point, bentuk curve

menurun mendadak karena dislocations dari Cottrell atmospheres. Deformation kemudian

meningkat kembali, peristiwa ini terjadi karena strain hardening hingga mencapai ultimate

strength. Sampai titik ini, luasan cross-sectional spesimen berkurang karena kontraksi poisson

(akibat dari poisson ratio). (Noted :The actual rupture point is in the same vertical line as the

visual rupture point.).

Neck terbentuk ketika pengurangan luas penampang terjadi secara cepat. Seperti ditunjukkan

dalam gambar.2, Pada engineering stress–strain curve kondisi ini ditunjukkan dengan

pengurangan apparent stress. Tetapi pada kurva true stress dan true strain, stress akan terus

berlanjut naik hingga failure. Ductile materials seperti aluminum dan medium hingga high

carbon steels tidak memiliki yield point. Pada material ini, yield strength ditentukan dengan

"offset yield method", Dimana penentuan yield point dilakukan dengan menggambar garis

pararel dengan bagian linier elastic dari kurca, dan berpotongan dengan absis pada 0.2%

(0.1%) Elastic region merupakan bagian dari kurva dimana material akan kembali ke bentuk

asalnya jika beban di hilangkan. Plastic region adalah bagian dimana deformasi permanen

akan terjadi jika beban dihilangkan.

Gambar 2. A stress–strain curve typical of structural steel

6

1. Ultimate Strength

2. Yield Strength

3. Rupture

4. Strain hardening region

5. Necking region.

A: Apparent stress (F/A0)

B: Actual stress (F/A)

Brittle materials

Gambar.3 Stress–strain curve untuk brittle materials.

Brittle materials seperti concrete dan carbon fiber tidak mempunyai yield point, dan dan tidak

mengalami strain-harden. Sehingga the ultimate strength dan breaking strength adalah sama.

Seperti ditunjukkan pada gambar 3. Beberapa material brittle seperti glass tidak menunjukkan

plastic deformation dan fail ketika deformation masih elastic. Salah satu karakteristik dari

kegagalan brittle adalah hasil patahan bisa disambung lagi untuk menghasilkan bentuk yang

sama seperti sebelum patah. Bentuk stress strain curve untuk brittle material akan linear.

Glass fibers memiliki tensile strength lebih kuat dibandingkan steel, tetapi tidak untuk bulk

glass. Hal ini karena stress intensity factor berhubungan dengan defects dalam material.

Umumya tensile strength dari a rope biasanya selalu lebih kecil dibandingkan dengan

penjumlahan dari tensile strength tiap-tiap individual fibers penyusunnya.

– Toughness berkaitan dengan impact or shock loading

– Damping Capacity kapasitas absorbed vibration eg crankshaft

– Compression testing

7

Hardness testing

Kekerasan (Hardness) adalah salah satu sifat mekanik (Mechanical properties) dari suatu material. Kekerasan suatu material harus diketahui khususnya untuk material yang dalam penggunaanya akan mangalami pergesekan (frictional force) dan deformasi plastis. Deformasi plastis sendiri suatu keadaan dari suatu material ketika material tersebut diberikan gaya maka struktur mikro dari material tersebut sudah tidak bisa kembali ke bentuk asal artinya material tersebut tidak dapat kembali ke bentuknya semula. Lebih ringkasnya kekerasan didefinisikan sebagai kemampuan suatu material untuk menahan beban identasi atau penetrasi (penekanan). Mengapa diperlukan pengujian kekerasan? Di dalam aplikasi manufaktur, material dilakukan pengujian dengan dua pertimbangan yaitu untuk mengetahui karakteristik suatu material baru dan melihat mutu untuk memastikan suatu material memiliki spesifikasi kualitas tertentu. Didunia teknik, umumnya pengujian kekerasan menggunakan 4 macam metode pengujian kekerasan, yakni : 1. Brinnel (HB / BHN) Pengujian kekerasan dengan metode Brinnel bertujuan untuk menentukan kekerasan suatu material dalam bentuk daya tahan material terhadap bola baja (identor) yang ditekankan pada permukaan material uji tersebut (spesimen). Idealnya, pengujian Brinnel diperuntukan untuk material yang memiliki permukaan yang kasar dengan uji kekuatan berkisar 500-3000 kgf. Identor (Bola baja) biasanya telah dikeraskan dan diplating ataupun terbuat dari bahan Karbida Tungsten. Uji kekerasan brinnel dirumuskan dengan :

Gambar 1 Pengujian Brinnel

8

Gambar 2. Perumusan untuk pengujian Brinnel

2. Rockwell (HR / RHN)

Pengujian kekerasan dengan metode Rockwell bertujuan menentukan kekerasan suatu material dalam bentuk daya tahan material terhadap indentor berupa bola baja ataupun kerucut intan yang ditekankan pada permukaan material uji tersebut.

Gambar 3 Pengujian Rockwell

Untuk mencari besarnya nilai kekerasan dengan menggunakan metode Rockwell dijelaskan pada gambar 4, yaitu pada langkah 1 benda uji ditekan oleh indentor dengan beban minor (Minor Load F0) setelah itu ditekan dengan beban mayor (major Load F1) pada langkah 2, dan pada langkah 3 beban mayor diambil sehingga yang tersisa adalah minor load dimana pada kondisi 3 ini indentor ditahan seperti kondisi pada saat total load F yang terlihat pada Gambar 4. Besarnya minor load maupun major load tergantung dari jenis material yang akan di uji, jenis-jenisnya bisa dilihat pada Tabel 1.

Gambar 4 Prinsip kerja metode pengukuran kekerasan

Rockwell

Dibawah ini merupakan rumus yang digunakan untuk mencari besarnya kekerasan dengan metode Rockwell.

HR = E - e

Dimana :

F0 = Beban Minor(Minor Load) (kgf)

9

F1 = Beban Mayor(Major Load) (kgf)

F = Total beban (kgf)

e = Jarak antara kondisi 1 dan kondisi 3 yang dibagi dengan 0.002 mm

E = Jarak antara indentor saat diberi minor load dan zero reference line yang untuk tiap jenis indentor berbeda-beda yang bias dilihat pada table 1

HR = Besarnya nilai kekerasan dengan metode hardness

Tabel dibawah ini merupakan skala yang dipakai dalam pengujian Rockwell skala dan range uji dalam skala Rockwell.

Tabel 1 Rockwell Hardness Scales

Scale Indentor F0

(kgf)

F1

(kgf)

F

(kgf) E

Jenis Material Uji

A Diamond cone

10 50 60 100 Exremely hard materials, tugsen carbides, dll

B 1/16" steel

ball

10 90 100 130 Medium hard materials, low dan

medium carbon steels,

kuningan, perunggu, dll

C Diamond cone

10 140 150 100 Hardened steels, hardened and tempered alloys

D Diamond

cone

10 90 100 100 Annealed kuningan dan tembaga

E 1/8" steel ball

10 90 100 130 Berrylium copper,phosphor bronze, dll

F 1/16" steel

ball

10 50 60 130 Alumunium sheet

G 1/16" steel ball

10 140 150 130 Cast iron, alumunium alloys

H 1/8" steel

ball

10 50 60 130 Plastik dan soft metals seperti

timah

K 1/8" steel

ball

10 140 150 130 Sama dengan H scale

L 1/4" steel ball

10 50 60 130 Sama dengan H scale

M 1/4" steel

ball

10 90 100 130 Sama dengan H scale

P 1/4" steel ball

10 140 150 130 Sama dengan H scale

R 1/2" steel

ball

10 50 60 130 Sama dengan H scale

S 1/2" steel ball

10 90 100 130 Sama dengan H scale

V 1/2" steel

ball

10 140 150 130 Sama dengan H scale

10

3. Vikers (HV / VHN)

Pengujian kekerasan dengan metode Vickers bertujuan menentukan kekerasan suatu material dalam yaitu daya tahan material terhadap indentor intan yang cukup kecil dan mempunyai bentuk geometri berbentuk piramid seperti ditunjukkan pada gambar 3. Beban yang dikenakan juga jauh lebih kecil dibanding dengan pengujian rockwell dan brinel yaitu antara 1 sampai 1000 gram. Angka kekerasan Vickers (HV) didefinisikan sebagai hasil bagi (koefisien) dari beban uji (F) dengan luas permukaan bekas luka tekan (injakan) dari indentor(diagonalnya) (A) yang dikalikan dengan sin (136°/2). Rumus untuk menentukan besarnya nilai kekerasan dengan metode vikers yaitu :

Gambar 3 Pengujian Vikers

Gambar 4 Bentuk indentor Vickers (Callister,

2001)

…………………………………………………………(1)

………………….………………………………………(2)

…………………………………………………………(3)

Dimana, HV = Angka kekerasan Vickers

F = Beban (kgf)

d = diagonal (mm)

11

4. Micro Hardness (knoop hardness)

Mikrohardness test tahu sering disebut dengan knoop hardness testing merupakan pengujian yang cocok untuk pengujian material yang nilai kekerasannya rendah. Knoop biasanya digunakan untuk mengukur material yang getas seperti keramik.

Gambar 5 Bentuk indentor Knoop ( Callister, 2001)

Dimana, HK = Angka kekerasan Knoop F = Beban (kgf) l = Panjang dari indentor (mm)

Nah, setelah kita mengetahui macam-macam pengujian untuk uji kekerasan maka kita harus memikirkan apa yang harus kita ketahui untuk menentukan metode uji kekerasan yang digunakan, untuk itu kita harus memperhatikan hal-hal dibawah ini : a. Permukaan material b. Jenis dan dimensi material c. Jenis data yang diinginkan

d. Ketersedian alat uji

Dynamic properties

Dynamic loading

Contoh Macam2nya

1. Impak

2. Pembebanan (loading) dan pelepasan beban (unloading) yang berulang

3. Mode pembebanan yang berubah secara teratur dari tension ke compression atau

kebalikannya

Impact Test

Contoh : Metal Charpy Impact Testing Machine

12

Impact Testing Machine mainly used to determine the anti-impact capability of ferrous metal materials

with high toughness, especially for steel and iron material and their alloy, under dynamic load

impacting.

This machine can be operated semi-automatically. The pendulum of the machine can be raised or

released automatically by button pressed. They are essential testing instruments for quality testing

section, university and college, research institution and industrial and mining enterprise. The machine

can do the test according to ASTM E23 and ISO 148 or other equal standards.

The below picture is as principle of Metal Charpy Impact Testing Machine:

Testing Specimen Material:

Cupper, Iron, Steel, Aluminum, Alloy and other metals

13

– Fatigue and Endurance Limit

– Temperature effect

– The test data used in design and engieering decision, that simulate these of actual

services.

– Contohnya pada konstruksi pesawat, space vehicles, gas turbin, and nuklear power

plant, are required operated under temp. as low as -130 C or as high as 1250 C

– Elevated Temp. usefull in modify the strength and ductility of materials. Fig. 2-29

– Machineability, Formability,and weldability

– Fracture toughness and Fracture mechanics approach

Tugas: (usahakan tiap mahasiswa punya topic yang berbeda)

1. Cari satu type pengujian yang saudara ketahui? Jelaskan tentang apa material yang di uji,

bagaimana prosedurnya, apa standart pengujiannya, jelaskan dan analisis hasil pengujian

tersebut, serta apa kesimpulan yang saudara dapatkan dari hasil pengujian tersebut.

Refference

Degarmo Paul E. dkk, Materials and Processes in Manufacturing

http://en.wikipedia.org/wiki/Strength_of_materials

http://okasatria.blogspot.com/2007/11/pengujian-kekerasan-oleh-okasatria.html http://www.gordonengland.co.uk/hardness/brinell.htm http://blog.unsri.ac.id/amir/32 http://fariedkurosaki.blogspot.com/2010/01/pengujian-kekerasan.html