Pengujian Kekuatan Material: Panduan Sifat Mekanis

I. Sifat Mekanis Bahan

Sifat mekanis bahan mengacu pada serangkaian karakteristik mekanis yang ditunjukkan oleh bahan di bawah aksi gaya, yang mencerminkan kemampuannya untuk menahan deformasi atau kerusakan di bawah berbagai bentuk gaya eksternal.

1. Kekuatan

Kekuatan adalah kemampuan material untuk menahan deformasi plastis dan fraktur di bawah beban eksternal. Dalam bidang teknik, kekuatan luluh dan kekuatan tarik biasanya digunakan, yang dapat diukur melalui uji tarik.

• Kekuatan luluh: Batas luluh ketika bahan logam mengalami luluh, diukur dalam MPa;
• Kekuatan tarik: Kemampuan suatu bahan untuk menahan gaya tarik, diukur dalam MPa;
• Kekuatan tekan: Kemampuan suatu bahan untuk menahan gaya tekan, diukur dalam MPa;
• Kekuatan lentur: Kemampuan suatu bahan untuk menahan gaya lentur, diukur dalam MPa;
• Kekuatan geser: Kemampuan suatu bahan untuk menahan gaya geser, diukur dalam MPa.

2. Kekerasan

Kekerasan adalah ketahanan suatu bahan terhadap deformasi plastis, goresan, keausan, atau pemotongan, dan merupakan kemampuan bahan untuk menahan lekukan benda yang tidak menyebabkan deformasi permanen dalam kondisi tertentu.

Berbagai proses pemesinan dalam mekanika dilakukan dengan memilih alat dengan kekerasan yang berbeda sesuai dengan sifat material yang berbeda.

Kekerasan meliputi kekerasan Rockwell (HR), kekerasan Shore (HS), kekerasan Vickers (HV), dan kekerasan Brinell (HBW), antara lain.

3. Plastisitas

Plastisitas adalah kemampuan material untuk mengalami deformasi plastis tanpa mengalami keretakan akibat gaya eksternal.

Indikator plastisitas yang umum digunakan dalam bidang teknik adalah pemanjangan dan pengurangan area. Pemanjangan adalah persentase rasio pemanjangan sampel setelah patah terhadap panjang aslinya, yang dilambangkan dengan simbol A.

Pengurangan luas area adalah rasio luas penampang yang berkurang setelah fraktur terhadap luas penampang asli, dilambangkan dengan Z. Semakin besar perpanjangan dan pengurangan luas area, semakin baik plastisitasnya; sebaliknya, semakin buruk plastisitasnya.

4. Ketangguhan Dampak

Kemampuan material untuk menahan beban benturan disebut ketangguhan benturan, dinyatakan sebagai ketangguhan benturan a_k (unit: J/cm² ) atau energi serap tumbukan A_k (satuan: J).

5. Kekuatan Kelelahan

Kekuatan fatik atau batas fatik adalah tegangan maksimum di mana material logam tidak mengalami kegagalan pada siklus beban bolak-balik yang tak terbatas. Dalam praktiknya, tidak mungkin melakukan uji siklus beban bolak-balik yang tak terbatas pada bahan logam.

Umumnya, dalam pengujian, ditentukan bahwa: tegangan maksimum di mana baja tidak akan patah setelah 10⁷ siklus dan non-ferrous logam setelah 10⁸ siklus beban bolak-balik disebut kekuatan fatik. Ketika tegangan bolak-balik yang diterapkan adalah tegangan siklik simetris, kekuatan fatik yang dihasilkan dilambangkan dengan S.

II. Uji Properti Mekanis dan Teknologi

Uji material memberikan informasi tentang perubahan sifat material teknik di bawah kekuatan eksternal (seperti tegangan, kompresi, tekukan, puntiran, geseran, kelenturan). Sifat kekuatan material bervariasi tergantung pada apakah beban yang diterapkan statis (tingkat deformasi material rendah) atau dinamis (tingkat deformasi material tinggi).

1. Tes

Spesimen plastik mengalami tekanan di bawah gaya tarik yang meningkat. Spesimen memanjang, dan apabila gaya tarik meningkat ke nilai tertentu, material akan patah (beban statis).

Jika material mengalami gaya tumbukan tiba-tiba yang menghasilkan tegangan, material akan patah seolah-olah terpotong oleh pisau (beban dinamis). Tujuan pengujian ini adalah untuk menentukan kekuatan, kekerasan, kemampuan mesin, sifat penarikan dalam, serta sifat pembengkokan, penempaan, dan pengelasan.

2. Uji Materi Lokakarya

Tujuannya bukan untuk mendapatkan data pengujian, tetapi hanya untuk menyediakan data untuk memahami sifat pemrosesan material.

3. Kemampuan bentuk

Panaskan dan tempa batang baja pipih hingga muncul retakan di tepinya. Setelah ditempa, lebar baja pipih akan bertambah 1 hingga 1,5 kali lipat dari lebar aslinya tanpa ada retakan.

4. Pembentukan Dingin

Pembentukan dingin mengacu pada metode pemrosesan seperti geserpembengkokan, dan peregangan bahan tanpa pemanasan. Proses pembentukan dingin meliputi cold heading, cold rolling, dan die forging.

5. Uji Berkas

Uji kikir menunjukkan bahwa baja dengan kekerasan tinggi sulit untuk dikikir.

6. Tes Menggambar Dalam

Pelat baja yang dijepit secara bertahap tertekan di bawah aksi pukulan melingkar, dengan tekanan yang meningkat sampai muncul retakan pada pelat baja.

7. Uji Percikan

Dengan mengamati fenomena percikan api yang dihasilkan ketika menggiling baja, kita dapat menentukan jenis baja tersebut.

8. Uji Ketuk

Gantungkan bagian baja (terutama besi tuang) secara bebas, lalu ketuk perlahan untuk membedakan antara baja tuang (suara jernih), besi tuang kelabu (suara tumpul), dan coran dengan retakan dan rongga penyusutan.

9. Inspeksi Visual

Periksa kualitas permukaan untuk mengidentifikasi cacat eksternal (rongga penyusutan, retakan, dan lekukan).

Metode Pengujian Bahan

10. Uji Pemuaian dan Pembakaran Tabung

Tentukan apakah terjadi sobekan pada kedua ujungnya saat mengembang tabung. Untuk uji pembakaran, ujung tabung diputar ke arah luar sampai muncul retakan.

11. Menentukan Kekerasan Material dengan Membandingkan Lekukan

Tempatkan bola baja di antara dua pelat logam dengan kekerasan yang berbeda (misalnya, baja dan aluminium), lalu jepit keduanya dengan ragum. Diameter lekukan permukaan akan berbeda, sehingga memungkinkan untuk membandingkan kekerasan kedua pelat logam.

12. Menentukan Kekerasan dengan Metode Rebound

Memanfaatkan deformasi elastis. Sebuah bola baja dijatuhkan dari ketinggian tertentu; bahan dengan kekerasan yang lebih tinggi akan memiliki tinggi pantulan yang lebih besar, sedangkan bahan yang lebih lunak akan memiliki tinggi pantulan yang lebih kecil.

III. Uji Tarik

Batang uji standar digunakan untuk pengujian tarik. Beban ditingkatkan secara bertahap. Di bawah aksi gaya eksternal F, penampang batang uji mengalami tegangan tarik, spesimen memanjang, dan akhirnya patah di tengah. Gaya tarik eksternal F (N), perpanjangan Δl (mm).

Perpanjangan Δl = l - l₀

• l - panjang setelah peregangan (mm);
• l₀ - panjang asli (mm).

1) Jika gaya tarik F berlipat ganda, perpanjangan Δl juga berlipat ganda, dan perpanjangan sebanding dengan beban. Jika beban dihilangkan, batang uji kembali ke panjang aslinya l₀ . Kisi atom tetap tidak berubah di bawah tekanan (batas proporsional P).

2) Jika gaya tarik ditingkatkan, bahan awalnya tetap elastis, dan ketika gaya eksternal dihilangkan, bahan akan kembali ke panjang aslinya. Proses ini terus berlanjut hingga batas elastisitas E.

Rasio pemanjangan terhadap panjang aslinya disebut laju pemanjangan: A = (l - l₀ ) : l₀ atau A = Δl : l₀ .

Karena aksi tegangan tarik, tegangan internal dihasilkan dalam material, dan gaya yang bekerja pada satu unit area disebut tegangan.

σ = F / A₀

Di mana

• F - gaya yang diberikan (N);
• A₀ - luas penampang asli (mm)² );
• σ - tegangan (MPa).

3) Jika tegangan meningkat, laju pemanjangan meningkat secara signifikan hingga beban tidak lagi meningkat tetapi material terus memanjang. Kisi atom mulai bergerak, mencapai batas luluh. Dengan pembebanan lebih lanjut, terjadi necking pada batang uji.

Pemanjangan material meningkat pesat. Ini adalah batas tertinggi dari beban, yang disebut batas tarik, yang dinyatakan sebagai kekuatan tarik R_m yang merupakan beban maksimum yang bekerja pada 1mm² penampang melintang, seperti R_m = 800MPa.

4) Dengan pembebanan yang terus menerus, material "mengalir" hingga patah di titik Z.

5) Dalam praktik perekayasaan, deformasi permanen pada benda kerja atau komponen mesin tidak diperbolehkan, dan beban dalam rentang deformasi elastis diperbolehkan.

IV. Uji Kekerasan

1. Uji Kekerasan Brinell

Gaya eksternal F diterapkan untuk menekan bola baja dengan diameter D ke dalam bahan uji. Setelah melepaskan beban eksternal, diameter d lekukan diukur. Kekerasan Brinell adalah

HB = Gaya eksternal F (N) yang diterapkan pada spesimen / Luas permukaan A ₀ dari lekukan (mm) ² )

Dalam pengujian aktual, nilai kekerasan Brinell dapat langsung dibaca dari diameter lekukan yang diukur d.

2. Uji Kekerasan Vickers

Cocok untuk spesimen yang sangat tipis atau kecil. Mengukur panjang diagonal lekukan yang dihasilkan oleh piramida berlian pada spesimen. Dilambangkan sebagai HV, misalnya, 30HV menunjukkan kekerasan Vickers pada beban uji 300N.

3. Uji Kekerasan Rockwell

Menggunakan bola baja atau kerucut intan sebagai indentor, dengan pengukuran utama adalah kedalaman penetrasi. Untuk mengimbangi kesalahan pengukuran akibat permukaan yang tidak bersih, beban awal sebesar 100N pertama-tama diterapkan ke indentor, kemudian penunjuk pengukur kekerasan ditetapkan ke nol, diikuti dengan gaya tambahan sebesar 1400N.

Mengambil metode uji kekerasan Rockwell C dengan menggunakan kerucut intan sebagai contoh, jika kedalaman penetrasi e = 0,2 mm, maka satuan kekerasan Rockwell HRC = 0, dan untuk setiap perbedaan 0,002 mm dari kedalaman penetrasi ini, mewakili satu derajat kekerasan Rockwell.

Sebagai contoh: Jika kerucut menembus 0,14 mm ke dalam spesimen, perbedaan dari 0,2 mm adalah 0,06 mm, sehingga kekerasan Rockwell adalah 0,06 mm / 0,002 mm = 30 HRC.

V. Uji Dampak Berlekuk

Gunakan spesimen takik benturan beban dinamis. Berbeda dengan uji tarik beban dinamis, metode ini dapat mengukur ketangguhan benturan takik.

Uji benturan takik dilakukan pada mesin uji benturan pendulum. Palu pendulum menghantam bagian tengah takik spesimen yang ditempatkan pada penyangga di kedua ujungnya. Setelah takik patah, penunjuk dial menunjukkan ketinggian pendulum.

Ketangguhan benturan takik adalah

a_k=A_k/S₀

Dalam rumus

• S ₀ - Luas penampang fraktur (cm)² );
• A _k - Energi penyerapan benturan (J).