sifat-sifat bahan teknik print

PENGETAHUAN BAHAN TEKNIK

IWAN SUSANTO, M.T.

Sifat-Sifat Bahan Teknik

1. Sifat-sifat Mekanik

2. Sifat Thermal

3. Sifat kelistrikan

1.1 Sifat-sifat Mekanik Kekuatan (strength) Elastisitas (elasticity) Kekakuan (stiffness) Keuletan (ductility) Kerapuhan (Brittleness) Kemamputempaan (malleability) Kekerasan (Hardness) Daya lenting (resilience) Keuletan (taughness) Kemuluran (creep) Mampu mesin (machinability)

Kekuatan (strength)

Kemampaun bahan untuk menahan tegangan tanpa kerusakan

Beberapa bahan seperti baja struktur, besi tempa, alumunium dan tembaga, mempunyai kekuatan tarik dan tekan yang hampir sama

Sementara kekuatan gesernya adalah kira-kira dua-pertiga kekuatan tariknya

Ukuran dari kekuatan bahan adalah tegangan maksimumnya atau gaya terbesar persatuan luas yang dapat ditahan bahan tanpa patah.

Elastisitas (elasticity)

Sifat kemampuan bahan untuk kembali ke ukuran dan bentuk asalnya, setelah gaya luar dilepas

Sifat ini penting pada semua struktur yang mengalami beban yang berubah-ubah, terlebih-lebih pada alat-alat dan mesin-mesin presisi.

Kekakuan (stiffness)

Sifat yang didasarkan pada sejauh mana bahan mampu menahan perubahan bentuk

Sifat ini sangat penting pada bahan yang digunakan sebagai balok, kolom, mesin dan alat-alat mesin

Ukuran kekakuan suatu bahan adalah modulus elastisitasnya, yang diperoleh dengan membagi tegangan satuan dengan perubahan bentuk satuan-satuan yang disebabkan oleh tegangan tesebut.

Keuletan (ductility)

Sifat dari suatu bahan yang memungkinkannya bisa dibentuk secara permanen melalui perubahan bentuk yang besar tanpa kerusakan, misalnya tembaga yang dibentuk menjadi kawat

Keuletan diperlukan pada batang atau bagian yang mungkin mengalami beban yang besar secara tiba-tiba, karena perubahan bentuk yang berlebihan akan memberikan tanda-tanda ancaman kerusakan.

Kerapuhan (Brittleness)

Lawan dari keuletan Bahan-bahan yang rapuh dapat rapuh

secara tiba-tiba, tanpa tanda-tanda, bila tegangan melampaui kekuatannya.

Kemamputempaan (malleability)

Sifat suatu bahan yang bentuknya bisa diubah dengan memberikan tegangan-tegangan tekan tanpa kerusakan

Seperti tembaga, alumunium, atau besi tempa yang dipukul menjadi berbagai bentuk atau baja yang dirol menjadi bentuk struktur atau lembaran.

Kekerasan (Hardness)

Kemampaun suatu bahan untuk menahan takik dan kikisan

Kekerasan umumnya diukur dengan uji brinell di mana suatu bola baja yang dikerasakan dengan diameter 10 mm di tekan pada permukaan datar suatu spesimen uji dengan gaya 29,420 N.

Daya lenting (resilience)

Sifat bahan yang mampu meyerap energi yang terjadi akibat beban benturan atau pukulan secara tiba-tiba tanpa menyebabkan perubahan bentuk yang permanen

Sifat ini pada paja digunakan pada pegas, pegas mobil, kreta api, jam dan sebagainya dimana energi harus cepat diserap tanpa terjadi perubahan bentuk permanen.

Keuletan (taughness)

Sifat suatu abahan yang memungkinkan meyerap energi pada tegangan yang tinggi tanpa patah, yang biasanya diatas batas elastis

Besi tempa misalnya adalah ulet, oleh karena itu dapat dibengkokan tanpa mengalami kerusakan.

Kemuluran (creep)

Sifat yang menyebabkan beberapa bahan pada tegangan konstan mengalami perubahan bentuk dengan perlahan, tetapi makin lama makin bertambah dalam suatu selang waktu

Pada perancangan ketel, turbin dan motor bakar serta mesin-mesin yang bekerja diatas 600 oF, sifat kemuluran ini adalah sangat penting.

Mampu mesin (machinability)

Kesiapan suatu bahan dibentuk menjadi bentuk tertentu dengan alat-alat pemotong.

Pengujian bahan untuk mengetahui sifat mekniknya Pengujian Tarik Pengujian Tekan Pengujian Puntir Pengujian Kekerasan Pengujian Impac Pengujian Kelelahan(fatique) Pengujian Perambatan(Creep)

Pengujian Tarik

Pada uji tarik benda uji diberi beban gaya tarik sesumbu yang bertambah besar secara kontinu, bersamaan itu dilakukan pengamatan mengenai perpajangan yang dialami benda uji.

S=F/A= E x e

Pengujian Tekan

Uji tekan mirip dengan uji tarik, perbedaannya adalah arah gaya/beban yang diberikan berlawanan dengan arah beban pada uji tarik

Tegangan dan regangan yang terjadi bertanda negatif.

Pengujian Puntir

Puntiran adalah suatu pembebanan yang penting

Sebagai contoh, kekuatan puntir menjadi permasalahan pada poros-poros

Pengujian ini digunakan untuk menetukan keliatan dan kegetasan suatu bahan.

Pengujian Kekerasan

Uji Kekerasan Brinell Uji Kekerasan Vickers

Uji Kekerasan Brinell

Uji kekerasan Brinell berupa pembentukan lekukan pada permukaan logam dengan menggunakan bola baja

Untuk menghindarkan jejak yang dalam dan untuk bahan yang sangat keras digunakan paduan karbida tungsten, untuk memperkecil terjadinya distorsi indentor

Beban diterapkan selama waktu tertentu, biasanya 30 detik dan diameter lekukan diukur dengan mikroskop daya rendah, setelah beban tersebut dihilangkan

Kemudian dicari harga rata-rata dari 2 buah pengukuran diameter pada jejak yang berarah tegak lurus

Besarnya angka kekerasan Brinell adalah:BHN = P/(π D) ( D – ( D² – d² )½)

= P/(π D t) ( kg/mm²)Dimana :

P = beban yang diterapkan, kgD = diameter bola, mmd = diameter lekukan, mmt = kedalaman jejak, mm

Uji Kekerasan Vickers

Uji kekerasan Vickers menggunakan penumbuk piramida intan yang dasarnya berbentuk bujur sangkar

Besarnya sudut antara permukaan-permukaan yang saling berhadapan adalah 136º

Angka kekerasan Vickers adalah :VHN= 1,854 P / L²

Dimana :P = beban yang diterapkan, kgL = panjang diagonal rata-rata, mm

Pengujian Impac

Uji impac dilakukan karena kemungkinan besar bahan akan rusak karena:

1. Deformasi pada termperatur rendah

2. Laju regangan yang tinggi

3. Keadaan tegangan tiga sumbu

4. Untuk melihat kerapuhan dan kelihatan bahan

Pengujian Kelelahan(fatique)

Pengujian ini digunakan untuk mengetahui sifat lelah bahan(batas kelelahan bahan/endurance limit) di lakukan pengujian dengan cara, benda uji dijepit pada kedua ujungnya, kemudian dikenakan ”STRESS” dan diputar sampai putaran tertentu dan dilihat hasilnya

Apakah terjadi retak atau tidak. Putaran akan terus dilanjutkan hingga bahan putus.

Pengujian Perambatan(Creep)

Pengujian ini dimaksudkan untuk mengetahui kekuatan bahan yang bekerja pada temperatur tinggi dengan beban statis

Creep terjadi pada logam jika kenaikan suhu lebih besar dari 0,4 suhu cairnya

Bahan-bahan amorphous seperti polimer, plastik dan karet juga peka terhadap terjadinya creep.

Deformasi terjadi bila bahan mengalami gaya

Sedangkan regangan (strain), e adalah besar deformasi persatuan panjang (ΔL/L)

Tegangan (stress), s, adalah gaya persatuan luas ( N/m²)

Selama deformasi, bahan menyerap energi sebagai akibat adanya gaya yang bekerja sepanjang jarak deformasi.

Modulus Elastisitas ( Modulus Young), E, adalah perbandingan antara tegangan S dan regangan elastis, e, (MPa).

1 pascal (Pa) = 1 newton / m² = 0,145 x 10-3 psi

1000 psi = 6,894 MPa 1 kg = 9,8 newton

Contoh soal:1.Batang alumunium berukuran 24,6 mm x 30,7

mm. Beban yang diberikan 7640 kg. Berapakah tegangan yang dialami bahan batang tersebut.Jawab:S=F/A = (7640 kg) (9,8 m/det²)/(0,0246 m) (0,0307 m)

= 100 MPa

2. Batang baja berdiameter 12,8 mm dengan beban 5000 kg. Berapakah tegangan yang yang dialami bahan tersebut.

Jawab:

S=F/A

= (5000 kg) (9,8 m/det²)/(π/4) (0,0128 m)²

= 380 MPa

3. Batang tembaga dengan panjang 50 mm. Batang tersebut ditarik hingga mempunyai panjang 59 mm. Hitunglah regangannya.

Jawab :

e =(ΔL/L)=(59 m – 50 m)/50 m

= 0,18 mm/mm (atau 18 %)

4. Modulus Elastisitas baja 205.000 MPa. Berapakah regangan dan perpanjangan kawat berdiameter 2,5 mm dengan panjang mula-mula 3 meter bila dibebani 500 kg (=4900 N)Jawab :e=(ΔL/L) = S/E

S= 4900 N/(π/4) (0,0025 m)² Pae= 0,005 m/mE= 205.000 x 1000000 Pa

Perpanjangan = (0,005 m/m) ( 3 m )= 15 mm

1.2 Sifat Thermal

Suhu atau Temperatur adalah level aktivitas termal sedangkan kandungan kalor adalah energi termal

Keduanya berkaitan dengan kapasitas kalor Bila tidak ada perubahan isi maka kapasitas kalor

sama dengan perubahan kandungan kalor per ºC atau (kal/g.ºC)

Dalam tabel teknik sering kali tercatat panas jenis sebagai pengganti kapasitas kalor.

Panas jenis suatu bahan adalah panas yang diperlukan untuk pergerakan termal dari moleku-molekul dalam strukturnya

atau perbandingan antara kapasitas kalor dari bahan tersebut dengan kapasitas kalor air

Kapasitas panas air adalah 1 kal/g.ºC (= 4,184 joule/g. ºC = 1 Btu/lb ºF)

Panas peleburan dan panas penguapan adalah kalor yang diperlukan untuk mencairkan atau menguapakan suatu bahan. Keduanya melibatkan struktur atom atau molekul.

Muai panas (thermal expansion)

Pemuaian yang lazim dialami oleh bahan yang dipanaskan ditimbulkan oleh peningatan getaran termal atom-atom

Pendekatan pertama menghasilkan hubungan pertambahan panjang:

ΔL/L=αL ΔT

Koefisien muai volume αV

Mempunyai hubungan yang serupa dengan pertambahan panjang

Dengan perubahan volume ΔV/V dan kenaikan suhu ΔT

Nilai αV adalah tiga kali nilai αL

Daya hantar panas (Thermal conductivity) Aliran panas pada benda padat biasanya terjadi

oleh konduksi Koefisien daya hantar panas k adalah konstanta

yang menghubungkan aliran panas Q dengan gradien suhu, ΔT /Δxi

Q=k ( T1-T2)/(x1-x2) Koefisien daya hantar panas juga tergantung

pada suhu. Koefisien ini akan berkurang nilainya dengan naiknya suhu. Jadi satuan daya hantar panas adalah (J/(mm².s)/(ºC/mm) atau (W/mm²)/(ºC/mm)

Contoh :Suatu plat baja tahan karat setebal 0,4 cm, dialiri air panas pada satu sisinya dan aliran udara cepat pada sisi satunya sehingga suhu kedua permukaan plat itu masing-masing 90ºC dan 20ºC. Berapa joule dialihkan melalui pelat tersebut setiap menitnya?Jawab :

Q = [ 0,015 (J/(mm².s)/(ºC/mm)]/(70 ºC / 4 mm) (60 s/min)= 15,75 J/mm².min

1.3 Sifat kelistrikan

Tahanan jenis ρ adalah sifat bahan, oleh karena itu tidak tergantung pada bentuk. Untuk bentuk yang uniform, tahanan bahan dapat di hitung dengan persamaan:

R=ρL/ADimana:

L = Panjang bahan (m)A = Luas penampang (m²)ρ = Tahanan jenis (ohm . m)

Dengan mengetahui R, ahli teknik dapat menggunakan persamaan dasar fisika untuk menghitung arus (I) dalam amper dan daya (P) dalam watt, yaitu I=E/R dan P=E I = I² R = E² /R = J/s

Contoh :Kawat tembaga berdiameter 0,9 mm

(a) Berapakah tahanan permeternya? (b) Berapa watt akan dihasilkan sekiranya terdapat tegangan

sebesar 1,5 Volt pada jarak 30 meter.Jawab :

ρ = 17 ohm, nm(a) R = (17 x 10-9 ohm. m) (0,305 m)/ (π/4) (9x10-4 m)²

= 0,008 ohm(b) P = E²/R = E² A / ρ L

= (1,5 V)² (π/4) (9x10-4 m)² /(17x10-9ohm.m)(30m)

= 2,8 watt

Selesai