Translate Bab 8 mechanics metallurgy Dieter (8.1-8.5)

1. 8.1. Kurva Regangan-Tegangan Teknik
Tension test ( uji tarik ) banyak digunakan untuk mencari informasi kekuatan material
dan sebagai uji kelayakan dari suatu spesifikasi material. Pada uji tarik, spesimen yang terus
menerus diberikan gaya tarik secara vertikal diobservasi pertambahan panjangnya. Kurva
tegangan-regangan dibentuk dengan hasil pengukuran beban-pertambahan panjang dari
spesimen.
(a) (b) (b)
Gambar 8.1. Persamaan untuk membentuk kurva regangan dari hasil observasi beban-
elongasi (a); dan kurva rengangan-tegangan yang dihasilkan (b).
Bentuk dari kurava regangan-tegangan dari metal bergantung kepada komposisinya,
perlakuan panas, pernah tidaknya mengalami deformasi plastis dan seberapa besar
regangannya, suhu, serta bentuk tegangan yang diberikan saat tes berlangsung. Parameter yang
digunakan untuk mendeskripsikan kurva rengangan-tegangan dari metal adalah tesile strength,
yield strength atau yield point, persentase elongasi, dan reduksi luas permukaan. Kedua
parameter pertama adalah parameter kekuatan, sedangkan sisanya adalah perameter keuletan
material. Berikut ini penjelasan lebih jelas mengenai parameter – parameter tersebut :
8.1.1. Tensile Strength
Tensile strength atau ultimate tensile strength (UTS) dalah beban maksimal yang
dibagi luas cross-sectional spesimen. Untuk material ulet, tensile strength dijadikan sebagi
alat ukur untuk mengukur beban maksimum yang bisa ditahan material dalam kondisi
pembebanan terbatas uniaxial. Untuk material getas, tensile strength merupakan salah satu
kriteria utama dalam desain. Tensile strength dapat dihitungan dengan rumus berikut :
(8-1)
8.1.2. Pengukuran Yielding ( Deformasi Plastis )
Pada kebanyakan material terdapat transisi bertahap dari perubahan perilaku elastis ke
plastis, dan titik dimana deformasi plastis mulai terjadi sulit didefinisikan secara presisi.

2. Berbagai kriteria untuk deformasi plastis mulai terjadi bergantung kepada sensitivitas
pengukuran regangan. Beberapa kriteria tersebut diantaranya :
a. Batas elastis asli (true elastic limit) berdasarkan pengukuran mikro regangan dengan
ketelitian 2 x 10-6. Batas elastis ini nilainya sangat kecil dan berhubungan dengan
pergerakan dari ratusan dislokasi.
b. Batas proporsional (proportional limit) adalah nilai tegangan maksimal dimana
tegangan nilainya proporsional dengan regangan dilihat pada kurva regangan-tegangan.
c. Batas elastis (elastic limit) adalah tegangan maksimal yang bisa material tahan tanpa
regangan permanen tersisa saat beban dilepas. Batas elastis memerlukan proses
pembebanan dan pelepasan beban berulang dan terus menerus hingga didapatkan nilai
yang dibutuhkan.
d. Kekuatan luluh (yield strength) adalah tegangan yang diperlukan untuk membentuk
suatu jumlah kecil deformasi plastis. Sifat ini disebut offset yield strength dan
ditentukan oleh tegangan terhadap silangan pada kurva regangan-tegangan dan garis
paralel terhadap bagian elastis cari kurva offset dengan regangan spesifik. ( terdapat
pada gambar 8.1). Kekuatan luluh dapat dihitung dengan :
(8-2)
8.1.3. Pengukuran Keuletan (Ductility)
Pengukuran keuletan adalah pengukuran kepada suatu material untuk mendapatkan:
a. Seberapa kemampuan material untuk dideformasi tanpa fraktur pada operasi
metalworking seperti rolling dan ekstrusi.
b. Kemampuan material untuk mengalir secara plastis sebelum fraktur terjadi dan
kemapuan untuk dideformasi secara lokal tanpa fraktur uyntuk mempermudah
pengukuran tegangan atau prediksi pembebanan.
c. Indikator perubahan impuritas atau pengkondisian pemrosesan material.
Nilai keuletan didapat dengan mencari ef (elongasi) dan q (pengecilan luasan pada
fraktur). Kemudian dilanjutkan dengan pengukuran Lf dan Af seperti berikut ini :
(8-3)
(8-4)
Penurunan luasan fraktur dapat dikonversi ke zero-gage-length elongation e0. Dari
hubungan volume yang konstan untuk deformasi plastis AL = A0L0 , kita mendapatkan :
(8-5)
Yang menunjukkan elongasi berdasarkan pengukuran panjang yang sangat pendek
didekat fraktur.

3. 8.1.4. Modulus Elastisitas (Modulus Young)
Lereng pada bagian awal linear di kurva tegangan-regangan adalah modulus
elastisitas. Modulus elastisitas diukur dari kekakuan material. Semakin besar modulusnya,
semakil kecil regangan elastis terjadi pada saat material diberikan tegangan. Modulus
elastisitas biasa digunakan untuk mengukur defleksi suatu batang atau bagian lain.
Modulus elastisitas ditentukan dari gaya ikat anatara atom. Karena gaya ini tidak bisa
diubah tanpa mengubah sifat alamai material, modulus elastisitas adalah salah satu sifat
mekanis paling tidak terpengaruhi struktur. Ia hanya bisa terpengaruhi oleh alloying,
perlakuan panas, atau cold work. Namun, kenikan suhu menurunkan nilai modulus elastisitas,
maka pengukuran biasanya dilakukan pada suhu stabil.
Tabel 8.1. Nilai modulus elastisitas pada berbagai temperatur
8.1.5. Resilience
Kemampuan material untuk menyerap energi saat dideformasi elastis dan
mengembalikannya saat beban dilepas adalah resilience. Resilience dihitung dengan modulus
resilience, yaitu energi regangan per unit volume yang digunakan untuk menegangkan
material dari tegangan nol ke yield stress σ0. Nilai energi regangan per unit volume dapat
dicari dengan :
Kemudian, modulus resilience dapat dicari dengan :
(8-6)
Tabel 8.2. Modulus resilience untuk berbagai material

4. 8.1.5. Toughness
Toughness adalah kemampuan material untuk menyerap energi plastis. Kemampuan
untuk menahan tegangan yang terkadang diatas tegangan luluh tanpa mengalami fraktur
dibutuhkan pada beberapa part seperti kopling kendaraan pengankut, gir, rantai, dan pengait
crane.
Gambar 8.2. Perbandingan kurva tegangan-regangan unutk material dengan toughness tinngi
dan rendah.
Toughness dihitung dari total luas dibawah kurva tegangan-regangan seperti yang
digambarkan pada gambar diatas. Beberapa persamaan matematis digunakan untuk
menghitung luasan dibawah kurva tegangan-regangan tersebut. Untuk logam ulet seperti baja,
luasannya dapat dihitung dengan salah satu dari dua persamaan berikut :
(8.7)
(8.8)
Untuk material getas yang kurva tegangan-regangannya parabola, luasannya dapat
dihitung dengan :
(8.9)
8.2. Kurva tegangan asli-regangan asli (true-stress-true-strain curve)
Kurva tegangan asli-regangan asli tidak memberikan indkasi yang sebenarnya dari
karkteristik deformasi dari suatu logam karena kurva tersebut seluruhnya dibuat berdasarkan
dimensi asli spesimen. Selain itu, logam ulet yang diuji akan menjadi tidak stabil dan
mengalami necking. Karena area cross-sectional dari spesimen turun drastis pada fase necking,
maka beban yang diperlukan untuk melanjutkan deformasi juga menurun drastis.
Jika true stress berdasarkan luas cross-sectional aktual dari spesimen digunakan,
diketahui bahwa kurva tegangan-regangan meningkat terus – menerus hingga fraktur terjadi.
Jika pengukuran regangan juga berdasarkan pengukuran langsung, maka kurva yang didapat
adalah Kurva tegangan asli-regangan asli.
Tegangan asli σ diekspresikan oleh lambang s dengan :
(8-10)

5. Persamaan 8-10 mengasumsikan konstannya volume don distribusi homogen regangan
sepanjang panjang yang diukur dari spesimen tension dan hanya valid digunakan untuk
pengukuran hingga tepat saat necking mulai terjadi. Setelah itu, tegangan asli ditentukan dari
pengukuran aktual dari beban dengan luas cross-sectional, yaitu :
(8-11)
Nilai regangan asli dapat dicari dengan :
(8-12)
Namun setelah necking mulai terjadi, persamaan yang berlaku adalah :
(8-13)
Beriku ini adalah perbandingan kurva regangan-tegangan asli, asli, dan asli yang
dikoreksi dengan persamaan – persamaan diatas:
Gambar 8.3. Perbandingan kurva regangan-tegangan asli, asli, dan asli yang dikoreksi
8.2.1. Tegangan asli pada beban maksimum
Tegangan asli pada beban maksimun berhubungan terhadap tensile strength asli. Untuk
kebanyakan material, necking mulai tejadi pada beban maksimum dengan nilai regangan tepat
saat tegangan asli sebanding dengan lereng dari kurva flow (regangan-tegangan-asli). Jika σu
dan εu menujukkan tegangan asli dan regangan asli pada beban maksimum dengan luas cross-
sectional Au. Ultimate tensile strength dapat dicari dengan.
(8-14)

6. 8.2.2. Tegangan fraktur asli
Tegangan fraktur asli adalah beban saat fraktur dibagi oleh luas cross-sectional saat
fraktur. Tegangan harus dikoreksi untuk kondisi triaxial dari tegangan yang muncul pada
spesimen saat fraktur. Karena data sering tidak lengkap, nilai tegangan fraktur asli sering kali
eror.
8.2.3. Regangan fraktur asli.
Regangan fraktur asli εf adalah regangan asli berdasarkan luas asli A0 dan area setelah
fraktur Af.
(8-15)
Untuk spesimen tarik silinder, pengurangan area q berhubungan dengan regangan
fraktur sesuai persamaan.
(8-16)
8.2.4. Regangan asli seragam
Regangan asli seragam εu adalah regangan asli berdasarkan regangan hanya samapi
beban maksimum dan dapat dihiutng dengan persamaan :
(8-17)
8.2.5. Regangan necking lokal asli
Regangan necking lokal asli εn aalah regangan yang diperlukan untuk mendeformasi
spesimen dari bebam maksimum hingga mengalami fraktur.
(8-18)
(a) (b)
Gambar 8.4. plot log-log kurva tegangan-regangan asli (a); dan berbagai bentuk kurva power
σ = Kεn (b)

7. Tabel 8.3. Nilai untuk n dan K untuk logam pada suhu ruangan
8.3. Ketidakstabilan dalam penarikan
Necking biasanya dimulai saat beban maksimum pada deformasi tarik pada logam ulet.
Material plastis ideal yang diasumsikan tanpa mengalami pengerasan akibat regangan (strain
hardening) akan menjadi tidak stabil dan mulai mengalami necking tepat saat keluluhan mulai
terjadi. Tetapi pada kenyataannya saat material mulai mengalami necking, strain hardening
akan terjadi dan mengakibatkan peningkatan kemampuan spesimen menahan beban tarik
selama deformasi menigkat namun peningkatan kekuatan tersebut dilawan oleh penuruhan
bertahap daru luas cross-sectional spesimen yang mengalami elongasi. Maka kondisi ini
disebut dengan deformasi terlokalisi yang dapat dijelaskan dengan persamaan dP=0, yaitu:
(8-19)
Titik necking pada pembebanan maksimum dapat dicatat dari kurva true-stress-true-
strain dengan mencari kurva yang memiliki kesatuan sub-tangent (gambar 8.5 a) atau titik
dimana tingkat strain hardening sama dengan tegangan (gambar 8.5 b). Kriteria necking dapat
diekspesikan bila regangan digunakan, yaitu dengan :
(8-20)

8. Gambar 8.5. Interpretasi grafis dari necking
8.4. Distribusi tegangan pada saat neck
Pembentukan neck pada spesimen tarik menunjukkan bentuk tegangan triaxial pada
bagian tersebut. Bagian yang mengalami neck tejadi karena efek takik (notch), sehingga ketika
ditarik, akan mengakibatkan munculnya tegangan radial dan transversal yang menigkatkan
nilai tegangan longitudinal yang dibutuhkan untuk mengakibatkan deformasi plastis.
Gambar 8.6. geometri bagian yang mengalami necking (a); dan tegangan yang beraksi pada
titik 0 (b).
Bridgman membuat analisa matematis untuk koreksi terhadap tegangan aksial rata –
rata untuk mengkompensasi munculnya teganan melintang dengan asumsi :
a. Kontur neck kurang lebih berbebntuk seperti kurva lingkaran
b. Bagian cross-section tetap berbentuk circular selama tes
c. Kriteria von Mises untuk keluluhan berlaku
d. Regangan konstan sepanjang cross-section dari neck
Maka berlaku :
(8-21)

9. 8.5. Pengukuran keuletan pada tes uji tarik
Diketahui sebelumnya bahwa kondisi elongasi pada uji tarik berubah – ubah, yaitu
seragam sebelum necking terjadi dan terlokalisir saat necking terjadi. Elongasi seragam
bergantung pada kondisi metalurgi material, efek ukuran spesimen, dan bentuk pembentukan
neck. Semakin pendek panjang yang terukur pada necking, makin besar pengaruh deformasi
terlokalisir pada neck terhadap elongasi total dari panjang yang diukur.
Gambar 8.7. Gage length atau panjang yang diukur
Dari pernyataan tersebut diketahui bahwa elongasi total adalah funsi dari gage length
spesimen, yang bisa diekspesikan dengan persamaan :
(8-22)
Berbagai percobban sejak 1850 telah dibuat untuk merasionalkan distribusi regangan
pada uji tarik. Kesimpulan yang paling umum adalah spesimen dengan bentuk geometri mirip
akan membentuk geometri necking yang mirip. Menurut hukum Barba, 𝛼 = 𝛽√ 𝐴0 dan
persamaan elongasinya menjadi :
(8-23)
Persamaan tersebut menunjukkan faktor geometrikal penting yang harus dijaga
kemiripannya adalah 𝐿0/√ 𝐴0 untuk spesimen berbentuk lembaran dan 𝐿0/𝐷0 untuk batang
bulat.
Tabel 8.4. hubungan dimensional spesimen tarik di negara yang berbeda
Terjadinya necking pada pengujian tarik membuat semua konversi kuantitatif antara
elongasi dengan penurunan luasan spesimen mustahil dilakukan. Namun didapat pula bahwa
penurunan ukuran luas spesimen adalah parameter keuletan paling sensitif terhadap struktur
yang dapat berguna saat mendeteksi pqrubahan kualitas pada material.