Untuk
mengetahui sifat-sifat suatu bahan, tentu kita harus mengadakan
pengujian terhadap bahan tersebut. Ada empat jenis uji coba yang biasa
dilakukan, yaitu uji tarik
(tensile test), uji tekan
(compression test), uji torsi
(torsion test), dan uji geser
(shear test).
Dalam tulisan ini kita akan membahas tentang uji tarik dan sifat-sifat
mekanik logam yang didapatkan dari interpretasi hasil uji tarik.
Uji tarik mungkin adalah cara pengujian bahan yang paling mendasar.
Pengujian ini sangat sederhana, tidak mahal dan sudah mengalami
standarisasi di seluruh dunia, misalnya di Amerika dengan ASTM E8 dan
Jepang dengan JIS 2241. Dengan menarik suatu bahan kita akan segera
mengetahui bagaimana bahan tersebut bereaksi terhadap tenaga tarikan dan
mengetahui sejauh mana material itu bertambah panjang. Alat eksperimen
untuk uji tarik ini harus memiliki cengkeraman
(grip) yang kuat dan kekakuan yang tinggi
(highly stiff). Brand terkenal untuk alat uji tarik antara lain adalah antara lain adalah Shimadzu, Instron dan Dartec.
1. Mengapa melakukan Uji Tarik?
Banyak hal yang dapat kita pelajari dari hasil uji tarik. Bila kita
terus menarik suatu bahan (dalam hal ini suatu logam) sampai putus, kita
akan mendapatkan profil tarikan yang lengkap yang berupa kurva seperti
digambarkan pada Gbr.1. Kurva ini menunjukkan hubungan antara gaya
tarikan dengan perubahan panjang. Profil ini sangat diperlukan dalam
desain yang memakai bahan tersebut.
Gbr.1 Gambaran singkat uji tarik dan datanya
Biasanya yang menjadi fokus perhatian adalah kemampuan maksimum bahan
tersebut dalam menahan beban. Kemampuan ini umumnya disebut
“Ultimate Tensile Strength” disingkat dengan
UTS, dalam bahasa Indonesia disebut tegangan tarik maksimum.
Hukum Hooke (
Hooke’s Law)
Untuk hampir semua logam, pada tahap sangat awal dari uji tarik,
hubungan antara beban atau gaya yang diberikan berbanding lurus dengan
perubahan panjang bahan tersebut. Ini disebut daerah linier atau
linear zone. Di daerah ini, kurva pertambahan panjang vs beban mengikuti aturan Hooke sebagai berikut:
rasio tegangan (stress) dan regangan (strain) adalah konstan
Stress adalah
beban dibagi luas penampang bahan dan
strain adalah
pertambahan panjang dibagi panjang awal bahan.
Stress: σ = F/A F: gaya tarikan, A: luas penampang
Strain: ε = ΔL/L ΔL: pertambahan panjang, L: panjang awal
Hubungan antara stress dan strain dirumuskan:
E = σ / ε
Untuk memudahkan pembahasan, Gbr.1 kita modifikasi sedikit dari
hubungan antara gaya tarikan dan pertambahan panjang menjadi hubungan
antara tegangan dan regangan (
stress vs
strain). Selanjutnya kita dapatkan Gbr.2, yang merupakan kurva standar ketika melakukan eksperimen uji tarik.
E adalah gradien kurva dalam daerah linier, di mana perbandingan tegangan (σ) dan regangan (ε) selalu tetap.
E diberi nama
“Modulus Elastisitas” atau
“Young Modulus”. Kurva yang menyatakan hubungan antara
strain dan
stress seperti ini kerap disingkat kurva
SS (
SS curve).
Gbr.2 Kurva tegangan-regangan
Bentuk bahan yang diuji, untuk logam biasanya dibuat
spesimen dengan dimensi seperti pada Gbr.3 berikut.
Gbr.3 Dimensi spesimen uji tarik (JIS Z2201).
Gbr.4 Ilustrasi pengukur regangan pada spesimen
Perubahan panjang dari spesimen dideteksi lewat pengukur regangan
(strain gage)
yang ditempelkan pada spesimen seperti diilustrasikan pada Gbr.4. Bila
pengukur regangan ini mengalami perubahan panjang dan penampang, terjadi
perubahan nilai hambatan listrik yang dibaca oleh detektor dan kemudian
dikonversi menjadi perubahan regangan.
2. Detail profil uji tarik dan sifat mekanik logam
Sekarang akan kita bahas profil data dari tensile test secara lebih
detail. Untuk keperluan kebanyakan analisa teknik, data yang didapatkan
dari uji tarik dapat digeneralisasi seperti pada Gbr.5.
Gbr.5 Profil data hasil uji tarik
Kita akan membahas istilah mengenai sifat-sifat mekanik bahan
dengan berpedoman pada hasil uji tarik seperti pada Gbr.5. Asumsikan
bahwa kita melakukan uji tarik mulai dari titik O sampai D sesuai dengan
arah panah dalam gambar.
Batas elastisσE (
elastic limit)
Dalam Gbr.5 dinyatakan dengan titik A. Bila sebuah bahan diberi beban
sampai pada titik A, kemudian bebannya dihilangkan, maka bahan tersebut
akan kembali ke kondisi semula (tepatnya
hampir kembali ke kondisi semula)
yaitu regangan “nol” pada titik O (lihat inset dalam Gbr.5). Tetapi
bila beban ditarik sampai melewati titik A, hukum Hooke tidak lagi
berlaku dan terdapat perubahan permanen dari bahan. Terdapat konvensi
batas regangan permamen (
permanent strain) sehingga masih
disebut perubahan elastis yaitu kurang dari 0.03%, tetapi sebagian
referensi menyebutkan 0.005% . Tidak ada standarisasi yang universal
mengenai nilai ini. [1]
Batas proporsional σp (
proportional limit)
Titik sampai di mana penerapan hukum Hook masih bisa ditolerir. Tidak
ada standarisasi tentang nilai ini. Dalam praktek, biasanya batas
proporsional sama dengan batas elastis.
Deformasi plastis (
plastic deformation)
Yaitu perubahan bentuk yang tidak kembali ke keadaan semula. Pada Gbr.5
yaitu bila bahan ditarik sampai melewati batas proporsional dan mencapai
daerah
landing.
Tegangan luluh atas σuy (
upper yield stress)
Tegangan maksimum sebelum bahan memasuki fase daerah landing peralihan deformasi elastis ke plastis.
Tegangan luluh bawah σly (
lower yield stress)
Tegangan rata-rata daerah
landing sebelum benar-benar memasuki fase deformasi plastis. Bila hanya disebutkan tegangan luluh (
yield stress), maka yang dimaksud adalah tegangan ini.
Regangan luluh εy (
yield strain)
Regangan permanen saat bahan akan memasuki fase deformasi plastis.
Regangan elastis εe (
elastic strain)
Regangan yang diakibatkan perubahan elastis bahan. Pada saat beban dilepaskan regangan ini akan kembali ke posisi semula.
Regangan plastis εp (
plastic strain)
Regangan yang diakibatkan perubahan plastis. Pada saat beban dilepaskan
regangan ini tetap tinggal sebagai perubahan permanen bahan.
Regangan total (
total strain)
Merupakan gabungan regangan plastis dan regangan elastis, ε
T = ε
e+ε
p. Perhatikan
beban dengan arah OABE. Pada titik B, regangan yang ada adalah regangan
total. Ketika beban dilepaskan, posisi regangan ada pada titik E dan
besar regangan yang tinggal (OE) adalah regangan plastis.
Tegangan tarik maksimum TTM
(UTS, ultimate tensile strength)
Pada Gbr.5 ditunjukkan dengan titik C (σ
β), merupakan besar tegangan maksimum yang didapatkan dalam uji tarik.
Kekuatan patah (breaking strength)
Pada Gbr.5 ditunjukkan dengan titik D, merupakan besar tegangan di mana bahan yang diuji putus atau patah.
Tegangan luluh pada data tanpa batas jelas antara perubahan elastis dan plastis
Untuk hasil uji tarik yang tidak memiliki daerah linier dan landing yang
jelas, tegangan luluh biasanya didefinisikan sebagai tegangan yang
menghasilkan regangan permanen sebesar 0.2%, regangan ini disebut
offset-strain (Gbr.6).
Gbr.6 Penentuan tegangan luluh (yield stress) untuk kurva tanpa daerah linier
Perlu untuk diingat bahwa satuan SI untuk tegangan
(stress) adalah Pa (Pascal, N/m
2) dan strain adalah besaran tanpa satuan.
3. Istilah lain
Selanjutnya akan kita bahas beberapa istilah lain yang penting seputar interpretasi hasil uji tarik.
Kelenturan (
ductility)
Merupakan sifat mekanik bahan yang menunjukkan derajat deformasi plastis
yang terjadi sebelum suatu bahan putus atau gagal pada uji tarik. Bahan
disebut lentur
(ductile) bila regangan plastis yang terjadi sebelum putus lebih dari 5%, bila kurang dari itu suatu bahan disebut getas
(brittle).
Derajat kelentingan (
resilience)
Derajat kelentingan didefinisikan sebagai kapasitas suatu bahan menyerap
energi dalam fase perubahan elastis. Sering disebut dengan Modulus
Kelentingan
(Modulus of Resilience), dengan satuan
strain energy per unit volume (Joule/m
3 atau Pa). Dalam Gbr.1, modulus kelentingan ditunjukkan oleh luas daerah yang diarsir.
Derajat ketangguhan (toughness)
Kapasitas suatu bahan menyerap energi dalam fase plastis sampai bahan
tersebut putus. Sering disebut dengan Modulus Ketangguhan (modulus of
toughness). Dalam Gbr.5, modulus ketangguhan sama dengan luas daerah
dibawah kurva OABCD.
Pengerasan regang (strain hardening)
Sifat kebanyakan logam yang ditandai dengan naiknya nilai tegangan berbanding regangan setelah memasuki fase plastis.
Tegangan sejati , regangan sejati (true stress, true strain)
Dalam beberapa kasus definisi tegangan dan regangan seperti yang telah
dibahas di atas tidak dapat dipakai. Untuk itu dipakai definisi tegangan
dan regangan sejati, yaitu tegangan dan regangan berdasarkan luas
penampang bahan secara
real time. Detail definisi tegangan dan regangan sejati ini dapat dilihat pada Gbr.7.
Gbr.7 Tegangan dan regangan berdasarkan panjang bahan sebenarnya
Referensi:
- Material Testing (Zairyou Shiken). Hajime Shudo. Uchidarokakuho, 1983.
- Material Science and Engineering: An Introduction. William D. Callister Jr. John Wiley&Sons, 2004.
- Strength of Materials. William Nash. Schaum’s Outlines, 1998.
Versi PDF yang lengkap dapat didownload di sini :
Mengenal uji tarik