Modul Praktikum MS2140 Material Teknik PDF

Preview

Summary

MODUL PRAKTIKUMMS2140 – MATERIAL TEKNIKLATAR BELAKANGPraktikum Material Teknik merupakan kegiatan praktikum yang berisikan materi pengujian- pengujian sifat mekanik suatu material. Pengujian mekanik yang terdapat dalam praktikum ini berupa pengujian merusak (destructive testing) yang sering digunaka...

Description

MODUL PRAKTIKUM MS2140 – MATERIAL TEKNIK LATAR BELAKANG Praktikum Material Teknik merupakan kegiatan praktikum yang berisikan materi pengujianpengujian sifat mekanik suatu material. Pengujian mekanik yang terdapat dalam praktikum ini berupa pengujian merusak (destructive testing) yang sering digunakan baik dalam skala laboratorium maupun skala industri. Dengan memahami prinsip dasar pengujian-pengujian pada praktikum ini, praktikan dapat juga mengenal prinsip dasar pengujian mekanik lainnya yang tidak menjadi materi dalam praktikum ini. Pengujian sifat-sifat mekanik (properties) suatu material menjadi penting karena merupakan salah satu kajian utama di dalam Teknik Material. Dengan memahami sifat mekanik suatu material, dapat diketahui kualitas material tersebut dan juga dapat diketahui aplikasinya dalam dunia industri. Melalui praktikum ini, praktikan juga dapat belajar mengenai prosedur pengujian yang baik dan dapat menghitung besaran- besaran sifat mekanik dari suatu material. MODUL PRAKTIKUM Modul A Uji Tarik (Static Tension Test) Modul B Uji Lentur dan Kekakuan (Static Bending Test) Modul C Uji Impak (Impact Test) Modul D Uji Puntir (Static Torsion Test)

Halaman 4 Halaman 9 Halaman 15 Halaman 20

PROSEDUR PRAKTIKUM Prosedur praktikum yang harus ditaati oleh praktikan sebagai berikut : 1. Praktikan sudah menyelesaikan dan mengumpulkan tugas pendahuluan sebelum tenggat waktu yang tertera di platform online (ftmd.kuliah.itb.ac.id) 2. Format penulisan Tugas Pendahuluan dan Laporan dapat diunduh di platform online kelas masing-masing 3. Praktikan harus datang di Laboratorium Metalurgi dan Teknik Material ITB 15 menit sebelum praktikum dimulai 4. Praktikan wajib mengikuti percobaan berdasarkan arahan dari asisten dan teknisi 5. Praktikum diakhiri dengan penjelasan mengenai pengolahan data dan penyusunan laporan praktikum 6. Praktikan diwajibkan untuk mengisi formulir online kuisioner kinerja asisten pada link yang akan diberikan asisten 7. Laporan dikumpulkan sebelum tenggat waktu yang tertera di platform online (ftmd.kuliah.itb.ac.id) 8. Apabila terdapat permasalahan terkait praktikum, harap menghubungi Koordinator Praktikum Material Teknik (Rilis/085749530574) 1

ATURAN DAN SANKSI PRAKTIKUM No. Aturan Sanksi 1. Mengerjakan tugas pendahuluan yang Nilai TP pada modul tersebut = 0 terdapat pada modul 2. Tidak terlambat mengikuti praktikum • Di bawah 10 menit A-30% • Di atas 10 menit A = L = 0, diijinkan untuk pulang 3.

4. 5. 6.

Memakai jas laboratorium, sepatu tertutup, celana panjang tidak robek, pakaian berkerah, dan berambut rapi (rambut panjang harus diikat) Tidak makan/tidur/menggunakan telepon genggam Tidak merokok/meninggalkan praktikum Tidak merusak/menghilangkan peralatan laboratorium

K, A-50 poin, praktikan dipersilahkan pulang untuk melengkapi dengan resiko keterlambatan A-50% K, A = L = 0, diijinkan untuk pulang K, melapor pada asisten, koordinator praktikum, koordinator asisten, dan teknisi K, A-15 poin untuk seluruh anggota, praktikan dipersilahkan pulang untuk melengkapi dengan resiko keterlambatan K, A-15 poin, praktikan dipersilahkan pulang untuk melengkapi dengan resiko keterlambatan Tidak dianggap mengikuti praktikum pada modul tersebut, A = L = 0

7.

Membawa modul (min. 1 hardcopy tiap kelompok)

8.

Membawa buku catatan, nametag, dan 1 kartu identitas (KTM/KTP/SIM)

9.

Membuat surat ijin yang sah apabila berhalangan mengikuti praktikum (ditujukan kepada Koordinator Praktikum) selambat-lambatnya H+2 praktikum Tidak melakukan plagiarisme K, L = 0, atau TP = 0

10.

Keterangan: A K TP L

: Nilai Aktivitas Praktikum : Tercatat dalam buku kasus : Nilai Tugas Pendahuluan dalam modul : Nilai Laporan

2

ATURAN PENILAIAN Nilai Total Praktikum (NTP) dihitung dengan menggunakan formulasi berikut. 𝑁𝑇𝑃 = (0.15 × 𝑝𝑟𝑒𝑡𝑒𝑠𝑡) + (0.2 × 𝐴𝑣𝑒𝑟𝑎𝑔𝑒(𝑇𝑃 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙 𝐴, 𝐵, 𝐶, 𝐷)) + (0.2 × (𝐴𝑣𝑒𝑟𝑎𝑔𝑒(𝐴𝑘𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙 𝐴, 𝐵, 𝐶, 𝐷)) + (0.3 × 𝐴𝑣𝑒𝑟𝑎𝑔𝑒(𝐿𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑛 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙 𝐴, 𝐵, 𝐶, 𝐷) + (0.15 × 𝑝𝑜𝑠𝑡 𝑡𝑒𝑠𝑡)

Koordinator Praktikum

Rilis Eka Perkasa

3

MODUL A

UJI TARIK

LATAR BELAKANG Uji tarik merupakan pengujian mekanik yang paling luas digunakan di industri karena kemudahannya untuk analisis data yang didapatkan dan memperoleh informasi mengenai sifat mekanik suatu material. Pada proses pengujian tarik, pembebanan berupa beban uniaksial dilakukan dengan kecepatan pembebanan statis. Informasi yang didapat dari pengujian tarik berguna untuk pemilihan material, pengembangan paduan, kontrol kualitas, dan proses desain dalam berbagai kondisi. Hal yang harus dicatat adalah hasil pengujian tarik dari suatu spesimen yang diambil dari salah satu bagian dari suatu produk tidak secara total merepresentasikan sifat kekuatan dan keuletan dari seluruh produk atau karakteristik penggunaannya dalam lingkungan yang berbeda dengan kondisi pengujian. Standar pengujian tarik diantaranya dideskripsikan dengan detail dalam ASTM A370. CAPAIAN PEMBELAJARAN PRAKTIKUM 1. Mengetahui standar dan prosedur pengujian tarik dengan baik dan benar 2. Mengetahui besaran-besaran sifat mekanik yang diperoleh dari pengujian tarik 3. Mengetahui fenomena-fenomena yang terjadi dari pengujian tarik 4. Mampu mengolah data hasil pengujian TUJUAN PERCOBAAN 1. Menghitung modulus elastisitas material spesimen 2. Menentukan kekuatan luluh (yield strength) material spesimen 3. Menentukan parameter-parameter K dan n pada daerah plastis material spesimen TEORI SINGKAT Uji tarik yang dilaksanakan pada praktikum ini sesuai dengan standar American Society for Testing and Materials (ASTM) A370. Sesuai standar ASTM A370untuk spesimen logam, panjang gage length = 4 kali diameter spesimen. Spesimen uji berbentuk silinder memiliki dimensi sebagai berikut.

Gambar 1 Spesimen uji tarik

4

Hasil pengujian tarik adalah kurva antara ΔF-Δl. Kurva ini selanjutnya akan diubah menjadi kurva engineering stress–engineering strain, seperti pada gambar di bawah ini.

Gambar 2 Kurva Engineering Stress–Engineering Strain Nilai engineering stress dan engineering strain diperoleh dengan persamaan F S= A l l − lo e= = lo lo 2 S = Engineering stress (N/mm ) P = Beban yang diberikan (N) Ao = Luas penampang (mm2) e = Strain, dapat dinyatakan dalam persentase l = Perubahan panjang (mm) l = Panjang setelah pembebanan (mm) lo = Panjang awal spesimen (mm)

(1) (2)

Setelah didapatkan kurva engineering stress-engineering strain, kurva true stress-true strain yang menggambarkan tegangan dan regangan sebenarnya yang dialami oleh spesimen dapat diperoleh seperti pada gambar berikut.

5

Gambar 3 Kurva true stress–strain dan perbandingannya dengan kurva engineering stressstrain Nilai true stress dan true strain dapat diperoleh dengan persamaan berikut Sebelum necking: P ( e + 1) = S ( e + 1)  = Ao  = ln( e + 1)

(3) (4)

Setelah terjadi necking: P A Ao t = Ln A

t =

(5) (6)

Persamaan flow stress saat deformasi plastis telah terjadi adalah  = K n. Untuk mendapatkan nilai K dan n dari persamaan flow stress, maka kurva true stress–strain pada daerah plastis harus dikonversi menjadi dalam skala logaritma.

Gambar 4 Contoh Kurva Log  vs. Log ε

6

PROSEDUR PERCOBAAN

Siapkan spesimen uji tarik sesuai standar.

Ukur diameter dan panjang spesimen serta tentukan gage length-nya.

Siapkan mesin uji tarik. Catat kondisi mesin uji tarik; jenis mesin, beban skala penuh, dan kecepatan tarik.

Pasang spesimen pada mesin uji tarik dan jalankan mesin uji tarik.

Catat beban yang diberikan dan perubahan diameter yang terjadi.

Perhatikan dan catat saat spesimen mengalami necking.

Setelah spesimen patah, ukur panjang dan diameternya.

DATA UJI TARIK - Jenis mesin tarik - Beban skala penuh - Kecepatan tarik - Panjang spesimen awal, Lo - Diameter awal, Do - Panjang spesimen setelah patah - Diameter patahan, Di

= = = = = = =

mm/menit mm mm mm mm

Catatan: Lo, Do, Li, dan Di diukur minimal 3 kali 7

No

 Li (mm)

Pi (N)

S = Pi/Ao (N/mm2)

e =  L/Lo (%)

t = S(e+1) (N/mm2)

t = ln(e+1) (%)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

TUGAS SEBELUM PRAKTIKUM 1. Lampirkan spesimen uji tarik beserta dimensinya sesuai dengan ASTM A370. 2. Di bawah ini adalah data engineering stress-engineering strain hasil uji tarik pada baja karbon dengan 0.2% C. Stress (MPa)

0

207

379

414

469

496

510

517

524

517

503

476

448

386

352

Strain (%)

0

0.1

0.2

0.5

1

2

4

5

8

10

12

14

16

18

19 (fracture)

a. Sebutkan dan jelaskan sifat mekanik apa saja yang didapatkan dari hasil uji tarik. b. Plot ke dalam kurva engineering stress-engineering strain secara digital. c. Tentukan ultimate tensile strength dari spesimen tersebut. d. Tentukan persen elongasi sampai patah. e. Tentukan modulus elastisitas dari paduan tersebut. f. Tentukan yield strength spesimen tersebut dengan metode proportional limit. 3. Alat ukur (sensor) apa yang digunakan untuk mendapatkan kurva ΔF dan Δl? Jelaskan. BAHAN BACAAN SEBELUM PRAKTIKUM Untuk proses praktikum yang baik dan lancar, maka praktikan disyaratkan untuk membaca literatur di bawah ini : 1. Callister, William D. Materials Science and Engineering: An Introduction, 6th ed. New York: John Wiley & Sons Inc. Halaman 117 – 132. 2. Dieter G.E. Mechanical Metalurgy, SI Metric Edition, 4th ed. Halaman 275-288. 3. Davis. E . Harmer, George Earl Troxell, George F.W.Hauck. The Testing of Engineering Materials, 4th ed. Halaman 17-30 dan 125-146. 4. ASTM A370. Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products. ASTM International. Bagi yang memiliki literatur di atas dengan edisi yang berbeda silahkan disesuaikan sendiri. 8

MODUL B

UJI LENTUR DAN KEKAKUAN LATAR BELAKANG Banyak struktur dan mesin memiliki komponen yang harus menahan beban lentur atau bending (tekukan). Pengujian kekuatan lentur dan modulus elastisitasnya dilakukan untuk material di mana beban utamanya dalam bentuk lentur. Untuk kebanyakan material, modulus dalam arah tarik dan tekan mempunyai sedikit perbedaan. Modulus lentur adalah kombinasi dari modulus arah tarik dan tekan, sehingga seringkali berbeda dengan keduanya. Pembebanan bending biasanya diikuti oleh direct stress, transverse shear stress, dan torsional shear stress. Melalui percobaan ini, perilaku material yang mengalami bending akibat pembebanan 3 sumbu (three-point bending) dapat dilihat. Standar pengujian lentur untuk material logam berbentuk pelat dideskripsikan dengan detail dalam ASTM E855-08 CAPAIAN PEMBELAJARAN PRAKTIKUM 1. Mengetahui standar dan prosedur pengujian lentur dengan baik dan benar 2. Mengetahui besaran-besaran sifat mekanik yang diperoleh dari pengujian lentur 3. Mengetahui fenomena-fenomena yang dialami material saat pengujian lentur 4. Mampu mengolah data hasil pengujian TUJUAN PERCOBAAN 1. Menentukan kekuatan lentur (flexural strength) material 2. Menentukan modulus elastisitas material 3. Mengetahui distribusi beban, momen, dan tegangan ketika terjadi pembebanan. 4. Mengukur nilai kekerasan pada beberapa titik di spesimen sebelum dan sesudah pengujian TEORI SINGKAT Ketika sebuah batang diberikan pembebanan seperti pada Gambar 1 di bawah ini, maka akan terjadi tegangan tarik, tekan, dan geser. Nilai tegangan ini akan bernilai maksimum pada permukaan atas dan bawah batang dan akan bernilai nol pada sumbu netral (neutral axis) batang.

9

Gambar 1 Distribusi tegangan akibat beban bending Pada pembebanan di daerah elastis, momen lentur tersebut menyebabkan timbulnya tegangan normal pada penampang melintang sebesar: σ=

Mb . c I

(1)

di mana:  = tegangan normal Mb = momen lentur di penampang melintang yang ditinjau c = jarak dari sumbu netral ke elemen yang ditinjau I = momen inersia penampang Untuk spesimen yang mempunyai penampang segi empat, maka tegangan normal maksimum pada penampang tersebut adalah

 P L  h     4  2   σ= b h3 ( ) 12 di mana : P = beban yang bekerja L = panjang spesimen b = lebar penampang t = tebal penampang defleksi pada daerah elastis pada penampang tersebut adalah: P L3 δ= 48 E I

(2)

(3)

10

di mana:  = defleksi P = beban yang bekerja L = panjang spesimen E = modulus elastisitas bahan spesimen I = modulus inersia penampang Dari persamaan 3, modulus elastisitas suatu material dapat diketahui. Beberapa hal yang harus dicatat adalah - Pengukuran presisi dari modulus elastisitas lentur dan kekuatan lentur dipengaruhi oleh beberapa hal termasuk orientasi spesimen terhadap arah pengerolan, ukuran butir, tegangan sisa, sejarah regangan sebelumnya, persiapan spesimen dan dimensinya, dan orientasi butir terdeformasi terhadap arah dari tegangan normal. - Kondisi pengujian juga mempengaruhi hasil seperti temperatur dan variasinya, kondisi peralatan pengujian, dan apakah pengujian mengikuti standar atau tidak. Uji Keras Pada dasarnya, kekerasan pada logam adalah kemampuan suatu logam untuk tidak berdeformasi plastis ketika menerima beban/indentasi. Nilai kekerasan suatu material dapat memberikan gambaran sifat mekanik seperti kekuatan material secara lokal. Nilai kekerasan dapat diperoleh melalui pengujian kekerasan dengan indentasi. Salah satu metode yang paling banyak digunakan adalah Metode Rockwell, di mana spesimen akan dikenai beban minor sebesar 10 kg dan beban mayor yang bervariasi antara 60 hingga 150 kg. Pengujian kekerasan Rockwell dilakukan berdasarkan standar ASTM E18.

11

PROSEDUR PERCOBAAN Ukur kekerasan awal spesimen

Cari data kekuatan luluh spesimen dari handbook atau literatur lain

Masukkan data kekuatan luluh pada persamaan 2.2 untuk menentukan beban elastis maksimum

Atur jarak kedua tumpuan pada mesin uji = 150 mm

Pasang spesimen uji dan dial pengukur defleksi

Lakukan pembebanan secara perlahan, catat nilai beban dan defleksi yang terjadi. Usahakan beban tidak melewati pembebanan elastis maksimum

Hentikan pembebanan, lepas spesimen dan dial dari tumpuannya

Ubah jarak tumpuan sesuai persamaan i = 2r +3h

Pasang lagi spesimen pada alat uji

Lakukan pembebanan pada spesimen hingga spesimen tertekuk 900 Catat gaya selama pembebanan

Lakukan pengujian kekerasan pada ujung lengan spesimen (A), tengah lengan (B) dan tepat pada lengkungan (C) (lihat Gambar 2)

12

Gambar 2 Posisi pengujian keras pada spesimen DATA UJI LENTUR DAN KEKAKUAN - Material = - Kekuatan luluh material = Dimensi spesimen panjang (l) = lebar (b) = tebal (h) = diameter (d) = - Jarak tumpuan (l) = - Laju pembebanan = - Beban maksimum pada daerah elastis = No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Beban (kg)

Defleksi (mm)

MPa mm mm mm mm mm kg/menit kg Keterangan

13

Nilai kekerasan spesimen Nilai Kekerasan Posisi (HRC) A B C Kondisi akhir spesimen: - patah - retak - tidak retak TUGAS SEBELUM PRAKTIKUM 1. Gambarkan skema pengujian bending yang akan dilakukan pada praktikum ini dan jelaskan. 2. Turunkan persamaan (2) khusus untuk spesimen berpenampang lingkaran! 3. Terangkan langkah-langkah yang dilakukan untuk mendapatkan modulus elastisitas bahan dari uji lentur. 4. Gambarkan distribusi tegangan normal akibat beban bending di sepanjang penampang melintang spesimen BAHAN BACAAN SEBELUM PRAKTIKUM Untuk proses praktikum yang baik dan lancar, maka praktikan disyaratkan untuk membaca buku di bawah ini: 1. ASTM E 855 2. Davis, H.E. et al. The testing of Engineering Materials. 4th edition,McGraw- Hill Book Co. 1982. 3. Popov.E.P, Mechanics Of Material, SI Version 2nd Edition, 1976 4. Callister, William D. Materials Science and Engineering : An Introduction. 7th edition. John Wiley & Sons, Inc. 2007 5. Hibbeler, Russell. Mechanics of Materials. Untuk yang memiliki buku-buku di atas dengan edisi yang berbeda silakan disesuaikan sendiri.

14

MODUL C

UJI IMPAK LATAR BELAKANG Dalam pengujian mekanik, terdapat perbedaan dalam jenis beban yang diberikan kepada material tergantung laju pembebanannya. Uji tarik, tekan, puntir adalah pengujian dengan menggunakan beban statik. Sedangkan uji keras, uji fatigue, dan uji lentur meggunakan jenis beban dinamik. Pada uji impak, pembebanan yang terjadi adalah pembebanan yang cepat (rapid loading). Perbedaan dari macam pembebanan ini dapat dilihat pada laju regangan/strain rate-nya seperti pada Tabel 1 di bawah ini. Tabel 1 Pembagian pengujian berdasarkan laju regangannya No

Laju regangan

1

-8

10 s/d 10 s

Uji creep pada beban konstan

2

10-5 s/d 10-1 s-1

Pengujian tarik statik

3

10-1 s/d 102 s-1

Pengujian tarik atau tekan dinamik

4

102 s/d 104 s-1

Pengujian impak dengan kecepatan tinggi

5

104 s/d 108 s-1

Pengujian impak dengan kecepatan super tinggi (balistik)

-5 -1

Kondisi atau tipe pengujian

Pada pembebanan cepat atau disebut dengan beban impak, terjadi proses penyerapan energi yang besar dari energi kinetik suatu beban yang menumbuk ke spesimen. Proses penyerapan energi ini akan diubah dalam berbagai respon material seperti deformasi plastis, efek histerisis, gesekan, dan efek inersia. Pada pengujian impak, takikan diberikan pada bagian spesimen yang mengalami tegangan maksimum, sehingga pengujian impak secara spesifik menghubungkan karakteristik logam di mana ketika diberikan beban tunggal, dapat dihasilkan tegangan multi-aksial pada bagian takikan ditambah dengan laju pembebanan yang tinggi dan juga pengaplikasian pada berbagai rentang temperatur. Pengujian impak juga dapat digunakan untuk mengamati karakteristik patah getas/ulet secara akurat pada berbagai kondisi. Standar pengujian impak untuk material logam, diantaranya dideskripsikan dengan detail dalam ASTM E23-12C. CAPAIAN PEMBELAJARAN PRAKTIKUM 1. Mengetahui pengaruh beban impak terhadap sifat mekanik material 2. Mengetahui standar dan prosedur pengujian impak 3. Mengetahui faktor yang mempengaruhi kegagalan material dengan beban impak

15

TUJUAN PERCOBAAN 1. Membandingkan penampakan patahan material spesimen yang berbeda pada uji impak di berbagai rentang temperatur 2. Menghubungkan besarnya energi yang diserap dan temperatur pengujian impak dalam kurva energi/mm2 vs temperatur TEORI SINGKAT Pengujian impak yang dilakukan pada praktikum ini adalah sesuai dengan standar ASTM E23 untuk metode Charpy dan Izod. Metode Charpy dipergunakan secara luas di Amerika, sedangkan metode Izod lebih banyak digunakan di negara-negara Eropa.

Gambar 1 Metode Izod dan Charpy Prinsip pengujian impak ini adalah menghitung energi yang diberikan oleh beban (pendulum) dan menghitung energi yang diserap oleh spesimen. Pada saat beban diangkat dengan ketinggian tertentu, beban tersebut memiliki energi potensial maksimum. Saat menumbuk spesimen yang berada di titik terendah, energi kinetik mencapai nilai maksimum. Setelah mengalami impak, pendulum akan terangkat hingga ketinggian tertentu. Selisih ketinggian awal dan akhir pendulum ini menggambarkan besarnya energi yang diserap spesimen saat impak terjadi. Proses perubahan energi ini dapat dilihat pada Gambar 2