BAB II
LANDASAN TEORI
A. SIFAT-SIFAT MATERIAL
A.1. Physical Properties
Sifat – sifat fisik suatu material meliputi: struktur material, ukuran, massa jenis
A.2. Mechanical Properties
A.2.1. Strength (Kekuatan)
Kekuatan merupakan kemampuan dari suatu material untuk menahan beban tanpa mengalami kepatahan.
Pada grafik ditunjukkan batas kekuatan suatu material sembelum mengalami kepatahan.
A.2.2. Stiffness
Stiffness merupakan sifat kaku dari suatu material. Sifat kekakuan merupakan sesuatu yang tidak dapat dipisahkan dari suatu materi dan memiliki efek yang penting dalam penyesuaian penyelesaian dan pemasangan dari kaca. Banyak material yang kaku memiliki kepadatan yang rendah untuk menahan deformasi dari penyemiran, pemasangan, gravitasi dan vibrasi pada saat pengoperasiannya.
Apapun bentuk dan struktur internalnya, stiffness mendukung lingkungan material dapat dituliskan sebagai
A.2.3.Elasticity
Elastisitas adalah kemampuan material untuk menyerap tekanan dan memantulkannya ke arah lain serta mampu kembali ke bentuk semula sebelum menerima tekanan tersebut.
A.2.4. Plasticity
Plastis merupakan suatu keadaan dimana benda mengalami pertambahan panjang tetapi benda tersebut tidak bisa kembali ke bentuk semula.
A.2.5. Ductility
Merupakan kemampuan benda untuk dibentuk tanpa mengalami kepatahan atau deformasi lainnya.
A.2.6. Toughness
Merupakan sifat benda yang tidak akan patah atau retak ketika mengalami hentakan secara tiba – tiba. Ketahanan (toughness) dari sebuah material berada di bawah kurva tegangan dan regangan. Pada bagian tegangan, menunjukkan keseimbangan dengan kekuatan tekan sedangkan pada bagian regangan menunjukkan keseimbangan dengan perpanjangannya. Wilayah di bawah kurva tegangan dan regangan sangat seimbang dengan integral dari gaya melebihi dari panjang rentang polimer sebelum mengalami kepatahan, atau dapat dituliskan
Integral ini adalah merupakan energi yang diperlukan untuk mematahankan suatu benda. Ketahanan merupakan ukuran dari energi yang dapat diterima oleh suatu benda sebelum mengalami kepatahan.
Berikut ini adalah kurva Toughness
Perbedaan antara Ketahanan dan Kekuatan
Material yang kuat belum tentu tahan untuk direntangkan. Sedangkan substansi dari perengangan adalah kekutan, tetapi tidak mengalami deformasi yang besar.
Secara lebih jelas perbedaan antara kekuatan dan ketahanan ditunjukkan dengan kurva berikut ini:
A.3.1. Creep (melar)
Beberapa bagian dari mesin dan struktur dapat berdeformasi secara kontinu dan perlahan-lahan dalam kurun waktu yang lama apabila dibebani secara tetap. Deformasi macam ini yang tergantung pada waktu dinamakan melar (creep).
Melar terjadi pada temperatur rendah juga, tetapi yang sangat menyolok terjadi pada temperature dekat pada titik cair.
Kalau kekuatan lelah yang akan dikemukakan kemudian dibandingkan dengan kekuatan melar, kekuatan elah rendah pada temperatur rendah sedangkan pada temperatur lebih tinggi ( sekitar 650°K untuk baja ) kekuatan melar lebih rendah.
Oleh karena itu pada perencanaan suatu komponen untuk temperatur rendah perlu didasarkan atas kekuatan lelah sedangkan pada temperatur lebih tinggi perlu didasarkan atas kekuatan melar, karena pengaruh waktu pembenanan adalah besar.
Kekuatan Melar
Secara spesifik tingkatan tekanan dinamakan sebagai batas mulur, mulur akan menjadi mudah dan dapat diabaikan dalam jangka panjang pada saat memuat aplikasinya.
Perancang yang biasa bekerja dengan bahan – bahan metal harus memberikan perhatian yang besar pada kekuatan mulur dan modulus ketika mereka merancang sebuah termoplastic.
Modulus Creep
Modulus pemelaran (Creep Modulus / Et), menunjukkan modulus dari material yang diberikan tingkat tekanan dan temperatur melebih spesifiknya dalam suatu periode waktu (t).
Langkah penyesuaian dalam menggunakan data pemuluran untuk perancangan pemuatan yang lebih lanjut adalah untuk mencocokan waktu dan temperatur yang bergantung pada modulus creep, yang sering juga disebut modulus nyata.
A.3.2. Hardness
Kekerasan ( hardness ) merupakan kemampuan dari suatu bahan/ material terhadap gaya tekan/ goresan/ pengikisan.
Pengujian kekerasan adalah satu dari sekian banyak pengujian yang dipakai, karena dapat dilaksanakan pada benda uji yang kecil tanpa kesukaran mengenai spesifikasi. Pengujian paling banyak dipakai ialah dengan menekankan penekan tertentu kepada benda uji dengan beban tertentu dan dengan mengukur ukuran bekas penekanan yang terbentuk di atasnya, cara ini dinamakan cara kekerasan penekanan.
(Sumber:repository.binus.ac.id/content/D0472/D047226156.doc)
B. PENENTUAN KEKERASAN
Kekerasan adalah suatu sifat dari bahan logam yang sangat penting karena banyak sifat lain dari bahan logam yang berhubungan dengan kekerasan. Kekerasan ini adlaah suatu kemampuan dari bahan untuk menahan sdeformasi plastik yang terjadi atau perbedaan dari bahan terhadap bentuk tetap. Kekerasan berhubungan dengan kekuatan, oleh karena itu dalam hal kekerasan suatu bahan dengan angka-angka sudah menggambarkan kekuatan tersebut.
Kemampuan suatu logam akan meningkat apabila kekerasan semakin meningkat, sementara kekerasan itu sendiri dipengaruhi oleh media pendingin. Pada umumnya ada 3 cara pengujian kekerasan, yaitu:
B.1. Cara Pengoresan
Dilakukan dengan jalan menggoreskan bahan yang lebih keras terhadap bahan yang lebih lunak. Cara ini dikenal dengan Hocks-Mocks. Membuat skala yang terdiri dari sepuluh standar. Mineral-mineral yang disusun menurut kekerasan atau kemampuan mulai dengan bahan terkeras yaitu intan kebahan yang lebih lunak.
B.2. Cara Dinamik
Dilakukan dengan jalan menjatuhkan bola baja ke permukaan logam dimana tinggi pantulan bola menyatakan energi pantulan sebagai ukuran. Kekerasan cara ini disebut Share shereskop.
C.3. Cara Penekanan
Merupakan cara umum dari pengujian kekerasan logam yang termasuk cara ini adalah cara Brinell, Vickers, dan cara Rockwell.
C.3.1. Cara Brinnell
Yaitu dengan cara menekankan bola baja pada logam, dengan suatu bahan tertentu pada waktu baja ditekankan pada permukaan logam, maka akan tampak bekas penekanan berupa sebagian dari bola baja.
Dimana:
HB = Kekerasan Brinell
P= Beban
D= Diameter Bola Baja
D= Diameter Bekas Penekanan
Kelebihan :
· Pengerjaan lebih mudah dilakukan
· Biaya relatif ringan.
· Menghasilkan jejak yang relatif kecil
· Tidak dipengaruhi oleh kekerasan permukaan.
Kekurangan :
· Tidak dapat dilakukan pada logam dengan ukuran permukaan kecil.
· Tidak dapat dilakukan pada logam dengan tingkat kekerasan yang tinggi.
B.3.2. Cara Vickers
Yaitu menggunakan intan sebagai pengganti bola baja, dengan demikian untuk bahan-bahan keras yang dijui dengan tidak ada penyimpangan seperti halnya cara Brinell, sudut yang dibentuk oleh dua bidang dari piramida pada bekas penekanan yaitu:
Harga kekerasan adalah : 1,854 P/d2 . . . . . . . . . (Kg/mm2)
Dimana:
P = Beban (Kg)
d = Panjang rata-rata dari baris yang menghubungkan sudut-sudut diatas piramida bekas penekanan pada bidang permukaan
Kelebihan :
· Tingkat ketelitian tinggi
· Specimen yang digunakan tidak mengalami kerusakan yang berarti dibanding dengan metode lain
· Memberikan hasil berupa skala yang kontinu untuk suatu bahan tertentu.
Kekurangan :
· Waktu operasi relatif lama.
· Proses pengerjaannya sedikit rumit
· Tidak dapat digunakan untuk pengujian fisik, karena pengujian permukaan lambat memerlukan persiapan permukaan benda uji yang sangat hati-hati dan terdapat pengaruh kesalahan manusia terhadap penentuan panjang diagonalnya.
B.3.3. Cara Rockwell
Prinsip kekerasan logam didasarkan pada dalamnya atau dangkalnya bekas penekanan kerucut atau bola baja yang masuk pada logam dengan < bentuk tertentu. Kerucut intan dan bola baja yang sering digunakan adalah dengan diameter = 1/6, 1/8, ¼, dan ½ inchi.
Makin keras suatu logam yang akan dijui maka semakin dangkal masuknya bola baja atau kerucut baja. Begitu pula sebaliknya, karena pengukuran dalamnya penekanan terbatas pada kemampuan alat dan mengingat segi-segi praktis lainnya. Maka dibuat segi dari skala yang disebut skala A, B, dan C.
Ø Skala A
Digunakan pada pengukuran kekerasan logam yang sangat keras dengan menggunakan kerucut intan dengan beban 60 Kg.
Ø Skala B
Digunakan pada pengukuran kekerasan logam agak lunak dengan menggunakan bola baja berukuran 1/16 inchi dengan beban 100 Kg.
Ø Skala C
Digunakan pada pengukuran kekerasan logam yaitu yang telah dikeraskan dengan menggunakan kerucut intan dengan penekanan 150 Kg.
Kelebihan :
· Pengamatan dapat dilakukan dengan mudah
· Waktu operasinya praktis dan cepat.
· Mampu membedakan ukuran tekanan yang kecil sehingga bagian yang mendapatkan perlakuan panas yang lengkap dapat diuju kekerasannya.
Kekurangan :
· Dalam menentukan kekerasan bahan, harus memiliki permukaan yang halus dan rata.
· Efektifitas dalam pengambilan data kurang.
· Ketelitian kurang.
(sumber:http://www.scribd.com/doc/51579733/HARDNESS-TEST)
C. Macam-macam Pengerasan
C.1. Pengerasan Permukaan
Adanya beberapa cara untuk melakukan penerasan permukaan yaitu:
C.1.1. Karburasi
Cara ini sudah lama dikenal oleh orang sejak dahulu. Dalam cara ini, besi dipanaskan diatas suhu dalam lingkukngan yang mengandung karbon, baik dalam bentuk padat, cair, ataupun gas. Beberapa bagian dari karburasi yaitu: karburasi padat, karburasi cair, dan karburasi gas.
C.1.2. Karbonitriding
Adalah suatu proses pengerasan [permukaan dimana baja dipanaskan diatas suhu kritis didalam lingkungan gas yang terjadi penyerapan karbon dan nitrogen.
C.1.3.Cyaniding
Adalah proses dimana terjadi absorbsi karbon dalam nitrogen untuk memperoleh permukaan yang keras pada baja karbon rendah yang sulit dipanaskan.
C.1.4. Nitriding
Adalah proses pengerasan permukaan yang dipanaskan sampai + 510OC didalam lingkungan gas amonia selama beberapa waktu.
C.2. Pengerasan Induksi
Penggunaan arus listrik untuk pencairan logam, penerasan dan perlakuan panas lainnya. Arus bolak-balik berfrekuensi tinggi berasal dari pembangkit, konventer merkuri, osilator spark atau asilator tabung. Frekueni pada umumnya tidak melebihi 500.000 Hz untuk benda yang tipis digunakan frekuensi tingg, sedangkan untuk benda-benda berukuran sedang atau tebal digunakan frekuensi rendah.
C.2.1. Pengerasan Nyala
Dasar pengerasan nyala adalah sama dengan pengerasan induksi yaitu pemanasan yang cepat disusul dengan pencelupan permukaan, tebal lapisan yang mengeras tergantung pada kemampuan pengerasan bahan. Karena selama proses penerasan tidak ada penambahan unsur-unsur lainnya. Pemanasan dilakukan dengan nyala oksiasilaen yang dibiarkan memanasi permukaan logam sampai mencapai suhu kritis.
Pada alat dipanaskan aliran air pendingin sehingga seera setelah suhu yang diinginkan tercapai , permukan langsung disemprot dengan ai. Bila dikendalikan dengan baik, bagian dalam tidak berpengaruh. Tebal lapisan yang keras tergantung pada waktu pemanasan pada suhu nyala.
C.2.2. Pengerasan Endapan
Pengerasan endapan hanya dapat diterapkan pada paduan dimana daya larut suatu komponen berkurang dengan menurunnya suhu. Paduan dipanaskan beberapa lama sehingga terbentuk paduan yang homogen kemudian didinginkan dengan cepat sampai suhu ruang.
Paduan masih berupa larutan padat yang lewat jenuh, suatu keadaan tidak stabil, Al2Cu akanmulai mengendap bila dibiarkan pada suhu ruang. Proses ini disebut proses pengerasan sepuh alamiah.
Partikel yang mengendap dari larutan padat terbentuk pada batas butir dan bidang geser, menghasilkan hambatan sehingga pergeseran atau slip antar partikel/kristal berkurang. Kekerasan akan berkurang dan bertambah dengan semakin berkurangnya atau bertambahnya besar partikel diiringi meningkatnya kerapuhan dan berkurangnya kekuatan.
(sumber:http://www.scribd.com/doc/51579737/jenis-pengerasan)
D. Cara Meningkatkan Kekerasan
D.1. Perlakuan Panas
Kekerasan dapat diperoleh dengan melakukan perlakuan panas yang disertai pendinginan yang cepat. Pemanasan diatas suhu kritis kemudian disusul pendingan yang cepat akan membentuk fasa martensit yang bersifat sangatkeras dan getas.
D.2. Penambahan Unsur Paduan
Unsur paduan karbon paling banyak digunakan untuk meningkatkan kekerasan bajka. Unsur karbon memiliki sifaty sebagai pengikat molekul logam sehingga penambahan karbon dapat meningkatkan ikatan antar molekul sehingga mengakibatkan baja tersebut kuat,tapi akan menurunkan keuletan.
(sumber:www.ramuantahanlama.com/tag/meningkatkan-kekerasan-mr-p)
E. Beberapa Macam Unsur Paduan
1) Chrom (Cr) dapat menambah kkekuatan tarik dan meningkatkan ketahanan terhadap korosi pada suhu tinggi.
2) Mangan (Mn) menambah kekuatan dan elastisitas, kekerasan dan keuletan.
3) Silikon (Si) menambah kekuatan, ketahanan terhadap asam pada suhu tinggi dan ketahanan listrik.
4) Nikel (Ni) meningkatkan sifat mekanis, keuletan, kemampukerasan dan mengurangi sifat magnet.
5) Molibden dan Wolform menambah kekuatan dan kekerasan terutama pada suhu tinggi.
6) Phospor (P) berpengaruh dalam kekerasan sehingga harus dijaga seminimal mungkin dengan batas hingga 40 %.
7) Sulfur (S) bertujuan untuk memperbaiki dan meningkatkan sifat mekanik.
8) Vanadium (V) digunakan untuk poros dan bagian mesin yang membutuhkan kekuatan tarikdan regangan.
(Sumber:http://www.scribd.com/doc/51579783/unsur-paduan)
F. Pengaruh Unsur Paduan Terhadap Kekerasan
Sifat unsur paduan berbeda dengan logam murni, dimana peningkatan kekerasan dan keuletan disebabkan adanya atom-atom penyusun yang menghambat terjadinya dislokasi kristal sewaktu deformasi plastis. Hambatan ini terjadi karena adanya dislokasi yang tidak bergerak bebas melalui unsur-unsur paduan.
Unsur paduan pada baja sangat berpengaruh terhadap nilai kekerasan,keuletan serta kelelahan suatu baja Unsur Utama penyusun baja adalah Carbon (C)
Karbon merupakan unsur 'pengeras utama' pada baja. Jika kadar Carbon ditingkatkan maka akan meningkatkan kekuatannya akan tetapi nilai impact baja tersebut akan menurun.
Ada 3 jenis pembagian baja : Baja Construksi (kandungan Karbon antara 0,1-0,6%), baja karbon perkakas (0,5-1,4%), baja Case hardening (0,005- 0,25%).
Mangan juga sangat berperan dalam meningkatkan kekuatan dan kekerasan suatu logam baja, menurunkan laju pendinginan sehingga mampu meningkatkan mampu keras baja dan kekuatan terhadap tahanan abrasi.
Hal ini dikarenakan mampu mengikat belerang yang mampu memperkecil terbentuknya sulfida besi yang bisa menyebabkab abrasi (HOT-Shortness) dapat diminimalkan. Mangan banyak dipakai untukkontruksi rel kereta api. Silikon mampu menaikkan kekerasan dan elastisitas akan tetapi menurunkan kekutan tarik dan keuletan dari baja (baja pegas dan material tahan asap di perusahaan petro kimia banyak menggunakan jenis baja ini).
Cromium (Cr) didalam Baja cromium ini dapat digunakan untuk meningkatkan mampu las dan mampu panas baja. Kekuatan tarik, ketangguhan serta ketahanan
terhadap abrasi juga bisa meningkat. Bisa juga meningkatkan Harden Ability material jika mencapai kandungan 50%. Nikel (Ni) nikel sangat penting untuk kekuatan dan ketangguhan dalam baja dengan cara mempengaaruhi proses tranformasi fasanya. Jika Ni banyak maka austenit akan stabil hingga mencapai temperatur kamar. Molibden (Mo) Meningkatkan kadar kekerasan,ketangguhan, keuletan,ketahanan baja terhadap temperatur yang tinggi. Mo juga bisa menurunkan temper embritment.
Wolfram (Wo) Senyawa ini akan membentuk senyawa Carbidda di dalam material. Sehingga akan menyebabkan material menjadi lebih kuat, tahan abrasi serta memperlambat pertumbuhan butir di dalam kawasan HAZ Vanadiun (Va) Memeberikan pengaruh positf terhadap kekuatan tarik,
kekuatan dan kekerasan pada tmperatur tinggi seta meningkatkan batas mulur juga. Baja Tahan Karat (Stainless Steel)
Baja tahan karat dapat diartikan sebagai material yang sebagian besar mengandung besi dan sedikitnya mengandung 11% kromium. [3] Penambahan kromium ini bertujuan untuk membentuk lapisan krom oksida yang berfungsi sebagai lapisan pasif
unsur paduan lain yang sering ditambahkan adalah nikel, molibdenum, mangan, tembaga, titanium, aluminium, silikon, sulfur, niobium, nitrogen dan selenium.
Untuk jenis dan tipe baja tahan karat sesuai dengan penambahan dan pengurangan paduan.
(Sumber:http://rainimcoming.blogspot.com/2010/02/pengaruh-unsur-paduan-terhadap-baja.html)
G. Hal-hal yang Mempengaruhi Kekerasan
1. Temperatur
Semakin tinggi temperatur dari perlakuan panas, maka bahan akan semakin lunak, karena suhu tinggi menyebabkan gaya ikat partikel makin kurang, sehingga mudah berdeformasi apabila dikenai penetrasi.
2. Waktu Pemanasan
Semakin lama waktu pemanasan, maka temperatur tentu akan bertambah, akibatnya material akan melunak.
3. Media pendingin
Media pendingin memiliki densitas dan viskositas yang dapat mempengaruhi laju penyerapan kalor dari benda yang didinginkannya. Apabila densitas media pendingin semakin rendah maka laju penyerapan kalornyapun rendah, akibatnya struktur butir akan menghasilkan sifat martensit yang lunak.
4. Unsur paduan
Sifat unsur paduan berbeda dengan logam murni, dimana peningkatan kekerasan dan keuletan disebabkan adanya atom-atom penyusun yang menghambat terjadinya dislokasi kristal sewaktu deformasi plastis. Hambatan ini terjadi karena adanya dislokasi yang tidak bergerak bebas melalui unsur-unsur paduan.
5. Kandungan kadar karbon
Semakin tinggi kandungan karbon yang dimiliki oleh suatu material, maka tingkat kekerasannya akan semakin tinggi.
(Sumber:http://www.scribd.com/doc/51579733/HARDNESS-TEST)
H. Kekerasan Meyer
Meyer mengajukan definisi kekerasan yang lebih rasional dibandingkan dengan yang diajarkan Brinell yang didasarkan pada luas proyeksi retak, buakn keras permukaannya. Tekanan rata-rata antara luas penumbuk atau lekukan adalah sama beban luas proyeksi lekukan.
Meyer mengemukakan bahwa kekerasan/tekanan rata-rata ini dapat diambil sebagai ukuran kekerasan dan dinamakan kekerasan Meyer.
Kekerasan Meyer mempunyai satuan Kg/mm2, kekerasan kurang peka terhadap bahan yang diterapkan dibanding kekerasan Brinell. Untuk bahan-bahan yang mengalami pekerjaan dingin kekerasan Meyer pada dasarnya tetap, sedangkan kekerasan Brinell akan mengecil bila beban bertambah. Karena lekukan yang terjadi mengakibatkan kekerasan renggang.
(Sumber:www.scribd.com/doc/30683837/uji-kekerasan)
I. Jominy Test
Bagi setiap jenis baja mendapat hubungan langsung dan konsistensi antara kekerasan dan laju pendinginan. Akan tetapi hubungan ini tidak linear selain itu landasan teori untuk analisa kuantatif cukup rumit. Karena menyangkut variable seperti: unsure paduan ketidak murnian, suhu austenit. Untunglah bahwa ada pengujian stendart yang singkat yang memungkinkan ahli teknik memperkirakan kekerasan. Pada penggunaan tertentu dan membandingkan kekerasan antar berbagai jenis baja. Percoban uji ini adalah percobaan jominy dimana batang bulat dengan ukuran tertentu dipanaskan pada daerah austenit dan disemprot ujungnya dengan air yang mempunyai kecepatan aliran dan tekanan tertentu nilai kekerasan sepanjang gradien lauju pendinginan diukur dengan pengukuran kekerasan Rockwell dan hasilnya digabarkan sebagai kurva kemampukerasan
Kurva kemampukerasan jominy besar sel\kali manfaat praktisnya karena
1. bila laju pendinginan baja diketahui maka kekerasannya dapat langsung dibaca dari kurva kemampukersan baja tersebut.
2. bila kekerasan suatu titik dapat diukur maka laju pendinginan dari titik tersebut dapat diperoleh dari kurva kemampukerasan tersebut.
(Sumber:gesafalugongesa.wordpress.com/.../hardenability-and-jominy-test/)
Kurva Kekerasan Vs Kadar Karbon
Gambar tersebut memperlihatkan nilai maksimum dari kekerasan dengan meningkatnya kadar karbon dalam baja. Nilai karbon mempengaruhi kekerasan, niali kekerasan maksimum ini hanya diperoleh apabila terbentuk 100% Martensit. Baja yang bertransformasi dengan cepat dari austenit menjadi ferit plus karbida mempunyai kemampukerasan rendah karena terbentuk (α + E) dan bukan martensit. Sebaliknya, baja yang bertransformasi sangat lambat dari austenit menjadi ferit plus karbida memiliki kemampukerasan yang tinggi dan kekerasan yang lebih tinggi dapat dicapai dipusat sepotong baja meskipun pada bagian ini laju pendinginannya lebih lambat.
(Sumber:http://www.scribd.com/doc/51579763/kurva-kekerasan)
Kurva Kekerasan Vs Temperatur
Hubungan antara kekerasan dengan temperatur adalah makin tinggi suhu pemanasan maka bahan akan semakin lunak karena suhu yang tinggi tersebut menyebabkan jarak molekul akan semakin merenggang, sehingga daya ikat berkurang, dengan semakin rendahnya daya ikat antar molekul, maka bahan tersebut akan semakin ulet dan lunak. Begitupun sebaliknya, temperatur yang rendah mnyebabkan terbentuknya fasa martensit yang mempengaruhi sifat bahan dimana semakin keras dan getas.
(Sumber:http://www.scribd.com/doc/51579773/kurva-kekerasan)
Tidak ada komentar:
Posting Komentar