Sub Modul Praktikum
PRAKTIKUM UJI KETANGGUHAN BAHAN
Tim Penyusun Herdi Susanto, ST, MT NIDN :0122098102 Joli Supardi, ST, MT NIDN :0112077801
Mata Kuliah FTM 006 Material Teknik + Praktikum
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS TEUKU UMAR TAHUN 2015
PRAKATA
Puji
syukur
menganugerahkan
kehadirat
keberhasilan
Allah bagi
SWT
kami
yang
dalam
telah
menyelesaikan
penyusunan buku Modul Praktikum Material Teknik dengan Sub Modul Praktikum Mandiri
Uji Ketangguhan Bahan , yang di adaopsi dari Penelitian dengan
judul “Rancang
Bangun
Alat Uji
Impact Tipe
Charpy ”. Ucapan terima kasih kami haturkan kepada Universitas Teuku Umar dukungan moril dan pencerahan diri sehingga penelitian
dapat
terlaksana dengan dengan telaksana penelitian sehingga buku Sub Modul Praktikum ini dapat disusun oleh tim penyusun ucapkan
terima
Kemudian,
kami
kasih kepada pihak Fakultas Teknik dan terutama
kepada Jurusan Teknik Mesin yang telah memberikan kerja sama yang sangat baik bagi kelancaran penyusunan buku ini. Tidak lupa pula kami haturkan terima kasih kepada seluruh tim
penyusun buku dan peneliti mulai darimahasiswa tugas akhir sampai dengan staf pengajar yang telah mencurahkan seluruh tenagadan pikirannya dalam menyelesaikan penelitian ini. Terima yang
kasih
juga
kami
ucapkan
kepada
semua
pihak
telah membantu keberhasilan penyusunan buku ini ini yang
kiranya tidak mungkin kami sebutkan satu persatu di sini. Akhirnya, semoga buku modul praktikum
ini bisa menjadi
rujukan untuk kegiatan praktikum mahasiswa
Meulaboh, 30 Desember 2015
Tim Penyusun
4
BAB I TINJAUAN PUSTAKA
1.1.
Ketangguhan Bahan Ketangguhan bahan adalah suatu ukuran energi yang diperlukan untuk
mematahkan suatu bahan. Bahan yang bersifat ulet akan memerlukan energi perpatahan yang lebih besar dan mempunyai sifat tangguh yang lebih baik dari pada bahan yang bersifat getas dengan kekuatan bahan yang sama. Penurunan ketangguhan bahan sangat beresiko dan dapat berakibat fatal, oleh karena itu ketangguhan perlu diukur atau dikuantifikasi secara konvensional, hal tersebut dilakukan dengan uji impak atau benturan. Pengujian impak bertujuan untuk mengukur berapa energi yang dapat diserap suatu material sampai material tersebut patah. Pengujian
impak
merupakan respon terhadap beban kejut atau beban tiba-tiba (beban impak) [3]. Dalam pengujian impak terdiri dari dua teknik pengujian standar yaitu Charpy dan
Izod. Pada pengujian standar
Charpy dan Izod, dirancang dan masih
digunakan untuk mengukur energi impak yang juga dikenal dengan ketangguhan takik [3]. 1.2.
Metode Izod Menggunakan batang impak kantilever. Benda uji izod sangat jarang
digunakan pada saat sekarang ini. Pada benda uji izod mempunyai penampang lintang bujur sangkar atau lingkaran dan bertakik V didekat ujung yang di jepit.
1.3.
Metode Charpy Menggunakan batang impak yang ditumpu pada kedua ujungnya. Benda
uji charpy mempunyai luas penampang lintang bujur sangkar dan memiliki takik V – 450, dengan jari-jari dasar 0,25 mm dan kedalaman 2 mm. Benda uji diletakkan pada tumpuan dalam posisi mendatar dan bagian yang bertakik diberi beban impak dengan ayunan bandul. Benda uji akan melengkung dan patah pada laju regangan yang tinggi [4]. Menurut ASTM, standarisasi Notched Bar Test adalah ASTM E 23-01, kedua metode di atas dapat di lihat pada gambar 1.1.
Gambar 1.1. Metode Pengujian Impak Sumber : Calliester, 2007
1.4.
PengujianAlat Uji Impak Metode Charpy Dalam menentukan ketahanan logam terhadap pembebanan kejut (Impact
Strenght), prinsipnya adalah berapa besar gaya kejut yang dibutuhkan untuk mematahkan benda uji dibagi dengan luas penampang bahan [5].
Spesimen Charpy berbentuk batang dengan penampang lintang bujur sangkar dengan takikan V oleh proses permesinan (gambar 1.2.a). Mesin pengujian impak diperlihatkan secara skematik dengan (gambar 1.2.b). Beban didapatkan dari tumbukan oleh palu pendulum yang dilepas dari posisi ketinggian h. Spesimen diposisikan pada dasar seperti pada (gambar 1.2.b) tersebut. Ketika dilepas, ujung pisau pada palu pendulum akan menabrak dan mematahkan spesimen ditakikannya yang bekerja sebagai titik konsentrasi tegangan untuk pukulan impak kecepatan tinggi. Palu pendulum akan melanjutkan ayunan untuk mencapai ketinggian maksimum h’ yang lebih rendah dari h. Energi yang diserap dihitung dari perbedaan h’ dan h (mgh – mgh’), adalah ukuran dari energi impak. Posisi simpangan lengan pendulum terhadap garis vertikal sebelum dibenturkan adalah α dan posisi lengan pendulum terhadap garis vertikal setelah membentur spesimen adalah β.
Gambar 1.2. Metode Impak Type Charpy Sumber : Calliester, 2007
1.5.
Prinsip Dasar Mesin Uji Impak Apabila pendulum dengan berat G dan pada kedudukan h1 dilepaskan,
maka akan mengayun sampai kedudukan posisi akhir 4 pada ketinggian h 2 yang juga hampir sama dengan tinggi semula (h1), dimana pendulum mengayun bebas. Pada mesin uji yang baik, skala akan menunjukkan usaha kilogram meter (kg.m) pada saat pendulum mencapai kedudukan 4. seperti terlihat pada Gambar 1.3.
Gambar 1.3. Prinsip Dasar Mesin Uji Impak
Apabila batang uji dipasang pada kedudukannya dan pendulum dilepaskan, maka pendulum akan memukul batang uji dan selanjutnya pendulum akan mengayun sampai kedudukan 3 pada ketinggian h2.
Usaha yang dilakukan pendulum waktu memukul benda uji atau usaha yang diserap benda uji sampai patah dapat diketahui dengan menggunakan persamaan 1.1, [5, 6, 3]: W1
= G x h1 (Kg.m) ........................................................................ 1.1
Atau dengan menggunakan persamaan 1.2 : W1
= G x λ (1 – cos α) (Kg.m) ....................................................... 1.2
Dimana : W1
= Usaha yang dilakukan (Kg.m)
G
= Berat pendulum (Kg)
h1
= Jarak awal antara pendulum dengan benda uji (m)
λ
= Jarak lengan pengayun (m)
cos λ = Sudut posisi awal pendulum Sedangkan sisa usaha setelah mematahkan benda uji dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 1.3 : W2
= G x h2 (Kg.m) ........................................................................ 1.3
Atau dengan menggunakan persamaan 1.4 : W2
= G x λ (1 – cos β) (Kg.m) ...................................................... 1.4
Dimana : W2
= Sisa usaha setelah mematahkan benda uji (Kg.m)
G
= Berat pendulum (Kg)
H2
= Jarak akhir antara pendulum dengan benda uji (m)
λ
= Jarak lengan pengayun (m)
cos β = Sudut posisi akhir pendulum Besarnya usaha yang diperlukan untuk memukul patah benda uji dapat diketahui melalui persamaan 1.5 : W
= W1 – W2 (Kg.m) ................................................................... 1.5
Sehingga dari persamaan diatas diperoleh persamaan 1.6 : W2
= G x λ (cos β – cos λ) (Kg.m) ................................................. 1.6
W
= Usaha yang diperlukan untuk mematahkan benda uji (Kg m)
W1
= Usaha yang dilakukan (Kg m)
W2
= Sisa usaha setelah mematahkan benda uji (Kg m)
G
= Berat pendulum (Kg)
λ
= Jarak lengan pengayun (m)
dimana :
cos λ = Sudut posisi awal pendulum cos β = Sudut posisi akhir pendulum Besarnya harga impak setelah dilakukan pengujian dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 1.7:
K
=
W ........................................................................................ 1.7 A0
dimana : K
= Nilai impak (Kg m/mm2)
W
= Usaha yang diperlukan untuk mematahkan benda uji (Kg m)
Ao
= Luas penampang di bawah takikan (mm2)
Pengujian impak dapat di identifikasi sebagai berikut [5,7]: 1. Material yang getas, bentuk patahannya akan permukaan merata, hal ini menunjukkan bahwa material yang getas akan cenderung patah akibat tegangan normal. 2. Material yang ulet akan terlihat meruncing, hal ini menunjukkan bahwa material yang ulet akan patah akibat tegangan geser. 3. Semakin
besar
posisi
sudut
β
akan
semakin
sebaliknya. Artinya pada material getas, energi
getas, demikian
untuk mematahkan
material cenderung semakin kecil, demikian sebaliknya.
BAB II METODE PELAKSANAAN PRAKTIKUM
2.1.
Waktu dan Tempat Penelitian Praktikum dilaksanakan di Laboratorium / workshop Universitas Teuku
Umar (Workshop M UTU). Setiap kejadian, respon dan hasil yang diperoleh selama menjalankan kegiatan dicatat dalam dokumentasi dengan bantuan komputer untuk menjamin akuntabilitas hasil penelitian. 2.2. Bahan dan Alat Pada penelitian ini menggunakan bahan dan yang terbuat dari kuningan , baja karbon dan tembaga. 2.2.1. Spesimen Uji Dimensi dan ukuran spesimen dibuat berdasarkan standar ASTM E 2302 tipe A, seperti terlihat pada gambar 2.1.
10 mm
450 10 mm 55 mm Gambar 2.1.Dimensi dan ukuran spesimen uji impak charpy. Sumber : ASTM E 23-02.
2.3.
Alat Praktikum Peralatan Alat uji yang di gunakan pada praktikum ini adalah Alat uji
impak Machine dengan spesifikasi seperti yang di tunjukan pada gambar 2.2.
Gambar 2.2. Alat Uji Impak Sumber : Farizal dan Jufrianto, 2013 Keterangan : Skala pengukur energy impak Pengunci Pendulum Rellintasan Pendulum Kerangka utama Kerangka penyangga Bandul dan Pedal rem 2.4.
Peralatan Kerja
Peralatan kerja yang digunakan dalam pembuatan spesimen kuningan alat uji impak tipe charpy adalah sebagai berikut : 2.4.1. Gergaji Tangan dan Ragum Alat pendukung kerja ini yang digunakan dalam proses pemotongan (spesimen), dengan mengunakan ragum ini untuk mengikat spesimen sewaktu di potong, untuk alat pemotongan spesimen dengan mengunakan gergaji tangan,
2.4.2. Jangka sorong. Jangka sorong ini digunakan untuk menggukur panjang dan lebar, juga menggukur kedalaman takik spesimen sampai dengan 200 mm, ketelitian 0,05 mm 2.4.3. Kikir Tangan Alat pendukung kerja yang digunakan dalam proses pembuatan spesimen untuk membuat takikan pada spesimen dengan penampang sudut 45 0 kikir ini mempunyai panjangnya 10 mm, 2.5.
Pengujian alat uji impak type charpy Pengujian alat uji impak menggunakan material
kuningan dengan
langkah- langkah pengujian sebangai berikut: 1. Mengangkat Bandul 1400 dengan cara memutar melawanan arah jarum jam secara pelahan-lahan. 2. Meletakkan benda uji (spesimen) pada tempat tumpuan dengan benarbenar pada posisi tegah, dimana pisau pada bendul spesimen sejajar dengan takikan benda tersebut. 3. Menyetel posisi jarum skala ukuran di 00 4. Sebelum di tarik kunci bandul pada pendulum harus ditekan pedal rem atau di tekan dengan kaki. 5. Tarik
pengunci
bandul atau
mematahkan spesimen benda uji.
melepaskan untuk
mengayun
dan
6. Pedal rem di lepaskan untuk menghentikan bandul. 7. Melihat dan mencatat hasil data pengujian yang di tujukan oleh jarum penunjuk pada busur derajat. 8. Masukan data energi impak yang telah di uji pada tabel berikut.
2.8.
Diagram Alir Praktikum Rangkaian kegiatan yang dilakukan dalam praktikum ini dapat dilihat
dalam gambar 2.6.
Mulai Persiapan dan Pembuatan Spesimen ASTM E 23 Pengujian Alat Uji Validasi Alat Uji Analisa Data Kesimpulan Penelitian Selesai Gambar 3.6. Diagram alir penelitian
3.9.
Proses Pembuatan Spesimen
3.9.1. Pemotongan spesimen. Spesimen kuningan ini merupakan campuran dari tembaga dan seng, Tembaga merupakan komponen utama dari kuningan dan kuningan biasanya di klasifikasikan sebangai paduan tembaga dengan bedasarkan
ASTM E 23-02
dengan dimensi 10 mm x 10 mm x 55 mm 3.9.2. Proses meratakan spesimen Kertas Atlas Brand ini untuk meratakan pinggir spesimen alat uji dalam penelitian ini dengan mengunakan ukuran kertas gosok P400 dan P600 3.9.3. Proses Pembuatan Takik. Spesimen kuningan ini setelah di ukur dan pemotongan maka harus dibuat takik pada ukuran tengah- tengah spesimen dengan kedalaman takik 2 mm 3.9.4. Proses pengukuran Spesimen. Dengan selesainya proses pemotongan, maka di lanjutkan denga proses meratakan dengan mengunakan kertas Atlas Brand, dengan dua cara, yang pertama dengan mengunakan kertas Atlas Brand P 400, yang ke dua mengunakan kertas Atlas Brand P 600, sehingga baru proses pengukuran spesimen, dengan pengukuran, panjang, dan lebar, juga ukuran takik,
3.10. Proses Pengujian Langkah-langkah dalam proses pengujian alat uji impak tipe charpy adalah sebagai berikut : 3.10.1.Proses mengangkat bandul pada pengunci. Mengangkat bandul pada pengunci, dari 00 diangkat pada posisi sudut 1400, mengangkat bandul dengan cara memutar dan melawan arah jarum jam secara pelahan-lahan 3.10.2. Proses peletakan spesimen pada tumpuan. Peletakan benda uji pada tempat tumpuan, alat uji harus benar-benar pada posisi tegah, dimana pisau pada bendul spesimen sejajar dengan takik, dan posisi kedudukan takik membelakangi bandul 3.10.3. Proses skala energi impak di 00 Setelah di angkat bandul maka, posisi jarum skala energi impak di 0 0
3.10.4. Proses penekanan Pengereman bandul. Sebelum ditarik kunci bandul pada pendulum, maka harus di tekan pedal rem untuk tidak
terjadi pengereman waktu bandul
pengujian spesimen,
mengayun atau waktu
3.10.5. Proses penarikan Pengunci Pendulum Tarik pengunci bandul atau melepaskan pengunci untuk melihat perpatahan spesimen benda uji yang diletakan pada posisi tumpuan, 3.10.6. Proses pembacaan skala energi impak. Melihat dan mencatat hasil data pengujian yang ditujukan oleh jarum penunjuk pada busur derajat
BAB III PRAKTIKUM KETANGGUHAN BAHAN
3.1.
Hasil Praktikum
3.1.1. Hasil spesimen yang telah di uji Spesimen yang di uji material kuningan nilai skala spesimen I dan III= 660 dan spesimen II= 680 4.1.2. Pengisian data pada tabel energi impak. Hasil pengujian alat uji impak type (charpy) untuk material kuningan, di isi pada tabel di bawah ini. Tabel 4.1. Tabel hasil Perhitungan Derajat Energi Impak NO
Material
Nomor Spesimen
1
Kuningan
Spesimen 1
2
Kuningan
Spesimen 2
3
Kuningan
Spesimen 3
Derajat Energi impak (0)
3.2.
Menghitung energi impak material kuningan Evaluasi terhadap hasil perhitungan energi impak dilakukan dengan
menghubungkan sudut derajat energi impak terhadap persamaan standar pengujian impak dari persamaan 2.2 dimana : W1
= G x λ (1 – cos α) (kg.m) ....................................................... 4.1
Dimana : W1
= Usaha yang dilakukan (Kg.m)
G
= Berat pendulum (Kg)
λ
= Jarak lengan pengayun (m)
cos α = Sudut posisi awal pendulum Data dari alat uji impak diketahui G = 6 Kg, λ = 0,55 m, α = 1400, maka dihasilkan usaha awal yang dilakukan (W1) adalah : W1
= G x λ (1 – cos α)
W1
= 6 Kg x 0,55 m (1 – cos 1400)
W1
= 3.3 Kg.m (1 + 0.766)
W1
= 3,3 Kg.m (1.766)
W1
= 5,8278 Kg.m
Usaha awal yang dilakukan oleh alat uji impak tipe charpy yang direncanakan adalah sebesar 5,8278 Kg.m Untuk menghasilkan besarnya energi awal alat uji impak tipe charpy dalam satuan Joule atau N.m maka :
a) Satuan Kg.m dikalikan dengan standar gravitasi bumi 9,80 m/det menghasilkan 5,8278 Kg.m x 9,80 m/det = 57,11 Kg.m2/s2, jika satuan Kg.m2/s2 = N.m., maka 57,11 Kg.m2/s2 sama dengan 57,11 N.m b) Satuan N.m sama dengan satuan Joule ( 1 N.m = 1 Joule), maka kapasitas maksimum alat uji impak yang direncanakan desainnya ini adalah 57,11 N.m atau 57,11 Joule. Adapun sisa usaha setelah mematahkan benda uji dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.4 : W2
= G x λ (1 – cos β) (Kg.m) ....................................................... 4.2
Dimana : W2
= Sisa usaha setelah mematahkan benda uji (Kg.m)
G
= Berat pendulum (Kg)
λ
= Jarak lengan pengayun (m)
cos β = Sudut posisi akhir pendulum jika diasumsikan bahwa sudut posisi akhir pendulum setelah pengujian adalah 660 (β), maka akan dihasilkan sisa usaha setelah mematahkan benda uji adalah : 1)
Spersimen I W2
= G x λ (1 – cos β)
W2
= 6 Kg x 0,55 kg (1 – Cos 660)
W2
= 3.3 Kg.m (1 - 0,4067)
W2
= 3.3 Kg.m (0,5933)
W2
= 1,9579 Kg.m
2) Spersimen II
3)
W2
= G x λ (1 – cos β)
W2
= 6 Kg x 0,55 kg (1 – Cos 680)
W2
= 3.3 Kg.m (1 - 0,3746)
W2
= 3.3 Kg.m (0,6254)
W2
= 2,063 Kg.m
Spesimen III
W2
= G x λ (1 – cos β)
W2
= 6 Kg x 0,55 Kg (1 – Cos 660)
W2
= 3.3 Kg.m (1 - 0,4067)
W2
= 3.3 Kg.m (0,5933)
W2
= 1,9579 Kg.m
Jadi sisa usaha setelah mematahkan benda uji material kuningan oleh alat uji impak tipe charpy yang direncanakan pada spesimen III
adalah sebesar
1,9579 Kg.m. Dan besarnya usaha yang diperlukan untuk memukul patah benda uji dapat diketahui melalui persamaan 2.5 : W
= W1 – W2 (Kg.m) .................................................................... 4.3
dimana : W
= Usaha yang diperlukan untuk mematahkan benda uji (kg.m)
W1
= Usaha yang dilakukan (kg.m)
W2
= Sisa usaha setelah mematahkan benda uji (kg.m)
Dengan menggunakan data diatas dimana W1 = 5,8278 Kg.m dan W2 = 2,063 Kg.m, maka akan dihasilkan usaha yang diperlukan alat uji yang direncanakan untuk mematahkan benda uji adalah sebesar : Spesimen II W
= W1 – W2
W
= 5,8278 Kg.m – 2,063 Kg.m
W
= 3,7648 Kg.m
Spesimen I dan III W
= W1 – W2
W
= 5,8278 Kg.m – 1,9579 Kg.m
W
= 3,870 Kg.m
Besarnya harga impak setelah dilakukan pengujian dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.7
K
=
W ....................................................................................... 4.4 A0
dimana : K
= Nilai impak (Kg m/mm2)
W
= Usaha yang diperlukan untuk mematahkan benda uji (Kg m)
Ao
= Luas penampang di bawah takikan (mm2)
Spesimen I dan III adalah W = 0,047 Kg.m dan spesimen II W= 0,048 kg.m, dan luas penampang spesimen yang direncanakan berdasarkan standar ASTM E 23-07 tipe A, seperti terlihat pada Gambar 4.12.
450
10 mm
55 mm
10 mm
Gambar 4.2. Dimensi dan ukuran spesimen uji impak charpy. Sumber : ASTM E 23-02, 2002 Maka diketahui dari gambar 4.12. dimensi dan ukuran spesimen uji impak charpy adalah luas penampang di bawah takikan A0 adalah : A0
= t x l (mm2) ............................................................................. 4.5
Dimana : T
= Tinggi spesimen dibawah takik (mm)
L
= Lebar spesimen (mm)
Dari dimensi dan ukuran spesimen type A alat uji impak charpy ASTM E23-02, diketahui bahwa T = 8 mm dan L = 10 mm, maka dihasilkan luas penampang dibawah takikan A0 adalah A0
= t x l (mm2)
A0
= 8 mm x 10 mm
A0
= 80 mm2
Jika A0 telah diketahui sebesar 80 mm2, maka besarnya harga impak setelah dilakukan pengujian, adalah : Spesimen I dan III
K
=
W A0
K
=
3,7648 kg.m 80mm 2
K
= 0,047 kg m/mm2
Spesimen II
K
=
W A0
K
=
3,870 kg.m 80mm 2
K
= 0,048 kg m/mm2
Hasil perhitungan untuk 3 spesimen kuningan yang ditunjukkan pada tabel 4.2 Tabel 4.2. Tabel hasil Perhitungan Energi Impak
NO Material
Derajat Energi
Energi Impak
impak (0)
Kg.m/mm2
Nomor Spesimen
1
Kuningan
Spesimen 1
66
0,047
2
Kuningan
Spesimen 2
68
0,048
3
Kuningan
Spesimen 3
66
0,047
Maka dapat diketahui bahwa besarnya energi impak terhadap rata-rata material kuningan adalah : 1) Spesimen I K = 0,047 Kg m/mm2 2) Spesimen II K = 0,048 Kg m/mm2 dan 3) Spesimen III K = 0,047 Kg m/mm2
Krata2 =
=
Krata2 =
,
,
,
. /
Krata2 = 0,047 kg.m/mm2.
,
