BAHAN DAN PROSES 1

 BAHAN DAN  PROSES

      Pendahuluan

Pemilihan  material  adalah  merupakan  salah  satu  langkah  penting  dalam  perancangan mesin.  Jenis  material  apa  yang  sebaiknya  digunakan  untuk  komponen  tertentu?  Ini adalah pertanyaan yang sangat dasar yang sering dihadapi perancang. Karakteristik apa saja  yang  harus  dipertimbangkan  :    kekuatannya?    tahan  korosi?  density?  machine ability?  dan  pertanyaan-pertanyaan  lain-lainnya.  Seandainya  perancang  telah mendapatkan  jenis material yang cocok, biasanya masih ada kendala-kendala  lain yang harus dihadapi  seperti misalnya  harganya  mahal, material  tidak tersedia  di pasar.. dan kendala lainnya.

Kegiatan   pemilihan   material   dan  proses   manufacturing/fabrikasi   adalah   merupakan bagian  yang  terintegrasi  dalam  perancangan  mesin.  Jadi  kemampuan  dalam mengeksploitasi  potensi dan karakteristik  serta sifat-sifat material adalah essensial bagi insinyur perancangan mesin.   Gambar 2.1 menjelaskan hubungan yang menunjukkan integrasi  antara  desain,  pemilihan  material  dan proses  produksi  dalam  pengembangan peralatan mesin.

Gambar 1 Hubungan terintgrasi antara desain, material, dan proses produksi[ashbey]

    Klasifikasi Material

Terdapat  banyak  sekali  jenis  material  yang  tersedia  di  alam.  Di  dalam  dunia  teknik, material  umumnya  diklasifikasikan  menjadi  lima  jenis  yaitu  : material  logam,  keramik, glass, elastomer,  polymer,  dan material  komposit.  Gambar  2.2 menunjukkan  klasifikasi material  teknik tersebut.  Saat ini penggunaan  material  logam dan berbagai  paduannya

masih   mendominasi    bahan   peralatan   mesin.   Contoh   :   engine   dan   komponen- komponennya 99% terbuat dari logam. Penggunaan material komposit dan keramik untuk perlatan mesin pada akhir abad 20 mulai berkembang  cukup pesat.   Contoh : komposit untuk struktur pesawat terbang, struktur kapal cepat, pipa, tangki dll, sedangkan keramik digunakan untuk bearing, dan komponen tribologi lainnya. Mengingat saat ini komponen mesin umumnya  terbuat dari logam maka dalam bab ini pembahasan  lebih fokus pada material logam dan paduannya.  Untuk memahami  lebih jauh tentang material yang lain, pembaca disarankan membaca referensi dalam bab ini.

Gambar 2 Klasifikasi material teknik[ashbey]

Sifat Mekanik Material

Pemahaman yang menyeluruh mengenai sifat-sifat material, perlakuan, dan proses pembuatannya   sangat  penting  untuk  perancangan   mesin  yang  baik.  Sifat  material umumnya diklasifikasikan menjadi sifat mekanik, sifat fisik, sifat kimiawi. Di dalam bab ini kita hanya membahas sifat-sifat mekanik.

Sifat mekanik secara umum ditentukan melalui pengujian destruktif dari sampel material pada kondisi pembebanan yang terkontrol. Sifat mekanik yang paling baik adalah didapat dengan   melakukan   pengujian   prototipe   atau   desain   sebenarnya   dengan   aplikasi pembebanan  yang sebenarnya.  Namun  data spesifik  seperti  ini tidak mudah  diperoleh sehingga   umumnya   digunakan   data   hasil   pengujian   standar   seperti   yang   telah dipublikasikan oleh ASTM (American Society of Mechanical Engineer).

Uji Tarik dan Tensile Strength

Spesimen  uji  standar  yang  biasa  dipakai  ditunjukkan  pada  gambar  2.3.  Batang  yang dipakai untuk pengujian material biasanya mempunyai  diameter standar do  dan panjang ukur standar lo. Panjang ukur adalah panjang tertentu sepanjang bagian yang berdiameter kecil dari spesimen yang ditandai dengan dua takikan sehingga pertambahan panjangnya dapat diukur selama pengujian. Pengujian dilakukan dengan menarik batang uji perlahan- lahan sampai patah, sementara beban dan jarak panjang ukur dimonitor secara kontinyu. Contoh  hasil  pengujian  ini adalah  kurva  tegangan-regangan  seperti  yang  dapat  dilihat pada gambar 2.4

Hasil uji tarik dapat ditampilkan dalam bentuk kurva “Tegangan-regangan”.  Dimana

¾   Tegangan  (σ) didefinisikan  sebagai  beban  per satuan  luas dan untuk  spesimen  uji tarik dirumuskan sebagai berikut :

σ =  P  Ao

(2. 1)

Dimana  P  adalah  beban     yang  bekerja  sedangkan  Ao   adalah  luas  penampang spesimen. Satuan untuk tegangan adalah Psi atau Pa.

¾   Regangan adalah perubahan panjang per satuan panjang dan dapat dihitung sebagai

berikut :

ε = l − lo

lo

(2. 2)

Dimana  lo   adalah  panjang  awal  sedangkan  l  adalah  panjang  spesimen  setelah mendapat beban P.

Gambar 2.3 Spesimen uji tarik

Gambar 4 Kurva tegangan-regangan hasil uji tarik, (a) baja karbon rendah, (b) baja karbon tinggi

(annealed).

Sifat-sifat material yang dapat ditentukan dari uji tarik adalah :    Modulus elastisitas

Titik pl pada gambar 2.4 menunjukkan  batas “proporsional”  dimana dibawah titik

itu   tegangan   sebanding   dengan   regangan.       Sifat   proporsional   ini   dapat diformulasikan dengan hukum Hooke :

E = σ ε

(2. 3)

E adalah  kemiringan  kurva  tegangan-regangan  sampai  batas  proporsional  dan

disebut  sebagai  Modulus  Elastisitas  material  atau Modulus  Young.  E adalah merupakan ukuran kekakuan material pada batas elastisnya.

   Batas elastis (elastic limit)

Titik el pada  gambar  2.2a adalah  batas  elastis,  atau  titik dimana  bila batas  ini terlewati,  material akan mengalami  perubahan  permanen  atau deformasi  plastis. Batas  elastis  ini  juga  merupakan  tanda  batas  daerah  perilaku  elastis  dengan daerah perilaku plastis.

   Kekuatan luluh (Yield Strength)

Pada titik y, material mulai mengalami luluh dan laju deformasinya meningkat. Titik ini  disebut  titik  luluh  (yield  point)  dan  nilai  tegangan  pada  titik  ini didefinisikan sebagai kekuatan luluh material (Sy).

Untuk  material  yang  tidak  mempunyai  titik  luluh  yang  jelas,  kekuatan  tariknya

harus didefinisikan  dengan  menggunakan  garis offset. Garis offset ini digambar paralel dengan kurva elastis dan di-offset sejauh 0,2% dari regangan  total pada sumbu regangan.

   Kekuatan tarik ultimat (Ultimate Tensile Strength)

Tegangan   pada   kurva   tegangan-regangan    akan   terus   meningkat   sampai mencapai puncak atau nilai kekuatan tarik ultimat (Sut) pada titik u. Pada gambar

2.4  terdapat  dua  kurva  pada  masing-masing  gambar.  Kedua  kurva  ini  adalah

kurva tegangan-regangan teknik (engineering stress-strain curve) dan kurva tegangan-regangan  sebenarnya  (true stress-strain  curve). Pada kurva tegangan- regangan teknik, perhitungan tegangan dan regangan dilakukan dengan menggunakan  luas  penampang  awal  ,Ao, dan  panjang  ukur  awal,lo,  sedangkan pada   kurva   tegangan-regangan    sebenarnya   perhitungan   dilakukan   dengan

memperhitungkan perubahan luas penampang dan panjang sebenarnya.

Keuletan dan kegetasan

¾   Keuletan  (ductility)  adalah  sifat  material  yang  didefinisikan  sebagai  kecenderungan material untuk mengalami deformasi secara signifikan sebelum patah. Adapun ukuran keuletan suatu material diukur dengan menggunakan  persen perpanjangan  sebelum patah atau persen pengurangan  luas sebelum patah. Material dengan perpanjangan lebih dari 5% pada saat patah dianggap sebagai material ulet.

¾   Kegetasan  adalah  sifat  material  yang  didefinisikan  sebagai  ukuran  tidak  adanya deformasi sebelum patah. Contoh bentuk patahan spesimen untuk material ulet dan getas ditunjukkan pada gambar 2.5.

(a)                                                                           (b)

Gambar 2.5 (a) Spesimen baja ulet setelah patah, (b) Spesimen besi cor getas setelah patah

Uji Tekan dan Compression Strength

Uji tekan dilakukan dengan memberikan beban tekan kepada spesimen yang merupakan silinder  dengan  diameter  konstan.  Untuk  material  ulet,  sangat  sulit  memperoleh  kurva tegangan-regangan dari pengujian ini karena material ulet tidak akan patah bila ditekan. Kebanyakan  material  ulet  mempunyai  kekuatan  tekan  yang  sama  dengan  kekuatan tariknya. Material yang mempunyai kekuatan tarik dan kekuatan tekan yang sama disebut sebagai   even   material.   Umumnya   material   getas   mempunyai   kekuatan   tarik   dan

kekuatan  tekan  yang  berbeda  sehingga  tergolong  dalam  jenis  uneven  material.  Jadi untuk  material  getas,  uji tekan  sangat  diperlukan  untuk mendapatkan  kurva  tegangan- regangan yang lengkap. Contoh bentuk akhir uji tekan untuk material getas dan ulet ditunjukkan pada gambar 2.6.

Gambar 2.6 Spesimen uji tekan setelah patah, (a) baja ulet, (b) besi cor getas

Uji Tekuk dan Flexural Strength

Uji bending biasanya dilakukan untuk menentukan flexural strength komponen. Pengujian ini dilakukan dengan menumpu batang dengan tumpuan sederhana dan kemudian membebani batang tersebut secara transversal pada bagian tengahnya. Bila materialnya ulet, kegagalan yang terjadi berupa luluh sedangkan bila materialnya getas kegagalannya adalah berupa patahan. Gambar 2.7 menunjukkan contoh hasil akhir uji bending.

Gambar 2.7 Spesimen uji tekuk setelah gagal, (a) baja ulet, (b) baja karbon getas

Uji Puntir Shear Strength

Uji puntir  dilakukan  untuk  mengetahui  sifat geseran  pada  material.  Uji puntir  biasanya diperlukan untuk komponen yang beban utamanya adalah beban puntir. Bentuk spesimen uji  puntir   ini  tidak   jauh   berbeda   dengan   bentuk   spesimen   uji  tarik.   Gambar   2.8 menunjukkan contoh hasil akhir uji puntir.

Gambar 2.8 Spesimen uji puntir setelah gagal, (a) baja ulet, (b) besi cor getas.

Sifat-sifat mekanik dapat ditentukan dengan uji tarik adalah sebagai berikut :    Modulus kekakuan geser (Modulus of Rigidity)

Persamaan tegangan-regangan untuk puntiran murni didefinisikan sebagai berikut:

τ = Grθ

lo

(2. 4)

Dimana  τ  adalah  tegangan  geser,  r adalah  radius  spesimen,  lo  adalah  panjang ukur,  θ  adalah  puntiran  sudut  dalam  radian,  dan  G adalah  modulus  kekakuan geser.  Hubungan  G  dengan  modulus  Young  dan  rasio  Poisson’s  dinyatakan

sebagai berikut :

G =      E    

2 (1+ν )

(2. 5)

Rasio Poisson’s  (υ) adalah perbandingan  antara regangan  arah lateral dengan regangan longitudinal.

Tabel 2.1 Rasio Poisson, υ untuk beberapa material logam

Material	υ
Aluminium	0,34
Tembaga	0,35
Besi	0,28
Baja	0,28
Magnesium	0,33
Titanium	0,34

   Kekuatan geser ultimat (Ultimate shear strength)

Tegangan ketika spesimen uji putus disebut kekuatan geser ultimat atau modulus of rupture (Sus).

Sus

= Tr

J

(2. 6)

Dimana  T adalah  torsi  yang  diperlukan  untuk  memutuskan  spesimen,  r adalah radius  spesimen,  dan  J  adalah  inersia  polar  penampang  spesimen.  Bila  data

kekuatan  geser  ultimat  tidak ada, dapat  digunakan  pendekatan  sebagai  berikut

[norton] :

Baja

Logam ulet lainnya

Sus  ≅ 0,80Sut

Sus  ≅ 0,75Sut

(2. 7)

Adapun  hubungan  kekuatan  luluh  geser  dengan  kekuatan  luluh  tarik  adalah sebagai berikut:

Ssy  ≅ 0,58Sy

(2. 8)

Uji Keras dan Hardness

Uji  keras  dilakukan  untuk  mendapatkan  sifat  kekerasan  material.  Kekerasan  biasanya dapat  dinyatakan  dalam  tiga  skala  yaitu  Brinell,  Rockwell,  atau  Vickers.  Perbedaan utama dari ketiga skala ini adalah pada beban dan indentor yang digunakan dalam pengukurannya.  Masing-masing  skala  ini mempunyai  kelebihan  dimana  Vickers  hanya butuh satu setup pengujian untuk semua material, Rockwell akan memberikan kesalahan operator yang lebih kecil karena tidak perlu mikroskop, sedangkan Brinell dapat dengan

mudah dikonversikan kedalam kekuatan tarik ultimate-nya.

Sut  ≅ 500HB  ± 30HB

Sut  ≅ 3, 45HB  ± 0,2HB

psi

MPa

(2. 9)

Tabel 2.2 Nilai aproksimasi kekerasan equivalen dan kekuatan tarik ultimat untuk baja

Uji Lelah dan Endurance Limit

Dalam aplikasi nyata, banyak sekali komponen mesin yang mengalami pembebanan yang bervariasi terhadap waktu baik besar maupun arahnya. Beban seperti ini disebut beban dinamik. Beban dinamik yang bekerja bolak-balik  atau berfluktuasi   dapat menimbulkan kegagalan  lelah  (fatigue).  Sifat  mekanik  material  sehubungan  dengan  fenomena  ini adalah  kekuatan   lelah  (fatigue   strength).   Kekuatan   lelah  dapat  ditentukan   dengan melakukan uji lelah, menggunakan  mesin R.R. Moore. Gambar 2.9 menunjukkan set-up uji lelah dan beban bolak-balik yang dialami spesimen uji.

Gambar 2.9 (a) mesin uji lelah R.R. Moore, (b) Beban dinamik bolak-balik yang dialami spesimen

Hasil uji lelah material  dapat ditampilkan  dalam bentuk diagram  S-N yang menyatakan hubungan tegangan dengan jumlah siklus.

Gambar 2.10 Diagram S-N hasil uji lelah untuk material baja

Uji impak  dan Impact Resistance

Salah satu kondisi pembebanan yang terjadi pada komponen mesin adalah beban impak dan  pada  kondisi  ini  kapasitas  penyerapan   energi  sangatlah  penting.  Energi  yang dimaksud   adalah   strain   energy,   atau   daerah   di  bawah   kurva   tegangan-regangan sedangkan resilience dan toughness adalah fungsi dari luas daerah ini.

Ada dua metode uji impak yang umum digunakan yaitu metode Izod dan metode Charpy. Kedua   metode   ini   menggunakan   spesimen   yang   ditakik   dan   pendulum   sebagai pemukulnya. Perbedaan terletak pada posisi spesimen dan titik kontak pendulum dengan

spesimen.

   Resilience

Kemampuan  material untuk menyerap energi tanpa deformasi permanen disebut resilience, UR  atau disebut juga modulus of resilience dan besarnya proporsional dengan luas dibawah kurva tegangan-regangan sampai batas elastisnya.

UR  = 0,5Sel εel

S            S2

= 0,5Sel

    el    = 0,5     el  

E            E

(2. 10)

   Toughness

2

1 S

≅       y  

2 E

Kemampuan   material   untuk   menyerap   energi   tanpa   patah   disebut   sebagai

toughness, UT, dan besarnya proporsional dengan luas dibawah kurva tegangan- regangan sampai ke titik patahnya.

Sut

UT  = ∫0

σ dε

(2. 11)

⎛ Sy  + Sut   ⎞

=                 ε

⎜            2     ⎟    f

⎝                            ⎠

Material  ulet dengan  kekuatan  tarik ultimate  yang sama dengan  material  getas,

akan mempunyai toughness yang lebih tinggi dari material getas.

   Fracture toughness, Kc

Fracture  toughness    adalah  sifat  material  yang  menunjukkan  kemampuannya untuk  menghambat  laju  perambatan  ujung  retak.  Pengaruh  dari retak  terhadap tegangan  lokal  dinyatakan  dengan  faktor  intensitas  tegangan  (stress  intensisty

factor), K.  Bila nilai K melebih Kc, kegagalan akan terjadi tanpa peringatan.

Sifat-sifat Umum Material Logam

Besi Cor (Cast Iron)

Besi cor putih (white cast iron)

Besi cor putih ini bersifat sangat keras dan juga getas. Besi cor ini sulit di-mesin dan penggunaannnya sangat terbatas seperti untuk lining pada mixer semen dimana kekerasannya sangat diperlukan.

Besi cor kelabu (grey cast iron)

Besi cor jenis ini paling  banyak  digunakan.  Jenisnya  bervariasi  dan diklasifikasikan berdasarkan  kekuatannya.  Penggunaannya  diantaranya  adalah untuk rangka meisn, blok mesin, teromol rem dan sebagainya.

Malleable cast iron

Besi cor ini mempunyai kekuatan tarik yang lebih tinggi dibanding besi cor kelabu dan banyak digunakan untuk komponen mesin yang menerima tegangan lentur.

Nodular cast iron

Kekuatannya  paling  tinggi  diantara  besi cor. Besi cor ini lebih  tangguh,  lebih kuat, lebih  ulet,  dan  lebih  tidak  berpori  dibanding  besi  cor  kelabu.  Material  ini  biasa digunakan  untuk  komponen  yang  menerima  beban  fatigue  seperti  piston,  poros engkol, dan cam.

Baja Cor (Cast Steel)

Komposisi kimia baja cor ini sama dengan wrought steel tetapi sifat-sifat mekaniknya lebih rendah daripada wrought steel. Kelebihan baja ini adalah mudah diproses dengan sand casting dan investment casting.

Wrought Steel

Kata “wrought”  berarti manipulasi  bentuk material  dilakukan  tanpa melelehkannya.  Ada dua macam proses yang biasa dilakukan yaitu hot rolling dan cold rolling.

   Hot-rolled steel

Material ini dibuat dengan melewatkan billet baja panas pada beberapa roller yang akan  mengubah  bentuknya  menjadi  I-beam,  channel  section,  pelat,  lembaran, kotak,  tube,  dan  sebagainya.  Baja  jenis  ini  banyak  digunakan  untuk  rangka struktur, dan komponen-komponen mesin yang memerlukan proses pemesinan lainnya.

   Cold rolled steel

Baja ini dibuat dari billet atau bentuk hasil hot rolling, dengan melewatkannya melewati roller pada temperatur  kamar. Hasil proses ini biasanya adalah berupa pelat, lembaran, tube, serta batang berpenampang lingkaran atau persegi.

Aluminium

Wrought Aluminum Alloys

Paduan aluminium jenis ini tersedia dalam bentuk I-beam, channel, batang, lembaran,

tube, dan batang berpenampang lingkaran, dan bersudut.

Adapun  kurva  tegangan-regangan   paduan  aluminium  yang  umum  digunakan  dan kekuatan tariknya dapat ditunjukkan sebagai berikut :

Cast Aluminum Alloys

Paduan     aluminium    jenis    ini    berbeda    formulasinya    dengan    wrought    alloy. Penggunaanya lebih dikhususkan untuk diproses dengan pengecoran.

Titanium

Titanium  mempunyai  beberapa  kelebihan  dibanding  material  lain  yaitu  ringan,  sangat kuat, nonmagnetik,  tahan korosi,  dan dapat digunakan  pada temperatur  tinggi (sampai

750°C).  Adapun  kekurangannya   adalah  mahalnya  harga  titanium  bila  dibandingkan dengan baja dan aluminium.

Magnesium

Logam  ini adalah  yang  paling  ringan  diantara  logam  komersial  yang  ada  tetapi  relatif lemah. Sifatnya sangat mudah dicor dan di-mesin tetapi lebih getas daripada aluminium. Selain itu logam ini juga mempunyai ketahanan korosi yang cukup baik, paling aktif dalam skala galvanis, dan sangat mudak terbakar.

Paduan Tembaga

Tembaga murni mempunyai sifat sangat lunak, lemah dan mudah dibengkokkan. Penggunaannya  diantaranya  adalah untuk pipa, konduktor dan motor. Paduannya  yang paling  banyak  digunakan  adalah  kuningan  (brass)  dan  perunggu  (bronze).  Kuningan adalah paduan tembaga dengan zinc sedangkan perunggu pada dasarnya adalah paduan tembaga  dengan timah. Namun saat ini perunggu  juga terdiri dari beberapa  jenis yaitu silicon bronze, beryllium bronze, dan Phospor bronze.

Standard Penomoran Baja

Penomoran  baja telah dilakukan  oleh beberapa  organisasi  profesi  seperti  ASTM,  AISI, dan SAE. Dua angka pertama pada nomor baja biasanya adalah jenis baja berdasarkan paduan   yang   terkandung   didalamnya.   Misalnya   10xx   adalah   baja   karbon   biasa sedangkan   11xx  adalah  baja  kabon  dengan  sulfur.  Adapun  dua  angka  berikutnya biasanya menunjukkan kadar kandungan paduannya.

Tabel 2.3 Penomoran baja paduan menurut AISI/SAE

Gambar 2.11 Kurva tegangan-regangan tarik tiga jenis baja paduan

Sifat-sifat Umum Material Non-logam

Penggunaan bahan non-logam mengalami peningkatan dalam jangka waktu 50 tahun terakhir.  Keuntungan  penggunaan  bahan  non-logam  ini adalah  bobotnya  yang  ringan, tahan korosi, tahan temperatur tinggi, mudah dibuat dan sifat dielektriknya bagus. Secara garis besar ada tiga macam bahan non-logam yaitu polimer, keramik, dan komposit.

Polimer

Polimer  adalah  molekul  rantai  panjang  dari  bahan  organik  atau  campuran  berbasis karbon. Polimer ini terdiri atas dua macam yaitu thermoplastic  dan thermosets. Bahan thermoplastic   mudah  dicetak  dan  akan  mencair  kembali  jika  dipanaskan.   Adapun material thermoset akan mengalami ikatan silang pada saat pertama kali dipanaskan dan akan terbakar bila dipanaskan ulang.

Keramik

Keramik yang digunakan  dalam dunia teknik adalah merupakan  campuran unsur logam dan non-logam. Keramik ini dapat berupa oksida logam tunggal, campuran oksida logam, karbida,  nitrida,  borida,  dan  bahan  lain  seperti  Al2O3,  MgO,  SiC,  dan  Si3N4.  Sifat-sifat utama  keramik  adalah  kekerasan  yang  tinggi,  sangat  getas,  tahan  temperatur  tinggi, punya ketahanan kimia yang tinggi, kekuatan tekan yang tinggi, kekuatan dielektrik yang tinggi, serta harga dan bobot yang rendah.

Gambar 2.12 Kurva tegangan-regangan tarik tiga jenis polimer termoplastik

Tabel 2.1 Jenis-jenis polimer

Termoplastik	Termoset
Cellulosics	Aminos
Ethylenics	Elastomers
Polyamides	Epoxies
Polyacetals	Phenolics
Polycabonates	Polyesters
Polyphenyline oxides	Silicones
Polysulfanes	Urethanes

Komposit

Komposit  pada  dasarnya  adalah  gabungan  bahan-bahan  yang  berbeda  dalam  skala makro. Adapun contoh komposit  alami yang ada di alam adalah kayu yang merupakan gabungan serat selulosa didalam matriks lignin. Komposit buatan manusia biasanya merupakan  gabungan  antara  material  serat  yang  kuat seperti  serat  kaca,  karbon  atau boron  yang  digabungkan  dalam  matriks  resin  seperti  epoxy  atau  polimer.  Kelebihan komposit  adalah  sifatnya  yang  dapat  diatur.  Salah  satu  cara  pengaturan  sifat  pada material komposit adalah dengan mengubah arah orientasi, susunan, dan sudut material penyusunnya.

Proses Pembentukan Mekanik

   Pengerjaan dingin (Cold working)

Proses  ini dilakukan  dengan  memproses  logam dengan  proses  mekanis  seperti rolling, pada temperatur ruangan. Pemrosesan seperti ini akan meningkatkan kekuatan dan kekerasan material karena terjadi proses strain hardening.

Gambar 2.13 Strain hardening pada logam ulet akibat pengerjaan dingin

   Pengerjaan panas (Hot working)

Proses  ini  dilakukan  dengan  melakukan  pengerjaan  mekanis  pada  temperatur diatas  temperatur  kristalisasinya.   Hasil  dari  proses  ini  adalah  logam  dengan keuletan  yang tinggi dan kekuatan  yang lebih rendah daripada  hasil pengerjaan dingin.

   Penempaan (Forging)

Proses  ini  dilakukan  dengan  melakukan  serangkaian  penempaan  pada  logam yang  panas  sampai  terjadi  bentuk  akhir  komponen  yang  diinginkan.  Proses  ini hanya bisa dilakukan pada logam yang ulet. Kelebihan proses ini adalah kekuatan komponen  hasil  tempaan  lebih  kuat  dari  hasil  pengecoran  ataupun  pemesinan karena orientasi butir mendekati bentuk komponen yang bersangkutan.

Gambar 2.14 Poros engkol hasil penempaan untuk mesin truk diesel.

   Ekstrusi

Proses  ini  biasanya  dilakukan  pada  logam  nonferrous  khususnya  aluminium. Proses  ini  dilakukan  dengan  memanaskan  billet  dari  komponen  yang  akan  di- ekstrusi dan kemudian melewatkannya melalui cetakan pada mesin ekstrusi.

Gambar 2.15 Hasil proses ekstrusi

Proses Perlakuan panas (Heat treatment)

Kekerasan  dan karateristik  lain dari kebanyakan  baja dan beberapa  logam  nonferrous dapat diubah dengan perlakuan panas. Ada beberapa macam pelakuan panas yang biasa dilakukan:

   Quenching

Proses   quenching   pada   dasarnya   adalah   proses   pendinginan   cepat   yang dilakukan  pada logam  yang  telah  dipanaskan  diatas  temperatur  kritisnya.  Pada baja karbon sedang atau tinggi proses ini akan menghasilkan  fasa yang disebut martensit yang sangat kuat dan getas.

Tempering

Proses  ini  biasanya  merupakan  lanjutan  dari  proses  quenching  dan  bertujuan untuk  mengurangi   kegetasan   material  hasil  quenching.   Proses  ini  dilakukan dengan memanaskan  material yang sudah di-quench  pada temperatur  di bawah temperatur  kritisnya  selama  rentang  waktu  tertentu  dan  kemudian  didinginkan secara perlahan.

Annealing

Proses ini merupakan kebalikan proses quenching dan tempering. Proses ini dilakukan dengan memanaskan baja diatas tempertur kritisnya dan kemudian didinginkan perlahan-lahan.  Hasil proses ini adalah baja dengan sifat yang sama dengan sebelum dilakukan pengerasan.

Normalizing

Pada  dasarnya  normalizing  ini sama  dengan  annealing.  Perbedaannya  terletak pada waktu pemanasan yang lebih pendek dan laju pendinginan yang lebih cepat. Hasilnya  adalah  baja  yang  lebih  kuat dan lebih  keras  dari baja yang  di-anneal secara penuh tetapi lebih mendekati sifat kondisi yang di-anneal daripada dengan yang di-temper.

Gambar 2.16 Kurva tegangan-regangan untuk baja yang di-quench, di-anneal, dan di-temper

Proses Perlakuan permukaan (Surface treatment)

Dalam beberapa penggunaan material, sering diperlukan material yang tidak seragam sifatnya.   Misalnya   pada   roda   gigi  dimana   permukaannya   diharapkan   keras   untuk mengurangi  gesekan  dan aus, sedangkan  bagian dalamnya  diharapkan  ulet agar lebih tahan  terhadap  beban  dinamik  dan impak.  Beberapa  jenis perlakuan  permukaan  yang umum dilakukan adalah sebagai berikut :

Carburizing

Proses   ini   dilakukan   dengan   memanaskan   baja   karbon   rendah   di   dalam lingkungan gas monoksida, sehingga baja akan menyerap karbon dari gas CO. Nitriding

Proses ini dilakukan dengan memanaskan baja karon rendah di dalam lingkungan gas   Nitrogen   sehingga   terbentuk   lapisan   besi   nitrida   yang   keras   pada permukaannya.

Cyaniding

Proses  ini  dilakukan  dengan  memanaskan  komponen  yang  akan  diproses,  ke dalam  larutan  garam  sianida  dengan  temperatur  sekitar  800°C  sehingga  baja karbon rendah akan membentuk lapisan karbida dan nitrida.

Flame hardening

Proses  flame  hardening  dan  induction  hardening  biasa  dilakukan  pada  baja karbon sedang atau tinggi. Flame hardening dilakukan dengan memanaskan permukaan yang akan dikeraskan dengan nyala api oxyacetylene yang dilanjutkan dengan semprotan air untuk quenching.

Induction hardening

Proses ini prinsipnya  sama dengan  flame hardening  tetapi pemanasannya  tidak dilakukan dengan menggunakan nyala api tetapi dengan menggunakan kumparan

listrik.

Proses Pelapisan

Galvanic action

Proses ini dilakukan  dengan menghubungkan  dua logam yang berbeda  potensial  elektrolisisnya   sehingga  logam  yang  satu akan   terurai   sedangkan   logam   yang   lain  akan   terlindungi. Proses  ini  biasanya  dilakukan  untuk  melindungi  logam  dari korosi.

Electroplatting

Pada   dasarnya   proses   ini  dilakukan   dengan   membuat   sel galvanis  dimana  komponen  yang akan dilapisi  menjadi  katoda sedangkan material pelapis menjadi anoda. Kedua logam ini dicelupkan  dalam larutan  elektrolit  dan arus DC diberikan  dari anoda ke katoda.

Electroless platting

Pelapisan  jenis ini dilakukan  tanpa arus listrik dan juga tanpa anoda.   Prosesnya   dilakukan   dengan   mencelupkan   substrat

Tabel 2.5

Urutan galvanis logam didalam air laut

2-18

yang akan dilapisi pada larutan elektrolit. Substrat ini bertindak sebagai katalis yang akan memulai reaksi sehingga ion pelapis (biasanya nikel) akan melapisi substrat. Anodizing

Proses  ini  dilakukan  dengan  membantuk  senyawa  oksida  pada  permukaan  benda kerja sehingga oksidasi akibat oksigen dari atmosfer tidak akan terjadi. Proses ini biasanya dilakukan pada aluminium, magnesium, zinc, dan titanium.

Plasma-sprayed coating

Proses ini dilakukan dengan menyemprotkan pelapis dengan temperatur yang sangat tinggi  sehingga   terbentuk   lapisan  keramik  yang  sangat  keras  pada  permukaan material.

Pelapisan kimia

Proses   ini  pada   dasarnya   adalah   proses   pengecatan   lapisan   pelindung   pada komponen   yang   akan   dilapisi.   Bahan   pelindung   disesuaikan   dengan   kondisi lingkungan dan material yang akan dilapisi.

Parameter-parameter  Pemilihan Material Dalam Perancangan

Sifat-sifat material akan membatasi performansi dan umur dari elemen-elemn mesin. Performansi dan umur ini biasanya tidak hanya tergantung pada satu sifat material. Untuk itu, diperlukan  kombinasi  dari beberapa  sifat yang ada. Beberapa  kombinasi  sifat yang penting adalah :

1.   Kekakuan versus densitas (E dan ρ)

2.   Kekuatan versus densitas (S dan ρ)

3.   Kekakuan versus kekuatan (E dan S)

4.   Laju keausan versus tekanan batas (KA dan pi)

Kekakuan versus densitas

Modulus elastisitas dan densitas merupakan sifat-sifat yang perlu diperhatikan dalam pemilihan   material   solid.   Gambar   2.17  menunjukkan   rentang   penuh   dari  modulus elastisitas dan densitas untuk material teknik yang umum digunakan. Data untuk material yang tergolong dalam satu kelas digolongkan  dalam daerah yang dibatasi dengan garis penuh.

Diagram  pada  gambar  2.17  ini  sangat  membantu   dalam  pemilihan   material  untuk pemakaian yang mana berat material harus diminimalisir.  Sebagai contoh, suatu batang tarik yang akan diminimalisir  beratnya  dalam  keadaan  ditumpu  dan regangannya  tidak

boleh melebihi  nilai kritisnya,  εcr. Dengan  menggunakan  hukum Hooke dan persamaan tegangan, σ = P/A, diperoleh  persamaan berikut :

A = P / Eεcr

dan berat elemen batang tersebut adalah :

W = Al ρ

dengan mensubstitusikan persamaan 2.12 ke persamaan di atas diperoleh :

(2. 12)

⎜           ⎟ ⎜                  ⎟

W = ⎛  Pl ⎞ ⎛        1    ⎞

⎝ εcr  ⎠ ⎝ E / ρ ⎠

(2. 13)

Pada persamaan 2.13 diketahui bahwa suku pada kurung kedua merupakan fungsi dari sifat-sifat  material.  Dengan  memaksimalkan  suku  pada  kurung  kedua,  maka  beratnya akan diminimalisir.

Pada  gambar  2.17  garis  referensi  menunjukkan  desain  berat  minimum  dengan  syarat batas regangan pada kondisi berikut :

E/ρ = C            Rancangan beban minimum untuk batang tarik kaku E1/2/ρ = C         Rancangan biaya minimum untuk kolom atau beam kaku E1/3/ρ = C         Rancangan biaya minimum untuk pelat kaku

(E/ρ)1/2 = C      wave speed in material

Contoh soal 2.1 :

Diketahui   :  Sebuah  batang  pancing  akan  dibuat  dari material  yang  akan  memberikan bobot yang kecil dan kekakuan yang tinggi.

Dicari         :  Dari gambar 2.17, tentukan mana yang lebih baik, batang yang dibuat dari plastik   (tanpa   penguat   fiber)   atau   split-cane   rod   (serat   bambu   yang direkatkan bersama)

Jawaban   :  Gambar 2.17 menunjukkan bahwa hanya polimer yang sangat khusus yang mempunyai  modulus  elastisitas  setinggi  serat kayu. Polimer  juga biasanya lebih rapat dua atau tiga kali daripada kayu. Jadi split-cane rod akan memberikan  bobot yang lebih rendah untuk kekakuan yang diberikan untuk semua plastik.

Gambar 2.17 Modulus elastisitas vs densitas

Kekuatan versus densitas

Berat dapat ditunjukkan  oleh densitas.  Sedangkan  kekuatan  memiliki arti yang berbeda untuk  jenis  material  solid  yang  berbeda.  Untuk  logam  dan  polimer,  kekuatan  yang dimaksud adalah kekuatan luluhnya yang biasanya nilainya sama baik untuk tarik maupun tekan.  Untuk  keramik  yang  getas,  kekuatan  yang  dimaksud  adalah  crushing  strength akibat tekanan, bukan akibat tarik. Untuk elastomer, kekuatan yang dimaksud adalah tear strength dan untuk komposit kekuatan yang dimaksud adalah tensile failure strength. Gambar 2.21 sangat berguna untuk memperkirakan  material yang optimum berdasarkan kekuatan dimana deformasi akibat beban yang diterima tidak dipermasalahkan. Pemilihan

dilakukan  dengan  memilih  garis  referensi  dan  yang  paling  jauh  dari  garis  ini  berarti material ini superior. Adapun kondisi yang berhubungan dengan garis referensi ini adalah:

σ/ρ = C          elemen tarik

σ2/3/ρ = C       beam dan poros

σ1/2/ρ = C       pelat

Contoh soal 2.2 :

Diketahui   :  Batang pancing pada contoh soal 2.1 dibuat dalam bentuk tube tirus dengan tebal dinding tertentu yang terdistribusi sepanjang batang.

Dicari         :  Material  yang  sesuai  sehingga  diperoleh  batang  yang  paling  kuat  dengan berat seperti yang ditentukan.

Jawaban   :  Gambar  2.18 menunjukkan  bahwa  material  yang  paling  kuat  adalah  intan dan  silikon  karbida  serta  keramik  lainnya.  Material  tersebut  sangat  mahal untuk  digunakan  sebagai  bahan  batang  pancing.  Sehingga  yang  paling sesuai  adalah  carbon  fiber  reinforced  plastic  atau  plastik  yang  diperkuat serat  kaca  (glass  fiber  reinforced  plastic)  yang  mempunyai  kekuatan  800 sampai 1000 Mpa untuk densitas sebesar 1500 kg/m3.

Gambar 2.18 Kekuatan vs densitas

Kekakuan versus kekuatan

Gambar   2.19  menunjukkan   hubungan   modulus   elastisitas   dengan   kekuatan.   Garis referensi pada gambar tersebut sangat berguna untuk keadaan berikut :

S/E = C           Perancangan seal dan engsel

S3/2/E = C        Komponen elastis seperti diafragma

S2/E = C          Penyimpan energi elastis per volume

Contoh Soal 2.3 :

Gambar 2.19 Modulus elastisitas vs kekuatan

Diketahui   :  Pegas pada suspensi mobil dapat dibuat dari karet, baja, dan palstik yang diperkuat   serta  karbon.  Geometri   untuk  pegas  suspensi   yang  berbeda sangat berbeda satu sama lain tergantung dari deformasi elastis yang diperbolehkan.

Cari            :  Regangan elastis maksimum pada tiga jenis pegas jika karet yang digunakan adalah jenis polyurethane  (PU), kekuatan  baja 1 Gpa, dan plastik berserat karbon yang digunakan adalah satu lapis (uniply).

Jawaban   :  Dari gambar 2.19 diketahui bahwa karet PU mempunyai  kekuatan 30 Mpa, dan modulus elastisitas 0,05 Gpa. Regangan elastis maksimumnya adalah :

⎜        ⎟

⎛ S ⎞             = 30 = 0, 6

⎝ E ⎠karet        50

Adapun untuk baja dan plastik berserat karbon adalah sebagai berikut :

⎜        ⎟

⎛ S ⎞           =    1   = 0,005

⎝ E ⎠baja

205

⎜        ⎟

⎛ S ⎞                =    1   = 0,005

⎝ E ⎠plastik

200

Karet mempunyai regangan elastis maksimum sebesar 60%, sementara baja dan plastik berserat karbon mempunyai regangan elastis maksimum sebesar

0,5%. Dari gambar 2.22 juga diketahui bahwa pegas baja akan lima kali lebih berat dari pegas plastik berserat karbon.

Laju keausan versus tekanan batas

Keausan menimbulkan  serangkaian  masalah baru dalam pemilihan  material padat. Jika material tidak dilumasi,  geseran akan terjadi, dan bila salah satu permukaan  geseknya adalah baja, laju keausan didefinisikan dengan persamaan berikut :

Volume material yang terkikis

Wr  =

Jarak geser

(2. 14)

Dalam  satuan  SI,  laju  keausan  tersebut  adalah  dalam  meter  persegi.  Dalam  kondisi tekanan batas, pl, yang rendah dapat dinyatakan sebagai berikut :

keterangan :

Wr  = K A Apl

(2. 15)

KA	=	Konstanta keausan Archard, (Pa-1)
A pl	= =	Luas kontak, m2 Tekanan batas, Pa

Contoh soal 2.4 :

Diketahui   :  Sebuah  slider  yang  terbuat  dari  teflon  (polytetrafluoroethylene)   berkontak dengan baja karbon tinggi. Jarak gesernya adalah 300 m, dan tebal lapisan teflon yang boleh terkikis adalah 3 mm.

Cari            :  Seberapa  besar  permukaan  slider  teflon  yang  diperlukan  sehingga  tidak akan terjadi  keausan  berlebih  dan tekanan  batas tak akan terlampaui  jika bebannya adalah sebesar 10 MN.

Jawaban   :  Dari gambar 2.23, tekanan batas untuk teflon diatas beja adalah pl = 8 Mpa, dan konstanta keausan Archard KA = 2 x 10-13 m2/N.

Wr   = K  pl = 2 (10−13 )(8)(106 ) = 1, 6 ×10−6

A       A

Volume material terkikis adalah sebagai berikut :

Ath  = Wr ls

Dimana jarak gesernya adalah ls = jarak geser, m.

Wr   = th

A     ls

= 0, 003 = 10−5

300

Tekanan dapat dituliskan sebagai berikut :

⎛ W  ⎞     1        10 −5

p =        r              =                  = 0,5 ×108 Pa = 50 MPa

⎜   A ⎟ K

2 ×10−13

⎝            ⎠       A

Karena p>>pl, tekanan batas digunakan untuk menghitung ukuran slider.

l

∴ pA = (10)(106 )N = 107 N

107

107

∴ A =         =               = 1,25 m2

l

p      8 (106 )

Luas  permukaan   harus  sebesar   1,25  m2    untuk  menghindari   tegangan kompresif  yang  terlalu  besar.  Untuk  kondisi  ini,  kedalaman  aus  adalah sebesar 0,48 mm.

Gambar 2.2 Laju keausan vs tekanan batas

Modulus Young versus harga relatif

Dalam praktek, proses perancangan  juga harus melibatkan perkiraan harga dari sebuah rancangan. Garis refernsi pada gambar 2.24 berguna untuk kondisi berikut :

E/CRρ = C       Rancangan biaya minimum untuk batang tarik kaku E1/2/CRρ = C    Rancangan biaya minimum untuk kolom atau beam kaku E1/3/CRρ = C    Rancangan biaya minimum untuk pelat kaku

2.3 Modulus elastisitas vs harga relatif dikalikan densitas

Tabel Sifat-Sifat Mekanik Material

Tabel Sifat Mekanik & Fisik beberapa material teknik

Gambar

Tabel sifat-sifat mekanik wrought-aluminium  alloys

Tabel sifat-sifat mekanik cast-aluminium alloys

Tabel sifat-sifat mekanik wrought dan cast-aluminium alloys

Tabel sifat-sifat mekanik titanium alloys

Tabel sifat-sifat mekanik magnesium alloys

Tabel sifat-sifat mekanik cast iron alloys

Tabel sifat-sifat mekanik stainless steel alloys

Tabel sifat-sifat mekanik engineering plastics

Tabel sifat-sifat mekanik baja karbon

2-32

Tabel sifat-sifat mekanik baja paduan dan baja perkakas (tool steels)

Soal-soal Latihan

1.     Mana  dari  paduan-paduan  baja  pada  gambar  2.17  yang  akan  anda  pilih  untuk memperoleh :

a. Kekuatan maksimum

b. Modulus of resilience maksimum c. Modulus of toughness maksimum d. Kekakuan maksimum

2.     Suatu logam mempunyai  kekuatan 41,2 kpsi (284 MPa) pada batas elastisnya  dan regangan  pada titik tersebut adalah 0,004. Berapa modulus  elastisitasnya?  Berapa

strain energy pada batas elastisnya? Tentukan jenis material tersebut dari data-data yang diberikan?

3.    Suatu baja mempunyai  kekuatan  luluh 100 kpsi (689 MPa) pada garis offset 0,6%

regangan. Berapa modulus of resilience-nya?

4.     Kekerasan  Brinell  suatu spesimen  baja adalah  sebesar  250 HB. Berapa  kekuatan tarik  aproksimasi  material  tersebut?  Berapa  kekerasannya  dalam  skala  Vickers? Berapa kekerasannya dalam skala Rockwell?

5.    Apakah  unsur paduan utama dari baja AISI 4340? Berapa kandungan  karbonnya?

Apakah  baja  tersebut  dapat  dikeraskan?  Bila  iya,  dengan  menggunakan  metode apa?

6.     Hitung kekuatan spesifik dan kekakuan spesifik dari material berikut ini dan pilih salah satunya untuk rangka sayap pesawat?

a. Baja                  Sut   =  80 kpsi (552 Mpa)

b. Aluminium        Sut   =  60 kpsi (414 Mpa)

c. Titanium                       Sut   =  90 kpsi (621 Mpa)

7. Material biasanya diklasifikasikan  berdasarkan sifat-sifatnya, cara pembuatannya,  dan penggunaannya. Berikan contoh paduan logam biasa yang tidak menunjukkan ciri-ciri logam pada umumnya dalam penggunaannya!

8.     Material yang tangguh, seperti stainless steel  lunak (AISI 316), mempunyai kekuatan luluh Sy = 207 MPa, kekuatan tarik Su = 552 MPa, dan perpanjangan 60%. Cari rasio ketangguhan  material  terhadap  resiliensinya  dengan  mengasumsikan  bahwa  kurva

tegangan-regangan terdiri dari dua garis lurus seperti pada gambar dibawah ini.

Su  = 207 MPa

Sy  = 207 MPa

0,002

0,6             l

9.     Berdasarkan  persamaan  keausan  Archard,  kedalaman  aus  proporsional  terhadap jarak  geser  (sliding  distance)  dan  tekanan  kontak.  Bagaimana  distribusi  tekanan kontak pada rem cakram jika laju keausan sama pada arah radial?

10.  Pada  blok  rem  untuk  rem  cakram  mobil,  dan  dengan  menggunakan   konstanta keausan  Archard,  tentukan  bagaimana  keausan  terdistribusi  pada  blok  rem  jika tekanan rem konstan sepanjang blok rem!