Materi perkuliahan ini bertujuan untuk memberikan pemahaman tentang sifat mekanik material, termasuk bagaimana material merespons gaya eksternal. Dalam rekayasa mekanik, sifat mekanik material memainkan peran penting dalam menentukan kegunaan dan performa suatu komponen dalam berbagai kondisi operasi. Pemilihan material yang tepat didasarkan pada sifat mekaniknya, sehingga pemahaman mendalam terhadap topik ini sangat diperlukan dalam desain dan analisis struktur teknik.

Sifat mekanik material mencakup berbagai aspek seperti ketahanan terhadap beban, deformasi, dan kegagalan akibat berbagai kondisi pembebanan. Salah satu tujuan utama dari pembelajaran ini adalah untuk memahami bagaimana berbagai material berperilaku di bawah kondisi kerja tertentu dan bagaimana sifat-sifat ini dapat dimanfaatkan dalam desain komponen dan struktur.

Setelah mempelajari bab ini, pembaca akan dapat:

  • Mengetahui dan mampu mempraktikkan pengujian uji ketegangan dan kompresi dengan mesin uji universal.
  • Menganalisis diagram tegangan-regangan untuk berbagai jenis material guna mengidentifikasi batas elastisitas, titik luluh, dan titik patah.

Uji Ketegangan dan Kompresi

Material memiliki sifat mekanis yang menentukan kemampuannya untuk menahan beban tanpa mengalami deformasi atau kegagalan yang berlebihan. Sifat ini melekat dalam material itu sendiri dan dibutuhkan pengujian eksperimental untuk mengetahui sifatnya. Salah satu pengujian paling penting dalam hal ini adalah uji ketegangan dan kompresi. Uji ini digunakan untuk mengevaluasi hubungan antara tegangan normal rata-rata dan regangan normal rata-rata dalam berbagai material teknik seperti logam, keramik, polimer, dan komposit. Untuk mengetahui sifat-sifat material tersebut digunakan alat yang disebut sebagai mesin uji universal, Gambar 1.

Gambar 1. Mesin uji universal [1]

Dalam uji ketegangan, sebuah spesimen material dibentuk dengan ukuran dan bentuk standar. Standar pengujian yang umum digunakan dalam uji ketegangan dan kompresi meliputi ASTM E8/E8M, ASTM E9, ISO 6892, dan ISO 604, yang masing-masing mengatur prosedur dan persyaratan spesifik untuk berbagai jenis material. Ilustrasi material spesimen pengujian tarik diilustrasikan pada Gambar 2. Biasanya, spesimen memiliki penampang melintang yang seragam dengan ujung yang diperbesar untuk mencegah kegagalan pada area penjepitan. Sebelum pengujian, tanda pukul kecil ditempatkan di sepanjang panjang spesimen yang uniform. Pengukuran dilakukan terhadap luas penampang awal spesimen dan panjang ukur antara tanda pukul tersebut.

Gambar 2. Contoh bahan spesimen uji yang terstandarisasi, ISO 527-2-2012 [2]

Selama pengujian, spesimen dijepit dengan erat pada mesin uji dan diberi beban aksial secara perlahan hingga mencapai titik patah. Mesin ini dirancang untuk membaca beban yang diperlukan untuk mempertahankan regangan yang uniform. Data tentang beban yang diberikan dan perpanjangan spesimen dicatat secara berkala selama pengujian. Dengan menggunakan alat seperti ekstensiometer atau pengukur regangan listrik, perubahan panjang spesimen dapat diukur secara langsung untuk menghitung regangan rata-rata yang dialami oleh material.

Dalam uji kompresi, spesimen dikenai beban tekan yang bertujuan untuk mengukur kekuatan tekan maksimum yang dapat ditahan material sebelum mengalami deformasi atau kegagalan. Prosedur pengujian ini serupa dengan uji ketegangan, hanya saja gaya yang diberikan berbentuk tekan, bukan tarik. Spesimen juga memiliki bentuk standar untuk memastikan hasil yang akurat dan dapat direproduksi.

Uji ketegangan dan kompresi memainkan peran penting dalam memastikan keandalan suatu material dalam berbagai aplikasi teknik. Dengan memahami karakteristik mekanis material melalui pengujian ini, insinyur dapat membuat keputusan yang lebih tepat dalam memilih dan merancang material untuk kebutuhan industri dan konstruksi.

Diagram Tegangan-Regangan

Diagram tegangan-regangan adalah representasi grafis dari hubungan antara tegangan dan regangan yang terjadi pada suatu material akibat pembebanan. Diagram ini digunakan untuk memahami sifat mekanis material, seperti elastisitas, plastisitas, ketahanan terhadap beban, serta mekanisme kegagalan material. Dalam bidang rekayasa dan ilmu material, analisis terhadap diagram ini sangat penting dalam perancangan struktur, komponen mekanik, serta seleksi material.

Gambar 3. Diagram tegangan-regangan konvensional dan nyata untuk material ulet (baja) (tidak berskala) [3]

Terdapat dua pendekatan utama dalam penyajian diagram tegangan-regangan, yaitu diagram tegangan-regangan konvensional dan diagram tegangan-regangan sesuangguhnya. Perbedaan utama antara keduanya terletak pada metode perhitungan tegangan dan regangan, terutama dalam mempertimbangkan perubahan dimensi spesimen selama pembebanan.

Tegangan-Regangan Konvensional

Dalam diagram tegangan-regangan teknik, tegangan (σ) dihitung dengan membagi gaya tarik (P) dengan luas penampang awal spesimen (A₀), sementara regangan (ε) dihitung berdasarkan perubahan panjang relatif (ΔL) terhadap panjang awal specimen (L₀).

Karena luas penampang awal digunakan dalam perhitungan tegangan, metode ini tidak mempertimbangkan perubahan dimensi spesimen selama proses deformasi. Akibatnya, pada saat terjadi deformasi plastis dan penyempitan (necking), diagram ini memberikan nilai tegangan yang tampak menurun meskipun secara fisik material masih mengalami peningkatan tegangan sejati.

Tegangan Regangan Sejati atau True Stress–Strain Diagram

Dalam Diagram Tegangan Regangan Sejati atau true stress-strain diagram, tegangan dihitung dengan mempertimbangkan luas penampang aktual (A) yang berubah selama deformasi berlangsung, sedangkan regangan dihitung menggunakan hubungan logaritmik untuk menggambarkan perubahan bentuk material secara lebih akurat.

Diagram ini memberikan deskripsi yang lebih akurat terhadap perilaku material terutama setelah melewati titik luluh dan memasuki fase pengerasan regangan. Perbedaannya dengan diagram teknik menjadi sangat signifikan pada daerah deformasi plastis dan perampingan.

Elastic Behavior (Perilaku Elastis)

Pada tahap awal pembebanan, material berada dalam zona elastis, di mana hubungan antara tegangan dan regangan bersifat linier dan dapat dinyatakan dengan Hukum Hooke:

Di sini, E adalah modulus elastisitas atau modulus Young, yang merupakan ukuran kekakuan material. Selama dalam zona elastis, jika beban dilepaskan, material akan kembali ke bentuk semula tanpa mengalami deformasi permanen. Batas atas dari perilaku elastis disebut proportional limit, yaitu titik di mana hubungan linier antara tegangan dan regangan mulai menyimpang. Jika tegangan terus meningkat hingga melewati elastic limit, material mulai menunjukkan tanda-tanda deformasi plastis yang tidak dapat dipulihkan.

Yielding (Keluluhan)

Ketika tegangan mencapai atau melebihi batas elastis, material memasuki fase yielding, yang menandai awal dari deformasi plastis. Pada tahap ini, deformasi yang terjadi bersifat permanen, sehingga material tidak dapat kembali ke bentuk semula meskipun beban dihilangkan.

Tegangan pada saat material mulai mengalami deformasi plastis disebut tegangan luluh (σY). Pada beberapa material, khususnya baja karbon rendah, terdapat dua nilai tegangan luluh yang berbeda:

  • Upper yield point (tegangan luluh atas), yang merupakan tegangan maksimum sebelum terjadi penurunan beban tanpa peningkatan regangan yang signifikan.
  • Lower yield point (tegangan luluh bawah), yang merupakan tegangan konstan yang dialami material saat mengalami deformasi plastis awal.

Setelah titik luluh tercapai, material dapat terus mengalami regangan tanpa peningkatan tegangan yang signifikan. Fenomena ini dikenal sebagai perfectly plastic state.

Strain Hardening (Pengerasan Regangan)

Setelah melewati fase luluh, material memasuki tahap strain hardening, di mana tegangan kembali meningkat seiring dengan bertambahnya regangan. Hal ini terjadi karena adanya peningkatan jumlah dislokasi dalam struktur kristal material yang menghambat pergerakan lebih lanjut dan menyebabkan material menjadi lebih kuat.

Fenomena ini berlangsung hingga material mencapai tegangan maksimum yang disebut ultimate tensile stress (σu). Peningkatan tegangan ini menunjukkan bahwa material memiliki ketahanan terhadap deformasi plastis lebih lanjut. Namun, pengerasan regangan juga menyebabkan material menjadi lebih rapuh, yang pada akhirnya mengarah ke kegagalan material.

Necking (Perampingan)

Setelah mencapai ultimate tensile stress, material mengalami necking, yaitu penyempitan lokal pada bagian tertentu dari spesimen akibat ketidakmampuan material menahan tegangan yang lebih besar.

Pada tahap ini, luas penampang material mengalami pengurangan drastis, menyebabkan distribusi tegangan menjadi tidak merata. Akibatnya, terjadi peningkatan tegangan sejati meskipun beban eksternal tampak menurun dalam diagram tegangan-regangan teknik.

Dalam conventional stress-strain diagram, setelah mencapai ultimate stress, kurva tampak menurun karena spesimen tidak lagi mampu menahan beban maksimum. Namun, dalam true stress-strain diagram, tegangan tampak terus meningkat hingga terjadi fraktur, karena luas penampang yang terus mengecil menghasilkan tegangan yang semakin besar.

Setelah necking terjadi, material akhirnya mengalami fracture, yang menandai akhir dari proses deformasi akibat kegagalan material dalam menahan tegangan lebih lanjut. Fraktur ini dapat bersifat daktail, yang ditandai dengan perpanjangan signifikan sebelum patah, atau getas, di mana kegagalan terjadi secara tiba-tiba tanpa deformasi yang berarti.

Pemahaman mendalam mengenai diagram tegangan-regangan sangat penting dalam analisis material untuk berbagai aplikasi teknik, termasuk desain struktur, manufaktur, dan pengujian kekuatan material guna memastikan keandalan dan keamanan dalam penggunaannya.

 Referensi

  1. https://indonesian.alibaba.com/product-detail/600KN-Computer-control-servo-hydraulic-universal-60407414762.html
  2. Hozdić, E., & Hasanagić, R. (2024). Analysis of the Impact of Cooling Lubricants on the Tensile Properties of FDM 3D Printed PLA and PLA+CF Materials. Polymers, 16(15), 2228. https://doi.org/10.3390/polym16152228
  3. Hibbeler, R. C. (2021). Mechanics of Materials Eighth Edition. Prentice Hall: New York.