ILMU BAHANTPI108 (2/1 sks)

JURUSAN TEKNIK PERKAPALANFAKULTAS TEKNIK DAN ILMU KELAUTAN

UNIVERSITAS HANG TUAH SURABAYA

Tujuan : mahasiswa mampu mengetahui sifat-sifat dan pemakaian jenis-jenis bahan/material dalam teknologi perkapalan.

Materi : Pendahuluan Pengujian dan evaluasi

bahan industri Mekanisme slip dan

dislokasi Struktur mikro dan

diagram fasa sebagai dasar metalurgi

Besi dan baja Tembaga dan

paduannya Aluminium dan

paduannya Polimer Keramik Kayu

Referensi :1.Surdia, T. & Saito, S., 1985, Pengetahuan

Bahan Teknik, PT. Pradnya Paramita, Jakarta.

2.Whiley, J., 1982, Fiberglass Repair and Construction Handbook, Tab Books, Inc.

3.Dieter, 1986, Mechanical Metallurgy, Mc. Graw-Hill, New York.

 

I. PENDAHULUAN  Definisi bahan :

Bahan adalah sesuatu yang dapat digunakan untuk membuat sesuatu yang lain dan mempunyai nilai lebih dari aslinya.

 Contoh penggunaan bahan teknik : Jam terdiri dari berbagai macam bangunan mesin. Pipa air minum terbuat dari baja yang digalvanis. dan lain-lain.

Pembagian bahan teknik : Bahan dari logam Bahan non logam

Pengokohan : Cara perlakuan terhadap bahan (logam) pada kondisi dingin (suhu kamar) dengan jalan pemadatan untuk mendapatkan sifat bahan yang lebih kokoh akibat adanya perubahan bentuk struktur mikro dari bahan. Contoh :

Pelat ditempa dalam keadaan dingin. Pelat dicanai dalam keadaan dingin.

Paduan : Hasil pencampuran dua atau lebih bahan dengan cara tertentu sehingga menjadi bahan yang berwujud baru dan mempunyai sifat yang berlainan dengan sifat bahan bakunya. Contoh : Tembaga + timah (lunak) Perunggu

(kuat) Aluminium + magnesium + tembaga

Duralumin Besi (lunak) + carbon (getas) Baja

(ductile) Pengolahan panas : Cara perlakuan terhadap bahan (logam) agar supaya didapatkan sifat-sifat yang lebih baik dari sebelumnya. Contoh :

Baja dipanaskan 800C dan dicelupkan ke air atau minyak secara cepat penyepuhan keras.

Proses Pencetakan

Produk perdagangan : Suatu cara yang dilakukan oleh perusahaan untuk menghasilkan produk yang lebih cepat dengan jumlah yang lebih banyak, sehingga lebih efisien. Dituang :

Bentuk yang rumit lebih mudah dikerjakan dengan cara menuang pada cetakan logam tuang.

Ditempa dan dicanai : Bentuk pelat, pipa, batangan dan profil logam tempa atau logam canai (logam ramas).

Proses Tempa dan Canai

Disinter : Pencampuran dua bahan yang berbeda cetakan pemadatan oven sinter logam sinter.

Proses Sintering

Bahan-bahan teknik : Bahan-bahan yang digunakan dalam produk bangunan mesin dan teknologi proses. Logam non-ferro berat dan paduan.

Tembaga sebagai bahan utama daya hantar listrik baik Timah, timbel, seng dan antimonium sebagai unsur paduan Perunggu tembaga + timah Loyang tembaga + seng Logam putih timah + tembaga +

timbel + antimonium Timah patri timah + timbel Nikel, chroom, molibden dan wolfram (unsur utama) + baja (unsur paduan) baja tahan karat dengan daya hantar listrik yang baik

Logam non-ferro murni dan paduan Platina, emas dan perak tidak perlu dipadukan lagi ketahanan kimia & daya hantar listrik sangat baik

Logam non-ferro ringan dan paduan Aluminium + magnesium duralumin pertama kali ditemukan oleh Alfred Wilm pada tahun 1906

Logam ferro Besi (lunak) + zat arang (carbon) baja keras dan kenyal (ductile)

Baja tanpa campuran dan besi tuang tanpa campuran

Kadar carbon pada baja 0,00 % 1,50 % Carbon pada besi tuang 2,50 % 3,60 %

Baja campuran dan besi tuang campuran. Penamaan baja campuran menyesuaikan unsur bahan yang dicampurkan dengan tujuan mendapatkan sifat-sifat yang lebih baik dari sebelumnya. Misalnya : ductile, thougness, tahan korosi, tahan aus, sifat kimia, tahan panas, dll.

Baja + nikel baja nikel Baja + chroom baja chroom Baja + molibden baja molibden Baja + wolfram baja wolfram Baja + silisium baja silisium Baja + mangan baja mangan

Pencampuran dan penamaan besi tuang sama dengan pencampuran baja.

Bahan bukan logam. Plastik :

• Plastik thermoplast setelah kena panas plastis

• Plastik thermoharder setelah kena panas elastis

Karet : • Karet alam hasil bumi (perkebunan)• Karet sintetis hasil buatan (tiruan)

Bahan bakar : • Cair bensin, solar, minyak tanah, dll.• Padat batu bara, kayu bakar, dll.• Gas Liquid Natural Gas (LNG), LPG

(elpiji), dll. Bahan lumas : • Minyak lumas olie• Minyak gemuk vet

Bahan packing : Sebagai pengedap, peredam getaran, penyekat, dll. Tahan minyak, panas, kedap air, minyak, gas, dll.

  Bahan isolasi : Sebagai penyekat agar tidak dapat menghantarkan panas, listrik, getaran maupun suara. Normalisasi atau standarisasi.

Standart yang dikeluarkan oleh pemerintah (SNI) :

• Komposisi kimia Chemical Properties• Sifat mekanis Mechanical Properties

II. PENGUJIAN DAN EVALUASI BAHAN INDUSTRI Sifat-sifat bahan industri :

Sifat mekanik (mechanical properties) : Kekuatan tarik tensile strength :• yield (kgf/mm2, N/mm2)• ultimate (kgf/mm2, N/mm2)• reduction area (mm2)• elongation (%)

grafik “stress-strain” Keuletan ductility Kekakuan Stiffness Ketangguhan Thoughness Kekerasan Hardness Sifat listrik (electrical properties) : Mempunyai daya hantar listrik yang

bagus

Sifat magnit (magnetical properties) : Permeabilitas Koersifitas Histrisis

Sifat panas (thermal properties) : Pemuaian Konduktivitas Panas jenis

Sifat kimia (chemical properties) : Reaksi kimia Kombinasi Segregasi Korosi

Sifat fisik (physical properties) : Ukuran Masa jenis Struktur 

Sifat teknologi (technology properties) : Mampu mesin Mampu keras

Untuk mengetahui karakteristik bahan dengan cara :

Pengujian secara merusak (Destructive Test = DT)

Uji tidak merusak (Non Destructive Test = NDT)

Crack (retak) Slag (terak) Porosity (gelembung udara) Dan lain-lain.

Pengujian secara merusak : Pengujian tarik statik Untuk mengetahui kekuatan bahan dengan beban tarik.

Pelaksanaan pengujian :• Pembuatan spesimen dengan standart

tertentu.• Penentuan gauge length.• Pemasangan pada mesin uji tarik.• Pemberian beban secara bertahap

hingga putus.• Pengukuran luas penampang pada

daerah putus.• Ukur perpanjangan spesimen setelah

putus. Data tersebut dipakai untuk mencari harga tegangan dan regangan.

dimana : = Tegangan (kgf/mm2, N/mm2).

F = Besar gaya (kgf, N, Mpa).

Ao = Luas penampang awal.

=

100%xL

L -Lε

o

oyl

dimana: l = Regangan (%).Ly = Panjang setelah putus (mm).Lo = Panjang awal spesimen (mm).

Spesimen Uji Tarik

Mesin Uji Tarik

εσE

100%xA

A -Aε

o

yor

l

r

εε

υ

Deformasi yang terjadi menunjukkan harga modulus elastisitas (modulus young) = E

Perbandingan reduction of area dengan elongation menunjukkan harga poison ratio =

Perbandingan volume awal dengan volume setelah putus menunjukkan harga bulk ratio = K

2υ-1ευ

υυK l

o

o1

Dengan uji tarik bisa dibuat suatu grafik “Tegangan- Regangan (Stress-Strain)”

Grafik Stress – Strain

Keterangan :• Daerah elastis (elastic)• Daerah plastis (yield)• Daerah lumer (ultimate)• Daerah putus (fracture area)

Perbedaan sifat bahan dapat ditunjukkan pada grafik berikut :

Grafik Stress – Strain Plastik

Alasan pengujian tarik statik dilakukan : Mudah dilakukan Menghasilkan tegangan uniform pada penampang Diketahui karakteristik bahan Diketahui beban maksimal yang bisa ditahan

Pengujian tekan statik Banyak digunakan untuk konstruksi beton Uji bahan untuk menahan beban yang sangat berat, misal : bantalan mesin Kekuatan tekan tidak terlalu kritis bila dibandingkan dengan kekuatan tarik

Pengujian Tekan

Pengujian bengkok, lentur statis Cocok dipakai untuk bahan yang mempunyai bentuk sederhana. Dapat menentukan mampu deformasi dengan ukuran tertentu, radius & sudut bengkok tertentu. Dapat menentukan kekuatan sambungan las pada pelat tipis. Dapat menentukan kekuatan dan kegetasan pada bahan yang keras dan getas. Alasan pemilihan pengujian bengkok (bending)

:• Bentuknya sederhana sehingga lebih cocok untuk

bahan yang sulit diproses secara mekanis.• Sulit terjadi cacat retak pada bahan akibat proses

mekanis dan perlakuan panas.• Cocok untuk bahan yang sangat keras dan tidak

dapat dilakukan uji tarik (Brinell 600).• Terjadi patahan yang ideal untuk bahan yang keras

dan getas.

Tegangan pada Pengujian Bending

Besi Cor Kekuatan Lentur a (Mpa)

Kekuatan Tarik b (Mpa) a/b

1 568 279 2,04

2 782 340 1,87

3 594 308 1,93

4 626 322 1,94

Kekuatan Tarik dan Kekuatan Lentur Besi Cor

Pengujian puntir Digunakan untuk bahan yang menerima beban puntir, seperti : propeller saft, ruder stock, dll. Benda uji berbentuk silinder. Untuk bahan yang keras dan getas patahan yang terjadi adalah sejajar dengan arah sumbu puntiran. Untuk bahan yang liat, patahan yang terjadi adalah tegak lurus dengan arah sumbu puntiran.

Transisi liat getas Perubahan sifat-sifat bahan dari liat menjadi getas akibat adanya perlakuan panas dan laju pendinginan. Logam yang sering mengalami transisi liat getas :

Logam bcc (body centered cubic) : Fe, Wo, Mo, Nb, To, dan paduannya.

Logam hcc (hexagonal centered cubic) : Zn dan paduannya.

Logam yang jarang mengalami transisi liat getas :

Logam fcc (face centered cubic). Patahan getas sempurna, jika tidak terjadi

deformasi plastis. Faktor yang mempengaruhi patahan getas sempurna :

1.Tegangan tiga sumbu2.Laju regangan3.Temperatur

Pengujian untuk mengetahui kekerasan & kegetasan :

1.Pengujian patah CharpySpesimen diberi takikan “V”Dapat diketahui energi yang diperlukan untuk mematahkan spesimen.

Pengujian Patah “Charpy”

2.Pengujian patah untuk spesimen lebar Spesimen mempunyai lebar 1 m. Beban pemukul berkapasitas 10.000 ton. Dapat diketahui terjadinya patah getas pada konstruksi

yang sebenarnya. Hasil pengujian dapat langsung digunakan pada

perencanaan yang sebenarnya.3. Pengujian kekerasan

• Dengan cara menekankan alat penekan yang berbentuk tertentu pada spesimen.

• Alat penekan harus dibuat dari bahan yang lebih keras dari spesimen dengan bentuk tertentu.

• Besar gaya untuk penekan ditentukan dan dilakukan dengan cara tertentu.

• Kekerasan spesimen dapat diketahui dengan cara mengukur bekas alat penekan.

• Penentuan kekerasan dengan membandingkan ukuran bekas penekan dengan standar skala keras.

• Pengukuran kekerasan bisa dilakukan dengan cara : Brinell, Rockwell, Vickers, dan Shore.

a. Pengukuran kekerasan dengan cara Brinell Alat penekan menggunakan peluru baja yang sudah

disepuh keras. Cara pengujian adalah sebagai berikut :

D = Diameter peluru penekanF = Gaya yang diberikan t = Waktu yang digunakan untuk kerja penekanan.

Pengukuran Kekerasan Menurut Brinell

AF

tembereng luasgayaHB

Pada prakteknya kekerasan Brinell (HB) dapat langsung dibaca pada tabel Brinell.

Harga kekerasan bisa didapatkan dari perhitungan dan tergantung dari harga D, F, dan t.

Dari hasil percobaan kekerasan menurut Brinell biasa ditulis dengan HB (Hardness of Brinell).

Cara penulisannya adalah sebagai berikut :HB D / F / t , misalnya : HB 10 / 100 / 15

Artinya kekerasan tersebut diukur dengan :Diameter peluru penekan D = 10 mmGaya penekanan F = 100 NWaktu penekanan t = 15 detik

Ada kemungkinan penggunaan diameter peluru penekan dan gaya penekanan berbeda.

Supaya hasilnya sama, harus memenuhi syarat perbandingan yang sama (F/D2) untuk setiap perbedaan percobaan.Contoh :Diameter peluru D = 2,5 atau 5 atau 10 mm

F/D2 = 25 atau 50 atau 100 atau 300

Waktu (t) yang digunakan adalah : Logam paduan lunak t = 15 detik Logam paduan keras t = 30 120 detik

Keuntungan pengujian kekerasan Brinell Bekas hasil penekanan menghasilkan ukuran yang cukup besar pada benda uji. Harga kekerasan rata-rata dari bahan yang tidak homogen dapat ditentukan.

Kerugian pengujian kekerasan Brinell Alat penekan dari peluru baja akan menghasilkan pengukuran yang sangat terbatas. HB tertinggi yang dapat diukur hanya sampai 4.300 N/mm2. Untuk logam dengan kekerasan tinggi akan menghasilkan pengukuran yang kurang teliti. Benda uji tidak dapat digunakan lagi. Penentuan harga kekerasan butuh waktu lama.

b. Pengukuran kekerasan dengan cara Rockwell Alat penekan menggunakan peluru baja yang sudah disepuh keras atau kerucut dari intan.

Pengukuran Kekerasan Menurut Rockwell

Cara pengujian adalah sebagai berikut : Letakkan benda penekan di atas benda uji.

Berikan gaya awal sesuai dengan skala Rockwell sehingga benda penekan masuk ke benda uji.

Penekan peluru F0 = 130 NPenekan kerucut F0 = 100 N

Berikan gaya utama F1 sesuai dengan waktu yang telah ditentukan dan dihentikan.

Benda uji akan memegas kembali meskipun hanya sebagian.

Jarum penunjuk akan kembali pada angka tertentu yang merupakan selisih gaya awal dan akhir. Angka tersebut menunjukkan harga kekerasan menurut cara Rockwell. Hasil pengukuran diperoleh dari diameter dan kedalaman

bekas penekan pada benda uji.

Ukuran alat penekan :Peluru Baja Kerucut IntanDiameter = 1/16” Sudut puncak = 120Gaya awal F0 = 130 NGaya awal F0 = 100 NGaya utama F1 = 1.400 N Gaya utama F1 =

900 NPenunjukan jarum = 100 Penunjukan jarum = 130

Penulisan kekerasan Rockwell : Penekan bola : HRB (Hardness Rockwell Ball) Penekan kerucut : HRC (Hardness Rockwell Cone)

Keuntungan pengujian kekerasan Rockwell : Dengan penekan intan dapat dipakai untuk bahan dengan kekerasan tinggi.

Kerusakan pada benda uji relatif kecil. Pengukuran kekerasan lebih cepat.

Kerugian pengujian kekerasan Rockwell : Kekerasan rata-rata tidak dapat ditentukan untuk bahan yang tidak homogen. Bisa terjadi kesalahan pengukuran karena hasil bekas penekan yang ukurannya kecil.

c. Pengukuran kekerasan dengan cara Vickers. Alat penekan menggunakan piramida yang terbuat dari

intan. Piramida dengan alas bujur sangkar dan sudut puncak

136.

Alat Penekan Menurut Vickers.

Cara pengujian kekerasan menurut Vickers : Letakkan alat penekan di atas benda uji.

Berikan gaya agar penekan masuk ke dalam benda uji (10, 25, 50, 100, 300, 500, 600 dan 1000 N).

Waktu penekanan selama t detik tergantung pada benda yang diuji.

- Baja, tembaga, dan paduan tembaga t = 10 15 dt.

- Al, paduan Al, Mg, dan paduan Mg t = 10 15 dt.

Ukur lebar bekas hasil penekanan. Kekerasan Vickers dihitung dengan rumus :

AF

penekanan bekas luasgayaHV

Keuntungan pengujian kekerasan menurut Vickers : Dengan penekan yang sama dapat digunakan untuk benda lunak maupun keras.

Kerusakan pada benda uji kecil. Hasil pengukuran percobaan lebih teliti.

Dapat digunakan untuk bahan yang tipis, dan lapisan permukaan dengan gaya yang relatif kecil.

Kerugian pengujian kekerasan menurut Vickers : Bekas penekanan sangat kecil sehingga kurang teliti untuk benda yang tidak homogen. Memerlukan waktu yang lama, karena penekanan dan pengukuran diagonal pekerjaan yang terpisah.

d. Pengukuran kekerasan dengan cara Shore. Alat penekan yang digunakan berbentuk kerucut yang terbuat dari intan dan peluru baja yang disepuh keras. Pengukuran kekerasan bahan menggunakan prinsip elastisitas yang tergantung dari kekerasan bahan.

Cara pengukuran kekerasan menurut Shore : Jatuhkan alat penekan yang ada di dalam pipa

kaca dari ketinggian tertentu ke atas benda uji. Ukur tinggi pantulan benda penekan.

Berdasarkan skala yang telah dibuat pada pipa kaca dapat ditentukan bahan yang di uji.

Keuntungan pengukuran kekerasan menurut Shore : Benda uji tidak mengalami kerusakan. Penentuan harga kekerasan dapat dilakukan

dengan cepat.

Kerugian pengukuran kekerasan menurut Shore : Hasil pengukuran kurang teliti.

Pengukuran Kekerasan Menurut Shore

Dari keempat cara pengukuran kekerasan yang ada, dapat ditarik kesimpulan, yaitu : Terdapat hubungan tertentu antara kekuatan tarik dengan kekerasan bahan, terutama bahan baja. Dapat digunakan untuk menentukan kekuatan bahan secara cepat terhadap bahan yang akan dipakai. Untuk kekerasan baja dapat diukur dan dilihat pada tabel berikut.

Persamaan Kekuatan Tarik & Kekerasan Baja

KEKUATANTARIK

BN/mm2

KEKERASAN

BRINELLHB

N/mm2

ROCKWELL

VICKERSHV

N/mm2

SHOREHS

N/mm2

HRB

N/mm2

HRC

N/mm2

280 800 30,4 800

320 900 47,4 900

350 1000 56,4 1000

390 1100 63,4 1100

420 1200 69,4 1200

450 1300 74,4 1300

480 1400 78,4 1400 21

550 1600 85,4 1600 24

620 1800 90,8 1800 26

680 2000 95,0 2000 29

750 2200 98,2 2200 32

780 2300 19,2 2300 33

820 2400 21,2 2400 34

850 2500 23,0 2500 36

1100 3200 32,7 3200 45

1230 3590 37,0 3500 50

1460 4230 44,0 4400 59

1490 4300 45,4 4600 62

dst. 50,9 5400 69

Kesimpulan dari tabel : Kekerasan Brinell kira-kira 3 x kekuatan tariknya. Kekerasan Brinell memberikan harga yang hampir sama dengan

kekerasan Vickers. Kekerasan Brinell dan Rockwell B, digunakan untuk menentukan

kekerasan bahan berkekuatan tarik rendah. Kekerasan Rockwell C, dan Shore digunakan untuk menentukan

kekerasan bahan berkekuatan tarik tinggi. Kekerasan Vickers digunakan untuk menentukan angka kekerasan

bahan berkekuatan tarik rendah maupun tinggi.

Pemilihan pengukuran untuk bahan : Metode Brinell digunakan untuk pengukuran bahan lunak dan tidak

homogen. Metode Rockwell digunakan untuk pengukuran berurutan dan

bahan yang dikeraskan. Metode Vickers digunakan untuk pengukuran teliti dari benda uji

tipis, lapisan berkarbon, dan lapisan yang disepuh keras. Metode Shore digunakan untuk bahan yang tidak boleh rusak.