DEFORMASI PLASTIC DAN DELASTIC

DEFORMASI PLASTIC DAN DELASTIC

BAB. I

DEFINISI

Sebuah material akan tahan terhadap energi tarik atau tekan jika energi tersebut tidak melebihi energi karakteristik material tersebut.

Elastic deformation:
Deformasi material tapi masih bisa kembali bentuk semula, struktur mikro masih bisa kembali ke bentuk semula

Plastic deformation:
Struktur mikro sudah tidak bisa kembali ke bentuk asal sehingga materialnya sendiri tidak bisa kembali ke bentuknya semula.

Definisi lengkapnya :

Deformasi elastis adalah deformasi atau perubahan bentuk material yang apabila gaya penyebab deformasi itu dihilangkan maka deformasi kembali ke bentuk semula. contoh pada uji tarik suatu material. akibat gaya yang di berikan kepada specimen maka material terdeformasi, berubah bentuk. kalo uji tarik maka specimen material bertambah panjang yaitu terdapat delta L. apabila gaya tarik dihilangkan maka material kembali ke bentuk semuala, ke ukuran semula. delta L hilang.

Sedangkan pada deformasi plastik maka ketika gaya dihilangkan material tidak kembali ke ukuran, tidak ke bentuk semula. delta L tidak hilang.

Seperti diperlihatkan dalam grafik tegangan-regangan terdapat yang namanya batas luluh (yield strength) nah untuk deformasi elastis itu berada di bawah batas luluh sedangkan untuk deformasi plastis berada/melewati batas luluh suatu material, di mana untuk setiap material mempunyai karakteristik yang berbeda2, misalnya pipa jenis API 5L X 52 di mana yield strengthnya (SMYS) adalah 52000 psi yang artinya karakter elastis pada material tersebut adalah < 52000 psi sedangkan plastisnya > 52000 psi.

Mengenai tentang struktur mikro, pada saat di deformasi elastis tidak ada perubahan perubahan mikro begitu juga ketika deformasi elastis itu hilang. Secara sederhana deformasi elastis itu dapat kita gambarkan dengan dua buah atom Fe yang diikat dengan sebuah pegas. Ketika kita deformasi elastis maka pegas akan berusaha melawan Fe yang kita tarik.
Untuk deformasi plastis struktur mikro sudah berubah. Sebagai inisiasinya adalah sudah putusnya ikatan antara Fe, kemudian adanya pembentukan ukuran butir yang baru (biasanya ukuran butir menjadi lebih kecil dan gepeng karena deformasi plastis akibat tekanan). Pembentukan butir butir baru terbutlah yang menyebabkan terjadinya perubahan struktur mikro.

Biasanya daerah elastik itu dibatasi oleh garis proporsioanal antara tegangan n tegangan, nah ujung dari titik proporsioanl ini disebut sebagai yield point..
setelah keluar dari daerah ini, disebut sebagai daerah plastic yg tidak akan kembali kebentuk semula. Alasannya karena sudah terjadi perubahan, sedangkan di daerah elastic tidak terjadi perubahan secara drastis, hal ini disebabkan ketika masih di daerah elastic, logam dapat menahan beban yg diberikan yg disebabkan oleh bertemunya dengan batas butir dengan dislokasi.. sehingga menghambat pergerakkan dari dislokasi.. sedangkan ketika sudah memasuki daerah plastik, dislokasi sudah memotong batas butir.
tapi untuk material lainnya mempunyai sifat yg sedikit aneh, salah satu jenis polimer, tidak akan kembali ke bentuk semula ketika di berikan beban..


BAB. II

Mengenal Uji Tarik dan Sifat-sifat Mekanik Logam

Untuk mengetahui sifat-sifat suatu bahan, tentu kita harus mengadakan pengujian terhadap bahan tersebut. Ada empat jenis uji coba yang biasa dilakukan, yaitu uji tarik (tensile test), uji tekan (compression test), uji torsi (torsion test), dan uji geser (shear test). Dalam tulisan ini kita akan membahas tentang uji tarik dan sifat-sifat mekanik logam yang didapatkan dari interpretasi hasil uji tarik.
Uji tarik mungkin adalah cara pengujian bahan yang paling mendasar. Pengujian ini sangat sederhana, tidak mahal dan sudah mengalami standarisasi di seluruh dunia, misalnya di Amerika dengan ASTM E8 dan Jepang dengan JIS 2241. Dengan menarik suatu bahan kita akan segera mengetahui bagaimana bahan tersebut bereaksi terhadap tenaga tarikan dan mengetahui sejauh mana material itu bertambah panjang. Alat eksperimen untuk uji tarik ini harus memiliki cengkeraman (grip) yang kuat dan kekakuan yang tinggi (highly stiff). Brand terkenal untuk alat uji tarik antara lain adalah antara lain adalah Shimadzu, Instron dan Dartec.

1. Mengapa melakukan Uji Tarik?
Banyak hal yang dapat kita pelajari dari hasil uji tarik. Bila kita terus menarik suatu bahan (dalam hal ini suatu logam) sampai putus, kita akan mendapatkan profil tarikan yang lengkap yang berupa kurva. Ini menunjukkan hubungan antara gaya tarikan dengan perubahan panjang. Profil ini sangat diperlukan dalam desain yang memakai bahan tersebut.

Biasanya yang menjadi fokus perhatian adalah kemampuan maksimum bahan tersebut dalam menahan beban. Kemampuan ini umumnya disebut “Ultimate Tensile Strength” disingkat dengan UTS, dalam bahasa Indonesia disebut tegangan tarik maksimum.

Hukum Hooke (Hooke’s Law)

Untuk hampir semua logam, pada tahap sangat awal dari uji tarik, hubungan antara beban atau gaya yang diberikan berbanding lurus dengan perubahan panjang bahan tersebut. Ini disebut daerah linier atau linear zone. Di daerah ini, kurva pertambahan panjang vs beban mengikuti aturan Hooke sebagai berikut:
rasio tegangan (stress) dan regangan (strain) adalah konstan
Stress adalah beban dibagi luas penampang bahan dan strain adalah pertambahan panjang dibagi panjang awal bahan.

Stress: σ = F/A F: gaya tarikan, A: luas penampang
Strain: ε = ΔL/L ΔL: pertambahan panjang, L: panjang awal
Hubungan antara stress dan strain dirumuskan:
E = σ / ε
Untuk memudahkan pembahasan, kita modifikasi sedikit dari hubungan antara gaya tarikan dan pertambahan panjang menjadi hubungan antara tegangan dan regangan (stress vs strain). Selanjutnya kita dapatkan yang merupakan kurva standar ketika melakukan eksperimen uji tarik. E adalah gradien kurva dalam daerah linier, di mana perbandingan tegangan (σ) dan regangan (ε) selalu tetap. E diberi nama “Modulus Elastisitas” atau “Young Modulus”. Kurva yang menyatakan hubungan antara strain dan stress seperti ini kerap disingkat kurva SS (SS curve).

Perubahan panjang dari spesimen dideteksi lewat pengukur regangan (strain gage) yang ditempelkan pada spesimen. Bila pengukur regangan ini mengalami perubahan panjang dan penampang, terjadi perubahan nilai hambatan listrik yang dibaca oleh detektor dan kemudian dikonversi menjadi perubahan regangan.

2. Detail profil uji tarik dan sifat mekanik logam
Sekarang akan kita bahas profil data dari tensile test secara lebih detail. Untuk keperluan kebanyakan analisa teknik, data yang didapatkan dari uji tarik dapat digeneralisasi.

Kita akan membahas istilah mengenai sifat-sifat mekanik bahan dengan berpedoman pada hasil uji tarik seperti pada gambar di atas. Asumsikan bahwa kita melakukan uji tarik mulai dari titik O sampai D sesuai dengan arah panah dalam gambar.

Batas elastisσE ( elastic limit)
Bila sebuah bahan diberi beban sampai pada satu titik tertentu, kemudian bebannya dihilangkan, maka bahan tersebut akan kembali ke kondisi semula (tepatnya hampir kembali ke kondisi semula) yaitu regangan “nol” pada titik O (lihat inset dalam gambar). Tetapi bila beban ditarik sampai melewati titik tersebut, hukum Hooke tidak lagi berlaku dan terdapat perubahan permanen dari bahan. Terdapat konvensi batas regangan permamen (permanent strain) sehingga masih disebut perubahan elastis yaitu kurang dari 0.03%, tetapi sebagian referensi menyebutkan 0.005% . Tidak ada standarisasi yang universal mengenai nilai ini. [1]
Batas proporsional σp (proportional limit)
Titik sampai di mana penerapan hukum Hook masih bisa ditolerir. Tidak ada standarisasi tentang nilai ini. Dalam praktek, biasanya batas proporsional sama dengan batas elastis.
Deformasi plastis (plastic deformation)
Yaitu perubahan bentuk yang tidak kembali ke keadaan semula, yaitu bila bahan ditarik sampai melewati batas proporsional dan mencapai daerah landing.
Tegangan luluh atas σuy (upper yield stress)
Tegangan maksimum sebelum bahan memasuki fase daerah landing peralihan deformasi elastis ke plastis.
Tegangan luluh bawah σly (lower yield stress)
Tegangan rata-rata daerah landing sebelum benar-benar memasuki fase deformasi plastis. Bila hanya disebutkan tegangan luluh (yield stress), maka yang dimaksud adalah tegangan ini.
Regangan luluh εy (yield strain)
Regangan permanen saat bahan akan memasuki fase deformasi plastis.
Regangan elastis εe (elastic strain)
Regangan yang diakibatkan perubahan elastis bahan. Pada saat beban dilepaskan regangan ini akan kembali ke posisi semula.
Regangan plastis εp (plastic strain)
Regangan yang diakibatkan perubahan plastis. Pada saat beban dilepaskan regangan ini tetap tinggal sebagai perubahan permanen bahan.
Regangan total (total strain)
Merupakan gabungan regangan plastis dan regangan elastis, εT = εe+εp.. Pada titik selanjutnya, regangan yang ada adalah regangan total. Ketika beban dilepaskan, posisi regangan ada pada titik lain dan besar regangan yang tinggal (OE) adalah regangan plastis.
Tegangan tarik maksimum TTM (UTS, ultimate tensile strength)

Kekuatan patah (breaking strength)

Tegangan luluh pada data tanpa batas jelas antara perubahan elastis dan plastis
Untuk hasil uji tarik yang tidak memiliki daerah linier dan landing yang jelas, tegangan luluh biasanya didefinisikan sebagai tegangan yang menghasilkan regangan permanen sebesar 0.2%, regangan ini disebut offset-strain

Perlu untuk diingat bahwa satuan SI untuk tegangan (stress) adalah Pa (Pascal, N/m2) dan strain adalah besaran tanpa satuan.

3. Istilah lain
Selanjutnya akan kita bahas beberapa istilah lain yang penting seputar interpretasi hasil uji tarik.

Kelenturan (ductility)
Merupakan sifat mekanik bahan yang menunjukkan derajat deformasi plastis yang terjadi sebelum suatu bahan putus atau gagal pada uji tarik. Bahan disebut lentur (ductile) bila regangan plastis yang terjadi sebelum putus lebih dari 5%, bila kurang dari itu suatu bahan disebut getas (brittle).

Derajat kelentingan (resilience)
Derajat kelentingan didefinisikan sebagai kapasitas suatu bahan menyerap energi dalam fase perubahan elastis. Sering disebut dengan Modulus Kelentingan (Modulus of Resilience), dengan satuan strain energy per unit volume (Joule/m3 atau Pa).

Derajat ketangguhan (toughness)
Kapasitas suatu bahan menyerap energi dalam fase plastis sampai bahan tersebut putus. Sering disebut dengan Modulus Ketangguhan (modulus of toughness).

Pengerasan regang (strain hardening)
Sifat kebanyakan logam yang ditandai dengan naiknya nilai tegangan berbanding regangan setelah memasuki fase plastis.
Tegangan sejati , regangan sejati (true stress, true strain)
Dalam beberapa kasus definisi tegangan dan regangan seperti yang telah dibahas di atas tidak dapat dipakai. Untuk itu dipakai definisi tegangan dan regangan sejati, yaitu tegangan dan regangan berdasarkan luas penampang bahan secara real time. Detail definisi tegangan dan regangan sejati ini dapat dilihat pada gambar berikut ini.

BAB. III

SIFAT MEKANIK LOGAM

Secara umum sifat mekanik dari logam dibagi menjadi :

a). Batas proposionalitas (Proportionality Limit)

Adalah daerah batas dimana tegangan dan regangan mempunyai hubungan proporsionalitas satu dengan lainnya. Setiap penambahan tegangan akan diikuti dengan penambahan regangan secara proporsional dalam hubungan linier :
s = E e

b). Batas elastis (Elastic limit)

Adalah daerah dimana bahan akan kembali kepada panjang semula bila tegangan luar dihilangkan. Daerah proporsionalitas merupakan bagian dari batas elastik. Bila beban terus diberikan tegangan maka batas elastis pada akhimya akan terlampaui sehingga bahan tidak kembali seperti ukuran semula. Maka batas elastis merupakan titik dimana tegangan yang diberikan akan menyebabkan terjadinya deformasi plastis untuk pertama kalinya. Kebanyakan material tenik mempunyai batas elastis yang hampir berhimpitan dengan batas proporsionalitasnya.

c). Titik Luluh (Yield Point) dan Kekuatan Luluh (Yield Strength)

Adalah batas dimana material akan terus mengalami deformasi tanpa adanya penambahan beban. Tegangan (stress) yang mengakibatkan bahan menunjukkan mekanisme luluh ini disebut tegangan luluh (yield stress).
Gejala luluh umumnya hanya ditunjukkan oleh logam-logam ulet dengan struktur kristal BCC dan FCC yang membentuk interstitial solid solution dari atom-atom karbon, boron, hidrogen dan oksigen. Interaksi antar dislokasi dan atom-atom tersebut menyebabkan baja ulet seperti mild steel menunjukan titik luluh bawah (lower yield point) dan titik luluh atas (upper yield point).
Untuk baja berkekuatan tinggi dan besi tuang yang getas pada umumnya tidak memperlihatkan batas luluh yang jelas. Sehingga digunakan metode offset untuk menentukan kekuatan luluh material. Dengan metode ini kekuatan luluh ditentukan sebagai tegangan dimana bahan memperlihatkan batas penyimpangan/deviasi tertentu dari keadaan proporsionalitas tegangan dan regangan.

Kekuatan luluh atau titik luluh merupakan suatu gambaran kemampuan bahan menahan deformasi permanen bila digunakan dalam penggunaan struktural yang melibatkan pembebanan mekanik seperti tarik, tekan, bending atau puntiran. Di sisi lain, batas luluh ini harus dicapai ataupun dilewati bila bahan dipakai dalam proses manufaktur produk-produk logam seperti proses rolling, drawing, stretching dan sebagainya. Dapat dikatakan titik luluh adalah suatu tingkatan tegangan yang tidak boleh dilewati dalam penggunaan struktural (in service) dan harus dilewati dalam proses manufaktur logam (forming process).

d). Kekuatan Tarik Maksimum (Ultimate Tensile Strength)

Adalah tegangan maksmum yang dapat ditanggung oleh material sebelum tejadinya perpatahan (fracture). Nilai kekuatan tarik maksimum tarik ditentukan dari beban maksimum dibagi luas penampang.

e). Kekuatan Putus (Breaking Strength)

Kekuatan putus ditentukan dengan membagi beban pada saat benda uji putus (Fbreaking) dengan tuas penampang awal (A0). Untuk bahan yang bersifat ulet pada saat beban maksimum M terlampaui dan bahan terus terdeformasi hingga titik putus B maka terjadi mekanisme penciutan (necking) sebagai akibat adanya suatu deformasi yang terlokalisasi.
Pada bahan ulet, kekuatan putus lebih kecil dari kekuatan maksimum, dan pada bahan getas kekuatan putus sama dengan kekuatan maksimumnya.

f). Keuletan (Ductility)

Adalah sifat yang menggambarkan kemampuan logam menahan deformasi hingga tejadinya perpatahan. Pengujian tarik memberikan dua metode pengukuran keuletan bahan yaitu :
• Persentase perpanjangan (Elongation) :
e (%) = [(Lf-L0)/L0] x 100%
dimana : Lf = panjang akhir benda uji
L0 = panjang awal benda uji

• Persentase reduksi penampang (Area Reduction) :
R (%) = [(A1 – A0)/A0] x 100%
dimana : Af = luas penampang akhir
A0 = luas penampang awal


g). Modulus Elastisitas (Modulus Young)

Adalah ukuran kekakuan suatu material, semakin besar harga modulus ini maka semakin kecil regangan elastis yang terjadi, atau semakin kaku.

h). Modulus Kelentingan (Modulus of Resilience)

Adalah kemampuan material untuk menyerap energi dari luar tanpa teiuadinya kerusakan. Nilai modulus resilience (U) dapat diperoleh dari luas segitiga yang dibentuk oleh area elastik diagram tegangan-regangan
Perumusannya : U = 0.5se atau U = 0.5se2/E

i). Modulus Ketangguhan (Modulus of Toughness)

Adalah kemampuan material dalam mengabsorb energi hingga terjadinva perpatahan. Secara kuantitatif dapat ditentukan dari luas area keseluruhan di bawah kurva tegangan-regangan hasil pengujian tarik

j). Kurva Tegangan-Regangan Rekayasa dan Sesungguhnya

Kurva tegangan-regangan rekayasa (engineering) didasarkan atas dimensi awal (luas area dan panjang) dari benda uji, sementara untuk mendapatkan kurva tegangan-regangan sesungguhnya (true) diperlukan luas area dan panjang aktual pada saat pembebanan setiap saat terukur. Pada kurva tegangan-regangan rekayasa, dapat diketahui bahwa benda uji secara aktual mampu menahan turunnya beban karena luas area awal Ao bernilai konstan pada saat perhitungan tegangan σ = P/Ao. Sementara pada kurva tegangan-regangan sesungguhnya luas area aktual adalah selalu turun hingga terjadinya perpatahan dan benda uji mampu menahan peningkatan tegangan karena σ = P/A.
Hubungan trae stress-strain dan engineering stress-strain :
sT = s(1 + e) sT = true stress

eT = ln(1 +e) eT = true strain


Batas diantara Plastis & Elastis deformation tersebut ada titik yg biasa disebut Yield Point.
Material dengan suatu pembebanan berlebih, awalnya akan berada di plastis area, kemudian akan mencapai yiled pointnya, dan setelah melewati yield point, kemudian akan memasuki elastis area dimana pada daerah ini material tidak bisa kembali ke bentuk semula sampai akhirnya mencapai UTS (Ultimate Tensile Strength) dimana material akan patah/putus.

Yield Point ini yang menjadi referensi pemilihan kekuatan suatu material. Biasa disebut dengan Ys (Yield Strength).

Elastis adalah area di mana material jika forcenya di release akan kembali ke bentuk semula. Ini disebut juga area di mana hukum hook berlaku.
Plastis adalah area di mana material akan terbentuk deformasi permanent karena force yg diberikan.

Utk aplikasi structural steel misalnya, maka daerah elastis yg digunakan, tetapi force yg dimainkan kebanyakan hanya pada daerah setengahnya dari elastis tsb, supaya aman.

nergi bisa dihitung dari kurva tegangan-regangan (stress-strain): area di bawah kurva tersebut menggambarkan energi yg dilepas oleh material ketika mengalami beban tarik atau tekan (khusus fenomena statik, bukan buckling).

Dalam philosophy design kita selalu membandingkan Stress yang terjadi VS Kapasitas (Capacity).

A. Stress

Stress yang terjadi dalam suatu elemen member diakibatkan oleh 3 jenis pembebanan.

A.1 Axial Load,
Pembebanan yang searah dengan sumbu utama dari member. Axial load ini dibagi menjadi dua.
1. Tension
2. Compression

A.2 Bending Momen
A.3 Combine Bending dan Axial

B. Kapasitas

Kapasitas member selalu tetap tergantung dari properties dan dimensi dari material tersebut, kapasitas member tidak tergantung dari load yang terjadidan dalam analysis design kapasitas ini dibatasi dengan allowable yang terdapat dalam standard and code seperti API, AISC, Norsok dll.

B.1 Axial Load

1. Tension,
Kapasitas tension biasanya dinyatakan dalam Yield Strength (Fy), untuk design allowablenya biasanya dibatasi 0.66 - 0.9 Fy, tergantung dari standard and code yang digunakan dan metodenya LRFD ato WSD.

2. Compression,
Kapasitas compression dari suatu member sangat ditentukan dari properties dan dimensi dari member
tersebut. Rumus Euleur biasanya digunakan untuk menyatakan kapasitas compression dari member tetapi dengan koreksi untuk kelangsingan tertentu. Lebih dalam lagi kapasitas ini ditentukan juga oleh perletakan dari member hal ini berpengaruh pada panjang efektif dari member.

B.2 Bending

Kapasitas bending dinyatakan dalam Yield Strength (Fy) dan untuk design allowablenya biasanya dalam praktis digunakan 0.75 Fy. Untuk Tubular member perbadingan atara
Diameter dan thickness juga mempengaruhi dari allowable member. Untuk detailnya bisa dilihat di API.

B.3 Combine Axial dan Bending,

Untuk kapasitas ini bisa dilihat langsung di Standard and Code, yang menjadi concern dalam Combine Load ini yaitu adanya amplification factor apabila perbandingan antara compression yang terjadi dengan allowablenya lebih besar dari 0.16.

Perbandingan antara strees yang terjadi dengan allowablenya dalam uraian diatas digunakan untuk kondisi elastic analisis. Dalam sistem struktur jika suatu member telah melebihi batas allowablenya bukan berarti struktur itu akan collapse. Bayangkan jika kita harus mendesign satu member dalam strukttur agar dapat menahan beban ship impact, seberapa besar dimensi member yang akan digunakan.

C. Plastic Analysis

Untuk mengatasi hal tersebut dilakukan plastic analysis dengan pertimbangan bahwa material baja setelah mengalami yield akan terus berdeformasi sampai mencapai ultimate strength baru kemudian runtuh.

Plastic analysis ini digunakan untuk beberapa analysis :
1. Collapse/Pushover analysis untuk mengetahui Reserve Strength Ratio dan Residual Strength.
2. Analysis terhadap beban2 Accidental seperti ship impact, blast, drop object dan fire.

D. Fatigue Analysis

Fatigue analysis dilakukan untuk mengetahui daya tahan struktur terhadap beban berulang. Fatigue analysis bisa dilakuakan dengan metode spektral atau deterministic analysis. Hasil dari fatigue analysis ini dibandingkan dengan "service life" dari struktur yang telah ditentukan.

BAB. IV

DAFTAR PUSTAKA

1. Material Testing (Zairyou Shiken). Hajime Shudo. Uchidarokakuho, 1983.
2. Material Science and Engineering: An Introduction. William D. Callister Jr. John Wiley&Sons, 2004.
3. Strength of Materials. William Nash. Schaum’s Outlines, 1998.
4. www.migas-indonesia.com/files/.../Elastic&Plastic_Deformation
5. www.eng.umd.edu/~austin/aladdin.../wjlin-mass-spring-input.html

1 komentar:

  1. coba dikasi gambar nd diagram yg lengkap pasti lebih maknyossss tuch....!

    BalasHapus