KONSEP TEGANGAN-REGANGAN SUATU MATERIAL
A. TEGANGAN (STRESS)
Secara umum tegangan teknik dirumuskan sebagai:
Keterangan:
F = beban yang diberikan ( lb atau N )
AO = luas penampang bahan sebelum dibebani ( in^2 atau m^2 )
Tegangan
atau Stress adalah gaya reaksi atau gaya untuk mengembalikan ke bentuk
semula. Gaya ini mengembalikan benda ke bentuk semula persatuan luas
terbagi rata diseluruh permukaan.
Tegangan atau Stress dapat dikelompokkan menjadi:
1. Tegangan Normal
Tegangan
normal merupakan tegangan pada bidang yang tegak lurus dengan arah
gaya. σ = bukan tegangan di suatu titik pada penampang A, tetapi
tegangan rata-rata semua titik pada penampang A. Pada umumnya tegangan
di suatu titik tidak sama dengan tegangan rata-rata. Tetapi dalam
prakteknya, tegangan ini dianggap seragam, kecuali pada titik beban,
atau adanya konsentrasi tegangan.
2. Tegangan Tarik
Tegangan tarik adalah tegangan yang diakibatkan beban tarik atau beban yang
arah
nya tegak lurus meninggalkan luasan permukaan. Tegangan Tekan Tegangan
tekan adalah tegangan yang diakibatkan beban tekan atau beban yang
arahnya tegak lurus menuju luasan permukaan Suatu benda yang statis,
jika dipotong harus tetap statis dengan resultan gaya = 0 (ΣF=0)
3. Tegangan Geser
Tegangan
geser adalah tegangan yang diakibatkan oleh gaya yang arahnya sejajar
dengan luasan permukaan (gaya tangensial). A = luas penampang yang
menahan beban P Tegangan yang terjadi pada luasan A disebut tegangan
geser, τ (tau) P τ rata = A Jika permukaan geser hanya satu, maka
disebut geseran tunggal. Jika permukaan geser dua, maka disebut geseran
ganda, sehingga tegangan geser Ps menjadi : τs=2A Bearing Stress in
Connections σb=PP=A td
B. REGANGAN (STRAIN)
Secara umum tegangan teknik dirumuskan sebagai:
Keterangan:
lo = panjang mula – mula
li = panjang akhir
Δl = pertambahan panjang
ε = %
Regangan
atau strain adalah perubahan pada ukuran benda karena gaya
dalamkesetimbangan dibandingkan dengan ukuran semula. Strain juga dapat
dikatakan sebagai tingkat deformasi. Tingkat deformasi tersebut dapat memanjang, memendek, membesar, mengecil dan sebagainya.
Pembebanan
akan mengalami deformasi. Perbandingan antara deformasi dengan panjang
mula-mula disebut sebagai regangan. δ=satuan panjang L=satuan panjang ε=
tanpa satuan atau dapat ditulis: L−L ΔL ε=1=L L ε=regangan L=panjang
mula-mula L1 = panjang
- Regangan Geser
Regangan geser dilambangkan γ merupakan tangen θ.
- Torsi
Torsi adalah variasi dari gaya geser murni. Bahan uji diberikan gaya puntir
yang akan menimbulkan gerak putar pada sumbu penggerak atau mesin bor
- Deformasi Elastis
Besarnya
bahan mengalami deformasi atau regangan bergantung kepada besarnya
tegangan. Pada sebagian besar metal, tegangan dan regangan adalah
proporsional dengan hubungan:
σ = E . ε
E = modulus elastistas atau modulus young ( Psi, MPa ).
- Deformasi Plastis
Pada
kebanyakan logam, deformasi elastis hanya terjadi sampai regangan
0.005. Jika bahan berdeformasi melewati batas elastis, tegangan tidak
lagiproporsional terhadap regangan. Daerah ini disebut daerah plastis.
Pada daerah plastis, bahan tidak bisa kembali ke bentuk semula jika beban dilepaskan.
Pada tinjauan mikro deformasi plastis mengakibatkan putusnya ikatan
atom dengan atom tetangganya dan membentuk ikatan yang baru dengan atom
yang lainnya. Jika beban di lepaskan, atom ini tidak kembali keikatan
awalnya.
C. HUBUNGAN ANTARA TEGANGAN-REGANGAN
- Sifat-sifat benda elastik
ü Strain selalu sama untuk stress tertentu
ü Strain hilang sama sekali jika penyebab dihilangkan
ü Untuk membuat strain tetap maka stress juga dibuat tetap
- Grafik tegangan-regangan
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
Prsentase 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.
- Hukum Hooke
Pada
tahun 1676, Robert Hooke mengusulkan suatu hukum fisika menyangkut
pertambahan sebuah benda elastik yang dikenal oleh suatu gaya.
Menurut
Hooke, pertambahan panjang berbanding lurus dengan gaya yang diberikan
pada benda. Secara matematis, hukum Hooke ini dapat dituliskan sebagai.
F = k x
dengan
F = gaya yang dikerjakan (N)
x = pertambahan panjang (m)
k = konstanta gaya (N/m)
Perlu
suatu diingat bahwa hukum Hooke hanya berlaku untuk daerah elastik,
tidak berlaku untuk daerah plastik maupun benda-benda plastik. Rumus
tersebut dapat kita tulis:
Tegangan = k
Regangan
k adalah modulus elastisitas atau koefisien elastisitas.. Dalam
batas elastisitasnya setiap deformasi berbanding lurus dengan gaya
penyebabnya(hukum Hooke) dan pertambahan panjang pegas berbanding lurus
dengan gaya penyebabnya.
Berikut ini addalah beberapa nilai konstanta modulus elastisitas, modulus geser dan Ratio Possion pada beberapa paduan logam.
