FISIKA EKSPERIMENTAL I 2014 Pengukuran Tensile Strength, dan Modulus Elastisitas Benda Padat Novi Tri Nugraheni (081211333009), Maya Ardiati (081211331137), Diana Ega Rani (081211331138), Firdaus Eka Setiawan (081211331147), Ratna Yulia Sari (081211332002), Hanif Roikhatul Jannah (081211332006), Khoirotun Nisa (081211332007), Fachrun Nisa (081211332010),Ahmad Zusmi Humam (081211333006)
Jurusan Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Surabaya ABSTRAK Dalam pemilihan suatu bahan akan diketahui sifat dari bahan itu dengan mengadakan pengujian terhadap bahan yang dipilih. Yang akan dilakukan dalam praktikum ini adalah uji tarik (tensile test) dan uji tekan (compression test). Dalam uji tarik, dilakukan dengan menggunakan alat yang dinamakan autograph tipe AG-10 TE Shimadzu. Spesiment diberikan suatu gaya yang akan spesiment tersebut bisa patah. Uji tarik ini diperlukan untuk mengetahui kekuatan suatu material. Bahan uji diletakkan di bagian tengah autograph kemudian ditarik sehingga dapat ditentukan perubahan panjang bahan yang ditarik. Dari hasil percobaan pada PVC dapat diketahui hubungan antara stess dan strain, serta nilai modulus elastisitasnya. Dari regresi tersebut modulus elastisitas dari PVC adalah . Kata Kunci: Uji Tarik, modulus elastisitas
PENDAHULUAN Sifat-sifat mekanik zat padat seperti kekuatan tarik (tensile strength), kekuatan tekan (compressive strength), modulus elastis (modulus young, modulus geser dan modulus bulk), keuletan, ketangguhan, kekerasan dan kekuatan impak merupakan sifat-sifat fisis zat padat yang perlu mendapatkan perhatian bagi para peneliti yang melakukan penelitian tentang rekayasa bahan, karena sifat-sifat tersebut memberikan peranan penting bagi terciptanya syatu bahan yang sesuai dengan yang dikehendaki. Masing-masing benda
1
padat seperti logam, keramik, polimer, semikonduktor, dan superkonduktor masingmasing memiliki sifat-sifat mekanik yang berbeda satu sama lain. Hal inilah yang menyebabkan adanya perbedaan aplikasi bagi bermacam-macam benda padat tersebut diatas. Sebagai contoh, logam memiliki tingkat kekuatan yang lebih tinggi dibandingkan polimer. Oleh karenanya logam banyak digunakan untuk peralatan yang membutuhkan kekuatan yang besar (alat-alat industri, komponen peralatan transportasi dan lain-lain), sementara
FISIKA EKSPERIMENTAL I 2014 polimer banyak digunakan untuk peralatan rumah tangga. Mengingat pentingnya pengetahuan tentang sifat-sifat mekanik dalam rekayasa bahan maka akan dilakukan pengukuran beberapa sifat-sifat mekanik zat padat dengan menggunakan autograph tipe AG10 TE Shimadzu. Sifat-sifat mekanik yang akan diukur adalah stress (tegangan), strain (regangan), kekuatan tarik (tensile strength), kekuatan tekan ( compressive strength) dan modulus elastisitas.
DASAR TEORI 1.1
Stress (Tegangan)
Stress atau tegangan didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya terhadap luas penampang daerah yang dikenai gaya tersebut (Van Vlack, 1991). Dalam satuan international stress memiliki lambang S dan satuan N/m2. Gaya yang bekerja pada benda menyebabkan terjadinya perubahan ukuran benda. Pengaruh vector gaya terhadap sumbu x menghasilkan besaran tensile stress dengan lambang σx . Indeks x menyatakan arah vektor gaya. Pengaruh gaya terhadap sumbu y dan sumbu z menghasilkan momen yang disebut besaran shear stress. Untuk sumbu y, shear stress dilambangkan σxy , sedangkan untuk sumbu z dilambangkan σxz. Hubungan antara besaran-besaran tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut:
S
F xi xyj xzK A x
2
Fx A
(2)
(1)
dengan i,j,k adalah vektor satuan untuk masing-masing sumbu. 1.2 Strain (Regangan) Strain atau regangan didefinisikan sebagai perbandingan perubahan panjang benda terhadap panjang mula-mula akibat suatu gaya dengan arah sejajar perubahan panjang tersebut (Van Vlack,1991). Dalam satuan internasional, strain memiliki lambang dengan satuan mm/mm atau %. L L L (3) L L dengan L adalah perubahan panjang benda dan Lo adalah panjang benda mula-mula. Benda padat yang dikenai gaya akan mengalami perubahan ukuran. Jika gayanya berupa gaya tarik maka benda akan memanjang, sebaliknya jika gayanya adalah gaya tekan, maka benda akan memendek. Hal ini terjadi jika ukuran panjangnya jauh lebih besar dari lebarnya. Sementara jika ukuran panjang dan lebar suatu benda hampir sama maka akibat adanya gaya akan mengakibatkan terjadinya regangan geser. (Callister,1991). 1.3 Modulus Elastisitas Elastisitas didefenisikan sebagai kemampuan bahan untuk menerima tegangan tanpa mengakibatkan tejadinya perubahan bentuk yang permanen setelah tegangan dihilangkan. Peristiwa ini disebut juga deformasi elastis. Deformasi elastis terjadi bila logam atau bahan padat dibebani gaya. Bila tegangan tersebut disebabkan oleh gaya tarik maka benda akan bertambah panjang, setelah gaya ditiadakan benda akan kembali ke bentuk semula. Sebaliknya jika tegangan tersebut disebabkan oleh gaya tekan maka akan mengakibatkan benda akan menjadi lebih pendek dari keadaan semula
FISIKA EKSPERIMENTAL I 2014 (Van Vlack, 1991). Bila hanya ada deformasi elastik, maka regangan sebanding dengan tegangan. Perbandingan antara tegangan (σ) dan regangan elastik ( ) disebut modulus elastisitas (modulus young) yang dapat dituliskan sebagai berikut :
E
(4)
melampaui batas elastik, regangan akan sebanding dengan tegangan. Regangan elastik akan sebanding dengan tegangan bila pada bahan / logam hanya terjadi deformasi elastik. Regangan elastik merupakan hasil perpanjangan sel satuan dalam arah tegangan tarik, atau hasil kontraksi dari sel satuan dalam arah tekan. Makin besar gaya tarik menarik antara atom logam, makin tinggi pula modulus elastisitasnya. Modulus elastisitas bersifat anisotropik, yaitu berubah sesuai arah kristal dikenal sebagai anisotropik kristalografi. Pada pembebanan geser, bekerja dua gaya yang sejajar (gambar 1). Tegangan geser σs adalah gaya Fs dibagi dengan luas bidang geser As. Fs s (5) As Gaya geser menyebabkan adanya pergeseran sudut . Regangan geser didefinisikan sebagai tangen . Perbandingan tegangan geser σs dengan regangan geser disebut modulus geser G. s G
(6)
Modulus geser G disebut juga modulus kekakuan, berbeda dengan modulus elastisitas (modulus young) E. Untuk regangan kecil berlaku hubungan: E 2G (1 ) (7)
adalah Persamaan (4) dikenal juga dengan Hukum Hooke. Hukum Hooke berlaku dibawah batas elastik, dimana untuk sebagian besar bahan selama beban atau tegangan tidak
3
bilangan poisson yaitu perbandingan negatif antara regangan melintang y dengan regangan tarik z . Bilangan Poisson berada antara 0,25 sampai 0,5, maka nilai G mendekati 35 % dari E.
Kekuatan tarik (tensile strenght) atau kekuatan tekan (compressive strenght)
FISIKA EKSPERIMENTAL I 2014 menyatakan ukuran tegangan yang diperlukan untuk mematahkan atau merusak bahan. Diagram antara stress (tegangan) dan strain (regangan) dapat digunakan untuk menentukan sifat mekanik dari suatu bahan. Diagram tersebut menggambarkan perubahan stress terhadap strain bila benda dikenai suatu gaya. 1.4 Deformasi Plastis Hukum Hooke menyatakan bahwa strain berbanding lurus dengan stress dan hukum ini dipenuhi oleh benda pada daerah elastis. Jika bahan ditarik oleh suatu gaya pada daerah elastis, maka benda tersebut akan mengalami perubahan ukuran, kemudian setelah gaya dihilangkan maka benda akan kembali pada keadaan semula. Pada tegangan yang lebih tinggi (melewati batas elastis), terjadi pergeseran tetap atom - atom dalam suatu bahan disamping regangan elastik. Regangan tetap ini tidak mampu kembali pada keadaan semula ketika tegangan ditiadakan. Regangan ini disebut regangan palastis (plastic strain). Pada daerah plastis, ukuran banda tidak dapat kembali seperti semula apabila gaya telah dihilangkan. Grafik stress terhadap strain pada daerah elastis adalah linier sedangkan pada daerah plastis menunjukkan harga maksimum ulitimate strength. Harga slope grafik linier dinyatakan sebagai modulus Young. Luas daerah total dari kurva menyatakan harga modulus of toughness, sedangkan luas daerah elastis menyatakan harga modulus of resilence. Modulus of toughness (ketangguhan) didefinisikan sebagai energy total yang diserap oleh benda tiap satu satuan volume hingga terjadi deformasi
4
struktur (patah atau robek). Modulus of resilence didefinisikan sebagai energy yang diserap oleh benda setiap satu satuan pada daerah elastis. Kedua besaran ini berpengaruh pada kerja benda yang pada umumnya pada daerah elastis. Keuletan (dusility) menyatakan besarnya regangan plastis sampai patah, dapat dinyatakan sebagai presentasi perpanjangan (precent elongation). (10) Kekuatan luluh (Yield strength), Sy merupakan ketahanan suatu bahan terhadap deformasi plastis dinyatakan dengan besarnya gaya pada suatu luluh dibagi luas penampang. 1.5 Kekuatan Tekan (Compresive Strength) Kekuatan tekan (compressive strength) menyatakan ukuran besar gaya yang diperlukan untuk merusak bahan. Fs s (11) As dengan Fs merupakan besar gaya yang diberikan, sedangkan As merupakan luas permukaan bahan yang diuji.
ALAT DAN BAHAN Alat yang digunakan adalah sebagai berikut: 1. Autograph tipe AG-10 TE Shimadzu.
FISIKA EKSPERIMENTAL I 2014 2. Penggaris 3. Mikrometer skrup Bahan yang dibutuhkan adalah: 1. PVC
METODE EKSPERIMEN Pengukuran Stress, Strain dan Kekuatan Tarik (Tensile Strength) 1. Memotong bahan sesuai dengan keperluan. 2. Memasang asesoris alat untuk uji tarik kemudian memilih beban (load cell) yang sesuai dengan kekuatan bahan uji A,B, dan C. 3. Meletakkan bahan uji pada tempatnya. 4. Menyalakan power supply, tombol 1 dan 2 dinyalakan dan di set up. 5. Mengatur jarak maksimum yang diperlukan. 6. Mengatur kecepatan pembebanan (pilih kecepatan rendah) 7. Memilih range beban (gaya) yang diukur 8. Menarik load cell perlahan-lahan, kemudian stop, dan mencatat besar gaya dan strainnya 9. Mengulangi langkah 8, dengan perubahan yang sangat kecil sampai tercapai keadaan plastik atau sampah patah. 10. Menulis hail pengamatan pada table.
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
155 202 240 297 340 362 362 362 362 362
0.00118 0.00139 0.00158 0.00184 0.00209 0.00240 0.00255 0.00279 0.00363 0.00368
PEMBAHASAN Untuk mengetahui sifat-sifat mekanik suatu bahan, maka perlu dilakukan beberapa pengujian diantaranya kekuatan tarik (tensile strength) dan kekuatan tekan (compression strength) dengan menggunakan autograph tipe AG-10 TE Shimadzu. Kekuatan Tarik (Tensile Strength) Kekuatan tarik (tensile strength) menyatakan ukuran besar gaya yang diperlukan untuk mematahkan bahan. Dalam praktikum ini bahan yang digunakan adalah PVC.
DATA HASIL PENGAMATAN No 1 2 3 4 5 6 7
F (Newton) 0 12 27 42 62 87 115
5
(meter) 0 0.00011 0.00028 0.00046 0.00063 0.00080 0.00097
Grafik 1 Grafik untuk menentukan modulus elastisitas dari Hubungan Stress dengan Strain
FISIKA EKSPERIMENTAL I 2014 Berdasarkan Grafik 1 PVC yang telah diberi tegangan mampu mempertahankan bentuknya saat tegangan dihilangkan. Perbandingan antara stress dan strain disebut modulus Young atau moduslus elastisitas. Besar modulus Young dapat diketahui dari gradien yang didapatkan pada Grafik 1 Besar modulus Young yang diperoleh yaitu . Hal ini dapat diketahui bahwa semakin besar gaya tarik menarik antara atom bahan, maka akan semakin tinggi modulus elastisitasnya. Diagram antara stress (tegangan) dan strain (regangan) hasil praktikum ditunjukkan gambar di bawah ini: Diagram Stress (𝜎) terhadap
𝜺
Strain ( )
sebesar 362 Newton dengan perubahan panjang sebesar 0,00248 m. Sedangkan deformasi plastis ditunjukkan pada table di bawah ini: Tabel 1. Hasil Analisis Deformasi Plastis No 1 2 3 4 5
0,00248 0,00255 0,00279 0,00363 0,00568
0,0564 0,0579 0,0634 0,0825 0,1291
KESIMPULAN Berdasarkan eksperimen yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan bahwa : 1. Modulus elastisitas PVC hasil praktikum sebesar .
Stress (𝜎)
30000000 20000000
DAFTAR PUSTAKA
10000000
1.
0 0
0.05
0.1
0.15
Strain (𝜺)
2.
Grafik 2. Grafik Hubungan Stress dengan Strain
Sedangkan dari Garfik diatas yang awalnya dalam kondisi naik kemudian grafik akan menjadi lurus. Saat grafik dalam keadaan lurus ini menunjukkan daerah plasits atau yield point yaitu stress akan dalam kondisi tetap meskipun strainnya bertambah. Daerah plastis ini terjadi saat PVC diberi gaya sebesar 362 Newton. Deformasi plastis merupakan besarnya regangan plastis sampai patah. Deformasi struktur atau titik ketika PVC patah pada eksperimen ini terjadi saat diberi gaya
6
3.
Lawrence H. Van Vlack, 1995, Ilmu dan Teknologi Bahan, edisi kelima (penerjemah Sriati Djaprie), Erlangga, Jakarta. Sears, Francis W. ,Mark W.Zemansky, 1962, Fisika untuk Universitas 1 (Mekanika, Panas, Bunyi), Alih bahasa : Ir.Soedarjana, Drs. Amir Achmad, Tirta Mandiri, Jakarta. Tim KBK Fisika Material, 2014. Petunjuk Praktikum Fisika Eksperimental I, Laboratorium Fisika Material FST UA , Surabaya
LAMPIRAN I DATA HASIL PENGAMATAN Panjang Tebal (t) Lebar (l) No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
=( = = F (kN) 0,000 0,012 0,027 0,042 0,062 0,087 0,115 0,155 0,202 0,240 0,297 0,340 0,362 0,362 0,362 0,362 0,362
cm
0,00 0,11 0,28 0,46 0,63 0,80 0,97 1,18 1,39 1,58 1,84 2,09 2,48 2,55 2,79 3,63 5,68
FISIKA EKSPERIMENTAL I 2014 LAMPIRAN II ANALISIS PERHITUNGAN TENSILE STRENGTH
A. Dimensi Plat Panjang (L0) Tebal (t) Lebar (l) < < < < |
||
<
8
|
| ||
| | ||
=( = =
|
|| | |
| | || |
|
|| |
FISIKA EKSPERIMENTAL I 2014 B. Stress
No
F (N)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
0 12 27 42 62 87 115 155 202 240 297 340 362
(
)
0,000 888888,889 2000000,000 3111111,111 4592592,593 6444444,444 8518518,519 11481481,480 14962962,960 17777777,780 22000000,000 25185185,190 26814814,810
C. Strain
No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
0,00000 0,00011 0,00028 0,00046 0,00063 0,00080 0,00097 0,00118 0,00139 0,00158 0,00184 0,00209
9
0,0000 0,0025 0,0064 0,0105 0,0143 0,0182 0,0220 0,0268 0,0316 0,0359 0,0418 0,0475
FISIKA EKSPERIMENTAL I 2014 D. Deformasi Plastis
No 1 2 3 4 5
0,00248 0,00255 0,00279 0,00363 0,00568
Diagram Stress (
0,0564 0,0579 0,0634 0,0825 0,1291
terhadap Strain
Diagram Stress (𝜎) terhadap Strain (𝜺) 30000000
Stress (𝜎)
25000000
20000000 15000000 10000000 5000000 0 0
0.02
0.04
0.06
0.08
Strain (𝜺)
10
0.1
0.12
0.14
FISIKA EKSPERIMENTAL I 2014 Menentukan Modulus Elastisitas dari Grafik Stress dan Strain 30000000
y = 6E+08x - 3E+06 R² = 0.9821
25000000
Stress
20000000 15000000
Series1
10000000
Linear (Series1)
5000000 0 -5000000 0
0.01
0.02 0.03 Strain
0.04
Gradien atau modulus elastisitas Young adalah
11
0.05
FISIKA EKSPERIMENTAL I 2014
12
