Hanono Wiryosumarto* KomangBagiasna AgusHidayat Hendralndra Wirawan
SARJ Mesin-mesinmekanik banyak yang mempunyai komponen yang bekerjanya selalu mengalami peristiwa tumbukan, sehinggadalam pemilihan bahan untuk komponen tenebut di samping kekuatanperlu diperhatikanjuga daya s€rapbahanterhadapenergitumbuk. Dalampenelitian ini dipelajari daya scrap energi tumbuk yang diubah ke dalam energi deformasi elastik dari tujuh logam paduanCu-Al s€rtaketergantungan dayaseraptenebut terhadapmoduluselastik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa hargamodulus elastik lebih banyak dipengaruhioleh siruktur mikro logam paduan daripadaoleh komposisikimianya. Daya serapnyaterhadap energi tumbuk yang diubah menjadienergidefomasi elastikmenurun dengannaiknyaharga moduluselastik.
ABSTMCT Many components of mechanical machinery, during their servic.e, undergo impact forces frequently. Therefore in selectingthe material for thes€ compon€nts, both its strength and its capacity in absorbingimpacl enerry should be taken into consideration.In this work the capacity to absorbimpact ener$rwhich is thenconvertedinto elasticdeformationenerSyof sevenCu-Al alloys is studiedand related to their modulus of elasticity. The rcsult of the study showsthat elasticmodulusis more influenccdby micrcstructureof the alloy than by its chemicalcompcition. Further more it confirms that the higher its elasticmodulus the lower its impact €ner$aabsorbing capacity.
* Depattem€n Mesin, ltutitut Teknologi Bandung
PROCEEDINGSITB Vol. 13, No. l/2, 1980
PENDAHULUAN
Dalam peristiwatumbukanantaradua bendaselaluteladi pemindahanenergi dari bendayangsatukepadabendayanglain. Sepertihalnyaprosespemindahan energipadaumumnya,makapadaprosespemindahantumbukjuga terdapatkehilanganatau kerugianenergi.Jadi denganadanyaperistiwatumbukanmaka terjadi distribusienergibaru, yaitu bagiandari energiyangdiserapdan dibawa oleh kedua bendayang bertumbukandan bagiandari eneryiyang disebarkan dan diserapoleh mediasekitarnya. Pada mesin-mesinmekanik di dalam bekerjanyasering sekali didasari oleh peristinta-peristiwa tumbukan,misalnyapadamesintenun.Dalammesinseperti ili bagian energi yang diserap oleh komponen-komponenmesin yang bertumbukan menjadi sangatpenting, karena energi yang diseraptersebut akan diubah menjadibentuk energiyanglah sepertienergideformasiplastik, energideformasielastil, energigetarandanlain sebagainya. Jadijelaslahbahwa dalam memilih bahan untuk komponen mesin yang demikian di samping kekuatanharusjuga diperhatikandayaserapbahanterhadapenergitumbuk. Sehubungandenganuraian di atas, maka di dalam penelitian ini dipelajar kemampuanserapterhadapenergitumbuk dari logampaduan tembaga-alum nium yangdiubah menjadi energi deformasielastik,yang dengansendirinya besarnyaakan dipengaruhioleh besamyamoduluselastik dari logam (1,2). Dalampenelitianini dipilih bagianenergiyangdiubahmenjadi energideformas elastikkarenaperencanaan mesinselaludiperhitungkanatasdasarbeban-beba yang menyebabkanterjadinya perubahanatau deformasielastik. Sedangka bahanpenelitiandipilih logampaduantembagaaluminium, karenapaduanini dapatmemberiJ
Pembuatandan persiapanbahanuji Dibuat tujuh paduanternbaga-aluminium denganmencairkanaluminium di dalam krusibel dan kemudian menambahkantembagayang diperlukan ke dalamnya.Setelahitu dilakukan proses homogenisasi denganlaku panasdan baru kemudiandiadakananalisakimia*. Datadata peniapandan hasil analisa kimia dari bahanuji ditunjukkandalamTabel l. Persiapanakhir dari bahan uji adalah memotong bahan tersebut menjadi batang-batang denganukuranlebar20 mm, tebal I 5 mm dan panjang210 mm. * DepanemenKimia, lnstilut TeknologiBandung
PROCEEDINCSITB Vol. 13, No. l/2. 1980
Tabel1 Laku panasdan komposisikimia bahanDenelitian
[:ku panas Kode Bshrn Suhu Waktu Perlelitirtr Cc) (i"m)
A B c D E F G
900 700 550 500 500 500 500
1''
t2 t2 l2 t2 t2 t2
KomposisiKinia Cu-Al (7") 98978,66 1 , 850,125,Ol 1 , 51,5-
1,0 18,? 38,1 49,8 74,9 883 98,4
Pengukuran moduluselastik Moduluselastikbatanguji diukur,_de-ngan cara pengujiantak merusakdengan mempergunakan: Grindo*onic MK 3_ Prisip dasardaripadaalat ini adalahsebagaiberikut: suatubenda bebasyang dipukul akanmelepaskanenergihasilpemukutantenebuidalambentukgeiarai bebas yang dengancepat menuiy \9nada getaranpribadi aari Uend-ayang bersangkutan. Besamyagetaranpribadi inilahyangdiuiur olehalatGrindo-sonii t:.rseb_u-t. Dalam hal ini getaranpribadi dadp;da suatubendayangmengalami unyai.hubungan eratdenganmoduluselastiknyayangdalam :]!::r-|.,b": l:rf tersebut alar L'nnoo.soruc dinyatakanolehpersarnaan Il ] berikut ini (3). ^
b=
Bo Q2
F3
Ill
di mana: E = moduluselastik(KN/mm2 ) B = faktor bentuk p = rapatmassa(gm/cm3) ! = panjangbatang(mm) R = pembacaan padaGrindo-sonic skemapengukuran moduruselastikdengan Grindo-sonic ini ditunjukkandaram (Jarnbar l.
PROCEEDINGS ITB Vol- 13,No. 1/2. 1980
Keterangan:a=batanguji b = pemukul
c=penumpu d = derektorPiezoelektdk
e = alat Crindo-sonic I = panjangbatanguji
Gambar 1 Skema pengukuranmodulus elastik
Pengukuranenergi deformasi elastik Pengukuran energi deformasi elastik dilakukan dengan menjatuhkan pemberat dari suatu ketinggian tertentu terhadap batang uji. Dalam hal ini benda yang dijatuhkan dilengkapi dengan "strain gage" sehingga merupakan suatu "load-cell" yang digunakanuntuk mengukurbesamyagayatumbuk. Sedangdeformasi elastik yang terjadi diukur dengan menggunakannon-contacting inductive displacement transducer proximator Bentley model 20929106. Sinyal pengukuran gaya dan deformasi tersebut kemudian dimasukkan ke dalam oskiloskop Gould Advancetype 8040 A, yangmemiliki kemampuanmerekamdan menyimpan sinyal listrik secaradigital. Perekamandaripada kedua macam sinyal listrik yang berasal dari hasil pengukuran gaya-tumbuk dan pengukuran deformasi elastik dalam oskiloskop dilakukan dengan mempergunakan sinyal gaya tumbuk sebagaisinyal pelatuk luar (extemal trigger).Skemadan susunan peralatandari cara pengukuran ini ditunjukkan dalam Gambar 2 dan Gambar 3.
Keterantan: l- batanguji 2. Load-cell
3. penguatsinyallistrik 4. Transducerinductive
Gambar 2 Skema pengukurangaya dan deformasi
5. penguatsinyallistrik 6, Oskiloskop
PROCEEDINGSITB Vol. 13, No. l/2. 1980
Gambar3 Susunanperalatanpadapengukuran gayadan deformasi. Keterangan angka-angka samadehganketerangan Gambar2. Besaran listrik dari pada sinyal gaya tumbuk dan sinyal deformasi elastik yang terekam pada oskiloskop adalah tegangan listrik dalam volt. Dalam hal ini be_
sarnya _sensitivitasdari padatransducerinduktif maupunload_celldiketahui dari hasil kalibrasikedua alat tersebut,sehinggadengandemikian besarnya gayatumbuk maupundeformasielastikyangtedadipadabatanguji dapatdihi_ tung. Kemudianbesarnya energitumbuk yang diubahmen;a-i energideformasielastikdihitungdengannrmuspersamaan [2] : u= F' 6 (ks-mm) 2-
12l
di mana U = energideformasielastik(kg-mm) F = gayatumbuk (kg) 6 = deforrnasielastik(mm) HASILHASIL PENGUKURANDAN PENC,OLAHANDATA Modulus elastik Sepertiditerangkansebelumnya,alat Grindo-sonicmemberikanhasilpembacaan R, yangkemudiandimasukkanke
PROCEEDINGS ITB VoI. 13,No. 1/2. I98O
besarnyamoduluselastik. pengukurandan datayangtelahdiolahditabelkandalamTabel2. Hasil-hasil Tabel2 Hasilpengukuran dan pengolahan datamoduluselastik Pembacaan
Moduluselastik
Berat
Kode Grindoconic jenis Batang Pengu- Pengu- bahan rji kuran kuran (g/"-3)
B D E F
1994 1244 949 r28S 1305 t482 1456
1603 848 765 866 890 1203 981
Mod'lus
n#'*-h. *T* *1- 395
fte/'n'n2)
8,50 6,30
8093 6590 7342 14704 16652 ts678 15130 16839 1s985 7974 rrs39 9s04 s280 79t7 6s99 5938 5743 5841 s2s9 6627 5943
s?q 44\
3,6s 3,20 2,70
Penyerapanenergi deformasi elastik Berdasarkanpengukuran yang digunakan,maka yang dibaca dalam pengukuran ini adalah simpangan rekaman dalam oskiloskop yang menunjukkan besamya gaya tumbuk dan besamya deformasi elastik. Salah satu penunjukan hasil rekaman oskiloskop dapat dilihat dalam Gambar 4.
I srmpangangaya
JI
simpangandeformasi
Gambar4 Rekamanoskiloskoo
:n
PROCEEDINGS ITB VoL 13,No. r/2, 1980
7
Penunjukansimpanganoleh oskiloskopsetelahdikatkan dengankonstantahasil kalibrasiakanmendapatkanhargagayatumbuk dandeformasielastik.Kemudi an eireryideformasielastik dihitung denganmenggunakan persamaan [2] dan daya serapenergidari bahaauji dirumuskansebagaienergiyangdiserapper satuan volume. Hasil pengukurandan pengolahandata dari penyerapanenergiini ditabelkan oalam I aDel J. Tabel3 Hasilpengukuran dan pengolahan datapenyerapan energideformasi elastik
Batang ..;i
B
c
D E F G
Simoamanosld. Gaya tod
Deformasi
(ks)
Dayssertp Deforrnasi Energi elastik deformasi energr (.m) (kg-mm) (kg-mm
2,43 I,30 1,03 l,30 I ,30 I,35 2,60
2t7 2,50 1,83 2,oo 2,90 3,50 320
286 260 206 260 260 27Q 520
0,19 0,19 0,14 0,12 o,l7 o,2l 0,19
46,l 14,4 15,6 ')) | 28,3 49,4
8,8 4,2 2,4 2,6 4,9 8,7
PEMBAHASANHASIL PENELITIAN Telah disebutkandalampendahuluanbahwabesamyaenergideformasielastik yang diserapdipengaruhioleh besamyamoduluselastik.Dalampenelitianini variasihargamodulus elastik didapat denganmembuatpaduanCu-Al dengan komposisikimia yangberbeda.Jadidalamhal ini perlurnenganalisa lebih dahulu pengaruhkomposisiterhadapmoduluselastikdan baru kemudiandibahas pengaruhmoduluselastikterhadapdayaserapenergideformasielastik. Pengaruhkomposisi kimia terhadapmodulus elastik Dalam pembahasan pengaruh komposisiterhadapmoduluselastikperlu dibuat diagrarnsuperposisiantaradiagramfasaCu-Al(4) danhasilpenentuanmodulus elastik.Diagramyang dimaksudditunjukkandalamGambar5. Dari gambartersebutdapatdilihat bahwatidak adapola tertentuyangmenunjukkanhub..,ngan antarahargamodulus elastik dan komposisi.Kaieniitu hal ini perlu ditinjau secarateoritik. Moduluselastik adalahkonstantayang menghubungkan antarakekuatandan perubahanbentuk elastik yang pada dasamyaadalahpencerminan dari keku_ aian ikatan atom dan jarak antar atom, sedangkan kekuatanikatan atom sendiri merupakanturunan dari energi ikatan antar atom yang dalamhal ini dide,
pnocEEDINGsITB vol 13,No. l/2, 1980
8
furisikansebagaikerja yang diperlukanuntuk memisahkandua atom yang saIing terikat sehinggajaraknya mencapaitidak terhingga. Berdasarkandefinisi ini maka jelaslah bahwa kekuatan adalahpencerminandari energipotensial antar atom. 1 0 3x 1 8 l6
I
: I
I
I I
I
I I I I t I
c I
Cu
010203040s060?08090
BeratAl (%)
diagramfasaCu-Aldan hargamoduluselastik Grmba?5 Superposisi
100 AI
PROCEEDINCS ITB Vol. 13,No. 1/2, 1980
9
Garisbesarenergipotensialantar atom dan ketergantungarurya terhadapjarak atom telah banyakdiketahui(5) dan hubunganantarakeduanyadapatdigambarkandalambentukkurva sepertiyangterlihat dalamGambar6.
e Jarak atom (r)
I tP I I I
Gsmbar6 Hubunganantaraenergipotensialantar atem dan iarak atom
EnergipotensialP sebagaifungsidarijarak atom(Gambar6) dapatdiuraikandenganderetTaylor (6) menjadibentukpenamaan[3].
P = P' . . + ( d ! ; . , 1 r - r . )* y , 1 t ! 1 - , 1 r - r , 1 ,
t31
dr' df' Gaya ikat antar atom F dapat diturunkan denganmendiferensiasikanpeNirmaan [3] dan denganmemasukkanharga I = 0 untut r = r+ maka besamyagaya or ikat F adalah: -
-dP.d2P.
F = _:-= (-)r-
(r- r.)
dr or Bila persamaan dari hukum Hooke: [4] dibandingkandenganpersamaan O=E€
t41
tsl
di mana: o = tegangan € = regangan E = modulus elastik maka dapat disimpulkan bahwa: a2p
E + (:-' 1r. dr
t61
pRocEEDrNcsITB vol 13,No. 1/2, 1980
l0
Bila penamaan(6) diterapkanpadakurvadalamGambar6, makadapatdisimpulkan bahwahargamoduluselastik E makin besarbila kurvaenergipotensial antaratom dalamGambar6 makincuram. Kecuramandari kurvaini denean sendirinyadipengaruhilangsungolehjarak atom r*, dan dalamnyasumurenirgi potensialPmats.DalamPmatsdicerminkanoleh kekuatanbahanyangjuga tergantungoleh jarak atom, karenamalin kecil jarak atom kekuatanbahanmenjadi makin kuat. Berhubungdenganhal tenebut dan karenajarak atom ditentukan oleh susunanatom yang tercerminkanke dalamstruktur bahan,maka dapat ditarik kesimpulanbahwamoduluselastiklebih banyakdipengaruhioleh struktur dadpadaoleh komposisikimia. Dengananalisateoritik di atasmakahargamoduluselastikE yangtidak mempunyai pola perubahankomposisisepertiditunjukkan dalam Gambar5 dapat diterangkan. Hubunganantaradayaserapenergideformasielastikdenganmodrtluselastik Setelahmengetahuibahwa komposisikimia tidak banyakpengaruhnya terhadap moduluselastik,makadalammembahas hubunganantaradayaserapenergi deformasielastik denganmodulus elastik,komposisikimia dari bahan tidak perlu dipertimbangkan lagi. Berdasarkan hal tersebutmakaharga-harga dayaserapenergidan moduluselastik yangterdapatdalamTabel3 dipindahkandalambentukgrafik sepertiditunjukkan dalamGambarT.Dari grafik ini dapatdilihat pola kecenderungan bahwa dayaserapenergideformasielastikturun dengannaiknyahargamoduluselastik dari bahanuii. t4
E
," o
to.
E6
2
6
1
8
9 l0 ll 12 13 Modulus elartik (Kc/rnmt )
14
15
1 6x l 0 '
Gambar7 Hubunganantaradayaserapenergideformasielastikdan moduluselastik
PROCEEDINGS ITB VoL l3,No. 1/2, 1980
ll
ini perlu dibahasperumusandaUntuk mengadakan analisadari kecenderungan ri energideformasielastikyangdiselidikiyangbesamyadihitung berdasarkan hukum Hookedan pengertian rumuspada persamaan [2]. Denganmemasukkan persamaan dapat diubah menjadi bentuk seperti maka tentang tegangan [2] yaitu: persamaan [7], ^z U/vol = t7l ; Di mana: U/vol = dayaserapenergi = tegangan o = moduluselastik. E yang terlihat daDari persamaan [?] dapatdisimpulkanbahwakecenderungan lam penelitian ini, yaitu daya serap eneryi deformasielastik turun dengan naiknyahargamoduluselastik,adalahsesuaidengananalisateoritik. KESMPULAN Dalampenelitianini adadua kesimpulanyangdapatditarik, yaitu: l. Hargamoduluselastik E dari logampaduanCu-Al lebih dipengaruhioleh struktur paduandaripadaolehkomposisipaduan. 2- Daya serapenergideformasielastikdari logampaduanCu-Al menurundengannaiknyahargamoduluselastik. DAFTAR PUSTAKA Barret,C.R.,Nix. W-D.andTetelman,A.5., Thehinciple of Engineering Materials,Prentice-Hall Inc.,Englewood Cliff, NJ, 1973,p.33. Decneut,A., Tablesfor Simplifed Calculationon Young'sModulusof Elasticity Measurements, 1971,p.60. Basedon NaturalFrequency CRIF,Brussel, Dieter Jr., G.8., MechanicalMetallurgv,McGraw-HillBook CompanyInc., New York,NY. 1961.p. 60. MetalsHandbook,AmericanSocietyfor Metals,MetalPark,Ohio,8th edition, vol.8, p. 259. ThomasJr., G.8., &lculus and Arulytic Geometry,AddisonWesleyPublishing CompanyInc.,Reading, Mass,1956,p. 577. Timoshenko,S. and Goodier,J.N., Theoryof Elasticity, Mc Graw-HillBook CompanyInc.,NewYork, NY, 1951,p. 146.
