2014
LABORATORIUM FISIKA MATERIAL β IHFADNI NAZWA
UJI KEKERASAN MATERIAL DENGAN METODE ROCKWELL Ihfadni Nazwa, Darmawan, Diana, Hanu Lutvia, Imroatul Maghfiroh, Ratna Dewi Kumalasari Laboratorium Fisika Material Jurusan Fisika, Departemen Fisika Universitas Airlangga Surabaya
Abstract. Telah dilakukan percobaan uji kekerasan material dengan metode rockwell di Laboratorium Fisika Material Universitas Airlangga Surabaya. Percobaan ini bertujuan untuk mengetahui kekerasan logam sebagai ukuran ketahanan logam tersebut terhadap deformasi plastis. Kekerasan ini dinyatakan dengan angka kekerasan skala rockwell. Nilai kekerasan didapat melalui uji kekerasan terhadap suatu bahan uji dengan 5 titik yang berbeda. Mula-mula bahan uji diletakkan pada alat uji rockwell kemudian merotasikan alat pemutar spesimen searah jarum jam sampai bahan uji kontak dengan indentor. Kemudian memutar alat putar specimen hinga jarum kecil pada alat menunjukkan titik merah sedangkan jarum panjang menunjukkan titik di sekitar C setelah itu memutar handle hingga maksimum dan angka yang tertera pada skala kemudian dicatat karena angka tersebut menyatakan nilai kekerasan bahan/material yang di ukur. Berdasarkan hasil pengamatan diperoleh besarnya nilai kekerasan ratarata untuk 5 titik berbeda dalam satu bahan uji adalah sebesar 17,6 THC dengan kedalaman penetrasinya sebesar 1,64 mm. Keywords: kekerasan, Metode Rockwell.
-
1
Uji metalografi, dan lain-lain.
Pendahuluan
Makna nilai kekerasan suatu material berbeda untuk kelompok bidang ilmu yang berbeda. Bagi insyinyur metalurgi nilai kekerasan adalah ketahanan material terhadap penetrasi sementara untuk para insyinyur disain nilai tersebut adalah ukuran dari tegangan alir, untuk insyinyur lubrikasi kekerasan berarti ketahanan terhadap mekanisme keausan, untuk para insyinyur mineralogi nilai itu adalah ketahanan terhadap goresan, dan untuk para mekanik work-shop lebih bermakna kepada ketahanan material terhadap pemotongan dari alat potong. Begitu banyak konsep kekerasan material yang dipahami oleh kelompok ilmu, walaupun demikian konsep-konsep tersebut dapat dihubungkan pada suatu mekanisme yanitu tegangan alir plastis dari material yang diuji. Setiap material yang akan digunakan, maka sebelumnya perlu dilakukan pengujian/pengetesan material/logam, meliputi antara lain : -
Uji tarik material,
-
Uji kekerasan material,
Setiap material sebelum digunakan perlu dilakukan pengujian material/logam seperti diatas, dengan maksud dan tujuan yang pada umumnya adalah untuk mengetahui sifat-sifat utama dari material/logam tersebut, baik dari segi kekuatannya, ketahanan maupun sifat-sifat yang lain terhadap suatu beban yang akan diberikan.
2
Dasar Teori
Dari uraian singkat diatas maka kekerasan suatu material dapat didefinisikan sebagai ketahanan material tersebut terhadap gaya penekanan dari material lain yang lebih keras. Penekanan tersebut dapat berupa mekanisme penggoresan, pantulan ataupun indentasi dari material keras terhadap suatu permukaan benda uji. Berdasarkan mekanisme penekanan tersebut, dikenal 3 metode uji kekerasan : a. Metode gores Metode ini tidak banyak lagi digunakan dalam metalurgi dan material lanjut, tetapi masih sering dipakai dalam dunia mineralogi. Metode ini dikenalkan oleh Friedrich Mohs
2
Ihfadni Nazwa Berikut penjelasannya :
yang membagi kekerasan material di dunia ini berdasarkan skala. Skala ini bervariasi dari nilai 1 untuk kekerasan yang paling rendah, sebagaimana dimiliki oleh material talk, hingga skala 10 sebagai nilai kekerasan tertinggi, sebagaimana dimiliki oleh intan. Dalam skala mohs urutan nilai kekerasan material di dunia ini diwakili oleh :
-
Pengujian kekerasan dengan metode brinnel bertujuan untuk menentukan kekerasan suatu material dalam bentuk daya tahan terhadap bola baja yang ditekankan pada permukaan material uji tersebut. idealnya, pengujian brinell diperuntukkan bagi material yang memiliki kekerasan brinel sampai 400 HB, jika lebih dari nilai tersebut maka disarankan menggunakan metode pengujian rockwell ataupun vickers. Angka kekerasan brinnel didefinisikan sebagai hasil bagi dari beban uji dalam newton yang dikalikan dengan angka faktor 0,102 dan luas permukaan bekas luka tekan bola baja dalam milimeter persegi. Indentor biasanya telah dikeraskan dan diplating ataupun terbuat dari bahan karbida tungsten. Jika diameter indentor 10 mm maka beban yang digunakan adalah 3000 N sedang jika diameter indentornya 5 mm maka beban yang digunakan adalah 750 N.
Talc, Orthoclase, Gipsum, Quartz, Calcite, Topaz, Fluorite, Corundum, Apatite, Diamond (Intan) Prinsip pengujian : bila suatu mineral mampu digores oleh orthoclase tetapi tidak mampu digores oleh apatite, maka kekerasan mineral tersebut berada antara 5 dan 6. Berdasarkan hal ini jelas terlihat bahwa metode ini memiliki kekurangan utama berupa ketidakakuratan nilai kekerasan material. Bila kekerasan mineralmineral diuji dengan metode lain, ditemukan bahwa nilai-nilainya berkisar antara 1-9 saja, sedangkan nilai 9-10 memiliki rentang yang besar. b. Metode elastik/pantul (rebound) Dengan metode ini kekerasan suatu material ditentukan oleh alat scleroscope yang mengukur tinggi pantulan suatu pemukul dengan berat tertentu yang dijatuhkan dari suatu ketinggian terhadap permukaan benda uji. Tinggi pantulan yang dihasilkan mewakili kekerasan benda uji. Semakin tinggi pantulan tersebut, yang ditunjukkan oleh dial pada alat pengukur, maka kekerasan benda uji dinilai semakin tinggi. c. Metode indentasi Tipe pengetesan kekerasan material/logam ini adalah dengan mengukur tahanan plastis dari permukaan suatu material komponen konstruksi mesin dengan speciment standar terhadap penetrator. Adapun beberapa bentuk penetrator atau cara pengetesan ketahanan permukaan yang dikenal adalah : -
Ball Indentation test [ Brinel ] Pyramida indentation [vrickers ] Cone indentation tesr [ Rickwell ] Uji kekerasan rasio
Metode Brinell
-
Metode Vickers Metode ini hampir sama dengan brinel hanya saja dapat mengukur sekitar 400 VHN. Pengujian kekerasan dengan metode vickers bertujuan untuk menentukan kekerasan suatu material dalam bentuk daya tahan material terhadap intan berbentuk piramida dengan sudut puncak 136 derajat yang ditekankan pada permukaan material uji tersebut. angka kekerasan vickers didefinisikan sebagai hasil bagi dari beban uji dalam newton yang dikalikan dengan angka faktor 0,102 dan luas permukaan bekas luka tekan bola baja dalam milimeter persegi. Secara matematis dan setelah disederhanakan, HV sama dengan 1,854 dikalikan beban uji dibagi dengan diagonal intan yang dikuadratkan. Beban uji yang biasa dipakai adalah 5N per 0,102 ; 10 N per 0,102; 30 N per 0,102 N dan 50 per 0,102 N.
-
Metode Rockwell
-
Rockwell merupakan metode yang paling umum digunakan karena simple dan tidak menghendaki keahlian khusus. Digunakan kombinasi variasi indenter dan beban untuk bahan metal dan campuran mulai dari bahan lunak sampai keras. Berdasarkan besar beban minor dan major, uji kekerasan rockwell dibedakan atas 2 yaitu Rockwell dan Rockwell superficial untuk bahan tipis. Skala kekerasan
Simbol
Indenter
A B C D E F G H K
Intan Bola 1/16 inch Intan Intan Bola 1/8 Inch Bola 1/16 Inch Bola 1/16 inch Bola 1/8 inch Bola 1/8 inch
Beban major (kg) 60 100 150 100 100 60 150 60 150
skala yang umum dipakai pengujian Rockwell adalah :
Uji Kekerasan mikro Pada pengujian ini indentornya menggunakan intan kasar yang dibentuk menjadi piramida. Bentuk lekukan intan tersebut adalah perbandingan diagonal panjang dan pendek dengan skala 7:1. Pengujian ini untuk menguji suatu material adalah dengan menggunakan beban statis. Bentuk indentor yang khusus berupa knoop memberikan kemungkinan membuat kekuatan yang lebih rapat dibandingkan dengan lekukan vickers. Hal ini sangat berguna khususnya bila mengukur kekerasan lapisan tipis atau mengukur kekerasan bahan getas dimana kecenderungan menjadi patah sebanding dengan volume bahan yang ditegangkan.
Herdenability adalah sifat yang menentukan dalamnya daerah logam yang dapat dikeraskan. Pendinginann yang teralu cepat dapat dihindarkan karena dapat menyebabkan permukaan logam retak.
dalam
a. HRA (untuk material yang sangat keras) b. HRB (untuk material yang lunak). Indentor berupa bola baja dengan diameter 1/16 inch untuk beban uji 100 kgf. c. HRC (untuk material dengan kekerasan sedang). Indentor berupa kerucut intan dengan sudut puncak 120 derajat dan beban uji sebesar 150 kgf. Pengujian kekerasan dengan metode rockwell bertujuan menentukan kekerasan suatu material dalam bentuk daya tahan material terhadap benda uji yang berupa bola baja ataupun kerucut intan yang ditekankan pada permukaan material uji tersebut.
Kekerasan didefinisikan sebagai ketahanan sebuh benda terhadap penetrasi dari bahan lain yang lebih keras. Kekerasan merupakan suatu sufat dari bahan yang sebagian besar dipengaruhi oleh unsurunsur paduannya dan kekerasan suatu bahan tersebut dapat berubah bila dikerjakan dengan cold worked seperti pengerolan, penarikan, pemakanan, dan lain-lain serta kekerasan dapat dicapai sesuai kebutuhan dengan perlakuan keras. Faktor-faktor yang mempengaruhi hasil kekerasana dalam perlakuan panas anatara lain komposisi kimia, langkah perlakuan panas, aliran pendinginan, temperatur pemanasan, dan lain-lain. Proses hardening cukup banyak dipakai diindustri logam atau bengkel logam lainnya. Alat-alat permesinan atau komponen mesin banyak yang harus dikeraskan supaya tahan terhadap tusukan atau tekanan dan gesekan dari logam lain, misalnya roda gigi, poros-poros dan lain-lain yang banyak dipakai pada benda bergerak. Dalam kegiatan produksi waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan suatu produksi adalah merupakan masalah yang sangat sering dipertimbangkan dalam industri dan selalu dicari upaya-upaya untuk mengoptimalkannya. Pengoptimalan ini dilakukan mengingat bahwa waktu menyelesaikan suat produk adalah berpengaruh besar terhadap biaya produksi.
4 Hardening dilakukan untuk memperoleh sifat tahan aus yang tinggi, kekuatan dan fatigue limit/ strenght yang lebih baik. Kekerasan yang dapat dicapai tergantung pada kadar karbon dalam baja dan kekerasan yang terjadi akan tergantng pada temperatur pemanasan, holding time dan laju pendinginan yang dilakukan serta seberapa tebal bagian penamapang yang menjadi keras banyak tergantung pada hardenability.
3
5
a. Logam alumunium b. Seperangkat Rockwell Tester TH500
Metode Eksperimen
Untuk uji kekerasan ini kami menggunakan sebuah silinder alumunium sebagai bahan yang akan di uji kekerasannya dengan menggunakan alat uji rockwell. Langkah pertama yang dilakukan adalah memasang indentor sesuai jenis material yang dipilih. Kemudian meletakkan alumunium pada alat dan mengaturnya hingga bisa kontak atau bersentuhan dengan indentor. Setelah bahan uji kontak dengan indentor, tahan dan putar load cell secara kontinu hingga jarum kecil pada skala yang tertera pada alat menunjukkan titik merah dan jarum panjangnya ke arah titik C. Setelah itu memutar handle yang berada disamping alat hingga mencapai batas maksimum barulah kemudian mencatat angka yang ditunjukkan pada skala. Nilai pada skala tersebut menunjukkan nilai kekerasan dari bahan uji yang digunakan. Pada
Data Hasil Pengamatan Percobaan ke1 2 3 4 5
Alat dan Bahan
Adapun alat dan bahan yang digunakan pada eksperimen ini adalah sebagai berikut:
4
Ihfadni Nazwa eksperimen ini kami melakukan uji kekerasan pada 5 titik yang berbeda.
6
Nilai TH 17,5 THC 16,5 THC 18 THC 18 THC 18THC
Analisis dan Pembahasan
Pada eksperimen kali ini kami mencoba melakukan uji kekerasan terhadap sebuah silinder alumunium dengan menggunakan metode rockwell. Dengan melakukan uji kekerasan ini dapat diketahui karakter mekanik dari material uji yang digunakan. Pada pengujian logam, kekerasan didefinisikan sebagai ketahanan suatu logam terhadap indentasi atau penekanan. Pengujian ini dilakukan pada lima titik yang berbeda dalam satu bahan uji yaitu logam alumunium. Nilai yang ditunjukkan pada skala menunjukkan adanya pembebanan yang diberikan melalui indenter setelah gaya yang diberikan tersebut dilepaskan. Semakin besar nilai skala yang ditunjukkan dengan penyimpangan jarum yang semakin besar berarti menunjukkan bahwa material tersebut memiliki kekerasan yang tinggi karena hal tersebut membuktikan bahwasanya material tersebut mampu bertahan terhadap penekanan (indentasi) yang diberikan. Dari pengujian 5 titik yang berbeda, didapatkan nilai THC yang hampir sama di semua titik. Hal ini disebabkan karena adanya kehomogenitasan bahan yang di uji. Homogenitas sendiri merupakan sifat fisis material yaitu bagian dari density material. Dengan tingkat homogenitas yang tinggi akan membentuk materi dengan density yang lebih padat sehingga ketika materi tersebut dilakukan uji kekerasan maka akan semakin kecil kedalaman materi/bahan uji yang terkena tekanan. Berikut ini nilai kekerasan dari bahan alumunium yang kami dapatkan setelah dilakukan pengujian :
Percobaan ke1 2 3 4 5 Rata-rata
Nilai TH 17,5 THC 16,5 THC 18 THC 18 THC 18THC 17,6 THC
Dari tabel diatas nantinya bisa digunakan untuk mencari besarnya kedalaman penetrasi indentor berdasarkan persamaan :
ππ» = 100 β
(β1 β β0 ) 0,02
Untuk data 4 dan 5 nilai THnya sama dengan data 3 sehingga nilai penetrasi indentornya akan sama. Dengan demikian nilai sebesar :
β1 β β0 =
ππ» = 100 β
β1 β β0 = 1,65 ππ
5
grafik hubungan antara (h1-h0) dengan TH pada bahan Alumunium
1.68 1.67 1.66 1.65 1.64 1.63
y = -0.02x + 2 RΒ² = 1
16
17
18
19
TH
β1 β β0 = 100 β ππ» 0,02 β1 β β0 = 100 β 17,5 0,02
1,65 + 1,67 + 1,64 + 1,64 + 1,64
Dari hasil yang diperoleh, kemudian di cari hubungan antara TH dengan β1 β β0 dengan membuat grafik dimana sumbu x merupakan TH sedangkan sumbu y nya adalah β1 β β0 . Dan berikut grafik yang kami dapatkan :
(h1-h0)
(β1 β β0 ) 0,02
rata-ratanya
β1 β β0 = 1,64 ππ
Persamaan ini digunakan karena bahan ujinya berupa alumunium. Misalkan bahan ujinya bukan alumunium maka persamaan yang digunakan pun berbeda. Untuk data 1 dengan TH = 17,5 THC maka :
β1 β β0
Setelah didapatkan grafik kemudian dibandingkan dengan literatur yang ada. Ketika dibandingkan maka hasil yang kami peroleh sudah sesuai dengan literatur. Berikut grafik dari literatur :
Untuk data 2 dengan TH = 16,5 THC maka
(β1 β β0 ) 0,02
β1 β β0 = 100 β 16,5 0,02 β1 β β0 = 1,67 ππ
Min. Thickness of Specimen (mm)
ππ» = 100 β
Test with diamond cone pressure head (THA, THC, THD) 2 y = -0.02x + 2 RΒ² = 1
1
0
Untuk data 3 dengan TH = 18 THC maka
ππ» = 100 β
(β1 β β0 ) 0,02
β1 β β0 = 100 β 18 0,02 β1 β β0 = 1,64 ππ
0
50
Hardness of material
100
Nilai kekerasan Rockwell bergantung pada karakteristik bahan, misalnya struktur mikro bahan karena setiap bahan memiliki struktur mikro spesifik shingga nilai kekerasannyapun akan berbeda untuk bahan yang berbeda.
6
7
Ihfadni Nazwa
Kesimpulan
Berdasarkan eksperimen yang telah dilakukan, dapat kami simpulkan bahwa nilai kekerasan pada 5 titik yang berbeda untuk satu bahan uji (alumunium) rata-rata adalah sebesar 17,6 THC dengan kedalaman penetrasi sebesar 1,64 mm
8 [1]
[2]
[3]
Daftar Pustaka Callister, W.D., 1985, Material Science and Enginering, John Wiley & Sons, Inc., Singapore Tim KBK Fisika Material. 2010. Buku Petunjuk Fisika Ekpserimental Lanjut. Surabaya : Universitas Airlangga http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456 789/28424/3/Chapter%20II.pd
