UJI KEKERASAN MATERIAL DENGAN METODE ROCKWELL Novi Tri Nugraheni1,Kiranti Nala Kusuma 1, Ratna Yulia Sari2, Agung Sugiharto3, Hanif Roikhatul Janah4, Khoirotun Nisa6 , Ahmad Zusmi Humam7. Laboratorium Fisika Material, Departemen Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Surabaya Abstrak Telah dilakukan uji kekerasan material dengan metode Rockwell di laboratorium material Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga. Beberapa material seperti besi, baja, tembaga dan aluminium banyak digunakan sebagi bahan konstruksi bangunan bertingkat, jalan, jembatan,sekolah dan bangunan lainnya. Oleh karena itu kekerasan suatu material penting untuk diketahui agar penggunaan material tersebut tepat dan sesuai. Selain itu karena menyangkut keselamatan orang banyak. Salah satu cara untuk menentukan kekerasan suatu material adalah metode Rockwell. Metode ini dilakukan dengan cara menekankan identer pada permukaan material uji. Skala pada alat akan menunjukkan tingkat kekerasannya. Aluminium memiliki tingkat kekerasan sebesar 18,83 THC dengan kedalaman penetrasi identor sebesar 1,62 mm . Kata kunci :Kekerasan, Metode Rockwell, Identer, THC, Al uminium
I.
PENDAHULUAN Makna nilai kekerasan suatu material berbeda untuk kelompok bidang ilmu yang berbeda. Bagi insinyur metalurgi nilai kekerasan adalah ketahanan material terhadap penetrasi sementara untuk para insinyur desain nilai tersebut adalah ukuran dari tegangan air, untuk insinyur lubrikasi kekerasan berarti ketahanan terhadap mekanisme keausan, untuk para insinyur mineralogi nilai itu adalah ketahanan terhadap goresan, dan untuk para mekanik workshop 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 Fisika Eksperimental Lanjut (Metode Rockwell)
dapat dihubungkan pada satu mekanisme yaitu 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 - Uji metalografi, dan lain-lain. Setiap material sebelum digunakan perlu dilakukan pengujian material/logam seperti diatas, dengan maksud dan tujuan yang pada umumnya adalah untuk mengetahui sifatsifat utama dari material/logam tersebut, baik dari segi kekuatannya, ketahanan maupun sifat-sifat yang lain terhadap suatu beban yang akan diberikan. Page 1
II.
DASAR TEORI ketahanan material tersebut terhadap gaya penekanan dari material lain yang lebih keras. Penekanan tersebut dapat berupa mekanisme penggoresan (scratching), pantulan ataupun indentasi dari material keras terhadap suatu permukaan benda uji. Berdasarkan mekanisme penekanan tersebut, dikenal 3 metode uji kekerasan: 1. Metode gores Metode ini tidak banyak lagi digunakan dalam dunia metalurgi dan material lanjut, tetapi masih sering dipakai dalam dunia mineralogy.Metode ini dikenalkan oleh Friedrich Mohs yang membagi kekerasan material di dunia ini berdasarkan skala (yang kemudian dikenal sebagai skala Mohs). 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: 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 Apatite dan Orthoclase.Berdasarkan hal ini, jelas terlihat bahwa metode ini memiliki kekurangan utama berupa ketidakakuratan nilai kekerasan suatu material. Bila kekerasan mineral-mineral diuji dengan metode lain, ditemukan bahwa nilai-nilainya berkisar antara 1-9
Fisika Eksperimental Lanjut (Metode Rockwell)
2.
3.
a. b. c. d.
saja, sedangkan nilai 9-10 memiliki rentang yang besar. Metode elastik/pantul (rebound) Dengan metode ini, kekerasan suatu material ditentukan oleh alat Scleroscope yang mengukur tinggi pantulan suatu pemukul (hammer) dengan berat tertentu yang dijatuhkan dari suatu ketinggian terhadap permukaan benda uji. Tinggi pantulan (rebound) yang dihasilkan mewakili kekerasan benda uji. Semakin tinggi pantulan tersebut, yang ditunjukkan oleh dial pada alat pengukur, maka kekerasan benda uji dinilai semakin tinggi. Metode indentasi Tipe pengetesan kekerasan material/logam ini adalah dengan mengukur tahanan plastis dari permukaan suatu material komponen konstruksi mesin dengan specimen standar terhadap “penetrator”. Adapun beberapa bentuk penetrator atau cara pengetesan ketahanan permukaan yang dikenal adalah: Ball indentation test (Brinel) Pyramida indentation (Vickers) Cone indentation test (Rockwell) Uji kekerasan mikro
Berikut penjelasannya: a. Metode Brinell Pengujian kekerasan dengan metode ini bertujuan untuk menentukan kekerasan suatu material dalam bentuk daya tahan material terhadap bola baja (indentor) yang ditekankan pada permukaan material uji tersebut (speciment).Idealnya, pengujian ini diperuntukan bagi material yang Page 2
memiliki kekerasan Brinell sampai 400 HB, jika lebih dari nilai tersebut maka disarankan menggunakan metode pengujian Rockwell ataupun Vickers. Angka Kekerasan Brinell (HB) didefinisikan sebagai hasil bagi (koefisien) dari beban uji (F) dalam Newton yang dikalikan dengan angka faktor 0,102 dan luas permukaan bekas luka tekan (injakan) bola baja (A) dalam millimeter persegi. Indentor (bola baja) biasanya telah dikeraskan dan diplating ataupun terbuat dari bahan Karbida Tungsten. Jika diameter Indentor 10 mm maka beban yang digunakan (pada mesin uji) adalah 3000 N sedang jika diameter Indentornya 5 mm maka beban yang digunakan (pada mesin uji) adalah 750N. Diameter bola dengan gaya yang diberikan mempunyai ketentuan, yaitu: - Jika diameter bola terlalu besar dan gaya yang diberikan terlalu kecil maka akan mengakibatkan bekas lekukan yang terjadi akan terlalu kecil dan mengakibatkan sukar diukur sehingga memberikan informasi yang salah. - Jika diameter bola terlalu kecil dan gaya yang diberikan terlalu besar maka dapat mengakibatkan diameter bola pada benda yang diuji besar (amblasnya bola) sehingga mengakibatkan harga kekerasannya menjadi salah. Pengujian kekerasan pada Brinell ini biasa disebut BHN (Brinell Hardness Number). Pada pengujian Brinell akan dipengaruhi oleh beberapa factor berikut: 1. Kehalusan permukaan 2. Letak benda uji pada indentor Fisika Eksperimental Lanjut (Metode Rockwell)
3. Adanya pengotor pada permukaan b. Metode Vickers Vickers adalah hamper sama dengan uji kekerasan Brinell saja dapat mengukur sekitar 400 VHN. Pengujian kekerasan dengan metode Vickers bertujuan 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 (HV) didefinisikan sebagai hasil bagi (koefisien) dari beban uji (F) dalam Newton yang dikalikan dengan angka faktor 0,102 dan luas permukaan bekas luka tekan (injakan) bola baja (A) dalam millimeter persegi. Secara matematis dan setelah disederhanakan, HV sama dengan 1,854 dikalikan beban uji (F) dibagi dengan diagonal intan yang dikuadratkan. Beban uji (F) yang biasa dipakai adalah 5 N per 0,102; 10 N per 0,102; 30 N per 0,102; dan 50 N per 0,102. c. 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. Indenter: - Bola baja keras Ukuran 1/16, 1/8, ¼, ½ inci (1,588; 3,175; 6,350; 12,70 mm) - Intan kerucut Hardness number (nomor kekerasan) ditentukan oleh perbedaan kedalaman Page 3
-
-
penetrasi indenter, dengan cara member beban minor diikuti beban major yang lebih besar. Berdasarkan besar beban minor dan major, uji kekerasan Rockwell dibedakan menjadi: Rockwell Beban minor : 10 kg Beban major : 60, 100, 150 kg Rockwell superficial Beban minor : 3 kg Beban major : 15, 30, 45 kg Skala kekerasan:
SIMBOL
INDENTER
A B C D E F G H K
Intan Bola 1/6 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
Ska la yang umum dipakai dalam pengujian Rockwell adalah: a. HRA (Untuk material yang sangat keras) b. HRB (Untuk material yang lunak). Indentor berupa bola baja dengan diameter 1/16 inchi dan 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. Fisika Eksperimental Lanjut (Metode Rockwell)
Pengujian kekerasan dengan metode Rockwell bertujuan menentukan kekerasan suatu material dalam bentuk daya tahan material terhadap benda uji (speciment) yang berupa bola baja ataupun kerucut intan yang ditekankan pada permukaan material uji tersebut. d. 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 knop 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. Hardenability adalah sifat yang menentukan dalamnya daerah logam yang dapat dikeraskan.Pendinginan yang terlalu cepat dapat dihindarkan arena dapat menyebabkan permukaan logam (baja) retak. Kekerasan didefinisikan sebagai ketahanan sebuah benda (benda kerja) terhadap penetrasi/daya tembus dari bahan lain yang lebih keras (penetrator). Kekerasan merupakan suatu sifat dari bahan yang sebagian besar dipengaruhi oleh unsur-unsur paduannya dan kekerasan suatu bahan tersebut dapat berubah bila dikerjakan dengan cold Page 4
worked seperti pengerolan, penarikan, pemakanan dan lain-lain serta kekerasan dapat dicapai sesuai kebutuhan dengan perlakuan panas. Faktor-faktor yang mempengaruhi hasil kekerasan dalam perlakuan panas antara lain: komposisi kimia, langkah perlakuan panas, aliran pendinginan, temperature pemanasan, dan lain-lain. Proses hardening cukup banyak dipakai di industri logam atau bengkel-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, porosporos 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 industry dan selalu dicari upaya-upaya untuk mengoptimalkannya.Pengoptimalan ini dilakukan mengingat bahwa waktu (lamanya) menyelesaikan suatu produk adalah berpengaruh besar terhadap biaya produksi. Hardening dilakukan untuk memperoleh sifat tahan aus yang tinggi, kekuatan dan fatigue limit/strength yang lebih baik. Kekerasan yang dapat dicapai tergantung pada kadar karbon dalam baja dan kekerasan yang terjadi akan tergantung pada temperature pemanasan (temperature autenitising), holding time dan laju pendinginan yang dilakukan serta seberapa tebal bagian penampang yang menjadi keras banyak tergantung pada hardenability. Fisika Eksperimental Lanjut (Metode Rockwell)
III. METODE PENELITIAN Pada eksperimen ini sampel yang digunakan adalah bahan metal (logam). Bahan di letakkan pada alat uji secara bergantian dan diuji kekerasan menggunakan identor berupa identor bola (ball identer) (THB) kemudian dihitung nilai kekerasannya menggunakan h2-h0 = (130-TH) 0,02
Gambar 1. Alat uji Rockwell
Pada langkah pertama benda uji ditekan oleh indentor dengan beban minor (Minor LoadF0) setelah itu ditekan dengan beban mayor (Major Load F1) pada langkah kedua dan langkah ketiga beban mayor diambil sehingga yang tersisa adalah minor load, seperti pada ilustrasi gambar berikut:
VI. DATA HASIL PENGAMATAN Dari eksperimen yang telah kami lakukan diperoleh data sebagai berikut.
Page 5
Pengujian ke1 2 3 Rata-rata
Aluminium (THC) 18,5 19,5 18,5 18,83
VI. ANALISIS DAN PEMBAHASAN Salah satu karakter mekanik dari material keramik atau logam adalah dengan uji kekerasan. Pada pengujian logam, kekerasan didefinisikan sebagai ketahanan suatu logam terhadap indentasi (penekanan). Uji ini dapat digolongkan sebagai uji destruktif karena merusak bahan dan uji skala makroskopis karena efek perubahan uji dapat dilihat dengan langsung. Pengujian dilakukan pada tiga titik yang berbeda dalam satu specimen dan dalam percobaan ini, digunakan satu jenis spesimen saja yaitu alumunium saja . Nilai yang ditunjukkan oleh penyimpangan jarum menunjukkan adanya pembebanan yang diberikan melalui indenter setelah gaya yang diberikan dilepaskan. Semakin besar penyimpangan jarum menunjukkan material tersebut dapat dikatakan memiliki kekerasan yang cukup tinggi karena hal tersebut membuktikan bahwa material tersebut tahan terhadap penekanan yang diberikan dan dari pengujian tiga titik, selalu didapatkan nilai TH yang berbeda-beda meskipun dalam satu bahan yang sama, hal tersebut dikarenakan homogenitas bahan, contohnya kuningan. Kuningan merupakan paduan logam besi dengan tembaga sehingga homogenitas atau distribusi paduan belum tentu sama pada setiap titik.
Fisika Eksperimental Lanjut (Metode Rockwell)
Begitu pula alumunium, jika yang digunakan adalah alumunium murni maka homogenitasnya bisa dipastikan sama rata untuk setiap titik. Alumunium juga tidak bisa menjadi materi yang murni di alam bebas karena sifat kereaktifannya dalam mengikat elektron untuk memperoleh elektron valensi sempurna, sehingga apabila di alam bebas maka akan berusaha mengikat oksigen dan tereduksi. Homogenitas merupakan sifat fisis material (intrinsik) yaitu bagian dari density (rapat masa) material. Dengan tingkat homogenitas tinggi akan membentuk materi tersebut mempunyai density yang lebih padat, sehingga ketika materi tersebut dikenai uji kekerasan dengan penekanan materi lain, maka akan semakin kecil kedalaman materi uji yang terkena tekanan dan juga sebaliknya. Dari eksperimen yang telah kami lakukan diperoleh data sebagai berikut. Rumus yang digunakan dalam Uji kekerasan Rockwell :
. Untuk alumunium karena menggunakan indenter diamond cone, maka rumus yang digunakan adalah THC,
Data ke-1 TH=18,5
Data ke-2 Page 6
TH=19,5
Data ke-3 TH=18,5 Gambar 2. Literatur untuk THA,THC dan THD
Sehingga diperoleh rata-rata
1,62 1,62 1,60 3 = 1,62 mm
Sehingga diperoleh hubungan antara TH dengan h1-h0
h1-h0
Grafik Hubungan antara TH dengan h1-h0 pada Aluminium 1.64 1.63 1.62 1.61 1.6
y = -0.02x + 2 R² = 1 18
18.5
19
19.5
20
Dengan menggunakan literatur pada gambar 3 dan ditekan menggunakan indenter diamond diketahui bahwa hubungan linieritas memenuhi persamaan. y=-0,02x+2. Dari persamaan tersebut dengan x adalah skala Rockwell rata-rata spesimen alumunium dengan nilai kekerasan pada alumunium adalah 18,83 hasil ini diperoleh dengan cara mensubstitusikan nilai y=1,62 mm. y merupakan perbedaan kedalaman penetrsi identor terhadap alumunium. Apabila kami hitung kekerasan kuningan untuk 3 titik penetrsi maka akan menghasilkan nilai kekerasan dalam skla Rockwell yang bervariasi seperti berikut; y1=1,63mm
x1=18,5
y2=1,61mm
x2=19,5
y3=1,63 mm
x3=19,5
TH
Hasil yang di peroleh maka di bandingkan dengan literatur pada grafik dibawah ini,Berdasarkan hasil yang kami perolehsudah sesuai dengan literatur
dengan x=skala Rockwell pada tiap titik spesimen alumunium dan y adalah perbedaan kedalaman penetrsi identor terhadap alumunium. V. KESIMPULAN
Fisika Eksperimental Lanjut (Metode Rockwell)
Nomor kekerasan dengan metode Rockwell ditentukan oleh perbedaan Page 7
kedalaman penetrsi identer dan memiliki hubungan yang linear. Dari hasil eksperimen yang telah dilakukan dapat diketahui rata-rata nilai kekerasan pada aluminium sebesar 18,83 THC dengan perbedaan kedalaman penetresi identor sebesar 1,62 mm.
VI. DAFTAR PUSTAKA Tim KBK Fisika Material. 2010. Buku Petunjuk Praktikum Fisika Eksperimen Lanjut (Fisika Material). Departemen Fisika UNAIR. -
http:/www.what is hardness test uji kekerasan.com diakses 15 November 2014
Fisika Eksperimental Lanjut (Metode Rockwell)
Page 8
Fisika Eksperimental Lanjut (Metode Rockwell)
Page 9
