Prinsip Kerja Uji Impak Charpy dan Izod, Pengertian Ketangguhan Rumus Perhitungan Contoh Soal

Sifat Ketangguhan Material Bahan Logam. Sifat ketangguhan adalah kemampuan suatu bahan material dalam menyerap energi atau gaya yang diberikan sampai bahan material tersebut patah. Energi yang diserap material ini dapat dihitung dengan menggunakan prinsip perbedaan energi potensial.

Uji Ketangguhan Material Logam,

Pengujian yang menerapkan prinsip penyerapan energi oleh benda uji adalah uji impak. Pada uji impak, beban dengan kecepatan tertentu ditumbukan pada suatu benda uji sampai patah. Energi yang diserap sampai patah ini menunjukkan ketangguhan suatu material.

Semakin besar energi yang mampu diserap oleh suatu material untuk menjadi patah, maka semakin tangguh material tersebut.

Jenis Uji Impak Tumbuk

Metode yang menjadi standar untuk uji impak adalah metode Charpy dan metode Izod. Metode Charpy banyak digunakan di Amerika Serikat, sedangkan metode Izod lebih sering digunakan di sebagian besar negara di Eropa.

Perbedaan Charpy dengan Izod adalah dari arah pembebanan terhadap bahan uji serta kedudukan benda uji tersebut.

Pengujian dengan menggunakan Charpy dapat dikatakan lebih akurat, hal ini karena pada pengujian impact dengan metode Izod pemegang spesimen (benda uji) juga turut menyerap energi, sehingga energi yang terukur bukanlah energi yang mampu diserap oleh material seutuhnya.

1). Sampel Uji Impak Metode Charpy  

Benda uji yang digunakan dalam pengujian sistem Charpy diperlihatkan pada gambar di bawah. Ukuran takikan “V” 45⁰ – 2 mm berada ditengah-tengah diantara panjang 60 mm.

Benda uji diletakan dengan posisi horizontal / mendatar dan arah pembebanan datangnya dari arah belakang takikan seperti ditunjukkan pada gambar berikut:

2). Sampel Uji Impak Metode Izod

Pengujian tumbuk dengan meletakkan posisi spesimen uji pada tumpuan dengan posisi dan arah pembebanan searah dengan arah takikan.

Bentuk benda uji untuk system Izod, takikannya berada pada jarak 28 mm dari salah satu ujung dari panjang ukur keseluruhan 75 mm, seperti ditunjukkan pada gambar berikut:

Benda uji dijepit pada Cantilever / penyangga secara vertical / berdiri. Pembebanan pendulum diberikan dari arah depan takikan. Seperti ditunjukkan pada gambar berikut:

Tujuan Uji Impak Charpy – Izod

Tujuan pengujian impak adalah mengetahui ketahanan sebuah material terhadap beban kejut (atau rapid load). Besarnya Nilai impak menunjukkan kemampuan material dalam menahan pembebanan (gaya) yang datang secara tiba-tiba (laju atau kecepatan beban sangat tinggi).

Prinsip Kerja Uji Impak Charpy / Izod

Pengujian ini dilakukan pada mesin uji yang dirancang dengan memilki sebuah pendulum dengan berat tertentu yang mengayun dari suatu ketinggian untuk memberikan beban kejut.

Prinsip kerja uji impak adalah memberi pembebanan dengan  kecepatan tinggi, sehingga terjadi penyerapan energi yang besar ketika beban menumbuk benda uji. Penyerapan energi akan menyebabkan terjadinya kerusakan material berupa patah atau bengkok. Dengan mengacu pada jenis kerusakan yang terjadi maka kita dapat mendefinisikan ketahanan material tersebut.

Energi Impak Uji Charpy / Izod

Energi impak berasal dari energi potensial pendulum yang diubah menjadi energi kinetik (gerak). Besarnya energi yang dilepas oleh pendulum dapat diketahui dari ketinggian awal dan akhir kedudukan pendulum, jarak titik ayun dengan titik takik dan berat pendulum.

Jika jarak titik ayun dengan titik takik dan berat pendulum tetap maka energi impak sepenuhnya bergantung pada kedudukan awal dan akhir pendulum.

Keakuratan nilai pengujian bergantung pada jenis material, jarak titik ayun dengan titik takik (lengan pendulum) dan berat pendulum. Faktor jenis material lebih dominan dalam mempengaruhi hasil pengujian dibandingkan dengan panjang lengan pendulum dan beban pendulum.

Energi impak menunjukkan besarnya energi yang diserap oleh benda uji sehingga benda uji tersebut mengalami patah. Sesuai dengan metode pengujian impak Charpy dan Izod maka besarnya Energi impak dapat dituliskan sebagai berikut:

E = m.g.r cos (𝛽 − 𝛼)

Dengan Keterangan:

E = energi impak, Joule

m = massa pendulum, kg

g = percepatan gravitasi (m/s²) = 9,8 = 10 m/s²

r = panjang lengan pendulum = jarak antara titik ayun pendulum dengan titik takik, m

α = sudut awal, sebelum pendulum diayun, posisi titik A

β = sudut simpangan setelah pendulum menumbuk specimen, posisi titik B

Secara ringkas besarnya energi yang diserap benda uji pada uji tumbuk Charpy Izod dapat dinyatakan dengan rumus persamaan berikut:

E_A = m.g.H

E_B = m.g.h

E = E_A – E_B atau

E = m.g.(H – h)

E_A = energi pendulum awal

E_B = energi pendulum setelah menumbuk

H = tinggi awal, pada titik A, meter

h = tinggi setelah benda uji patah, titik B, meter

Energi yang diperlukan untuk mematahkan benda uji dihitung berdasarkan perbedaan (selisih) energi potensial yang dimiliki pendulum dari posisi awal sebelum dijatuhkan dan setelah menumbuk benda uji.

Untuk memastikan benda uji patah saat uji, maka pada sampel diberi takikan sebagai titik paling lemah sebagai awal patahan.

Rumus Nilai Harga Impak

Besar nilai impact dapat dinyatakan dengan rumus sebagai berikut :

HI = E/A

Keterangan:

HI = Harga impact (J/mm²)

E = Usaha yang diperlukan untuk mematahkan benda uji (J)

A = Luas penampang diluar takikan (mm²)

Contoh Soal Perhitungan Energi Impak Uji Charpy

Contoh Perhitungan Energi impak tanpa perlakuan dengan ketebalan lapisan 1,25 mm:

Mesin uji impak yang memiliki panjang lengan pendulum 0,6490 meter dan massa pendulum 25,68 kg digunakan untuk uji impak sampel baja. Pengujian dilakukan dengan sudut awal α sebesar 146,5^o dan setelah menumbuk benda uji sudut yang terbentuk β sebesar 113,5^o Hitunglah  besarnya energi yang diserap oleh sampel baja tersebut pada saat patah.

Jawab

Diketahui

m = 25,68 kg

r = 0,6490 meter

α = 146,5^o

β = 113,5 ^o

Menghitung Energi Impak Uji Charpy

Besar energi yang diserap sampel dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

E = m.g.r (cos 𝛽 − cos 𝛼))

E = 25,68 x 9,8 x 0,6490 (cos113,5 ^o – cos146,5^o)

E = 163,33 x (-0,398749 – (-0,833885)

E = 71,07 Joule

Standar Sampel Uji Impak Izod

Menurut ASTM E23, spesimen logam uji impak memiliki dimensi panjang, kedalaman dan takik standar. Ukuran standar yang digunakan untuk bentuk batang adalah luas penampang 10 x 10 mm dan panjang 75 mm, takik V dengan sudut 45⁰ dan kedalaman takik 2 mm dengan radius pusat 0.25 mm.

Takik (notch) yang umumnya digunakan pada uji impak dapat berupa takik-V, takik-U atau takik Lubang kunci (Key-hole). Tetapi, tipe takik pada metode Izod hanya berlaku untuk model takik V.

Batang uji Charpy diletakkan horizontal pada batang penumpu dan diberi beban secara tiba-tiba di belakang sisi takik oleh pendulum berat berayun (kecepatan pembebanan ±5 m/s).

Bagian Utama Peralatan Mesin Uji Impak Izod

Mesin uji system Izod, kedudukan benda uji dipasang dengan system cantilever, sedangkan untuk sistem Charphy menggunakan system Beam.

Beberapa bagian utama peralatan mesin uji impak diantaranya adalah dudukkan benda uji, batang pendulum, indicator (dial), pendulum.

1). Dudukan Benda Uji: berfungsi sebagai tempat untuk meletakkan atau dudukan benda uji sesuai dengan lintasan pendulum

2). Batang Pendulum: Sebagai penyangga/ pemegang pendulum dengan jari jari tertentu.

3). Indikator: Indikator pada alat uji impak Charpy ini terdiri terdiri dari dua jarum penunjuk. Jarum penunjuk yang pertama dihubungkan dengan putaran poros berfungsi untuk membaca besar sudut pendulum sebelum diayunkan (α), dan yang kedua untuk membaca besar sudut pendulum setelah mematahkan spesimen (β).

4). Pendulum: Berfungsi untuk sebagai penumbuk dengan massa tertentu terhadap benda uji

Mekanisme Perpatahan Sampel Benda Uji Impak Charpy Izod

Pengukuran lain yang biasa dilakukan dalam pengujian impak Charpy adalah penelaahan mekanisme perpatahan untuk menentukan jenis perpatahan (fratografi) yang terjadi. Perpatahan hasil uji impak digolongkan menjadi 3 jenis, yaitu:

1). Perpatahan ulet, berserat (fibrous fracture), yang melibatkan mekanisme pergeseran bidang bidang kristal di dalam bahan (logam) yang ulet (ductile). Ditandai dengan permukaan patahan berserat yang berbentuk dimpel yang menyerap cahaya dan berpenampilan buram.

2). Perpatahan getas, granular/ kristalin, dihasilkan oleh mekanisme pembelahan (cleavage) pada butir-butir dari bahan (logam) yang rapuh (brittle). Ditandai dengan permukaan patahan yang datar yang mampu memberikan daya pantul cahaya yang tinggi (mengkilat).

3). Perpatahan campuran (berserat dan granular) merupakan kombinasi dua jenis perpatahan di atas.

Permukaan Patahan Shear Area Sampel Hasil Uji Impak Charpy Izod

Contoh permukaan patahan sampel uji impak Charpy ditunjukkan pada gambar berikut:

Permukaan patahan uji Charpy menunjukkan area ulet yang berada pada sisi luar permukaan patahan, sedangkan area brittle terletak pada bagian tengah permukaan patahan sampel.

Menghitung Shear Area Permukaan Patahan Sampel Uji Impak Charpy

Besarnya persentase area patahan ulet maupun brittle dapat dinyatakan dengan rumus persamaan berikut:

Area Ulet = Luas Area Ductile/(10 x 8) x 100 % atau

\mathrm{Area Ulet (persen) = \frac{Luas Area Ulet}{10 x 8}x 100}

Area Rapuh = Luas Area Brittle/(10 x 8) x 100 % atau

\mathrm{Area Rapuh (persen) = \frac{Luas Area Rapuh}{10 x 8}x 100}

Pada umumnya, area ulet lebih banyak digunakan dan disebut dengan shear area yang dinyatakan dengan persentase.

Pedoman untuk Estimasi Patahan Geser (shear facture) atau shear area dapat dilihat pada gambar berikut:

Gambar diatas menunjukkan persentase shear area untuk permukaan patahan uji impak dengan nilai shear area (%) dari 100 persen sampai dengan 10 persen.

Nilai Shear Area menunjukkan besarnya rasio antara area ductile terhadap total area patahan. Pada uji impak, luas permukaan patahan sampel impak standar adalah 10 x 8 mm² dan dinyatakan dalam persentase.

Nilai shear area 10% menunjukkan area ulet hanya 10 persen dari total permukaan patahan sampel uji impak. Artinya benda uji adalah brittle. Sedangkan Nilai 100 % menunjukkan bahwa erea patahan seluruhnya area ulet yang artinya bahwa benda uji adalah material ulet.

Temperatur Transisi Sifat Ulet ke Getas, Ductile-to-Brittle Transition Temperature DBTT,

Serangkaian uji Charpy pada satu material umumnya dilakukan pada berbagai temperatur sebagai upaya untuk mendapatkan temperatur transisi dari sifat ulet ke brittle:

1). Temperatur dingin diperoleh dengan cara benda uji dimasukkan ke dalam wadah berisi dry ice + alcohol 70% atau nitrogen cair.

2). Temperatur panas diperoleh dengan cara benda uji dimasukkan ke dalam dapur pemanas (furnace).

Pada kurva dapat dilihat pengaruh temperature material terhadap energi impak yang dapat diserap pada saat material menerima beban impak.

Secara umum dapat dikatakan, bahwa semakin rendah temperature, maka semakin getas suatu material. Ini artinya, jika pada temperature tinggi sebuah produk bersifat ulet, namun Ketika berada dalam lingkungan yang dingin, maka produk tersebut akan berubah menjadi getas.

Temparatur Transisi adalah temperature yang menyebabkan berubahnya sifat material dari material bersifat ulet ke material yang bersifat getas.

Secara teknis definisi temperatur Transisi ulet ke rapuh (getas) adalah temperature dengan nilai shaer area 50 persen.

Dari kurva di atas sebenarnya temperature transisi adalah temperature antara T₁ sampai dengan T₂. Pada rentang temperature ini, ketangguhan benda uji sangat tergantung pada temparatur ujinya.

Temperatur T₂ merupakan temperature awal terjadinya perubahan dari ulet ke sifat rapuh ketika temperature benda uji diturunkan. Semakin rendah dari temperature T₂ maka ketangguhan material semakin menurun.

Sedangkan T₁ merupakan temperature akhir terjadinya perubahan material yang bersifat ulet menjadi benar benar getas. Semakin rendah dari temparatur T₁ maka ketangguhan benda uji sudah tidak lagi dipengaruhi oleh temparatur uji.

Diagram temperature transisi menjelaskan, bahwa material getas hanya mampu menahan beban impak yang rendah. Sedangkan untuk material ulet mampu menerima beban impak yang yang relative lebih tinggi.

Hampir semua logam berkekuatan rendah dengan struktur kristal FCC seperti tembaga dan aluminium bersifat ulet pada semua temperatur sementara bahan dengan berkekuatan yang tinggi bersifat rapuh, seperti baja karbon pada jembatan, kapal, jaringan pipa dan sebagainya.

Pengaruh Temperatur Terhadap Energi impak untuk beberapa jenis material logam dapat dilihat pada gambar berikut:

Pada logam berstruktur kristal FCC dan HCP yang memiliki kekuatan rendah tidak memiliki tempetur transisi dengan energi impak  tinggi yang cenderung sama pada berbagai temperature. Begitu pula untuk logam logam yang memiliki kekekuatan tinggi tidak memiliki temperature transisi dan energi impak yang mampu diserap oleh material juga relative rendah.

Pengaruh Karbon Pada Ductile-to-Brittle Transition Temperature DBTT

Pada gambar di bawah dapat dilihat kontribusi karbon terhadap perubahan temperature transisi impak untuk baja karbon.

Dapat diketahui, bahwa semakin tinggi kandungan karbon, semakin tinggi temperature transisi ulet ke rapuh (DBTT). Namun demikian, energi impak menjadi semakin rendah. Ini artinya semakin tinggi karbon, semakin rendah ketangguhannya.

Fenomena Temperatur Transisi Impak Ulet Ke Rapuh

Fenomena transisi sifat ulet menjadi getas berkaitan dengan vibrasi atom-atom bahan pada temperatur yang berbeda. Pada temperatur kamar vibrasi itu berada dalam kondisi kesetimbangan.

Pada temperature relative tinggi vibrasi atom menjadi tinggi. Vibrasi atom inilah yang berperan sebagai suatu penghalang (obstacle) terhadap pergerakan dislokasi pada saat deformasi kejut/ impak dilakukan.

Dengan semakin tinggi vibrasi, maka pergerakan dislokasi mejadi relatif sulit sehingga dibutuhkan energi yang lebih besar untuk mematahkan benda uji.

Sebaliknya pada temperatur relative rendah, vibrasi atom relatif rendah, sehingga pada saat bahan dideformasi, pergerakan dislokasi menjadi lebih mudah dan benda uji menjadi lebih mudah dipatahkan dengan energi yang relatif lebih rendah.

Informasi temperatur transisi menjadi penting bila suatu material akan didisain untuk aplikasi yang memiliki rentang temperatur yang besar, misalnya dari temperatur rendah hingga temperatur tinggi di atas seratus derajat Celcius, contohnya sistem penukar panas (heat exchanger).

Daftar Pustaka:

1. Callister, Jr. William D. ,2010, “Materials Science And Engineering An Introduction”, 8th edition, Utah, John Wiley & Sons,inc.
2. Lawrence H. Van Vlack, Sriati Djaprie., 1991, “Ilmu dan Teknologi Bahan” Erlangga, Jakarta.
3. ASTM A 255-02, ASTM A370-02 , 2002, “Standart Test Method for and-Quench Test for Hardenability of Steel.
4. Metal Handbook, Vol 1, 1961” America Society for Metal”, Ohio.
5. George E. Dieter, 1988, “Mechanical Metallurgy”, SI Metric Edition, Maryland USA, McGraw-Hill Book Company UK Limited.
6. Betzalel Avitzur, 1983, “Handbook of Metal-Forming Process”, John Wiley & Sons Inc., New York.
7. Lange, K. 1985, “Handbook of Metal Forming”, MC Graw-Hill, New Jersey
8. Hosford, W. F., 1993, “Metal Forming, Mechanics & Metallurgy”, Second edition, Printice-Hill, Inc., New Jersey.
9. Backofen, W. A., 1972, “Deformation Processing”, Addison-Willey Publishing Company, Massachusett.
10. Dieter, G.E., 1988,”Workability Testing Techniques”, ASM, Metal Park, Ohio.
11. Anrinal, 2013, “Metalugri Fisik”, Penerbit CV. Andi Offset, Yogyakarta.
12. Uji Impak Charpy Izod Pengertian Ketangguhan Prinsip Kerja Rumus Perhitungan Contoh Soal, Mesin Uji Impak Charpy dan Izod, Cara Kerja Uji Charpy dan Izod, Prinsip Uji Impak Charpy Izod,
13. Cara Menentukan Ketangguhan Material Logam, Charpy, Izod, Uji Impak Charpy dan Izod, Pengertian Ketangguhan Prinsip Kerja Rumus Perhitungan Contoh Soal, Sifat Ketangguhan Material Bahan Logam, Uji Ketangguhan Material Logam, Cara Menentukan Ketangguhan Material,
14. Energi Impak, Pengertian Ketangguhan Material Logam, Jenis Uji Impak Tumbuk, Definisi Uji Impak, Fungsi Uji Impak, Uji Impak Metode Charpy, Charpy, Uji Charpy, Uji Impak Metode Izod,
15. Gambar Sampel Uji Charpy, Gambar Sampel Uji Impak, Ukuran Standar Sampel Uji Charpy Izod, Ukuran Standar Sampel Uji Impak, Tujuan Uji Impak Charpy – Izod, Prinsip Kerja Uji Impak Charpy / Izod, Cara Kerja Mesin Uji Charpy, Energi Impak Uji Charpy / Izod,
16. Rumus Energi Impak, Rumus Energi Diadsorb Charpy, Rumus Nilai Harga Impak, Contoh Soal Perhitungan Energi Impak Uji Charpy, Menghitung Energi Impak Uji Charpy, Standar Sampel Uji Impak Charpy Izod, Standar Uji Charpy Menurut ASTM E23,
17. Bagian Utama Peralatan Mesin Uji Impak Charpy Izod, Pendulum, Fungsi Pendulum Charpy, Mekanisme Perpatahan Sampel Benda Uji Impak Charpy Izod, Jenis Patahan Logam, Permukaan Patahan Shear Area Hasil Uji Impak Charpy Izod, Contoh permukaan patahan sampel uji impak Charpy,
18. Contoh Gambar Permukaan Patahan Uji Charpy, Menghitung Shear Area Permukaan Patahan Sampel Uji Impak Charpy, Area Rapuh, Luas Area Brittle, Pedoman Estimasi Patahan Geser, Cara Hitung Shear Area Impak, Shear Area Charpy, Gambar Shear Area,
19. Rumus Shear Area, Shear Area, rumus shear facture, Temperatur Transisi Sifat Ulet ke Getas, Ductile-to-Brittle Transition Temperature DBTT, Pengaruh Temperatur Terhadap Energi Impak, Pengaruh Karbon Pada Ductile-to-Brittle Transition Temperature DBTT, Ductile-to-Brittle Transition Temperature DBTT,
20. Cara Membuat Kurva Ductile-to-Brittle Transition Temperature DBTT, Pengertian Temperatur Transisi Impak Ulet Ke Rapuh, Temperatur Transisi, Temperatur Transisi Impak, Fenomena Temperatur Transisi Impak Ulet Ke Rapuh, Temperatur Transisi Ulet Rapuh, Kurva Temperatur Transisi Ulet Rapuh, obstacle, Gambar DBTT, DBTT,