Hanono Wiryosumarto * Komang Bagiasna Agus

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<an
harga-harga
moduluselastikyangcukupbesarperbedaannya
Secara garis besar pelaksanaandari penelitian ini adalah pembuatandan
persiapanbahanpenelitian,pengukuranmoduluselastiksertapengukuran
energi
yangdiserapdan diubah menjadienergideformasielastik.Kemudianhasil-hasi
pengukuranini dikaitkan satu samalain dan dianalisaberdasarkan
teori-teori
yangada.
CARA PENGUJIANDAN PERALATAN YANG DIGI.JNAKAN
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 <lalampenamaan
[t ], untuk menghitung
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<bpicml
Gaya
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.