Sifat mekanik dari material menentukan perilakunya ketika dikenai tegangan mekanik. Sifat ini diantaranya adalah modulus elastisitas, keuletan, kekerasan, dan berbagai ukuran kekuatan. Sifat mekanik cukup penting dalam desain atau perancangan. Hal itu disebabkan karena fungsi dan performa dari produk bergantung pada kemampuannya untuk menahan deformasi di bawah tekanan yang diterapkan.

Dalam desain, tujuan utamanya adalah untuk meningkatkan kualitas produk dan komponennya sehingga mampu menahan tekanan tersebut tanpa perubahan geometri yang signifikan. Kemampuan ini tergantung pada sifat-sifat mekanik seperti modulus elastis dan kekuatan luluh.

Adapun dalam manufaktur, tujuan justru sebaliknya. Tekanan berlebih diberikan kepada objek hingga melewati kekuatan luluhnya untuk mengubah bentuknya. Proses mekanik seperti pembentukan (forming) dan permesinan (machining) berhasil dilakukan dengan menerapkan gaya melebihi ketahanan material terhadap deformasi.

Oleh karena itu, terdapat dilema sebagai berikut: sifat mekanik yang diinginkan oleh para perancang seperti kekuatan tinggi biasanya membuat proses manufaktur (produksi) menjadi lebih sulit (untuk metal forming atau machining). Hal ini sangat membantu bagi insinyur manufaktur untuk menghargai aspek perancangan dan sebaliknya perancang juga menyadari aspek manufaktur.

Hubungan Tegangan -Regangan

Ada 3 tipe tegangan statik yang mengenai pada material:

  1. Tensile (tarik)
  2. Compres (tekan)
  3. shear (geser)

Tegangan tarik cenderung untuk meregangkan material, tegangan tekan untuk mengencangkan material, dan tegangan geser  melibatkan tekanan yang cenderung menyebabkan bagian yang berdekatan dari bahan untuk bergeser (sliding) satu sama lain.
Kurva tegangan-regangan adalah hubungan dasar yang menggambarkan
sifat mekanik bahan untuk ketiga jenis tegangan tersebut.

Sifat Tarik (Tensile Properties)

Uji tarik adalah prosedur yang paling biasa dilakukan untuk mempelajari hubungan antara tegangan dan regangan khususnya untuk logam. Dalam pengujian tersebut, gaya diterapkan untuk menarik material sehingga menyebabkan material mengalami pertambahan panjang dan pengurangan diameter. Standar ASTM (American Society for Testing dan Materials) menetapkan persiapan spesimen uji dan pelaksanaan tes itu sendiri. Tipikal Spesimen dan pengaturan umum dari uji tarik adalah
diilustrasikan pada Gambar 1 (b) dan (c) secara berturut-turut.

Gambar 1

Spesimen uji awal memiliki panjang asli Lo dan luas penampang Ao. Panjangnya
diukur sebagai jarak antara tanda gage, dan luasnya diukur sebagai (biasanya
bulat) penampang dari spesimen. Selama pengujian logam, spesimen meregang,
kemudian mengecil pada bagian tengahnya (seperti leher) , dan akhirnya patah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Beban dan perubahan dalam panjang
spesimen dicatat sebagai hasil pengujian, untuk menyediakan data yang diperlukan untuk menentukan hubungan tegangan dan regangan. Ada dua jenis perbedaan kurva tegangan dan regangan:

  1. Tegangan regangan rekayasa (penting dalam desain)
  2. Regangan regangan sejati. (penting dalam manufaktur)

Tegangan Regangan Rekayasa

Tegangan dan regangan rekayasa pada uji tarik didefinisikan relatif terhadap luas dan panjang original dari spesimen uji. Nilai ini adalah berguna dalam perancangan karena perancang berharap regangan yang dialami oleh beberapa komponen produk tidak akan secara signifikan merubah bentuknya. Komponen itu dirancang untuk mengantisipasi tegangan dalam proses penggunaan.

Gambar 3.

Sebuah kurva tegangan-regangan rekayasa tipikal dari uji tarik dari spesimen jenis logam diilustrasikan pada Gambar 3. Tegangan rekayasa pada titik mana pun pada kurva didefinisikan sebagai gaya dibagi dengan luas original:

S = F/Ao

di mana:

s = tegangan rekayasa, MPa (lb/ in2),

F =  gaya yang diterapkan pada pengujian, N (lb),
Ao =  Luas penampang original dari spesimen uji, mm2 (in2).

Regangan rekayasa pada setiap titik dalam pengujian ini diberikan oleh:

e = (L - Lo)/ Lo

di mana:

e = regangan rekayasa, mm/mm (atau tanpa satuan);

L = panjang akhir setelah mengalami pemanjangan (elongasi), mm (in)

Lo = panjang mula-mula , mm (in).

Satuan regangan rekayasa diberikan sebagai mm/mm (in/in), tetapi anggap saja sebagai mewakili perpanjangan per satuan panjang, tanpa satuan.

Hubungan tegangan-regangan pada Gambar 3 memiliki dua wilayah, menunjukkan dua perbedaan bentuk perilaku: (1) elastis dan (2) plastik. Di wilayah elastis, hubungan antara tegangan dan regangan adalah linear, dan material menunjukkan perilaku elastis dengan kembali ke panjang original (mula-mulanya) saat beban atau gaya dilepaskan.

Hubungannya ditentukan oleh hukum Hooke:

s = Ee

di mana:

E = modulus elastisitas, MPa (lb/ in2), ukuran kekakuan yang melekat pada suatu
bahan.

e = regangan rekayasa

Bersambung...

Referensi:

  • Fundamental of Modern Manufakturing, Mikell P. Groover
  • Wikipedia