Stress – Strain Curve : Strength of Materials

Mengapa kita membutuhkan Kurva tegangan-regangan?

Bagian atau komponen didalam kehidupan dunia nyata harus menahan kekuatan eksternal selama waktu tertentu. Desainer produk harus tahu bahwa bagian-bagian tertentu harus dirancang sedemikian rupa sehingga dapat menahan kekuatan beban yang dimiliki. Kurva Stres-Strain mewakili kemampuan beban yang dimiliki oleh sebuah material.

Insinyur desain produk dan insinyur FEA menggunakan diagram tegangan-regangan untuk perhitungan manual dan simulasi untuk mengetahui perilaku actual yang dimiliki material tersebut.

Untuk memahami grafik Stres-Strain, pertama-tama mari kita pahami apa itu Stress dan Strain dalam dunia Teknik.

Mechanical Stress mengukur hambatan internal yang ditunjukkan oleh tubuh atau material karena pengaruh gaya tekan dari luar. Secara matematis, tekanan mekanis sama dengan gaya menahan internal yang bekerja pada tubuh per satuan luas.

Regangan dalam mekanika mengukur deformasi pada material akibat tegangan.

Secara matematis, regangan mekanis adalah rasio perubahan Panjang terhadap Panjang asli. Berikut adalah simulasi gaya terhadap regangan-tegangan.

Lalu, bagaimana cara kita membuat Grafik Stress-Strain yang sesuai?

Kita perlu melakukan pengujian Tarik material pada specimen standar untuk mengetahui nilai dan grafik suatu material menggunakan Universal Testing Machine.

Mesin UTM terdiri atas dua cakar yang menahan ujung specimen uji. Sebelum melakukan pengujian tarik kita perlu mencatat perubahan Panjang specimen, sehingga kita mengetahui perubahan-perubahan yang terjadi sampai waktu sampel mengalami retakan. Nilai-nilai ini yang akan menentukan variasi tegangan yang bekerja pada sampel uji untuk nilai regangan.

Setelah itu kita dapat membuat grafik sumbu X untuk nilai Stress sedangkan untuk Sumbu Y untuk nilai Strain.

Contoh Stress-Strain Grafik pada Ductile Materials

Standar pengujian untuk specimen bahan ulet menggunakan universal testing mesin. Berikut ini adalah grafik yang terjadi saat kita menguji bahan ulet:

Propotional Limit (From “O” to “A”)

Menurut Hukum Hooke, batas proporsional (O-A) adalah batas di mana tegangan berbanding lurus dengan regangan. Kurva tegangan-regangan adalah garis lurus (dari "O" ke "A”) dalam batas proporsional. Modulus elastisitas material (rasio tegangan dan regangan) konstan dalam batas proporsional.

Elastic Limit (From “O” to “B”)

Batas elastis untuk sebuah material adalah batas di mana material tidak akan kembali ke bentuk aslinya ketika kita menghilangkan gaya eksternal. Bahan menunjukkan sifat elastis dari titik A ke B (Titik Hasil) Dalam kurva tegangan-regangan. Jika beban eksternal (tekanan) melebihi batas elastis, material tidak akan kembali ke aslinya.

Upper Yeild Point (B)

Di luar batas elastis, material ulet menunjukkan sifat plastik Pada titik atas, material membutuhkan tekanan maksimum untuk memulai deformasi plastik di dalam material. Kekuatan material yang sesuai dengan Titik B dikenal sebagai kekuata luluhan.

Upper Yeild Point (C)

Setelah Titik C, panjang material akan meningkat dengan sedikit peningkatan beban tarik (Stres. Dengan kata lain, pada Titik Hasil yang Lebih Rendah beban minimum diperlukan untuk menunjukkan perilaku plastik dalam material.

Ultimate Tensile Strength (D)

Sebuah material mengalami kekuatan tarik tertinggi yaitu pada Titik D pada diagram tegangan-regangan. Kekuatan tarik akhir dari sebuah material adalah tegangan maksimum yang dapat ditahan oleh material sebelum pecah/ patah.

Rapture/ Fracture/ Breaking Strength ( E )

Titik E adalah titik di mana material rusak atau pecah. Tekanan pada titik-E dikenal sebagai kekuatan putus dari sebuah material.

Perbandingan Kurva Regangan-Tegangan untuk bahan Rapuh (Ductile) dan Plastik Ulet.

Kita akan mengklasifikasikan Sebagian bahan yang tersebar kedalam tiga kategori, antara lain adalah:
Ductile, Brittle dan Plastik Material.

Setiap bahan ini menunjukan perilaku yang berbeda-beda Ketika mengalami patahan, kita dapat menganalisa setiap bahan dengan menggunakan kurva tegangan-regangan.

Ductile Materials

Bahan ulet memiliki titik yang berbeda untuk tegangan akhir dan fraktur pada diagram regangan tegangan karena mereka memiliki deformasi elastis dan plastik. Tembaga, aluminium, dan baja adalah contoh bahan ulet.

Lembaran baja mendapatkan kembali posisi awalnya hingga batas elastis selama proses pembengkokan lembaran logam. Tetapi setelah batas elastis, bahan mulai menunjukkan perilaku plastik dan tidak kembali ke posisi aslinya. Jika kita terus menerapkan kekuatan di luar batas elastis ini, material akan pecah pada titik traktur.

Brittle Materials

Bahan rapuh pecah dengan deformasi elastis kecil dan tanpa deformasi plastik karena gaya luar. Dengan kata lain, batas elastis bahan rapuh, kekuatan luluhan, kekuatan tarik akhir, dan kekuatan putusnya yaitu sama. Brittle Materials mengalami defrormasi energi yang relatif sedikit sebelum retak. Misalnya, bahan rapuh seperti pensil atau kaca tiba-tiba pecah dengan suara berderak. Contoh lainnya adalah Keramik, kayu, kaca, PMMA, grafit, dan besi tuang adalah bahan yang rapuh.

Plastic Materials

Mirip dengan bahan ulet, bahan plastik juga menunjukkan sifat elastis hingga batas proporsional. Tetapi bahan plastik membutuhkan tekanan yang sangat sedikit (dibandingkan dengan bahan ulet) untuk menghasilkan deformasi. Bahan plastik tidak menunjukkan pengerasan kerja selama deformasi plastic. Sebagai contoh, jika kita menekuk sendok plastic setelah batas elastis, Sendok tidak akan bisa Kembali kepada posisi awal sebelum ditekuk.

Daftar Pustaka :

• Smlese Design. Stress-Strain Curve: Strength of Materials. Diakses pada 17 Oktober 2024, dari https://www.smlease.com/entries/mechanical-design-basics/stress-strain-curve-diagram/

• Learn Mech. Brittle and Ductile Fracture. Diakses pada 17 Oktober 2024, dari https://learnmech.com/seminar-on-brittle-and-ductile-fracture-report-pdf-download/