Kekuatan Lentur Logam – Tegangan Lentur, Momen Lentur, dan Uji Lentur

Kekuatan lentur menggambarkan perilaku suatu material atau sampel di bawah pengaruh beban yang menyebabkannya menekuk. Selama pembengkokan, tegangan tarik dan tekan terjadi secara bersamaan pada penampang elemen, dengan daerah yang terkait dengan sumbu netral di antaranya. Untuk logam ulet, konsep kekuatan lentur memerlukan interpretasi yang cermat. Suatu sampel dapat mencapai titik lelehnya dan mengalami deformasi permanen yang signifikan tanpa patah. Oleh karena itu, tergantung pada tujuan pengujian, tegangan pada defleksi tertentu, awal terjadinya leleh, tegangan nominal maksimum, atau kemampuan sampel untuk menekuk tanpa patah dianalisis, di antara hal-hal lainnya.

Apa itu membengkokkan?

Lentur adalah mode pembebanan di mana momen lentur menyebabkan elemen struktur melengkung. Biasanya, satu sisi penampang mengalami tegangan dan sisi yang berlawanan mengalami kompresi. Di antara keduanya terdapat sumbu netral , di mana, berdasarkan asumsi teori balok klasik, tegangan normal longitudinal akibat lentur adalah nol. Lentur memengaruhi, antara lain:

balok,
poros dan gandar,
lembaran logam,
Profil,
pegas yang terbuat dari, antara lain, baja pegas karbon i baja pegas paduan,
elemen struktur baja,
suku cadang mesin,
peralatan.

Momen lentur M

Besaran dasar yang menggambarkan beban lentur adalah momen lentur M. Momen tersebut dihasilkan oleh aksi gaya pada jarak tertentu dari penampang yang sedang dipertimbangkan. Dalam kasus sederhana: M = F × l , di mana:

M – momen lentur,
F - memaksa,
l – lengan kekuatan.

Satuan torsi dapat berupa, misalnya, N m atau N mm.

Tegangan lentur

Dalam rentang elastis linier, teori klasik lenturan balok memungkinkan kita untuk menentukan tegangan normal pada penampang dari rumus: σ = M × y / I , di mana:

σ – tegangan normal akibat pembengkokan,
M – momen lentur,
y – jarak titik yang dianalisis dari sumbu netral,
I – momen inersia geometris penampang melintang relatif terhadap sumbu lentur.

Nilai tegangan absolut tertinggi terjadi pada serat penampang yang paling jauh dari sumbu netral.

Modulus kekuatan penampang W

Untuk serat ekstrem, hubungan tersebut dapat ditulis dalam bentuk yang lebih mudah: σ _max = M / W , di mana: W = I / y _max . W adalah kekuatan lentur penampang . Ini adalah sifat geometris penampang, bukan sifat material. Oleh karena itu, dua elemen yang terbuat dari material yang sama dapat menahan momen lentur yang sangat berbeda jika memiliki bentuk dan dimensi penampang yang berbeda.

Contoh tegangan lentur

Jika momen lentur adalah M = 1.000.000 N·mm dan modulus penampang W = 10.000 mm³ , maka tegangan lentur nominal maksimum adalah: σ = M/W = 1.000.000/10.000 = 100 MPa . Contoh ini menunjukkan bahwa tegangan lentur bergantung pada beban dan geometri penampang.

Peregangan dan kompresi saat membungkuk

Pada lenturan murni, satu bagian penampang mengalami tegangan dan bagian lainnya mengalami kompresi. Untuk model balok elastis linier klasik, tegangan bervariasi secara linier dengan tinggi penampang:

pada satu permukaan, ia mencapai peregangan maksimum,
pada sumbu netral adalah nol,
Pada permukaan yang berlawanan, ia mencapai nilai tekan maksimumnya.

Perbedaan antara lentur dan tekukan adalah terjadinya tegangan dan kompresi secara bersamaan.

Apa itu kekuatan lentur?

Kekuatan lentur adalah tegangan yang ditentukan dengan menerapkan beban pada spesimen dalam uji lentur sesuai dengan prosedur yang telah ditetapkan. Untuk material getas, kekuatan lentur dapat sesuai dengan tegangan nominal pada saat patahan spesimen. Untuk material ulet, situasinya lebih kompleks, karena material dapat mencapai keadaan plastis dan mengalami deformasi signifikan tanpa patahan. Oleh karena itu, istilah "kekuatan lentur" harus selalu diinterpretasikan bersamaan dengan metode pengujian dan kriteria yang digunakan untuk menentukan hasilnya.

Mengapa kekuatan lentur logam ulet menjadi masalah?

Ketika baja ulet dibengkokkan, maka baja tersebut dapat:

pertama kali mengalami deformasi elastis,
mencapai awal plastisasi pada serat-serat terluar,
mengalami deformasi plastis yang semakin besar,
buat sambungan plastik,
tidak akan patah bahkan pada sudut tekukan yang sangat besar.

Dalam kasus seperti itu, tidak selalu ada titik yang jelas yang sesuai dengan kekuatan tarik maksimum klasik. Oleh karena itu, dalam kasus logam, uji lentur , titik leleh, atau analisis momen plastis seringkali lebih penting daripada nilai "kekuatan lentur" itu sendiri.

Kekuatan luluh lentur

Saat momen meningkat, tegangan tertinggi awalnya terjadi pada serat-serat terluar penampang. Ketika tegangan lokal mencapai kekuatan luluh material , deformasi permanen dimulai di area tersebut. Dengan peningkatan momen lebih lanjut, daerah yang mengalami plastisasi dapat secara bertahap meluas ke arah sumbu netral. Ini berarti bahwa permulaan plastisasi seluruh elemen tidak terjadi secara bersamaan di seluruh penampang.

Momen elastis dan momen plastis

Untuk penampang melintang, dapat dibedakan antara lain:

momen yang bertepatan dengan dimulainya plastisasi serat ekstrem,
momen plastik berkaitan dengan plastisasi seluruh penampang dalam model ideal dari material elastis-plastis ideal.

Momen plastis bergantung pada kekuatan luluh material dan geometri penampang. Kemampuan penampang untuk menahan momen setelah luluh lokal dimulai digunakan, antara lain, dalam analisis plastis struktur.

Modulus Young dan pembengkokan

Modulus Young E menggambarkan kekakuan suatu material dalam rentang elastis linier. Semakin besar E, semakin kecil deformasi elastis material pada tingkat tegangan tertentu. Namun, ini tidak berarti bahwa material dengan E yang lebih besar secara otomatis memiliki kekuatan lentur yang lebih besar. E menggambarkan kekakuan, bukan kekuatan.

Kekakuan lentur EI

Dalam kasus balok, produk EI sangat penting , di mana:

E - Modulus Young dari material tersebut,
I – momen inersia geometris penampang.

Produk EI menentukan kekakuan lentur elemen. Ini berarti bahwa defleksi bergantung pada material dan geometri penampang.

Mengapa geometri penampang sangat penting?

Momen inersia I sangat bergantung pada lokasi material relatif terhadap sumbu netral. Material yang ditempatkan jauh dari sumbu netral sangat efektif meningkatkan kekakuan dan ketahanan lentur penampang. Oleh karena itu, struktur menggunakan, antara lain:

balok I,
bagian saluran,
profil tertutup,
pipa,
profil kotak.

Susunan material yang tepat memungkinkan kekakuan lentur yang tinggi tanpa meningkatkan massa elemen secara proporsional.

Momen inersia penampang persegi panjang

Untuk penampang persegi panjang dengan lebar b dan tinggi h, yang ditekuk di sekitar sumbu yang melewati pusat penampang dan sejajar dengan lebarnya: I = b × h³ / 12. Modulus kekuatan adalah: W = b × h² / 6. Ini menunjukkan bahwa peningkatan tinggi penampang sangat meningkatkan ketahanannya terhadap tekukan.

Momen inersia penampang melingkar

Untuk penampang melingkar penuh dengan diameter d: I = πd⁴ / 64 , dan modulus kekuatan: W = πd³ / 32 . Hubungan ini penting, antara lain, dalam analisis poros dan gandar yang dikenai beban lentur.

Uji pembengkokan logam

Uji lentur dapat digunakan baik untuk menentukan karakteristik mekanik maupun untuk menilai kemampuan material secara teknologi untuk berubah bentuk tanpa retak. Tergantung pada metodenya, sampel diberi beban terhadap sistem penyangga dan gaya tertentu. Pengujian meliputi:

membungkuk tiga titik,
membungkuk empat titik,
pengujian teknologi pembengkokan hingga sudut tertentu.

Membungkuk tiga titik

Pada uji lentur tiga titik, sampel diletakkan di atas dua penyangga, dan gaya diterapkan di antara keduanya, biasanya di tengah bentang. Momen lentur terbesar terjadi di area gaya pusat. Pengaturan ini sederhana dan banyak digunakan dalam pengujian berbagai material.

Pembengkokan empat titik

Pada uji lentur empat titik, spesimen bertumpu pada dua penyangga dan beban diterapkan pada dua titik. Di antara titik-titik penerapan gaya, mungkin terdapat area dengan momen lentur konstan dan—dalam kasus ideal—tidak ada gaya geser. Hal ini meningkatkan panjang area yang dikenai momen tinggi dibandingkan dengan lentur tiga titik klasik.

Tiga poin vs. empat poin

Ciri	Membungkuk tiga titik	Pembengkokan empat titik
Jumlah titik dukungan	2	2
Jumlah titik penerapan beban	1	2
Torsi maksimum	Pada penampang tertentu yang berada di bawah gaya	Hal ini dapat terjadi di bagian antara gaya-gaya tersebut.
Area torsi tinggi	Lebih lokal	Area sampel yang lebih besar

Uji tekuk teknologi

Untuk logam, proses pembengkokan sangat penting . Tujuannya bukan hanya untuk menentukan satu nilai kekuatan tunggal. Proses ini dapat digunakan untuk memverifikasi apakah sampel dapat dibengkokkan pada sudut tertentu atau di sekitar mandrel dengan diameter tertentu tanpa retak yang tidak dapat diterima. Tes semacam itu dapat digunakan untuk menilai:

warna putih,
batang,
produk metalurgi,
sambungan las,
bahan setelah melalui proses teknologi.

Jari-jari pembengkokan dan deformasi material

Semakin kecil jari-jari lengkungan, semakin besar deformasi pada lapisan luar material. Jari-jari yang terlalu kecil dapat menyebabkan:

lokal mempersempit,
pembentukan retakan,
kerusakan permukaan,
Retaknya material di bagian luar tekukan.

Radius tekukan minimum yang diperbolehkan bergantung, antara lain, pada jenis material, kondisinya, ketebalannya, arah penggulungan, dan teknologi penekukan.

Arah penggulungan dan pembengkokan lembaran

Lembaran hasil penggulungan dapat menunjukkan anisotropi . Oleh karena itu, kemampuan tekukan suatu material dapat bergantung pada orientasi garis tekukan relatif terhadap arah penggulungan. Persyaratan mengenai pengambilan sampel dan arah tekukan harus diperoleh dari standar material atau spesifikasi produk yang relevan.

Kembali ke bentuk semula setelah ditekuk

Ketika gaya dihilangkan, sebagian deformasi elastis menghilang, menyebabkan elemen tersebut sebagian kembali ke bentuk aslinya. Fenomena ini disebut springback . Hal ini sangat penting selama pembengkokan lembaran logam dan profil secara teknologi. Besarnya springback dipengaruhi oleh, antara lain, faktor-faktor berikut:

Modulus Young E,
titik luluh,
ketebalan material,
radius tekukan,
geometri alat,
tingkat pengerasan material.

Pengaruh pengerasan regangan

Selama pembengkokan plastis, suatu material dapat mengalami pengerasan regangan . Di area yang paling terdeformasi, kepadatan dislokasi meningkat dan sifat mekanik lokal berubah . Fenomena ini sangat penting selama pembengkokan dingin.

Pembengkokan dan Rm

Kekuatan tarik Rm bukanlah kekuatan lentur. Rm mendefinisikan tegangan rekayasa maksimum yang dicapai dalam uji tarik statis . Selama pembengkokan, terjadi gradien tegangan – hanya sebagian penampang yang berada pada nilai tegangan maksimum. Oleh karena itu, hasil uji lentur tidak boleh disamakan secara langsung dengan Rm.

Pembengkokan dan Re dan Rp0,2

Kekuatan luluh Re atau Rp0,2 penting ketika menganalisis timbulnya deformasi permanen pada elemen lentur. Dalam model elastis sederhana, timbulnya luluh terjadi ketika tegangan pada serat yang paling banyak menerima beban mencapai tingkat yang sesuai dengan kekuatan luluh material. Peningkatan momen lebih lanjut menyebabkan terbentuknya zona plastis pada penampang.

Kelenturan dan kekerasan

Kekerasan dan perilaku lentur adalah sifat material yang berbeda. Tidak ada hubungan tunggal dan universal yang memungkinkan konversi langsung HBW , HV , atau HRC ke kekuatan lentur. Suatu material dengan kekerasan tinggi mungkin secara bersamaan menunjukkan kapasitas lentur plastis yang terbatas dan kerentanan yang lebih besar terhadap patahan, tergantung pada struktur mikro dan kondisi pembebanan.

Kekuatan lentur dan benturan

Uji tekuk dan uji impak Charpy bukanlah uji yang sama. Uji Charpy menggunakan impak dinamis pada spesimen berlekuk dan mengukur energi yang diserap selama patahan. Uji tekuk mengikuti prosedur yang berbeda dan dapat digunakan untuk menentukan karakteristik mekanik atau kemampuan teknologi suatu material untuk menekuk tanpa patah.

Lenturan dan kelelahan material

Jika momen lentur berubah berulang kali seiring waktu, kelelahan lentur dapat terjadi . Hal ini sangat penting dalam hal:

poros berputar,
sumbu,
mata air,
elemen suspensi,
Bagian-bagian mesin yang dikenai beban siklik.

Retakan kelelahan seringkali bermula di permukaan tempat tegangan lentur paling tinggi.

Pembengkokan rotasional

Salah satu contoh klasik pembebanan kelelahan adalah lenturan rotasional . Jika sebuah poros dikenai momen lentur konstan dan secara bersamaan berputar, titik tertentu pada permukaannya akan mengalami siklus tegangan dan kompresi. Hal ini menciptakan tegangan siklik yang dapat menyebabkan patahan kelelahan bahkan ketika tegangan jauh lebih kecil daripada Rm.

Lekukan dan pembengkokan

Lubang, alur, ulir, perubahan tajam pada penampang, dan diskontinuitas lainnya menyebabkan konsentrasi tegangan . Hal ini sangat penting dalam pembengkokan karena tegangan nominal maksimum terjadi di permukaan komponen. Takik yang terletak di area tersebut dapat secara signifikan meningkatkan tegangan lokal dan mempermudah inisiasi retak.

Kondisi permukaan dan lenturan kelelahan

Kualitas permukaan sangat penting dalam pembengkokan siklik. Goresan, bekas pengerjaan mesin, korosi , lubang-lubang kecil , dan cacat permukaan lainnya dapat bertindak sebagai konsentrator tegangan lokal dan mengurangi umur kelelahan suatu komponen. Oleh karena itu, kondisi permukaan sangat penting pada poros, pegas, dan komponen lain yang mengalami pembengkokan berulang.

Pengaruh suhu terhadap pembengkokan

Suhu memengaruhi sifat material yang bertanggung jawab atas perilaku pembengkokannya. Perubahan suhu dapat memengaruhi, antara lain:

kekuatan luluh,
Modulus Young,
keuletan,
ketahanan terhadap keretakan.

Oleh karena itu, kemampuan suatu material untuk ditekuk dengan aman pada suhu ruangan mungkin tidak sama pada suhu yang sangat rendah atau sangat tinggi.

Pengaruh perlakuan panas

Perlakuan panas dapat secara signifikan memengaruhi perilaku lentur suatu material. Pengerasan dapat meningkatkan kekerasan dan kekuatan, tetapi juga membatasi kemampuan untuk mengalami deformasi plastis yang besar. Tempering , annealing , atau proses lainnya dapat mengubah keseimbangan antara kekuatan, kekerasan, dan keuletan. Efeknya bergantung pada jenis material dan parameter pemrosesan.

Pembengkokan material rapuh

Untuk material getas, pengujian lentur sangat penting karena sampel dapat patah tanpa deformasi plastis yang signifikan. Pada material tersebut, kekuatan lentur dapat ditentukan berdasarkan beban yang menyebabkan sampel patah. Karena alasan ini, pengujian lentur juga banyak digunakan untuk material yang sulit dilakukan pengujian tarik klasik.

Pembengkokan material ulet

Material ulet dapat mencapai sudut tekukan yang signifikan sebelum patah. Untuk material semacam itu, pengujian ini terutama dapat digunakan untuk menilai:

kemampuan untuk mengalami deformasi plastis,
kualitas material,
adanya cacat,
kualitas sambungan las,
kesesuaian untuk pemrosesan teknologi lebih lanjut.

Uji lentur sambungan las

Pengujian tekukan juga digunakan untuk mengevaluasi sifat-sifat sambungan las. Sampel yang mengandung lasan dapat ditekuk sehingga bagian tertentu dari sambungan tersebut mengalami tegangan. Pengujian ini mengungkapkan ketidaksempurnaan tertentu dan menilai kemampuan sambungan untuk berubah bentuk tanpa retak yang tidak dapat diterima. Metode persiapan sampel yang tepat, arah tekukan, dan kriteria evaluasi diperoleh dari standar atau spesifikasi yang relevan.

Standar untuk uji tekuk logam

Salah satu standar dasar untuk pengujian tekuk teknologi material logam adalah ISO 7438 – Material logam – Uji tekuk . Untuk sambungan las, digunakan standar terpisah untuk pengujian tekuk las dan material sambungan. Standar yang relevan menetapkan, antara lain:

geometri sampel,
cara dukungannya,
diameter mandrel atau kondisi pembengkokan,
sudut tekukan,
Metode pelaksanaan penelitian,
Prinsip-prinsip evaluasi sampel.

Perlu dibedakan antara uji tekuk teknologi dan uji yang digunakan untuk menentukan sifat mekanik secara kuantitatif selama proses tekuk.

Apa yang menentukan perilaku logam selama pembengkokan?

Perilaku material dan elemen dipengaruhi oleh, antara lain:

kekuatan luluh,
kekuatan material,
Modulus Young,
keuletan,
mikrostruktur,
perlakuan panas,
kondisi permukaan,
suhu,
arah putaran,
radius tekukan,
geometri penampang,
takik dan konsentrator tegangan lainnya,
jenis dan metode penerapan beban.

Kekuatan material dan kapasitas lentur elemen tersebut

Kekuatan suatu material dan kapasitas menahan beban seluruh elemen tidaklah sama. Baik sifat material maupun geometri penampang memengaruhi kapasitas menahan beban suatu elemen. Oleh karena itu, dua elemen yang terbuat dari baja yang sama dapat memiliki ketahanan lentur yang sangat berbeda jika tinggi, lebar, atau bentuk penampangnya berbeda. Demikian pula, dua elemen dengan geometri yang identik dapat memiliki kapasitas menahan beban yang berbeda jika terbuat dari material dengan kekuatan luluh yang berbeda.

Apakah kekuatan lentur yang lebih tinggi selalu berarti material yang lebih baik?

Tidak. Material yang tepat harus dipilih sesuai dengan aplikasi spesifiknya. Selain ketahanan terhadap beban lentur, hal-hal berikut mungkin penting:

kekakuan,
keuletan,
kekuatan lelah,
ketahanan terhadap keretakan,
kekuatan benturan,
kekerasan,
kemampuan pengelasan,
ketahanan korosi,
massa unsur tersebut.

Suatu material dengan kekuatan luluh yang sangat tinggi mungkin menguntungkan dalam satu aplikasi tetapi tidak cocok dalam aplikasi lain di mana kapasitas deformasi tinggi atau ketangguhan retak yang tinggi diperlukan.

Kekuatan lentur – informasi terpenting

Saat ditekuk, satu bagian penampang diregangkan dan bagian lainnya dikompresi.
Di antara keduanya terdapat sumbu netral.
Dalam rentang elastis linier, tegangan dapat ditentukan dari rumus tersebut. σ = Saya/Aku.
Untuk serat ekstrem, berlaku hubungan berikut. σ_max = M/W.
W merupakan indikator geometris dari kekuatan penampang, bukan sifat material.
EI menentukan kekakuan lentur elemen tersebut.
Modulus Young menggambarkan kekakuan, bukan kekuatan lentur.
Pada logam ulet, begitu terjadi peleburan, sampel dapat terus menahan beban dan mengalami deformasi yang signifikan.
Uji lentur teknologi sering digunakan untuk menilai kemampuan suatu material untuk berubah bentuk tanpa retak yang tidak dapat diterima.
Pengujian tiga titik dan empat titik menghasilkan distribusi momen lentur yang berbeda.
Geometri penampang memiliki pengaruh signifikan terhadap kapasitas menahan beban dan kekakuan elemen.
Radius tekukan yang kecil meningkatkan deformasi lapisan luar material.
Kegagalan akibat kelelahan material dapat terjadi karena pembengkokan siklik.
Lekukan dan cacat permukaan sangat penting karena tegangan lentur maksimum terjadi di permukaan.
Kekuatan lentur, Rm, Rp0,2 dan kekerasan bukanlah parameter yang dapat saling menggantikan.